线粒体融合/分裂平衡在高血压靶器官损害及治疗中的作用研究进展*

张世益 胡 阳综述 邓 洁审校

线粒体动力学包括线粒体分裂、融合、质量控制和运输,其中融合和分裂是最关键的2 个过程[1]。线粒体通过调控融合/分裂平衡来维持其正常结构和功能。线粒体过度融合会引起分裂不足,导致线粒体数量减少,生产的ATP也减少,无法满足细胞能量需要[2,3]。线粒体过度分裂不仅会引起受损线粒体融合困难,无法通过与一个健康线粒体融合来稀释毒性超氧化物和修正受损线粒体DNA,进而实现自我修复,导致不成熟线粒体增多,无法发挥正常功能[4-6]。

高血压是心脑血管疾病的主要危险因素,常导致心脏、血管、大脑及肾脏等重要脏器损害,研究发现抑制线粒体过度分裂和过度融合,恢复其分裂/融合平衡,可改善高血压所导致的心肌细胞肥大[7,8]、减轻血管内皮细胞炎症反应[9]、抑制血管平滑肌细胞和外膜成纤维细胞增殖、迁移及表型转换[10,11]、保护神经元和肾脏组织免受氧化应激损害[12,13]。

本文总结了线粒体融合/分裂失衡在高血压所导致的心脏、血管、大脑及肾脏等靶器官损害中的作用,以及恢复线粒体融合/分裂平衡对治疗高血压靶器官损害的意义。

1 线粒体融合与分裂

线粒体融合是由线粒体融合蛋白1(Mitofusin1,Mfn1)、线粒体融合蛋白2(Mitofusin2,Mfn2)和视神经萎缩因子(Optic atrophy 1,Opa1)介导,其中Mfn1/2介导线粒体外膜融合,Opa1介导内膜融合[14]。位于线粒体外膜上的Mfn1和Mfn2发生结合,形成同二聚体/异二聚体,牵拉相邻线粒体逐步增大外膜接触面积,促使外膜融合。外膜融合结束后,位于线粒体内膜和间隙的Opa1介导其内膜和基质融合,使之融为一个新的线粒体[4]。

生理状态下,通常两个相邻健康线粒体融合,可促进线粒体代谢产物及线粒体DNA(mtDNA)的共享,增强线粒体结构稳定。病理状态下,一个健康线粒体和一个不健康线粒体融合,可以稀释毒性超氧化物、修正受损线粒体DNA,从而实现自我修复[2-4]。

线粒体分裂是由动力相关蛋白1(Dynamin-related Protein 1,Drp1)、线粒体分裂蛋白 1(Fission Protein 1,Fis1)、线粒体裂变因子(Mitochondrial Fission Factor,Mff)和线粒体动态蛋白49/51 (Mitochondrial Dynamics Proteins 49/51,MiD49/51)介导。其中Drp1是线粒体分裂的主要效应蛋白,通过磷酸化不同位点调控其活性,其中磷酸化Ser 616位点可增强Drp1活性,促进线粒体分裂;而磷酸化Ser 637位点会降低Drp1活性,抑制其分裂[15]。线粒体分裂可分为3个步骤[14,16]:(1) 细胞质中的Drp1被 Fis1、Mff和MiD49/51招募至线粒体外膜的分裂位点;(2)Drp1形成螺旋低聚物,在GTP水解作用下逐渐收缩;(3)Drp1进一步收缩直至线粒体一分为二。生理状态下,健康成熟线粒体可通过分裂产生新的子代线粒体,使线粒体数量增多、生产ATP也增多,以此满足细胞能量代谢需要。病理状态下,受损线粒体将线粒体基质和线粒体DNA不均匀地分配到两个子代线粒体中,分裂为一个缺陷子代线粒体和一个健康子代线粒体,缺陷子代线粒体经过自噬途径被降解,保留一个健康子代线粒体发挥功能[5,6]。见图1。

图1 线粒体的融合与分裂机制[17]

2 线粒体融合/分裂平衡与原发性高血压靶器官损害的关系

2.1 心脏

心脏是人体最大的耗能器官,需要大量ATP来维持心肌的收缩和舒张,线粒体作为生产ATP的能量工厂,因此维持线粒体的分裂/融合平衡对心肌细胞正常工作至关重要。Ordog等[7]观察到自发性高血压大鼠(Spontaneously Hypertensive Rats,SHR)心肌组织内片状或碎片状线粒体增多,表现为线粒体异常过度分裂,使用聚ADP核糖聚合酶(PARP)抑制剂L2286减少细胞质中Drp1转移至线粒体外膜的分裂位点,减少线粒体过度分裂,减轻室间隔和左心室后壁增厚,降低左心室重量,有效改善心室重构[7]。去乙酰化酶Sirtuin-1(Sirt1)能阻止肿瘤因子P53与Drp1基因的启动子结合,直接抑制Drp1转录表达,从而抑制线粒体过度分裂,减少心肌细胞凋亡[18]。使用Drp1抑制剂(Mdivi1)治疗高盐诱导的高血压心肌肥厚大鼠,发现Mdivi1能减少高血压引起的活性氧(Ros)升高,减少心肌氧化应激损害,并抑制钙调神经磷酸酶和Ca2+/钙调蛋白依赖性蛋白激酶Ⅱ(CaMKII)的激活,减少心肌舒张期肌浆网钙离子漏出,增强肌浆网积累钙离子能力,从而增强心肌细胞收缩力,延缓心肌细胞肥大和心脏纤维化[19,20]。

此外,Qi等[18]和楚勇等[21]分别用血管紧张素II(AngII)诱导高血压心肌肥厚,发现心肌组织内Drp1蛋白表达升高,Opa1和Mfn2蛋白表达减少,线粒体表现为分裂过度/融合不足。众所周知,AngII能收缩全身小血管,增加醛固酮释放,引起钠水潴留,导致高血压和心室重构的发生。近年来研究发现AngII还能通过激活ras/raf/Mek信号通路来促进心肌肥厚。而线粒体融合蛋白2(Mfn2)是ras/raf/Mek信号通路中重要的负性调控因子,使用AngII受体拮抗剂坎地沙坦酯可通过上调Mfn2表达,促进线粒体融合来抑制ras、raf和Mek的表达,有效改善心脏重构[22]。另外,Tang等[23]发现代偿性心肌肥厚的SHR心肌组织内Drp1降低、Opa1表达升高,线粒体表现为更趋向于融合,而不是分裂。Shou 等[8]在高盐诱导高血压射血分数保留心力衰竭(HFpEF)模型中观察到PTEN诱导激酶1(PINK1)磷酸化Drp1 的Ser616位点,增强其活性,通过促使线粒体趋于分裂,抑制其过度融合来减缓高血压诱导的HFpEF进展,表明线粒体过度融合参与了高血压诱导的代偿性心肌肥厚和HFpEF进程。

由此可见,在高血压诱导的心室重构中,线粒体既能表现为过度分裂,也能表现为过度融合,这种线粒体动力学差异出现的原因,目前尚不清楚;但通过抑制线粒体过度分裂或过度融合,恢复其融合/分裂平衡,能改善高血压所导致的心室重构。

2.2 血管

血管壁分为内膜、中膜和外膜,血管壁在长期高血压作用下启动血管重塑[24]。

血管内膜由血管内皮细胞(Endothelial Cells,ECs)组成,血压增高会增加血流对ECs的冲击,长期冲击致使ECs受损,出现炎症及增生反应导致内膜增厚[25]。Steven等[26]和Liu 等[9]发现通过抑制Drp1表达从而减少线粒体过度分裂,能抑制ECs炎性调节因子的激活和炎性因子的释放,并改善SHR大鼠的血管内膜增厚,这表明高血压引起的血管内皮炎症损害可能与线粒体过度分裂有关。

血管中膜主要是由血管平滑肌细胞(Vascular Smooth Muscle Cells,VSMCs)构成,血管侧壁压力的增高会引起血管壁的病理性牵张[27],VSMCs受到牵张力刺激时可将机械刺激信号转化为细胞内生物信号,激活肾素-血管紧张素(RAS)系统,促使VSMCs由稳定收缩表型向分泌表型转换,分泌出的Ang Ⅱ能刺激VSMCs增殖和迁移[28],进而启动血管重塑。研究[10]报道Drp1 siRNA可抑制Drp1表达并显著减弱Ang II诱导的VSMCs增殖、迁移和表型转换。大蒜的主要活性成分二烯丙基三硫化物(DATS)抑制Drp1介导的线粒体分裂,改善Ang II诱导的血管重塑,其作用机制可能与下调Rho相关蛋白激酶1(Rock1),减少Drp1在Ser616位点磷酸化,减少Drp1激活、进而抑制线粒体过度分裂有关[10,29]。

血管外膜是一层纤维结构支撑性组织,主要效应细胞是外膜成纤维细胞(Adventitial Fibroblasts,AFs),在受到病理刺激时可分泌多种趋化因子和细胞因子,不仅诱导炎性细胞聚集,还能通过旁分泌方式作用于ECs和VSMCs,与血管内膜、中膜发生交叉作用,加速血管损害[30,31]。AFs还可分化为肌成纤维细胞(Myofibroblasts,MFs),分泌表达α-平滑肌肌动蛋白和细胞外基质蛋白,导致血管纤维化发生[30]。研究发现Ang Ⅱ不仅能刺激AFs分泌白介素-11等炎症因子作用于ECs和VSMCs,增强血管炎症反应[30],还能促进NLRP3炎症小体相关蛋白NLRP3、Caspase-1和ASC共表达,诱导AFs迁移[32]。同时Ang Ⅱ还能促使AFs向MFs分化,促进血管纤维化、降低血管弹性,从而进一步使血压升高[31]。Huang等[11]在AngⅡ诱导的血管外膜重塑的动物模型中,发现AngⅡ促进了钙调磷酸酶(Calcineurin,CaN)的表达,CaN能使Drp1的Ser637位点去磷酸化,从而激活Drp1活性,促进线粒体分裂。使用HSP90抑制剂17-DMAG能抑制AngⅡ诱导的CaN激活,逆转Drp1在Ser637位点的去磷酸化,进而抑制线粒体过度分裂,显著减少AFs向MFs分化、减轻血管壁增厚和主动脉外膜纤维化。

综上所述,抑制线粒体过度分裂有利于延缓血管重构,其作用机制主要是通过抑制Drp1表达来实现。

2.3 大脑

高血压性脑损害主要包括两方面,一是通过增加氧化应激反应,直接损害神经元[33];二是通过损害脑血管促使脑动脉粥样硬化,使脑血管弹性降低、脑血流量减少、进而引发脑血管意外[34]。

大量研究报道高血压动物模型的下丘脑室旁核(PVN)区域内可见ROS的升高和神经元的异常损害[33,35,36],Xin等[37]发现SHR大鼠脑组织内Drp1表达增高、线粒体表现为过度分裂,这提示Ros引起的氧化应激损害神经元很可能与线粒体分裂/融合失衡有关。有证据表明Ros增加可通过下调线粒体融合蛋白Mfn2和Opa1的表达导致线粒体融合不足,并通过抑制Drp1在Ser637位点的磷酸化来增强Drp1活化,使线粒体过度分裂,导致线粒体异常断裂和功能受损并诱导神经元死亡。使用L-丝氨酸促进细胞内抗氧化剂谷胱甘肽的合成,能抑制线粒体过度分裂来保护神经元免受氧化应激损害[12,38]。此外,高血压和颅内血流动力学异常可损伤脑血管,使弹性降低、脑血流量减少、进而引发脑白质病变甚至脑卒中发生[34]。研究报道[39]解偶联蛋白-2(Ucp2)大量上调表达可显著延缓SHR大鼠脑中风和肾损伤的发生。另外该研究还发现在脑中风的SHR大鼠中,使用Ucp2治疗会促进Opa1和Fis1蛋白显著上调,这两种蛋白分别是线粒体融合和裂变的标记物,这表明Ucp2延缓脑中风发生,很可能与驱动线粒体融合和分裂有关。在脑缺血再灌注损伤模型中,敲除Ucp2基因,减少Ucp2表达会抑制脑组织内Opa1和Mfn2融合蛋白表达,并促进Ros、Drp1和Fis1升高,导致Ros聚集和线粒体过度分裂[40],恢复线粒体分裂/融合平衡可部分改善由于Ros聚集和Ca2+超载对神经元的损害[41]。在脑出血模型中,催产素[42]和脂联素[43]可通过磷酸化Drp1的S637位点来降低Drp1活性,抑制线粒体过度分裂来减少神经元炎症反应和神经功能损害。由此可见,维持线粒体分裂/融合平衡有助于延缓高血压脑卒中的发生和改善卒中后的脑缺血再灌注损害。

2.4 肾脏

研究发现高血压小鼠肾功能受损,表现为白蛋白排泄量增加、肌酐清除率下降,并伴有Ros 水平的升高,给予线粒体活性氧清除剂 mitoTEMPO治疗后可一定程度减轻肾损害[44]。研究报道慢性肾脏病会引起Ros和Drp1水平的增加和Opa1表达的减少,表现为线粒体分裂增加/融合减少。硫代硫酸钠(Na2S2O3,STS)不仅能有效清除Ros,还能恢复线粒体融合/分裂平衡和减轻肾血管性高血压动物模型中的肾脏氧化损伤[13]。因此,由Ros诱导的高血压性肾损害很可能与线粒体融合/分裂失衡有联系。但目前关于线粒体融合/分裂平衡和高血压肾损害的研究较少,二者间的关系还有待于进一步研究。

3 高血压靶器官治疗与线粒体融合/分裂平衡

3.1 药物治疗

Mdivi-1是常用的Drp1抑制剂,它通过抑制 Drp1 GTPase 活性,降低GTP水解,减少能量释放,从而导致线粒体因能量不足而减少分裂。大量研究表明Mdivi-1在延缓和治疗高血压心脏、血管及大脑等靶器官损害方面具有重要作用。HASAN P等[19]在高盐诱导的高血压心肌肥厚模型大鼠中,发现Mdivi-1能减少高血压引起的心肌氧化应激损害,并增强肌浆网Ca2+蓄积能力,增强心肌细胞收缩力,延缓心肌细胞肥大和心室重构。Liu 等[9]用Mdivi-1喂养SHR大鼠,发现SHR体内Drp1的mRNA表达水平、白细胞介素6(IL-6)和肿瘤坏死因子-α(TNF-α)等炎性因子的表达水平均下降,Mdivi-1通过减少Drp1表达来减轻SHR血管内皮细胞的炎症反应,从而保护血管。Zhang等[45]用Ang II刺激原代培养的大鼠VMSCs来制备高血压模型,发现Mdivi-1能抑制Ang II诱导的VMSCs胞浆内碎片状线粒体的增多和减少增殖细胞核抗原(PCNA)、细胞周期蛋白D1(Cyclin D1)、周期素依赖性激酶1(CDK1)等细胞周期标志物的表达,使细胞周期停滞在G1/S期,从而抑制VMSCs增殖,延缓血管重构。Zhang等[46]向小鼠左侧纹状体内注射IV型胶原酶溶液来构建脑出血模型,发现Mdivi-1能增加Drp1在Ser656位点的磷酸化和减少Drp1易位至线粒体外膜分裂位点,减少线粒体分裂,并减轻脑水肿和血脑屏障破坏,改善了神经元功能缺损和突触功能障碍。

此外,在已上市的降压药中,第三代高选择性β1肾上腺素能受体拮抗剂奈比洛尔和AngII受体拮抗剂坎地沙坦酯被发现其降压及保护心肌损害作用也与恢复线粒体融合/分裂平衡有关。在Ang II刺激H9c2心肌细胞制备高血压心肌损害模型中,发现单用奈比洛尔或奈比洛尔联合缬沙坦都可减少ROS生成,并恢复Ang II诱导的H9c2心肌细胞内线粒体融合相关蛋白Mfn2和Opa1的表达下降,从而恢复线粒体融合/分裂平衡来保护Ang II诱导的心肌细胞损害[47]。Wang等[22]用坎地沙坦酯治疗SHR,发现SHR的血压被很好地控制在正常范围内,心肌细胞排列不规则及心肌纤维变粗等病理改变也被明显改善。研究表明ras/raf/Mek信号通路的激活会引起心肌细胞肥大和心室肥厚[48],坎地沙坦酯可通过上调SHR大鼠心脏组织中Mfn2表达,进而负反馈抑制ras、raf和Mek的表达,从而部分缓解心肌肥厚[22]。

3.2 运动治疗

众所周知,运动锻炼具有降压和保护高血压靶器官的作用,其作用机制与恢复线粒体融合/分裂平衡相关。我国学者胡萌[49]将SHR进行10周的游泳运动训练,10周后发现SHR左室收缩末期压和左室舒张末期压显著降低,左心室射血分数显著升高,心功能得到明显改善。大鼠心肌组织内Mfn1、Mfn2和Opa1的mRNA和蛋白表达水平均显著升高,Drp1和Fis1的mRNA和蛋白表达水平均显著降低,表明游泳运动可明显改善SHR心肌超微结构和心功能,其作用机制与促进Mfn1/2和Opa1表达,抑制Drp1和Fis1表达进而恢复线粒体融合/分裂平衡有关[50]。18周龄SHR主动脉内Drp1蛋白表达增加,而其它线粒体动力学相关蛋白Fis1、Mfn1、Mfn2和Opa1的表达无明显变化,游泳运动不仅降低了SHR的收缩压,还显著减少了主动脉内Drp1的表达和抑制了ECs内线粒体过度分裂[51]。此外,运动预处理还可通过调控自噬相关蛋白及 Mfn2和Drp1的表达来增加脑缺血再灌注后脑皮质自噬和恢复线粒体融合/分裂平衡,从而降低脑卒中风险和改善卒中后的神经元损害[52]。

4 小结与展望

线粒体融合/分裂平衡是维持线粒体结构和功能的基础。通过调控Drp1、Fis1等线粒体分裂蛋白以及Mfn1/2、Opa1等融合蛋白来恢复其融合/分裂平衡可有效改善高血压所导致的心脏、血管重构及神经元和肾脏损害。然而,在高血压导致心室重构过程中,线粒体既可表现为过度融合,又可表现为过度分裂,造成这种融合/分裂差异的原因很可能与心肌损害的不同阶段有关。在心肌损害早期,受损线粒体可能更倾向与健康线粒体融合来实现自我修复。随着病情进展至终末期,线粒体丧失修复能力,通过不断地分裂来清除受损线粒体基质和DNA。因此,深入探究心、脑、血管等靶器官损害不同阶段中线粒体融合/分裂失衡的影响因素及其调控、修复机制,将可能为治疗高血压靶器官损害提供新思路。