线粒体相关内质网膜在2型糖尿病中的作用

柯孟婷 徐焱成

武汉大学中南医院内分泌科 430071

随着人们生活水平不断提高, 糖尿病发病率逐渐上升，糖尿病患者数量从1980年的1.08亿增加到2014年的4.22亿。成人糖尿病患病率从4.7%上升到8.5%，表明全球糖尿病患病率从1980年到2014年几乎翻了1倍[1]。近年来发现线粒体相关内质网与糖尿病发生、发展密切相关，下面将详细述之。

1 线粒体相关内质网膜(MAM)

1.1 MAM的形成 线粒体和内质网作为真核细胞重要细胞器，在细胞生命活动中紧密联系，两者以并列方式排列，线粒体外膜和内质网距离在10～100 nm[2]。即使这两种细胞器离得很近，它们的膜也不会融合，因此两者可以保留自己独特的结构和功能[3]。线粒体融合蛋白1(Mfn1)和线粒体融合蛋白2(Mfn2)是位于线粒体表面且调节线粒体融合的蛋白，绝大多数Mfn2位于线粒体外膜, 但内质网中同样表达一部分Mfn2；内质网膜上Mfn2与线粒体外膜上Mfn1/2凭借蛋白自身构象可塑性相互缠绕、密切接触，从而连接内质网与线粒体形成MAM，MAM对于维持细胞生理功能具有重要意义[4]。

1.2 MAM的生理功能 MAM可以调控内质网与线粒体之间信号分子的转运，目前研究较多的钙转运，1,4,5-三磷酸肌醇受体(IP3R)是内质网释放钙离子通道之一，一般与三磷酸肌醇结合，允许钙离子由内质网进入细胞质；钙离子释放至细胞质后，经过线粒体外膜上电压依赖性阴离子通道(VDAC)进入线粒体膜间隙，再通过线粒体内膜上线粒体钙单向转运体(MCU)，从线粒体膜间隙向线粒体基质单向移动。当内质网上IP3R通过分子伴侣葡萄糖调节蛋白75(GRP75)与线粒体外膜上VDAC相互连接时，内质网钙离子可直接经IP3R释放，而不需要三磷酸肌醇与IP3R结合[5]。IP3R-GRP75-VDAC复合物是一种与线粒体内质网耦联密切相关的多蛋白结构，敲除GRP75基因可以破坏MAM耦联，从而减少线粒体Ca2+摄取[6]。

MAM上某些蛋白如Mfn2缺失后，MAM完整性的改变可致内质网应激[7]，且内质网应激早期阶段内质网线粒体耦联增加，内质网转移至线粒体钙通量增加，从而促进线粒体呼吸，但内质网应激持续激活，导致线粒体Ca2+积累，可引起线粒体功能障碍致细胞凋亡[8]。除了Ca2+，MAM也可以通过影响活性氧簇，从而影响线粒体功能；MAM结构破坏可减少活性氧簇从内质网至线粒体的转移，保护细胞免受活性氧簇介导的线粒体凋亡[9]。内质网上的囊泡相关膜蛋白相关蛋白B(VAPB)和线粒体外膜上酪氨酸磷酸酶相互作用蛋白-51(PTPIP51)相互作用，也参与线粒体与内质网耦联形成，MAM上VAPB-PTPIP51蛋白复合物通过促进内质网线粒体Ca2+交换，参与自噬的调控[10]。因此，MAM结构改变可通过影响内质网应激、线粒体功能，从而调控细胞自噬、细胞凋亡等。

2 MAM 与 2型糖尿病(T2DM)

近几十年来对T2DM患者胰岛素抵抗和胰岛细胞功能障碍进行了深入研究，但仍未完全阐明其分子机制；MAM耦联处发现许多胰岛素信号蛋白，如蛋白激酶B、蛋白质磷酸酶2A(PP2A)、哺乳动物雷帕霉素靶蛋白复合物2、磷酸酶紧张素同源蛋白和糖原合成酶激酶(GSK)3β；MAM作为一种葡萄糖传感器，可能有助于细胞适应体内营养状态变化[11]。葡萄糖浓度升高可通过激活磷酸戊糖-PP2A通路，破坏MAM的完整性和功能，从而导致线粒体分裂和呼吸功能受损[12]。

2.1 MAM与胰岛素抵抗 MAM与肝脏、骨骼肌、脂肪组织的胰岛素抵抗密切相关：(1)在糖耐量异常小鼠肝脏中MAM数量减少，在遗传肥胖或高脂高糖饮食诱导的糖尿病小鼠模型中，肝细胞MAM完整性也会发生改变[13-14]。肝细胞短时间暴露于棕榈酸环境下使内质网向线粒体的钙通量减少，随后MAM接触面积显著减少[15]。也有研究发现，小鼠肝脏中通过破坏内质网线粒体间的相互作用致IP3R介导Ca2+信号通路中断，导致肝脏损伤，出现肝脏胰岛素抵抗[16]。特异性敲除肝细胞Mfn2基因可致内质网应激和胰岛素抵抗,且Mfn2过表达可改善棕榈酸诱导的胰岛素抵抗[17]。以上均表明MAM作用减弱在肝脏胰岛素抵抗中可能发挥促进作用。(2)IP3R介导Ca2+释放是骨骼肌葡萄糖摄取所必需，提示MAM在骨骼肌葡萄糖稳态中的潜在作用[18]。在糖尿病患者骨骼肌和棕榈酸所致骨骼肌细胞胰岛素抵抗模型中，均发现内质网线粒体耦联减弱，且两者耦联中断也可致骨骼肌细胞胰岛素抵抗发生[19]。(3)CDGSH铁硫结构域2(Cisd2)是一类定位于MAM界面的蛋白，在白色脂肪组织中，Cisd2突变导致线粒体缓冲能力丧失，白色脂肪组织分化，胰岛素刺激葡萄糖转运减少，有力地支持MAM功能失调会促进白色脂肪组织出现胰岛素抵抗[20]。

以上研究证据表明，MAM功能减弱可促进胰岛素抵抗的发生，然而在肥胖小鼠肝脏中可出现内质网线粒体相互作用增强，且通过使IP3R1过表达，可增强肝脏MAM的作用，从而诱导胰岛素抵抗，而降低这些蛋白在肥胖小鼠肝脏中的表达可改善胰岛素敏感性[21]。丙酮酸脱氢酶激酶4(PDK4)在MAM耦联处与IP3R1-GRP75-VDAC1复合物相互作用并使其稳定，肥胖患者体内PDK4活性增加，促进MAM形成并抑制胰岛素信号转导。相反，减弱PDK4活性可以抑制MAM形成，从而通过改善线粒体Ca2+超载、线粒体功能障碍和内质网应激来改善骨骼肌细胞胰岛素信号转导[22]。这些发现证实，内质网线粒体过度耦联是肥胖小鼠细胞器功能障碍的一个重要组成部分，这可能导致代谢紊乱，如胰岛素抵抗。内质网与线粒体接触减少或增加，可能取决于代谢压力刺激如高血糖适应性反应时间，这可能代表一种新的重要机制[23]。

2.2 MAM与胰岛β细胞功能紊乱 胰岛细胞内钙离子稳态对胰岛细胞功能的维持十分重要，胰岛细胞具有一种细胞特异性的内质网Ca2+流出方式，Ca2+流出后直接转运至线粒体内，且这种钙转运方式受GSK3β调节[24]。线粒体功能异常及内质网应激与胰岛β细胞功能紊乱密切相关, 参与糖尿病的发生与发展[25]。2型糖尿病患者β细胞中IP3R2表达增加，但VDAC-1表达下降致IP3R2-VDAC-1复合物数量明显降低；用棕榈酸处理小鼠胰岛细胞后内质网应激增强，同时内质网与线粒体的相互作用显著减少，表明内质网和线粒体相互作用减少，与T2DM的发生密切相关[26]。高糖短时间(22.5 mmol/L，30 min)培养大鼠胰岛细胞可以增强内质网和线粒体的相互作用以及两者之间Ca2+的转运，从而刺激细胞胰岛素分泌；MAM耦联破坏可以减少胰岛素分泌，因此内质网线粒体动态耦合参与了胰岛细胞分泌胰岛素的过程，内质网线粒体之间Ca2+转移破坏可能是糖毒性导致β细胞功能障碍的一个新机制。长时间用同一浓度的高糖(22.5 mmol/L，48 h)培养大鼠胰岛细胞或人胰岛细胞，虽然增加了两种细胞器的耦联位点，但减少内质网-线粒体Ca2+转运以及其胰岛素分泌。进一步研究发现，这种糖毒性引起Ca2+信号改变与内质网应激、线粒体呼吸改变和线粒体分裂有关，这些细胞器应激反应可能刺激线粒体和内质网结构连接点增加，从而作为一种应对糖毒性的保护机制，但在功能方面相互作用并没有增加，如内质网线粒体之间Ca2+转运以及其刺激的胰岛素分泌减少，另一方面用合成的连接剂直接增加内质网线粒体连接，该连接剂可明显增加细胞器的接触表面，从而影响所有接触点距离，但并没有使两者之间Ca2+转移增加，反而诱导线粒体分裂和减少胰岛素分泌，这些证据表明内质网与线粒体之间的距离增加，但两者之间的信号分子转运不一定增加，其中机制并不清楚，可能是高糖诱导内质网应激，使内质网Ca2+耗损致内质网Ca2+释放能力减弱，导致从内质网直接转移至线粒体的Ca2+减少[27]。总之，MAM在胰岛细胞功能方面起重要作用，且内质网与线粒体之间Ca2+直接转运是胰岛细胞中调控胰岛素分泌的一个新位点。

综上所述，MAM为内质网和线粒体之间的相互作用提供了一个很好的平台，在细胞内稳态的各种信号通路中发挥重要作用。越来越多的证据表明，内质网与线粒体耦联部位结构或者功能改变会导致糖尿病发生，所以改善MAM的结构和功能，可能是恢复和维持人类和动物体内葡萄糖稳态的有效策略[28]。因此，进一步探究MAM的结构和功能改变的分子机制十分重要，Ca2+稳态失调可能是其中的一个靶点，但仍需更多研究来探索其具体机制。