线粒体融合蛋白Mfn2在糖尿病肾病中作用的研究进展

李梦婕，柯 本，龙 脉，房向东

(南昌大学第二附属医院 肾内科，江西 南昌 330000)

糖尿病肾病(diabetic nephropathy,DN)是糖尿病微血管并发症之一，也是终末期肾病的常见原因之一[1]。DN涉及肾小球、肾小管、间质和血管等肾脏各个组成部分的形态和结构损伤，对肾脏所有关键功能产生损害，其发生发展的机制复杂，至今仍未完全明确。高糖诱导的细胞损伤、活性氧(reactive oxygen species,ROS)产生、细胞凋亡都是DN中重要细胞事件[2-3]，故作为ROS生成主要来源的线粒体，其功能障碍便可能成为DN疾病发生发展的重要机制。且肾脏作为仅次于心脏具有最丰富线粒体的器官，其对能量的高需求也加重了对线粒体的依赖，大量单基因疾病也证明了完整的线粒体形态及功能对于健康肾脏的必需性[4]。

线粒体融合蛋白-2[Mfn2(mitofusin2)]是一种广为人知的线粒体融合蛋白，不仅参与线粒体形态和网络功能的维持，并可通过多种信号通路(例如Ras/MAPK,PERK,Akt/Bax等)来调控超越线粒体形态维持的生物学功能[5-7]。在DN小鼠肾脏中，过表达的Mfn2减轻了DN中系膜增生、肾小球基底膜增厚等病理特征，并减少DN中蛋白尿，表明了其缓解DN病程进展的可能性[5]。但Mfn2在DN中的具体机制仍未清晰。现本文就两者关系进行以下综述。

1 Mfn生物学特征

Mfn家族，是动力样蛋白(dynamin like protein，DLP)中首个发现的膜重构因子的家族，为定位在线粒体外膜的GTP酶，与线粒体形态和功能的维持密切相关。Mfn主要由N端GTPase结构域，第一个卷曲七肽重复区(heptad repeat，HR)，一个富含脯氨酸(proline-rich，PR)的区域，两个相邻的跨膜(trans-membrane，TM)结构域和C端的第二个卷曲七肽重复区构成。其N端与C端结构域延伸至细胞质内，而疏水结构固定在线粒体外膜上(outer mitochon-drial membrane，OMM)，从而介导线粒体融合[8](图1)。当线粒体之间发生接触，Mfn1与Mfn2会形成同型或异形复合体连接拴系住两者，后由视神经萎缩蛋白(optic atrophy protein 1,OPA1)介导线粒体内膜的融合[8-9]。同样Mfn2在线粒体功能上有着重要作用，例如线粒体自噬、凋亡、内质网应激和线粒体动力学等。例如，部分Mfn2存在于内质网膜上，特别是内质网-线粒体相关膜(ER mitochondria-associated membranes，MAM),其可通过与线粒体外膜上的Mfn1或Mfn2形成同型或异型复合体来介导线粒体与内质网的连接，在此，Mfn2可通过调控未折叠蛋白反应去介导内质网应激，并进一步去调控自噬和凋亡过程[6,10]。故Mfn2的正常调控是不可或缺的，其功能改变或缺失是导致许多病理条件及疾病发生的潜在因素，从神经退行性疾病(charcot-marie-tooth type 2A,CMT2A)[11]到癌[12]，横跨多个系统，涉及多个通路。

图1 Mfn结构图 Fig 1 Structure of Mfn

2 Mfn2在DN发病机制中的作用

DN是糖尿病常见的微血管并发症之一，对肾小管、肾小球和血管皆有不利影响，能导致终末期肾脏疾病的发生，其主要表现为蛋白尿和肾功能的逐渐丧失。近年来，有研究表明过表达的Mfn2可能缓解DN的发生发展过程。这个机制主要通过介导线粒体融合、氧化应激、内质网应激和自噬等过程实现。

2.1 线粒体融合

线粒体融合过程主要形成一个相互连接的线粒体网络以介导与内质网的通讯及DNA和氧化蛋白的突变的稀释，故线粒体的融合不仅参与了线粒体形态的维持，对线粒体DNA的完整性、信号的传导、细胞的存亡都极为重要。而线粒体的融合取决于外膜的Mfn1/Mfn2和内膜的OPA1。在高糖处理的肾小管上皮细胞(renal tubular epithelial cells，RTECs)中，线粒体融合蛋白Mfn2表达下降，分裂蛋白Drp1显著上升，线粒体碎片增多[13]。且DN患者的线粒体分裂程度随着Mfn2蛋白水平的降低而升高[14]。Mfn2的消融可导致线粒体肿胀、破碎，细胞色素C和caspase-3的活化，凋亡增强，而Mfn2 KO细胞中的重新表达可以增强线粒体融合，逆转线粒体形态并抑制细胞的凋亡[14-15]。Mfn2可通过与PMK2(糖酵解限速酶之一)相互作用，以促进线粒体的融合和氧化磷酸化，并减弱糖酵解，最终挽救线粒体形态及动力学[16]。同样，Mfn2作为类蛋白激酶RNA内质网激酶(PRK-like ER kinase,PERK)上游调节因子，Mfn2的上调可通过与PERK物理结合来抑制PERK的磷酸化激活，从而减少ROS的产生，增强线粒体呼吸，挽救线粒体形态和功能。在Mfn2敲除细胞中，PERK沉默也可逆转线粒体形态和功能损害。且PERK沉默的作用不受Mfn2敲除细胞中分裂融合蛋白表达水平的影响[6]。但目前Mfn2增强线粒体融合在DN的作用研究并不多，未来可能需要更多的实验证明。

2.2 氧化应激

氧化应激是指体内ROS生成过多，超出机体的清除能力导致体内平衡失调而出现的一系列反应。事实上，高糖作为促进DN发展的病因之一，其诱导的氧化应激是DN发生发展的重要因素。过度的ROS产生不仅造成线粒体功能异常、细胞紊乱死亡，也在肾脏损伤中起关键作用。故抑制氧化应激将有可能预防或减缓DN的发生及发展[17]。在晚期糖基化终末产物的刺激下，DN模型大鼠中Mfn2的表达显著减少，且呈时间依赖性。过度产生的ROS可以通过调控collagen Ⅳ转录起始位点(transcription start sites，TSS)调控元件的乙酰化和基因来增加collagen Ⅳ表达，而Mfn2转染降低线粒体ROS产生，从而抑制调控元件的乙酰化和基因表达。同时Mfn2过表达也可以直接抑制TSS近端区域TFAP2A-DNA结合,降低collagen Ⅳ表达[18]。另外高糖与ROS刺激p38-MAPK的激活，并诱导collagen Ⅳ的产生。而Mfn2可能通过减少ROS的产生来抑制p38磷酸化，从而下调p38-MAPK信号通路的激活，最终缓解DN发展[5]。Mfn2也可以通过减轻PERK磷酸化来减少ROS产生，使线粒体钙负载正常化，改善线粒体形态及功能[6]。Mfn2是否通过其他通路抑制氧化应激来缓解DN发展也是未来一个研究方向。

2.3 内质网应激

内质网通过触发未折叠蛋白反应(unfolded protein response，UPR)来回应内质网应激的激活。在正常情况下，UPR是一种积极的适应反应，它可使未折叠的蛋白重新折叠，也可通过PEPK、ATF6、IRE1α等途径避免错误蛋白的积累。但高糖导致的蛋白质糖化打破了内质网平衡，过度的UPR触发细胞凋亡信号，导致细胞死亡[19]。高糖诱导肾小管上皮细胞[20]及糖尿病大鼠[19]中都存在UPR的激活。氧化应激与应激是互相交织，而不是独立的现象。而针对减少内质网应激或UPR和ROS的处理对糖尿病肾脏病变是行之有效的[21]。Mfn2的消融不仅激活氧化应激，还可导致内质网应激的增强、内质网叠片式扩张和UPR分支PERK/CHOP、XBP-1、ATF6等的激活，而过表达的Mfn2可缓解挽救以上改变，表明Mfn2可能通过控制内质网应激、UPR和氧化应激来缓解DN的发展[6]。但目前未有研究直接证明Mfn2在DN中对内质网应激的作用。

2.4 自噬

自噬是体内一种能降解大分子、大蛋白的过程，其可通过清除累积或破环的蛋白及细胞器来维系细胞内平衡。肾足细胞高度分化，再生能力弱。因此，自噬对足细胞正常功能的维持非常关键，自噬异常会导致大量蛋白尿的产生[22]。而且在糖尿病肾病肾小球上皮细胞[13]也存在自噬受损。种种迹象都表明自噬异常在DN发病机制占有重要位置，且AMPK、mTORC1等信号通路参与其中[22]。而Mfn2的缺失通过减少自噬体的形成、溶酶体丰度、自噬溶酶体形成来损害正常自噬进程[6]。过表达的Mfn2则可通过抑制PERK和 XBP-1的激活来诱导自噬过程。Pink1/Parkin作为上游信号，可通过在Mfn2的HR1泛素化Mfn2，并促使P97将Mfn2从线粒体内膜接触点上剥离，促进自噬的发生，故Mfn2泛素化的减少也可抑制自噬的正常进程[10]。且氧化应激、细胞裂变、内质网应激等与线粒体自噬异常互相促进，是一个恶性循环。Mfn2可同时抑制以上途径的异常激活或破环来控制缓解DN的发展。

2.5 凋亡

凋亡是一种高度保守的程序性死亡过程，它在生物发育过程中可以消除不必要或受损害的细胞，对维持正常细胞稳态起关键作用，但它的失调也与许多疾病的发病机制密切相关，糖尿病肾病也不例外[23]。在非应激条件下，Mfn2缺乏并不增加肾小管上皮细胞的凋亡。当应激后，Mfn2缺乏可诱导线粒体破裂，凋亡细胞数增加，细胞色素及AIF释放增加，暗示Mfn2在应激条件下的缺乏可增加线粒体外膜对凋亡的敏感性[24]。另外Mfn2的消融极大的降低了TG诱导成纤维细胞的caspase的含量与活性。当重新表达Mfn2时，该酶活性恢复正常，故Mfn2的缺失阻碍了内质网应激过程中细胞凋亡的激活[6]。ROS生成、线粒体破碎、内质网应激、自噬异常等最终都走向细胞凋亡、死亡。故纠正Mfn2的低表达，可能从多种途径阻断对肾脏的损害，缓解甚至逆转DN的发展。目前关于Mfn2机制研究不多，且只研究其中一两项，未来或许可以对Mfn2的功能进行一个全面的研究，将以上5种机制真正串联起来。

3 Mfn2与DN的治疗

目前临床主要以包括控制血糖血压，阻断肾素-血管紧张素系统等传统干预措施来缓解DN的进展，但其无法有效预防和治愈DN。为寻找新的治疗途径，当前一些针对线粒体动力学方向药物正逐步受到关注。钠-葡萄糖转运蛋白2(sodium-glucose cotransporter2，SGLT2)抑制剂如[伊格列净(ipragliflozin)、恩格列净(empagliflozin)]，一种新型抗糖尿病药物，可将高脂饮食小鼠中OPA1及Mfn2水平恢复正常，从而抑制氧化应激，改善脂质代谢，恢复了线粒体稳态，最终缓解对肾脏的代谢损害。事实上，伊格列净可直接作用于肾脏近端小管。故伊格列净可能成为治疗DN的新型药物[25]。目前SGLT2抑制剂在糖尿病肾病大型临床研究和基础研究都证实了SGLT2抑制剂对糖尿病肾病肾脏的保护作用。但是否能在临床上推广，仍需要进一步探索。

4 结论

DN的发生由炎性反应，代谢紊乱，遗传因素等多种致病因素所致，同时也涉及了多条信号传导通路和细胞因子。过表达的Mfn2可通过减少线粒体形态及功能异常(线粒体分裂、氧化应激、内质网应激等)、挽救细胞凋亡去延缓DN发生发展。但目前关于Mfn2在DN中作用及其机制的研究数量较少，且不够深入。未来需要更多的实验进一步研究Mfn2调控机制与途径，将可能为DN的发病机制及其治疗方法提供新的思路。