閆曉冬 王強

腎缺血-再灌注損傷（ischemia-reperfusion injury，IRI）是涉及氧化應激、炎癥反應、Ca2+超載以及細胞凋亡等的病理過程，與線粒體功能障礙密切相關[1]。線粒體結(jié)構(gòu)與功能的關系受線粒體動力學調(diào)控，主要表現(xiàn)為線粒體融合和分裂。大量研究表明，線粒體功能障礙主要表現(xiàn)為線粒體動力學調(diào)控機制失調(diào)[2]。線粒體結(jié)構(gòu)-功能關系主要受線粒體間分裂和融合事件的分子調(diào)控，線粒體融合和分裂的動態(tài)過程被稱為線粒體動力學。線粒體并不是一個靜態(tài)的細胞器，其在胞內(nèi)的形態(tài)和分布可根據(jù)所處的生理環(huán)境不同而改變。在不同生理條件下，線粒體可通過融合、分裂等形態(tài)學改變來適應細胞不同狀態(tài)下的能量需求。線粒體融合與分裂之間的動態(tài)平衡是保護線粒體結(jié)構(gòu)完整及維護細胞生物學功能的重要因素，尤其是在IRI等應激狀態(tài)下，線粒體融合與分裂對細胞存活、凋亡等具有重大影響[3-4]。本文針對線粒體動力學調(diào)控在腎IRI中的作用做一綜述。

1 線粒體動力學調(diào)控

線粒體動力學調(diào)控表現(xiàn)為融合和分裂兩個過程的動態(tài)平衡，與腎IRI過程中產(chǎn)生的大量活性氧簇（reactive oxygen species，ROS）、Ca2+和能量代謝密切相關，是影響細胞存活或死亡的重要因素。線粒體動力學的失衡，將導致細胞內(nèi)環(huán)境紊亂，細胞損傷甚至死亡。線粒體動力學調(diào)控主要的蛋白表達有線粒體分裂蛋白（fission，F(xiàn)is）1、視神經(jīng)萎縮蛋白（optic atrophy，OPA）1、融合蛋白（mitofusin，Mfn）1、Mfn2和動力相關蛋白（dynamin-related protein，Drp）1 等[5-6]。

1.1 線粒體融合

線粒體融合是指兩個不同的線粒體通過內(nèi)、外膜融合成一個較大的線粒體，并進行內(nèi)容物交換的過程，可為已損傷的線粒體提供呼吸鏈和DNA，是一種外界環(huán)境改變時線粒體的自我適應機制。Mfn1、Mfn2和OPA1是介導線粒體融合的關鍵介質(zhì)[7]。Mfn是一種較大的三磷酸鳥苷（guanosine triphosphate，GTP）酶，位于線粒體外膜，介導外膜融合，分為Mfn1和Mfn2，二者的同源性＞75%[8]。Mfn1和Mfn2可通過相互作用發(fā)生順式二聚化，形成Mfn1-Mfn2異源二聚體或同源二聚體，從而促使相鄰線粒體外膜產(chǎn)生反式栓連[9-10]。Mfn二聚體的GTP酶結(jié)構(gòu)域可水解GTP，引起膜構(gòu)象水解，從而導致兩個線粒體外膜融合。OPA1位于線粒體內(nèi)膜，是一個動態(tài)的GTP酶，其主要作用是促進線粒體內(nèi)膜融合和維持線粒體嵴的形態(tài)。OPA1基因缺失可致線粒體片段化，而過表達可抑制線粒體分裂，增強線粒體融合[11]。IRI嚴重抑制了線粒體的生物活性，而OPA1介導的線粒體融合過程可使受損線粒體之間發(fā)生交互作用，抑制線粒體碎片化并維持線粒體完整和平衡，從而抑制細胞的損傷和死亡，這種保護作用已在肝細胞、心肌細胞急性IRI模型中得到證實。Wang等[12]使用Sirt3轉(zhuǎn)基因小鼠，通過轉(zhuǎn)染Sirt3腺病毒使Sirt3過表達，并敲低OPA1，以探討Sirt3-OPA1-線粒體融合在腎IRI中的具體作用。研究發(fā)現(xiàn)Sirt3過表達不僅可以抑制Caspase-9活性，還可增強OPA1表達，提示Sirt3-OPA1可以誘導線粒體融合，維持線粒體膜穩(wěn)定，減少線粒體凋亡，減輕腎IRI。

1.2 線粒體分裂

線粒體分裂是指線粒體分成兩個較小線粒體的過程。存在于細胞質(zhì)中的Drp1和Fis1是介導線粒體分裂的主要蛋白。Drp1在細胞質(zhì)中分散存在，當線粒體分裂被激活后，Drp1從細胞質(zhì)中游離到線粒體斷裂位點表面，多個Drp1分子緊緊環(huán)繞線粒體形成指環(huán)結(jié)構(gòu)，水解GTP，導致線粒體內(nèi)、外膜斷裂，從而實現(xiàn)線粒體分裂[13]。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)[14]。Wu等[15]應用小干擾RNA（small interfering RNA，siRNA）敲除Drp1，結(jié)果顯示Drp1敲除后線粒體形態(tài)變細長，分裂受到抑制；而Drp1過表達則可使線粒體分裂增加、細胞色素C釋放及細胞凋亡，但不誘導ROS產(chǎn)生，證實Drp1介導的線粒體分裂與線粒體外膜滲透性的改變及其下游反應密切相關。Drp1的調(diào)控主要靠兩個關鍵絲氨酸磷酸化位點（S616和S637），S616的磷酸化可提高Drp1的活性，而S637的磷酸化會使Drp1活性減弱[7]。此外，F(xiàn)is1也作為線粒體的適配蛋白參與線粒體分裂，F(xiàn)is1是由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的另一個重要組成部分。Drp1作為Fis1參與線粒體分裂的主要介質(zhì)，當Drp1K38A過表達抑制Drp1后，會阻斷Fis1的活性，從而抑制線粒體分裂[16]，且Fis1的敲除能夠抑制線粒體分裂、凋亡，但并不影響Drp1向細胞膜聚集，也不影響線粒體形態(tài)[17]。缺乏Fis1的動物細胞很少，且不會出現(xiàn)分裂功能缺陷[18]。國內(nèi)外前期研究提示，IRI會誘發(fā)細胞線粒體啟動自我分裂，導致子代線粒體大量生成，以彌補缺血條件下能量代謝的不足[19-20]。一旦線粒體過度分裂，又會破壞線粒體的形態(tài)和功能，使其呈點狀、棒狀碎片化，同時線粒體膜孔道開放、細胞色素C釋放等共同誘發(fā)了凋亡信號的激活，介導細胞凋亡[21]。其中，Ong等[22]在2010年的一項重要研究中首次證實了線粒體分裂可參與心肌IRI，或逆轉(zhuǎn)成為減輕心肌細胞損傷、保護心臟功能的關鍵手段。

線粒體分裂與基因調(diào)控密切相關，主要機制是影響Drp1和Fis1的表達。Din等[23]報道微小RNA（micro RNA，miRNA，miR）-499表達水平下降可促進Drp1去磷酸化，加速線粒體的片段化，從而影響心肌細胞凋亡和心肌梗死程度。有研究報道，F(xiàn)is1的表達受長鏈非編碼RNA（long noncoding RNA，lncRNA）AK009271的負向調(diào)控，進而抑制了Fis1介導的線粒體分裂，影響腦IRI[24-25]。

2 線粒體功能在腎IRI中的作用

腎IRI與氧化應激、Ca2+超載、炎癥損傷和線粒體功能障礙等因素密切相關，其過程會產(chǎn)生大量的ROS。線粒體不僅是ROS攻擊的主要靶點，還是ROS產(chǎn)生的主要來源[26-27]。在缺血階段，由于酸中毒的抑制作用，線粒體通透性轉(zhuǎn)運孔（mitochondrial permeability transition pore，MPTP）保持關閉狀態(tài)，腎恢復供血后打開，大量的ROS進入血液和細胞，破壞機體的氧化平衡，與各種細胞結(jié)構(gòu)發(fā)生反應，導致細胞氧化損傷，而線粒體是ROS攻擊的主要靶點，線粒體膜的氧化反應主要發(fā)生在雙鍵、芳香環(huán)和硫醇基中[28]。ROS通過蛋白質(zhì)、脂質(zhì)過氧化和DNA損傷造成細胞膜損傷，最終導致腎小管壞死[29]。相關研究提示，大量ROS可抑制Mfn2表達，促使Drp1在線粒體周邊大量聚集，使線粒體表現(xiàn)為異常分裂及片段化，導致線粒體功能障礙，同時線粒體的這種功能改變又可再次促進ROS增多，形成惡性循環(huán)[30-31]。

腎IRI過程中的線粒體功能與Ca2+超載密切相關，線粒體在通過三羧酸循環(huán)生成三磷酸腺苷（adenosine triphosphate，ATP）過程中的很多關鍵酶都會受到內(nèi)質(zhì)網(wǎng)Ca2+的調(diào)控，Ca2+水平升高可使氧化磷酸化過程中脫氫酶活性升高，從而促進ATP生成。線粒體Ca2+超載可使MPTP開放，啟動細胞凋亡程序，導致細胞凋亡[1]。腎IRI過程中，ROS可使細胞器外膜氧化，導致細胞器外膜孔道開放，Ca2+超載與炎癥因子大量釋放，從而引起細胞內(nèi)Ca2+失衡；降低Mfn2的表達來破壞線粒體和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)之間的Ca2+轉(zhuǎn)運連接，使線粒體對內(nèi)質(zhì)網(wǎng)Ca2+攝取減少，最終導致氧化磷酸化和ATP的生成受限[32]。Ca2+可通過介導Drp1絲氨酸結(jié)合位點去磷酸化，促進Drp1在線粒體周邊聚集，進而導致線粒體片段化，破壞線粒體動力學平衡，使細胞發(fā)生凋亡[33]。

3 線粒體動力學機制對腎IRI的保護作用

在急性腎損傷或腎移植手術中，腎缺血無法避免，包括冷缺血和熱缺血，冷缺血是指供腎獲取后冷保存至植入受者的過程，熱缺血是指供腎血流中斷至冷保存前的過程。移植腎可以耐受長時間的冷缺血，并保持細胞功能不受明顯損害，而熱缺血則嚴重影響移植物功能。在公民逝世后器官捐獻時代，供者經(jīng)歷較長熱缺血時間的風險增加。腎熱缺血可導致氧自由基釋放、Ca2+超載、能量代謝失衡等，與線粒體動力學調(diào)控密切相關[1]。通過抑制線粒體過度分裂和（或）促進線粒體融合來調(diào)節(jié)線粒體的結(jié)構(gòu)和功能，為改善和減輕IRI提供了新的途徑[34]。線粒體分裂多為IRI的致病因素，抑制線粒體分裂可減輕細胞IRI。細胞分裂會加速細胞凋亡，有研究證實抑制線粒體融合也會促進細胞凋亡。Ong等[22]觀察了Drp1抑制劑mdivi-1在成年小鼠心臟IRI模型中的應用效果，結(jié)果顯示mdivi-1不僅可增加拉長的纖維間線粒體的比例，還可抑制心肌細胞中MPTP開放，從而導致心肌梗死范圍縮小。p110是分裂蛋白Fis1和Drp1相互作用的選擇性抑制劑，已有研究證實p110可減少缺血大鼠冠狀動脈結(jié)扎后心肌梗死面積，防止心肌梗死后左心室重構(gòu)不良，并改善心肌的血流動力學[35]。抑制Drp1的活性不僅可抑制線粒體分裂，還會抑制Caspase激活和細胞凋亡。因此，抑制線粒體分裂可有效保護細胞膜的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性以及細胞質(zhì)內(nèi)穩(wěn)態(tài)。同時高表達Mfn1和Mfn2促進線粒體融合也可抑制細胞凋亡的進程[36]，目前相關研究在心臟、肝臟研究報道相對較多，但腎IRI與線粒體動力學相關研究報道較少。Wang等[12]在小鼠IRI模型中證實了線粒體調(diào)控機制（Sirt3-OPA1-線粒體融合）可有效減輕炎癥反應、維持氧化還原平衡、增強線粒體內(nèi)Ca2+調(diào)節(jié)能力、阻斷線粒體觸發(fā)的細胞壞死等。

4 小結(jié)與展望

綜上所述，線粒體在IRI等應激狀態(tài)下，極易發(fā)生損傷，導致功能紊亂。線粒體分裂和融合之間的動力學調(diào)控機制已在肝臟細胞、心肌細胞急性IRI模型中得到證實。維持線粒體動力學的穩(wěn)態(tài)可成為減輕急性IRI新的研究方向，可能成為新的藥物作用靶點。線粒體動力學調(diào)控與腎IRI密切相關，研究線粒體動力學調(diào)控對腎IRI的影響，對腎移植過程中腎臟保護方案的研究具有重要的理論及現(xiàn)實意義。