线粒体动力学、炎症与2型糖尿病

阮鸿娇，葛 婷，胡万祥，李金尧，宋成军，陈志宏

（承德医学院人体解剖学教研室，河北承德 067000）

胰岛素抵抗与胰岛B细胞功能障碍所致胰岛素分泌量相对、绝对不足是2型糖尿病（type 2 diabetes，T2DM）发病的两个基本环节，贯穿于T2DM发生发展的整个过程，但T2DM特异性的病理基础及伴随T2DM的一系列代谢紊乱仍没有确切的解释[1]。近年来发现，线粒体动力学（mitochondrial dynamics，mtDYN)、线粒体生物发生、线粒体自噬等过程是重要的质量控制系统，在调控线粒体DNA的稳定性、线粒体的氧化代谢、线粒体的形态和数量等方面发挥着至关重要的作用[2]。且研究发现，T2DM时线粒体动力学发生了明显变化，参与了胰岛素抵抗的进展和T2DM的发病，并与糖尿病并发症的发生发展也密切相关[3-5]。另外，T2DM也被公认为一种慢性低度炎症状态，发病过程中伴随着炎症因子水平的升高，因此也被称之为“代谢性炎症”[6]。目前，相关研究也证明，线粒体动力学蛋白表达的失衡和整体水平的下调与炎症的发生有关[7,8]，由此考虑T2DM、线粒体动力学、炎症之间可能存在某种关联。本文就线粒体动力学、炎症与T2DM的关系进行综述，以期为丰富T2DM发生发展机制的研究提供资料，进而为T2DM开拓新的治疗领域提供依据。

1 线粒体动力学

1.1 线粒体动力学的定义

在大多数细胞类型中，线粒体是一种高度动态化的管状互连网络细胞器。在不同生理活动时及外界环境的刺激下，线粒体维持着持续融合和分裂的动态循环，即进行由长的互相连接网络状向不连接的碎片状的动态转换，线粒体以相互连接的、中间形态的、碎片状的形式混合存在，这种维持线粒体稳态的过程即为线粒体动力学[9]。

1.2 线粒体动力学的分子机制

在正常情况下，线粒体的分裂和融合是由线粒体内外膜上的鸟苷三磷酸酶（gtpase）在其他线粒体蛋白的帮助下完成的。线粒体融合是两个线粒体结合形成一个新的线粒体，损伤的线粒体可通过与正常的线粒体融合来进行修复；线粒体分裂的特征是一个线粒体分裂为两个子线粒体，此时线粒体功能障碍的部分可通过裂变分离后选择性地靶向自噬，阻止释放促凋亡蛋白来保护细胞免于凋亡[10]。融合过程由定位于线粒体外膜的有丝分裂融合蛋白1（mitotic fusion protein，Mfn1）和有丝分裂融合蛋白2（mitotic fusion protein2，Mfn2），以及位于线粒体内膜的视神经萎缩蛋白1（optic atrophy protein 1，OPA1），分别介导线粒体外膜（outer mitochondrial membrane，OMM）融合（主要参与线粒体外膜的调控）与线粒体内膜（inner mitochondrial membrane，IMM）融合（主要参与线粒体内膜和嵴的调控）[11]。

线粒体分裂主要由存在于细胞质的动力相关蛋白1（dynamin related protein 1，Drp1）和定位于线粒体外膜的线粒体分裂蛋白1（mitochondrial fission protein 1，Fis1）介导。Drp1通过PKA介导的丝氨酸637（Ser637）磷酸化维持在胞质中，而Drp1中丝氨酸616（Ser616）的磷酸化可导致线粒体分裂。Fis1可通过胞质结构域招募Drp1于线粒体外膜上发挥作用[12]，但对于人机体内Fis1功能的研究仍存在争议。一方面，Fis1基因敲除可增加线粒体微管的相互连接，Fis1基因的过度表达可增加线粒体碎片；另一方面，有研究证明，人Fis1基因沉默或过度表达对Drp1的激活没有影响或仅起次要作用[13,14]。其他介导Drp1募集的蛋白还包括线粒体裂变因子（mitochondrion fission factor，MFF）、线粒体动态蛋白49kda[MiD49，也称为线粒体伸长因子2（mitochondrial elongation factor 2, MIEF2)]和线粒体动态蛋白51kda[MiD51，也称为线粒体伸长因子1（mitochondrial elongation factor 1, MIEF1)]，后者在没有Fis1和MFF的情况下亦可以介导线粒体分裂。MFF和Fis1各自独立发挥作用，MFF募集Drp1促进线粒体分裂的作用也强于Fis1，但MFF与Fis1的部分作用可以相互替代以调节线粒体的形态。线粒体伸长因子1/2[MIEF1/2（MiD51/49）]和MFF可以协同或各自独立地募集Drp1促进线粒体分裂，其中MFF与MIEF1/2的协同作用比较关键[15]。在协同作用中，低至中水平的MIEF表达可以增强MFF结合Drp1的能力，促进线粒体分裂；但是高水平的MIEF1/2表达会螯合Drp1，阻止Drp1与MFF结合，从而抑制裂变并导致严重的线粒体融合[16]。MIEF1/2在线粒体分裂中起着主导作用，其表达水平的高低决定了线粒体分裂和融合的平衡。

1.3 线粒体动力学与胰岛B细胞

线粒体动力学对葡萄糖刺激的胰岛B细胞分泌胰岛素至关重要，B细胞线粒体动力学的改变被认为是T2DM发生的诱因。在胰岛素瘤细胞（INS-1）和小鼠胰岛中下调Drp1后，不仅线粒体的形态由最初以中等程度相互连接的均一线粒体网络向高度异质性转变，线粒体呈现细长、簇状和环状，并且线粒体分裂水平随之下降后，糖酵解底物也减少，线粒体膜电位和ATP生成显著降低，葡萄糖刺激的胰岛素分泌也显著减少；同时，因Drp1表达的下调，线粒体融合蛋白的表达也随之降低，即Mfn1、Mfn2和OPA1的表达降低，线粒体动力学的整体水平下降，可能也导致了胰岛素分泌的减少[17,18]。可见，Drp1在胰岛B细胞中的表达对于维持胰岛素的分泌至关重要。

Fis1是胰岛B细胞的一个关键调节因子，葡萄糖刺激的胰岛素分泌和线粒体动力学都依赖于Fis1的精确表达水平。在原代培养的小鼠胰岛B细胞中，Fis1过度表达抑制了葡萄糖刺激的胰岛素的分泌，原因是营养依赖性的线粒电位（ΔΨm）超极化减弱，胞浆和线粒体钙信号减少、线粒体ATP产生减少[19]。另外，Fis1的表达水平还可影响INS-1细胞对葡萄糖的反应性，进而使葡萄糖刺激的胰岛素分泌减少。经慢病毒转染建立Fis1表达下调和上调的INS-1细胞模型：（1）INS-1细胞株克隆的对葡萄糖无反应细胞：INS-1 832/2。INS-1832/2细胞过表达Fis1增强了细胞对葡萄糖的反应性和胰岛素分泌能力，并改善了线粒体的网络结构。（2）INS-1细胞株克隆的对葡萄糖反应增加的细胞：INS-1 832/13细胞。INS-1 832/13细胞下调Fis1的表达可减弱细胞对葡萄糖的反应和胰岛素分泌能力，并诱导了更为拉长的簇状线粒体[20,21]。因此，Fis1的适量表达是胰岛B细胞分泌胰岛素的关键调节因子。

在大鼠胰岛素瘤细胞（INS-1E细胞）中用腺病毒诱导野生型Mfn1（WT-Mfn1）过度表达，可导致线粒体严重融合后线粒体功能紊乱、线粒体运动减弱、细胞ATP生成减少，乳酸产生增加，胰岛素释放减少；显性阴性突变体Mfn1（DN-Mfn1）过表达导致线粒体破碎，但未改变线粒体的运动性、线粒体的超极化、细胞的ATP水平、细胞对葡萄糖的分泌反应及胰岛素的分泌[22]。Mfn2特异性敲除则显示线粒体断裂、生物能量学功能障碍、胰岛素分泌缺陷[23]；而另有研究提示，Mfn2的表达可防止DNA损伤、氧化应激诱导的细胞凋亡等[24]。

OPA1对维持胰岛B细胞的电子传输链（ETC）复合物IV具有重要作用。OPA1基因敲除的胰岛B细胞ETC复合物IV活性降低，葡萄糖刺激的ATP生成减少，胰岛素分泌减少，但OPA1下调后如何使ECT复合物IV活性降低还有待确定[25]。

融合及分裂蛋白表达的上调和下调不仅改变了线粒体的形态及功能，并且蛋白本身的变化也可通过影响线粒体的运动、生物能量效率、活性氧（ROS）的产生、线粒体钙稳态等改变胰岛B细胞的胰岛素分泌功能和胰岛B细胞的凋亡[26]。

1.4 线粒体动力学与炎症反应

用脂多糖（LPS）刺激BV-2小胶质细胞后，Drp1在线粒体募集量增加，并伴随着Drp1中Ser637的去磷酸化，通过上调ROS激活了小胶质细胞中核转录因子κB（NF-κB）和丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）及各种炎性介质的表达；Drp1敲除或使用线粒体分裂抑制剂（Mdivi-1）则会产生相反作用，提示线粒体动力学可能是控制活化小胶质细胞中促炎性介质生成的必要条件[27]。

RNA病毒感染人白血病细胞系（THP-1）后，可通过促使丝氨酸苏氨酸激酶1（RIPK1）与丝氨酸苏氨酸激酶3（RIPK3）形成复合物后激活Drp1，即通过RIP1-RIP3-Drp1信号通路促进线粒体分裂、ROS产生及激活NLRP3炎症小体[28]。NLRP3炎性小体除了在宿主抵抗病原体的防御中起关键作用外，还与多种炎症性疾病相关。NLRP3炎症小体诱导的白细胞介素1β（IL-1β）在肥胖和糖尿病的发生发展中起重要作用。IL-1β可通过降低胰岛素受体底物-1（IRS-1）酪氨酸磷酸化和胰岛素受体底物-1（IRS-1）基因的表达，直接抑制胰岛素信号传导途径，降低胰岛素敏感性[29]。

目前认为线粒体动力学分裂蛋白增加可调节ROS及炎症介质的表达发挥促炎作用，ROS及炎症介质又可通过对线粒体融合和分裂蛋白的翻译后调控，引起线粒体动力学失衡促进炎症反应[30,31]。因此认为线粒体动力学与炎症反应互为因果，但线粒体动力学蛋白调节氧化应激介质与炎症介质的机制还不清楚。

2 2型糖尿病

T2DM的一个典型特征是胰岛素抵抗，伴随着胰岛素抵抗常出现胰岛B细胞分泌障碍，导致了持续的高血糖，但胰岛素抵抗的发生机制不甚明确。目前认为，炎症、内质网应激和线粒体功能障碍等是胰岛素抵抗的关键机制。内质网应激与炎症反应可相互作用、相互激活，并且炎症过程中ROS产生过多可引起氧化应激，促使线粒体功能障碍（主要表现为线粒体动力学蛋白表达的异常），线粒体功能障碍又可进一步增加ROS的产生，从而加重炎症反应与内质网应激，加剧外周组织胰岛素抵抗。相关研究显示，线粒体动力学与炎症在一些病理变化中互为因果关系，此因果关系是否也与胰岛素分泌异常及外周组织胰岛素抵抗的发生有关，值得进一步探讨[32-34]。

2.1 胰岛素抵抗与炎症反应

炎症反应在胰岛素抵抗的发生发展中起着重要作用，是导致T2DM的主要原因之一。炎症反应通过各种转录因子介导的分子途径、氧化应激反应等激活各种促炎症介质，特别是细胞因子、趋化因子和脂肪因子等，如白细胞介素-1β（IL-1β）、白细胞介素-6（IL-6）、肿瘤坏死因子α（TNF-α）、大量趋化因子和脂肪因子，这些介质通过干扰胰岛素信号通路从而诱导胰岛素抵抗[35]。胰岛素抵抗时胰岛B细胞和外周组织中的氧化应激反应加强，胰岛B细胞分泌胰岛素的功能受损，外周组织对胰岛素的敏感性进一步降低[36,37]。

各种类型的炎症介质可通过激活JNK和NF-κB途径，减少组织胰岛素介导的葡萄糖摄取和胰岛素信号传导。NF-κB能激活诱导型一氧化氮合酶（iNOS）的表达，从而诱导IRS-1的S-亚硝基化。IRS-1的S-亚硝基化和丝氨酸磷酸化均抑制胰岛素信号通路的酪氨酸磷酸化，从而最终诱导肝脏、脂肪细胞和骨骼肌产生胰岛素抵抗。此外，JNK和NF-κB通路的激活也促进了多种促炎介质如TNF-α、IL-6的上调，进一步加重胰岛素抵抗，加速T2DM的发生发展[38,39]。

另外，在糖尿病患者和糖尿病动物模型的胰岛B细胞中均发现线粒体的形态和功能发生了改变，T2DM患者胰岛B细胞线粒体小于健康对照组，并且心脏、肝脏和心血管等器官的线粒体也发生了分裂[35]。因此认为，T2DM可能是一种与线粒体动力学异常相关的慢性炎性疾病。

2.2 线粒体动力学介导胰岛B细胞凋亡

现有研究发现，高糖诱导的线粒体分裂增强是钙离子激活细胞外信号调节激酶1/2（ERK1/2）作用的结果，线粒体分裂增强促进ROS增加，通过ROS介导炎症反应，导致线粒体通透性增加、磷脂酰丝氨酸暴露、细胞色素c释放增加和caspase活化，从而促进胰岛B细胞及其他细胞的凋亡。抑制持续高糖条件下的线粒体分裂可使细胞ROS水平恢复正常，炎性介质减少并防止线粒体通透性发生改变和细胞凋亡[40,41]。据此分析，线粒体动力学分裂蛋白升高可能通过促炎作用促进胰岛B细胞凋亡，促炎作用的具体机制、相关通路，ROS是否为唯一的介质有待进一步探讨。

2.3 线粒体动力学调节外周胰岛素抵抗

携带T2D易感基因型线粒体DNA单倍体B4的杂交细胞（DM cybrid），过表达Mfn1/Mfn2或敲除Drp1/Fis1后线粒体融合增强，线粒体氧化应激减轻，易位到细胞膜的葡萄糖转运蛋白异构体（GLUT1/ GLUT4）增加，细胞对葡萄糖的摄取能力增强，从而改善了对胰岛素的敏感性[42]。在高脂饮食条件下，肝脏特异性敲除Mfn1因启动代偿机制使胰岛素的敏感性升高，Mfn1敲除增加了ECT复合物I的表达，同时伴随Mfn2和线粒体动力学其他蛋白的补偿性增加，如OPA1、Drp1和MFF等；在高脂饮食条件下，肝脏特异性敲除Mfn2后糖异生增多，葡萄糖耐量受损，血浆胰岛素水平升高，出现胰岛素抵抗，但褐色脂肪组织特异性敲除Mfn2却可以改善胰岛素抵抗，抑制线粒体分裂可以改善骨骼肌的胰岛素信号传导和胰岛素敏感性，提示线粒体动力学的失衡可能是T2DM骨骼肌胰岛素抵抗的发病机制[44]。

3 小结

众所周知，T2DM是一种炎症相关性疾病，而线粒体动力学蛋白的表达对胰岛B细胞的凋亡及外周胰岛素抵抗起关键的调节作用。有研究表明，线粒体动力学的失衡与炎症反应的发生互为因果。同时，现有研究也发现胰岛B细胞凋亡和外周胰岛素抵抗的可能原因是，线粒体动力学分裂蛋白表达升高增加了炎症因子的表达，并且通过抑制线粒体动力学分裂蛋白的表达、升高融合蛋白的表达可改善上述情况。但是，线粒体动力学融合蛋白的升高是否以及如何通过抗炎作用减少炎症因子的表达，来改善胰岛素抵抗及减少胰岛B细胞凋亡还未明确。因此，以线粒体动力学蛋白为研究靶点，通过上调线粒体融合蛋白、下调线粒体分裂蛋白发挥抗炎作用减少炎症因子的表达，改善胰岛素抵抗及胰岛B细胞的功能障碍，可能对T2DM的发病发展机制的认识及治疗药物的研发起到一定作用。