线粒体动力学在肺动脉高压发病机制中的研究进展

温敬利 李甜甜 石莉程 孔辉 齐栩

线粒体是存在于真核生物细胞内的细胞器，是细胞进行呼吸作用及产生能量物质的主要场所。线粒体不仅通过氧化磷酸化产生三磷酸腺苷为细胞提供能量，还在细胞代谢调节、细胞内钙稳态、细胞信号传导、细胞凋亡等生物过程中扮演重要角色，对维持细胞内环境稳态及机体生命活动具有重要意义[1]。线粒体是动态的细胞器，可以通过线粒体融合和分裂两个相反的过程进行形态变化，线粒体不断分裂和融合的这一现象，称为线粒体动力学。线粒体动力学是维持线粒体质量、DNA稳定性、能量产生、钙稳态、细胞分裂和分化的重要组成部分，而线粒体融合-分裂平衡的紊乱，可能导致线粒体功能障碍和细胞死亡[2]。肺动脉高压是一种由于肺小动脉重塑导致肺血管阻力和压力增加而引起的肺疾病。肺动脉高压的增殖性血管病变与肿瘤有几个共同的线粒体异常，特别是向有氧糖酵解和线粒体分裂的转变。当前肺动脉高压的特异性治疗方式有钙通道阻滞剂、内皮素受体拮抗剂、磷酸二酯酶5型抑制剂、可溶性鸟苷酸环化酶激动剂、前列环素类似物和前列环素受体激动剂[3]。它们可以改善肺动脉高压患者血流动力学紊乱，减少住院人数，但这些药物会引起头痛、低血压、消化道症状等不良反应，而且这些血管扩张剂并没有针对肺动脉高压发病机制的关键特征，即没有逆转肺血管重塑，也没有显示出降低死亡率的作用[4]。因此，进一步研究肺动脉高压的发病机制，并据此发现肺动脉高压的靶向治疗方式至关重要。

肺动脉高压及发病机制

肺动脉高压是一种特发性心肺疾病，其特征是血管细胞过度增殖和抗凋亡，以及炎症、血栓形成和血管收缩，从而导致肺小动脉阻塞。血管阻塞增加了右心室的后负荷，最终导致右心衰竭[5]。肺动脉高压的发病机制主要包括以下五个方面[6]：①胞浆钙的增加：钙离子内流的增加和细胞器钙摄取障碍共同导致了胞浆钙的增加，这促使肺动脉高压患者的肺动脉平滑肌细胞(pulmonary arterial smooth muscle cell，PASMC)的收缩、增殖和抗凋亡。②细胞糖代谢方式的转换：在肺动脉高压患者的PASMC、内皮细胞、成纤维细胞、右心室心肌细胞中，可以发现糖代谢由氧化磷酸化向有氧糖酵解转变。③线粒体动力学紊乱：在肺动脉高压患者PASMC中，可以发现线粒体分裂的增加和线粒体融合的减少，这有利于PASMC的增殖。④遗传因素：主要是骨形态发生蛋白受体-2(morphogenetic protein type-2 receptor，BMPR2)突变。BMPR2突变被认为是肺动脉高压发生发展的前提，但仍需要额外的遗传、表观遗传或环境因素才能使携带BMPR2突变的患者发生肺动脉高压。⑤表观遗传因素：基因的表达也受到表观遗传学的影响，表观遗传学被定义为在不改变基因组DNA序列的情况下改变基因表达的机制。肺动脉高压的表观遗传机制包括DNA甲基化、组蛋白修饰和微小RNA(MicroRNA)调控。近期研究表明，线粒体动力学在神经退行性病变、2型糖尿病、肺动脉高压和多种肿瘤的发生发展中起到重要作用[7-9]。所以，本文主要介绍线粒体动力学在肺动脉高压发病机制中的作用，并简要介绍有关线粒体动力学的表观遗传学与肺动脉高压的关系。

线粒体动力学与线粒体质量控制

线粒体质量控制通过调控线粒体形态、数量和质量的相对稳定来维持细胞和生物体内稳态，是细胞内一种重要的防御机制[10]。线粒体质量控制主要包括线粒体生物合成、线粒体动力学、线粒体自噬三个重要过程，其中以线粒体动力学最为重要。线粒体是一种动态变化的细胞器，通过不断分裂和融合来维持自身的动力学稳态，线粒体融合和分裂的这一动态过程被称为线粒体动力学。线粒体分裂与融合的动态平衡不仅可以维持线粒体的正常形态，还对线粒体DNA的遗传完整性、细胞的能量供给、细胞增殖凋亡以及代谢的平衡具有重要意义[2]。线粒体分裂依赖于胞浆内的动力相关蛋白1(dynamin-related protein 1，DRP1)和线粒体外膜(mitochondrial outer membrane，OMM)上的线粒体分裂蛋白1(fission 1 ，FIS1)、线粒体分裂因子(mitochondrial fission factor，MFF)、线粒体动力蛋白49(mitochondrial dynamics protein of 49 kDa，MID49)和线粒体动力蛋白51(mitochondrial dynamics protein of 51 kDa，MID51)。线粒体分裂能够适应细胞生长需要，产生更多的线粒体，同时也可以隔离受损后不可修复的线粒体部分，促发线粒体自噬，清除受损线粒体[11]。线粒体融合依赖于线粒体内膜(mitochondrial inner membrane，IMM)上的视神经萎缩蛋白1(optic atrophy 1，OPA1)和OMM上线粒体融合蛋白1(mitifusin1，MFN1)、线粒体融合蛋白2(mitifusin 2，MFN2)。线粒体融合有助于线粒体间的信号传导和能量传递，从而保证细胞线粒体的均一性，纠正线粒体的不足和缺陷，还可以使线粒体能够更加有效地应对应激时细胞能量需求的迅速增加[11]。因此，线粒体分裂和融合是细胞进行线粒体质量控制，保证细胞能量代谢的重要手段。

线粒体动力学在肺动脉高压发生中的作用

一、线粒体分裂与肺动脉高压

哺乳动物细胞中调控线粒体分裂的相关蛋白主要有DRP1、FIS1、MFF、MID49和MID51。线粒体分裂是一系列蛋白精确调控的复杂的生物学过程。DRP1是线粒体分裂最重要的蛋白，它通常存在于胞浆中，但激活后移位到线粒体。在线粒体中，DRP1与位于OMM上的结合伴侣结合，这些结合伴侣包括FIS1、MFF、MID49和MID51。DRP1和它的结合伴侣形成了一种多聚体分裂装置，这种装置可以收缩和分裂线粒体。

DRP1最常见的翻译后修饰是磷酸化/去磷酸化修饰，而激活或抑制DRP1活性，则取决于其磷酸化位点。DRP1 的 Ser616 位点磷酸化可增强其活性，而Ser637 位点磷酸化减弱其活性[12]。蛋白激酶A(protein kinase A，PKA)介导的DRP1的Ser637 位点磷酸化，促进线粒体融合。与PKA介导的DRP1的Ser637处的磷酸化相反，受生物钟调节的钙调神经磷酸酶的激活，使DRP1的Ser637 位点去磷酸化[13]，从而通过促进DRP1移位到线粒体而导致线粒体分裂。同样，cyclin B1/CDK1介导的DRP1的Ser616位点磷酸化促进了线粒体分裂[14]。此外，线粒体分裂抑制因子1(mitochondrial division inhibitor 1，Mdivi-1)与DRP1上的变构位点结合，阻断DRP1自组装所需的构象变化，从而抑制线粒体分裂[15]；干扰肽p110也可以通过阻止DRP1和FIS1之间的相互作用来抑制线粒体分裂[16]。

线粒体分裂和融合的失衡参与了与肺动脉高压的肺血管重构，而DRP1是PASMC增殖的关键调节因子。G. Marsboom[14]等研究发现，缺氧诱导因子1α(hypoxia-inducible factor-1α，HIF-1α)介导的线粒体分裂导致肺动脉高压患者的PASMC增殖增加，通过化学激活HIF-1α可诱导PASMC中DRP1的Ser616位点磷酸化和线粒体分裂，这说明HIF-1α刺激线粒体分裂需依赖DRP1。X. Chen[17]等研究进一步证实了这一结论。Mdivi-1通过与DRP1上的变构位点结合抑制线粒体分裂，进一步研究发现，Mdivi-1的抗增殖作用归因于诱导细胞周期停滞于G2/M期，这表明细胞周期的进展依赖于线粒体的分裂[14]。Mdivi-1在抑制线粒体分裂的同时，还抑制了PASMC中的糖酵解代谢[18]。V. Parra[18]等还发现了曲美他嗪通过抑制线粒体分裂，逆转了肺动脉高压的PASMC的重塑。在肺动脉高压PASMC中同样发现了ROS产生的增加。L. Zhang[19]等研究发现ROS与DRP1相互作用通过促进缺氧下PASMC的线粒体分裂和抑制PASMC的凋亡，从而导致肺血管重构。此外，DRP1还参与了肺动脉内皮细胞的促迁移、促增殖和抗凋亡过程。T. Shen[20]等研究发现DRP1通过线粒体Ca2+促进肺动脉内皮细胞迁移、增殖，并抑制其凋亡，从而参与肺动脉新生血管的形成，这提示DRP1调控的线粒体动力学在肺血管重塑中的新作用。除了肺动脉平滑肌细胞及内皮细胞外，R. Umezu[21]等研究发现DRP1通过促进巨噬细胞介导的炎症反应促进损伤的血管内膜增厚，巨噬细胞中的DRP1可能是血管疾病的潜在治疗靶点。但是巨噬细胞中DRP1的这一作用还未在肺动脉高压中得以证实。

胞浆DRP1是线粒体分裂最重要的调节蛋白，同时其线粒体外膜上的配体蛋白MID49、MID51、FIS1和MFF对线粒体分裂也有一定的影响。O. C. Loson[22]等研究发现FIS1、MFF、MID49和MID51都可以招募DRP1到线粒体外膜并促进线粒体分裂。但需要注意的是，在没有FIS1和MFF的情况下，MIDs也能够促进线粒体分裂。这一结果也在K. H. Chen[23]等研究中得到证实，即在肺动脉高压患者肺动脉平滑肌细胞中，MIDs的表达增加促进了DRP1介导的线粒体分裂，并且促进了细胞增殖，减少了细胞凋亡。进一步研究发现，MIDs的上调是由于miR-34a-3p表达降低所致。沉默MIDs或增强miR-34a-3p可使野百合碱诱导的肺动脉高压好转。总之，在健康状态下，MIDs调节DRP1介导线粒体分裂，而在疾病中，MIDS的表观遗传上调，增加了线粒体分裂，从而导致肺动脉平滑肌细胞病理性增殖和凋亡抵抗。MiR-34a-3p-MID通路为肺动脉高压提供了新的治疗靶点。K. H. Chen[23]等还发现在DRP1线粒体外膜的四种配体中，MID49和MID51调节线粒体分裂的作用是独特的，因为沉默其他DRP1受体蛋白MFF或FIS1，不会改变PASMC增殖和线粒体分裂，这一发现与O. C. Loson[22]等的研究发现有所不同。FIS1在哺乳动物线粒体动力学中的作用已经变得有争议，因为近期研究发现FIS1还可以作为线粒体融合的抑制因子[24]而存在。此外，MFF在线粒体动力学中的具体作用还不明确，因此MFF和FIS1在线粒体分裂-融合中的作用有待进一步研究。

二、线粒体融合与肺动脉高压

哺乳动物细胞内调控线粒体融合的相关蛋白主要有 MFN1、MFN2和OPA1。线粒体融合是一个复杂的、进化上高度保守的过程。IMM蛋白OPA1与OMM蛋白MFN1/2相互作用，形成膜间蛋白复合物，将外膜与内膜的融合连接起来。与线粒体分裂蛋白类似，线粒体融合蛋白的活性也可以通过翻译后修饰来改变。MFN1/2的丢失阻止了OMM和IMM的融合，而OPA1的丢失阻止了IMM的融合，但不阻止OMM的融合[25]。

J. J. Ryan[26]等研究发现在肺动脉高压中，MFN2的表达降低导致PASMC线粒体分裂和过度增殖。进一步研究发现，MFN2的转录辅助激活因子-过氧化物酶体增殖物激活受体γ共激活物1-α(peroxisome proliferator-activated receptor g coactivator 1-α，PGC1α)在肺动脉高压PASMC中的表达也下降。而且PGC1α基因敲除会导致线粒体分裂，增强MFN2的表达可以逆转PGC1α基因敲除导致的线粒体分裂，这说明PGC1α可以诱导MFN2的表达[26]。而PGC1α通常作为线粒体生物发生的主要调节因子为我们所熟知[27]，这一发现揭示了PGC1α在线粒体质量控制中的新作用。因此，补充MFN2或PGC1α对肺动脉高压有治疗作用。路政[28]进一步研究了有关MFN2的肺动脉高压的表观遗传学异常。在肺动脉高压患者的肺动脉平滑肌细胞中，miR-17表达上调，而MFN2表达下调，同时，抑制miR-17的表达可以抑制肺动脉高压患者PASMC的增殖，并且可以促进其凋亡。进一步研究发现，miR-17是通过靶向调控MFN2基因表达来调控肺动脉高压患者PASMC的增殖和凋亡。因此，miR-17/MFN2调控途径是肺动脉高压患者PASMC过度增殖与凋亡抑制的重要调节机制，miR-17与MFN2可能是肺动脉高压的潜在治疗靶点。MFN1同样参与了肺动脉高压患者PASMC的增殖。C. Ma[29]等研究表明缺氧在体内和体外都上调了PASMC中MFN1的表达，而且MFN1介导的PASMC线粒体稳态和细胞增殖在低氧条件下受miR-125a的调控。这些结果为miR-125a-MFN1通路在肺动脉高压中的防治作用提供了理论依据。此外，A. Szabo[30]等研究发现BGP-15通过促进OPA1的GTPase活性和自聚集来促进线粒体融合，但这一作用还未在肺动脉高压中得到证实。

三、线粒体动力学与肺动脉高压右心室功能障碍

心力衰竭是肺动脉高压患者死亡的主要原因，是复杂的生化过程的结果。线粒体动力学与肺动脉高压的右心室功能障碍关系密切。

L. Tian[31]等研究发现肺动脉高压伴随着右心室缺血，DRP1-FIS1介导的线粒体分裂可导致右心室舒张功能障碍，同时Mdivi-1和p110通过抑制线粒体分裂可以减轻缺血再灌注损伤所致的右室舒张功能障碍。L. Tian等进一步研究发现肺动脉高压右心室的成纤维细胞发生线粒体动力学紊乱，即野百合碱诱导的肺动脉高压大鼠右心室成纤维细胞线粒体碎裂增加，且成纤维细胞的增殖率和胶原生成增加，而这与野百合碱诱导的肺动脉高压大鼠右心室成纤维细胞中DRP1蛋白表达增加和MFN2表达降低有关[32]。在体外，通过Mdivi-1和p110抑制DRP1可以减少成纤维细胞线粒体的分裂、增殖和Ⅲ型胶原的表达。这是首次描述肺动脉高压的肺动脉高压右心室成纤维细胞中线粒体动力学紊乱，表明Drp1是肺动脉高压右心室中一个潜在的新的抗纤维化靶点。P. Y. Xiong[33]等研究还发现肺动脉高压的右心室功能障碍和纤维化也与MID51的表达增加有关。此外，S. R. Joshi[34]等研究发现在肺动脉高压患者右心室中miR-140的增加和MFN1的表达降低之间存在相关性，而且miR-140的上调和MFN1的下调与肺动脉高压相关的右心室收缩压升高和肥厚相关。这些结果提示miR-140和MFN1在肺动脉高压相关性右心室功能障碍的发病机制中起一定作用。

总结与展望

肺动脉高压的特征是肺血管重塑，从而导致右心室后负荷增加，进一步导致右心室肥厚，最终导致右心室衰竭而死亡。虽然现有的治疗方式可以从舒张肺血管途径控制肺动脉高压的症状，但不能逆转肺血管重塑，也不能降低肺动脉高压患者的死亡率。所以迫切需要从肺动脉高压发病机制中找到一种特异性的治疗方式。近年来发现有关线粒体动力学的miR-34a-3p-MIDs通路、miR-125a-MFN1通路和miR-17-MFN2通路在肺动脉高压发生中发挥重要作用。此外，Mdivi-1和p110作为DRP1的抑制剂可以减少肺动脉高压的线粒体分裂，曲美他嗪也通过抑制线粒体分裂，对缺氧诱导的PASMC增殖起到抑制作用。所以，基于线粒体动力学的miRNA调控及线粒体分裂-融合相关蛋白的激活剂或抑制剂有望成为肺动脉高压新的治疗药物。