线粒体DNA与2型糖尿病关系的研究进展*

黄李晨露, 贺军栋

1昆明理工大学医学院(云南昆明 650093); 2云南省第一人民医院内分泌科(云南昆明 650034)

2型糖尿病(type 2 diabetes,T2D)是最常见的代谢性疾病之一[1],根据国际糖尿病联合会的数据,T2D约占所有糖尿病患者的90%,在2021年导致约670万人死亡[2]。T2D的发生与线粒体功能障碍有关[3]。线粒体存在于大多数真核细胞中,参与多种细胞重要功能调节,在细胞稳态和信号传导过程中发挥重要作用,如胰腺β细胞中葡萄糖刺激胰岛素分泌也是线粒体功能的一种[4]。线粒体DNA(mitochondrial DNA,MtDNA)是一种线粒体自身的细胞器基因组[5],其改变可能是T2D的一种预警信号。本文重点总结了MtDNA与T2D之间的最新研究进展,特别关注了MtDNA拷贝数、异质性和甲基化在T2D中的作用及机制。

1 MtDNA

人类MtDNA是一个封闭的、环状的16 569 bp的分子。基于氯化铯梯度的密度差异,MtDNA包含两条不同的链,称作重链和轻链[6]。重链和轻链的转录产生长的全长转录物,这些转录物由核糖核酸酶处理以产生成熟的mRNA、tRNA和核糖体RNA[7],这些成熟的RNA对氧化磷酸化(oxidative phosphorylation,OXPHOS)系统至关重要[3]。相比于核DNA,MtDNA没有内含子,没有组蛋白保护,没有及时的DNA修复机制[8],从而导致T2D的发生[9]。

2 MtDNA拷贝数

每个细胞都具有数量庞大的MtDNA拷贝数(MtDNA copy number,MtDNAcn)。MtDNAcn是线粒体活性的重要指标,反映线粒体的生物发生和功能[9]。MtDNAcn水平影响与T2D相关的许多细胞途径[10],MtDNAcn水平异常可导致MtDNA氧化应激升高和基因表达中断[9],影响胰岛β细胞功能导致T2D发生。MtDNAcn是胰岛素敏感性的指标之一。T2D的MtDNAcn与血糖水平呈正相关[11]。研究发现,T2D大鼠MtDNAcn水平明显增加,进行6周的有氧运动后,T2D大鼠MtDNAcn水平和高密度脂蛋白出现一定的下降,T2D症状缓解[12]。

减重手术是治疗T2D的一种方法,在减轻细胞免受氧化应激和延缓生物衰老进程方面具有效果。T2D患者的MtDNAcn增加,减重手术后MtDNAcn显著降低[13],发生微血管并发症的风险比未接受手术的T2D患者低47%。减重手术还可以显著降低T2D大鼠MtDNA损伤[14],在T2D并发症中,减重手术也能够改善T2D肾病患者肾功能损伤[13]。大部分接受减重手术的肥胖T2D 患者MtDNAcn基本可以下降到正常水平,T2D症状改善。减重手术改善T2D的重要原因之一可能是降低MtDNAcn,继而降低线粒体生物功能损伤,因此MtDNAcn也被作为减重手术后的非侵入性生物标记物来进行评估[13]。端粒长度和MtDNAcn与T2D具有潜在关联,T2D患者在减重手术6个月和12个月后,端粒长度显著增加,MtDNAcn水平显著降低,体重和脂肪量减少[15],T2D症状减弱;T2D内分泌代谢异常也是T细胞加速衰老的一个危险因素,T2D患者在接受减重手术后端粒长度与MtDNAcn水平的变化使T细胞分化减少延缓衰老[16]。只进行8周运动的T2D患者中也出现端粒长度增加与MtDNAcn水平降低。减重手术对T2D发挥作用的机制可从端粒长度和MtDNAcn水平的变化来进行研究。

3 MtDNA异质性

线粒体损伤造成的T2D是一种遗传性的胰岛素分泌不当、胰岛素抵抗或二类缺陷联合导致的慢性高血糖内分泌疾病[17],这种线粒体疾病的治疗对临床医生来说仍然是一个巨大的挑战,MtDNA的缺失、插入或点异质性都与其有关[18]。野生型和突变型MtDNA的混合物在同一细胞内共存,称为MtDNA异质性,氧化应激、复制错误和细胞衰老等会引起大量体细胞MtDNA异质性,当异质性线粒体DNA的百分比超过一定阈值(60%～70%)时,细胞内稳态机制可能被破坏,导致线粒体功能障碍、细胞萎缩和死亡[19]。MtDNA异质性与T2D的发生发展显著相关,多种MtDNA遗传异质性是造成患者患T2D的原因之一,异质性也是T2D药物不良反应个体差异的重要原因[20]。T16189C是线粒体上常见的MtDNA异质性,在多种疾病中均有发现[21]。在东亚人群(中国、日本和韩国)和白种人中即发现T16189C异质性与T2D显著相关,但是在非洲人群中没有发现其与T2D的相关性[21]。

3.1 线粒体tRNA异质性 线粒体tRNAs(Mitochondrial-tRNAs,Mt-tRNAs)在线粒体蛋白质合成以及维持呼吸链功能中起着核心作用,疾病相关的MtDNA异质性中有一半以上位于Mt-tRNA基因中。越来越多的T2D相关MtDNA异质性已被确定,如tRNALeu(UUR)、tRNAGln和tRNALys的一些异质性可能导致T2D家族遗传[3]。

tRNAAlaT5587C是Mt-tRNAs异质性的一种,在T2D进展中发挥“绝对致病性”。T5587C扰乱了tRNAAla氨基酰化,导致tRNAAla代谢异常,线粒体翻译损伤,OXPHOS复合物的组装和活性被扰乱,ATP生成和线粒体膜电位减少,活性氧(reactive oxygen species,ROS)的生成增加,最终导致T2D的发生。在一个母系遗传T2D家系MtDNA中,该家系携带T5587C,该异质性不仅导致此家系三代人患有T2D,而且第三代成员比第二代成员的T2D发病年龄更早,证明T5587C在T2D发病中发挥重要作用[3]。

m.A5514G异质性位于Mt-tRNATrp的受体臂,会导致tRNATrp的A3G转变,引起核糖核酸酶P的误读和识别,对tRNA代谢产生功能性影响。m.A5514G异质性会破坏tRNA的二级结构,导致代谢异常,例如降低tRNA稳态水平、氨基酰化能力和影响3′端加工等,可能损害线粒体蛋白质翻译,导致线粒体功能障碍,胰腺β细胞凋亡或坏死,发生T2D[22]。m.A5514G异质性可能导致T2D在家族中遗传,并增加T2D治疗的难度。但研究也具有局限性,因为样本量相对较小。

tRNALeu(UUR)A3243G是第一个确定的T2D致病MtDNA异质性,也是全世界最常见的T2D相关致病异质性,大多数情况下,T2D线粒体异常都与位于mt-tRNALeu(UUR)的MT-TL1(OMIM 590050)基因中的m.A3243G异质性有关[23],该异质性的各种表型差异很大,从轻微到严重的T2D临床表型不等[24]。已经发现19个具有m.A3243G异质性的T2D家系的患病率在18.4%～55.5%之间[25]。在含有m.A3243G异质性的cybrid细胞中,观察到tRNALeu(UUR)的稳态水平以及氨基酰化能力降低约75%[24],导致了线粒体氧化应激和蛋白质合成速率降低。一些中国汉族T2D遗传家系人群发现携带m.A3243G异质性,细胞出现ATP生成减少,ROS生成增加,损伤线粒体功能,导致家族中T2D的发生和发展。值得注意的是,同时包含m.A3243G和m.T14502C异质性的家系的T2D患病率(40%)高于仅携带m.A3243G异质性的家系(27.2%)。研究发现,同时携带m.A3243G和m.T14502C异质性的患者比仅携带m.A3243G异质性的患者表现出更严重胰岛素抵抗,ATP水平更低,这表明携带m.T14502C异质性可能会增加m.A3243G诱导的T2D的严重程度[26]。

Mt-tRNAThrm.15897G>A异质性是在中国T2D家系中筛查到的一类MtDNA异质性,影响该tRNA第10位的编码。这种异质性导致tRNAThr更快降解,从而降低tRNA的有效水平,使OXPHOS复合物组装不完全,链活性受损导致线粒体膜电位受损影响细胞活性,线粒体氧化应激增加影响ATP合成,ROS过量产生导致线粒体活性缺陷影响线粒体蛋白质生成。携带m.15897G>A异质性的细胞中ATP减少了约26.63%,线粒体膜电位降低了约35.96%以及线粒体蛋白质水平降低了约28.29%,T2D的发生率明显增加。因此,Mt-tRNAThrm.15897G>A异质性可能可以作为遗传T2D风险的候选生物标志物[25]。

tRNAMetA4435G异质性是一类Mt-tRNA异质性,该异质性使细胞中ATP水平、氨基酰化效率和线粒体蛋白质合成速率下降、ROS水平增加,可能导致T2D的发生[26];tRNAlysA8343G异质性发生在Mt-tRNA非常保守的位置,可致线粒体膜电位和ATP生成减少,ROS水平增加,MtDNAcn水平下降,Mt-tRNA代谢异常[27];tRNAAlam.5587A>G异质性可能影响Mt-tRNA结构,改变氨基酸翻译效率,破坏蛋白质合成,导致线粒体氧化磷酸化功能中断[28];tRNAtrpT-stem m.5558A>G和m.5595G>A可能会影响Mt-tRNA的结构和功能,导致代谢异常[28];tRNAIlem.1555A>G异质性会导致线粒体功能障碍,m.4317A>G异质性会加重m.1555A>G异质性造成的线粒体损伤[28];tRNASer(AGY)m.C12237T异质性可能影响Mt-tRNA二级结构导致代谢异常,线粒体功能损伤,T2D发生[22];tRNAThrG15927A异质性位于反密码子茎部,在不同物种中极为保守,可能是与T2D冠心病相关的致病异质性[29]。

ND1 T4216C和ND2 C5178A异质性是从中国汉族T2D家系的遗传筛查中找到的MtDNA异质性,m.T4216C异质性发生在编码电子传递链复合物Ⅰ关键成员的ND1基因上,将304位的保守胸腺嘧啶变为胞嘧啶,可能导致ND1 mRNA代谢异常;ND2 C5178A异质性导致氨基酸237处的亮氨酸替换为蛋氨酸,是一种与疾病相关的致病异质性[30]。研究发现,此家系的中性粒细胞DNA损害标志物8-羟基-2′-脱氧鸟苷水平和氧化应激显著升高,ATP水平降低40%,说明线粒体功能受损,线粒体膜电位降低,导致细胞凋亡,ROS水平增加50%,细胞氧化损伤。因此m.T4216C和m.C5178A异质性可能会导致ND1和ND2 mRNA代谢异常,MtDNA损伤,线粒体复合物Ⅰ和复合物Ⅱ缺乏使呼吸链受损,胰腺β细胞功能损伤,促进T2D的发展[30]。

MtDNA ND4L中的T10609C异质性在携带原发异质性A3243G的T2D中发现,同时T10609C变异也存在于12.4%的汉族抽样人群中。T10609C异质性扰乱ND4L-ND6亚单位中的第四条质子易位路径,影响线粒体呼吸复合物Ⅰ中的质子易位。这种变化导致Glu34和Tyr157之间形成氢键,从而限制水分子的通过。因此T0609C异质性:增加了缺氧条件下的ROS生成,并传达了对高海拔红细胞增多症的易感性;导致呼吸复合物Ⅰ蛋白结构异常,线粒体的呼吸链受损,呼吸链中复杂蛋白质的超极化或功能障碍导致ROS增加;影响线粒体中产生的ATP浓度,在缺乏ATP的胰腺β细胞中,胰岛素分泌受到抑制,导致T2D[31]。

3.2 其他Mt DNA异质性 线粒体NADH脱氢酶6(NADH dehydrogenase 6,ND6)是MtDNA编码的一种蛋白质[30],在复合物Ⅰ的正确组装中起着关键作用,是复合物Ⅰ的关键组成部分。编码ND6的MtDNA的异质性导致严重的线粒体功能障碍和线粒体遗传疾病,且被发现参与T2D代谢紊乱的发展[32]。MtDNA异质性对T2D患者的影响见表1。

表1 MtDNA异质性对T2D患者的影响

4 MtDNA甲基化

核DNA甲基化调节核DNA编码的线粒体基因转录,与T2D相关。在T2D患者外周血白细胞中发现MtDNA ND6表达降低与高甲基化相关,ND6甲基化水平也与T2D患者临床严重程度呈正相关。在db/db小鼠的MtDNA甲基组图中观察到胰岛素抵抗,肝脏中MtDNA甲基化频率升高,尤其是在ND6基因编码的区域。在T2D患者和小鼠中,ND6的L-链特异性高甲基化是一种独特的表观遗传学事件,它与ND6转录水平降低和OXPHOS功能受损密切相关。因此,升高的ND6甲基化可能是一个有前景的生物标志物,对T2D具有预测和诊断价值[32]。

5 展望

T2D是一种复杂的内分泌系统疾病,了解MtDNA的知识对于这种复杂疾病的探究和预测有一定的帮助。MtDNAcn水平现已作为T2D风险因素之一;MtDNA异质性使家族T2D发病率升高,深入研究这些异质性对T2D防治可能有积极作用;MtDNA甲基化水平可以作为一种有前景的T2D生物标志物。基于上述研究进展,MtDNA是T2D研究中一个非常有前景的方向,我们期待将来开展更多深入全面的研究。

利益相关声明:所有作者均声明不存在竞争或个人利益冲突。

作者贡献说明:黄李晨露进行了文献查找、整理,论文起草。贺军栋进行了论文修改与指导,课题负责人,经费支持。