高先佈 李昌金 宋曉偉 吳弘

(1.海軍軍醫(yī)大學(xué)附屬長(zhǎng)海醫(yī)院心內(nèi)科，上海 200433；2.中國(guó)人民解放軍聯(lián)勤保障部隊(duì)第九六六醫(yī)院心內(nèi)科，遼寧 丹東 118000)

心力衰竭是由于各種原因?qū)е碌男呐K泵血功能下降，具有進(jìn)行性惡化、預(yù)后差、猝死風(fēng)險(xiǎn)高等特點(diǎn)。中國(guó)成人患病率為0.9%[1]，歐洲成人患病率為1%～2%，發(fā)病率約為每年3‰，成人約為每年5‰。目前，針對(duì)心力衰竭的治療主要通過(guò)抑制腎素-血管緊張素系統(tǒng)、交感神經(jīng)系統(tǒng)、心肌重構(gòu)和減少心臟前后負(fù)荷等藥物治療方式延緩心力衰竭的進(jìn)展，改善臨床癥狀，提高生活質(zhì)量[2]。針對(duì)心肌細(xì)胞線粒體功能障礙的治療措施較少。因此，為了發(fā)現(xiàn)新的心力衰竭治療方法，研究線粒體功能障礙的分子機(jī)制成為進(jìn)一步延緩，甚至逆轉(zhuǎn)心肌細(xì)胞功能障礙的新方向。而線粒體轉(zhuǎn)錄因子A(mitochondrial transcription factor A，TFAM)作為調(diào)控因子可調(diào)節(jié)線粒體DNA(mitochondrial DNA，mtDNA)的轉(zhuǎn)錄、翻譯和合成后的修飾，從而緩解心力衰竭中線粒體功能障礙。現(xiàn)對(duì)TFAM在心力衰竭中的研究進(jìn)展進(jìn)一步闡述，從而探討其在心力衰竭治療方面的臨床應(yīng)用價(jià)值。

1 TFAM及TFAM對(duì)線粒體功能的概述

線粒體作為呼吸和能量產(chǎn)生的主要細(xì)胞器對(duì)細(xì)胞發(fā)揮著關(guān)鍵作用，而mtDNA是線粒體最重要的組成部分。mtDNA是線粒體的基因組系統(tǒng)，是一種編碼13種蛋白質(zhì)、2種核糖體核糖核酸、22種轉(zhuǎn)運(yùn)核糖核酸的封閉環(huán)狀雙鏈DNA分子，所編碼的13種蛋白質(zhì)都是線粒體呼吸鏈的基本亞單位。線粒體功能由mtDNA以及調(diào)節(jié)其轉(zhuǎn)錄和復(fù)制的因子控制[3]。

TFAM是mtDNA啟動(dòng)子的特異性增強(qiáng)子，是高遷移率蛋白質(zhì)組的成員。它與mtDNA的啟動(dòng)子結(jié)合并促進(jìn)mtDNA轉(zhuǎn)錄。TFAM在細(xì)胞核中合成并運(yùn)輸?shù)骄€粒體，通過(guò)將mtDNA的單個(gè)拷貝儲(chǔ)存在功能性線粒體類核中而起到包裝分子的作用。線粒體類核包含抗氧化系統(tǒng)的必需酶，包括錳超氧化物歧化酶和線粒體谷胱甘肽過(guò)氧化物酶。這些抗氧化酶能減輕氧化損傷并保護(hù)mtDNA[4]。TFAM與受損mtDNA之間的相互作用對(duì)于mtDNA的修復(fù)啟動(dòng)和調(diào)節(jié)至關(guān)重要[5]。此外TFAM可通過(guò)改變線粒體膜電位及向其他細(xì)胞器發(fā)出信號(hào)的方式來(lái)調(diào)節(jié)胞質(zhì)內(nèi)的Ca2+，從而調(diào)節(jié)細(xì)胞代謝[6]?？傊甌FAM既是mtDNA轉(zhuǎn)錄、包裝和維護(hù)的關(guān)鍵參與者，也是細(xì)胞能量代謝的主要調(diào)節(jié)者。

2 線粒體功能異常在心力衰竭發(fā)生中的作用與機(jī)制

正常情況下，線粒體通過(guò)調(diào)節(jié)氧化還原內(nèi)信號(hào)分子、氧化應(yīng)激、胞質(zhì)內(nèi)Ca2+濃度、自我吞噬等方式來(lái)維持心肌細(xì)胞生理功能。線粒體功能異常引起心力衰竭進(jìn)展的主要機(jī)制為線粒體內(nèi)過(guò)量的活性氧(reactive oxygen species，ROS)及Ca2+濃度過(guò)高[7]。

2.1 ROS與心力衰竭

心臟ROS的產(chǎn)生主要通過(guò)線粒體、還原型輔酶Ⅱ氧化酶、黃嘌呤氧化酶和解偶聯(lián)的一氧化氮合酶實(shí)現(xiàn)。在生理?xiàng)l件下，細(xì)胞內(nèi)會(huì)產(chǎn)生少量的ROS并在細(xì)胞信號(hào)傳導(dǎo)中發(fā)揮作用，當(dāng)其過(guò)量時(shí)可以很容易地被抗氧化酶消除。然而在心力衰竭患者的心肌細(xì)胞中，線粒體的電子傳遞鏈會(huì)誘導(dǎo)大量ROS生成，而抗氧化酶的活性保持正常，過(guò)量的ROS會(huì)導(dǎo)致不良的心肌重構(gòu)和心力衰竭的進(jìn)展[8]。除此之外，心力衰竭時(shí)線粒體中ROS生成的慢性增加可導(dǎo)致mtDNA的損傷，而mtDNA的損傷將進(jìn)一步引起ROS增加并形成一種惡性循環(huán)[9]。這表明氧化應(yīng)激不僅是心肌細(xì)胞功能障礙的結(jié)果，還是功能障礙的原因。

2.2 Ca2+與心力衰竭

心力衰竭細(xì)胞中過(guò)量ROS的氧化作用會(huì)導(dǎo)致肌漿網(wǎng)上釋放Ca2+進(jìn)入胞質(zhì)的ryanodine受體2(ryanodine receptor 2，RYR2)受損。RYR2的損傷會(huì)使胞質(zhì)內(nèi)Ca2+濃度增加，進(jìn)而使線粒體內(nèi)Ca2+濃度上升，線粒體內(nèi)適量的Ca2+濃度可促進(jìn)氧化還原過(guò)程及能量生成，但線粒體內(nèi)Ca2+濃度過(guò)高會(huì)觸發(fā)線粒體通透性轉(zhuǎn)換孔的開(kāi)放，引起線粒體內(nèi)容物(如細(xì)胞色素c)釋放，誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡或膜電位的喪失。損傷相關(guān)物質(zhì)(如mtDNA、肽鏈和過(guò)量ROS)的漏出，會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞炎癥及進(jìn)一步引起線粒體的損傷，導(dǎo)致心力衰竭[10]。Liu等[11]的研究發(fā)現(xiàn)鉤藤堿(中草藥鉤藤的主要有效成分)可通過(guò)下調(diào)RYR2的磷酸化水平，進(jìn)而調(diào)節(jié)Ca2+穩(wěn)態(tài)，保護(hù)糖尿病心肌病小鼠免受心肌損傷并促進(jìn)心肌細(xì)胞收縮。Garbincius等[12]的研究表明心肌細(xì)胞特異性過(guò)表達(dá)線粒體鈣鈉交換蛋白的心肌肥大小鼠，其心肌細(xì)胞與對(duì)照組相比收縮功能更強(qiáng)，延緩了肥大與纖維化進(jìn)展。這些發(fā)現(xiàn)均表明了在早期心力衰竭的心肌細(xì)胞內(nèi)線粒體Ca2+的減少可延緩病理性重塑。

3 TFAM在延緩心力衰竭進(jìn)展機(jī)制中的作用

通過(guò)前文已知ROS與Ca2+的穩(wěn)態(tài)對(duì)延緩心力衰竭進(jìn)展的重要性，現(xiàn)將從調(diào)節(jié)ROS與Ca2+方面對(duì)有關(guān)TFAM緩解心力衰竭進(jìn)展的主要機(jī)制進(jìn)行闡述。

3.1 活化的T細(xì)胞的核內(nèi)因子通路

活化的T細(xì)胞的核內(nèi)因子(nuclear factor of activated T-cells，NFAT)是一個(gè)由四個(gè)成員組成的轉(zhuǎn)錄因子家族(NFAT1～4)，它們都在哺乳動(dòng)物的心臟中表達(dá)，其不僅可以刺激肥大基因的表達(dá)，還可通過(guò)上調(diào)還原型輔酶Ⅱ的表達(dá)而誘導(dǎo)ROS的生成[13-14]。而ROS誘導(dǎo)的基質(zhì)金屬蛋白酶(matrix metalloproteinase，MMP)可過(guò)度降解膠原蛋白，導(dǎo)致心臟重構(gòu)[15]。除此之外ROS還可引起鈣蛋白酶的增加，而鈣蛋白酶的增加會(huì)進(jìn)一步激活NFAT表達(dá)[14，16]。Kunkel等[17]通過(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí)心力衰竭小鼠模型的TFAM表達(dá)顯著下降而NFAT4則升高，MMP9熒光強(qiáng)度增加，TFAM過(guò)表達(dá)組與對(duì)照組相比，NFAT4蛋白表達(dá)顯著降低，MMP9熒光強(qiáng)度下降。這表明心力衰竭的心肌細(xì)胞中TFAM過(guò)表達(dá)可在一定程度上通過(guò)NFAT通路來(lái)抑制心肌重構(gòu)。

3.2 肌漿網(wǎng)Ca2+-ATPase 2a通路

肌漿網(wǎng)Ca2+-ATPase 2a(sarcoplasmic/endoplasmic reticulum Ca2+-ATPase 2a，SERCA2a)是一種ATP依賴性Ca2+轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，通過(guò)將游離細(xì)胞質(zhì)中的Ca2+儲(chǔ)存在肌漿網(wǎng)中來(lái)減少細(xì)胞質(zhì)中Ca2+的含量從而引發(fā)心肌細(xì)胞舒張效應(yīng)。SERCA2a活性的降低將導(dǎo)致心肌細(xì)胞收縮及舒張功能的障礙[18]。在心力衰竭細(xì)胞中，肌漿網(wǎng)上SERCA2a的表達(dá)下調(diào)，引起胞質(zhì)中Ca2+過(guò)量，過(guò)量的Ca2+可激活鈣蛋白酶，而過(guò)度的鈣蛋白酶激活會(huì)裂解大量蛋白質(zhì)底物并引起肌細(xì)胞收縮障礙，甚至是死亡。這些裂解的蛋白質(zhì)往往與肌膜結(jié)構(gòu)、細(xì)胞收縮、線粒體功能和細(xì)胞信號(hào)傳導(dǎo)有關(guān)[19]。除此之外胞質(zhì)內(nèi)Ca2+及鈣蛋白酶升高會(huì)激活心肌細(xì)胞中的鈣調(diào)神經(jīng)磷酸酶-NFAT通路，促進(jìn)心肌細(xì)胞肥大，NFAT的激活反過(guò)來(lái)會(huì)抑制SERCA2a基因轉(zhuǎn)錄，導(dǎo)致SERCA2a下調(diào)[20]。最近Lin等[21]對(duì)編碼小鼠心肌細(xì)胞SERCA2a的Atp2a2基因特異性敲除，證明了SERCA2a在構(gòu)建心室心肌細(xì)胞超微結(jié)構(gòu)及氧化呼吸基因表達(dá)等心肌細(xì)胞成熟過(guò)程中發(fā)揮重要作用。這一新發(fā)現(xiàn)說(shuō)明SERCA2a不僅可通過(guò)穩(wěn)定Ca2+濃度來(lái)延緩心力衰竭細(xì)胞的進(jìn)展，還可通過(guò)促進(jìn)或維持心肌細(xì)胞成熟度對(duì)衰竭心臟產(chǎn)生額外的治療影響，所以上調(diào)SERCA2a的表達(dá)對(duì)心力衰竭的治療尤為重要。

Watanabe等[22]發(fā)現(xiàn)TFAM不僅是mtDNA的特異性轉(zhuǎn)錄因子，它也可調(diào)控SERCA2a基因轉(zhuǎn)錄。這為TFAM通過(guò)SERCA2a途徑治療心力衰竭提供了一定的理論依據(jù)。另外Kunkel等[17]通過(guò)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在心力衰竭小鼠的心肌細(xì)胞中TFAM和SERCA2a均顯著降低。而過(guò)表達(dá)TFAM并未提高心力衰竭小鼠心肌細(xì)胞中SERCA2a蛋白的表達(dá)。這表明TFAM可能在生理性SERCA2a表達(dá)中發(fā)揮作用，而在心力衰竭的心肌細(xì)胞中，SERCA2a可能會(huì)受到潛在蛋白酶及其他表觀遺傳修飾的抑制。因此TFAM在心力衰竭中對(duì)SERCA2a的調(diào)控機(jī)制需要進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)與驗(yàn)證。

4 調(diào)節(jié)心力衰竭細(xì)胞內(nèi)TFAM的主要機(jī)制

TFAM對(duì)心力衰竭的進(jìn)展有緩解作用已被公認(rèn)，所以增加心力衰竭細(xì)胞中TFAM的表達(dá)成為緩解心力衰竭進(jìn)展的主要靶點(diǎn)?，F(xiàn)闡述目前幾種主要提升細(xì)胞內(nèi)TFAM的機(jī)制，進(jìn)而為增加心力衰竭細(xì)胞內(nèi)TFAM的表達(dá)提供一些見(jiàn)解。

4.1 Lon蛋白酶通路

Lon蛋白酶是一種關(guān)鍵的應(yīng)激反應(yīng)蛋白，作為AAA+(與多種細(xì)胞活動(dòng)相關(guān)的ATP酶)蛋白超家族的重要成員，可識(shí)別并降解線粒體內(nèi)錯(cuò)誤折疊、未組裝、聚集和損傷的蛋白質(zhì)；并對(duì)線粒體及內(nèi)質(zhì)網(wǎng)內(nèi)未折疊蛋白起調(diào)節(jié)作用[23]。Lon蛋白酶對(duì)TFAM的調(diào)節(jié)主要通過(guò)降解及協(xié)助轉(zhuǎn)運(yùn)的方式發(fā)揮作用。Matsushima等[24]的實(shí)驗(yàn)表明Lon蛋白酶通過(guò)選擇性降解TFAM來(lái)穩(wěn)定線粒體中TFAM和mtDNA比率。當(dāng)TFAM不與mtDNA結(jié)合時(shí)，會(huì)被Lon蛋白酶迅速降解，然而與mtDNA結(jié)合的TFAM被阻止降解。此外Lon蛋白酶還可降解錯(cuò)誤折疊的TFAM來(lái)調(diào)節(jié)線粒體轉(zhuǎn)錄，從而實(shí)現(xiàn)mtDNA和功能性TFAM 的平衡。Lan等[25]的研究則證實(shí)了四甲基吡嗪(中藥川芎的主要成分)可通過(guò)穩(wěn)定TFAM而增強(qiáng)其對(duì)Lon蛋白酶降解的抵抗力，進(jìn)而促進(jìn)TFAM及mtDNA的上調(diào)。

除了通過(guò)降解作用對(duì)TFAM進(jìn)行調(diào)節(jié)，Lon蛋白酶還可作為伴侶蛋白對(duì)TFAM的轉(zhuǎn)移進(jìn)行調(diào)節(jié)。TFAM在細(xì)胞核合成，與載體熱休克蛋白70(heat shock protein 70，HSP70)結(jié)合后轉(zhuǎn)運(yùn)入胞質(zhì)中，在胞質(zhì)中與HSP60結(jié)合形成HSP60-HSP70-TFAM復(fù)合體后在HSP70的允許作用下釋放入線粒體調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄。當(dāng)線粒體產(chǎn)生的ROS過(guò)多時(shí)，Lon蛋白酶被上調(diào)，Lon-HSP60-HSP70復(fù)合物的穩(wěn)定性隨著Lon蛋白酶的上調(diào)而增強(qiáng)，這有助于TFAM從HSP60-HSP70復(fù)合物釋放到線粒體中[26]。這種伴侶蛋白作用在ROS過(guò)多的情況下有助于TFAM轉(zhuǎn)運(yùn)及表達(dá)的增加。綜上所述，Lon蛋白酶介導(dǎo)的通路在調(diào)節(jié)TFAM及對(duì)抗ROS上起著重要的作用。Lon蛋白酶可能成為治療心力衰竭的新靶點(diǎn)。

4.2 過(guò)氧化物酶體增殖物激活受體γ共激活因子1α通路

過(guò)氧化物酶體增殖物激活受體γ共激活因子1α(peroxisome proliferator-activated receptor γ coactivator-1α，PGC-1α)是近年來(lái)備受關(guān)注的核受體輔助激活因子，通過(guò)與過(guò)氧化物酶體增殖物激活受體、核呼吸因子(nuclear respiratory factor，NRF)和雌激素相關(guān)受體等核受體相互作用，調(diào)節(jié)線粒體的生物合成、物質(zhì)和能量代謝以及抗氧化應(yīng)激。PGC-1α可通過(guò)輔助并共激活NRF-1、NRF-2進(jìn)而調(diào)節(jié)TFAM的生成[27]。因此可推測(cè)其在緩解心力衰竭中的重要作用。Zhu等[28]在異丙腎上腺素刺激下建立的大鼠心力衰竭模型中觀察到PGC-1α表達(dá)降低，并伴有氧化應(yīng)激和線粒體功能障礙，而培哚普利則上調(diào)了PGC-1α、NRF1和TFAM的表達(dá)，改善了心力衰竭大鼠模型的心功能。由PGC-1α-NRF1-TFAM途徑調(diào)節(jié)的線粒體生物合成也被認(rèn)為是卡維地洛治療心力衰竭的另一主要機(jī)制[29]。此外，在部分中藥如葛根素、芪參顆粒中也證實(shí)了靶向PGC-1α-NRF1-TFAM途徑可改善心力衰竭細(xì)胞中線粒體功能和抗氧化應(yīng)激反應(yīng)[30-31]。因此，PGC-1α-NRF1-TFAM可能是改善心力衰竭線粒體功能障礙的潛在治療靶點(diǎn)。

4.3 TFAM的表觀遺傳學(xué)調(diào)控

目前TFAM的表觀遺傳學(xué)調(diào)控是線粒體生物功能的研究熱點(diǎn)，現(xiàn)已知的對(duì)TFAM表觀遺傳學(xué)調(diào)控方式有微小RNA(microRNA，miRNA)與甲基化。

miRNA是小的非編碼RNA，通過(guò)抑制信使核糖核酸(messenger RNA，mRNA)翻譯或刺激mRNA降解來(lái)控制靶基因的表達(dá)。Quiones-Lombraa等[32]在患者心臟樣本中發(fā)現(xiàn)miRNA-155-5p(miR-155-5p)和TFAM表達(dá)之間存在著負(fù)相關(guān)。此外Wu等[33]在結(jié)腸癌患者的癌細(xì)胞中通過(guò)miR-214過(guò)表達(dá)抑制了TFAM，并顯著抑制了結(jié)腸癌細(xì)胞的增殖。由于miR-214對(duì)TFAM的調(diào)節(jié)作用，miR-214被認(rèn)為是癌細(xì)胞增殖的潛在治療靶點(diǎn)。另miR-199a-3p被驗(yàn)證可在乳腺癌細(xì)胞中調(diào)節(jié)TFAM的生成進(jìn)而促進(jìn)轉(zhuǎn)移[34]?？梢钥闯瞿壳癿iRNA調(diào)控TFAM的研究多集中在腫瘤方面，但也看到了其在心力衰竭細(xì)胞中調(diào)控TFAM的可能。此外TFAM也可以通過(guò)啟動(dòng)子區(qū)域的甲基化進(jìn)行表觀遺傳調(diào)控。TFAM特異性啟動(dòng)子區(qū)域的甲基化會(huì)降低TFAM蛋白的表達(dá)并導(dǎo)致線粒體功能喪失，但通過(guò)去甲基化方式則可增加TFAM的表達(dá)。Peng等[35]發(fā)現(xiàn)香煙煙霧誘導(dǎo)的TFAM啟動(dòng)子高甲基化與慢性阻塞性肺疾病的發(fā)生和發(fā)展有關(guān)。另Behera等[36]研究發(fā)現(xiàn)益生菌通過(guò)促進(jìn)Kdm6b/Jmjd3組蛋白去甲基化酶來(lái)增加成骨細(xì)胞中TFAM的表達(dá)，該酶可抑制TFAM啟動(dòng)子處的H3K27me3甲基化。針對(duì)高甲基化TFAM，這些發(fā)現(xiàn)可能為開(kāi)發(fā)去甲基化藥物來(lái)調(diào)節(jié)心力衰竭細(xì)胞內(nèi)TFAM表達(dá)提供一些新見(jiàn)解。

5 展望

TFAM作為調(diào)控mtDNA轉(zhuǎn)錄、復(fù)制的轉(zhuǎn)錄因子，對(duì)調(diào)節(jié)心力衰竭心肌細(xì)胞線粒體氧化應(yīng)激、Ca2+穩(wěn)態(tài)和mtDNA損傷有重要作用，并可能是治療心力衰竭的靶點(diǎn)之一，但TFAM發(fā)揮作用的機(jī)制仍需更深入的探索。此外，TFAM不僅在心力衰竭發(fā)生發(fā)展過(guò)程中起重要作用，對(duì)動(dòng)脈粥樣硬化、高血壓等心血管疾病的進(jìn)展也有一定影響。因此，調(diào)節(jié)TFAM的治療策略會(huì)成為未來(lái)廣泛研究的目標(biāo)，并可能在心血管治療領(lǐng)域上有更好的應(yīng)用。