線粒體相關(guān)研究總結(jié)
來源/作者:普拉特澤生物-醫(yī)學(xué)整體課題外包
線粒體功能的研究背景
線粒體除了作為細(xì)胞內(nèi)能量生成的關(guān)鍵細(xì)胞器,還參與細(xì)胞凋亡、自由基生產(chǎn)、脂質(zhì)代謝等代謝過程。一些研究報道指出,線粒體功能異常會導(dǎo)致許多常見疾病的病理,包括神經(jīng)退化、代謝疾病,心臟衰竭,缺血再灌注損傷和原生動物的感染等。因此,線粒體是這些高度流行疾病的一個重要藥物靶點(diǎn)。一些旨在治療性恢復(fù)線粒體功能的策略正在出現(xiàn),少數(shù)藥物已進(jìn)入臨床試驗(yàn)。
線粒體與疾病的關(guān)系
再灌注損傷當(dāng)流向器官的血液被打斷時,就會發(fā)生缺血,使器官失去氧氣和外部代謝物的供應(yīng),導(dǎo)致乳酸、琥珀酸的堆積。此時含氧血液再灌注入器官,會導(dǎo)致琥珀酸氧化,產(chǎn)生ROS,致使氧化損傷。且同時ROS與線粒體內(nèi)富集的Ca2+共同作用于MTPTP,會致使線粒體腫脹,細(xì)胞死亡,從而引發(fā)炎癥(如下圖)。
因此,減緩再灌注損傷有以下方案:在缺血時,預(yù)防琥珀酸積累;在再灌注時,避免琥珀酸氧化,減少ROS生成,或添加氧化劑,避免氧化損傷;及再灌注后,注射阻斷MPTP通路相關(guān)藥物,避免細(xì)胞死亡,或直接注射抗炎藥物等方式,防治再灌注損傷。但是應(yīng)用于臨床結(jié)果令人失望,分析其原因可能是動物實(shí)驗(yàn)使用的模型過于年輕,缺乏老年人,不健康患者的相關(guān)共性?;蚴腔颊咄瑫r服用多種藥物,與被檢測藥物可能效果相似,導(dǎo)致無法正確評估藥效。還有可能是治療前缺血時間太長或太短,影響判斷結(jié)果。另外,CSA藥物進(jìn)入線粒體速度太慢,無法阻止細(xì)胞損傷,需要迅速給藥。
1、肥胖
減肥是一個相當(dāng)熱門的話題,通過線粒體,促進(jìn)脂肪代謝來提供能量,能夠有效的治療肥胖。細(xì)胞的線粒體中會產(chǎn)生三磷酸腺苷(ATP)分子,它能夠?yàn)樯眢w提供能量。20世紀(jì)30年代曾經(jīng)流行過一種減肥藥——2,4-二硝基苯酚(DNP),它會阻斷這一過程,導(dǎo)致線粒體產(chǎn)生熱量而非ATP,并促使細(xì)胞代謝碳水化合物和脂肪。后來多人由于過熱死亡,DNP在1938年被廢止使用。近來有研究發(fā)現(xiàn),DNP甲基醚能在肝臟中被代謝為DNP,從而減少脂肪肝與高血脂的癥狀。
2、胰島素耐受
即不能正常降低血糖??梢酝ㄟ^線粒體為靶點(diǎn)的治療手段有:使用二甲雙胍,抑制氧化磷酸化過程中的復(fù)合物I,使ADP:ATP的比值上調(diào),從而激活AMPK,延緩肝臟糖異生的反應(yīng);通過NMN,使NAD+水平上調(diào),改善II型糖尿??;通過減少線粒體ROS的生成,或使用抗氧化劑,恢復(fù)胰島素,且減少糖尿病并發(fā)癥。
3、高血壓
線粒體內(nèi)的超氧化物與血管舒張劑NO反應(yīng),導(dǎo)致血管收縮,造成高血壓;或ROS導(dǎo)致細(xì)胞外彈性蛋白酶被氧化損傷,從而會導(dǎo)致高血壓。有研究表明,利用抗氧化劑MitoQ有望通過阻止ROS損傷來治療高血壓。
4、脂肪肝
非酒精性脂肪肝(NAFLD)是與肥胖相關(guān)的疾病,NAFLD的治療選擇有限,肝移植是肝硬化的唯一可能。但脂肪在肝臟的積累是NAFLD的關(guān)鍵驅(qū)動因素,這可以通過DNP衍生物誘導(dǎo)肝內(nèi)線粒體選擇性解耦從而增強(qiáng)線粒體脂肪氧化從而解決。此外,線粒體損傷與NAFLD的發(fā)展密切相關(guān),氧化應(yīng)激升高,NAD+耗竭??赏ㄟ^抗氧化劑MitoQ及NMN補(bǔ)充NAD+,作為一種治療手段。
5、神經(jīng)衰退型疾病
亨廷頓病、家族性帕金森病、阿爾茨海默病、肌萎縮性脊髓側(cè)索硬化癥等疾病被認(rèn)為是與線粒體損傷相關(guān)的疾病。許多類型的線粒體功能障礙與神經(jīng)退行性變有關(guān),包括氧化損傷、ATP合成缺陷、NAD+耗盡、線粒體動力學(xué)和質(zhì)量控制受限、鈣穩(wěn)態(tài)紊亂。可以通過對這些方面的調(diào)節(jié)作為一種治療手段。
已有大量的動物和人類數(shù)據(jù)表明,靶向線粒體是一種減緩神經(jīng)退行性疾病進(jìn)展的良好策略。但運(yùn)用于臨床是失敗的,導(dǎo)致治療失敗的一個可能因素是,當(dāng)神經(jīng)退行性疾病的患者被招募參加臨床試驗(yàn)時,已經(jīng)是晚期,無法治療。而在許多動物研究中,治療是在臨床出現(xiàn)明顯癥狀之前進(jìn)行的。并且與此相關(guān)的許多神經(jīng)退行性疾病過程可能構(gòu)成一個惡性循環(huán),一旦細(xì)胞損傷開始,其他因素,如炎癥和血管損傷,都會導(dǎo)致一系列的反應(yīng)。因此,當(dāng)疾病出現(xiàn)癥狀時,在線粒體水平進(jìn)行干預(yù)可能已經(jīng)太晚了。
6、視網(wǎng)膜功能性障礙
視網(wǎng)膜感光細(xì)胞(RPCs)受損或喪失是西方國家最常見的視力喪失原因,依賴于氧化磷酸化和高水平的氧化應(yīng)激使視網(wǎng)膜非常容易受到線粒體功能障礙的影響,這表明專注于這個細(xì)胞器的治療是有益于視網(wǎng)膜功能性障礙的改善的。動物模型的研究結(jié)果支持了這一觀點(diǎn),即RPC死亡與NAD+耗竭有關(guān),導(dǎo)致SIRT3活性下降, 通過NMN補(bǔ)充NAD+能減少這種細(xì)胞的損失。
7、心力衰竭(HF)
心臟供血需要能量,它依靠線粒體ATP的產(chǎn)生來驅(qū)動心肌細(xì)胞收縮,并重新分配釋放的鈣來啟動這一過程。因此,線粒體功能障礙是心衰的一個關(guān)鍵組成部分。導(dǎo)致心力衰竭與線粒體功能障礙相關(guān)的因素有多種,但ROS的產(chǎn)生升高、氧化損傷、線粒體生物發(fā)生缺陷是最為常見的,機(jī)制尚不清楚,且通過抗氧化劑的臨床效果不佳。寄希望于保護(hù)線粒體或增加線粒體作為目標(biāo)的治療,是未來發(fā)展的領(lǐng)域。
8、寄生蟲
原生動物感染導(dǎo)致了許多醫(yī)學(xué)、社會和經(jīng)濟(jì)上的重要疾病,包括瘧疾、布魯氏錐蟲和查加斯病(克魯茲錐蟲)。由于缺乏疫苗、藥物毒性和出現(xiàn)耐藥性,研制治療這類寄生蟲病的新療法是一個迫切需要得到滿足的領(lǐng)域。原生動物線粒體是一個有吸引力的藥物靶點(diǎn),因?yàn)樗鼈兊木€粒體不僅對生存至關(guān)重要,而且與哺乳動物宿主的線粒體也有很大的不同。
由于惡性瘧原蟲缺乏嘧啶挽救途徑,它們依賴于線粒體DHODH途徑生產(chǎn)嘧啶,因此,DHODH本身就是一個潛在的藥物靶點(diǎn)。然而另外一個藥物靶點(diǎn),Atovaquone在細(xì)胞色素bc1復(fù)合物上的結(jié)合位點(diǎn),位于線粒體DNA上,因此容易發(fā)生氧化損傷和基因突變,從而使寄生蟲容易獲得抗性。所以通過抑制ND2,位于核基因組上的編碼蛋白,作為靶點(diǎn)治療效果更好。
錐蟲的線粒體是一個很有吸引力的藥物靶點(diǎn),因?yàn)樗鼈冇胁煌拇x模式,這取決于宿主和生命周期的階段,并且與人類線粒體不同。寄生蟲感染的人血液的階段是依賴糖酵解產(chǎn)生ATP,它包含一個線粒體,該線粒體具有一個非常規(guī)的呼吸鏈,對于從NADH再生NAD+以維持糖酵解至關(guān)重要,而人體內(nèi)AOX的缺乏使其成為一個有吸引力的藥物靶點(diǎn)(如下圖)。
線粒體的功能介紹
1、能量轉(zhuǎn)化
線粒體是真核生物進(jìn)行氧化代謝的部位,是糖類、脂肪和氨基酸最終氧化釋放能量的場所。線粒體負(fù)責(zé)的最終氧化的共同途徑是三羧酸循環(huán)與氧化磷酸化,分別對應(yīng)有氧呼吸的第二、三階段。細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中完成的糖酵解和在線粒體基質(zhì)中完成的三羧酸循環(huán)在會產(chǎn)還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸(reduced nicotinarnide adenine dinucleotide,NADH)和還原型黃素腺嘌呤二核苷酸(reduced flavin adenosine dinucleotide,F(xiàn)ADH2)等高能分子,而氧化磷酸化這一步驟的作用則是利用這些物質(zhì)還原氧氣釋放能量合成ATP。在有氧呼吸過程中,1分子葡萄糖經(jīng)過糖酵解、三羧酸循環(huán)和氧化磷酸化將能量釋放后,可產(chǎn)生30-32分子ATP(考慮到將NADH運(yùn)入線粒體可能需消耗2分子ATP)。如果細(xì)胞所在環(huán)境缺氧,則會轉(zhuǎn)而進(jìn)行無氧呼吸。此時,糖酵解產(chǎn)生的丙酮酸便不再進(jìn)入線粒體內(nèi)的三羧酸循環(huán),而是繼續(xù)在細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中反應(yīng)(被NADH還原成乙醇或乳酸等發(fā)酵產(chǎn)物),但不產(chǎn)生ATP。所以在無氧呼吸過程中,1分子葡萄糖只能在第一階段產(chǎn)生2分子ATP。
2、三羧酸循環(huán)
糖酵解中生成的每分子丙酮酸會被主動運(yùn)輸轉(zhuǎn)運(yùn)穿過線粒體膜。進(jìn)入線粒體基質(zhì)后,丙酮酸會被氧化,并與輔酶A結(jié)合生成CO2、還原型輔酶Ⅰ和乙酰輔酶A。乙酰輔酶A是三羧酸循環(huán)(也稱為“檸檬酸循環(huán)”或“Krebs循環(huán)”)的初級底物。參與該循環(huán)的酶除位于線粒體內(nèi)膜的琥珀酸脫氫酶外都游離于線粒體基質(zhì)中。在三羧酸循環(huán)中,每分子乙酰輔酶A被氧化的同時會產(chǎn)生起始電子傳遞鏈的還原型輔因子(包括3分子NADH和1分子FADH2)以及1分子三磷酸鳥苷(GTP)。
3、氧化磷酸化
NADH和FADH2等具有還原性的分子在電子傳遞鏈里面經(jīng)過幾步反應(yīng)最終將氧氣還原并釋放能量,其中一部分能量用于生成ATP,其余則作為熱能散失。在線粒體內(nèi)膜上的酶復(fù)合物(NADH-泛醌還原酶、泛醌-細(xì)胞色素c還原酶、細(xì)胞色素c氧化酶)利用過程中釋放的能量將質(zhì)子逆濃度梯度泵入線粒體膜間隙。雖然這一過程是高效的,但仍有少量電子會過早地還原氧氣,形成超氧化物等活性氧(ROS),這些物質(zhì)能引起氧化應(yīng)激反應(yīng)使線粒體性能發(fā)生衰退。在此過程中產(chǎn)生的ROS和一些中間代謝物可作為線粒體的信號,調(diào)節(jié)相關(guān)下游反應(yīng);ROS也可能會對線粒體造成氧化損傷;ROS與線粒體內(nèi)富集的Ca2+共同作用于MTPTP,會致使線粒體腫脹,細(xì)胞死亡。
氧化磷酸化代謝過程中的Cytochrome c與細(xì)胞凋亡相關(guān)。途徑大體為:細(xì)胞受到凋亡信息刺激后,BH-3 only 亞族蛋白和Bax亞族蛋白相互作用,促使Bax亞族蛋白寡聚化,并進(jìn)入線粒體,促使線粒體釋放Cytochrome c和Smac/DIABLO至胞質(zhì)中,其中Cytochrome c與胞質(zhì)中的Apaf-1、ATP/dATP、pro-caspase9結(jié)合,形成一個700~1400kDa,具有很強(qiáng)caspase酶激活活性的大分子蛋白復(fù)合物,稱為凋亡體,它激活caspase-9后,依次激活下游的caspase-3及其他效應(yīng)caspase,引起凋亡。凋亡不完全是一個線性通路,各凋亡信號分子間相互影響,相互作用,從而有效的調(diào)節(jié)整個凋亡過程。
4、儲存鈣離子
線粒體可以儲存鈣離子,可以和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、細(xì)胞外基質(zhì)等結(jié)構(gòu)協(xié)同作用,從而控制細(xì)胞中的鈣離子濃度的動態(tài)平衡。線粒體迅速吸收鈣離子的能力使其成為細(xì)胞中鈣離子的緩沖區(qū)。在線粒體內(nèi)膜膜電位的驅(qū)動下,鈣離子可由存在于線粒體內(nèi)膜中的單向運(yùn)送體輸送進(jìn)入線粒體基質(zhì);排出線粒體基質(zhì)時則需要鈉-鈣交換蛋白的輔助或通過鈣誘導(dǎo)鈣釋放(calcium-induced-calcium-release,CICR)機(jī)制。在鈣離子釋放時會引起伴隨著較大膜電位變化的“鈣波”(calcium wave),能激活某些第二信使系統(tǒng)蛋白,協(xié)調(diào)諸如突觸中神經(jīng)遞質(zhì)的釋放及內(nèi)分泌細(xì)胞中激素的分泌。線粒體也參與細(xì)胞凋亡時的鈣離子信號轉(zhuǎn)導(dǎo)。
5、其他功能
除了合成ATP為細(xì)胞提供能量等主要功能外,線粒體還承擔(dān)了許多其他生理功能。調(diào)節(jié)膜電位并控制細(xì)胞程序性死亡:當(dāng)線粒體內(nèi)膜與外膜接觸位點(diǎn)處生成了由己糖激酶(細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)蛋白)、外周苯并二氮受體和電壓依賴陰離子通道(線粒體外膜蛋白)、肌酸激酶(線粒體膜間隙蛋白)、ADP-ATP載體(線粒體內(nèi)膜蛋白)和親環(huán)蛋白D(線粒體基質(zhì)蛋白)等多種蛋白質(zhì)組成的通透性轉(zhuǎn)變孔道(PT孔道)后,會使線粒體內(nèi)膜通透性提高,引起線粒體跨膜電位的耗散,從而導(dǎo)致細(xì)胞凋亡。線粒體膜通透性增加也能使誘導(dǎo)凋亡因子(AIF)等分子釋放進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)基質(zhì),破壞細(xì)胞結(jié)構(gòu)。細(xì)胞增殖與細(xì)胞代謝的調(diào)控;合成膽固醇及某些血紅素。
靶向線粒體的治療方案
線粒體能量代謝的紊亂會導(dǎo)致多種“繼發(fā)性”線粒體疾病,線粒體導(dǎo)致疾病的常見原因有:
1.ATP:ADP的比率下降,NAD+的量下降,導(dǎo)致信號通路改變;
2.代謝紊亂;
3.產(chǎn)生大量ROS,導(dǎo)致氧化損傷;
4.誘導(dǎo)MPTP通路,使細(xì)胞凋亡或死亡;
5.鈣離子通道異常(如下圖)。
其相對應(yīng)的靶向線粒體的治療方案:補(bǔ)充NAM、NMN等來補(bǔ)充NAD+;激活蛋白酶,伴侶蛋白,協(xié)助蛋白正確折疊;使用抗氧化劑(S1QELS/S3QELS分別與呼吸鏈復(fù)合酶I/復(fù)合酶II結(jié)合,抑制ROS生成);使用CsA,阻止MPTP通道引起的細(xì)胞凋亡或死亡。以上幾個治療方案是機(jī)動聯(lián)合的,對其中一種進(jìn)行調(diào)節(jié),其他情況均會有所改善。
研究線粒體功能的技術(shù)手段
1、增加線粒體數(shù)量的調(diào)節(jié)機(jī)制
非直接影響線粒體,而是通過增加線粒體數(shù)量與活性,進(jìn)而增加內(nèi)膜表面積,增加ATP的產(chǎn)生。利用PPCIα蛋白相關(guān)調(diào)控機(jī)制,來調(diào)節(jié)線粒體的數(shù)量。PGCIα能結(jié)合調(diào)控NRF1/NRF2、ERRS、CRER1、FOXO、PPAR等多種蛋白。其中NRF1/NRF2能夠調(diào)控表達(dá)多種多肽靶向線粒體,eg:POCG(DNA聚合酶)、DNA解旋酶,其對線粒體分裂生成十分關(guān)鍵。研究表明比格列酮、羅格列酮等抗糖尿病藥物,可激活PPAR從而增加PGCIα表達(dá)上調(diào),致使線粒體數(shù)量增多。另外,使用SIRT1活化劑通過去乙?;せ?span style="font-size: 14px; font-family: "times new roman";">PGCIα,從而增多線粒體數(shù)量?;蛘咄ㄟ^抑制線粒體合成抑制通路,增加線粒體數(shù)量,如低氧誘導(dǎo)因子。
2、線粒體數(shù)量的動態(tài)平衡
為適應(yīng)不同生理功能,細(xì)胞內(nèi)不同區(qū)域能量需求不同,線粒體通過分裂和融合的方式,動態(tài)變化適應(yīng)機(jī)體需求。當(dāng)分裂速率>融合速率,則線粒體數(shù)量增加;融合速率>分裂速率,則線粒體數(shù)量減少,體積增大。其中Drp1、Fis1酶參與線粒體分裂過程,而Mfn1、Mfn2參與線粒體外膜融合,OPA1參與線粒體外膜融合??梢酝ㄟ^調(diào)節(jié)分裂融合相關(guān)蛋白,來調(diào)節(jié)線粒體的數(shù)量,作為一種治療手段。
3、加強(qiáng)對線粒體質(zhì)量的把控
加強(qiáng)對線粒體質(zhì)量的把控可通過增加線粒體自噬的手段來實(shí)現(xiàn),研究表明增強(qiáng)線粒體分裂的藥物可能會增加受損細(xì)胞器的清除,增加自噬,減少炎癥的發(fā)生,一種較好的治療策略。本文介紹了兩種方式:AMPK活化,從而增加對Drp1招募,使線粒體分裂,自噬;尿素A刺激自噬的發(fā)生,增加肌肉的功能。
4、利用線粒體使細(xì)胞致死
線粒體是細(xì)胞凋亡與死亡調(diào)控過程中的核心部分,其很多特性使其可作為靶點(diǎn),致死癌細(xì)胞、寄生蟲。其缺陷是可能導(dǎo)致無選擇性的殺死正常細(xì)胞。所以,要利用正常細(xì)胞與需致死細(xì)胞中線粒體之間的差異部分,作為靶點(diǎn),結(jié)合抗癌藥物進(jìn)行治療;或者通過耗盡抗氧化劑、增加ROS產(chǎn)量,使細(xì)胞氧化損傷,從而致死。
5、線粒體作為信號中心
線粒體能向細(xì)胞其他部分發(fā)出信號,如ATP/ADP、ca2+、NAD+、ROS、代謝物等,如ROS是作為氧化還原反應(yīng)的信號,調(diào)節(jié)這些信號也可能成為一種治療手段。