线粒体潜在靶向治疗及相关蛋白最新研究进展

白婷婷，赵 明

（1.内蒙古民族大学 蒙医药学院，内蒙古 通辽028043，2.内蒙古民族大学 附属医院 心内科，内蒙古 通辽028000）

心血管疾病（Cardiovascular Diseases，CVD）是老年人群死亡的主要原因之一，近年来其发病和死亡率不断攀升［1].处理急性心肌梗死，在临床上再灌注治疗可挽救梗死区域，也常会引起缺血-再灌注损伤（Ischemia Reperfusion Injury，I/R）.腺苷三磷酸（Adenosine Triphoshate，ATP）缺乏被认为是始动环节，而ATP由线粒体合成，因此，线粒体主宰心肌细胞，与I/R息息相关.对于线粒体而言，它属于一种动态的细胞器，在人体心肌生长过程中，都离不开它，它能够提供必需的能量.在线粒体氧化磷酸化之后，会形成大量的ATP，在人体所有ATP中占有90%的比重，为心肌细胞的运动提供必需的能量.除了生产ATP外，线粒体还可调节一系列细胞信号，如细胞分裂、线粒体信号传导通路、胞内代谢途径调节、Ca2+信号通路传导等［2]；同时它们也是活性氧（Reactive Oxygen Species，ROS）的主要来源，ROS可操纵氧化应激反应，从而影响细胞功能［3].线粒体中Ca2+和活性氧浓度又是许多心血管疾病的基础，其功能障碍是致病过程中关键因素之一［4].

1 线粒体动力学蛋白

线粒体通常被描述为孤立地细胞器，但它们实际上形成了高度动态的网络.这些盘根错节的网络本质取决于线粒体分裂和融合历程当中的平衡［5-6]. 线粒体融合包括线粒体融合蛋白、视神经萎缩蛋白.线粒体分裂主要是受线粒体动力蛋白1（Dunamin-related Protein1，Drp1）调控，Drp1 是一种胞质蛋白，受其他各种蛋白的影响下，最主要聚集赶往线粒体中，开始分裂过程［7].接收分裂消息动作命令时，线粒体外膜上Fis1、Mff等蛋白集结Drp1快速进入线粒体中，引起线粒体分裂［8].缺氧复氧阶段时，心肌细胞周期蛋白激酶（Cyclin-Dependent Kinases1，CDK1）、钙调磷酸酶能够提高Drp1的含量，线粒体分裂加快，进而心肌细胞开始瓦解坏死.如果降低CDK1的含量，磷酸化动力相关蛋白的磷酸化水平就会降低，从而缓解心肌坏死的速度［9].因此，线粒体动力学的一系列相关变化，对于维持其本身的完整性，以及适应细胞生命活动过程均显得尤为重要.线粒体融合、分裂有助于去除和降解目标.然而，线粒体极度地融合与分裂会迫害细胞的代谢能力［10].

2 线粒体动力学在I/R损伤中的潜在靶向治疗

在医学不断探索的今天，大批的实验人员探索出I/R与线粒体功能障碍密不可分，线粒体结构和功能破坏，存活的心肌细胞持续减少，出现I/R.可能与如下原因相关：ATP合成锐减，能量不足；Ca2+和ROS的积累，其超负荷可加深线粒体损伤.以上均可能影响再灌注的临床效果.急性心肌梗死时，不同种因素导致线粒体受损，给予治疗后，线粒体功能破坏积聚.治疗I/R的潜在途径主要通过心血管细胞中的线粒体动力学改变，如蛋白质相关转运、减少电子之间交换、防止线粒体通透性转换孔（Mitochondrial Permeability Transition Pore，mPTP）通道开启或激活线粒体钾离子通道等.

2.1 线粒体DNA和蛋白质转运

在线粒体中，分布着1000多种蛋白质，对于这些蛋白质而言，基本都由细胞核DNA进行编码，然后进入细胞核糖体完成合成阶段，再依次输送到线粒体内膜、外膜、基质或者是膜间隙内.此外，对于线粒体DNA负责编码的13种蛋白质，也经历上述过程［11].无论是线粒体DNA（mtDNA），还是核DNA（nDNA）具有遗传欠缺，均引发线粒体功能问题.mtDNA是环状螺旋排列的双链DNA分子.mtDNA排列紧密，其内含子序列不多，因此DNA序列利用的效率较高.一旦mtDNA发生变异，特别容易累及基因组一些重要区域的运行，导致严重后果［12].对于mtDNA，大部分位于线粒体内膜上，距离氧化磷酸化、ROS的生成位置很近，因此，常常被ROS、自由基攻击，从而导致遗传转录过程终止［13].

线粒体中蛋白质转运系统，涵盖了各个方面.在很多方向都发挥着十分重要的作用，比如，ATP消耗、氧化还原、分子伴侣等各种不同因素［14].在这一作用机制的影响下，蛋白质被转运至线粒体中.此外，对于mtDNA负责编码的蛋白质而言，也是利用此种方式进入到线粒体内膜上.mtDNA编码线粒体微小部分蛋白，核糖体中完成，为呼吸链组成部分，分布在线粒体内膜上［15]，当它们向线粒体内膜转运物质时，一般需要OXA复合物（Oxidase Assembly，OXA）负责介导.此种介导物质包括以下几个部分，分别为Oxa1、Mba1、以及Mdm38.Oxa1负责把线粒体DNA负责编码的蛋白质转运到内膜之中.对于Mba1，它在Mdm38中完成蛋白整合过程，然后转运至线粒体内膜的基质内部［16-17]. 核基因组编码的线粒体蛋白可促进mtDNA的复制［18].Chen 等［19]通过研究发现，当大鼠心脏出现衰竭时，一般会伴随着mtDNA的耗损，它会改变线粒体的结构、增加ROS 的生成速度，当大量的ROS 聚集到一起时，会对电子传递呼吸链、mtDNA 带来不利的影响，逐渐陷入恶性循环之中，由此可知，mtDNA损耗也许是发生心血管疾病的重要标志.

对于心血管系统来说，转运系统对于维持心肌细胞的生物活性相当重要，任何损坏都可能导致细胞功能障碍和死亡［20].蛋白质转运途径与mtDNA已被用于引导蛋白质进入线粒体的特定靶向序列［19].某种特定蛋白质的缺陷或转运途径的缺失均可能导致心肌细胞的功能丧失.因此，mtDNA及线粒体蛋白质转运系统是许多疾病分子机制的关键，它也为靶向导入的蛋白质或其转位酶治疗心血管疾病提供新的策略.

2.2 线粒体外膜

线粒体本身的结构对其正常运行至关重要，所以每个结构也是潜在的治疗靶点.内外两层膜把其变成紧闭结构.每个线粒体由两个特殊的膜组成细胞器，线粒体外膜（Outer Mitochondrial Membrane，OMM）和包围基质的线粒体内膜［21].OMM是一种相对简单的磷脂结构可渗透到小分子和离子；0MM也是ROS的主要来源.在I/R 或心力衰竭时，心脏处于慢性神经激素和外周血流动力学压力下，儿茶酚胺升高，导致单胺氧化酶（Monoamine Oxidase，MAO）诱导的ROS 生成增加.MAO 主体加速儿茶酚胺与生物胺的氧化脱氨反应，据报道，5-羟色胺（5-Hydroxytryptamie，5-HT）在I/R 过程中积累，促进心肌损伤及加重进展过程［22].MAO介导细胞凋亡的一个机制可能是其依赖的ROS产生导致Bax/Bcl-2比值发生变化和线粒体细胞色素c释放增加，导致心肌细胞凋亡［23].在研究中，Kaludercic等［24]提出MAO增强了小鼠主动脉收缩时的去甲肾上腺素（Norepinephrine，NE）代谢，这也与氧化应激加剧、心室扩张和收缩功能降低有关.线粒体MAO的靶向性及其潜在的治疗作用是可对抗氧化应激和线粒体功能障碍诱导的细胞死亡，同时可减少因I/R损伤引起的心肌损伤［21].这些观察为线粒体MAO 在这些疾病发展过程中提供了证据，并为其提供治疗潜力.

电压依赖性阴离子通道（Voltag e-dependent Anion Channel，VDAC），遍及散布正在哺乳动物线粒体外膜.VDAC与其他蛋白有很多相似之处，都是由核基因负责编码，然后从核糖体中合成的.VDAC可上调线粒体外膜表达，与其他离子跨膜转运等相同［25].受线粒体介导的心肌细胞凋亡过程，一般包含OMM、胞浆蛋白，例如，己糖激酶（Ⅰ和Ⅱ）、Bcl-2 蛋白家族等等，能够显著影响细胞损伤过程［26-29].利用VDAC 与mPTP之前的作用机制，来控制Bcl-2家族蛋白的抗凋亡过程［30].据研究报道，对于大鼠心脏灌注现象，主要与Bcl-XL 结构域中的细胞透性肽存在很大的关联性，可关闭VDAC 并阻止VDAC 介导的细胞色素C 的释放及减少心肌细胞的死亡［22].己糖激酶（HK）-VDAC 是另一种作用于OMM 蛋白的活性酶，它提供了一个有趣的靶点来选择性地抵抗氧化损伤.HK 和VDAC 之间的联系对OMM 渗透起到保护作用，并对细胞凋亡产生抵抗作用［30-31].有报道称，通过HK 关闭VDAC 可以防止mPTP 的开放和阻止细胞凋亡［32].在正常条件下，在心脏I/R 损伤的小鼠模型中部分敲除HK-Ⅱ，会直接导致细胞死亡的增加［33].HK-Ⅱ与线粒体结合，能有效降低Bcl-2 家族与OMM 结合，及收缩ROS 产生，一起促成I/R 改善和恢复.研究表明，线粒体HK 的影响在促进细胞存活方面起着关键作用.因此，针对其与线粒体的结合，可以提供一种新的策略来增强心血管疾病的治疗模式.

2.3 线粒体内膜

线粒体内膜（Inner Mitochondrial Membrane，IMM）是位于线粒体外膜内侧，包裹着线粒体基质的一层单位膜.线粒体内膜中蛋白质和磷脂的质量比较高，其中含有大量的心磷脂.IMM只允许某些小分子（主要是离子）通过.IMM的主要磷脂成分心磷脂，同时也调节细胞色素C的释放［34].在许多病理条件下，心磷脂受损也会导致心血管疾病异常.Paradies 等［35]报道称，在I/R 心脏线粒体中观察到的心磷脂含量与复合体Ⅰ活性的下降称平行关系.最近有人提出，将复合物Ⅳ作为一种减轻I/R 损伤的治疗靶向可能会使结果恶化，其中原因是p66Shc介导的ROS 生成细胞色素C 水平降低［36].因此，抑制线粒体p66Shc表达是治疗氧化应激增加导致的动脉粥样硬化、I/R 损伤和心力衰竭的新方向.

在IMM中，还分布着腺嘌呤核苷酸转运体（Adenine Nucleotide Translocator，ANT），经常与VDAC共同作用，在mPTP形成过程中发挥着重要的调控作用.ANT已被证明是氧化和亚硝基应激的重要靶点. 另一个潜在的合作伙伴是线粒体肌酸激酶（Creatine Kinase，CK），它与其他酶一起是磷酸转移网络的一部分.ANT活性的破坏可导致ATP/ADP反转运蛋白活性的抑制、过量ROS的产生、胞浆ATP的耗竭和线粒体去极化和凋亡［37].在临床上，ANT 功能障碍被认为与扩张型心肌病有关［38].因此，在细胞损伤过程中，保护ANT 功能完整性为针对该蛋白的药理学或分子遗传学提供一个独特的机会，进一步保护线粒体功能.

离子通道动态调节的改变是线粒体相关功能异常的基础.mCa2+通过钙离子通道在很大程度上取决于线粒体跨膜电位（Mitochondrial Trans-membrane Potential，△Ψm）.这种mCa2+摄取可能对线粒体功能产生深远的影响，如改变细胞呼吸等.然而，在心脏I/R中观察到的高浓度的mCa2+会损害ATP合成，导致离子稳态的紊乱，刺激ROS的产生，mPTP的开放，基质肿胀和OMM的破裂［39].以上因素都会导致△Ψm崩溃，信号分子（细胞色素c、AIF和Smac/Diablo）的释放，以及ROS产生的加剧，导致线粒体功能下降，最终导致细胞死亡.△Ψm大约是肌膜电位的两倍，这为选择性地靶向线粒体提供了独特的机会.线粒体的这独特属性被用来指导所谓的“线粒体”药物靶向机制［40].但是这些药物在临床中减轻心血管异常的有效性及特异性还有待确定.

2.4 线粒体通透性转换孔

线粒体通透性转换孔（Mitochondrial Permeability Transition Pore，mPTP），多数坐落于线粒体内外膜，是一种非特异性复合通道，包含着多个蛋白质，属于非选择性孔隙，是线粒体内外信息交流关键，线粒体参与细胞生存与凋亡的一个关键方面是对其开口的控制［41].近年研究发现线粒体功能障碍和mPTP密切相关，mPTP在细胞存活和死亡中的双重作用对于选择性靶向孔以进行治疗干预尤为重要.最近的证据表明，在低电导状态下，孔隙可能有助于细胞溶胶和基质之间的小代谢物交换，这一过程主要由线粒体溶质载体控制［42].研究表明，在病理情况下，mPTP 的开放是由过量的mCa2+、ROS 产生引起的，而腺嘌呤核苷酸、Mg2+则限制了孔的开放［43].mPTP在缺血期间处于关闭状态，孔洞被最小化，但在再灌注条件下，如增加的基质Ca2+和ROS 浓度则有利于孔洞持久的开放.I/R时，ROS和Ca2+激增会导致线粒体损伤，进而引发过度自噬，这一现象加深正常降解，增加损害程度［44].它的开放范围与灌注损伤程度息息相关，标志着心肌损伤从可逆结果转变为不可逆阶段.mPTP 使线粒体通透性发生改变，造成线粒体膜电位降低、氧化磷酸化去偶联、线粒体肿胀和细胞色素C等促凋亡因子释放出来，从而引发细胞出现凋亡或者坏死现象［45].所以，通过减小mPTP的开放程度，或者是提高mPTP的关闭能力，有助于保护心肌细胞.Argaud等［46]研究表明，在兔活体心肌缺血再灌注模型中，缺血后处理能抑制心肌危险区域Ca2+诱导的mPTP 开放，同时提出钙超载减轻、ROS生成减少可能与延迟mPTP 的开放有关.对mPTP开放的抑制将会增加细胞内NO含量、Ca2+超载及氧化应激等，但其中的机制还待进一步研究.

mPTP的这些作用适用于大多数细胞损伤的情况，减少线粒体通透性转换孔开放的药物制剂在某种程度上对心肌细胞线粒体可产生保护作用［47].最近报道，体内异氟醚诱导的后处理部分通过轻度抑制线粒体呼吸、去极化以阻止mPTP的开放以及基质pH的酸化.这些事件更好地保存线粒体生物活性，并减少Ca2+超载和细胞死亡［48].在疾病发展过程中，实现对mPTP的控制是心血管治疗的一个重要目标，以及在早期损伤后最大限度地补救途径.

3 展望

随着研究的加深和相关领域的扩展，线粒体动力学和心血管疾病的联系已得到重视，其对心肌细胞的代谢、信号传导、凋亡等均有重要的调节作用.事实上，线粒体动力学的多样性预示着广泛的应用前景，目前许多研究集中在开发线粒体靶向药物上，这些药物可以在不影响细胞其他部分的情况下积聚在线粒体中.线粒体靶向治疗将提供更高的效率和选择性，但仍有很多科学问题待解决，如药物如何精准输送和可能出现的不良反应等，这些技术将需要随着时间的推移而改进和完善.我们还需进一步研究其结构，全面了解作用机制，为临床治疗提供更多依据.