线粒体转录因子A介导的线粒体功能障碍在糖尿病心肌病中的作用

吕丽丽,翟满满,丁小艳, 陈永清

(1.甘肃中医药大学第一临床医学院 研究生院,甘肃 兰州 730000;2.甘肃省妇幼保健院/甘肃省中心医院 心血管内科,甘肃 兰州 730000)

据统计糖尿病是并发症较多的一种疾病,其中心血管并发症是糖尿病患者致死、致残的主要原因[1]。而糖尿病心肌病是糖尿病患者特有的,独立于高血压、冠心病、心脏瓣膜病,直接由糖尿病相关的糖脂代谢失调引起的以代谢障碍及心功能障碍为特征的心血管并发症[2-3],主要表现为心肌纤维化、心肌细胞肥大和凋亡,与伴随的大血管和微血管糖尿病并发症无关[4]。糖尿病心肌病被认为是复杂且独特的,其发病原因较多,包括代谢异常、线粒体功能障碍、钙调节失衡、炎症反应、氧化应激、心肌细胞凋亡及自噬相关通路的激活等[3, 5-6],但潜在的具体机制仍处于研究探索当中。目前研究证实,高血糖可引起线粒体功能障碍, 进而引起活性氧(reactive oxygen species,ROS)生成增加、细胞内能量代谢改变、葡萄糖摄取减少和游离脂肪酸氧化增加等病理过程[7]。线粒体转录因子A(mitochondrial transcription factor A,TFAM)是一种主要的线粒体基因调节因子,其微小的变化都会引起线粒体的功能障碍[8]。周益盛等[9]研究发现在db/db小鼠中,高糖环境使心肌组织中TFAM的表达降低,且随着db/db小鼠周龄的增长,心脏组织中TFAM的表达逐渐降低。本文就线粒体功能紊乱致糖尿病心肌病的发生机制、TFAM对心肌细胞线粒体功能的影响、TFAM介导的线粒体功能障碍在糖尿病心肌病发生发展中的作用进行综述,以期为临床糖尿病心肌病的诊治提供理论依据。

1 线粒体功能紊乱致糖尿病心肌病的发生机制

糖尿病心肌病的发病涉及脂质积聚、氧化应激、炎症、细胞凋亡和能量受损等多种病理过程,而线粒体是细胞糖和脂肪酸的代谢中心,对能量产生、细胞代谢、钙稳态、细胞内信号传导和细胞死亡程序的调节至关重要[10]。糖尿病心肌病的发病机制与线粒体功能异常有关[11],其中线粒体功能紊乱导致的氧化应激和细胞凋亡是糖尿病心肌病的常见机制之一[12]。

1.1氧化应激 氧化应激是氧化系统和抗氧化系统间的失衡状态,线粒体为ROS生成的主要位点,正常情况下可维持机体氧化和抗氧化系统的平衡状态[13]。但在某些病理情况下,减弱线粒体呼吸和膜电位可诱导线粒体功能障碍,ROS生成增加,氧化应激增强[14]。研究显示,ROS过度产生及线粒体内抗氧化系统失衡是氧化应激的主要原因[15]。胰腺β细胞比其他细胞的自由基解毒酶和氧化还原调节酶水平低,因此2型糖尿病患者胰腺β细胞受损时抗氧化能力降低,ROS生成增加,氧化应激增强。ROS作为蛋白质氧化损伤的重要因素,在生理条件下可调节胰岛素的分泌、维持线粒体正常功能; 在糖尿病等病理条件下,氧化代谢增强产生大量的ROS可进一步导致线粒体功能障碍,线粒体功能障碍常伴有形态改变、含量减少、呼吸链酶复合体活性降低、ATP 合成减少等病理变化,而上述病理变化均与糖尿病心肌病的发病密切相关[13, 16]。

1.2细胞凋亡 线粒体不仅通过氧化代谢产生ATP,还参与细胞凋亡、钙离子转运、炎症反应和自噬等多种生命活动[17]。在糖尿病等病理情况下,线粒体功能受损,氧化应激增强。氧化应激增强导致线粒体膜通透性转换孔开放,造成线粒体膜电位丧失,进而导致ATP产生受阻、细胞色素C等蛋白释放。细胞色素C等凋亡酶激活因子激活含半胱氨酸的天冬氨酸蛋白水解酶(cysteinyl aspartate specific proteinase,caspase), 活化的caspase可将细胞内的重要蛋白降解,通过线粒体/细胞色素C介导的信号通路触发内源性细胞凋亡途径[18]。其次也有研究发现,高糖可激活心肌细胞外源性和内源性凋亡通路关键启动子caspase-8和caspase-9,随后激活下游凋亡执行者caspase-3,介导高糖诱导的乳鼠心肌细胞凋亡[19]。线粒体为细胞凋亡的关键调节因子,而细胞凋亡是糖尿病心肌病发生的关键细胞过程。

2 TFAM对心肌细胞线粒体功能的影响

线粒体是唯一有DNA的细胞器,受到核基因组DNA和线粒体DNA(mitochondrial DNA, mtDNA)的双重遗传控制, 其中mtDNA是细胞线粒体最重要的组成部分,它的拷贝数反映了线粒体DNA转录和ATP生成。mtDNA是一种16.5 kb的双链环状分子,可编码氧化磷酸化复合物的13个蛋白质亚基,尽管mtDNA编码的13种蛋白质亚基仅构成氧化磷酸化的小部分,但mtDNA仍然是氧化磷酸化过程必不可少的基因组。当mtDNA表达下降时,线粒体功能障碍,氧化磷酸化过程受损,ATP生成减少[20-23]。线粒体功能由mtDNA和调节其转录和复制的因子控制[24],而哺乳动物模型中mtDNA拷贝数的主要调控因子是TFAM[25],TFAM是mtDNA启动子的特异性增强子,是高迁移率蛋白组的成员。研究表明,过表达TFAM可治疗线粒体功能障碍介导的疾病[26]。TFAM在mtDNA转录激活过程、基因组复制及调节mtDNA拷贝数等过程中均发挥重要的调控作用,是mtDNA复制和转录所必需的包装蛋白, 进一步维持线粒体功能[27-28]。TFAM由核基因组DNA编码,在细胞质中合成并导入线粒体[27], 通过将mtDNA的单个拷贝储存在功能性线粒体类核中而起到保护心脏的作用[20]。其次TFAM的功能性线粒体类核成分为mtDNA的转录、转导和修复等功能过程创造了一个安全的环境[10],因此TFAM与mtDNA的相互作用对于线粒体功能的维持至关重要[29]。此外TFAM可通过改变线粒体膜电位及向其他细胞器发出信号的方式来调节胞质内的Ca2+, 从而调节细胞代谢[30]。有研究证实,高血糖可导致心肌细胞线粒体功能障碍,加重心肌细胞氧化应激而导致心肌细胞损伤[15]。探究高糖状态下心肌细胞中TFAM的表达及其对心肌细胞线粒体功能的影响,可深层次了解糖尿病心肌病的发生机制和寻找有效的治疗靶点。

3 TFAM在糖尿病心肌病发生发展中的作用

线粒体的功能极其依赖mtDNA的原因是mtDNA位置特殊,其更容易受到ROS诱导的氧化应激损伤。而TFAM可通过与mtDNA的缠绕增加其稳定性,保护mtDNA不被ROS降解,并与抗氧化剂(SOD-2)表达增加和潜在的氧化还原平衡相关[20, 31],维持线粒体功能稳定。实验研究表明,高糖环境下心肌组织中TFAM表达降低[9],心肌线粒体功能异常、线粒体内抗氧化系统受损,体内产生过量ROS[17]。还有研究指出,在高血糖状态下脂质代谢紊乱和葡萄糖氧化增加等多种情况可使ROS大量产生, 超过抗氧化系统的清除能力,引起氧化应激[32-33]。适度的氧化应激可增加蛋白质的活性,对机体有益,但过多的ROS簇产物可通过与脂质、蛋白质和DNA间的相互作用引起病理改变[34]。ROS增加可直接引起分子损伤,进一步加重线粒体功能障碍,降低脂肪酸的氧化能力,导致糖尿病患者脂质积聚、纤维化、心脏舒张功能障碍,甚至心力衰竭[35]。然而在病理条件(如糖尿病)下,机体抗氧化系统受到破坏,ROS加速积累,并导致氧化应激增强,通过激活心肌细胞外源性和内源性凋亡通路引起心肌细胞凋亡[19, 36]。目前已经证实,糖尿病心肌病患者心肌细胞内ROS增多,内源性和外源性抗氧化系统被破坏,体内氧化应激增加[32, 37]。当发生线粒体氧化应激时,ROS增加可直接引起分子损伤,进一步加重线粒体功能障碍,而线粒体功能障碍时,抗氧化系统受损,ROS过度产生导致机体发生氧化应激[35]。因此在糖尿病心肌病中发生氧化应激和线粒体功能障碍时,二者相互作用进一步促进了糖尿病心肌病的进展。在结肠癌细胞中,TFAM的敲除导致mtDNA的数量降低,从而增加了mtDNA氧化损伤的修复时间,导致线粒体氧化应激损伤的发生。此外,对黑腹果蝇的相关研究也表明,TFAM能够清除线粒体的氧化应激,抑制线粒体的过度损伤[38]。上述研究表明TFAM对氧化应激的清除、降低相关疾病的发生率具有重要意义,推测在糖尿病心肌病中,TFAM也能够清除线粒体的氧化应激,延缓疾病的发展。其次另有研究指出,过表达TFAM可通过活化的T细胞的核内因子通路延缓心肌细胞重塑[39]。也有实验证实高糖环境下TFAM表达降低,心肌细胞线粒体功能障碍[9]。但在高糖环境下使心肌细胞过表达TFAM是否有利于线粒体功能的恢复以及具体分子机制尚未见研究报道。

4 小结与展望

随着糖尿病患者数量的不断增加,糖尿病心肌病作为糖尿病重要但尚未阐明的并发症,已成为近年来的研究热点。尽管既往有研究证实高血糖可导致TFAM表达降低、心肌细胞线粒体功能障碍、心肌细胞氧化应激,从而导致心肌细胞损伤。但也有研究指出,TFAM能够清除线粒体的氧化应激,心肌细胞中过表达TFAM可提高线粒体ATP水平、细胞活力。但是在高糖环境下使心肌细胞过表达TFAM是否有利于线粒体功能的恢复以及具体分子机制尚未见研究报道。目前糖尿病心肌病的发病机制、诊断和治疗仍是医疗界面临的重要问题之一,所以通过对TFAM在糖尿病心肌病中的作用及潜在机制的研究有望能为糖尿病心肌病的诊疗提供理论依据。