余宗超　尹良紅　劉璠娜

510632 廣州，暨南大學(xué)附屬第一醫(yī)院腎內(nèi)科

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·述評·

從線粒體動力學(xué)角度探索腎臟病治療新策略

余宗超尹良紅劉璠娜

510632 廣州，暨南大學(xué)附屬第一醫(yī)院腎內(nèi)科

【摘要】線粒體是真核生物細胞中一種高度動態(tài)變化的細胞器，通過不斷的融合分裂，維持線粒體網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)態(tài)，線粒體的動態(tài)平衡對腎臟、心臟、骨骼肌等組織器官功能的維持起著至關(guān)重要的作用。線粒體動力學(xué)在腎臟疾病發(fā)生、發(fā)展過程中的作用尚未完全闡明，但越來越多的證據(jù)表明，線粒體動力學(xué)改變廣泛參與急性腎衰竭和糖尿病腎病等腎臟疾病的病理變化過程，該文介紹了近年來線粒體動力學(xué)與腎臟疾病病理變化研究所取得的最新進展，并提出腎臟病防治的新策略。

【關(guān)鍵詞】腎臟??；線粒體動力學(xué)；線粒體分裂；線粒體融合

終末期腎臟病(ESRD)的流行病學(xué)資料顯示，全球ESRD患者數(shù)持續(xù)增加。及時篩查、診斷、評估進展對延緩腎臟病進展至ESRD具有重要的臨床意義。越來越多的證據(jù)表明，線粒體動力學(xué)廣泛參與腎臟疾病的發(fā)生、發(fā)展過程。該文就線粒體動力學(xué)參與腎臟病的分子機制以及線粒體動力學(xué)參與腎臟病的臨床診治做一綜述，旨在使臨床醫(yī)師對線粒體動力學(xué)與腎臟病的相互影響形成初步的認識。

一、線粒體動力學(xué)

線粒體是真核生物細胞中的主要產(chǎn)能細胞器，通過不斷地融合與分裂維持著線粒體網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定。線粒體可分裂變成更小的桿狀或者球狀結(jié)構(gòu)；反之，線粒體融合則形成長鏈狀或網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，這一過程稱為線粒體動力學(xué)[1]。本文主要討論以線粒體融合-分裂為代表的線粒體動力學(xué)在腎臟病發(fā)生、發(fā)展過程中所起的關(guān)鍵作用。

1. 線粒體分裂機制

哺乳動物細胞中，介導(dǎo)線粒體分裂的調(diào)控蛋白主要有動力相關(guān)蛋白1(Drp1) 和線粒體分裂蛋白1 (Fis1)。Drp1在線粒體分裂過程中起著至關(guān)重要的作用， Drp1在結(jié)構(gòu)上由N末端鳥苷三磷酸酶(GTPase)結(jié)構(gòu)域、中央結(jié)構(gòu)域、C末端GTPase效應(yīng)結(jié)構(gòu)域(GED)構(gòu)成。正常情況下，Drp1廣泛分散在整個細胞質(zhì)中。在激活情況下，Drp1聚集到線粒體外膜的斷裂位點上，組裝成螺旋形結(jié)構(gòu)驅(qū)使線粒體膜收縮，從而促進線粒體膜的分裂[2]。當(dāng)線粒體分裂結(jié)束后，Drp1又回到細胞質(zhì)，在細胞質(zhì)與靶細胞膜之間循環(huán)。敲除Drp1基因會抑制線粒體分裂，形成長桿狀線粒體，Drp1基因過度表達則會引起線粒體分裂，產(chǎn)生大量片段化線粒體[3]。

Fis1為由152個氨基酸構(gòu)成的小分子蛋白質(zhì)，是哺乳動物細胞線粒體分裂機制的另一個重要組成部分。Fis1通過C末端跨膜結(jié)構(gòu)域(TMD)錨定在線粒體外膜上，N末端暴露于細胞質(zhì)[4]。Fis1高表達會導(dǎo)致線粒體片段化，進而引起細胞色素C釋放和細胞死亡[5]。

2. 線粒體融合機制

哺乳動物細胞中介導(dǎo)線粒體融合的調(diào)控蛋白主要有線粒體融合蛋白1(Mfn1) 、Mfn2、視神經(jīng)萎縮癥蛋白1(OPA1) 。線粒體外膜的融合涉及到Mfn，而OPA1則參與線粒體內(nèi)膜的融合，線粒體的融合是從線粒體外膜的彼此連接和融合開始，接下來才是內(nèi)膜的融合[6]。

Mfn1和Mfn2分子結(jié)構(gòu)相似，N末端朝向細胞質(zhì)，含有GTPase結(jié)構(gòu)域，C-末端跨膜區(qū)兩側(cè)各有1個疏水集團，為七肽重復(fù)序列(HR1/2)，在線粒體外膜融合過程中，2個相鄰線粒體外膜上的Mfn1或Mfn2通過形成反向平行的螺旋形二聚體相互連接，進而促進線粒體外膜融合[7]。

如前所述，線粒體外膜的融合涉及到Mfn，而OPA1則參與線粒體內(nèi)膜的融合。在結(jié)構(gòu)上，OPA1 N末端有一個線粒體膜插入序列，C末端有一個GTPase效應(yīng)結(jié)構(gòu)域，其他的功能域位于中間。抑制OPA1基因的表達可導(dǎo)致線粒體分裂，形成片段化線粒體；選擇性敲除Mfn1基因時，OPA1失去促進線粒體融合的作用，可見3種調(diào)控線粒體融合的蛋白對線粒體融合均是必不可少的[8]。

二、線粒體動力學(xué)與腎臟病

腎臟病包括急性腎損傷(AKI)與慢性腎臟病(CKD)，均以腎組織損傷與腎功能下降為特征。無論是AKI還是慢性腎衰竭(CRF)，均有著涉及包括線粒體動力學(xué)在內(nèi)的復(fù)雜病因和發(fā)病機制。越來越多的證據(jù)表明，急性和慢性腎臟損傷中均有明顯的線粒體動力學(xué)改變，包括缺血-再灌注腎損傷、中毒性腎損傷以及糖尿病腎病(DN)。在損傷的腎細胞中，正常的絲狀線粒體分裂成片段狀，而片段狀的線粒體則導(dǎo)致線粒體損傷以及細胞死亡。由此推測，線粒體動力學(xué)改變可能是引起腎臟相關(guān)損傷的致病機制之一。

1. 線粒體動力學(xué)與AKI

前期研究證實，線粒體動力學(xué)異常是引起腎小管上皮細胞損傷的重要因素。為了進一步證實線粒體動力學(xué)改變在AKI時線粒體損傷以及腎小管上皮細胞凋亡過程中發(fā)揮的作用， Brooks等[9]觀察缺血以及順鉑介導(dǎo)的AKI腎小管上皮細胞中線粒體的形態(tài)學(xué)改變，發(fā)現(xiàn)AKI時腎小管上皮細胞線粒體迅速發(fā)生分裂，且線粒體分裂發(fā)生在以細胞色素C釋放為標(biāo)志的線粒體外膜通透性改變之前，線粒體分裂蛋白Drp1在腎小管上皮細胞損傷早期便被激活并且向線粒體聚集，通過顯性負突變體或小片段干擾RNA(siRNA)抑制Drp1，可以阻止線粒體分裂、細胞外膜通透性改變以及細胞凋亡。另外，在AKI小鼠模型中，可以通過二維和三維電子顯微鏡觀察到腎小管上皮細胞線粒體的分裂，缺血-再灌注腎損傷可導(dǎo)致30%～40%的腎小管上皮細胞出現(xiàn)線粒體分裂。Xiao等[10]發(fā)現(xiàn)，OPA1的蛋白水解酶OMA1通過水解OPA1可以引起線粒體內(nèi)膜的分裂。在AKI小鼠模型中，敲除OMA1基因可抑制OPA1的水解，阻止線粒體分裂以及腎小管上皮細胞損傷。從而對抗缺血性腎損傷，改善腎功能。這些研究進一步證實了線粒體動力學(xué)與AKI的相關(guān)性，進一步探索AKI過程中線粒體動力學(xué)改變以及引起腎小管上皮細胞損傷的具體分子機制，有助于探索AKI的防治新策略。

2. 線粒體動力學(xué)與DN

近年來，線粒體動力學(xué)與神經(jīng)退行性病變、冠狀動脈粥樣硬化性心臟病(冠心病)等慢性病關(guān)系的研究取得了很大進展，但對線粒體動力學(xué)與CKD的關(guān)系卻知之甚少。DN是引起ESRD的主要原因，長期的高血糖可導(dǎo)致腎小球、腎小管以及腎間質(zhì)的損傷，并最終引起CRF[11]。線粒體動力學(xué)失衡產(chǎn)生大量的活性氧簇，大量的活性氧簇可產(chǎn)生各種應(yīng)激反應(yīng)，所產(chǎn)生的致炎作用可導(dǎo)致胰島素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)降低，這可能是導(dǎo)致胰島素抵抗的重要原因之一[12]。線粒體動力學(xué)平衡在胰島素分泌以及B細胞形態(tài)及數(shù)量方面均起著重要作用。Liu等[13]發(fā)現(xiàn)大黃酸可以抑制ROS產(chǎn)生，從而抑制ROS-Drp1-線粒體分裂-細胞凋亡通路防止高糖誘導(dǎo)的B細胞凋亡。Zhang等[14]發(fā)現(xiàn)，敲除小鼠胰島B細胞OPA1基因后，胰島B細胞線粒體呈碎片狀，線粒體復(fù)合體Ⅳ數(shù)量和活性降低，最終導(dǎo)致三磷酸腺苷生成障礙，胰島素分泌不足而引起血糖升高。以上實驗表明，線粒體動力學(xué)紊亂可引起胰島素抵抗、胰島素分泌不足、胰島B細胞凋亡，最終誘發(fā)2型糖尿病，維持線粒體動力學(xué)穩(wěn)定可能是防止這一過程的有效途徑。

除了線粒體動力學(xué)參與了DN的病理變化過程外，研究發(fā)現(xiàn)DN動物模型及DN患者腎皮質(zhì)中存在線粒體碎片堆積，提示DN的病理變化過程中線粒體清除機制(線粒體自噬)也遭受損害[15]。DN病理變化過程中線粒體自噬功能的改變及其對DN病理進展的影響尚需進一步驗證。進一步探索DN發(fā)展過程中線粒體自噬功能變化及其對DN病理進展影響的具體分子機制，有可能發(fā)現(xiàn)DN治療的新靶點。

3. 線粒體動力學(xué)與腎臟病防治新策略

Tang等[16]對鏈脲霉素誘導(dǎo)的DN大鼠模型中腎臟細胞進行腺病毒介導(dǎo)的基因轉(zhuǎn)染，使Mfn2高表達，與未進行轉(zhuǎn)染的空白對照組大鼠相比，證實Mfn2高表達可以減輕糖尿病大鼠模型的腎損傷(如降低蛋白尿、減少活性氧簇聚集等)。Mfn2高表達在DN患者中是否有同樣作用還有待于進一步研究驗證。Morigi等[17]研究指出，在順鉑介導(dǎo)的小鼠AKI模型中，氧化應(yīng)激損傷與線粒體損傷都與腎臟中的去乙?；?(SIRT3)水平降低有關(guān)，用磷酸腺苷活化蛋白激酶(AMPK)激動劑5-氨基-4-咪唑甲酰胺核苷酸或者抗氧化劑乙酰左旋肉堿對實驗小鼠進行預(yù)處理，恢復(fù)SIRT3的表達與活性，可以改善實驗小鼠的腎臟功能，并且減輕小鼠的腎小管損傷，對敲除SIRT3基因組的小鼠進行預(yù)處理則無此作用。在體外培養(yǎng)的人類腎小管上皮細胞，經(jīng)順鉑暴露后可導(dǎo)致SIRT3水平降低，進而導(dǎo)致線粒體分裂，恢復(fù)SIRT3的表達，可以修復(fù)順鉑介導(dǎo)的線粒體功能紊亂。以上研究表明，恢復(fù)和增強SIRT3的表達，可以穩(wěn)定線粒體動力學(xué)，降低順鉑所致AKI風(fēng)險。

Cereghetti等[18]證實，細胞質(zhì)中的鈣離子濃度過高可引起鈣依賴磷酸酶的激活從而直接激活Drp1上637位絲氨酸脫磷酸化，進一步引起Drp1激活并由細胞質(zhì)向線粒體移位，最終導(dǎo)致線粒體的分裂。2種不同的鈣依賴磷酸酶抑制劑(環(huán)孢素和他克莫司)，可以抑制Drp1的脫磷酸化作用從而阻止腎小管上皮細胞線粒體的分裂、細胞色素C的釋放以及細胞凋亡[19]。因此，阻止Drp1脫磷酸化作用可減輕缺血-再灌注等引起的急性腎小管上皮細胞損傷。唐驊等[20]研究表明DN時體內(nèi)升高的晚期糖基化終產(chǎn)物可能會導(dǎo)致大鼠腎小球內(nèi)皮細胞(GEnC)線粒體功能障礙，引起活性氧簇產(chǎn)生增加，從而導(dǎo)致細胞間通透性增加，可能是DN時蛋白尿生成的機制之一，減少線粒體功能障礙引起的氧化應(yīng)激損傷，可能成為發(fā)生DN時保護GEnC功能的有效途徑之一。

4. 線粒體動力學(xué)與臨床應(yīng)用

何靜等[21]通過建立線粒體DNA(mtDNA)拷貝數(shù)的SYBR Green I 實時定量PCR方法，檢測局灶節(jié)段性腎小球硬化(FSGS)患者血清線粒體DNA(mtDNA)和尿液微囊泡(MV) mtDNA的變化，發(fā)現(xiàn)FSGS患者血清mtDNA水平均較健康對照組下降，且FSGS患者尿液中MV mtDNA含量高于健康對照組；實驗還證實了體外嘌呤霉素氨基核苷刺激的足細胞分泌的MV中mtDNA下降，而且足細胞內(nèi)mtDNA含量也下降。上述結(jié)果提示mtDNA可能是腎損傷的標(biāo)志物。雖然該實驗存在樣本含量較少、FSGS尿液MV來源的mtDNA升高可能是由于患者尿液MV含量也升高引起等不足，但該研究建立的mtDNA拷貝數(shù)測定方法成本低廉、敏感度高、特異性強，為mtDNA檢測用于臨床診斷以及進一步完善相關(guān)研究奠定了基礎(chǔ)。

鄒禮樂等[22]通過建立缺氧-復(fù)氧(H/R)模型，將近曲腎小管上皮細胞(HK-2)隨機分為對照組和H/R組，通過免疫組織化學(xué)染色檢測發(fā)現(xiàn)，H/R組OPA1表達減少而Drp1表達增加，提示新生兒H/R性腎損傷可能與線粒體動力學(xué)紊亂有關(guān)。胡語航等[23]對H/R模型的HK-2細胞進行白藜蘆醇苷(PD)預(yù)處理，證實單純H/R組細胞數(shù)量明顯減少，PD處理組HK-2細胞數(shù)量明顯多于H/R組。提示PD對H/R誘導(dǎo)的腎小管上皮細胞損傷可能具有一定的保護作用，但其作用機制是否與腎小管上皮細胞線粒體動力學(xué)改變有關(guān)，尚需進一步研究。

三、結(jié)語

通過對線粒體動力學(xué)以及線粒體動力學(xué)改變參與腎臟病理生理學(xué)過程的總結(jié)，我們可以推斷，維持線粒體動力學(xué)的穩(wěn)定也許可以成為保護腎損傷的新的研究方向，過去的研究主要集中在線粒體動力學(xué)與AKI，線粒體動力學(xué)與CKD的相關(guān)性具有同樣重要的研究價值。如前所述，在缺血與順鉑介導(dǎo)的AKI模型中，阻止線粒體分裂具有腎臟保護作用，然而在其他腎臟損傷的模型中同樣的處理是否有效尚不清楚。越來越多的證據(jù)表明線粒體動力學(xué)在AKI與CKD的發(fā)病機制中都發(fā)揮著一定的作用，其具體的分子機制還有待于進一步的研究。通過對線粒體動力學(xué)與腎臟疾病研究的回顧，表明線粒體動力學(xué)調(diào)節(jié)將為腎臟疾病提供新的研究方向、藥物作用靶點及腎臟保護方案，具有重要的理論及現(xiàn)實意義。

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(本文編輯：林燕薇)

New therapeutic strategy of kidney diseases from the perspective of mitochondrial dynamics

YuZongchao,YinLianghong，LiuFanna.

DepartmentofNephrology,theFirstAffiliatedHospitalofJi’nanUniversity,Guangzhou510632,China

【Abstract】Mitochondria, as a highly dynamic organelle existing in the eukaryocyte, is able to maintain the stabilization of mitochondrial network by constant fusion and fission. Mitochondrial dynamics equilibrium plays a crucial role in maintaining the function of tissues and organs, such as kidney, heart, skeletal muscle, etc. However, the mechanism underlying the effect of mitochondrial dynamics upon the incidence and progression of kidney diseases remains elusive. Accumulated evidence has demonstrated that the changes in mitochondrial dynamics are widely involved with the pathogenesis and development of acute renal failure, diabetic nephropathy and alternative renal diseases. In this paper, recent research progresses in terms of the association between mitochondrial dynamics and kidney diseases were summarized and reviewed, aiming to explore novel prevention and treatment of renal diseases.

【Key words】Kidney disease; Mitochondrial dynamics; Mitochondrial fission; Mitochondrial fusion

(收稿日期：2015-11-21)

Corresponding author, Liu Fanna，E-mail: tliufana@jnu.edu.cn

通訊作者，劉璠娜，E-mail：tliufana@jnu.edu.cn 簡介：劉璠娜，女，博士，副主任醫(yī)師、副教授，碩士研究生導(dǎo)師，美國克利夫蘭醫(yī)學(xué)中心腎臟病與高血壓中心訪問學(xué)者。廣東省醫(yī)師協(xié)會腎內(nèi)科分會委員，廣東省女醫(yī)師協(xié)會腎臟病與血液凈化分會副主任委員。擅長急性或慢性腎臟病、糖尿病腎病及高血壓腎病的防治，危重腎臟病管理，原發(fā)性及繼發(fā)性腎小球疾病的診治，血液凈化各項技術(shù)的臨床應(yīng)用，血管通路的維護及維持性血液透析患者的管理與評估。主要從事慢性腎臟病防治的臨床與基礎(chǔ)研究。主持及參與多項國家、省、市科研課題。

基金項目：2016年廣州市產(chǎn)學(xué)研協(xié)同創(chuàng)新重大專項民生科技專題；廣東高校血液凈化技術(shù)與設(shè)備工程技術(shù)研究中心建設(shè)項目(GCZX-A1104)

DOI：10.3969/j.issn.0253-9802.2016.04.001