线粒体功能障碍与肾小球足细胞损伤的研究进展
2014-01-23叶山东
邢 燕,叶山东
(安徽省立医院内分泌科,安徽合肥230001)
线粒体功能障碍与肾小球足细胞损伤的研究进展
邢 燕,叶山东*
(安徽省立医院内分泌科,安徽合肥230001)
随着2型糖尿病在全球的蔓延,糖尿病的防治工作已成为世界公共卫生的巨大挑战。据国际糖尿病联盟预测,2030年全世界的糖尿病患病人数将达到5.52亿[1]。随着糖尿病群体的迅猛扩增,糖尿病肾病(diabetic nephropathy,DN)的发生率也逐年增加,业已成为导致终末期肾病最常见的原因[2]。DN发病机制目前尚未明确,研究指出包括氧化应激,线粒体功能障碍,糖脂毒性等能量代谢障碍均参与糖尿病肾脏损伤[3,4]。
1 线粒体结构和功能
线粒体不仅是细胞氧化磷酸化的中心,也是细胞凋亡的调控中心。它是由内外两层膜封闭的囊状结构,包括外膜、内膜、膜间隙和基质四个功能区。内膜上有质子泵和氧化磷酸化电子传递链。ATP的合成在线粒体完成,并需要电子及质子的传递伴随。线粒体氧化呼吸链位于线粒体内膜,有五种分子质量很大的跨膜蛋白复合体组成,它们分别是复合体Ⅰ(NADH泛醌氧化还原酶)、复合体Ⅱ(琥珀酸泛醌氧化还原酶)、复合体Ⅲ(细胞色素C还原酶)、复合体Ⅳ(细胞色素C氧化酶)以及复合体Ⅴ(ATP合酶)。呼吸链同时还需要两个小分子的电子载体:泛醌和细胞色素C,使电子按氧化还原电位从低到高传递,能量逐级释放。线粒体基质中的质子泵入外室,导致线粒体内外室电压不平衡而形成跨膜电位,这对维持线粒体正常功能是十分必要的。正常生理条件下,线粒体透性转换孔(mitochondrial permeability transition pore,MPTP)周期性开放,使外室的质子或正离子进入内室,从而防止外室正离子过度蓄积[5],维持线粒体的正常功能。
2 线粒体功能障碍与DN足细胞损伤
足细胞即脏层上皮细胞,它是一种终末分化细胞,分化成熟后不能再生,增殖再生能力极其有限,故其胞质中需大量线粒体以提供能量维持细胞结构和功能。它位于肾小球毛细血管壁的最外层,直接暴露于肾小球高压及流体切应力作用下,是血浆大分子从肾小球滤过的最后一道屏障。本课题组前期研究表明足细胞损伤与蛋白尿、肾小球硬化密切相关[6,7]。在有可能进展至终末期肾衰竭的肾小球疾病中,足细胞是主要的受累靶点,而线粒体又是高糖攻击足细胞的核心靶点,线粒体功能障碍可通过相应的信号通路触发足细胞损伤导致进展性肾小球硬化[8]。研究证实线粒体功能障碍是足细胞损伤的早期事件[9],糖尿病肾组织中线粒体的功能出现异常表现,主要表现为以下四个方面:
2.1 线粒体呼吸链氧化磷酸化功能障碍后ATP合成减少:正常肾脏功能的维持需要消耗大量的能量,肾组织内富含线粒体,氧化磷酸化系统受损将导致线粒体功能紊乱[10]。线粒体功能障碍是导致糖尿病肾病的关键致病因子,也是影响足细胞氧化磷酸化和能量供应的主要影响因素。糖尿病小鼠db/db出现线粒体解偶连,主要表现为肾小球滤过率增加,蛋白尿和线粒体分裂[11]。高糖培养足细胞的氧耗率明显升高,复合体Ⅰ抑制剂鱼藤酮可抑制上述病变[12]。足细胞丧失有丝分裂活性,需要大量能量供应来维持包括肌动蛋白细胞骨架和细胞外基质蛋白在内的多种功能。线粒体产能对细胞的运动和迁移十分重要,线粒体功能障碍时ATP产生减少会特异性地破坏肌动蛋白和中间丝结构,作用于细胞骨架而导致足细胞与基底膜分离[13],导致足细胞密度显著下降。线粒体解偶连蛋白2(uncoupling protein 2,UCP2)定位于线粒体内膜,参与线粒体质子漏和质子运输,通过降低线粒体内外膜的质子电位差行使线粒体解偶联的功能,影响线粒体呼吸链的功能和ATP的生成。已有研究证实部分中药提取物可通过抑制UCP-2表达,保持体外培养足细胞蛋白podocin和WT-1的正常分布并减轻蛋白尿[14]。
2.2 线粒体氧化应激:线粒体是细胞能量生成的重要细胞器,也是广受关注的细胞调节氧化应激的中枢。活性氧(reactive oxygen species,ROS)主要包括自由基类:如超氧自由基(O2-),超氧化氢(·RO2),氢氧自由基(·OH);非自由基类如过氧化氢和次氯酸。此外,线粒体呼吸链还生成活性氮簇,如一氧化氮自由基(·NO),二氧化氮自由基(·NO2),过氧亚硝酸盐(ONOO-)等[15]。正常生理条件下体内氧化系统与抗氧化系统呈动态平衡,ROS是足细胞进行正常代谢所必需的一种小分子,它们参与电子传递和细胞氧化呼吸代谢,并作为细胞内氧化还原信使传递调控胞内信号,但细胞内过量ROS积累将导致细胞结构及功能损伤[16]。线粒体呼吸链被证实是细胞内ROS产生的最主要来源,其中辅酶Q可将单个电子传递给氧分子而使其单价还原成ROS[17]。2001年Brownlee等[18]在Nature上提出了“糖尿病并发症的统一理论”,将氧化应激和糖尿病紧密联系起来,该理论认为线粒体呼吸链ROS产生过多是高糖导致组织损伤的启动因子。过多的氧自由基可激活多元醇途径、终末糖基化产物途径、蛋白激酶C途径、己糖胺代谢等四条生化途径,通过共同的通路-线粒体电子呼吸链进一步诱导ROS积聚后导致细胞损伤及凋亡,形成不断促进自由基持续产生的正反馈控制系统,诱发组织细胞损伤的恶性循环。线粒体酶复合体活性受损时,将生成大量ROS导致广泛的氧化损伤恶性循环,并进一步减少ATP合成。在醛固酮诱导的足细胞损伤中,伴随有ROS大量产生、线粒体超微结构改变、线粒体膜电位下降、ATP合成减少等[19]表现。高水平的游离脂肪酸,尤其是饱和脂肪酸在线粒体基质中积聚后导致线粒体ROS大量合成,直接诱导脂质过氧化和线粒体功能损伤。伴随着体内抗氧化防御系统功能失调,游离脂肪酸转运和氧化受阻将直接破坏组足细胞裂孔隔膜结构[20]。醛固酮和高糖可引起足细胞ROS生成增加,进而激活下游丝裂原活化蛋白激酶(mitogen activated protein kinase,MAPK)等信号通路,导致足细胞足突消失[21]。研究证实ROS过量表达可导致肌动蛋白降解损伤足细胞,增大裂孔隔膜间距,蛋白大量从肾脏漏出[22]。在DN动物模型中证实体内氧化应激标记物显著升高,抗氧化剂可减轻足细胞足突的广泛融合[23],减轻足细胞损伤及蛋白尿。
2.3 线粒体与足细胞凋亡:凋亡有外源性途径(死亡受体途径)和内源性途径(线粒体途径)之分。线粒体介导的凋亡表现为脂质过氧化膜通透性改变,凋亡蛋白包括细胞色素C,凋亡蛋白酶激活因子、天冬氨酸特异性半胱氨酸蛋白酶(cysteine-containing aspartate-specific proteases,caspase),细胞凋亡诱导因子等从线粒体释放到胞浆,随之引起caspase瀑布式活化和细胞凋亡[24]。凋亡受一系列分子调控,其中Bcl-2家族起着决定性作用。细胞色素C从线粒体释放到细胞质是多种凋亡的共同表现,它可扰乱线粒体电子传递链,刺激ROS的堆积使MPTP持续开放,导致细胞凋亡[25]。凋亡主要表现为染色质固缩,DNA片段化以及caspase的活化,而这些病理表现多与DN有一定联系,足细胞凋亡是导致足细胞数目下降的主要原因。线粒体在高糖刺激下,生成大量ROS,导致细胞色素C从线粒体膜间隙释放,激活caspase-9和caspase-3,导致大量的足细胞凋。在与线粒体相关的足细胞凋亡过程中,活性氧发挥重要的信使作用。它作用于线粒体凋亡途径中的各个环节。同时,线粒体凋亡中的信号分子反过来也影响ROS,使之互为因果。研究证实ROS可通过细胞外信号调节激酶活化而诱导足细胞凋亡[26],高糖可通过NADPH氧化酶和线粒体旁路刺激ROS生成进而活化促凋亡的P38MAPK和caspase-3使体外培养的足细胞凋亡[27]。ROS还可通过氧化线粒体心磷脂和线粒体重要的蛋白质对线粒体造成氧化损伤,可使线粒体膜脂质过氧化、膜流动性降低、线粒体内外膜蛋白过氧化,蛋白质交链,造成MPTP开放,线粒体膜通透性升高,线粒体凋亡相关物质释放,引起细胞凋亡[28-29]。
2.4 线粒体DNA(mitochondrial DNA,mtDNA)受损:mtDNA的重复、拷贝数下降、缺失及点突变均可造成线粒体病。mtDNA编码的多肽全部是氧化磷酸化系统酶复合物的亚单位,mtDNA缺陷可使线粒体氧化磷酸化产能障碍,ATP合成减少,能量产生低于肾脏能量需求阈值。近年来表现为肾小球病变的线粒体细胞病越来越受到广泛关注,线粒体细胞病肾脏病理除了表现为局灶性节段性肾小球硬化外,还表现为玻璃样变小动脉病变和足细胞足突损伤。电镜下表现为胞体变小,假小囊形成,足突消失,双核或多核足突。足突胞浆内充斥大量的肿胀变形和极度异性的线粒体。因缺少组蛋白样的覆盖物并非常靠近内膜,是细胞内ROS的主要产生部位,线粒体又缺乏完善的修复体系,故mtDNA的突变率超过核DNA的10倍[30]。mtDNA缺失引起的线粒体功能紊乱参与足细胞生存和黏附活性减退,足细胞在受到损伤因素刺激后可导致ROS过量产生并累积,阻断mtDNA的转录和复制,减少拷贝数,同时ROS会连续攻击mtDNA热点基因诱导突变,进一步导致电子传递链缺陷使ROS不断产生并损伤机体。
3 结语
综上所述,线粒体功能障碍与足细胞损伤密切相关,参与糖尿病肾病的发生发展。后续研究应详细了解线粒体功能障碍导致足细胞损伤的细胞内信号通路传导机制,从而为药物治疗DN,减轻蛋白尿和足细胞损伤提供一定的理论依据,为DN的防治提供更有效的手段。
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2013-08-22)
1007-4287(2014)10-1726-03
*通讯作者