内质网与线粒体相互作用在糖尿病心肌病中的作用

钟祯 张霄旦 李万根

广州医科大学附属第二医院 510260

糖尿病是一种全身性代谢性疾病，可引起显著的器官功能障碍，导致各类糖尿病急、慢性并发症的发生，最终可导致患者死亡。2013年中国成人糖尿病患病率为10.9%，糖尿病前期患病率为35.7%[1]。可见我国糖尿病的严峻形势不容乐观。糖尿病是慢性心功能不全的高危因素，在糖尿病相关性死亡事件中，心血管相关性的死亡比例高达65%[2]。糖尿病心肌病(DCM)是常见的糖尿病心血管并发症，是糖尿病的一种独立并发症，1972年被Rubler等[3]首次发现并报道。目前对于DCM发病机制的研究涉及糖、脂代谢、能量代谢紊乱、氧化应激、内质网应激、线粒体结构功能异常、Ca2+转运、自噬、炎性反应等各个方面。

内质网是细胞内最大的膜性细胞器，它可通过膜性接触与其他膜性细胞器相互作用。线粒体与内质网在细胞生命调节过程中关系密切，研究发现，线粒体外膜与内质网膜通过线粒体结合内质网膜(MAM)紧密接触。在应激情况下，内质网和线粒体可通过MAM相互传递危险信号，加强细胞器之间信号传递，触发多样的协同应答[4]。Marchi等[4]研究发现，2型糖尿病患者胰岛β细胞中内质网与线粒体之间的相互作用减弱，提示内质网、线粒体之间相互作用的改变可能会影响糖尿病的发生、发展。而近期对DCM的进一步研究表明，内质网与线粒体间相互作用的改变也存在于DCM的病理生理过程中。这可能会成为未来DCM研究的新热点。本文拟对内质网-线粒体的相互作用及其在DCM中的作用及其机制作一综述。

1 内质网-线粒体相互作用的结构基础

20世纪90年代初，Vance[5]通过生物化学技术在大鼠肝脏线粒体中分离得到内质网与线粒体相互耦联的膜片段，并将其命名为MAM。此后，电子显微镜和活细胞荧光显微镜的联合应用揭示了MAM的显微结构[6]。电子显微镜下显示，在内质网与线粒体之间的耦联总长度中，滑面内质网为10 nm，粗面内质网为25 nm[7]。内质网与线粒体的完全分离需通过蛋白水解作用，这是因为在内质网与线粒体的相互耦联中存在一个长度小于5 nm的合成连接子，该蛋白质参与的物理连接使两个细胞器之间的联系更加紧密[7]。研究发现，MAM中存在大量蛋白信号分子的募集，大约有几十种蛋白分子以蛋白复合物的形式结合在MAM上，MAM通过这些蛋白复合物的相互作用对细胞的各项生命活动进行调节。

2 内质网-线粒体相互作用参与DCM发生的相关机制

2.1 内质网应激(ERS) 内质网是细胞内重要的细胞器之一，与蛋白质合成与运输密切相关。内质网中的蛋白折叠对蛋白质合成率、钙平衡、氧化应激等各种刺激因素敏感。这些刺激因素的变化可能影响蛋白质折叠，并导致错误折叠的蛋白质在内质网中堆积，这种蛋白质折叠的平衡失调被称为ERS[8]。ERS贯穿了DCM的发生、发展过程。研究发现，当发生DCM时，ERS的相关通路被激活，正常情况下，定位于内质网的糖调节蛋白78(GRP78)与蛋白激酶R样内质网激酶(PERK)、肌醇需求激酶-1(IRE-1)、活化转录因子-6(ATF-6)紧密结合形成无活性复合体。而在ERS时，大量未折叠或者错误折叠的蛋白在内质网中堆积，与GRP78结合，启动未折叠蛋白反应(UPR)，导致这3种跨膜蛋白从复合物中解离并激活各自下游的信号通路。UPR的启动旨在清除错误折叠的蛋白，减少未折叠蛋白与错误折叠的蛋白在内质网的聚集，从而减轻过剩的蛋白质负荷。但在病理情况下，ERS可持续存在，持续激活的UPR将通过影响线粒体功能，介导凋亡相关基因表达的上调，最终可导致细胞凋亡。心肌细胞为不可再生细胞，ERS引起心肌细胞凋亡，将加速心肌病变的进程。

线粒体融合蛋白-2(Mfn-2)是内质网-线粒体相互作用的重要参与者之一。内质网表面的Mfn-2与线粒体外膜上的线粒体融合蛋白-1(Mfn-1)或Mfn-2形成异型或同型复合物，富集于MAMs上，作为内质网与线粒体连接的桥梁。近期研究表明，下调Mfn-2的表达将诱导ERS，活化UPR。Mfn-2基因沉默细胞在ERS下，UPR的3个分支(PERK、IRE-1和ATF-6)均过度活化。正常情况下，Mfn-2与PERK相结合，处于稳定非活化状态。在离体细胞中将Mfn-2基因沉默，PERK与Mfn-2解离并持续活化，诱导ERS。研究表明，Mfn-2作为PERK的上游调节剂对细胞ERS发挥调节作用[9]。Gao等[10]通过对糖尿病大鼠左心室组织蛋白及mRNA水平的检测发现，糖尿病大鼠左心室组织中的Mfn-2、超氧化物歧化酶表达量下降，丙二醛、caspase-3表达量较正常大鼠升高。根据以上的研究结果推测，高糖环境下心肌细胞Mfn-2表达水平的下调，可能导致PERK的解离及持续活化，启动UPR，诱发ERS的发生。而持续ERS的存在，将加速心肌细胞的损伤，最终可能促使DCM的发生与发展。在这个过程中，连接内质网与线粒体的桥梁蛋白可能有助于减轻细胞损伤，但具体的分子机制尚不明确。

2.2 缺氧 高糖环境下心肌细胞缺氧及由此所导致的活性氧簇升高被认为是DCM最主要的始动因素[11]。心肌细胞中富含的线粒体是活性氧簇的重要来源，也是活性氧簇介导氧化应激信号通路的下游标靶。在缺氧环境下，存在于细胞线粒体外膜上的线粒体自噬受体FUNDC1，可以与自噬相关蛋白LC3相互作用，介导缺氧诱导的线粒体自噬[12]。最新的研究进一步揭示，缺氧条件下FUNDC1可与内质网膜蛋白钙黏蛋白结合，聚集于MAM上。但当缺氧刺激持续存在时，FUNDC1与Calnexin的相互作用松散解离，暴露的FUNDC1与动力相关蛋白1相互作用，将动力相关蛋白1招募至MAM上，诱导线粒体分裂，分裂的线粒体释放活性氧簇，将持续介导缺氧应激[13]。

Yang等[11]通过对链脲佐菌素诱导的1型糖尿病大鼠进行超声心动图评估，建立DCM模型。他们发现，糖尿病大鼠心肌细胞中的ERS及线粒体凋亡相关蛋白表达量升高，而外源性的硫化氢可以通过抑制MAM上Mfn-2的表达来减少活性氧簇介导的心肌细胞凋亡。Verfaillie等[14]研究表明，细胞内活性氧簇的增加可诱导ERS，PERK作为ERS传感器在MAM上大量表达。而敲除PERK基因后，细胞表现出不稳定的内质网形态，线粒体与内质网耦联松散，失去原有的紧密连接状态。活性氧簇诱导ERS时，PERK增加活性氧簇在内质网与线粒体之间的转运，维持CHOP高水平激活，从而促进细胞凋亡。另一项研究也发现，DCM大鼠心肌细胞凋亡与细胞内活性氧簇密切相关。提取DCM模型中心肌细胞的MAMs亚细胞片段，可检测到PERK蛋白在其中的富集，并发现其参与了活性氧簇介导的心肌细胞凋亡[15-16]。提示内质网-线粒体相互作用中的相关蛋白参与调控高糖环境下活性氧簇介导的心肌细胞凋亡。

2.3 Ca2+调节紊乱 Ca2+是细胞内信号转导中重要的第二信使，也是心肌兴奋-收缩耦联中重要的调节因子，调控细胞多项重要的生命活动。内质网作为细胞中最大的Ca2+储藏库，对维持细胞内钙稳态意义重大。心肌细胞Ca2+平衡失调，将导致心肌收缩功能障碍和心肌电生理传导异常，加速心肌损伤。目前的研究已表明，DCM的发生、发展与细胞内Ca2+通道异常密切相关。高糖环境下，心肌细胞内Ca2+含量升高，增多的Ca2+转运到线粒体，使得线粒体内钙超载，活性氧簇生成增加，导致线粒体功能障碍，进而引起细胞凋亡[16]。早期Rizzuto等[17]通过荧光显微镜观察到内质网与线粒体耦联结构之间存在局域性的高Ca2+区域。当内质网上的三磷酸肌醇受体被打开时，与分子伴侣GRP75、线粒体电压依赖性阴离子通道蛋白(VDAC)结合形成复合物，介导内质网释放的Ca2+向线粒体内流动，使线粒体内Ca2+浓度升高[18]。内质网与线粒体之间也可以通过Ryanodine受体和VDAC通路实现Ca2+交换。研究表明，心肌细胞中VDAC2与Ryanodine受体的耦联在Ca2+由内质网向线粒体的转运过程中是必不可少的，而内质网与线粒体之间的MAM为维持内质网-线粒体间高钙浓度提供了一个稳固的平台，使得线粒体能更加高效的摄取Ca2+[19]。

2.4 其他 高糖环境中细胞内内质网与线粒体相互的耦联作用减弱，与体内胰岛素抵抗也关系密切，胰岛素抵抗能引起心肌能量代谢障碍。Theurey等[20]发现，葡萄糖通过戊糖磷酸蛋白磷酸酶2A途径降低了内质网与线粒体间的相互作用，引起线粒体分裂及呼吸链受损。胰岛素抵抗模型小鼠的肝细胞中MAM的完整性被破坏，提示MAM在肝能量转换进程中参与线粒体功能的调节，MAM的慢性破坏是导致胰岛素抵抗相关的线粒体损伤的原因之一。

综上所述，内质网与线粒体之间的信号传递参与并影响了细胞的多种生命活动，现有的许多研究也提示两者之间的相互作用可能在DCM的发生、发展中起重要作用。MAM上聚集着数十种蛋白分子，其中涉及的信号通路和分子机制十分复杂，仍有待进一步研究。此外，内质网与线粒体之间亦存在不依赖MAM的相互作用，其生物学特性和相关调控机制仍需进一步研究，以解读其在DCM中的作用，并为治疗DCM的靶向药物开发及相关临床研究奠定科研基础。未来相关机制的揭示将有望为DCM的预防及治疗带来新的靶点。