
糖尿病肾病(DKD)是糖尿病的严重并发症之一,也是导致终末期肾功能不全的主要原因。该病发病机制复杂,一般认为DKD是遗传因素与各种环境因素共同作用的结果,但详细的细胞分子生物机制尚未完全阐明。近年研究发现,亚细胞器及其相互作用在细胞生物学活动中发挥重要作用,线粒体、内质网及其紧密连接,即线粒体相关内质网膜(MAM)异常在DKD肾组织损伤中发挥重要作用。本文将围绕上述问题,结合国内外有关文献及作者研究结果,简要介绍线粒体、内质网、MAM在DKD发病机制中的作用及其研究进展。
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糖尿病肾病(diabetic kidney disease,DKD)是由糖尿病引起的严重微血管并发症,最终进展为终末期肾脏病[1]。随着糖尿病患病人数的增长,DKD的患病率不断攀升,已成为全球慢性肾脏病的首要病因[2]。目前DKD的治疗措施有限,降血糖、降血压、调节血脂等是该病的主要治疗措施,对延缓疾病进展发挥了重要作用,但仍有部分患者可发展至终末期肾脏病;因此,亟需对DKD发病机制进行深入探讨。目前认为,肾脏血流动力学异常、代谢异常、氧化应激、炎症细胞因子过表达以及遗传易感因素等多种致病机制参与DKD的发生发展过程[3, 4, 5]。然而针对上述发病机制着手研发的抗氧、抗炎症、抗纤维化等药物并未取得令人满意的临床效果。近年来研究表明,亚细胞器及亚细胞器之间的相互作用共同构成细胞器互作网络,发挥一系列重要的细胞功能。其中,线粒体、内质网及其紧密连接,即线粒体相关内质网膜(mitochondria-associated endoplasmic reticulum,MAM)的异常在DKD发病过程中起重要作用[6]。本文将简要介绍线粒体、内质网及MAM三个方面的最新研究进展,分述它们在DKD发病机制中的作用。
线粒体是细胞的产能中心,同时还参与类固醇合成、脂质代谢、钙信号转导和细胞凋亡等多种生物学过程[7, 8, 9]。此外,线粒体还是细胞内活性氧簇(reactive oxygen species,ROS)的主要来源[10]。肾脏作为一个高能量代谢需求的器官,其线粒体丰度仅次于心脏[11]。因此,线粒体数量、形态和质量的恒定是维持肾脏功能的前提条件[10]。然而,本课题组及其他研究者发现,糖尿病患者肾脏及小鼠肾脏中均存在线粒体片段化及线粒体嵴溶解等线粒体结构变化[12, 13]。另外,线粒体动力学、线粒体自噬等线粒体质量控制途径在维持线粒体内稳态方面至关重要[14],其中任何一环中断均可引起线粒体功能障碍,导致脂代谢异常、钙离子超载、凋亡等,最终引起DKD的发生和进展[15]。
线粒体动力学是指线粒体处于不断融合与分裂的过程,当线粒体受损时,线粒体分裂可将有缺陷或无功能部分分裂出去,维持线粒体稳态[16]。目前发现,多种鸟苷三磷酸(GTP)酶参与线粒体动力学的调控,如线粒体融合蛋白1 (mitofusion1,Mfn1)、线粒体融合蛋白2(mitofusion2,Mfn2)以及视神经萎缩相关蛋白1(optic atrophy1,Opa1)介导线粒体的融合[17];而动力相关蛋白1(dynamin-related protein 1,Drp1)和动力蛋白2(dynamin2,Drp2)则负责线粒体的收缩和断裂[17, 18]。此外,线粒体分裂因子(mitochondrial fission factor,Mff)[19]、分裂蛋白1(fission protein 1,Fis1)等通过招募Drp1而介导线粒体的断裂[20]。
在DKD动物模型肾脏中已发现Mfn1、Mfn2的表达降低,Drp1、Fis1、Mff表达增加,同时线粒体片段化增加,而过表达Mfn2或敲除Drp1可改善线粒体结构,伴随肾脏损伤的改善,提示线粒体动力学异常在DKD发病机制中起重要作用[21, 22, 23]。研究发现,Rho相关蛋白激酶1、激酶锚定蛋白A、肌醇加氧酶以及长链非编码RNA母系表达基因3等均可通过直接或间接磷酸化Drp1和(或)增加Drp1的表达水平,促进其向线粒体的募集而触发高糖诱导的线粒体分裂[24, 25, 26, 27]。本课题组研究发现,高糖状态下低表达的二硫键氧化还原酶类似蛋白(disulfide-bond A oxidoreductase-like protein,DsbA-L)可通过活化c-Jun氨基末端激酶(c-Jun N-terminal kinase,JNK)增加Mff的磷酸化水平,招募Drp1至线粒体,诱导线粒体分裂[22]。此外,糖尿病状态下表达下调的双特异性蛋白磷酸酶1也参与JNK-Mff通路[28]。另外,高糖状态下,肾小管细胞内衰老蛋白p66Shc磷酸化水平增加,通过与Fis1相互作用促进线粒体分裂,同时促进Mfn1与B细胞淋巴瘤-2(Bcl2)拮抗因子/杀伤因子蛋白结合而抑制线粒体融合,在DKD小管损伤中起致病作用[29]。本课题组还发现,缺氧诱导因子1α可通过增加血红素加氧酶1(HO-1)基因的表达,促进线粒体融合(Mfn1和Mfn2)、抑制线粒体分裂(Drp1和Fis1)而维持线粒体结构及数量的稳态,发挥肾脏保护作用[30]。总之,高糖环境下多种因子可通过调控线粒体动力学相关蛋白的表达及活性,影响线粒体的结构与功能,从而参与DKD的发病机制。
线粒体自噬是细胞根据自身能量需求清除冗余的线粒体[31],或在应激条件下清除受损或功能障碍的线粒体,维持细胞稳态的过程[32, 33]。在哺乳动物中,线粒体自噬主要受泛素依赖机制和泛素非依赖机制调控[34],前者受PTEN基因诱导激酶蛋白1(PTEN-induced putative kinase protein1,Pink1)-Parkin通路调控,后者则与线粒体自噬受体Bcl-2/腺病毒E1B19kDa结合蛋白3(Bcl2/adenovirus E1B 19-kDa protein-interacting protein 3,BNIP3)和Nip3样蛋白X等有关[34]。
已知高糖培养的肾脏细胞中Pink1和Parkin的表达下降[35],本课题组的研究也发现,db/db小鼠肾脏中线粒体自噬功能缺陷,而外源性给予MitoQ可促进线粒体自噬,减轻肾损伤[36],提示线粒体自噬的相对不足是DKD肾脏损伤的重要机制。然而,也有学者发现,db/db小鼠肾脏中Pink1、Parkin表达增加,且线粒体自噬水平增加[37, 38, 39];而给予黄芪提取物治疗后,线粒体自噬水平下降、肾损伤改善,提示线粒体自噬过度激活的有害性[37, 38]。目前认为,糖尿病早期线粒体自噬不足参与细胞损伤,而晚期自噬过度活化同样不利于细胞存活,导致糖尿病的肾脏损伤[40]。
近期本课题组研究发现,高糖环境下肾脏肌醇加氧酶表达上调,通过抑制Pink1的表达及随后招募Parkin至线粒体的过程抑制线粒体自噬,从而参与DKD小管损伤过程[27];高糖状态下活性降低的转录因子NF-E2相关因子2 (NF-E2-related factor 2,Nrf2)也可通过降低Pink1的表达而抑制线粒体自噬[36]。Huang等[41]研究发现,硫氧还蛋白相互作用蛋白(thioredoxin interacting protein,TXNIP)也是线粒体自噬的调控因子,高糖可上调TXNIP的表达,进而抑制BNIP3的表达,导致线粒体自噬障碍[41]。此外,最新的研究显示microRNA也是线粒体自噬上游的调控分子,DKD动物模型肾组织中miR-379簇表达增加,通过靶向TXNIP和Fis1,可减少线粒体自噬从而加重DKD肾损伤[42]。
众所周知,各种病理因素刺激会导致内质网稳态失衡,未折叠蛋白或错误折叠蛋白积累引发内质网应激(endoplasmic reticulum stress,ERS)[43]。轻微的ERS可诱发适应性的未折叠蛋白反应(unfolded protein response,UPR)来缓解ERS,而持续且强烈的刺激则激活凋亡性UPR途径,诱发细胞死亡[44]。
研究发现ERS在DKD的病理损伤过程中发挥重要作用[45, 46],但高糖诱发的ERS究竟是保护性还是破坏性的目前尚无定论,如敲除诱导ERS的Tribbles同源蛋白3 (tribbles homolog 3,TRB3)基因加重糖尿病鼠的肾损伤[47]。但也有研究发现通过药物减轻ERS可改善伴随足细胞[48],本课题组研究也发现,外源性给予脂联素受体激动剂可通过改善DKD小鼠的ERS而显著减轻肾小管细胞的凋亡及组织纤维化[49]。不同动物模型及细胞,以及不同的疾病阶段可能对ERS的反应性不一致。笔者认为,DKD早期,ERS通过激活UPR、内质网相关降解等促进内质网稳态的恢复,而持续刺激可引起未折叠蛋白等的大量积累加重内质网的负担,启动凋亡程序,诱发细胞死亡。多种分子参与DKD-ERS过程。Liu等[50]报道了晚期糖基化终产物(advanced glycation end-products,AGE)可通过激活活化转录因子4(activatingtranscription factor 4,ATF4)/p16信号诱导ERS,参与DKD的进展。AGE受体(receptor for AGEs,RAGE)也被证明可介导DKD中ERS的发生[51]。此外,非编码RNA也参与DKD-ERS过程[52],在DKD中,AGE/RAGE/烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶(nicotinamide adenine dinucleotide phosphate oxidase,Nox)触发ERS,而多种非编码RNA参与AGE、RAGE和Nox的转录调控,从而调节ERS的发生或缓解[52]。
最新研究还发现内质网自噬也参与内质网内稳态[53]。多种内质网自噬受体通过与轻链3/自噬相关基因8结合,将待降解的内质网及其腔内结构包裹入自噬体内进行降解[54]。研究发现,内质网自噬参与重金属诱导的肾损伤[55],但目前有关内质网自噬在DKD发病中的作用尚不明确,相关机制有待阐明。
内质网与线粒体之间存在着紧密的物理连结,该结构被称为MAM[56, 57]。多种内质网及线粒体相关蛋白相互作用构成蛋白复合物,参与维持MAM结构及功能的完整性[6, 58, 59, 60, 61]。目前研究发现,MAM的主要细胞功能包括参与Ca2+交换,调节细胞与线粒体自噬,参与脂质代谢、炎症、氧化应激及细胞凋亡等[6, 58, 59, 60]。最近本课题组提出,MAM可能是代谢综合征治疗的新靶点[6],并且,MAM是自噬的起始位点[62]。
目前有关MAM在DKD发病机制中作用的研究有限。本课题组报道了DKD患者及动物模型的肾组织中MAM减少,可能与DsbA-L的表达下调有关[63]。进一步研究发现,DsbA-L可能通过促进Mfn2表达上调而增强线粒体与内质网的偶联,修复MAM功能(尚未发表)。本课题组也论述了磷酸弗林酸性簇分选蛋白2(phosphofurin acidic cluster sorting protein 2,PACS-2)是维持MAM结构完整性的重要蛋白,参与膜转运、凋亡等过程[61],并发现高糖可抑制PACS-2的表达,从而导致MAM结构破坏(尚未发表)。鉴于MAM强大的功能,多种蛋白参与维持其结构及功能,而有关MAM及其关键蛋白在DKD发病机制中的作用研究尚处于起步阶段。因此,对MAM在DKD发生发展中的具体作用及调控机制值得更深入的研究,为DKD探寻新的治疗靶点。
近年来,亚细胞器的研究为DKD发病机制的阐明带来了新的契机。除线粒体、内质网等亚细胞器损伤外,MAM的完整性破坏也参与介导DKD的发生。本文简要介绍了线粒体、内质网及其互作网络MAM在DKD发病过程中的作用与分子机制,但由于内质网自噬及MAM在DKD中的作用与机制研究才刚刚起步,该领域尚存诸多研究空白。相信随着细胞生物学技术的发展及观念的进步,细胞器及其相互作用网络在DKD中的研究将不断深入,从而有望为DKD诊疗提供新的靶点。
所有作者均声明不存在利益冲突





















