线粒体功能异常与腺苷酸活化蛋白激酶/过氧化物酶体增殖活化受体γ共激活因子1α信号途径在糖尿病周围神经病变机制中的作用

张 倩，梁晓春

中国医学科学院 北京协和医学院 北京协和医院中医科，北京 100730

糖尿病周围神经病变(diabetic peripheral neuropathy，DPN)是糖尿病最常见的慢性并发症之一，可以引起反复下肢感染、溃疡、非创伤性截肢等，是糖尿病患者致残致死的重要原因。随着病程延长，50%以上的糖尿病患者可发生神经病变[1]。DPN是一种由长期高血糖引起的周围神经系统变性疾病，目前越来越多的研究发现DPN的病理机制与周围神经系统线粒体功能异常有关。线粒体是生物细胞能量代谢的重要场所，在能量消耗较多的周围神经系统中，细胞间液糖浓度升高引起的生物能量代谢异常可导致周围神经侧索芽生及轴突再生修复障碍[2]。腺苷酸活化蛋白激酶(adenosine monophosphate-activated protein kinase，AMPK)/过氧化物酶体增殖活化受体γ共激活因子(peroxisome proliferator-activated receptor-γ coactivator 1α，PGC- 1α)是调节细胞能量代谢的重要信号通路，与线粒体生物发生及功能异常有着密切关系[3- 4]。DPN中周围神经元丢失、神经脱髓鞘、轴索变性、神经再生修复障碍等过程均可能与AMPK/PGC- 1α信号途径缺陷引起线粒体功能异常有关[2，5]。研究发现，周围神经线粒体功能障碍与AMPK/PGC- 1α信号通路改变可能是DPN发生发展的重要病理生理机制之一，本文就该领域有关的新发现及研究概况综述如下。

DPN周围神经系统中的线粒体损伤

DPN线粒体蛋白质与其结构和功能的关系线粒体结构和功能异常在糖尿病慢性并发症的病理生理过程中发挥了关键作用，在临床糖尿病患者和糖尿病动物模型中均发现肌肉、心脏、肾脏和神经等组织中存在线粒体结构和功能异常[5]。正常的线粒体活性可以维持神经元的代谢和功能，在DPN相关的研究中则发现周围神经中存在线粒体蛋白质异常、线粒体功能损伤及超微结构异常。正常糖浓度时周围背根神经节神经元线粒体中膜电位维持在相对稳定的状态，而高糖浓度培养条件下线粒体明显肿胀、线粒体裂解和融合的动态平衡打乱、线粒体裂解增多，并且膜电位不稳定，推测高糖先引起线粒体膜电位超极化，后再出现去极化，该过程产生的大量活性氧簇(reactive oxygen species，ROS)则进一步导致细胞的氧化应激损伤[6- 7]。Freeman等[8]采用蛋白组学方法检测发现，糖尿病大鼠的坐骨神经中存在线粒体氧化磷酸化蛋白异常，其中坐骨神经的线粒体复合物Ⅰ、Ⅲ、Ⅵ和Ⅴ表达量增加。通过分析线粒体蛋白质组发现，糖尿病大鼠的坐骨神经中一种可以调节轴突线粒体电子传递的蛋白质线粒体ρ-鸟苷三磷酸酶1(ρ-guanosine triphosphatase 1，ρ-GTPase 1)表达上调，线粒体传递链失常，并且在轴突中还存在线粒体不正常的聚集。Akude等[9]分析了糖尿病大鼠的周围感觉神经元线粒体蛋白组，发现腰背根神经节线粒体蛋白组中的呼吸链复合物下调，如细胞色素C氧化酶亚基Ⅳ(即复合物Ⅳ蛋白)、还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(nicotinamide adenine dinucleotid，NADH)脱氢酶铁硫蛋白3(即复合物Ⅰ蛋白)等，并与损伤的呼吸链活性相关。Edwards等[10]研究发现，相对于非糖尿病小鼠，糖尿病小鼠的脊髓背根神经节神经元中的线粒体生物合成显著增加，动物实验和体外细胞研究的结果均提示高糖浓度刺激虽然能引起线粒体的生物合成增加，但主要是产生了大量形态小、结构异常的线粒体，并且线粒体裂解增多，不能满足神经元细胞的能量代谢负荷，如果抑制线粒体裂解则有助于平衡线粒体融合裂解的动态稳定，增强神经元的生存能力。该过程可能受到调节线粒体裂解的蛋白质Drp1调节，DRP1基因敲除的糖尿病鼠周围神经病变减轻，提示Drp1蛋白可能通过调控线粒体的裂解而增强周围神经组织对高血糖损伤的敏感性。有研究还发现，糖尿病周围感觉神经病变的神经元凋亡与线粒体功能异常有关，从糖尿病大鼠背根神经节分离的神经元中观察到线粒体基础电位升高并且去极化后延迟恢复，调控细胞凋亡相关的因子Bcl- 2减少及线粒体内细胞色素C转移到细胞浆中均可能是神经元凋亡的重要机制[11]。上述研究共同反映了糖尿病周围神经系统中存在线粒体功能下降，与线粒体蛋白质表达异常、线粒体超微结构破坏、电子传递链异常等有关。

周围神经损伤与髓鞘线粒体维持远端神经、表皮神经纤维支配的皮肤等区域的功能需要神经轴索侧突的芽生或再生作用，这一过程依赖于神经营养因子，消耗大量来源于线粒体的ATP，以维持周围神经轴索和神经纤维的不断生长和保持神经纤维富有弹性[12- 13]。DPN最常见的病变类型为远端对称性多神经病变，主要引起患者的痛觉过敏或感觉丧失。糖尿病引起的远端对称性多神经病变的病理生理机制一般包括周围神经结构改变，如微血管病变和神经节段性脱髓鞘，并伴有感觉/运动神经传导异常、表皮神经纤维密度减低、远端轴突变性等。神经变性与侧索芽生和再生障碍、轴突水肿及可塑性减弱，均阻碍了周围神经纤维对组织的神经支配[14]，亦是1型及2型糖尿病周围神经损伤的重要机制[2]。

髓鞘是一层包裹在轴突表面的类脂膜，参与神经电信号的传导，并具有保护神经轴突、营养、绝缘等多重作用。DPN中存在着一种重要的病理改变为周围神经节段或弥漫性髓鞘皱缩、脱髓鞘病变，可导致神经动作电位传导障碍[8,15]。神经损伤后髓鞘再生亦对于神经修复再生具有重要意义。周围神经系统最主要的髓鞘形成细胞为施万细胞[16]，可以促进神经的轴突再生和再生轴突的髓鞘化。近期研究发现，施万细胞线粒体功能障碍与轴突变性有关[17]，髓鞘线粒体可能是维持周围神经元与轴突稳态的最重要的细胞器[18- 19]，DPN等一些神经脱髓鞘性疾病与施万细胞线粒体功能和能量代谢通道变化有密切关系[20]。Gonzalez等[21]提出了一个由施万细胞参与的可能的导致周围神经脱髓鞘病变的线粒体分子机制，即高血糖等损伤因素导致线粒体电压依赖性阴离子通道1(voltage-dependent anion channel 1，VDAC1)活性变化，使施万细胞钙离子泄漏到细胞浆，进一步刺激丝裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase，MAPK)等途径，导致髓鞘合成施万细胞的神经脱髓鞘改变。而抑制线粒体的钙释放可以防止糖尿病动物模型周围神经脱髓鞘改变，促进神经传导和神经肌肉功能的恢复，提示髓鞘线粒体可能是早期糖尿病周围神经病变形成脱髓鞘病变的生物分子机制发生的起点。Zhang等[22]运用细胞培养稳定同位素标记(stable isotope labeling with amino acids in cell culture，SILAC)技术和代谢路径分析方法，发现体外高糖培养的施万细胞中，与线粒体功能、氧化磷酸化、三羧酸循环及神经细胞解毒作用相关的蛋白表达明显增加，并且其线粒体总耗氧率增加而耦合呼吸效能却显著下降。在DPN中线粒体呼吸效能降低可能与施万细胞的生物能量代谢异常有关。

AMPK/PGC- 1α信号通路与线粒体功能异常

AMPK/PGC- 1α是生物细胞能量代谢调节的重要信号通路。线粒体的生物发生和功能直接通过AMPK/PGC- 1α信号通路来感知细胞对能量的需求。研究发现，在肝脏、骨骼肌及心肌等组织中，AMPK/PGC- 1α参与调节线粒体效能，在能量耗竭后，AMP/ATP比率升高启动该途径，通过复杂的调控机制，AMP与AMPK交联，增强分解代谢，刺激ATP合成[23- 24]。AMPK/PGC- 1α通路是周围神经线粒体功能异常的主要通路，并与DPN的形成和进展有关。

线粒体能量代谢共激活因子PGC-1α在线粒体能量代谢途径中，PGC- 1α是关键的共激活因子，对协调线粒体生物发生和代谢基因信号网络发挥至关重要的作用[24]。PGC- 1α基因的过度表达可以增加线粒体的数量和功能，反之，该因子耗竭导致线粒体功能障碍、糖代谢异常[25]。较新的研究观察到，PGC- 1α在糖尿病模型动物的周围感觉神经节背根神经节中显著降低[26]。而且在体外培养的周围感觉神经的背根神经节(dorsal root ganglia，DRG)神经元中，PGC- 1α下调可致线粒体功能障碍，并伴随着线粒体呼吸链的异常，可能是DPN的重要病理机制；增加感觉神经元PGC- 1α的表达还可以减轻氧化应激反应[27]。Choi等[28]研究发现，PGC- 1α基因敲除糖尿病小鼠出现线粒体DNA含量降低，蛋白氧化增加，引起了更严重的神经病变。

糖尿病动物模型的周围感觉神经病变与AMPK/PGC- 1α信号途径缺陷和线粒体呼吸链异常有关。在1型和2型糖尿病神经病变大鼠的背根神经节中，AMPK/PGC- 1α的表达和磷酸化以及线粒体呼吸链复合物蛋白均有明显下调[28]，并影响神经元的神经突生长。而轴突的线粒体功能异常可引起能量代谢障碍，耗竭ATP，进一步引起Na+/K+ATP酶活性降低、离子通道电压改变，导致神经轴索变性[29]。在该信号通路中PGC- 1α可以激活核呼吸因子(nuclear respiratory factor 1，NRF1)和线粒体转录因子A(mitochondrial transcription factor A，TFAM)的转录，调节线粒体呼吸相关蛋白和基因的表达[30- 31]，还有研究发现PGC- 1α基因敲除的糖尿病大鼠周围神经元NRF1、TFAM表达均有明显降低[26]。

AMPK/PGC-1α与蛋白脱乙酰酶沉默调节因子SIRT3SIRT3是存在于线粒体的蛋白脱乙酰酶沉默调节因子家族的成员之一，其针对的蛋白质是参与能量代谢过程中的酶，包括线粒体呼吸链、三羧酸循环等过程，控制线粒体氧化途径及ROS产生的速率。SIRT3通过与AMPK/PGC- 1α通路的相互作用参与线粒体能量代谢调节，如PGC- 1α诱导SIRT3的表达促进线粒体生物合成，SIRT3可以使AMPK的监管激酶LKB1激活而促进AMPK激活，刺激ATP产生[32]。Yerra等[33]研究发现，AMPK激活剂不仅可以改善糖尿病大鼠机械及疼痛阈值，增加运动神经及感觉神经传导速度，在细胞实验中还可以参与调节线粒体超氧化物生成、膜电位去极化，促进神经芽生作用。该研究还观察到AMPK激活剂可抑制神经炎症反应，刺激PGC- 1α介导的线粒体生物合成和减少细胞自噬作用。

改善AMPK/PGC-1α信号通路——DPN治疗新靶点DPN的病理机制非常复杂，目前尚缺乏针对性的治疗，既然DPN的发生和进展与线粒体功能异常及AMPK/PGC- 1α信号通路有关，而且AMPK激活剂(如A769662)具有改善DPN的作用[33]，那么针对该通路的药物可能具有神经保护或减缓DPN进展的效果，具有一定的临床应用前景。降糖药物二甲双胍也是一种AMPK激活剂，可以通过抑制AMP脱氢酶及促进LKB1等多种途径来激活AMPK，从而起到改善周围神经损伤尤其是减轻神经病理性疼痛的作用[34]。有研究发现白藜芦醇可以通过增加AMPK的表达和磷酸化起到调节感觉神经元线粒体内膜电位、促进轴突生长的作用，并改善了糖尿病大鼠热痛觉减退，减少足部表皮神经纤维的损失[28]。高血糖诱导的微血管病变可以引起神经营养障碍，因此有研究认为DPN与脂质代谢异常亦有关，并发现调脂药物非诺贝特可以减缓DPN进展，其参与机制包括了调节AMPK/PGC- 1α信号通路[35]。Yu等[36]研究发现，中药丹参中提取的有效水溶性成分丹酚酸A可以增加AMPK磷酸化水平，上调PGC- 1α及Sirt3表达，改善糖尿病大鼠坐骨神经的病理损伤，促进其机械痛阈值及运动神经传导速度的恢复。另外，可能通过AMPK/PGC- 1α信号途径而具有治疗DPN潜力的还有附子多糖[37]等中药成分。但上述药物目前仅进行了前期的DPN动物或体外细胞实验研究，尚未应用到临床，缺乏足够的循证医学证据。

小结与展望

线粒体结构和功能异常在DPN的病理生理过程中起到关键作用，糖尿病周围神经中存在线粒体超微结构改变、线粒体蛋白质组学异常、线粒体电子传递链及线粒体功能障碍。AMPK/PGC- 1α是调节细胞能量代谢的重要信号通路，直接影响线粒体的生物发生及生理功能。在DPN动物模型及分离细胞中存在着AMPK/PGC- 1α通路障碍，如AMPK激活障碍、PGC- 1α下调等，可致线粒体功能异常。另外，Sirt3可能通过与AMPK/PGC- 1α通路的相互作用参与到线粒体能量代谢的调节过程中。线粒体功能和AMPK/PGC- 1α信号途径的异常是DPN的重要病理机制，线粒体可能是DPN发生的分子学起点，亦是今后研究热点，已发现部分药物可能通过改善AMPK/PGC- 1α信号通路而起到神经保护或减缓DPN进展的作用，具有一定的临床应用前景。但目前在DPN中针对该通路的研究非常有限，直接参与通路的蛋白质和影响到该通路的其他病理机制均未明确，通路上下游的各个具体环节尚需要进一步的研究来阐述，比如促进和干扰该通路的影响因素有哪些，高糖作用下线粒体能量代谢异常是否可以逆转，如何保护周围神经系统线粒体功能，积极寻找可改善促进该通路的药物并进行相应的临床研究等方面还可以做更深入的探索，为DPN治疗提供新的思路和方法。

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