线粒体在低氧适应中的改变及机制※

旦增诺扬综述,格日力审校

(1.青海省高原医学应用基础重点实验室;2.青海大学附属医院;青海西宁,810001)

线粒体是细胞的代谢能量发电站,主要功能是通过三羧酸循环(TCA)和氧化磷酸化参与ATP合成,可谓机体的“发动机”。线粒体可以对一系列刺激作出反应,低氧作为众多刺激因素中的一种,可以影响线粒体能量的产生及机体氧化还原稳态。目前,对高原适应人群线粒体的研究初步揭示了线粒体在低氧适应中所扮演的角色,但其具体机制尚未阐明。本文就线粒体在低氧适应过程中发生的改变及其分子机制进行综述。

1 线粒体研究现状

线粒体作为宿主细胞的重要组成部分,对其结构和功能的研究趋热,越来越多的研究者认识到线粒体除产生能量外,在多种功能的发挥中也起到了作用,如在钙离子稳态的实现[1,2]、自由基的生成[3]、细胞周期的调节、凋亡的调控[4]、信号的转导[5,6]以及内质网的应激反应[7]等一系列代谢过程中起重要作用。根据代谢的需要,不同细胞类型的线粒体在数量和功能上存在差异[8]。

2 线粒体与低氧

线粒体在低氧状态下对机体内在调节起着关键作用,低氧通过刺激转录调节因子来增加碳水化合物代谢及增强线粒体呼吸能力等方式提高线粒体能量生产效率。低氧主要通过线粒体耗氧量、线粒体代谢模式及线粒体数量三方面来影响其功能。

2.1 低氧条件下线粒体耗氧量的改变

目前有研究表明,低氧条件下细胞能够主动重新分配氧气,并通过产生内源性ETC抑制剂(如NO)来调节HIF信号[9],进一步抑制依赖HIF的线粒体呼吸链复合体来降低线粒体的总耗氧量。其机制如下：

NO是一种由Ca2+依赖性内皮NO合酶(eNOS)、神经元NOS(nNOS)和诱导NOS(iNOS)产生的自由基、细胞旁信号分子[10,11]。NO作为线粒体电子传递链上复合体Ⅳ(即细胞色素C氧化酶)的竞争性抑制剂[12,13],竞争性抑制细胞色素C氧化酶,从而减少线粒体呼吸链耗氧量。另外有研究显示,NOS亚型(eNOS,iNOS)通过HIF介导的机制被上调[14],有利于NO的合成。

琥珀酸脱氢酶(succinate dehydrogenase,SDH)是三羧酸循环和有氧呼吸的功能性成分,它能使琥珀酸在氧化为延胡索酸过程中产生的FADH2与酶结合,从而传递电子。在低氧条件下,HIF-1的高表达抑制了SDH亚基B(SDHB),因此也抑制了复合体Ⅱ的电子传递功能,减少其耗氧量[15]。同时,琥珀酸作为HIF调节器脯氨酸羟化酶(prolyl hydroxylase domain,PHD)的竞争性抑制剂[16,17],在复合体Ⅱ受到抑制后大量堆积[18],抑制了PHD对HIF的降解作用,进一步将HIF维持在高水平。HIF和SDH通过正反馈模式相互作用减少线粒体的耗氧量。

2.2 低氧条件下线粒体代谢模式的改变

低氧条件下线粒体代谢途径的改变仍然依赖于HIF,HIF介导的PDK1和LDHA的转录能够限制乙酰辅酶A进入TCA循环,而促进丙酮酸向乳酸的转化[19]。从有氧代谢转为无氧代谢,其机制如下：

丙酮酸脱氢酶(pyruvatedehydrogenase,PDH)是一种多亚基酶,通过不可逆反应将丙酮酸转化为乙酰辅酶A,从而将碳引导至TCA循环中。PDH很大程度上控制了厌氧代谢。丙酮酸脱氢酶激酶(Pyruvate

dehydrogenase kinase,PDK)通过调节PDH

E1亚基的磷酸化来抑制PDH[20],阻止碳进入TCA,从而迫使碳从葡萄糖流向乳酸。PDK由四个同工型组成,这些同工型在PDH上的三个磷酸化位点上表现出不同的活性[21]。低氧显著诱导了PDK1[22],因此在低氧条件下,PDK1表达增加导致PDH抑制,减少了氧化代谢的底物的可用性[23],从而将线粒体代谢模式从有氧代谢转为无氧代谢。

乳酸脱氢酶(lactate dehydrogenase,LDH)是一种糖酵解酶,主要作用是催化丙酮酸和乳酸的相互转化[24]。大多数组织同时表达LDH A(肌肉)和LDH

B(心脏)的同工型。A和B同工型之间的主要区别是A同工型优先催化丙酮酸向乳酸的转化,而B同工型优先催化逆反应[25]。编码LDHA的基因在其启动子序列中具有结合HIF-1的缺氧反应元件,并通过HIF-1介导的LDHA表达上调来响应缺氧[26]。LDHA的上调导致丙酮酸向乳酸转化,而非转换成乙酰CoA来为TCA提供底物,从而将线粒体代谢模式从有氧代谢转为无氧代谢。

2.3 低氧条件下线粒体数量的改变

在低氧条件下观察到线粒体数量的变化速度比上述两个方面慢得多。线粒体数量的变化是线粒体生物发生和线粒体自噬的总和,两者都受到氧的调节。对低氧条件下线粒体数量的变化认识尚未统一,仍存在争议,有待进一步研究。

有研究报道称,当HIF-1升高时,HIF-1介导的C-MYC转录因子的表达和活性降低,使线粒体的生物发生减少,导致PPARγ共激活因子1β(PGC-1β)表达减少,进而致生物发生减少[27],这与低氧模型结果一致,低氧模型中HIF-1的上调刺激导致细胞呼吸减少[28]。同时,也有研究指出低氧可以通过PPARγ共激活因子 1α(PGC-1α)、核呼吸因子-1和线粒体转录因子A刺激线粒体生物发生,导致不同类型细胞中线粒体数量的增加[29],使线粒体功能增强。

另一个改变线粒体数量的因素是线粒体自噬,这是蛋白质和细胞器降解的过程,可同时对缺氧和营养缺乏作出应答[30-32]。有研究显示,线粒体自噬反应是低氧反应的一种依赖HIF-1的适应性代谢反应,可减少O2消耗和ROS生成,从而防止细胞死亡[33]。低氧诱导线粒体自噬的机制涉及凋亡相关蛋白BNIP3(Bcl-2

/腺病毒E1B 19kDa相互作用蛋白3)[34,35],以及Bcl-2和Bcl-2相互作用蛋白Beclin-1。总而言之,HIF-1通过介导线粒体生物发生减少(或增加)和线粒体自噬增加,影响细胞线粒体数量的改变,进而影响耗氧量和氧的利用率。

3 线粒体与高原低氧适应

在高原,随着海拔的升高、大气压的下降,高海拔地区的氧浓度相对于海平面会降低,从而形成天然的低氧环境。对于高原低氧的不适应,会产生各种各样的急、慢性高原疾病,严重不适者甚至会产生高原肺水肿、脑水肿。因此低氧适应对世居高原、移居高原以及到高原旅游的人群都极为重要。线粒体作为机体的能量工厂,在低氧适应中扮演的角色至关重要。

3.1 骨骼肌线粒体与高原低氧适应

近年来,夏尔巴人对缺氧的出色耐受性一直是科学界特别是生理学家关注的焦点,其中针对夏尔巴人表现出的超强肌肉活力,学者们从代谢水平做了多项研究。世居高原的夏尔巴人骨骼肌线粒体的密度虽然下降了[36],但他们的肌肉以某种方式最大化了耗氧量与线粒体体积的比例[37],其具体机制尚不完全清楚。当前的研究显示,相对平原对照组,夏尔巴人心肌和骨骼肌偏向以葡萄糖为代谢底物而非脂肪酸[38],虽然脂肪酸氧化能力低但其氧化磷酸化耦联率高[37]。酰基肉碱和氧化应激标记物水平也降低[37],提示它们在夏尔巴人低氧适应中起到保护作用。从高原返回平原的人的心肌PCr/ATP比率显著下降[39],但在夏尔巴人的心肌和骨骼肌中,这一比率保持稳定[40]。综上所述,夏尔巴人通过选择碳水化合物为代谢底物加强能量产生、提高糖酵解途径关键酶活性,来增加产能、稳定PCr/ATP比率,来增加能量储备,以及通过避免氧化应激等方面维持出色的低氧耐受能力。

3.2 胎盘线粒体与高原低氧适应

胎盘作为代谢旺盛的器官,低氧可刺激其产生氧化应激反应,通过影响胎盘线粒体功能降低胎盘效率,最终导致胎儿生长受限。研究高海拔妊娠妇女的胎盘发现,胎盘可通过降低自身代谢耗氧在一定阈值范围内优先保护胎儿生长发育。当前关于这方面的机制研究包括低氧影响microRNA-210及其靶基因等。microRNA-210与胎盘和胎儿发育相关,在线粒体内,它通过阻止电子传输链复合物中铁硫簇的组装来抑制呼吸,用microRNA-210转染滋养层细胞也发现其减少了呼吸和耗氧量[41],但相应地ROS生成也减少,这一机制起到了双向调节作用[42-44]。此外,在高海拔地区的慢性缺氧胎盘可能会从氧化磷酸化反应转变为更依赖于厌氧糖酵解的反应来满足其ATP需求,这可能会增加胎儿的氧供应,但会使胎儿的葡萄糖供应受到影响[41,45]。在对体外培养的小鼠滋养细胞研究中发现,低氧降低了细胞色素氧化酶c的水平[46]。在动物研究中提示,小鼠低氧妊娠晚期,胎盘采用减少自身线粒体的生物合成及线粒体密度来减少胎盘自身耗氧量,使得胎儿的生长得到最好的支持,然而这种保护胎儿的机制存在一个低氧程度的阈值,在超过此阈值后,胎盘将不再以“牺牲”自己为代价来保护胎儿[47]。

就像前文所提到的肌肉代谢一样,胎盘的这些代谢改变在适应人群中是否也是如此呢?有研究指出,欧洲白人和亚洲汉族妇女在高海拔处的出生体重下降[48-50];夏尔巴人和藏族人在高海拔处的出生体重正常[51,52]。这一发现提示胎盘在高原发生代谢改变可能取决于种族和/或在高海拔地区居住的时间,可见胎盘线粒体在低氧适应人群中、低氧环境下维持胎儿正常生长中的作用方式不同,其分子机制值得进一步探索。

3.3 其他组织线粒体与低氧适应

线粒体呼吸对于生长板软骨细胞的生存是必不可少的。近期有研究指出,在极端低氧环境下,线粒体呼吸被HIF-1抑制,减少了生长板中软骨细胞的凋亡[53]。心脏在慢性缺氧的适应性变化中,线粒体和NO参与心脏保护机制的建立,改善心脏对急性O2剥夺的耐受性,不仅减少了梗塞面积,而且减轻了缺血后的收缩功能障碍和室性心律失常[54]。缺氧还可通过刺激线粒体的生物发生产生脑保护作用[29]。

4 结语与展望

综上所述,线粒体在许多低氧生理过程中发挥着极其重要的作用。在低氧条件下,细胞一方面通过刺激线粒体的生物发生使线粒体功能增强;另一方面也可以通过使线粒体ETS复合物减少、将代谢模式由有氧转到无氧、减少线粒体的生物发生[42,55,56]致氧化呼吸减少。因此,在高原低氧适应中线粒体如何在这几个方面进行平衡还有待进一步研究。

目前,对线粒体在低氧下的多重作用及变化研究有所增加,但在低氧适应中的研究仍然薄弱。未来,探索线粒体在低氧适应中发生改变的分子机制不仅能给低氧适应提供理论基础,而且还能给众多缺氧性代谢疾病提供新的治疗靶点,为缺氧性疾病的治疗提供新的见解。