线粒体DNA与动脉粥样硬化的研究进展

杨建英综述，沈丽娟审校（祥云县人民医院心脏内科，云南大理672100）

心脏是哺乳动物中线粒体分布最密集的器官。线粒体是维持心脏正常泵血功能的关键细胞结构[1]。线粒体功能异常可导致多种心血管疾病，包括心律失常、高血压、心力衰竭（HF）、动脉粥样硬化（AS）等[2-3]。受损线粒体代谢的特点是心肌肥厚和HF病理改变[4]。在先天性心脏病患者中，右心室mtDNA缺乏可使心肌细胞合成腺嘌呤核苷三磷酸（ATP）减少，导致肥厚的心肌细胞功能进一步恶化，最终演变为HF[5]。此外，mtDNA缺乏引起的线粒体生物合成功能障碍是导致心肌细胞内钾、钙离子浓度失衡的重要原因，可导致心脏内异常的传导，增加折返性心律失常发生的概率[6]。

随着早期生活方式的干预及预防性药物的使用，AS引起的冠心病、脑卒中等得到了有效控制，但目前仍是威胁人类健康的主要原因。AS发病机制复杂，包括脂质代谢异常、炎症、内皮损伤和氧化应激等[7-8]。2002年，BALLINGER等[9]在AS形成早期发现了受损的mtDNA，并通过动物实验证实线粒体功能障碍与粥样斑块稳定性相关，但其分子机制尚不清楚。然而，随着近年来对该机制研究的不断深入，发现存在血管壁和循环中损伤的mtDNA可通过脂质代谢、炎症等对AS产生影响[10]。本文就近年来线粒体mtDNA与AS形成的研究结果进行总结阐述。

1 mtDNA功能障碍的主要原因

线粒体损伤包括mtDNA的损伤及线粒体膜的损伤，相较而言，mtDNA损伤与心血管疾病关系更为密切[11]。引起mtDNA损伤的一般原因包括年龄、吸烟、胰岛素抵抗、血脂异常等[12-14]。其共同的主要机制是上述外源性刺激因素使体内产生的活性氧簇（ROS）过多。ROS被认为是导致线粒体功能异常及mtDNA突变的关键因素[15]。线粒体内电子传递链（ETC）在利用氧生成ATP的同时，漏出的多余电子能够引起少部分氧分子还原而产生ROS。正常情况下，ROS可被抗氧化酶类、维生素E等抗氧化剂降解。但在持续外源性刺激下，线粒体代谢过度活跃产生ROS速度远大于ROS被降解的速度。ROS异常累积能够抑制mtDNA编码蛋白的合成，并且影响mtDNA的转录与翻译，使mtDNA发生基因突变，最终导致细胞代谢异常、细胞凋亡[16]。BERLO等[17]认为，充分理解mtDNA、ROS及心脏细胞凋亡之间的关系，是建立mtDNA引起心血管疾病分子机制的关键。

2 mtDNA异常引起AS的机制

AS是一种以脂质累积，血管平滑肌细胞增生，细胞凋亡和局部炎症为特征的慢性炎症性疾病[18]。线粒体是细胞内产生ATP的重要细胞器，通常被认为是生物体内供能的主要结构。研究报道指出，线粒体同时还是细胞新陈代谢、凋亡、炎症等过程的关键调节因子。mtDNA异常对上述过程的影响可直接或间接地促进AS 的发生、发展[9]。

2.1 mtDNA对脂质代谢的影响 大量流行病学资料及基础实验表明，脂质代谢异常是AS重要的危险因素，脂质在局部组织和血液循环中的转运异常，是导致低密度脂蛋白胆固醇（LDL-C）沉积于血管内膜并形成AS早期脂质条纹斑块病变的主要原因之一[19]。最新研究表明，在同一组织内的线粒体可联合内质网参与体内脂质的转运[20]。在不同器官中的线粒体可通过激素介导的信号通路影响脂质代谢[21]。KIM等[22]也发现，人类和小鼠中mtDNA变异导致线粒体功能缺陷的肌纤维能够释放成纤维细胞生长因子（FGF21），促进脂肪动员，使脂肪组织中的游离脂肪酸释放入血。而且，mtDNA突变小鼠可表现出体重减轻和皮下脂肪减少[23]。事实上，mtDNA突变虽然能使脂肪组织降解，但是血清中游离脂肪酸和胆固醇水平却明显增高。此机制类似于载脂蛋白E基因敲除的小鼠，表现出一种低脂肪组织含量但却患有高胆固醇血症的特点，并因此能够增加AS发生的风险[24]。此外，当线粒体功能障碍时可导致能量代谢产物腺嘌呤核糖核苷酸（AMP）/ATP比值增高而激活AMP依赖的蛋白激酶（AMPK），该物质具有多重生物学效应，能够抑制糖原异生和脂肪的形成，使体内循环中的游离脂肪酸增多而导致心血管疾病发生风险升高[25]。

2.2 mtDNA促进血管内皮炎性反应 沉积于血管内膜的LDL-C可被氧化修饰形成低密度脂蛋白胆固醇（oxLDL-C），可诱导巨噬细胞吞噬脂质和释放炎症因子，由此触发以血管内皮损伤为结果的炎症级联反应。目前，普遍认为动脉内膜的炎性反应是造成AS发生、发展的关键性机制[26]。mtDNA功能障碍可通过炎性反应参与AS的进展过程。mtDNA缺乏会引起线粒体结构和功能障碍，可使细胞表型发生改变，能够促进炎性细胞聚集，导致粥样斑块向易损型斑块发展[24]。研究报道显示，mtDNA引起血管内皮炎性反应加重的主要机制包括两方面：（1）mtDNA可参与调节Nod样受体蛋白3（NLRP3）炎性小体的活化[27]；（2）mtDNA 可作为损伤相关分子模式（DAMPs）中的一员参与 toll样受体（TLR9）相关的免疫炎性反应[28]。

NLRP3炎性小体是指NLRP3/凋亡相关斑点样蛋白（ASC）/半胱氨酸蛋白酶-1（caspase-1）蛋白复合体，其生理状态下的促炎反应是机体的保护性机制，因此维持NLRP3炎性小体活化的稳态对治疗与预防炎症相关性疾病有重要的意义[29]。但在病理条件下，NLRP3炎性小体被各种因素过度激活，可进一步将白细胞介素-1β（IL-1β）前体进行剪切为成熟的 IL-1β，IL-1β 激活释放后引起机体炎性反应。IL-1β目前被认为是血管内皮损伤过程中的一个重要促炎因子，其能够放大AS中的炎性反应[30]。而且，mtDNA缺失引起的线粒体生理功能丧失，可通过钙离子流紊乱、ROS累积及烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD）等介质活化NLRP3炎性小体[31-33]，最终导致恶性循环。

TLR9是TLR家族中的一员，广泛分布于抗原提呈细胞中，主要通过Toll/TIR-MyD88-NF-κB信号通路诱导免疫炎性反应。在AS进展过程中，TLR9可促进T细胞识别树突状细胞和巨噬细胞提呈的抗原，激活炎症细胞释放大量炎症因子[34]。另外，来源于免疫细胞损伤或坏死时释放的内源性因子DAMP，可与TLR结合从而激活免疫炎性反应[35]。最近研究还发现，mtDNA中富含具有免疫刺激作用的非甲基化胞嘧啶-鸟嘌呤核苷酸（CpG），可作为DAMP中的一员，通过上述途径激活血管内皮中的炎性反应，从而促进AS的发生、发展[28]。

2.3 mtDNA与线粒体自噬 几乎所有的真核细胞都依赖于自噬维持生理机制的平衡。线粒体自噬是指一个专门针对线粒体的自噬反应，被认为是最主要的选择性自噬类型[36]。与一般自噬的作用相类似，线粒体自噬主要是自主清除受损、多余、衰老及凋亡的线粒体。LEMASTERS等[37]在早期的实验研究中观察到，线粒体自噬能够清除由衰老引起的mtDNA突变，但在心血管疾病动物模型中，线粒体自噬功能存在缺陷，这可能是导致多种心血管疾病的原因。此外，在药物或基因抑制线粒体自噬的动物中也观察到心血管疾病的预后较差[38]。

mtDNA损伤不仅能促进炎性反应，还可调节细胞凋亡。众所周知，血管内皮细胞凋亡是促进粥样斑块发展的重要因素[24]。而mtDNA损伤可通过选择性诱发血管内皮细胞凋亡促进粥样斑块向易损型斑块转变[39]。研究发现，线粒体自噬可抑制内源性的凋亡来抵抗粥样斑块进展。ZHANG等[40]也发现，mtDNA能与多肽LL-37形成复合物，该物质能够帮助损伤的mtDNA逃避线粒体自噬，是促进AS疾病发病的主要原因。因此，线粒体自噬可抵抗由mtDNA损伤导致的多重生物学效应，在维持线粒体正常结构和功能中起到重要作用。

3 小 结

线粒体是产生的ATP的重要细胞结构，mtDNA对于维持线粒体正常功能起到了重要作用。mtDNA损伤不仅可引起人体多种相关代谢性疾病，同时也是心血管疾病发生、发展的重要因素。目前，自噬功能在心血管疾病治疗研究中有值得期待的应用前景，而细胞的自噬功能也依赖于mtDNA的正常运作[41]。在AS发生、发展过程中，mtDNA与脂质代谢、炎症、细胞凋亡、自噬等所构建的生理机制网络体系仍然需要进一步研究明确，尤其是线粒体自噬与mtDNA相互作用的机制或可成为未来治疗AS的新靶点。