线粒体功能障碍在代谢性炎症中的作用

袁清，刘江华，曾召林,3

(1. 南华大学附属第一医院内分泌与代谢科，湖南 衡阳 421000； 2. 南华大学附属第一医院临床研究中心，湖南 衡阳 421000； 3. 南华大学心血管疾病研究所动脉硬化学湖南省重点实验室，湖南 衡阳 421001)

生物体为了生存保障在获取食物时会储存多余的能量。然而，随着生活水平的不断提高，全球大部分人口的营养状况由原来的缺乏转变为持续营养过剩，过度的能量储存成为导致肥胖、2型糖尿病、动脉粥样硬化等疾病发生的关键因素；这种慢性低度炎症不具备典型的病理学改变，主要表现为组织和器官功能障碍[1]。揭示导致炎症慢性低度化的因素有助于更好地理解其发生机制。线粒体作为细胞能量源通过产生ATP推动新陈代谢，狭义上线粒体功能障碍被定义为线粒体无法产生能量需求所需ATP水平而引起的症状。如今这一概念变得更加宽泛，它包含线粒体DNA 损伤，线粒体动力学、形态学异常，底物分解代谢异常及活性氧产生/清除失衡等。线粒体的生物合成、线粒体动力学与适应代谢需求有关，营养物质过剩引起线粒体损伤的同时促进活性氧的产生，因此线粒体功能障碍与代谢性炎症的产生与发展密不可分。本文就线粒体功能障碍在代谢性炎症性疾病中的作用和分子机制进行总结，希望为肥胖、糖尿病、动脉粥样硬化等代谢性炎症性疾病的研究提供线索。

1 线粒体概述

1.1 线粒体动力学与功能

线粒体是由与原始真核生物一起参与内共生过程的原始细菌进化而来的细胞器，常分布在细胞功能旺盛的区域。线粒体对于维持组织细胞的正常生理功能是必需的，其最重要的作用是通过氧化磷酸化产生ATP向细胞提供能量，除此之外，线粒体还参与许多分解和合成代谢反应，包括柠檬酸循环、脂肪酸β-氧化和血红素、某些磷脂和其他代谢产物的生物合成以及钙离子的信号转导等；此外线粒体还是细胞凋亡的关键调节因子，并参与发育和衰老过程。

线粒体作为高度动态化的细胞器，由多种蛋白精准调控线粒体融合、分裂、生物合成和清除(主要是线粒体自噬)，以确保线粒体功能适应细胞的能量代谢需求。线粒体可以通过重塑即融合和分裂来控制线粒体形态从而有效发挥功能[2]，当细胞承受过大的代谢或者环境压力时，线粒体通过融合形成一个大的相互连接的网络来缓解压力。线粒体的融合过程主要由动力蛋白超家族的三个大型鸟苷酸三磷酸酶介导，其中，线粒体融合蛋白1(mitofusin1,Mfn1)和线粒体融合蛋白2(Mfn2)是一种完整的外膜蛋白，介导外膜融合；视神经萎缩蛋白1(optic atrophy 1，OPA1)有多种与内膜相关的亚型，并介导内膜融合。OPA1功能由不同亚型的选择性剪切和蛋白水解控制，剪切过程主要受OMA1(膜电位依赖的蛋白酶)和Yme1L(ATP依赖的蛋白酶)控制，OPA1长短型之间互补对线粒体有效的融合活性是必需的。细胞生存依赖于细胞中有足够的线粒体，而新的线粒体需要通过分裂产生，分裂是由动力相关蛋白1(dynamin-related protein1, Drp1)介导。Drp1位于细胞质中，被线粒体外膜上的受体蛋白如Mid49、Mid50、MFF招募形成围绕线粒体的螺旋状结构，通过收缩以切断线粒体内膜和外膜[2]。

线粒体的生物合成包括增殖和分化两个过程，增殖引起数量改变，而分化体现了线粒体功能性与结构性的改变。线粒体的核特异性调控，线粒体DNA复制、转录和翻译等都在线粒体的生物合成中起着不可或缺的作用。过氧化物酶体增殖物激活受体-γ共激活因子-1α(peroxisome proliferator-activated receptor γ coactivator-1α, PGC1α)是线粒体生物合成的主要刺激因子，它广泛表达于富含线粒体的组织中，PGC1α通过与核呼吸因子1等转录因子相互作用，上调线粒体转录因子A的表达，从而激活线粒体DNA的复制。此外，当环磷酸腺苷(cyclic adenosine monophosphate,cAMP)水平升高时会导致cAMP反应元件结合蛋白依赖蛋白激酶A活化，进而上调PGC1α的表达，刺激线粒体生物合成并可降低活性氧水平[3]。线粒体自噬是指自噬小体包裹线粒体并与溶酶体融合降解老化、损伤和过剩线粒体，这个过程主要受PINK1-PARKIN信号通路的介导。在正常情况下，核编码PINK1被迅速移位到健康线粒体的基质中，在那里被线粒体加工肽酶切割，而线粒体加工肽酶活性降低会诱导PINK1在线粒体表面积聚；此外，当线粒体膜电位去极化时，PINK1也会积聚在线粒体表面，再从细胞质中募集E3泛素连接酶PARKIN介导受损线粒体自噬[4]。除了PINK1-PARKIN信号通路之外，位于线粒体外膜上的Bnip3L/Nix，BCI2L13以及脂质在线粒体自噬中也起着重要作用。细胞中线粒体质量受线粒体的生物合成与自噬的平衡调节控制。

1.2 线粒体活性氧的形成与抗氧化防御

活性氧是需氧细胞在代谢过程中产生的一类含有氧自由基的高活性化学物，包括超氧阴离子、过氧化氢(H2O2)、羟自由基等。线粒体是活性氧的主要来源，线粒体作为产生能量的细胞器，会通过氧化磷酸化和Krebs循环来氧化葡萄糖、脂肪酸和氨基酸代谢物产生ATP。在此过程中，大部分提供给呼吸链的电子会与质子和氧反应，再在细胞色素c氧化酶(或复合体Ⅳ)的水平上形成H2O；然而，其中有部分漏出的电子会在呼吸链的复合物Ⅰ和复合物Ⅲ的水平上与氧直接反应形成超氧阴离子自由基，生成的超氧阴离子自由基很快转变为H2O2，而H2O2会与二价铁反应生成羟自由基。这个过程中生成的超氧阴离子自由基便是活性氧的重要来源。线粒体产生的低水平活性氧似乎是维持细胞内稳态和诱导应激反应的重要信号因子。线粒体发生功能障碍产生过量活性氧会进一步损害线粒体DNA、蛋白质和脂质等，而这会促进活性氧的产生，进而形成一个恶性循环。线粒体有一套抗氧化的机制。抗氧化主要通过中断自由基引发的链式反应以及清除自由基，据此抗氧化机制也有两种。第一种是非酶类，主要是通过中断自由基链反应来抗氧化，部分微量元素和维生素在这个过程中发挥着重要作用。第二种则是能够清除自由基的酶类，如线粒体超氧化物歧化酶(SOD)会将超氧阴离子自由基转化为H2O2，H2O2可以轻易通过脂膜扩散，并且与多种抗氧化成分反应，在低浓度下，H2O2通常在过氧化物酶的作用下转化为H2O，但在较高浓度下，谷胱甘肽过氧化物酶会参与反应来促进这种转化以应对氧化应激[5]。并且SOD还可以防止超氧阴离子自由基与一氧化氮反应生成过氧亚硝基阴离子，阻止亚硝基氧化的发生。

1.3 线粒体功能障碍与代谢性炎症

线粒体是参与代谢调节的关键细胞器，其功能障碍与代谢性炎症疾病紧密相关(图1)。营养过剩状态下存在的大量代谢产物(如脂肪酸、葡萄糖、氧化胆固醇等)会诱发一系列的慢性代谢紊乱疾病，特别是肥胖、2型糖尿病和动脉粥样硬化[1]。营养过度摄入会增加体内葡萄糖和游离脂肪酸水平，这会促进乙酰辅酶A的产生，高水平的乙酰辅酶A会刺激线粒体产生过量的活性氧，活性氧会激活许多氧化应激敏感的转录因子，其中就包括炎症反应的主要介质核因子-κB(NF-κB)[6]。而能量过剩的情况下，通过抑制NF-κB激活可能有助于改善线粒体功能障碍，并对骨骼肌胰岛素敏感性产生积极影响[7]。但也有报道认为肥胖期间一些炎症因子活性的增加可能有助于限制肥胖，降低患2型糖尿病的风险。关于促炎因子对肥胖和糖尿病的积极影响已有文献报道[8]。此外，活性氧还会破坏线粒体结构和功能，而受损的线粒体会产生更多的活性氧，这会促进炎症的发展并形成一个恶性循环。高于生理水平的线粒体活性氧还会诱导巨噬细胞向M1极化[9]，而M1型巨噬细胞具有促炎作用。在使用解偶联蛋白-1或者锰超氧化物歧化酶等抗氧化剂时可以抑制活性氧的产生，并阻止晚期糖基化终末产物的形成和NF-κB的激活[10]，从而抑制慢性炎症性疾病，如肥胖、糖尿病和动脉粥样硬化的发生发展。

图1 线粒体功能障碍与代谢性炎症疾病

2 线粒体功能障碍与肥胖

世界卫生组织把肥胖定义为可能损害健康的异常或过量脂肪堆积。食物摄入过多和缺乏运动是肥胖的主要原因。在营养过剩的情况下，增加的脂肪酸储存在大量脂肪组织中导致脂肪细胞肥大增生，使其得不到充足的血流供应进而引发缺氧。缺氧会诱导脂肪组织中巨噬细胞分泌大量的促炎因子，比如肿瘤坏死因子-α(TNF-α)。TNF-α会诱导脂肪细胞分解释放出游离脂肪酸，其中饱和脂肪酸反过来又会与巨噬细胞和脂肪细胞表面的Toll样受体结合，进一步激活炎症通路信号，促进炎症因子的释放。已有研究表明高水平的葡萄糖和脂肪酸会直接促进脂肪细胞的线粒体功能障碍[11]。并且肥胖时盐皮质激素受体过度激活也会引发线粒体功能改变，线粒体活性氧产生和解偶联增加，导致脂肪组织的功能失调[12]。而适度减肥可以减轻全身炎症和胰岛素抵抗，促进线粒体功能障碍的改善，增加SIRT1(Sirtuin1)和抗氧化剂GPX1的表达[13]。

与线粒体动力学相关的多种调节蛋白活性失调与肥胖密切相关。Quirós等[14]发现OMA1缺失会干扰线粒体的融合-裂变平衡，从而抑制氧化磷酸化，增强脂肪酸氧化并减少能量消耗，这会导致小鼠肥胖。肥胖会影响线粒体的生物合成，在高脂饮食的小鼠和大鼠中与线粒体生物合成有关的主要因子SIRT1、AMPK和PGC1α表达降低[15-16]。在下丘脑弓状核中，由刺鼠基因相关蛋白(agouti gene-related protein,AgRP)和阿片-促黑素细胞皮质素原(proopiomelanocortin, POMC)神经元分别对摄食行为进行正向和负向调节。高脂饮食会导致小鼠AgRP神经元的活性增加使食量增加，这会干扰全身能量代谢，但当AgRP神经元缺失Mfn2时可防止不利的代谢反应，减少脂肪量，恢复胰岛素与血糖水平，避免肥胖的发生[17]。然而在POMC神经元中的效应却完全相反，Mfn2缺失会导致严重的肥胖、暴饮暴食与内分泌失调[17]。最近研究也发现高脂饮食会导致线粒体体积缩小，密度增加，并增加线粒体分裂蛋白Drp1的表达，这会诱导下丘脑小胶质细胞解偶联蛋白2的表达来增加肥胖症的易感性[18]。通常线粒体会通过自噬来清除功能失调的线粒体，然而通过自噬清除线粒体会减少线粒体的数量，导致底物氧化减少，进一步加剧脂质堆积[19]。线粒体自噬在肥胖中的作用需要进一步研究。

线粒体会通过抗氧化体系清除活性氧，但肥胖人群线粒体功能受损会增加这些不稳定分子的产生。过度进食、缺乏运动和肥胖导致能量代谢长期失衡可能会导致活性氧的产生增加。高脂饮食会促进线粒体脂肪酸β氧化，进而导致细胞色素c氧化酶的过量电子流，从而促进活性氧的积累[20]。活性氧在脂肪细胞形成中起重要作用，但肥胖时会有脂肪细胞肥大→局部活性氧增加→脂肪细胞增生的恶性循环加重肥胖。Valenzuela等[21]报道高脂喂食的小鼠肝脏SOD、过氧化氢酶、谷胱甘肽过氧化物酶和谷胱甘肽还原酶活性显著降低。这些研究都表明活性氧在肥胖发生发展中的重要作用。

3 线粒体功能障碍与2型糖尿病

随着人们生活水平的提高，2型糖尿病的患病率急剧上升，胰岛素抵抗和分泌不足是2型糖尿病发病的核心因素。线粒体作为胰岛素分泌的重要调节者，线粒体功能障碍与2型糖尿病的发生密切相关。

线粒体动态平衡影响着2型糖尿病的发生发展。OPA1是β细胞呼吸链充分发挥功能所必需的[15]。有研究表明OPA1的缺失会使胰岛β细胞死亡，导致胰岛素分泌减少及全身葡萄糖稳态受损[22]。在2型糖尿病患者中发现骨骼肌Mfn2的表达降低，而骨骼肌Mfn2的表达与胰岛素敏感性成正比。Ramírez等[23]发现由禁食转为进食过程中，POMC神经元中缺失Mfn1的小鼠线粒体结构缺陷和适应性丧失，这导致胰腺β细胞胰岛素分泌不足和葡萄糖稳态异常。但也有研究表明缺失Mfn1的小鼠可以免受高脂饮食诱导的葡萄糖耐量和胰岛素抵抗的影响，并且对二甲双胍的降血糖作用更加敏感[24]。Drp1也通过影响胰岛素分泌和功能来参与2型糖尿病的过程。Hennings等[25]研究发现在胰腺β细胞中Drp1缺失会使胰岛素分泌受损。Fealy等[26]研究却发现Drp1活性下调与脂肪氧化和胰岛素敏感性的改善显著相关，并且通过锻炼可以降低Drp1，增加Mfn1和Mfn2的表达。此外，二甲双胍可以激活AMPK改善肥胖患者的线粒体功能和高血糖[27]。这些结果表明线粒体动力学相关蛋白的表达可能是2型糖尿病发病的基础，但其在2型糖尿病中的调控机制需进一步研究。

导致2型糖尿病发生发展的另外一个潜在机制可能是高水平活性氧的产生。在糖尿病大鼠中观察到了线粒体ATP生产减少，活性氧水平升高[28]。而胰岛β细胞更易受到活性氧和氧化应激的影响，β细胞的抗氧化酶水平与其他代谢组织相比非常低。因此高水平活性氧被认为是糖尿病中β细胞功能障碍的主要原因。线粒体内的活性氧过量产生可以激活炎症途径，进而破坏胰岛素信号转导引起胰岛素抵抗。Houstis等[29]发现用糖皮质激素或TNF-α处理诱发的胰岛素抵抗细胞模型中活性氧水平均升高，认为活性氧水平升高是胰岛素抵抗的重要触发因素；而线粒体中过氧化氢酶的过表达可以预防胰岛素抵抗。Anderson等[30]研究证实经线粒体靶向抗氧化剂处理大鼠或通过基因工程改造小鼠过表达其肌肉线粒体中的过氧化氢酶，可降低线粒体H2O2的水平，即便在高脂饮食的情况下也可以保留胰岛素敏感性。另一项研究却认为抗氧化剂治疗虽可以使肌肉线粒体功能正常化并预防氧化应激，但未能使葡萄糖耐量和胰岛素敏感性正常化[31]。这些结果看起来似乎是矛盾的，所以关于线粒体来源的氧化应激与2型糖尿病之间的关联机制需要得到进一步的探索。

4 线粒体功能障碍与动脉粥样硬化

动脉粥样硬化是许多心血管疾病的病理生理学基础，动脉粥样硬化最早是血管内皮受损导致脂质进入血管内皮下，然后单核巨噬细胞和平滑肌细胞吞噬脂质后形成泡沫细胞，大量泡沫细胞的堆积形成脂纹。其后便是纤维斑块和粥样斑块的形成。线粒体活性氧可促进低密度脂蛋白和蛋白质的氧化，并导致平滑肌和内皮细胞的核DNA与线粒体DNA损伤。这会导致血管内皮受损，平滑肌细胞异常增殖与氧化低密度脂蛋白(oxLDL)在动脉壁上的聚集，这些因素都会推动动脉粥样硬化发展。

血管内皮受损是动脉粥样硬化早期的初始生理病理改变，伴随一氧化氮的合成和分泌减少。一氧化氮具有抑制血小板聚集、单核巨噬细胞黏附、平滑肌细胞增殖等作用。活性氧诱导的氧化应激可以灭活内皮细胞一氧化氮合酶导致一氧化氮分泌减少[32]，且功能失调的内皮型一氧化氮合成酶会促进活性氧的产生，由此产生增加的氧化应激会进一步削弱一氧化氮的合成分泌来加剧血管内皮损伤。最近一项研究也指出线粒体钙超载、膜电位降低、活性氧产生和细胞色素c的释放参与了oxLDL诱导的内皮细胞凋亡[33]。而过表达PGC1α可以降低线粒体活性氧水平，逆转oxLDL诱导的线粒体代谢紊乱[34]。并且过表达PGC1α还可以通过降低NF-κB和TNF-α的活性来减轻炎症程度[32]。此外，过表达OPA1可以促进线粒体自噬和线粒体融合，恢复内皮细胞活力并减少 oxLDL导致的细胞凋亡[35]。

血管平滑肌细胞是脂纹和斑块的重要组分。线粒体功能障碍是动脉粥样硬化病变血管平滑肌细胞的显著特征。Mfn2在血管平滑肌细胞的增殖和凋亡中起重要作用。在ApoE-/-小鼠的血管平滑肌细胞中Mfn2表达显著下降，但可以通过过表达Mfn2抑制血管平滑肌细胞的异常增殖[36]。这是因为过表达Mfn2可以通过抑制蛋白激酶B(protein kinase B,Akt)信号和激活线粒体凋亡来介导血管平滑肌细胞凋亡[37]。并且在进一步的研究中发现，Mfn2过表达可以通过抑制细胞外调节蛋白激酶(extracellular regulated protein kinases,ERK)和Akt磷酸化来抑制oxLDL诱导的血管平滑肌细胞增殖[38]。此外，在动脉粥样硬化形成早期就已发现了线粒体DNA的损伤，并且异质性线粒体DNA变异体的数量增加与动脉粥样硬化的形态学表型的程度相对应[39]。活性氧诱导线粒体DNA损伤导致线粒体功能受损，促进血管平滑肌细胞和巨噬细胞凋亡，抑制血管平滑肌细胞增殖，使坏死核心增多，纤维帽面积减少，增加斑块的易损性，但当线粒体DNA完整性恢复时则会改善这种情况[40]。动脉粥样硬化患者的血管平滑肌细胞核DNA和线粒体DNA的修复需要ATP和氧自由基，从而进一步导致线粒体功能障碍，加速斑块的形成并抑制血管平滑肌细胞的功能[32]。

5 线粒体功能障碍与血管钙化

目前认为衰老与慢性低度的炎症状态有关，并且炎症会加剧与年龄相关的疾病。血管钙化是衰老过程中的常见并发症，特别是与动脉粥样硬化和2型糖尿病紧密相关。有研究报道衰老会升高炎性因子白介素-6水平并损害主动脉的线粒体功能[41]。研究表明血管钙化与炎症状态有关，炎症引发的线粒体功能障碍能影响血管钙化的发生发展,因此线粒体功能障碍与血管钙化之间的联系也得到广泛研究。

维持线粒体动态平衡可能是血管平滑肌细胞对抗成骨样表型转变的潜在保护机制。在高磷诱导钙化的血管平滑肌细胞中发现线粒体的结构和功能受损，但具有增强线粒体代谢功能的α-亚麻酸可通过抑制线粒体介导的凋亡并恢复Gas6/Axl/Akt通路来阻断无机磷酸盐诱导的血管平滑肌细胞钙化[42]。Zhu等[43]发现乳酸处理血管平滑肌细胞会加速钙化过程同时导致线粒体功能障碍，而BNIP3介导的线粒体自噬可以恢复线粒体的功能并抑制乳酸诱导的钙化。Ma等[44]发现二甲双胍可以促进线粒体生物合成，抑制β-甘油磷酸诱导的血管平滑肌细胞成骨表型转化。Cui等[45]使用槲皮素抑制氧化应激和Drp1表达，可以减少线粒体分裂，从而阻止无机磷酸盐诱导的血管平滑肌细胞凋亡和钙化。Rogers等[46]研究也证明Drp1高表达于钙化的人颈动脉中，并且抑制Drp1表达可以减轻平滑肌细胞和人瓣膜间质细胞钙化。此外，线粒体通过产生活性氧直接参与钙化过程。Zhao等[47]表明线粒体是介导高磷酸盐诱导血管平滑肌细胞钙化中活性氧的主要来源。局部过量的活性氧会导致血管退化和钙化[48]。Tang等[49]发现线粒体活性氧可以通过调节血管平滑肌细胞的碱性磷酸酶表达来参与钙化。Zhao等[47]也证实线粒体活性氧激活NF-κB信号通路并促进NF-κB亚单位p65转位到细胞核内，进一步转化为成骨表型来参与β-甘油磷酸诱导的钙化。而使用抗氧化剂可以改善血管钙化。Zhang等[50]发现白藜芦醇可以通过SIRT1和核因子NF-E2相关因子(nuclear factor-erythroid 2-related factor 2,Nrf2)调节活性氧生成来减轻血管钙化程度。并且白藜芦醇还可通过PKA/LKB1/AMPK通路改善线粒体功能和氧化应激[51]。血管钙化是一个复杂的、多因素、长时期的过程，多种机制可能通过线粒体途径影响血管钙化的发生发展。血管钙化的防治一直都是临床难点、重点，尽管近年来血管钙化在机械治疗如旋磨等技术上取得了长足的发展，但这种机械治疗是基于晚期钙化的一种被动治疗[52]。而线粒体功能障碍和血管钙化之间的关联为我们防治血管钙化提供了一个新思路，即线粒体靶向治疗及抗氧化治疗。

6 总结与展望

除成熟红细胞外，几乎所有人和动物细胞中都有线粒体，因此当线粒体出现功能障碍时会对人体造成多层次多方面的影响，并且这往往是一个恶性循环的过程。在代谢性炎症如肥胖、2型糖尿病和动脉粥样硬化过程中，持续的营养过剩和代谢紊乱是诱发线粒体功能障碍的重要因素，进一步地，线粒体功能障碍又加剧炎症过程，这也是细胞走向凋亡，引发器官组织的长期功能障碍的诱因。目前已有大量研究从线粒体动力学、线粒体DNA、线粒体活性氧的产生及其抗氧化防御机制的角度出发，阐述其与代谢性炎症的密切关系。寻找到多个可能的药物作用靶点，开发药物以应对线粒体功能障碍，以望有效控制住代谢性炎症的进展，如白藜芦醇，Mdivi-1,Dynasore，线粒体靶向抗氧化剂MitoQ等。线粒体靶向治疗似乎是一个很有前景的治疗领域，但是线粒体功能障碍与代谢性炎症之间具体的调控机制过于复杂，并没有得到详细深入的阐述，甚至有些研究结果相互矛盾。因此，继续寻找线粒体功能障碍的新机制有助于我们理解代谢性炎症的发病机制，并推进其治疗进展。