張 虎, 梁計陵, 錢帥偉, 蔣留軍, 陳 寧

(1. 武漢體育學院 研究生院, 武漢 430079; 2. 武漢體育學院 健康科學學院, 武漢 430079; 3. 復旦大學附屬華山醫(yī)院北院, 上海 200040; 4. 武漢體育學院 健康科學學院 運動訓練監(jiān)控湖北省重點實驗室 天久運動營養(yǎng)食品研發(fā)中心, 武漢 430079)

白藜蘆醇，又稱3,5,4′-三羥基芪，分子式為C14H12O3，相對分子量為228.25。Res作為廣泛存在于植物中的非黃酮類多酚，在葡萄、桑葚、花生等植物中均有存在，且具有抗腫瘤、保護心腦血管和免疫調(diào)節(jié)等作用[1]。Res自1939年在白藜蘆的根部被發(fā)現(xiàn)繼而被提取，有順、反結(jié)構(gòu)之分，因反式結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定而被廣泛使用。在小鼠急性口服15 g/kg體重和大鼠90 d [167～500 mg/(kg·d)]的大劑量Res干預中，均未發(fā)現(xiàn)急性和遺傳毒性[2]。隨著研究的深入，Res在調(diào)控線粒體異常導致的疾病和抗衰老等方面逐漸成為研究熱點。

線粒體作為具有獨立遺傳基因的雙層膜結(jié)構(gòu)細胞器，普遍存在于絕大多數(shù)真核細胞中，通過三羧酸循環(huán)和氧化磷酸化為機體提供大部分能量。線粒體參與細胞內(nèi)眾多生理活動，如細胞增殖、分化、衰老和凋亡等。然而，當線粒體功能受損破碎、ATP合成與呼吸減少、膜電位降低、氧化應(yīng)激水平升高時均會誘導線粒體質(zhì)量異常而加速衰老和疾病的進展[3-4]。此外，異常的線粒體形態(tài)學改變甚至會嚴重影響線粒體功能和線粒體自噬活性，導致異常線粒體的過度堆積而誘發(fā)細胞凋亡。隨著研究的增加，Res可能作為一種有效的干預方式，通過調(diào)控線粒體的生物合成、分裂與融合、線粒體自噬等途徑來改善線粒體質(zhì)量。本文主要從Res在線粒體質(zhì)量調(diào)控中的作用和使用劑量進行系統(tǒng)綜述，為更好地使用Res調(diào)控線粒體質(zhì)量緩解代謝、神經(jīng)相關(guān)疾病提供一定的理論參考(圖1)。

圖1 Res在線粒體質(zhì)量調(diào)控中的作用

1 線粒體質(zhì)量控制

線粒體作為細胞內(nèi)主要的能量轉(zhuǎn)換器，可通過調(diào)節(jié)自身的生物合成、融合與分裂，以及清除衰老和損傷線粒體而達到維持線粒體數(shù)量和質(zhì)量的作用。線粒體質(zhì)量控制主要通過線粒體的生物發(fā)生產(chǎn)生功能良好的新生線粒體，而損傷的線粒體則通過彼此間的融合后分裂產(chǎn)生健康和待清除的線粒體，以便及時清除異常線粒體而減少對細胞正常功能的影響。其中，機體能量需求旺盛會誘導線粒體的生物合成的發(fā)生，而過氧化物酶體增殖物激活受體γ共激活因子-1α(Peroxisome proliferators-activated reptory coactivator-1α，PGC-1α)在線粒體生物發(fā)生過程中扮演著重要的角色，可提高線粒體DNA(mtDNA)水平和線粒體數(shù)量。線粒體的融合與分裂過程是線粒體動力學主要部分，并由一系列蛋白參與調(diào)節(jié)線粒體膜結(jié)構(gòu)的運動，如視神經(jīng)萎縮癥蛋白1(opticatrophy 1, OPA1)、線粒體融合蛋白1和2(mitofusion 1/2, Mfn 1/2)、線粒體動力相關(guān)蛋白1(dynamin-related protein 1, Drp 1)、動力學蛋白2(dynamin-2, Dyn 2)、線粒體分裂蛋白1(fission 1, Fis1)等。而線粒體膜結(jié)構(gòu)的破壞會引起線粒體間隙或基質(zhì)中促凋亡因子的釋放，會誘導細胞凋亡的發(fā)生，如細胞色素C(Cytochrome c，Cyt-c)等。線粒體分裂出的異常線粒體通過自噬途徑進行降解，健康線粒體則繼續(xù)參與正常的生理活動。在線粒體自噬的過程中，由線粒體誘導的自噬標記、自噬囊泡的包裹和與溶酶體結(jié)合來完成，主要由BNIP3(BCL2/adenovirus E1B 19 ku interacting protein 3, BNIP3)/Nix(NIP3-like protein 3, Nix)、PINK1(PTEN-induced putative kinase protein 1, PINK1)/Parkin(Parkin protein, Parkin)、FUN14結(jié)構(gòu)域包含蛋白-1(FUN14 domain containing 1, FUNDC1)、微管相關(guān)蛋白1輕鏈3(Microtubule associated protein 1 light chain 3，LC3)、p62(Sequestosome 1, p62)等線粒體自噬關(guān)鍵調(diào)節(jié)蛋白完成。

2 Res在調(diào)控線粒體質(zhì)量中的相關(guān)機制

Res作為一種植物次生代謝產(chǎn)物，其抗氧化、抗衰老以及提高運動能力等作用可能是通過改善機體線粒體質(zhì)量而實現(xiàn)，且在線粒體的各個階段均存在積極的調(diào)控作用而有利于體內(nèi)線粒體的及時更替。

2.1 Res與線粒體的生物發(fā)生

新生線粒體形成過程即線粒體的生物發(fā)生，主要由細胞核基因與mtDNA相互作用共同組成。而PGC-1α作為線粒體生物發(fā)生的重要調(diào)節(jié)蛋白，能夠促進核基因與mtDNA轉(zhuǎn)錄來協(xié)調(diào)線粒體生物發(fā)生。正常表達的PGC-1α可提高如核轉(zhuǎn)錄因子NF-E2相關(guān)因子1/2(Nuclear respiratory factor-1/2, NRF1/2)和線粒體轉(zhuǎn)錄因子A(Mitochondrial transcription factor A, TFAM)等轉(zhuǎn)錄水平而促進線粒體生物發(fā)生。而鈍化PGC-1α蛋白會導致線粒體基因表達降低、活性下降并出現(xiàn)線粒體機能不良。雖然目前研究發(fā)現(xiàn)PGC-1α在人、小鼠和大鼠的不同肌纖維中存在差異，但值得注意的是PGC-1α蛋白水平通常與線粒體數(shù)量成正比。

隨著研究增多，發(fā)現(xiàn)Res在促進線粒體生物發(fā)生中具有與運動訓練相似的效果。Res可通過激活PGC-1α信號通路提升Nrf-1、TFAM、mtDNA等水平參與線粒體生物發(fā)生的調(diào)控[5]。相關(guān)RNA-seq分析也顯示出Res導致的轉(zhuǎn)錄本變化與mtDNA存在密切關(guān)聯(lián)[6]。Res作為SIRT1(Silent mating type information regulation 2 homolog-1, SIRT1)的激活劑可通過SIRT1/PGC-1α通路參與線粒體生物發(fā)生的調(diào)節(jié)。Res還可通過影響miR-27b水平來激活SIRT1參與調(diào)節(jié)線粒體質(zhì)量控制[7]。但SIRT1基因敲除相關(guān)實驗發(fā)現(xiàn)，適量的Res的添加似乎可以獨立于SIRT1而達到促進線粒體的生物發(fā)生的作用[8]。但目前所了解的Res促進線粒體的生物發(fā)生主要與SIRT1/PGC-1α途徑有關(guān)，而通過Res誘導miRNA和獨立于SIRT1在促進線粒體生物發(fā)生的相關(guān)研究報道有限，還有待進一步研究。

2.2 Res與線粒體的融合與分裂

線粒體的融合與分裂即兩個線粒體的結(jié)合與單個線粒體分為兩個的過程，也是線粒體動力學的主要組成部分。線粒體融合由Mfn1和Mfn2連接兩個獨立的線粒體完成線粒體外膜融合，OPA1誘導內(nèi)膜融合。Drp1在線粒體分裂時主要負責線粒體分裂過程的形態(tài)改變，最終由Dyn2完成線粒體分裂。研究發(fā)現(xiàn)在神經(jīng)、代謝以及癌癥中均出現(xiàn)線粒體動力學的異常改變，同時也可能是相關(guān)疾病的潛在治療靶點。如肥胖和2型糖尿病患者骨骼肌線粒體Mfn2的表達降低，腫瘤細胞Drp1異?；钴S導致的線粒體分裂增加，并且Drp1、Mfn1/2和OPA1與神經(jīng)系統(tǒng)病變也存在緊密聯(lián)系[9-10]。

相關(guān)實驗表明Res可通過TyrRS/PARP-1分子通路和提高線粒體融合相關(guān)蛋白(如Mfn1/2、OPA1)達到抑制線粒體斷裂的作用[11]。Res以依賴Drp1的方式改善了衰老心機細胞線粒體的延伸，且通過調(diào)節(jié)線粒體動力學緩解氧化應(yīng)激導致的線粒體損傷[12]。同時，Res還可通過上調(diào)線粒體融合相關(guān)蛋白的表達以減少細胞凋亡而緩解疾病進展[13]。如在視網(wǎng)膜損傷中通過增加SIRT1、OPA1和Fis1 mRNA水平調(diào)節(jié)線粒體質(zhì)量達到改善視力的作用[14]，以及通過調(diào)控線粒體動力學改變而逆轉(zhuǎn)衰老以及干細胞活力的下降[15]。但是也有研究發(fā)現(xiàn)，Res可抑制線粒體的過度融合與分裂的發(fā)生。例如，抑制糖尿病小鼠骨骼肌線粒體的融合與分裂以及自噬異常[16]。也可通過激活miR-326/pkm2誘導線粒體過度分裂，甚至凋亡的發(fā)生[17]。

由上可知，Res可通過上調(diào)線粒體融合相關(guān)mRNA和蛋白促進線粒體融合的發(fā)生，而單一的線粒體融合促進并不一定有利于細胞功能改善。也有文獻[18-19]報道，Res在癌癥相關(guān)治療中可促進線粒體分裂導致癌細胞凋亡的發(fā)生，其主要原因可能是Res的使用和劑量存在模型差異。

2.3 Res調(diào)控線粒體自噬

線粒體自噬主要負責及時清除老化損傷的線粒體來保證細胞內(nèi)線粒體質(zhì)量以維持機體的正常運轉(zhuǎn)。其中PINK1/Parkin通路和線粒體自噬介導受體Bnip3/Nix、FUNDC1等是誘導線粒體自噬的主要途徑。線粒體自噬與機體能量供應(yīng)和運動能力有著密切聯(lián)系，當線粒體自噬發(fā)生障礙會導致受損線粒體的堆積和細胞凋亡的發(fā)生，甚至會誘導包括神經(jīng)系統(tǒng)和骨骼肌等相關(guān)疾病的發(fā)生，如帕金森綜合征、阿爾茲海默病等。線粒體的及時清除可降低ROS水平，預防炎癥、Tau蛋白過度磷酸化以及β-淀粉樣蛋白堆積等緩解神經(jīng)細胞損傷[20]。

研究發(fā)現(xiàn)，Res在調(diào)控線粒體自噬中涉及多個分子信號通路，可明顯促進細胞自噬水平的提升，同時檢測到自噬相關(guān)蛋白表達的改變。例如，LC3-II/LC3-I、Parkin和Beclin1水平的顯著增加和p62的減少等。在細胞培養(yǎng)實驗中也發(fā)現(xiàn)Res的添加明顯提高了LC3-II水平和自噬體的數(shù)量[21]。除此以外，Res還可通過激活SIRT1/PGC-1α/HIF-1α信號通路提升缺氧狀態(tài)下自噬水平加速異常線粒體的清除，減少缺氧導致的線粒體功能障礙和細胞凋亡，以及Res通過p38和細胞外調(diào)節(jié)激酶(ERK)信號通路誘導自噬清除損傷線粒體達到保護細胞的作用[12]。值得注意的是Res明顯改善心肌細胞線粒體異常堆積，但在衰老心肌細胞線粒體中卻降低了Parkin和PINK1的磷酸化水平，甚至出現(xiàn)抑制LC3-II的增加[22]。因此，Res在不同組織或模型中線粒體自噬過程中可能存在差異性調(diào)控。但Res在如Bnip3/Nix、FUNDC1等介導的線粒體自噬過程中的作用鮮有報道，具體機制尚不清楚。

3 Res劑量對不同模型線粒體的相關(guān)影響

隨著更深入的研究，科學家發(fā)現(xiàn)Res對線粒體在不同的組織和模型中的作用存在一定差異，可能也與使用劑量、給藥方式以及輔助藥物和運動有關(guān)。表1中選取部分相同組織，如在骨骼肌中Res可有效促進線粒體的生物發(fā)生、改善機體運動水平和抗衰老等作用，但未發(fā)現(xiàn)因飲食劑量過多而導致線粒體異常的報道。與此同時，在不同的病理模型中Res的作用也不同，如在糖尿病骨骼肌中有抑制自噬發(fā)生的作用，而在衰老性肌萎縮和杜氏肌營養(yǎng)不良小鼠的骨骼肌中又可改善線粒體自噬水平的低下，說明Res在不同的病理環(huán)境中的作用可能也存在差異，提示Res可能是一種自噬平衡的調(diào)節(jié)劑。在細胞培養(yǎng)中低劑量的Res可促進線粒體質(zhì)量的改善，一旦超過一定的劑量范圍則會導致細胞死亡的發(fā)生，且具有一定的劑量依賴性。有相關(guān)綜述統(tǒng)計[23-24]顯示：在細胞培養(yǎng)中Res濃度小于50 μmol/L，在胞內(nèi)線粒體質(zhì)量調(diào)控起到積極作用，但當濃度大于50 μmol/L時，則會導致線粒體損傷而誘導凋亡的發(fā)生；在神經(jīng)細胞培養(yǎng)中加入Res超過50 μmol/L時仍存在積極作用，而且對不同分化程度的神經(jīng)細胞作用效果也具有差異，可見其在神經(jīng)組織中的使用劑量和作用仍需進一步探索。此外，在飲食和細胞培養(yǎng)中加入適量Res對神經(jīng)細胞的凋亡有一定的改善作用，但從飲食、腹腔注射和細胞培養(yǎng)的Res介入劑量來看，相差巨大。而當Res在飲食干預時加入合適的生物堿類以及配合有氧鍛煉與單獨的Res相比，對線粒體質(zhì)量控制表現(xiàn)出更佳的效果[25]。這可能與提高了生物利用率或起到一定的協(xié)助作用有關(guān)。Res也被認為具有獨特的雙重作用，對正常細胞有保護作用，但對腫瘤細胞具有毒性?？赡芘cRes在改善線粒體質(zhì)量的同時也有利于有氧呼吸供能，并非與癌細胞主要的糖酵解供能方式有關(guān)，而有氧呼吸的改善是否影響代謝途徑達到間接抑癌作用還值得商榷[26]。但從目前的研究來看，使用Res來達到保健和防治疾病的作用可能需要根據(jù)疾病和個體吸收能力的不同進行用藥量和入藥方式的調(diào)整，以及配合適量的鍛煉和協(xié)助藥物的補充從而達到較好的效果。

表1 白藜蘆醇劑量對線粒體質(zhì)量控制的影響

4 小結(jié)與展望

Res在疾病預防與治療的作用在不斷被挖掘，其通過調(diào)控線粒體生成、融合與分裂和線粒體自噬來改善線粒體質(zhì)量，因此Res可能通過調(diào)控線粒體質(zhì)量在線粒體誘導的相關(guān)疾病和衰老中存在潛在治療價值。但Res生物利用度較低，尋找增加機體吸收的輔助藥物、運動方式和給藥途徑具有一定的現(xiàn)實意義。而在相關(guān)的研究中，Res的療效差異可能主要是在使用劑量、動物模型以及干預時間等因素上存在差異。因此，篩選Res在調(diào)控線粒體質(zhì)量中的靶基因、microRNAs和蛋白值得進行更深入的研究，這將有助于為線粒體異常導致的疾病提供精確的靶向干預療法的開發(fā)。