线粒体动力学与2型糖尿病胰岛素抵抗相关性的研究进展

李轩，刘丽

(1.首都医科大学第三临床医学院17级长学制临床医学专业，北京 100020；2.首都医科大学基础医学院形态学实验室，北京 100069)

随着我国人口老龄化和人们生活方式的变化，糖尿病的患病率逐渐升高，截至2017年，糖尿病患病率已升至11.2%[1]。糖尿病以2型糖尿病(type 2 diabetes mellitus，T2DM)为主，其主要特征是胰岛素调控葡萄糖代谢能力的下降，即胰岛素抵抗(insulin resis-tance，IR)，并伴随胰岛β细胞功能缺陷所导致的胰岛素分泌减少或相对减少。其中线粒体动力学与IR密切联系，且不同细胞类型和组织中的线粒体形态差异较大，并随着外界损伤和代谢信号的改变而迅速变化[2]。胰岛素的主要作用靶器官是骨骼肌，其主要功能是促进细胞葡萄糖摄取，肌肉IR对全身葡萄糖代谢有很大影响，是典型肥胖相关IR和T2DM的主要组成部分[3]。进食后，葡萄糖以糖原形式储存在肝脏，空腹时肝脏产生葡萄糖，其中糖异生可以通过底物供应、氧化还原状态、糖异生基因转录和其他机制调节葡萄糖稳态，影响IR[4]。持续性肥胖、IR和T2DM患者的脂肪组织病理特征是轻度慢性炎症，表现为巨噬细胞浸润和分泌促炎症细胞因子，可导致肥胖相关的IR和高血糖。此外，白色脂肪组织中的胰岛素信号转导也能够调节肝脏糖异生，从而影响糖代谢[5]。而棕色脂肪组织在人体能量消耗、葡萄糖稳态和胰岛素敏感性中具有重要的生理作用，肥胖人群的棕色脂肪组织活性降低，且IR和血糖异常[6]。现对不同组织中线粒体动力学与IR的关系及机制予以阐述，以总结线粒体动力学对治疗T2DM的作用。

1 线粒体动力学

线粒体动力学包括线粒体分裂和融合两个过程，线粒体的分裂和融合过程受到不同蛋白质的调控，动力学失衡会导致线粒体形态、数量和功能异常。

线粒体分裂是指一个线粒体分裂成两个子线粒体的多步骤过程。动力相关蛋白1(dynamin-related protein 1，DRP1)是一种胞质定位GTP酶，由线粒体分裂1(mitochondrial fission 1，FIS1)募集到线粒体外膜上的分裂位点，并水解GTP[7]，促进Dynamin-2的组装，进而Dynamin-2诱导膜分裂，以完成分裂[8]。线粒体表面的肌动蛋白聚合可以促进DRP1募集和线粒体分裂，其由肌动蛋白调节蛋白INF2(inverted formin 2)和肌动蛋白核蛋白Spire1C控制，Spire1C结合INF2并促进肌动蛋白在线粒体表面的组装，从而促进线粒体分裂[9]，而肌动蛋白解聚蛋白Cofilin1是线粒体DRP1活性的负调节因子[10]。此外，线粒体分裂因子也可以介导DRP1募集[11]。

线粒体外膜的融合由线粒体融合蛋白(mitofusin，MFN)1和MFN2介导，线粒体内膜的融合由视神经萎缩-1(optic atrophy-1，OPA-1)介导，而蛋白酶水解OPA-1可以形成锚定在线粒体内膜上的长型OPA-1和可溶的短型OPA-1两种形式，通过这些蛋白的共同作用线粒体内膜融合得以正常进行[12]。此外，翻译后修饰也调节线粒体分裂和融合过程，如OPA-1在病理应激下被过度乙酰化，降低了蛋白的GTP酶活性，而线粒体去乙酰化酶能使OPA-1脱乙酰化并提高其GTP酶活性[13]。

2 线粒体动力学与IR

线粒体分裂或融合蛋白功能的增强或减弱均可以改变线粒体动力学平衡，导致线粒体结构和数量异常，从而损伤线粒体功能和葡萄糖刺激胰岛素释放；随着疾病的进展，当线粒体不能代偿过高的能量代谢时，则出现继发性功能障碍[14]。

2.1骨骼肌线粒体动力学与IR 有研究表明，遗传性肥胖和饮食性肥胖小鼠骨骼肌中线粒体裂变机制均增强，导致线粒体变小变短，而抑制DRP1可改善肥胖小鼠的肌肉胰岛素信号和全身胰岛素敏感性，表明异常的骨骼肌线粒体分裂与线粒体功能障碍和IR有关[15]。

骨骼肌L6肌管持续的营养过剩促进IκB激酶β-核因子κB途径的激活，线粒体碎片增加3倍，MFN2信使RNA和蛋白质丰度降低，细胞活性氧类增加，线粒体呼吸能力显著降低，肌管内胰岛素作用受损，但通过药理或基因抑制核因子κB活性可以改善线粒体呼吸功能/形态的紊乱，减少MFN2的丢失，并减轻活性氧类增加和肌管胰岛素敏感性的相关降低[16]。此外，未经治疗的高脂饮食喂养大鼠骨骼肌出现线粒体动力学改变，表现为DRP1磷酸化增加以及MFN2表达减少[17]。

Prohibitin-2是一种线粒体支架蛋白，其通过调控OPA-1保持线粒体内膜的完整性，当其特异性缺失时，线粒体发生片段化，线粒体功能受损，导致胰岛素释放减少及胰岛β细胞凋亡增加，葡萄糖耐量降低[18]。而OPA-1在分化骨骼肌中的作用不同，局部OPA-1蛋白水平的降低导致非致命性进行性的线粒体功能障碍和肌肉质量损失，但可以通过局部激活内质网应激途径和分泌成纤维细胞生长因子21作为肌动蛋白的机制抵抗年龄和饮食诱导的肥胖和IR，从而提高代谢率和改善全身胰岛素敏感性[19]。

运动训练可以提高融合蛋白与分裂蛋白的比率，减少线粒体分裂和吞噬细胞，增加线粒体融合，促进更融合的管状网络，以改善胰岛素敏感性[20]。腹腔镜Roux-en-Y胃旁路术可能通过降低线粒体分裂蛋白DRP1磷酸化调节严重肥胖患者骨骼肌葡萄糖分配的固有代谢缺陷[21]。

2.2肝脏线粒体动力学与IR 高猪油饮食诱导肝脏脂肪堆积和IR，伴随着MFN2表达减少、DRP1和FIS1增加以及氧化应激的相关损害[22]。食用加糖饮料也能导致肝线粒体动力学改变，表现为线粒体裂变增加、融合减少，可能使机体长期面临IR和T2DM的风险[23]。有研究表明，小鼠肝脏特异性切除MFN2会损害肝脏中的胰岛素信号转导，导致大量代谢异常，表现为葡萄糖不耐受和肝脏糖异生，同时 MFN2缺乏与内质网应激、过氧化氢水平升高和活性氧类改变有关，提示MFN2还能够协调线粒体和内质网的功能，调节体内胰岛素信号和葡萄糖稳态[24]。

在肝脏特异性大脑和肌肉ARNT样蛋白-1(Bmal1)基因敲除肝细胞中，FIS1的过表达可以使FIS1表达正常化，并通过降低活性氧类水平消除有丝分裂和质量控制的阻滞，从而恢复线粒体的动态融合-分裂过程及代谢灵活性，改善脂肪肝和IR[25]。肝抗增殖蛋白2缺乏导致长型OPA-1蛋白水解过度、线粒体断裂和凋亡增加，而长型OPA-1能促进线粒体过度呼吸和葡萄糖生成，控制糖异生[26]。

线粒体蛋白修饰的改变还可引起糖代谢异常[27]，如Sirtuins是一种依赖NAD+的蛋白质脱乙酰基酶，参与新陈代谢、应激反应和衰老的调节。Sirtuins2在IR的肝细胞和肝脏中下调，并伴有活性氧类生成增加，而Sirtuins2的过表达可以增加MFN2、降低DRP1，从而减少活性氧类产生，并改善线粒体功能障碍，提高胰岛素敏感性，可见，Sirtuins2激活剂可能是改善线粒体动力学的新靶点[28]。

此外，肠道微生物群在大肠中发酵产生的丁酸酯及其合成衍生物N-(1-氨甲酰-2-苯基-乙基)丁胺使肝脏的线粒体动力学向融合方向转变，不仅可改善肝细胞的能量代谢，还可改善葡萄糖稳态，被视为对抗IR的新治疗策略[29]。

2.3神经系统线粒体动力学与IR 下丘脑的弓状核包含两个不同的神经元群：促食欲的神经肽Y/刺鼠基因相关蛋白神经元和厌食的原皮质醇原(pro-opiomelanocortin，POMC)神经元。禁食→喂食→过度进食的过程中，刺鼠基因相关蛋白神经元的线粒体数量减少、大小增加，而选择性地敲除细胞MFN1或MFN2能够干扰刺鼠基因相关蛋白神经元线粒体的融合机制，引发细胞线粒体大小和密度的改变，从而调节全身能量代谢[30]。在喂食状态下，POMC神经元中的DRP1表达减少，进而线粒体分裂减少。在过氧化物酶体增殖物激活受体(peroxisome proli-ferator-activated receptor，PPAR)调控下，POMC神经元DRP1缺失小鼠的POMC神经元线粒体的大小和活性氧类水平增加，瘦素敏感性和葡萄糖反应性改善[31]。而POMC神经元缺乏MFN1小鼠在快速喂养过渡期表现出线粒体结构重构缺陷和下丘脑基因表达程序减弱，葡萄糖敏感性改变、胰岛β细胞的胰岛素分泌缺陷，导致葡萄糖稳态异常[32]。有研究表明，线粒体分裂抑制剂Mdivi-1抑制DRP1/FIS1，其通过激活胰岛素受体底物1-蛋白激酶B通路以及诱导葡萄糖转运蛋白1/葡萄糖转运蛋白4易位到细胞膜来增强线粒体网络并逆转IR[33]。高糖环境导致脊髓相关神经元线粒体分裂增多和分布异常，而线粒体分裂抑制剂Mdivi-1能显著改善脊髓前角运动神经元瘤细胞系细胞线粒体的紊乱，提示线粒体分裂抑制剂对糖尿病神经病变也有积极意义[34]。此外，下丘脑腹内侧核在调节全身葡萄糖稳态中起着重要作用，在解偶联蛋白2的控制下，DRP1介导葡萄糖负荷导致的下丘脑腹内侧核神经元线粒体分裂和活性氧类减少。类固醇生成因子1神经元选择性过表达解偶联蛋白2小鼠表现出DRP1激活增强，促进线粒体分裂以及下丘脑腹内侧核神经元活动，进而改善葡萄糖代谢[35]。

有研究发现，高脂肪喂养啮齿类动物可以引起线粒体适应性变化，大脑延髓迷走神经背侧复合体中DRP1激活可导致线粒体分裂增加。直接抑制DRP1可消除高脂喂养诱导的迷走神经背侧复合体线粒体分裂、内质网应激和IR，并可恢复肝葡萄糖生成调节。相反，健康啮齿类动物迷走神经背侧复合体-DRP1的分子激活足以诱导其线粒体分裂、内质网应激和IR[36]。

2.4脂肪组织线粒体动力学与IR 敲除B细胞淋巴瘤/白血病-2/腺病毒E1B 19000相互作用蛋白3基因脂肪细胞的线粒体伸长平衡改变，促进了线粒体融合，导致呼吸能力受损、脂肪酸氧化相关线粒体活性氧类的生成增加，导致IR，且DRP1抑制剂Mdivi-1模拟了B细胞淋巴瘤/白血病-2/腺病毒E1B 19000相互作用蛋白3基因敲除对脂肪线粒体生物能和葡萄糖处理的影响。PPARγ是脂肪细胞主调节器和噻唑烷二酮类抗糖尿病药物的受体，其可通过诱导脂肪线粒体网络断裂的关键效应因子B细胞淋巴瘤/白血病-2/腺病毒E1B 19000相互作用蛋白3转录，控制线粒体网络断裂，提高胰岛素敏感性并限制氧化应激[37]。有研究发现，肿瘤坏死因子-α能诱导3T3-L1细胞表达FIS1，并降低OPA-1的表达，导致IR发生，而PPARγ激动剂石榴酸能改善肿瘤坏死因子-α的作用，进而改善IR[38]。

棕色脂肪组织是适应性产热的主要场所，其活性与肥胖和代谢性疾病(如T2DM、血脂异常)的保护作用有关，主要存在于成年人类肩胛间和肾周区域，其活性在肥胖患者中受损[39]。棕色脂肪组织预防慢性代谢疾病的能力归因于其利用葡萄糖和脂类进行产热的能力，其中线粒体动力学的改变对棕色脂肪组织的功能也有一定影响。棕色脂肪组织中MFN2高表达可促进肥胖小鼠发生IR，MFN2缺失可以减少IR的发生[40]，其机制可能是MFN2高表达导致线粒体和脂滴偶联，进而维持线粒体的氧化能力，而敲除MFN2能增强小鼠脂肪组织的可膨胀性，使糖酵解途径获得能量，进而影响脂肪分解过程和全身能量平衡[41]。此外，高脂饮食喂养后，棕色脂肪组织中线粒体的OPA-1增加，并伴有长型OPA-1和DRP1 Ser637磷酸化的增加，导致线粒体网络更加融合，三酰甘油在脂滴中持续累积，迅速诱导棕色脂肪组织转变为白色脂肪组织，从而引发IR[42]。跨膜G蛋白偶联胆汁酸受体5激动剂通过增加非酯化脂肪酸释放，促进β氧化和解偶联蛋白1依赖的产热，并通过胞外信号调节激酶1-DRP1信号通路诱导线粒体分裂，改善线粒体呼吸，可能成为改善IR的新靶点[43]。而神经酰胺合成酶6和线粒体分裂因子缺乏可在体外保护脂肪酸诱导的线粒体片段化，并且这两种蛋白在肥胖诱导的线粒体断裂和IR的发生中具有遗传相互作用[44]。此外，在运动训练大鼠的棕色脂肪组织中，短型OPA-1和DRP1蛋白的表达增加，而长型OPA-1和MFN1的表达降低提示长期运动可以改善棕色脂肪组织的能量状况，增加线粒体功能和胰岛素敏感性[45]。

3 小 结

IR与线粒体动力学有密切联系，但由于不同组织内线粒体形态数量以及对糖代谢的影响不同，两者的关系也不同，其中棕色脂肪组织较为特殊，线粒体融合可促使IR发生，诱导线粒体分裂则能改善IR，若通过靶向改变其线粒体动力学增加棕色脂肪组织内的线粒体分裂，即可使肥胖导致T2DM患者的能量消耗增加，延缓病情发展甚至逆转病情。骨骼肌、肝脏和神经系统的线粒体动力学改变基本相似，线粒体分裂可促使IR发生，故诱导线粒体融合能改善IR。目前仍然缺乏通过靶向改变线粒体动力学治疗T2DM的研究，有待深入研究。