李軒，劉麗

(1.首都醫(yī)科大學第三臨床醫(yī)學院17級長學制臨床醫(yī)學專業(yè)，北京 100020；2.首都醫(yī)科大學基礎醫(yī)學院形態(tài)學實驗室，北京 100069)

隨著我國人口老齡化和人們生活方式的變化，糖尿病的患病率逐漸升高，截至2017年，糖尿病患病率已升至11.2%[1]。糖尿病以2型糖尿病(type 2 diabetes mellitus，T2DM)為主，其主要特征是胰島素調控葡萄糖代謝能力的下降，即胰島素抵抗(insulin resis-tance，IR)，并伴隨胰島β細胞功能缺陷所導致的胰島素分泌減少或相對減少。其中線粒體動力學與IR密切聯系，且不同細胞類型和組織中的線粒體形態(tài)差異較大，并隨著外界損傷和代謝信號的改變而迅速變化[2]。胰島素的主要作用靶器官是骨骼肌，其主要功能是促進細胞葡萄糖攝取，肌肉IR對全身葡萄糖代謝有很大影響，是典型肥胖相關IR和T2DM的主要組成部分[3]。進食后，葡萄糖以糖原形式儲存在肝臟，空腹時肝臟產生葡萄糖，其中糖異生可以通過底物供應、氧化還原狀態(tài)、糖異生基因轉錄和其他機制調節(jié)葡萄糖穩(wěn)態(tài)，影響IR[4]。持續(xù)性肥胖、IR和T2DM患者的脂肪組織病理特征是輕度慢性炎癥，表現為巨噬細胞浸潤和分泌促炎癥細胞因子，可導致肥胖相關的IR和高血糖。此外，白色脂肪組織中的胰島素信號轉導也能夠調節(jié)肝臟糖異生，從而影響糖代謝[5]。而棕色脂肪組織在人體能量消耗、葡萄糖穩(wěn)態(tài)和胰島素敏感性中具有重要的生理作用，肥胖人群的棕色脂肪組織活性降低，且IR和血糖異常[6]?，F對不同組織中線粒體動力學與IR的關系及機制予以闡述，以總結線粒體動力學對治療T2DM的作用。

1 線粒體動力學

線粒體動力學包括線粒體分裂和融合兩個過程，線粒體的分裂和融合過程受到不同蛋白質的調控，動力學失衡會導致線粒體形態(tài)、數量和功能異常。

線粒體分裂是指一個線粒體分裂成兩個子線粒體的多步驟過程。動力相關蛋白1(dynamin-related protein 1，DRP1)是一種胞質定位GTP酶，由線粒體分裂1(mitochondrial fission 1，FIS1)募集到線粒體外膜上的分裂位點，并水解GTP[7]，促進Dynamin-2的組裝，進而Dynamin-2誘導膜分裂，以完成分裂[8]。線粒體表面的肌動蛋白聚合可以促進DRP1募集和線粒體分裂，其由肌動蛋白調節(jié)蛋白INF2(inverted formin 2)和肌動蛋白核蛋白Spire1C控制，Spire1C結合INF2并促進肌動蛋白在線粒體表面的組裝，從而促進線粒體分裂[9]，而肌動蛋白解聚蛋白Cofilin1是線粒體DRP1活性的負調節(jié)因子[10]。此外，線粒體分裂因子也可以介導DRP1募集[11]。

線粒體外膜的融合由線粒體融合蛋白(mitofusin，MFN)1和MFN2介導，線粒體內膜的融合由視神經萎縮-1(optic atrophy-1，OPA-1)介導，而蛋白酶水解OPA-1可以形成錨定在線粒體內膜上的長型OPA-1和可溶的短型OPA-1兩種形式，通過這些蛋白的共同作用線粒體內膜融合得以正常進行[12]。此外，翻譯后修飾也調節(jié)線粒體分裂和融合過程，如OPA-1在病理應激下被過度乙?；?，降低了蛋白的GTP酶活性，而線粒體去乙?；改苁筄PA-1脫乙酰化并提高其GTP酶活性[13]。

2 線粒體動力學與IR

線粒體分裂或融合蛋白功能的增強或減弱均可以改變線粒體動力學平衡，導致線粒體結構和數量異常，從而損傷線粒體功能和葡萄糖刺激胰島素釋放；隨著疾病的進展，當線粒體不能代償過高的能量代謝時，則出現繼發(fā)性功能障礙[14]。

2.1骨骼肌線粒體動力學與IR 有研究表明，遺傳性肥胖和飲食性肥胖小鼠骨骼肌中線粒體裂變機制均增強，導致線粒體變小變短，而抑制DRP1可改善肥胖小鼠的肌肉胰島素信號和全身胰島素敏感性，表明異常的骨骼肌線粒體分裂與線粒體功能障礙和IR有關[15]。

骨骼肌L6肌管持續(xù)的營養(yǎng)過剩促進IκB激酶β-核因子κB途徑的激活，線粒體碎片增加3倍，MFN2信使RNA和蛋白質豐度降低，細胞活性氧類增加，線粒體呼吸能力顯著降低，肌管內胰島素作用受損，但通過藥理或基因抑制核因子κB活性可以改善線粒體呼吸功能/形態(tài)的紊亂，減少MFN2的丟失，并減輕活性氧類增加和肌管胰島素敏感性的相關降低[16]。此外，未經治療的高脂飲食喂養(yǎng)大鼠骨骼肌出現線粒體動力學改變，表現為DRP1磷酸化增加以及MFN2表達減少[17]。

Prohibitin-2是一種線粒體支架蛋白，其通過調控OPA-1保持線粒體內膜的完整性，當其特異性缺失時，線粒體發(fā)生片段化，線粒體功能受損，導致胰島素釋放減少及胰島β細胞凋亡增加，葡萄糖耐量降低[18]。而OPA-1在分化骨骼肌中的作用不同，局部OPA-1蛋白水平的降低導致非致命性進行性的線粒體功能障礙和肌肉質量損失，但可以通過局部激活內質網應激途徑和分泌成纖維細胞生長因子21作為肌動蛋白的機制抵抗年齡和飲食誘導的肥胖和IR，從而提高代謝率和改善全身胰島素敏感性[19]。

運動訓練可以提高融合蛋白與分裂蛋白的比率，減少線粒體分裂和吞噬細胞，增加線粒體融合，促進更融合的管狀網絡，以改善胰島素敏感性[20]。腹腔鏡Roux-en-Y胃旁路術可能通過降低線粒體分裂蛋白DRP1磷酸化調節(jié)嚴重肥胖患者骨骼肌葡萄糖分配的固有代謝缺陷[21]。

2.2肝臟線粒體動力學與IR 高豬油飲食誘導肝臟脂肪堆積和IR，伴隨著MFN2表達減少、DRP1和FIS1增加以及氧化應激的相關損害[22]。食用加糖飲料也能導致肝線粒體動力學改變，表現為線粒體裂變增加、融合減少，可能使機體長期面臨IR和T2DM的風險[23]。有研究表明，小鼠肝臟特異性切除MFN2會損害肝臟中的胰島素信號轉導，導致大量代謝異常，表現為葡萄糖不耐受和肝臟糖異生，同時 MFN2缺乏與內質網應激、過氧化氫水平升高和活性氧類改變有關，提示MFN2還能夠協調線粒體和內質網的功能，調節(jié)體內胰島素信號和葡萄糖穩(wěn)態(tài)[24]。

在肝臟特異性大腦和肌肉ARNT樣蛋白-1(Bmal1)基因敲除肝細胞中，FIS1的過表達可以使FIS1表達正常化，并通過降低活性氧類水平消除有絲分裂和質量控制的阻滯，從而恢復線粒體的動態(tài)融合-分裂過程及代謝靈活性，改善脂肪肝和IR[25]。肝抗增殖蛋白2缺乏導致長型OPA-1蛋白水解過度、線粒體斷裂和凋亡增加，而長型OPA-1能促進線粒體過度呼吸和葡萄糖生成，控制糖異生[26]。

線粒體蛋白修飾的改變還可引起糖代謝異常[27]，如Sirtuins是一種依賴NAD+的蛋白質脫乙?；?，參與新陳代謝、應激反應和衰老的調節(jié)。Sirtuins2在IR的肝細胞和肝臟中下調，并伴有活性氧類生成增加，而Sirtuins2的過表達可以增加MFN2、降低DRP1，從而減少活性氧類產生，并改善線粒體功能障礙，提高胰島素敏感性，可見，Sirtuins2激活劑可能是改善線粒體動力學的新靶點[28]。

此外，腸道微生物群在大腸中發(fā)酵產生的丁酸酯及其合成衍生物N-(1-氨甲酰-2-苯基-乙基)丁胺使肝臟的線粒體動力學向融合方向轉變，不僅可改善肝細胞的能量代謝，還可改善葡萄糖穩(wěn)態(tài)，被視為對抗IR的新治療策略[29]。

2.3神經系統(tǒng)線粒體動力學與IR 下丘腦的弓狀核包含兩個不同的神經元群：促食欲的神經肽Y/刺鼠基因相關蛋白神經元和厭食的原皮質醇原(pro-opiomelanocortin，POMC)神經元。禁食→喂食→過度進食的過程中，刺鼠基因相關蛋白神經元的線粒體數量減少、大小增加，而選擇性地敲除細胞MFN1或MFN2能夠干擾刺鼠基因相關蛋白神經元線粒體的融合機制，引發(fā)細胞線粒體大小和密度的改變，從而調節(jié)全身能量代謝[30]。在喂食狀態(tài)下，POMC神經元中的DRP1表達減少，進而線粒體分裂減少。在過氧化物酶體增殖物激活受體(peroxisome proli-ferator-activated receptor，PPAR)調控下，POMC神經元DRP1缺失小鼠的POMC神經元線粒體的大小和活性氧類水平增加，瘦素敏感性和葡萄糖反應性改善[31]。而POMC神經元缺乏MFN1小鼠在快速喂養(yǎng)過渡期表現出線粒體結構重構缺陷和下丘腦基因表達程序減弱，葡萄糖敏感性改變、胰島β細胞的胰島素分泌缺陷，導致葡萄糖穩(wěn)態(tài)異常[32]。有研究表明，線粒體分裂抑制劑Mdivi-1抑制DRP1/FIS1，其通過激活胰島素受體底物1-蛋白激酶B通路以及誘導葡萄糖轉運蛋白1/葡萄糖轉運蛋白4易位到細胞膜來增強線粒體網絡并逆轉IR[33]。高糖環(huán)境導致脊髓相關神經元線粒體分裂增多和分布異常，而線粒體分裂抑制劑Mdivi-1能顯著改善脊髓前角運動神經元瘤細胞系細胞線粒體的紊亂，提示線粒體分裂抑制劑對糖尿病神經病變也有積極意義[34]。此外，下丘腦腹內側核在調節(jié)全身葡萄糖穩(wěn)態(tài)中起著重要作用，在解偶聯蛋白2的控制下，DRP1介導葡萄糖負荷導致的下丘腦腹內側核神經元線粒體分裂和活性氧類減少。類固醇生成因子1神經元選擇性過表達解偶聯蛋白2小鼠表現出DRP1激活增強，促進線粒體分裂以及下丘腦腹內側核神經元活動，進而改善葡萄糖代謝[35]。

有研究發(fā)現，高脂肪喂養(yǎng)嚙齒類動物可以引起線粒體適應性變化，大腦延髓迷走神經背側復合體中DRP1激活可導致線粒體分裂增加。直接抑制DRP1可消除高脂喂養(yǎng)誘導的迷走神經背側復合體線粒體分裂、內質網應激和IR，并可恢復肝葡萄糖生成調節(jié)。相反，健康嚙齒類動物迷走神經背側復合體-DRP1的分子激活足以誘導其線粒體分裂、內質網應激和IR[36]。

2.4脂肪組織線粒體動力學與IR 敲除B細胞淋巴瘤/白血病-2/腺病毒E1B 19000相互作用蛋白3基因脂肪細胞的線粒體伸長平衡改變，促進了線粒體融合，導致呼吸能力受損、脂肪酸氧化相關線粒體活性氧類的生成增加，導致IR，且DRP1抑制劑Mdivi-1模擬了B細胞淋巴瘤/白血病-2/腺病毒E1B 19000相互作用蛋白3基因敲除對脂肪線粒體生物能和葡萄糖處理的影響。PPARγ是脂肪細胞主調節(jié)器和噻唑烷二酮類抗糖尿病藥物的受體，其可通過誘導脂肪線粒體網絡斷裂的關鍵效應因子B細胞淋巴瘤/白血病-2/腺病毒E1B 19000相互作用蛋白3轉錄，控制線粒體網絡斷裂，提高胰島素敏感性并限制氧化應激[37]。有研究發(fā)現，腫瘤壞死因子-α能誘導3T3-L1細胞表達FIS1，并降低OPA-1的表達，導致IR發(fā)生，而PPARγ激動劑石榴酸能改善腫瘤壞死因子-α的作用，進而改善IR[38]。

棕色脂肪組織是適應性產熱的主要場所，其活性與肥胖和代謝性疾病(如T2DM、血脂異常)的保護作用有關，主要存在于成年人類肩胛間和腎周區(qū)域，其活性在肥胖患者中受損[39]。棕色脂肪組織預防慢性代謝疾病的能力歸因于其利用葡萄糖和脂類進行產熱的能力，其中線粒體動力學的改變對棕色脂肪組織的功能也有一定影響。棕色脂肪組織中MFN2高表達可促進肥胖小鼠發(fā)生IR，MFN2缺失可以減少IR的發(fā)生[40]，其機制可能是MFN2高表達導致線粒體和脂滴偶聯，進而維持線粒體的氧化能力，而敲除MFN2能增強小鼠脂肪組織的可膨脹性，使糖酵解途徑獲得能量，進而影響脂肪分解過程和全身能量平衡[41]。此外，高脂飲食喂養(yǎng)后，棕色脂肪組織中線粒體的OPA-1增加，并伴有長型OPA-1和DRP1 Ser637磷酸化的增加，導致線粒體網絡更加融合，三酰甘油在脂滴中持續(xù)累積，迅速誘導棕色脂肪組織轉變?yōu)榘咨窘M織，從而引發(fā)IR[42]。跨膜G蛋白偶聯膽汁酸受體5激動劑通過增加非酯化脂肪酸釋放，促進β氧化和解偶聯蛋白1依賴的產熱，并通過胞外信號調節(jié)激酶1-DRP1信號通路誘導線粒體分裂，改善線粒體呼吸，可能成為改善IR的新靶點[43]。而神經酰胺合成酶6和線粒體分裂因子缺乏可在體外保護脂肪酸誘導的線粒體片段化，并且這兩種蛋白在肥胖誘導的線粒體斷裂和IR的發(fā)生中具有遺傳相互作用[44]。此外，在運動訓練大鼠的棕色脂肪組織中，短型OPA-1和DRP1蛋白的表達增加，而長型OPA-1和MFN1的表達降低提示長期運動可以改善棕色脂肪組織的能量狀況，增加線粒體功能和胰島素敏感性[45]。

3 小 結

IR與線粒體動力學有密切聯系，但由于不同組織內線粒體形態(tài)數量以及對糖代謝的影響不同，兩者的關系也不同，其中棕色脂肪組織較為特殊，線粒體融合可促使IR發(fā)生，誘導線粒體分裂則能改善IR，若通過靶向改變其線粒體動力學增加棕色脂肪組織內的線粒體分裂，即可使肥胖導致T2DM患者的能量消耗增加，延緩病情發(fā)展甚至逆轉病情。骨骼肌、肝臟和神經系統(tǒng)的線粒體動力學改變基本相似，線粒體分裂可促使IR發(fā)生，故誘導線粒體融合能改善IR。目前仍然缺乏通過靶向改變線粒體動力學治療T2DM的研究，有待深入研究。