线粒体质量控制在2型糖尿病发生发展及治疗中的作用研究进展

陈奕任，陶人川，梁韬

1 广西医科大学口腔医学院，南宁530021；2 广西医科大学附属口腔医院；3 广西壮族自治区卫生健康委员会口腔感染性疾病防治重点实验室

2 型糖尿病（T2DM）是一种复杂的代谢性疾病，初期表现为胰岛素抵抗（IR），进而发展为β 细胞的结构受损及胰岛素分泌不足，引起机体内糖脂代谢紊乱，并继发其他脏器损害。研究表明，线粒体功能障碍与糖尿病的发生发展密切相关，是导致IR 和β细胞功能失调的潜在因素。线粒体在细胞能量代谢中起着核心作用，是胰岛素分泌的主要调节器，负责脂肪酸的氧化磷酸化（OXPHOS）和β-氧化，对糖类、脂肪代谢以及三磷酸腺苷的合成至关重要。线粒体质量控制的具体机制包括线粒体生物合成、线粒体动力学、线粒体自噬。线粒体质量控制通过不断融合/分裂改变其形状及大小、生物合成新生线粒体补充线粒体池和自噬将包裹受损的线粒体传递至溶酶体进行清除，维持相对稳定的线粒体数量和质量的动态过程，是保证线粒体健康和维持线粒体稳态的重要机制。线粒体质量控制的受损，将导致线粒体功能障碍，诱发β 细胞功能紊乱甚至死亡［1］。糖尿病患者除了线粒体功能障碍外，在线粒体自噬、动力学和生物合成方面也存在缺陷，即线粒体质量控制失调。现将线粒体质量控制在T2DM 发生发展及治疗中的作用研究进展综述如下。

1 线粒体生物合成在T2DM 发生发展及治疗中的作用

1.1 线粒体生物合成的调控机制 线粒体生物合成是一个调控线粒体新生的生物学过程，通过利用线粒体DNA、核编码基因产生新的线粒体，包括线粒体DNA 转录和复制、核基因编码蛋白、脂质合成和转入以及新的线粒体生成。目前研究认为，线粒体生物合成依赖转录因子和共激活因子的相互作用，包括过氧化物酶增殖物激活受体γ 共激活因子1α（PGC-1α）、5'-腺 苷 单 磷 酸 激 活 蛋 白 激 酶（AMPK）、核呼吸因子1/2（NRF1/2）及线粒体转录因子A（TFAM）。

1.2 线粒体生物合成在T2DM 发生发展中的作用 线粒体生物合成功能失调与糖尿病的发生发展有关。在T2DM 患者和动物模型中，PGC-1α mRNA和蛋白表达显著降低，通过基因芯片技术发现，T2DM 患者PGC-1α 下游基因表达降低［2］。此外，衰老老鼠PGC-1α 表达降低，导致肝脏的葡萄糖不耐受，外周胰岛素抵抗，从而发生T2DM［3］。沉默信息调节剂2 相关酶1/3（SIRT1/3）是PGC-1α 上游的调控因子，可调节体内线粒体生物合成。研究发现，T2DM 患 者的SIRT1/3 表达降低［4-5］。动 物实验表明，与正常小鼠相比，敲除SIRT1的缺陷小鼠ATP 减少，对高脂饮食诱导的IR 表现出更高的易感性，并且胰岛β 细胞合成和（或）分泌胰岛素能力下降，提示线粒体生物合成失调可诱发T2DM［6］。AMPK 是一种关键的酶蛋白，可控制生物体内合成代谢的转换。已有研究表明，在糖尿病患者和糖尿病动物模型中AMPK 活性受损。在糖尿病动物模型中，刺激AMPK 表达可增加细胞内NAD+水平，增强SIRT1 活性，激活PGC-1α 表达，诱导线粒体基因上调，改善线粒体生物合成功能，降低血糖［7］。以上研究表明，线粒体生物合成受损导致的线粒体质量下降与T2DM发生发展有关。

1.3 线粒体生物合成在T2DM 治疗中的作用 线粒体生物合成可以保证线粒体的内平衡，增强其抗氧化能力。钠—葡萄糖协同转运蛋白2（SGLT2）抑制剂作为抗高血糖药物，通过增加尿葡萄糖排泄从而降低高血糖。研究显示，恩格列净、卡格列净可以上调脂肪细胞中的AMPK/SIRT1/PGC-1α 信号和下游转录因子TFAM、NRF2 表达，增加线粒体生物合成，诱导小鼠白色脂肪细胞转化棕色脂肪细胞，减轻其体质量［8-9］。AMPK信号通路是控制糖尿病的一个靶标途径，激活和调节AMPK 的药物是治疗糖尿病的潜在药物。桑叶提取物桑叶黄酮可增加db/db 小鼠AMPK磷酸化和PGC-1α表达，上调NRF1，增强线粒体生物合成，改善胰岛素抵抗［10］。原花青素是从鸢尾中提取的主要活性物质，在脂肪细胞中可通过激活SIRT1/PGC-1α 信号通道，上调NRF1 和TFAM表达，减轻线粒体DNA 损伤，增强线粒体生物合成，减少脂肪生成，改善血糖、血脂和体质量［11］。因此，通过调控线粒体生物合成恢复线粒体功能可能成为治疗T2DM的新方向。

2 线粒体动力学在T2DM发生发展及治疗中的作用

2.1 线粒体动力学的调控机制 线粒体通过持续不断的融合和裂变以维持线粒体网络的稳定，满足细胞的功能需求，称为线粒体动力学。线粒体分裂可分为Drp1 转位到线粒体外膜、高阶组装、GTP 水解、最终分解四个步骤，受四种GTPase 调控，即动力蛋白相关蛋白1（Drp1）、分裂蛋白1（FIS1）、线粒体分裂因子（MFF）及线粒体动力蛋白49/51（MID49/51）［12］。线粒体融合是2 个或多 个线粒体部分整合成长丝状线粒体的过程，分为束缚、外膜融合和内膜融合三个步骤，受三种GTPases 蛋白介导，即线粒体融合蛋白1/2（Mfn1/2）和视神经萎缩相关蛋白1（OPA1）。

2.2 线粒体动力学在T2DM发生发展中的作用 在血糖控制不佳的T2DM患者的白细胞中发现，线粒体融合减少，分裂增加，形态呈碎片化，持续的线粒体断裂导致线粒体融合/分裂失衡，使葡萄糖刺激的胰岛素分泌（GSIS）受损，并且导致细胞死亡［13-14］。高血糖下Drp1、MID51 过表达使胰岛细胞的线粒体处于促裂变状态，线粒体网络呈不均匀性，导致ROS产生增加，膜电位下降，GSIS显著降低，加剧细胞凋亡，导致恶性循环［15-16］。在OPA1 敲除的小鼠胰岛细胞中，发现线粒体碎裂，嵴结构异常，线粒体呼吸链复合物Ⅳ活性降低，耗氧量减少，ATP 产生缺陷，造成GSIS降低［17］。这些研究表明，线粒体动力学与糖尿病之间存在密切关系，线粒体融合/裂变失衡可以直接影响线粒体功能，破坏β细胞功能，诱发糖尿病。

2.3 线粒体动力学在T2DM 治疗中的作用 保障线粒体形态质量和丰度以维持线粒体正常功能，是线粒体质量控制的核心。17β-雌二醇是主要雌激素活性形式，不仅能够促进线粒体的生物合成，还可通过增加胰岛β 细胞中Mfn1/2表达水平，降低FIS1表达水平，调节线粒体裂变/融合平衡，从而增加胰岛β 细胞中葡萄糖转运蛋白2（GLUT2）含量和促进胰岛素分泌，达到治疗糖尿病的作用［18］。恩格列净通过增加Mfn1表达，减少JC-1单体，增加JC-1聚集体，形成具有高膜电位细长和高度相接的线粒体，同时增加线粒体呼吸链复合物的的活性，达到改善线粒体质量，满足脂肪褐变过程中能量需求的目的［9］。原花青素能够改善线粒体生物合成功能，同时降低脂肪细胞中Drp1 表达，上调Mfn1/2 表达，从而改善线粒体功能障碍，增加葡萄糖摄取，改善外周胰岛素抵抗［11］。葛根素能够提高T2DM 小鼠胰腺组织的线粒体融合因子Mfn1、OPA1 蛋白表达，促进线粒体融合，改善胰腺组织线粒体质量和病理损伤，起到抗糖尿病作用［19］。以上研究表明，维持线粒体裂变/融合平衡可延缓T2DM的发生发展。

3 线粒体自噬在T2DM发生发展及治疗中的作用

3.1 线粒体自噬的调控机制 线粒体自噬是指一种经溶酶体降解受损的细胞器以控制线粒体质量与数量来维持细胞稳态的细胞内过程。哺乳动物线粒体自噬有三大经典通路：PINK1/Parkin、BNIP3/NIX和FUNDC1，其中PINK1/Parkin 途径是研究线粒体自噬中最常见的通路。在正常生理活动下，PINK1通过线粒体靶向序列持续进入内膜，被基质加工肽酶（MPP）以及早老素相关菱形样蛋白（PARL）体降解［20］。当 线 粒 体 损 伤 时，MPP 和PARL 被 抑 制，PINK1 的切割减少，外膜转位酶（TOM）诱导PINK1在外膜上积累。随后PINK1 磷酸化丝氨酸65（Ser65）上的泛素，进一步募集Parkin。活化后的Parkin 将外膜底物泛素化，适配器蛋白（如p62/SQSTM1、NBR1、NDP52/CALCOCO2、TAX1BP1 和OPTN）识别线粒体泛素化底物，并通过与微管相关蛋白1 轻链3（MAP1LC3）结合，诱导自噬体形成降解去极化的线粒体［21］。哺乳动物细胞中BNIP3 与PINK1 相互作用，促进PINK1 在外模上积累，诱导Parkin 募集，促进PINK1/Parkin介导的线粒体自噬；相反，BNIP3 的失活增加PINK1 蛋白水解加工，抑制PINK1/Parkin介导的线粒体自噬［22］。

3.2 线粒体自噬在T2DM 发生发展的作用 线粒体自噬可以消除老化和损伤的线粒体，对于控制线粒体质量有重要意义。已有研究发现，T2DM 患者的骨骼肌PINK1的转录受到抑制，此外，糖尿病动物模型的心肌细胞发现PINK1 和Parkin 蛋白表达下调，导致线粒体自噬异常，线粒体质量控制失衡［23］。在高脂高糖饮食诱导的肥胖小鼠中，脂肪组织PINK1 和Parkin 蛋白表达增加，自噬标志物LC3B 表达上调，进而改善线粒体质量，抑制肥胖的加重［24］。敲除大鼠胰岛β 细胞PARK2 基因后，线粒体自噬功能失调，细胞内破碎线粒体增多，导致β细胞内活性氧产生增加和ATP 水平降低，影响胰岛素合成和分泌，降低血糖的能力下降［25］。因此认为，Parkin 在维持胰腺细胞线粒体形态的完整性和胰岛素的分泌方面具有重要作用。另有研究表明，敲除FUNDC1 基因的小鼠表现为线粒体自噬缺陷，线粒体质量受损，加重了高脂饮食诱导的肥胖和胰岛素抵抗［26］。特异性敲除小鼠骨骼肌FUNDC1基因导致LC3介导的线粒体自噬缺陷，使肌肉脂肪利用率和耐力下降；但是FUNDC1 缺乏引起肌肉逆行反应，上调成纤维细胞生长因子21 表达，促进脂肪组织的产热重塑，改善全身胰岛素敏感性和葡萄糖耐量，从而抵抗高脂饮食诱导的肥胖［27］。总之，线粒体自噬在系统代谢调控中发挥关键作用，也是代谢综合征的治疗靶点。

3.3 线粒体自噬在T2DM 治疗中的作用 维持线粒体自噬稳态是T2DM 预防的有效机制之一。有研究表明，通过肌肉注射使热休克蛋白72在骨骼肌中特异性过表达，能够激活PINK1/Parkin 途径，增强骨骼肌线粒体自噬，减少活性氧的产生，恢复线粒体质量，降低肌肉的胰岛素抵抗，抑制高脂高糖饮食引起小鼠肥胖和葡萄糖不耐受，延缓糖尿病的发生发展［27］。此外，Parkin 作为一种泛素连接酶，去泛素化酶可能是线粒体自噬途径的潜在制动器。USP30是去泛素化酶家族中的一员，其抑制剂ST-539（苯丙氨酸衍生物）能够促进线粒体自噬，改善线粒体质量控制［28］。研究显示，红景天苷可提高小鼠骨骼肌自噬标志蛋白LC3Ⅱ和BNIP3 表达，激活自噬以维持线粒体池的稳态，改善线粒体质量，缓解骨骼肌的胰岛素抵抗［29］。黄芪皂苷Ⅱ可调节PINK1通路上调的线粒体自噬相关蛋白（如p62、LC3、PINK1和Parkin）表达，促进线粒体自噬，提高线粒体质量，从而改善糖尿病大鼠足细胞损伤［30］。因此，调控线粒体自噬代表一种治疗糖尿病新的靶点。

综上所述，在罹患T2DM 情况下，线粒体质量失衡引起机体线粒体功能障碍，活性氧生成过多，ATP产生减少，β 细胞发生凋亡，使胰岛素分泌减少；线粒体生物合成减少，致使线粒体池无法得到补充，难以维持线粒体的数量和功能。通过激活PGC-1α/NRF1/TFAM 途径，增强线粒体生物合成，恢复线粒体功能，能够达到抗糖尿病的作用。线粒体的融合/分裂不是单一独立的关系，而是相辅相成的关系。高糖内环境的应激条件下，通过加强线粒体动力学，一方面使线粒体融合将多个轻中度受损的线粒体融合为一个线粒体，或者与正常的线粒体结合起来，防止受损的线粒体继续损伤，以免于自噬；另一方面受损严重的部分线粒体会被线粒体相关分裂因子从正常的线粒体中分开，避免正常区域内线粒体继续受到损伤，最终通过自噬去除受损严重的线粒体；此外，不断的融合与分裂可以交换线粒体相关蛋白以及线粒体DNA，从而保持线粒体池中线粒体的数量和功能，逆转因高糖引起的胰腺组织病理损伤。线粒体质量控制与T2DM 密切相关，通过调节线粒体生物合成、线粒体融合/分裂和线粒体自噬等相关因子表达，影响线粒体质量控制，从而改善外周组织的胰岛素敏感性、提高葡萄糖刺激胰岛素分泌能力、促进白色脂肪褐变和减少脂肪异位沉积，达到降糖、降脂治疗T2DM 的目的。但目前的相关研究仍处于探索阶段，缺乏多维度、深层次及更细致探索；此外，研究类型多以细胞、动物实验为主，规范化的临床研究较少且笼统，需要进一步开展相关机制及转化医学等方面的研究。