柯孟婷 徐焱成

武漢大學(xué)中南醫(yī)院內(nèi)分泌科 430071

隨著人們生活水平不斷提高, 糖尿病發(fā)病率逐漸上升，糖尿病患者數(shù)量從1980年的1.08億增加到2014年的4.22億。成人糖尿病患病率從4.7%上升到8.5%，表明全球糖尿病患病率從1980年到2014年幾乎翻了1倍[1]。近年來發(fā)現(xiàn)線粒體相關(guān)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)與糖尿病發(fā)生、發(fā)展密切相關(guān)，下面將詳細(xì)述之。

1 線粒體相關(guān)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜(MAM)

1.1 MAM的形成 線粒體和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)作為真核細(xì)胞重要細(xì)胞器，在細(xì)胞生命活動(dòng)中緊密聯(lián)系，兩者以并列方式排列，線粒體外膜和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)距離在10～100 nm[2]。即使這兩種細(xì)胞器離得很近，它們的膜也不會(huì)融合，因此兩者可以保留自己獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和功能[3]。線粒體融合蛋白1(Mfn1)和線粒體融合蛋白2(Mfn2)是位于線粒體表面且調(diào)節(jié)線粒體融合的蛋白，絕大多數(shù)Mfn2位于線粒體外膜, 但內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中同樣表達(dá)一部分Mfn2；內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上Mfn2與線粒體外膜上Mfn1/2憑借蛋白自身構(gòu)象可塑性相互纏繞、密切接觸，從而連接內(nèi)質(zhì)網(wǎng)與線粒體形成MAM，MAM對于維持細(xì)胞生理功能具有重要意義[4]。

1.2 MAM的生理功能 MAM可以調(diào)控內(nèi)質(zhì)網(wǎng)與線粒體之間信號(hào)分子的轉(zhuǎn)運(yùn)，目前研究較多的鈣轉(zhuǎn)運(yùn)，1,4,5-三磷酸肌醇受體(IP3R)是內(nèi)質(zhì)網(wǎng)釋放鈣離子通道之一，一般與三磷酸肌醇結(jié)合，允許鈣離子由內(nèi)質(zhì)網(wǎng)進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)；鈣離子釋放至細(xì)胞質(zhì)后，經(jīng)過線粒體外膜上電壓依賴性陰離子通道(VDAC)進(jìn)入線粒體膜間隙，再通過線粒體內(nèi)膜上線粒體鈣單向轉(zhuǎn)運(yùn)體(MCU)，從線粒體膜間隙向線粒體基質(zhì)單向移動(dòng)。當(dāng)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上IP3R通過分子伴侶葡萄糖調(diào)節(jié)蛋白75(GRP75)與線粒體外膜上VDAC相互連接時(shí)，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)鈣離子可直接經(jīng)IP3R釋放，而不需要三磷酸肌醇與IP3R結(jié)合[5]。IP3R-GRP75-VDAC復(fù)合物是一種與線粒體內(nèi)質(zhì)網(wǎng)耦聯(lián)密切相關(guān)的多蛋白結(jié)構(gòu)，敲除GRP75基因可以破壞MAM耦聯(lián)，從而減少線粒體Ca2+攝取[6]。

MAM上某些蛋白如Mfn2缺失后，MAM完整性的改變可致內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激[7]，且內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激早期階段內(nèi)質(zhì)網(wǎng)線粒體耦聯(lián)增加，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)轉(zhuǎn)移至線粒體鈣通量增加，從而促進(jìn)線粒體呼吸，但內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激持續(xù)激活，導(dǎo)致線粒體Ca2+積累，可引起線粒體功能障礙致細(xì)胞凋亡[8]。除了Ca2+，MAM也可以通過影響活性氧簇，從而影響線粒體功能；MAM結(jié)構(gòu)破壞可減少活性氧簇從內(nèi)質(zhì)網(wǎng)至線粒體的轉(zhuǎn)移，保護(hù)細(xì)胞免受活性氧簇介導(dǎo)的線粒體凋亡[9]。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上的囊泡相關(guān)膜蛋白相關(guān)蛋白B(VAPB)和線粒體外膜上酪氨酸磷酸酶相互作用蛋白-51(PTPIP51)相互作用，也參與線粒體與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)耦聯(lián)形成，MAM上VAPB-PTPIP51蛋白復(fù)合物通過促進(jìn)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)線粒體Ca2+交換，參與自噬的調(diào)控[10]。因此，MAM結(jié)構(gòu)改變可通過影響內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激、線粒體功能，從而調(diào)控細(xì)胞自噬、細(xì)胞凋亡等。

2 MAM 與 2型糖尿病(T2DM)

近幾十年來對T2DM患者胰島素抵抗和胰島細(xì)胞功能障礙進(jìn)行了深入研究，但仍未完全闡明其分子機(jī)制；MAM耦聯(lián)處發(fā)現(xiàn)許多胰島素信號(hào)蛋白，如蛋白激酶B、蛋白質(zhì)磷酸酶2A(PP2A)、哺乳動(dòng)物雷帕霉素靶蛋白復(fù)合物2、磷酸酶緊張素同源蛋白和糖原合成酶激酶(GSK)3β；MAM作為一種葡萄糖傳感器，可能有助于細(xì)胞適應(yīng)體內(nèi)營養(yǎng)狀態(tài)變化[11]。葡萄糖濃度升高可通過激活磷酸戊糖-PP2A通路，破壞MAM的完整性和功能，從而導(dǎo)致線粒體分裂和呼吸功能受損[12]。

2.1 MAM與胰島素抵抗 MAM與肝臟、骨骼肌、脂肪組織的胰島素抵抗密切相關(guān)：(1)在糖耐量異常小鼠肝臟中MAM數(shù)量減少，在遺傳肥胖或高脂高糖飲食誘導(dǎo)的糖尿病小鼠模型中，肝細(xì)胞MAM完整性也會(huì)發(fā)生改變[13-14]。肝細(xì)胞短時(shí)間暴露于棕櫚酸環(huán)境下使內(nèi)質(zhì)網(wǎng)向線粒體的鈣通量減少，隨后MAM接觸面積顯著減少[15]。也有研究發(fā)現(xiàn)，小鼠肝臟中通過破壞內(nèi)質(zhì)網(wǎng)線粒體間的相互作用致IP3R介導(dǎo)Ca2+信號(hào)通路中斷，導(dǎo)致肝臟損傷，出現(xiàn)肝臟胰島素抵抗[16]。特異性敲除肝細(xì)胞Mfn2基因可致內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激和胰島素抵抗,且Mfn2過表達(dá)可改善棕櫚酸誘導(dǎo)的胰島素抵抗[17]。以上均表明MAM作用減弱在肝臟胰島素抵抗中可能發(fā)揮促進(jìn)作用。(2)IP3R介導(dǎo)Ca2+釋放是骨骼肌葡萄糖攝取所必需，提示MAM在骨骼肌葡萄糖穩(wěn)態(tài)中的潛在作用[18]。在糖尿病患者骨骼肌和棕櫚酸所致骨骼肌細(xì)胞胰島素抵抗模型中，均發(fā)現(xiàn)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)線粒體耦聯(lián)減弱，且兩者耦聯(lián)中斷也可致骨骼肌細(xì)胞胰島素抵抗發(fā)生[19]。(3)CDGSH鐵硫結(jié)構(gòu)域2(Cisd2)是一類定位于MAM界面的蛋白，在白色脂肪組織中，Cisd2突變導(dǎo)致線粒體緩沖能力喪失，白色脂肪組織分化，胰島素刺激葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)減少，有力地支持MAM功能失調(diào)會(huì)促進(jìn)白色脂肪組織出現(xiàn)胰島素抵抗[20]。

以上研究證據(jù)表明，MAM功能減弱可促進(jìn)胰島素抵抗的發(fā)生，然而在肥胖小鼠肝臟中可出現(xiàn)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)線粒體相互作用增強(qiáng)，且通過使IP3R1過表達(dá)，可增強(qiáng)肝臟MAM的作用，從而誘導(dǎo)胰島素抵抗，而降低這些蛋白在肥胖小鼠肝臟中的表達(dá)可改善胰島素敏感性[21]。丙酮酸脫氫酶激酶4(PDK4)在MAM耦聯(lián)處與IP3R1-GRP75-VDAC1復(fù)合物相互作用并使其穩(wěn)定，肥胖患者體內(nèi)PDK4活性增加，促進(jìn)MAM形成并抑制胰島素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)。相反，減弱PDK4活性可以抑制MAM形成，從而通過改善線粒體Ca2+超載、線粒體功能障礙和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激來改善骨骼肌細(xì)胞胰島素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)[22]。這些發(fā)現(xiàn)證實(shí)，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)線粒體過度耦聯(lián)是肥胖小鼠細(xì)胞器功能障礙的一個(gè)重要組成部分，這可能導(dǎo)致代謝紊亂，如胰島素抵抗。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)與線粒體接觸減少或增加，可能取決于代謝壓力刺激如高血糖適應(yīng)性反應(yīng)時(shí)間，這可能代表一種新的重要機(jī)制[23]。

2.2 MAM與胰島β細(xì)胞功能紊亂 胰島細(xì)胞內(nèi)鈣離子穩(wěn)態(tài)對胰島細(xì)胞功能的維持十分重要，胰島細(xì)胞具有一種細(xì)胞特異性的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)Ca2+流出方式，Ca2+流出后直接轉(zhuǎn)運(yùn)至線粒體內(nèi)，且這種鈣轉(zhuǎn)運(yùn)方式受GSK3β調(diào)節(jié)[24]。線粒體功能異常及內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激與胰島β細(xì)胞功能紊亂密切相關(guān), 參與糖尿病的發(fā)生與發(fā)展[25]。2型糖尿病患者β細(xì)胞中IP3R2表達(dá)增加，但VDAC-1表達(dá)下降致IP3R2-VDAC-1復(fù)合物數(shù)量明顯降低；用棕櫚酸處理小鼠胰島細(xì)胞后內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激增強(qiáng)，同時(shí)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)與線粒體的相互作用顯著減少，表明內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和線粒體相互作用減少，與T2DM的發(fā)生密切相關(guān)[26]。高糖短時(shí)間(22.5 mmol/L，30 min)培養(yǎng)大鼠胰島細(xì)胞可以增強(qiáng)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和線粒體的相互作用以及兩者之間Ca2+的轉(zhuǎn)運(yùn)，從而刺激細(xì)胞胰島素分泌；MAM耦聯(lián)破壞可以減少胰島素分泌，因此內(nèi)質(zhì)網(wǎng)線粒體動(dòng)態(tài)耦合參與了胰島細(xì)胞分泌胰島素的過程，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)線粒體之間Ca2+轉(zhuǎn)移破壞可能是糖毒性導(dǎo)致β細(xì)胞功能障礙的一個(gè)新機(jī)制。長時(shí)間用同一濃度的高糖(22.5 mmol/L，48 h)培養(yǎng)大鼠胰島細(xì)胞或人胰島細(xì)胞，雖然增加了兩種細(xì)胞器的耦聯(lián)位點(diǎn)，但減少內(nèi)質(zhì)網(wǎng)-線粒體Ca2+轉(zhuǎn)運(yùn)以及其胰島素分泌。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，這種糖毒性引起Ca2+信號(hào)改變與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激、線粒體呼吸改變和線粒體分裂有關(guān)，這些細(xì)胞器應(yīng)激反應(yīng)可能刺激線粒體和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)結(jié)構(gòu)連接點(diǎn)增加，從而作為一種應(yīng)對糖毒性的保護(hù)機(jī)制，但在功能方面相互作用并沒有增加，如內(nèi)質(zhì)網(wǎng)線粒體之間Ca2+轉(zhuǎn)運(yùn)以及其刺激的胰島素分泌減少，另一方面用合成的連接劑直接增加內(nèi)質(zhì)網(wǎng)線粒體連接，該連接劑可明顯增加細(xì)胞器的接觸表面，從而影響所有接觸點(diǎn)距離，但并沒有使兩者之間Ca2+轉(zhuǎn)移增加，反而誘導(dǎo)線粒體分裂和減少胰島素分泌，這些證據(jù)表明內(nèi)質(zhì)網(wǎng)與線粒體之間的距離增加，但兩者之間的信號(hào)分子轉(zhuǎn)運(yùn)不一定增加，其中機(jī)制并不清楚，可能是高糖誘導(dǎo)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激，使內(nèi)質(zhì)網(wǎng)Ca2+耗損致內(nèi)質(zhì)網(wǎng)Ca2+釋放能力減弱，導(dǎo)致從內(nèi)質(zhì)網(wǎng)直接轉(zhuǎn)移至線粒體的Ca2+減少[27]。總之，MAM在胰島細(xì)胞功能方面起重要作用，且內(nèi)質(zhì)網(wǎng)與線粒體之間Ca2+直接轉(zhuǎn)運(yùn)是胰島細(xì)胞中調(diào)控胰島素分泌的一個(gè)新位點(diǎn)。

綜上所述，MAM為內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和線粒體之間的相互作用提供了一個(gè)很好的平臺(tái)，在細(xì)胞內(nèi)穩(wěn)態(tài)的各種信號(hào)通路中發(fā)揮重要作用。越來越多的證據(jù)表明，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)與線粒體耦聯(lián)部位結(jié)構(gòu)或者功能改變會(huì)導(dǎo)致糖尿病發(fā)生，所以改善MAM的結(jié)構(gòu)和功能，可能是恢復(fù)和維持人類和動(dòng)物體內(nèi)葡萄糖穩(wěn)態(tài)的有效策略[28]。因此，進(jìn)一步探究MAM的結(jié)構(gòu)和功能改變的分子機(jī)制十分重要，Ca2+穩(wěn)態(tài)失調(diào)可能是其中的一個(gè)靶點(diǎn)，但仍需更多研究來探索其具體機(jī)制。