低氧性肺动脉高压中线粒体钙信号转导

赵恩麒，盖祥云,3，叶 萍

(1. 青海民族大学药学院， 2. 青海省青藏高原植物化学重点实验室，3. 青海省药物分析重点实验室，青海 西宁 810007)

肺动脉高压(pulmonary arterial hypertension，PAH)是一种以肺动脉阻力升高和血管重塑为特征的慢性血管疾病，缺氧是肺动脉高压的主要因素，由于缺氧引起的肺动脉高压称之为低氧性肺动脉高压(hypoxic pulmonary hypertension，HPH)[1]。低氧性肺血管收缩(hypoxic pulmonary vasoconstriction，HPV)和低氧性肺血管重构(hypoxic pulmonary vascular remodeling，HPVR)是低氧性肺动脉高压的两大病理特征。根据暴露在低氧条件下的时间不同，可以将HPV分为急性期HPV和持续性HPV，其中急性期HPV表现为低氧引发的快速的肺血管收缩反应。持续性HPV，指长时间的肺泡低氧条件引发的难以逆转的低氧性肺血管重构。线粒体中Ca2+是普遍存在的、多能的、动态的因子，决定着细胞的增殖和凋亡，是许多细胞功能调节中的关键因子。研究表明Ca2+信号转导在HPV和HPVR中发挥着重要的作用。HPH的发病机制及其与线粒体Ca2+信号转导的关系尚不明确，本文就近几年文献中所研究的线粒体Ca2+信号转导与HPH之间的关系做一综述。

1 线粒体摄取Ca2+的机制

线粒体摄取Ca2+必须通过线粒体外膜和线粒体内膜。氢离子移动通过电子传递链(electron transport chain，ETC)穿过线粒体内膜形成浓度梯度，提供钙离子积累电化学驱动力。线粒体钙单向传递体(mitochondrial Ca2+uniporter，MCU)是线粒体摄取Ca2+的主要途径，存在于线粒体内膜。线粒体钙摄取-1(mitochondrial Ca2+uptake-1，MICU1)是MCU复合体的一部分，只允许Ca2+进入线粒体。Ca2+首先通过电压依赖型阴离子通道1穿过线粒体外膜，然后通过MCU穿过线粒体内膜，进入线粒体[2]。线粒体相关内质网膜(mitochondria-associated ER membranes，MAMs)是内质网(endoplasmic reticulum，ER)与线粒体之间紧密连接的通讯物理基础[3]。Ca2+从ER转移到线粒体中要借助MAMs表面专有的钙离子通道。细胞钙储库释放Ca2+的部位在MAMs处形成高钙胞质，并在短时间内达到很高的Ca2+浓度，其浓度远高于细胞质中的Ca2+浓度。ER和肌浆网(sarcoplasmic reticulum，SR)中的Ca2+可通过其表面存在的三磷酸肌醇受体(inositol triphosphate receptors，IP3R)或者雷尼丁受体(ryanodine receptor，RyR)释放进入线粒体基质中。内质网-线粒体相互作用发生在整个网络，Ca2+是细胞器用来交流的最重要的信号之一。

2 Ca2+调节线粒体功能在HPV中的作用

HPV是指急性缺氧导致肺泡氧分压下降到一定阈值时，肺血管迅速发生可逆的收缩反应，从而纠正肺内通气/血流的不匹配，使肺动脉压不变的情况下最大程度的提高血液的氧饱和度。低氧引起肺动脉平滑肌细胞(pulmonary artery smooth muscle cells，PASMCs)收缩是引发HPV的关键因素，而细胞内Ca2+水平升高是引起PASMCs收缩的主要原因之一[4]。低氧可诱发细胞内钙储库释放Ca2+，促进线粒体摄取Ca2+并导致细胞中Ca2+浓度(intracellular Ca2+concentration，[Ca2+]i)升高，进而引发HPV。PASMCs中的线粒体在生理缺氧中主要扮演传感器的作用。

2.1 MCU在Ca2+信号转导中的作用MCU对Ca2+具有高度选择性，是线粒体摄取Ca2+的主要途径[5]。MICU1是MCU复合物中的组成部分,当胞质中Ca2+浓度低时，通过设置一个门槛来阻止线粒体摄取Ca2+，从而起到看门人的作用[6]。此外，MCU复合体的调控蛋白还包括MICU2、MCUb、EMRE。低氧可促进线粒体摄取Ca2+，进而促进线粒体产生活性氧( reactive oxygen species，ROS)，导致线粒体中活性氧浓度(mitochondrial ROS concentration，[ROS]mito)升高。细胞中ROS主要来源于线粒体产生的ROS。细胞中ROS浓度(intracellular ROS concentration，[ROS]i)升高可诱导细胞内钙储库释放Ca2+，[Ca2+]i升高，进而引发HPV。线粒体摄取Ca2+过程的高效率可归因于线粒体和钙池离子之间的密切配合。此外，线粒体Na+/Ca2+交换器(mitochondrial Na+/Ca2+exchanger，mNCX)可平衡MCU对Ca2+的吸收。

2.2 ROS、RyR和IP3R在Ca2+信号转导中的作用SR释放的Ca2+是兴奋-收缩偶联的关键[7]。线粒体与SR紧密相连，Ca2+是这些细胞器维持最佳功能的关键因素。SR中的RyR Ca2+释放通道通过多种蛋白调节Ca2+的释放进而调节细胞功能。研究表明RyR受体可介导低氧诱导SR中的Ca2+释放，其中Ⅱ型雷尼丁受体(ryanodine receptor type-2，RYR2)发挥主要作用。IP3R含有多种反应性硫醇，是ROS的常见分子靶点。低氧诱导ROS产生的主要场所是ETC复合物Ⅲ。低氧可诱导线粒体中ROS的产生并增加PASMCs内Ca2+浓度，进而促进PASMCs中线粒体摄取Ca2+，这可能在HPV及其相关的肺动脉高压中起重要作用[8]。研究表明低氧时复合物Ⅲ中的Rieske Fe/S蛋白(rieske iron-sulfur protein，RISP)可介导ROS的生成，进而使PASMCs内Ca2+水平升高[9]。线粒体摄取Ca2+抑制剂RU360通过抑制线粒体中低氧诱导的ROS的生成，进而抑制线粒体摄取Ca2+，最终抑制低氧诱导的线体Ca2+超载。低氧条件下，ETC复合物Ⅲ中，RISP依赖的线粒体ROS的产生，能够激活磷脂酶(PLC)C-γ1导致IP3产生，IP3R通道开放并释放Ca2+。因此[ROS]mito在低氧诱导SR的Ca2+释放和PASMCs收缩中发挥重要的作用。低氧可诱导SR中RyR2介导的Ca2+释放，促进线粒体摄取Ca2+并促进线粒体中ROS的生成[8]。[ROS]mito升高可激活RyR2/Ca2+释放通道，导致线粒体中Ca2+浓度(mitochondrial Ca2+concentration，[Ca2+]mito)升高。[Ca2+]mito升高又会产生大量的ROS，引发PTP孔开放，最终导致[Ca2+]i升高形成一个正反馈机制。同时，PASMCs中ROS和氧化还原偶还可抑制氧敏感电压门控钾通道Kv，激活电压门控钙通道CaL，进而增加[Ca2+]i，导致PASMCs收缩，引发HPV。

3 线粒体中Ca2+与 HPVR之间的相互作用

低氧引起的肺血管重构主要与PASMCs增殖/凋亡之间的不平衡有关[10]。线粒体中Ca2+在平滑肌细胞增殖和凋亡中发挥着关键作用。当线粒体受到刺激时会吸收Ca2+来提高有氧代谢，使细胞对凋亡敏感。在PASMCs中，[Ca2+]mito升高会抑制平滑肌细胞增殖，因此这一策略可作为治疗HPH的潜在手段[11]。在肺动脉内皮细胞中[Ca2+]mito升高会促进内皮细胞损伤，导致细胞凋亡，促进炎性应答，抑制NO的产生，进而导致HPH的发生。

3.1 IP3R通路在Ca2+信号转导中的作用Mendes Carolina等人[12]研究证明IP3R的三种亚型中的Ⅲ型优先将钙离子信号传导到线粒体中，诱导细胞凋亡。ATP可诱导线粒体对Ca2+的摄取，通过沉默Ⅲ型IP3R比沉默Ⅰ型或沉默Ⅱ型更能有效的抑制线粒体摄取Ca2+[12]。Ⅲ型三磷酸肌醇受体(type Ⅲ inositol trisphosphate receptor，IP3R3)在丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶(Akt)等激酶的磷酸化作用下抑制内质网释放Ca2+，[Ca2+]mito降低，进而促进细胞存活和增殖[13]。当细胞处于应激时，哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin，mTOR)转移至MAMs界面，激活Akt-IP3R3通路，内质网-线粒体钙转导被抑制进而促进细胞增殖。

3.2 MCU在Ca2+信号转导中的作用MCU为线粒体Ca2+通道[14]，在Ca2+信号转导中扮演重要的作用。线粒体膜电位作为驱动力促使Ca2+转移到线粒体中，MCU介导的线粒体摄取Ca2+在信号转导、生物能量学和细胞凋亡中起重要作用，其失调与多种人类疾病有关[15]。低氧可引发细胞内钙储库释放Ca2+，并通过刺激细胞膜上钙通道导致细胞外Ca2+内流进而引发细胞内Ca2+超载。MCU能够清除胞质中过量的Ca2+，同时线粒体也利用这些离子产生细胞能量[16]。MCU可能与肺动脉高压的发生相关，持续低氧可造成MCU功能受损，导致[Ca2+]mito降低，进而促进PASMCs增殖。

3.3 MAMs在Ca2+信号转导中的作用扰乱MAMs的形成，会导致线粒体缺陷，抑制ATP生成和线粒体摄取Ca2+能力降低[13]。线粒体内Ca2+水平降低是抑制有氧呼吸，促进增殖的关键因素[17]。缓慢增加[Ca2+]mito可促进线粒体内Ca2+依赖酶的活性，从而促进葡萄糖氧化，抑制糖酵解，进而抑制细胞增殖。因此[Ca2+]mito升高在促进细胞有氧呼吸和抑制细胞增殖中发挥着重要的作用。

MAMs界面含有众多可调节内质网-线粒体钙转移轴的蛋白和信号通路[17]。网状蛋白Nogo-B是网状蛋白家族4(reticulon protein family 4，Rtn4,又名Nogo)中的一员。低氧可促进Nogo-B的表达并抑制Nogo-B受体(NgBR)表达，进而抑制MAMs的形成。NgBR失调可破坏MAMs和增加IP3R3磷酸化，进而抑制内质网释放Ca2+，导致[Ca2+]mito降低，促进细胞增殖[18]。将NgBR过表达质粒转染到PASMCs中，结果表明，转染组的增殖相关蛋白表达水平降[18]。低氧可抑制MAMs的形成，进而抑制内质网-线粒体钙转移，[Ca2+]mito降低，抑制PASMCs凋亡。Nogo-B可诱导内质网和线粒体之间的距离增加，对钙敏感的线粒体酶受到抑制，线粒体内Ca2+水平降低，线粒体膜电位增加，[ROS]mito降低，线粒体依赖凋亡减少，进而参与血管重构。当低氧发生时，平滑肌细胞中活化转录因子6(activating transcription factor6，ATF6)转录激活内质网应激蛋白Nogo-B，通过调控内质网形态来减少内质网与线粒体膜之间的接触，进而抑制内质网释放Ca2+，减少线粒体对Ca2+的摄取。促进Nogo-B的表达能促进磷酸化蛋白激酶B (pAkt)表达，进而促进IP3R3的磷酸化。抑制IP3R3的磷酸化可促进内质网中的Ca2+释放，使流入线粒体中的Ca2+增加，进而抑制细胞增殖。

钙敏感受体(calcium sensing receptor，CaSR)通过PI3K/Akt信号通路参与缺氧诱导PASMCs增殖，并为CaSR兴奋假说防治肺动脉高压提供了新的靶点[19]。细胞外信号调节激酶1/2(extracellular-signal regulated ki-nase，ERK1/2)是PASMCs凋亡的调节因子，以该激酶为中心的细胞内信号系统为靶点，可能开发出治疗肺动脉高压的潜在策略[20]。段旦[21]研究表明低氧促进RELMβ、钙调磷酸酶(calcineurin)、活化T细胞转录因子(nuclear factor of activated T cells，NFATc3)的表达，可引起大鼠PASMCs增殖，RELMβ可能通过Ca2+/ Calcineurin/ NFATc3信号通路促进低氧性大鼠PASMCs增殖。

低氧可抑制MAMs的形成，进而抑制内质网-线粒体钙转移，[Ca2+]mito降低，抑制PASMCs凋亡。同时抑制MAMs的形成导致线粒体摄取Ca2+的能力降低，此时线粒体不能清除细胞内多余的Ca2+，[Ca2+]i升高，引发PASMCs增值，进而参与血管重构。在体内低氧暴露的平滑肌细胞中，抑制NgBR的表达可使Nogo-B的表达增加进而破坏MAMs的形成，并激活MAMs钙转移pAkt-IP3R3通路，线粒体Ca2+水平降低，调控细胞增殖[18]。综上，NgBR可通过调节MAMs形成及内质网-线粒体钙转移pAkt-IP3R3通路调控平滑肌细胞增殖。

4 内皮细胞中线粒体Ca2+信号传导

4.1 MAMs在Ca2+信号转导中的作用诱导肺动脉内皮细胞凋亡，可引发肺动脉高压[22]。研究表明，内皮细胞(endothelial cells，ECs)凋亡在肺动脉高压发生和发展过程中起中心作用，以ECs修复和再生为目标的治疗策略可能是治疗这种疾病的唯一有效的方法[23]。邓超等[24]研究表明，肺动脉内皮细胞凋亡可能在大鼠肺动脉重构中起重要作用。将肺动脉内皮细胞低氧处理24 h后，检测MAMs组成蛋白的表达情况，结果表明，低氧组MAMs组成蛋白表达情况明显高于常氧组。因此，低氧可促进内皮细胞中MAMs的形成。研究表明，破坏MAMs的形成能显著抑制[Ca2+]mito升高，修复线粒体功能，抑制细胞凋亡。MAMs可调节线粒体摄取Ca2+，进而影响线粒体功能[19]。促进MAMs的形成可促进线粒体摄取Ca2+，导致[Ca2+]mito升高，介导低氧诱导内皮细胞损伤[18]。因此低氧可诱导线粒体摄取Ca2+能力增加，促进线粒体Ca2+超载，导致线粒体功能损害，引起内皮细胞凋亡和炎症应答。线粒体Ca2+还可通过调控线粒体通透转换孔的开放，来调节线粒体膜的通透性及线粒体内损伤分子的释放，进而调节细胞凋亡。线粒体Ca2+超载可引起线粒体通透转换孔开放，损害质子浓度梯度，引起ATP生成障碍，并促进ROS生成。

4.2 ROS在Ca2+信号转导中的作用细胞内Ca2+在信息传递中起非常重要的作用。线粒体Ca2+和线粒体膜电位异常可促进线粒体产生ROS。Suresh等[25]研究表明，ROS的生成可增加ECs中[Ca2+]i，因此ROS和[Ca2+]i的升高在PH中扮演着不可替代的作用。低氧可诱导内皮细胞中ROS生成增多，导致细胞内钙储库释放Ca2+，进而促进线粒体摄取Ca2+，[Ca2+]mito升高，引发内皮细胞凋亡。线粒体中Ca2+水平升高又可促进线粒体中ROS的生成形成一个正反馈机制，加速ECs凋亡。高肺血流量可上调肺动脉内皮细胞CaSR的表达，进而调控线粒体通路，诱发肺动脉内皮细胞凋亡，最终引发PAH。

5 结语

综上所述，细胞中Ca2+超载是导致HPV和HPVR的关键因素。急性低氧可诱导PASMCs中线粒体ROS的生成，[ROS]i升高，进而诱导细胞内钙储库释放Ca2+，[Ca2+]i升高，PASMCs收缩。同时低氧又可直接引发细胞内钙储库释放Ca2+，促进线粒体摄取Ca2+，[Ca2+]mito升高，进而促进线粒体中ROS生成，形成一个正反馈机制，最终引发HPV。持续性低氧可引起PASMCs内MCU损伤并抑制MAMs的形成，[Ca2+]mito降低，进而促进PASMCs增殖。低氧在不同的细胞中的诱导方式有所不同。在内皮细胞中低氧可促进MAMs的形成，进而促进线粒体摄取Ca2+，[Ca2+]mito升高，线粒体损害，最终引发内皮细胞损伤。线粒体中Ca2+信号转导在HPV和HPVR中扮演非常重要的角色，其作用机制也引起越来越多的研究者关注。线粒体中的Ca2+影响 HPV和HPVR的网络机制还未完全阐明，有待进一步研究。