慢性肾功能衰竭与线粒体

金　劼　张晓辉

慢性肾功能衰竭与线粒体

金劼张晓辉

慢性肾功能衰竭（chronic renal failure，CRF）是不同病因慢性肾脏病发展的最终结局。在中国，CRF的常见病因主要有慢性肾小球肾炎、间质性肾炎、高血压及糖尿病肾病等。根据中华医学会1999年统计资料显示［1］，我国CRF的发病率为33.16/百万。CRF虽是临床常见病，但迄今为止，其发病机制尚待完善。近年来，有关CRF发病机制的研究中，自由基与CRF的关系颇受关注，然而，自由基的主要产地和承受者-线粒体却较少提及，虽然线粒体损伤在肾脏疾病发展中的作用开始受到关注［2］，但线粒体DNA（mtDNA）在肾脏疾病中的研究少见。线粒体是细胞凋亡的主开关，而mtDNA易氧化损伤，导致基因产物发生功能障碍，在一定程度上，线粒体的功能状态决定着细胞的生存。对于CRF，线粒体是疾病进展的一个中心环节，本文就线粒体功能障碍与CRF的研究进展作一综述，以期引起重视。

1　线粒体的生物学功能

1.1氧化磷酸化和活性氧（ROS）的产生 线粒体是细胞呼吸作用的细胞器，是细胞能量代谢的中心，线粒体具有通过氧化磷酸化（OXpHOS）合成ATP产生能量的重要作用［3］。氧化磷酸化过程提供了细胞生理活动所需要的能量，在线粒体呼吸链电子传递过程中生成了系列活性氧（ROS），包括超氧阴离子、过氧化物、羟自由基等［4］。活性氧生成过量时，不仅直接破坏细胞的结构和功能，还通过不同的信号通路调节细胞的增殖、分化和凋亡，参与多器官组织疾病进程，如组织纤维化和细胞增殖硬化［5］。

1.2线粒体DNA的结构及功能 mtDNA是细胞核外唯一存在的DNA，能独立进行复制、转录和翻译。人类的mtDNA是一条共有16569个碱基对的双链闭环分子，编码13种蛋白质、22种tRNA和2种rRNA。mtDNA非编码控制区包括HV区、D-loop区及复制转录区［6］。mtDNA编码的蛋白质与氧化磷酸化功能密切相关。虽然相对于核DNA而言，mtDNA仅编码较少的基因产物，但这些产物却对细胞功能起着决定性的作用。mtDNA易于氧化损伤，因其缺乏组蛋白的覆盖物保护，且靠近内膜，是细胞内活性氧簇（ROS）的主要产生部位，与核基因组相比，mtDNA无有效的损伤修复系统，因此，mtDNA的突变率超过核DNA的10倍［7］，而mtDNA的自发性突变或因自由基损伤所致的突变可导致基因产物发生功能障碍。

2　线粒体损伤与活性氧以及细胞凋亡的关系

2.1反应性氧簇 反应性氧簇又称活性氧（ROS），包括超氧阴离子（O-2），羟自由基（-OH），过氧化氢（H2O2）及单态氧（IO2）等。在动物细胞内，线粒体是主要的ATP生产中心，在产能同时持续产生需氧代谢的副产品-ROS，所以，线粒体亦是细胞内ROS的主要来源以及靶位。由于线粒体呼吸链的电子漏，大约2%的氧分子不是用来生成ATP，而是生成了超氧阴离子［8］。正常生理条件下，线粒体中的超氧化物歧化酶（SOD）可将80%的超氧阴离子转化为H2O，其余则通过线粒体膜进入细胞浆，然后被CuZn-SOD或细胞浆中其它的酶清除。

2.2线粒体损伤与活性氧 当各种损害因素（如缺氧、酸碱度的异常、细菌内毒素、各种毒物、射线、高代谢等）导致O-2产生增多或SOD活性降低时，不能被清除的超氧阴离子即可形成活性更强的-OH和其它氧自由基，并引起脂质过氧化反应，使线粒体膜中的不饱和脂肪酸被氧化，线粒体的脂膜流动性降低；而正常的线粒体氧化磷酸化功能依赖于线粒体膜蛋白质分子的运动状态［9］。而蛋白质分子的运动又依赖于膜脂的流动性，所以线粒体膜中的不饱和脂肪酸被氧化，导致脂膜流动性下降，将使呼吸链各复合物在膜脂质双层中的侧面扩散运动减弱，碰撞几率减少，从而出现电子传递受阻，氧化磷酸化功能障碍。此外，-OH还可氧化线粒体脂膜上功能蛋白，氧化线粒体DNA，进一步出现线粒体功能缺陷。

2.3线粒体与细胞凋亡 线粒体受损状态下可出现钙平衡失调，引起线粒体内钙清除障碍，即“钙超载”，Di Lisa等［10］报道，线粒体钙超载导致线粒体通透性转换孔持续性开放，可破坏线粒体膜电位，使线粒体的大小和形状迅速改变，ATP合成下降，最终导致细胞坏死。近来有学者认为，通透性转换孔持续性开放可引起线粒体释放促凋亡因子，如细胞色素c等，最终导致细胞凋亡［11］。细胞色素c从线粒体释放到胞浆，这一过程在线粒体途径凋亡中发挥着重要作用，释放到胞浆的细胞色素c在ATP的参与下与Apaf-1及Caspase-9共同组成apoptosome；激活的Caspase-9进一步活化Caspase-3，最终导致细胞凋亡［12］。线粒体的融合与分裂过程依赖于介导线粒体膜重建的系列多肽，状态正常时，其融合、分裂频率相当，当线粒体被损伤时，其内外膜重建动力学也可发生改变，并可通过激活caspase引起细胞凋亡［13］。

3　线粒体损伤与CRF

3.1肾脏细胞凋亡与CRF CRF的病理特点为持续进展性的肾小球硬化、肾小管萎缩，其过程中均有肾小球、小管实质细胞的明显减少，其机制中有细胞凋亡参与，肾间质纤维化是各种肾脏疾病发展至CRF的病理变化和共同途径之一，肾小管细胞凋亡过度可导致局部生理环境被破坏，进而出现肾小管细胞减少、萎缩和间质纤维化，细胞凋亡数量与肾间质纤维化正相关，而线粒体在细胞凋亡中起关键的“开关”作用。在凋亡信号的刺激下，细胞的“生死开关”-线粒体通透性转换孔持续性开放，外膜电位下降，线粒体发生肿胀、破裂，细胞色素C等凋亡因子从膜间隙释放到细胞质中，通过级联凋亡蛋白酶活化因子-1（Apaf-1） 激活胱冬肽酶，使细胞进入凋亡程序。研究表明，线粒体经典通路参与了高草酸尿大鼠肾小管上皮细胞凋亡［14］。彭黎明在研究抗GBM肾炎模型中肾小球硬化与内皮细胞的凋亡关系时发现，在4～8周后活动性坏死消失，但内皮凋亡却明显增加，且与肾小球硬化程度相一致［15］。

3.2氧自由基与CRF 以往认为肾小球硬化决定了CRF的进程，而近年研究表明，肾小管-间质损害和CRF进展的正相关比肾小球硬化与CRF之间的正相关更为显著。当CRF时残余肾单位肾小管出现代谢亢进，进而出现组织耗氧量增加，导致氧自由基的产生增多；Na-H反向转运亢进和细胞内Ca2+流量增多，由此引起小管-间质损害进行性加重和肾单位进一步丧失［10］。国内学者采用电子自旋共振 （ESR）方法检测，发现大鼠5/6肾切除30d后，残余肾组织自由基含量显著增高，而给予抗自由基药物（大剂量vitE）组的大鼠的残肾组织自由基显著降低，小球小管的纤维化显著减轻［16］。另一项动物实验显示，2型糖尿病鼠肾组织谷胱甘肽（GSH）、超氧化物酶 （SOD）含量下降，尿蛋白排泄率与SOD、GSH呈显著负相关，提示糖尿病鼠肾脏局部的抗氧化能力降低，氧自由基生成显著增多，该研究提示糖尿病大鼠肾脏组织结构变化与局部氧自由基水平相关，氧自由基参与肾脏组织增生、肾小球硬化及肾间质纤维化过程，在糖尿病肾病发生发展中起重要作用［17］。

3.3mtDNA与慢性肾脏疾病 mtDNA缺失或突变可使编码线粒体氧化代谢过程必需的酶或载体发生障碍，导致呼吸链蛋白出现质和量的变化，线粒体不能利用糖原及脂肪酸等底物合成足够的ATP供细胞使用，影响细胞能量代谢，从而导致细胞的功能异常，最终累及心、脑、肾等器官，出现脏器功能障碍［18］。肾脏是能量需求较大的器官之一，线粒体出现功能障碍会导致肾固有细胞损伤，并可诱导细胞凋亡；线粒体在功能缺陷时产生的活性氧显著增加，从而加重肾脏的氧化应激损伤，而氧化应激又可直接损伤mtDNA，使其易发生突变，mtDNA多态性热点区域主要位于包括D-1oop在内的非编码区域。研究显示，mtDNA4696bp缺失突变的小鼠模型早期即发生局灶节段硬化性肾小球肾炎（FSGS），并在6个月龄时死于终末期肾衰，且在受损器官中肾组织mtDNA突变蓄积最为显著［19］。Doleris等报道了局灶节段硬化性肾小球肾炎与线粒体功能障碍具有相关性［20］；随后Yamagata等发现肾活检组织中突变的mtDNA在FSGS的肾脏中蓄积＞80%［21］；后有研究者在嘌呤霉素氨基核苷肾炎（PAN）大鼠模型中发现，在PAN的早期增生性肾炎阶段，肾小球线粒体转录因子A（mitochondrial transcription factor A，TFAM）的mRNA水平显著升高，mtDNA数量增加至241%；而到了FSGS阶段，TFAM的mRNA水平则显著下降，mtDNA数量减少至34%［22］。这些研究尚不能完全揭示mtDNA突变及线粒体功能障碍在慢性肾脏病发病机制中的作用，但进一步探索研究线粒体功能变化与肾脏疾病变化的关系，对改善肾脏疾病的发展过程或许有重要意义。

4　总结

伴随CRF的发生发展过程，存在线粒体形态和功能的特殊改变。诸多体外实验或动物实验发现并阐明，在氧自由基作用下肾脏细胞凋亡与肾小球硬化程度相一致。线粒体功能障碍可造成细胞供能减少、氧化损伤增加等，从而引起相应的细胞损伤凋亡和肾小球疾病的发生发展。线粒体DNA的突变及线粒体损伤是如何诱发CRF的机制目前还未阐明，但较多实验结果中均证实了mtDNA突变可削弱正常呼吸功能，释放高水平的ROS，从而激活细胞凋亡及对核基因组的损伤［23］。

综上所述，假设细胞在疾病状态或超负荷及高代谢等状态下，电子漏明显增加，ROS剧增，出现线粒体呼吸功能障碍并氧化mtDNA，随着mtDNA不断受氧化损伤以及随着年龄增长，mtDNA突变亦明显增加，最终出现线粒体功能缺陷，导致ATP生成减少和ROS产生进一步增加，根据活性氧与细胞的生存状态理论，随着ROS的增多，残余的健全肾单位经历了一个从增生肥大到实质细胞逐渐死亡，肾小球硬化、小管萎缩，肾功能进行性恶化的过程。随着尿毒症毒素的持续升高，反过来进一步加重线粒体的损害，二者形成一个恶性循环，最终导致CRF发生和发展。由于CRF的发生机制还不完善，线粒体是否参与了其中更多过程有待深入的研究，以期对CRF的预判和早期干预等方面更有裨益。

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浙江省医药卫生计划（2012KYA181）；衢州市科技项目（20121083）

324004浙江衢化医院肾内科（金劼）310003浙江大学附属第一医院肾脏病中心（张晓辉）