线粒体转录因子A在心力衰竭中的研究进展

高先佈 李昌金 宋晓伟 吴弘

(1.海军军医大学附属长海医院心内科，上海 200433；2.中国人民解放军联勤保障部队第九六六医院心内科，辽宁 丹东 118000)

心力衰竭是由于各种原因导致的心脏泵血功能下降，具有进行性恶化、预后差、猝死风险高等特点。中国成人患病率为0.9%[1]，欧洲成人患病率为1%～2%，发病率约为每年3‰，成人约为每年5‰。目前，针对心力衰竭的治疗主要通过抑制肾素-血管紧张素系统、交感神经系统、心肌重构和减少心脏前后负荷等药物治疗方式延缓心力衰竭的进展，改善临床症状，提高生活质量[2]。针对心肌细胞线粒体功能障碍的治疗措施较少。因此，为了发现新的心力衰竭治疗方法，研究线粒体功能障碍的分子机制成为进一步延缓，甚至逆转心肌细胞功能障碍的新方向。而线粒体转录因子A(mitochondrial transcription factor A，TFAM)作为调控因子可调节线粒体DNA(mitochondrial DNA，mtDNA)的转录、翻译和合成后的修饰，从而缓解心力衰竭中线粒体功能障碍。现对TFAM在心力衰竭中的研究进展进一步阐述，从而探讨其在心力衰竭治疗方面的临床应用价值。

1 TFAM及TFAM对线粒体功能的概述

线粒体作为呼吸和能量产生的主要细胞器对细胞发挥着关键作用，而mtDNA是线粒体最重要的组成部分。mtDNA是线粒体的基因组系统，是一种编码13种蛋白质、2种核糖体核糖核酸、22种转运核糖核酸的封闭环状双链DNA分子，所编码的13种蛋白质都是线粒体呼吸链的基本亚单位。线粒体功能由mtDNA以及调节其转录和复制的因子控制[3]。

TFAM是mtDNA启动子的特异性增强子，是高迁移率蛋白质组的成员。它与mtDNA的启动子结合并促进mtDNA转录。TFAM在细胞核中合成并运输到线粒体，通过将mtDNA的单个拷贝储存在功能性线粒体类核中而起到包装分子的作用。线粒体类核包含抗氧化系统的必需酶，包括锰超氧化物歧化酶和线粒体谷胱甘肽过氧化物酶。这些抗氧化酶能减轻氧化损伤并保护mtDNA[4]。TFAM与受损mtDNA之间的相互作用对于mtDNA的修复启动和调节至关重要[5]。此外TFAM可通过改变线粒体膜电位及向其他细胞器发出信号的方式来调节胞质内的Ca2+，从而调节细胞代谢[6]。总之TFAM既是mtDNA转录、包装和维护的关键参与者，也是细胞能量代谢的主要调节者。

2 线粒体功能异常在心力衰竭发生中的作用与机制

正常情况下，线粒体通过调节氧化还原内信号分子、氧化应激、胞质内Ca2+浓度、自我吞噬等方式来维持心肌细胞生理功能。线粒体功能异常引起心力衰竭进展的主要机制为线粒体内过量的活性氧(reactive oxygen species，ROS)及Ca2+浓度过高[7]。

2.1 ROS与心力衰竭

心脏ROS的产生主要通过线粒体、还原型辅酶Ⅱ氧化酶、黄嘌呤氧化酶和解偶联的一氧化氮合酶实现。在生理条件下，细胞内会产生少量的ROS并在细胞信号传导中发挥作用，当其过量时可以很容易地被抗氧化酶消除。然而在心力衰竭患者的心肌细胞中，线粒体的电子传递链会诱导大量ROS生成，而抗氧化酶的活性保持正常，过量的ROS会导致不良的心肌重构和心力衰竭的进展[8]。除此之外，心力衰竭时线粒体中ROS生成的慢性增加可导致mtDNA的损伤，而mtDNA的损伤将进一步引起ROS增加并形成一种恶性循环[9]。这表明氧化应激不仅是心肌细胞功能障碍的结果，还是功能障碍的原因。

2.2 Ca2+与心力衰竭

心力衰竭细胞中过量ROS的氧化作用会导致肌浆网上释放Ca2+进入胞质的ryanodine受体2(ryanodine receptor 2，RYR2)受损。RYR2的损伤会使胞质内Ca2+浓度增加，进而使线粒体内Ca2+浓度上升，线粒体内适量的Ca2+浓度可促进氧化还原过程及能量生成，但线粒体内Ca2+浓度过高会触发线粒体通透性转换孔的开放，引起线粒体内容物(如细胞色素c)释放，诱导细胞凋亡或膜电位的丧失。损伤相关物质(如mtDNA、肽链和过量ROS)的漏出，会导致细胞炎症及进一步引起线粒体的损伤，导致心力衰竭[10]。Liu等[11]的研究发现钩藤碱(中草药钩藤的主要有效成分)可通过下调RYR2的磷酸化水平，进而调节Ca2+稳态，保护糖尿病心肌病小鼠免受心肌损伤并促进心肌细胞收缩。Garbincius等[12]的研究表明心肌细胞特异性过表达线粒体钙钠交换蛋白的心肌肥大小鼠，其心肌细胞与对照组相比收缩功能更强，延缓了肥大与纤维化进展。这些发现均表明了在早期心力衰竭的心肌细胞内线粒体Ca2+的减少可延缓病理性重塑。

3 TFAM在延缓心力衰竭进展机制中的作用

通过前文已知ROS与Ca2+的稳态对延缓心力衰竭进展的重要性，现将从调节ROS与Ca2+方面对有关TFAM缓解心力衰竭进展的主要机制进行阐述。

3.1 活化的T细胞的核内因子通路

活化的T细胞的核内因子(nuclear factor of activated T-cells，NFAT)是一个由四个成员组成的转录因子家族(NFAT1～4)，它们都在哺乳动物的心脏中表达，其不仅可以刺激肥大基因的表达，还可通过上调还原型辅酶Ⅱ的表达而诱导ROS的生成[13-14]。而ROS诱导的基质金属蛋白酶(matrix metalloproteinase，MMP)可过度降解胶原蛋白，导致心脏重构[15]。除此之外ROS还可引起钙蛋白酶的增加，而钙蛋白酶的增加会进一步激活NFAT表达[14，16]。Kunkel等[17]通过实验证实心力衰竭小鼠模型的TFAM表达显著下降而NFAT4则升高，MMP9荧光强度增加，TFAM过表达组与对照组相比，NFAT4蛋白表达显著降低，MMP9荧光强度下降。这表明心力衰竭的心肌细胞中TFAM过表达可在一定程度上通过NFAT通路来抑制心肌重构。

3.2 肌浆网Ca2+-ATPase 2a通路

肌浆网Ca2+-ATPase 2a(sarcoplasmic/endoplasmic reticulum Ca2+-ATPase 2a，SERCA2a)是一种ATP依赖性Ca2+转运蛋白，通过将游离细胞质中的Ca2+储存在肌浆网中来减少细胞质中Ca2+的含量从而引发心肌细胞舒张效应。SERCA2a活性的降低将导致心肌细胞收缩及舒张功能的障碍[18]。在心力衰竭细胞中，肌浆网上SERCA2a的表达下调，引起胞质中Ca2+过量，过量的Ca2+可激活钙蛋白酶，而过度的钙蛋白酶激活会裂解大量蛋白质底物并引起肌细胞收缩障碍，甚至是死亡。这些裂解的蛋白质往往与肌膜结构、细胞收缩、线粒体功能和细胞信号传导有关[19]。除此之外胞质内Ca2+及钙蛋白酶升高会激活心肌细胞中的钙调神经磷酸酶-NFAT通路，促进心肌细胞肥大，NFAT的激活反过来会抑制SERCA2a基因转录，导致SERCA2a下调[20]。最近Lin等[21]对编码小鼠心肌细胞SERCA2a的Atp2a2基因特异性敲除，证明了SERCA2a在构建心室心肌细胞超微结构及氧化呼吸基因表达等心肌细胞成熟过程中发挥重要作用。这一新发现说明SERCA2a不仅可通过稳定Ca2+浓度来延缓心力衰竭细胞的进展，还可通过促进或维持心肌细胞成熟度对衰竭心脏产生额外的治疗影响，所以上调SERCA2a的表达对心力衰竭的治疗尤为重要。

Watanabe等[22]发现TFAM不仅是mtDNA的特异性转录因子，它也可调控SERCA2a基因转录。这为TFAM通过SERCA2a途径治疗心力衰竭提供了一定的理论依据。另外Kunkel等[17]通过动物实验发现在心力衰竭小鼠的心肌细胞中TFAM和SERCA2a均显著降低。而过表达TFAM并未提高心力衰竭小鼠心肌细胞中SERCA2a蛋白的表达。这表明TFAM可能在生理性SERCA2a表达中发挥作用，而在心力衰竭的心肌细胞中，SERCA2a可能会受到潜在蛋白酶及其他表观遗传修饰的抑制。因此TFAM在心力衰竭中对SERCA2a的调控机制需要进一步发现与验证。

4 调节心力衰竭细胞内TFAM的主要机制

TFAM对心力衰竭的进展有缓解作用已被公认，所以增加心力衰竭细胞中TFAM的表达成为缓解心力衰竭进展的主要靶点。现阐述目前几种主要提升细胞内TFAM的机制，进而为增加心力衰竭细胞内TFAM的表达提供一些见解。

4.1 Lon蛋白酶通路

Lon蛋白酶是一种关键的应激反应蛋白，作为AAA+(与多种细胞活动相关的ATP酶)蛋白超家族的重要成员，可识别并降解线粒体内错误折叠、未组装、聚集和损伤的蛋白质；并对线粒体及内质网内未折叠蛋白起调节作用[23]。Lon蛋白酶对TFAM的调节主要通过降解及协助转运的方式发挥作用。Matsushima等[24]的实验表明Lon蛋白酶通过选择性降解TFAM来稳定线粒体中TFAM和mtDNA比率。当TFAM不与mtDNA结合时，会被Lon蛋白酶迅速降解，然而与mtDNA结合的TFAM被阻止降解。此外Lon蛋白酶还可降解错误折叠的TFAM来调节线粒体转录，从而实现mtDNA和功能性TFAM 的平衡。Lan等[25]的研究则证实了四甲基吡嗪(中药川芎的主要成分)可通过稳定TFAM而增强其对Lon蛋白酶降解的抵抗力，进而促进TFAM及mtDNA的上调。

除了通过降解作用对TFAM进行调节，Lon蛋白酶还可作为伴侣蛋白对TFAM的转移进行调节。TFAM在细胞核合成，与载体热休克蛋白70(heat shock protein 70，HSP70)结合后转运入胞质中，在胞质中与HSP60结合形成HSP60-HSP70-TFAM复合体后在HSP70的允许作用下释放入线粒体调节转录。当线粒体产生的ROS过多时，Lon蛋白酶被上调，Lon-HSP60-HSP70复合物的稳定性随着Lon蛋白酶的上调而增强，这有助于TFAM从HSP60-HSP70复合物释放到线粒体中[26]。这种伴侣蛋白作用在ROS过多的情况下有助于TFAM转运及表达的增加。综上所述，Lon蛋白酶介导的通路在调节TFAM及对抗ROS上起着重要的作用。Lon蛋白酶可能成为治疗心力衰竭的新靶点。

4.2 过氧化物酶体增殖物激活受体γ共激活因子1α通路

过氧化物酶体增殖物激活受体γ共激活因子1α(peroxisome proliferator-activated receptor γ coactivator-1α，PGC-1α)是近年来备受关注的核受体辅助激活因子，通过与过氧化物酶体增殖物激活受体、核呼吸因子(nuclear respiratory factor，NRF)和雌激素相关受体等核受体相互作用，调节线粒体的生物合成、物质和能量代谢以及抗氧化应激。PGC-1α可通过辅助并共激活NRF-1、NRF-2进而调节TFAM的生成[27]。因此可推测其在缓解心力衰竭中的重要作用。Zhu等[28]在异丙肾上腺素刺激下建立的大鼠心力衰竭模型中观察到PGC-1α表达降低，并伴有氧化应激和线粒体功能障碍，而培哚普利则上调了PGC-1α、NRF1和TFAM的表达，改善了心力衰竭大鼠模型的心功能。由PGC-1α-NRF1-TFAM途径调节的线粒体生物合成也被认为是卡维地洛治疗心力衰竭的另一主要机制[29]。此外，在部分中药如葛根素、芪参颗粒中也证实了靶向PGC-1α-NRF1-TFAM途径可改善心力衰竭细胞中线粒体功能和抗氧化应激反应[30-31]。因此，PGC-1α-NRF1-TFAM可能是改善心力衰竭线粒体功能障碍的潜在治疗靶点。

4.3 TFAM的表观遗传学调控

目前TFAM的表观遗传学调控是线粒体生物功能的研究热点，现已知的对TFAM表观遗传学调控方式有微小RNA(microRNA，miRNA)与甲基化。

miRNA是小的非编码RNA，通过抑制信使核糖核酸(messenger RNA，mRNA)翻译或刺激mRNA降解来控制靶基因的表达。Quiones-Lombraa等[32]在患者心脏样本中发现miRNA-155-5p(miR-155-5p)和TFAM表达之间存在着负相关。此外Wu等[33]在结肠癌患者的癌细胞中通过miR-214过表达抑制了TFAM，并显著抑制了结肠癌细胞的增殖。由于miR-214对TFAM的调节作用，miR-214被认为是癌细胞增殖的潜在治疗靶点。另miR-199a-3p被验证可在乳腺癌细胞中调节TFAM的生成进而促进转移[34]。可以看出目前miRNA调控TFAM的研究多集中在肿瘤方面，但也看到了其在心力衰竭细胞中调控TFAM的可能。此外TFAM也可以通过启动子区域的甲基化进行表观遗传调控。TFAM特异性启动子区域的甲基化会降低TFAM蛋白的表达并导致线粒体功能丧失，但通过去甲基化方式则可增加TFAM的表达。Peng等[35]发现香烟烟雾诱导的TFAM启动子高甲基化与慢性阻塞性肺疾病的发生和发展有关。另Behera等[36]研究发现益生菌通过促进Kdm6b/Jmjd3组蛋白去甲基化酶来增加成骨细胞中TFAM的表达，该酶可抑制TFAM启动子处的H3K27me3甲基化。针对高甲基化TFAM，这些发现可能为开发去甲基化药物来调节心力衰竭细胞内TFAM表达提供一些新见解。

5 展望

TFAM作为调控mtDNA转录、复制的转录因子，对调节心力衰竭心肌细胞线粒体氧化应激、Ca2+稳态和mtDNA损伤有重要作用，并可能是治疗心力衰竭的靶点之一，但TFAM发挥作用的机制仍需更深入的探索。此外，TFAM不仅在心力衰竭发生发展过程中起重要作用，对动脉粥样硬化、高血压等心血管疾病的进展也有一定影响。因此，调节TFAM的治疗策略会成为未来广泛研究的目标，并可能在心血管治疗领域上有更好的应用。