线粒体动力相关蛋白1与动脉粥样硬化研究进展

刘小雨 庞树朝 江杨杨 王丽欣

(天津中医药大学第一附属医院 国家中医针灸临床医学研究中心,天津 300193)

心血管疾病发病率逐年上升,2019年在农村和城市中心血管疾病分别占中国居民死因的46.74%和44.26%,中国正面临人口老龄化和代谢危险因素的双重压力,心血管疾病负担仍将持续增加[1]。冠状动脉粥样硬化性心脏病是心血管疾病患病率和死亡率最高的疾病之一,动脉粥样硬化(atherosclerosis,AS)的发生和发展涉及血管内皮细胞功能障碍、血管平滑肌细胞(vascular smooth muscle cell,VSMC)增殖、巨噬细胞脂质过载形成泡沫细胞等多种机制。线粒体是一种高度动态的细胞器,其不断地进行分裂与融合的动态平衡过程被称为“线粒体动力学”。在各种因素影响下,线粒体动力学极易失衡,尤其是分裂异常所导致的线粒体功能障碍与AS的发生和发展密切相关。调控线粒体分裂的蛋白包括动力相关蛋白1(dynamin-related protein 1,Drp1)、线粒体分裂蛋白1以及线粒体分裂因子等,其中起关键作用的是Drp1。有研究[2]表明敲除Drp1可抑制凋亡蛋白胱天蛋白酶3活化,减轻血管内皮功能损伤;相反,Drp1的过表达则可升高内皮细胞内活性氧(reactive oxygen species ,ROS)水平,加速AS进展。由此可见Drp1在AS过程中扮演着重要角色,而Drp1如何参与AS的病理发展却鲜有关注,现就Drp1介导AS进展具体机制及靶向Drp1治疗AS现状进行综述。

1 线粒体结构

线粒体是一种存在于大多数真核细胞中的半自主细胞器,具有双层膜结构,即高渗性的线粒体外膜和低渗性的线粒体内膜。前者是线粒体最外层单位膜,厚度为6～7 nm,包含分选和组装机器复合体、线粒体外膜转位酶复合体及孔蛋白3个整合蛋白家族,主要负责线粒体的信号传递;后者是线粒体外膜内侧的单位膜,其向内折叠形成嵴,从而增加内膜面积,使更多的反应能在内膜上进行[3]。线粒体嵴通过嵴连接与线粒体内膜连接,且嵴上锚定着呼吸链电子传递链复合物蛋白和三磷酸腺苷(adenosine triphosphate,ATP)合酶,其通过氧化磷酸化作用产生ATP,为细胞的正常代谢活动提供能量[4]。线粒体外膜与粒体内膜又将细胞器分为线粒体基质和膜间空间,线粒体基质包含许多生物分子,如参与三羧酸循环、脂肪酸氧化和氨基酸降解等生化反应的酶、线粒体DNA、线粒体RNA和线粒体核糖体等[4-5]。

2 线粒体动力学

线粒体不仅是真核生物的“能量工厂”,还是机体代谢枢纽和信号转导平台,在调节细胞内钙稳态、磷脂合成、ROS生成和维持、铁硫簇合物的生物合成和固有免疫信号转导等生物过程中扮演重要角色[6-7]。线粒体功能受线粒体动力学的操控,主要包括线粒体融合和线粒体分裂。前者不仅可对线粒体受损部分进行动态修复,而且使细胞器共享蛋白质、线粒体DNA等代谢物。相反,当线粒体受到不可逆损伤并对细胞产生潜在有害性时,则发生线粒体分裂,即将受损的线粒体分割成小的球形细胞器,进而在线粒体自噬下进行分离和消化以维持健康的线粒体网络[8]。

3 Drp1的结构与活性调控

线粒体分裂是细胞产生线粒体的重要方式,也是清除受损线粒体、维持线粒体正常功能的重要手段,该过程主要由Drp1介导。Drp1是一种广泛分布于细胞质中的鸟苷三磷酸(guanosine triphosphate,GTP)酶蛋白,其以多种可变剪接变体的形式表达于哺乳动物的心脏、骨骼肌、脑、肾和睾丸中[9]。Drp1由4个结构域组成:C端GTP酶效应结构域、可变结构域、螺旋中间结构域和N端GTP酶结构域[10]。由于Drp1缺乏与脂质相互作用的普列克底物蛋白同源结构域,其只能通过线粒体分裂蛋白1、线粒体分裂因子、线粒体动力蛋白49/51等相关衔接蛋白才能从细胞膜被运送至线粒体外膜进行寡聚化,形成一个内径约为20 nm的螺旋环,并转运至分裂位点,以GTP依赖性方式收缩细胞器,最终母体细胞器分成两个子体,完成线粒体分裂全过程[11]。此外,Bcl-2腺病毒/E1B 19kD相互作用蛋白3、髓样细胞白血病-1以及含FUN14结构域蛋白1也被证明可招募Drp1到线粒体外膜,启动线粒体分裂[12]。

Drp1介导的线粒体分裂受多种翻译后修饰(post-translational modification,PTM)的严格调控,例如磷酸化、SUMO化、泛素化、棕榈酰化和亚硝酰化等。这些PTM主要位于Drp1可变结构域,在Drp1的激活、蛋白质稳定性、蛋白质之间的相互作用、GTP酶活性以及细胞质和线粒体外膜之间的转运中发挥重要作用[13]。磷酸化是Drp1最典型的PTM之一,目前已鉴定了许多磷酸化位点:Ser579、Ser40、Ser585、Ser44、Ser592、Ser656、Ser616、Ser637和Ser693等。其中Ser616的磷酸化是促进Drp1定位到线粒体外膜的关键,该过程由Rho相关蛋白激酶、蛋白激酶Cδ、细胞周期蛋白依赖性激酶1、细胞外调节蛋白激酶1/2、钙调蛋白依赖性蛋白激酶Ⅱ催化[11]。值得一提的是,双特异性磷酸酶6可独立于细胞外调节蛋白激酶1/2对Ser616进行去磷酸化,不过此作用在氧化条件下会被去SUMO化修饰破坏[14]。Drp1的SUMO化包括两种途径:一种是线粒体锚定蛋白连接酶依赖的SUMO1修饰;另一种是Sentrin/SUMO特异性蛋白酶依赖的去SUMO2/3修饰,去SUMO2/3修饰不仅可促进线粒体分裂、钙摄取、细胞色素C的释放,还可激活线粒体自噬。相反,Drp1进行SUMO2/3修饰和去SUMO1修饰则可抑制ATP生成,提高受损线粒体比例[13,15]。

4 Drp1是AS的重要驱动因素

Drp1与一氧化氮(nitric oxide,NO)、ROS、钙离子水平和细胞凋亡等因素密切相关,而这些因素稳态失衡可引起内皮细胞损伤、VSMC的增殖和迁移、巨噬细胞分泌炎症因子以及介导的胆固醇逆转运障碍等AS的相关病理特征出现(见图1)。

图1 Drp1参与AS的机制

4.1 Drp1与内皮细胞

内皮细胞可通过膜受体感知血流动力学变化并分泌血管活性因子,维持血管稳态。NO是内皮细胞发挥依赖性舒张功能的关键刺激因子,过表达的ROS不仅可干扰内皮细胞的NO信号转导,增加血管壁张力,而且可使内皮细胞细胞间连接丢失,内皮通透性增强,促使AS的形成[16-17]。由此可见,ROS过量及NO不足是导致内皮细胞损伤的首要原因,而抑制Drp1的表达可拮抗这一过程。抑制Drp1的表达会降低烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶4水平,并提高主动脉内皮细胞中NO水平,防止内皮损伤[18];反之,Drp1的过表达可促进线粒体ROS产生,过量的ROS又可通过激活c-Jun氨基端蛋白激酶信号通路增强Drp1磷酸化,使内皮细胞内线粒体分裂过度,从而形成恶性循环,导致内皮细胞死亡[19]。此外,内皮细胞衰老及其诱发的炎症反应也是AS的诱导因素之一,Drp1亦参与了此环节。Forrester等[20]在肿瘤坏死因子-α诱导的内皮细胞中发现,抑制Drp1的活性或表达可抑制核因子κB激活、血管细胞黏附分子-1表达以及这些促炎因子诱导的白细胞黏附。

4.2 Drp1与VSMC

平滑肌细胞位于血管中膜,是构成血管壁组织结构和维持血管张力的主要细胞类型。VSMC在各种调节因子的刺激下发生表型转换、异常增殖,进而形成纤维帽,导致内膜增生,促进AS的形成。VSMC的增殖和迁移依赖于肌动蛋白细胞骨架和肌球蛋白运动功能的重组,此过程的大部分能量均由线粒体提供,且多项研究表明Drp1作为线粒体动力学中至关重要的一员,与VSMC的增殖和迁移、表型转化密切相关。一方面,过表达的Drp1导致其Ser616磷酸化增加,与线粒体外膜结合加快,进而影响VSMC的能量代谢和表型转变、促进VSMC的增殖和迁移;离体的主动脉环测定也证明了抑制Drp1对VSMC具有显著的抗增殖作用和抗迁移效应[8,21]。另一方面,Drp1的表达下调可抑制VSMC向成骨样细胞转化,缓解血管钙化[22]。值得一提的是,Drp1还是启动线粒体自噬的关键蛋白,尽管线粒体自噬通常在VSMC稳态中起积极作用,但有研究[23]表明上调Drp1的表达和下调线粒体融合蛋白1、线粒体融合蛋白2、视神经萎缩蛋白1的表达可协助线粒体自噬,加速VSMC的增殖。

4.3 Drp1与巨噬细胞

巨噬细胞是机体固有免疫系统中重要细胞成分,其通过清道夫受体识别并吞噬脂质,形成泡沫细胞,构成纤维斑块,并在各种趋化因子作用下向不同方向极化,调节炎症因子比例,介导AS全程[24]。多项研究证明Drp1的表达水平可影响巨噬细胞参与的炎症反应、胆固醇逆转运及细胞凋亡过程。其一,下调Drp1表达可抑制Toll样受体2/4、糖原合酶激3β介导的核因子κB途径及核苷酸结合寡聚化结构域样受体蛋白3途径,下调巨噬细胞的巨噬细胞经典活化型/替代活化型比率,降低肿瘤坏死因子-α等促炎介质水平[25-27]。其二,抑制巨噬细胞中Drp1介导的线粒体分裂可下调CD36的表达、上调ATP结合盒转运体A1的表达,促进胆固醇外流[28]。其三,抑制Drp1的表达可减少CD137信号诱导的凋亡巨噬细胞的数量,减轻斑块负担[29]。尽管以上各种证据均指向Drp1水平与巨噬细胞的促AS性呈正相关,仍有相反观点提出,即Drp1可加快巨噬细胞对凋亡细胞的持续清除。Wang等[30]发现将凋亡细胞添加至巨噬细胞后,Drp1的表达迅速增加,吞噬溶酶体降解凋亡细胞尸体及钙依赖性囊泡运输速度加快;相反,在Drp1表达缺陷的巨噬细胞中,线粒体钙大量流失,胞葬功能受损,病灶处凋亡细胞堆积。

5 靶向Drp1可作为潜在的治疗AS途径

大量研究表明靶向Drp1日益成为治疗AS的新兴方向。线粒体分裂抑制剂1(mitochondrial division inhibitor-1,Mdivi-1)是Drp1的小分子活性抑制剂,其通过抑制PTM以及线粒体膜转位抑制Drp1与线粒体膜相互作用。研究[31]表明牙龈卟啉单胞菌具有促AS作用,而Mdivi-1可成功阻断该厌氧菌导致的Drp1(Ser616)磷酸化、线粒体ROS积累、线粒体膜电位及ATP水平降低。此外,Mdivi-1还具有降脂、抑制血管钙化之功效。在AS小鼠模型中,Mdivi-1不仅可减缓血管钙化,还有抑制内质网重塑、维持肝脏蛋白稳态的作用,故Rogers等[32]将Mdivi-1定义为新型小分子前蛋白转化酶枯草溶菌素9抑制剂。Fang等[33]发现Mdivi-1可降低线粒体分裂频率,显著拮抗氧化低密度脂蛋白对VSMC线粒体形态和功能造成的损伤,抑制VSMC泡沫化。然而,Bordt等[34]对Mdivi-1的特异性提出了质疑,他们发现Mdivi-1可通过不依赖于Drp1途径抑制线粒体呼吸链复合体1。不过此观点尚存在争议,因为Aishwarya等[35]在暴露于Mdivi-1及敲除Drp1的大鼠心肌细胞中发现呼吸链复合体1的水平也同样下降。因此需更多的大型动物模型研究来验证Mdivi-1的潜在目标效应。

除了Mdivi-1,还有一些激素、中药及其提取物被证明可通过Drp1依赖性途径减缓AS进程。最新研究[36]发现,补阳还五汤可通过调节AMP活化蛋白激酶/Drp1途径减少线粒体分裂来抑制AS。补骨脂异黄酮是补骨脂的主要活性成分,其可通过调节mTOR/Drp1信号级联反应抑制血小板衍生生长因子诱导的VSMC增殖和迁移,减轻ApoE基因缺陷小鼠的AS病变[37];冬青素A是毛冬青的主要活性成分,其可通过核转录因子红系2相关因子2途径促进蛋白酶体亚基β5型的表达,降低Drp1水平,改善内皮细胞功能障碍[38]。褪黑素及鸢尾素这两种激素被证明均可通过AMP活化蛋白激酶/Drp1信号转导抑制VSMC向成骨样细胞转化,减弱动脉血管钙化[22,39]。CDGSH铁硫结构域1是一种铁硫线粒体外膜蛋白,其依赖Drp1途径才能发挥降低血清低密度脂蛋白胆固醇、甘油三酯水平和降低AS面积的作用[40]。

6 总结与展望

Drp1的表达在AS进展中起重要作用,相关机制目前主要集中于其与内皮细胞受损、VSMC增殖和迁移及巨噬细胞的关系。其一,表达增加的Drp1通过促进氧化应激、抑制NO信号转导促进内皮细胞损伤,并以多种方式促进内皮细胞衰老。其二,过表达的Drp1既可通过调控能量代谢、表型转化及线粒体自噬促进VSMC的增殖和迁移,又可促进VSMC向成骨样细胞转化、缓解血管钙化。其三,表达缺陷的Drp1可通过促进巨噬细胞向替代活化型方向极化、抑制炎症因子表达以抑制局部炎症反应,还可促进胆固醇外流及减少凋亡的巨噬细胞数量。然而,有学者提出表达缺陷的Drp1会削弱巨噬细胞在胞葬过程中降解内化的凋亡细胞的能力,因此如何把握好且利用巨噬细胞有效的胞葬作用是通过Drp1减缓AS的未来研究方向。此外,Mdivi-1及部分中药提取物被证明依赖于Drp1途径减缓AS进程,不过Mdivi-1的下游靶点尚存在争议,仍需不断探索。相信随着研究的不断深入,Drp1可作为AS治疗靶点,开辟新的领域。