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2023线粒体自噬在糖尿病心肌病中的研究进展摘要糖尿病心肌病是与糖脂代谢紊乱相关的心肌并发症，增加了糖尿病患者死亡和心力衰竭的风险。线粒体功能障碍参与了糖尿病心肌病的发生发展。近期研究显示，通过线粒体自噬清除心肌细胞内受损线粒体，可恢复线粒体稳态、减轻氧化应激及改善糖尿病心肌病。因此，本文就线粒体自噬在糖尿病心肌病中的调控机制、作用特点进行综述，以期为糖尿病心肌病防治提供新思路和理论依据。据国际糖尿病联盟估计，2021年有670万人死于糖尿病相关并发症。糖尿病心肌病(diabeticCardiomyoPathy)作为糖尿病最严重并发症之一，是糖尿病患者出现心力衰竭和死亡的重要原因，主要表现为非高血压、非冠状动脉粥样硬化、非心脏瓣膜病引起的舒张功能障碍和心肌纤维化，其病理生理机制与线粒体功能障碍、氧化应激、炎症、心肌细胞凋亡、纤维化、自噬、内质网应激有关2,3。心脏是一个高代谢器官，生理条件下心肌90%三磷酸腺昔(adenosinetriphosphate,ATP)由线粒体提供。除了满足心肌能量代谢需求，线粒体在调节钙平衡、氧化应激、炎症、促凋亡等方面也发挥着重要作用4。线粒体对周围环境敏感，在代谢底物出现改变或缺氧的情况下，可通过改变线粒体动力学、激活线粒体自噬、促进线粒体再生和加强线粒体抗氧化等机制提高代谢适应能力和维持线粒体稳态5。然而,糖尿病心肌病的糖脂代谢紊乱过程中往往伴随着上述代谢适应能力的不足，引起线粒体呼吸链受损和ATP合成减少6。而电子传递链解偶联过程诱导的大量活性氧簇(reactiveoxygenspecies,ROS)进一步加剧了线粒体的破坏，最终导致促凋亡因子的释放和病变的发生，这也为线粒体功能障碍参与糖尿病心肌病发生发展提供了有力的证据支持。本研究组前期研究发现，糖尿病小鼠在经历1次严重低血糖打击后出现的心肌损伤伴随着线粒体能量代谢障碍和氧化应激，而通过靶向的线粒体ROS清除剂改善线粒体功能可逆转心肌病变，提示线粒体稳态在减轻代谢性心肌疾病中的重要作用7。线粒体自噬作为维系线粒体稳态中的重要一环，可促进病损线粒体的清除和健康线粒体的再生，抗心肌衰老8。目前，已被证实参与糖尿病心肌病的发生发展。因此，本文综述了近年来线粒体自噬在糖尿病心肌病的研究进展，以期为糖尿病心肌病的发病机制及防治措施提供科学依据。一、线粒体自噬概述自噬是指自噬小体将胞质中物质送至溶酶体中降解的过程，是一种非选择性自噬，在心肌发育过程中起着重要作用9。线粒体自噬是一种选择性自噬，能清除受损线粒体以及回收线粒体内容物。根据经典的线粒体自噬过程，可将其分为自噬囊泡形成、受损线粒体识别及线粒体自噬体形成、线粒体自噬体与溶酶体结合并被降解这三个步骤10o二、线粒体自噬在糖尿病心肌病中调控机制自噬囊泡识别受损线粒体并介导其靶向清除的环节，在线粒体自噬的调控过程中起着至关重要的作用。因此，重点聚焦于受损线粒体识别的调控途径，有助于更好地理解糖尿病心肌病中线粒体自噬的病变机制。虽然迄今为止，糖尿病心肌病中线粒体自噬相关的研究不多，但现有的研究已经发现了第10号染色体缺失的磷酸酶和张力蛋白同源基因诱导的假定激酶1(phosphataseandtensinhomologuedeletedonchromosometeninducedputativekinase1,PINK1)-ParkinxBCL2腺病毒EIB相互作用蛋白3(BCL2adenovirusE1B19kDainteractingprotein3,BNIP3)x含FUNI4域蛋白I(FUNl4domaincontaining1,FNDC1)x非经典途径在调控糖尿病心肌病中线粒体自噬的重要作用。1 .PINKI-Parkin途径:PINK1是一种定位于线粒体的丝氨酸/苏氨酸激酶，正常情况下可被线粒体内膜或基质中的蛋白酶降解11。当线粒体膜电位下降时，PINK1降解机制受损，积聚在线粒体外膜的PINK1可招募并激活胞质中E3泛素连接酶Parkin,从而泛素化修饰受损线粒体的外膜蛋白，如线粒体融合蛋白12(mitofusin12zMfnI/2)、电压依赖阴离子通道、线粒体鸟苗三磷酸水解酶等12。其中,对Mfn1/2的泛素化修饰可诱导其被蛋白酶体降解，促进线粒体分裂和线粒体自噬的发生口3。继而SeqUeSt。Some-I(P62)、视神经蛋白等接头蛋白通过其泛素结合区和微管相关蛋白轻链3相互作用×(microtubuleassociatedproteinlightchain3-interactingregion,1.lR)连接泛素化链修饰的受损线粒体和自噬囊泡，使线粒体通过自噬途径清除口4,15。在哺乳动物中，PINK1Parkin介导的线粒体自噬是最经典的。漠结构域蛋白4(bromOdOmain-Containingprotein4,BRD4)是表观遗传调控因子BET家族中的一员，可以抑制PINK1转录并阻止线粒体自噬16o高脂饮食诱导的2型糖尿病小鼠在发展为糖尿病心肌病的同时伴随着BRD4的上调17o而应用BRD4的抑制剂JQl可减少心肌脂质沉积、纤维化、凋亡和改善心功能,说明BRD4-PINK1介导的线粒体自噬不足能解释糖尿病心肌病的部分发病机制。多项体内和体外研究表明糖尿病心肌病与Parkin介导的线粒体自噬受损有关，上调Parkin表达可促进线粒体自噬、改善线粒体功能、减轻氧化应激和改善心功能18,19,20。除了借助病毒转载促进Parkin表达,还可以通过转录调控因子叉头框蛋白O3a(FoxO3a)刺激下游产物Parkin,p62表达,以加强糖尿病心肌病线粒体自噬和减轻糖尿病心肌病病变。沉默调节蛋白3(sirtuin3,Sirt3)作为线粒体去乙酰化家族中的一员，其介导的FoxO3a去乙酰化能促进FoxO3a与DNA结合,进而诱导线粒体自噬相关基因的表达和改善糖尿病心肌病18,21。这些结果提示了Sirt3介导的表观调控在改善线粒体功能、维持线粒体稳态中的重要作用。近年来研究发现，参与衰老的许多代谢途径的中心调节蛋白哺乳动物无菌20样激酶!(mammaliansterile20-likekinase1zMStI)也参与了糖尿病心肌病中线粒体自噬异常的病理生理机制。在先天性基因缺陷的2型的糖尿病小鼠和链服佐菌素诱导的1型糖尿病小鼠中，均可见Mstl水平的上调，通过基因或药物干预抑制Mstl后，能激活Sirt3-FoxO3a-Parkin通路，促进线粒体自噬上调和逆转心肌病变20,22。另外，其他激活PINKI-Parkin通路的药物如尿石素A、烟酰胺单核甘酸等，也能有效改善心肌线粒体代谢，减缓代谢性心肌疾病的进展23,24。因此，聚焦于调控Mst1-Sirt3-FoxO3a-Parkin通路，有望在代谢应激状态下维持线粒体稳态，为防治糖尿病心肌病发生发展提供关键靶点以及为药物的研究提供理论支持。2 .BNIP3途径:BNIP3含有BH3结构域，早期以“死亡基因”的角色诱导细胞死亡而被人们熟知,但随着研究的深入,发现其也参与调控线粒体自噬25,26。BNIP3定位于线粒体外膜，其自身就含有LIR,在特定状态下可直接结合到含微管相关蛋白轻链3(microtubuleassociatedproteinlightchain3,LC3)的自噬囊泡上实现受损线粒体的清除。除了直接参与，BNIP3激活还可以促进Parkin向线粒体的转移，间接促进线粒体自噬27。在Schmid等28的研究中，BNIP3介导的线粒体自噬可促进功能障碍线粒体的清除，并有效改善果蝇衰老引起的中枢神经系统退行性病变，增加果蝇活动能力和延长寿命，提示BNIP3在维系线粒体稳态中重要性。Koncsos等29采用高脂饮食诱导的糖耐量受损大鼠模型，探讨糖尿病前期对心脏的影响并探讨可能的机制，结果发现糖耐量受损大鼠出现轻微的心肌舒张功能受损伴心肌脂滴沉积并出现BNIP3下降和ROS的增加，提示糖尿病前期可能合并线粒体破坏和BNIP3介导的线粒体自噬不足。Zheng等30近期的研究发现，褐藻黄质在糖尿病心肌病中发挥的抗氧化和恢复线粒体功能的保护作用有赖于BNIP3介导的线粒体自噬的发生这也为通过BNIP3-线粒体自噬途径防治糖尿病心肌病提供了有利的证据支持。值得注意的是，BNIP3也能借助通透性转换孔诱导线粒体去极化发挥促凋亡作用这似乎解释了BNIP3过表达也能促进高糖干预下心肌细胞凋亡的实验现象31。因此，BNIP3功能的多样性也为其在糖尿病心肌病与线粒体自噬的相关研究带来了挑战。3 .FUNDC1途径:FUNDC1位于线粒体外膜,可通过其自身的LlR介导自噬囊泡和受损线粒体结合,以促进后者的清除。Pei等32研究发现，阻断FUNDC1介导的线粒体自噬，可加速高脂饮食小鼠的心功能异常和心肌病理改变。因而，从自噬角度出发，FUNDC1对糖尿病心肌病具有保护作用。但Wu等33研究表明,FNDC1上调还可以促进线粒体相关内质网膜形成和线粒体钙超载，诱导糖尿病心肌病病变的发生。因此，在涉及FUNDC1与糖尿病心肌病的研究时，需兼顾前者功能的多样性。4 .非经典途径：Unc-51样激酶I-Rab9介导的线粒体自噬不依赖于含LC3自噬囊泡的形成，当Rab9被磷酸化激活后，受损线粒体可直接被高尔基体来源的双层膜结构包裹，进而被转移至溶酶体清除34。研究表明，糖尿病心肌病的改善过程中伴随着Rab9的增加35。而Tong等36在研究中进一步发现，高脂饮食小鼠后期上调的转录因子结合IGHM增强子3,可通过促进nc-51样激酶1-Rab9介导的线粒体自噬延缓糖尿病心肌病进展，证实了非经典线粒体自噬在逆转糖尿病心肌病病变中的重要作用。此外，该途径引起的线粒体自噬激活，也能减少小鼠心肌缺血损伤、减轻压力过载引起的心肌病34,37。三、线粒体自噬在糖尿病心肌病中特点不同于其他疾病，糖尿病心肌病中涉及线粒体自噬的病理生理机制有其自身的特点。相关研究已经提示，线粒体自噬能改善糖尿病心肌病，且在不同的糖尿病动物模型和糖尿病不同阶段其线粒体自噬的变化及其机制有所不同。另外，线粒体分裂作为线粒体质量控制的一部分，其与线粒体自噬的关系失衡也参与了糖尿病心肌病的发生发展。1 .改善线粒体自噬对糖尿病心肌病有益：虽然线粒体自噬的激活在某些疾病中发挥着“双刃佥效应，但这一清除机制在糖尿病心肌病中通常被认为是有益的。在糖尿病心肌病的动物模型中，可见大量损伤的线粒体积聚，伴随氧化应激、细胞凋亡。研究显示，线粒体自噬作为一种保护机制，其在糖尿病心肌病是不足或者相对不足的18,20,35,38,39。尽管高脂饮食诱导的2型糖尿病小鼠出现线粒体自噬增加，但Parkin基因敲除却进一步加剧了心肌损害，而在促进线粒体自噬后心肌病变得到缓解，证实了线粒体自噬激活在糖尿病心肌病中的保护作用40。不仅如此，Parkin基因失活还导致心肌缺血预处理的保护作用缺失，降低心肌梗死耐受性及扩大心肌梗死范围，揭示线粒体自噬在应激状态下的重要性41。近年来，研究发现糖尿病小鼠心梗死后在梗死灶周围出现线粒体自噬不足42。这也许能解释为什么糖尿病患者的心梗死后死亡风险和心衰风险增加，线粒体自噬的干预或许也能成为降低糖尿病患者心衰风险的有效靶点。2 .线粒体自噬的变化与糖尿病类型以及糖尿病不同阶段有关：线粒体自噬在糖尿病心肌病动物模型中的变化趋势并不一致。例如，2型糖尿病小鼠心肌线粒体自噬在高脂饮食后3周至2个月出现持续性升高,但在转基因OVE26或链服佐菌素诱导的1型糖尿病小鼠心肌中却出现PINKI-Parkin依赖的线粒体自噬水平的降低35,40。线粒体自噬变化趋势迥异，考虑可能与糖尿病类型和小鼠造模方式相关。就双层膜结构包绕并清除胞质内物质的过程而言，线粒体自噬是自噬中的一个环节。在糖尿病心肌病研究过程中发现，线粒体自噬的发生似乎并不完全依赖于自噬的激活。Kanamori等43发现，1型糖尿病小鼠早期出现的心肌损伤伴随自噬增加，而用氯唾干扰溶酶体功能抑制自噬后，出现了ATP产量下降及心功能障碍的加剧提示糖尿病心肌病病变早期自噬增强作为一种代偿机制，可能促进了线粒体自噬的发生，以减少代谢应激损伤。这在随后的研究中得到了验证，高脂饮食诱导2型糖尿病小鼠心肌病变早期除了自噬激活，还伴随着线粒体自噬流的增加，通过基因敲除或者过表达的方式，证实了自噬激活在促进线粒体自噬中的重要性40。但与之相反的,自噬抑制也可以上调线粒体自噬。Xu等35研究发现，下调1型糖尿病小鼠的Bedin-I能逆转糖尿病心肌病的PlNK1、Parkin降低和促进Rab9表达,增强线粒体自噬和减轻心肌病变，而促进Beclin-I表达却加重了心肌损害，使心功能进一步恶化。虽然目前没有明确的机制可用于解释糖尿病心肌病自噬激活对线粒体自噬影响的差异，但或许能从糖尿病病程长短和溶酶体功能状态找到一部分答案。经过比较发现，在链服佐菌素诱导的1型糖尿病小鼠中，Kanamori涉及的小鼠病程较短，Xu等35研究的小鼠病程较长，这提示自噬增强伴随的线粒体自噬激活主要发生在糖尿病心肌病早期，但随着疾病进展，自噬减弱反而是一种适应性保护机制。与之一致的是Tong等36发现，高脂饮食小鼠的心肌线粒体自噬呈现时间依赖性变化，早期以自噬和Pinkl-Parkin介导的线粒体自噬激活为特点，相关自噬分子的表达在高脂喂养第6周达峰值，此后逐渐下降；而在高脂喂养第12周，伴随着自噬水平下降，开始出现Unc-51样激酶I-Rab9介导的线粒体自噬的激活，并且这种非经典自噬途径上调至少可持续至第24周44,45。因此不难看出，依赖于含LC3自噬囊泡形成的线粒体自噬主要发生在糖尿病心肌病早期，而在糖尿病心肌病后期增加自噬，似乎无法通过促进线粒体自噬给病损心脏带来获益。值得注意的是，不管是哪种线粒体自噬，都需要正常的溶酶体功能作为保障。糖尿病心肌病早期出现组织蛋白酶D升高，提示自噬激活过程中伴随着溶酶体清除能力的增强43。但长期的自噬激活，尤其是糖尿病心肌病后期，不仅无法促进线粒体自噬，还有可能过度消耗溶酶体。Zhang等46研究发现，体内外模拟缺血再灌注损伤后神经元出现了自噬激活以及不对等的溶酶体功能障碍，造成自噬小体的积聚和自噬流的下降，导致神经元突触功能障碍，而应用自噬抑制剂3-甲基腺瞟吟后可以逆转上述现象。这提示，当自噬与溶酶体功能不平衡时，自噬的抑制可以保护溶酶体功能，以保证更为重要的自噬流的发生，比如线粒体自噬。这也带来启示，在糖尿病心肌病进展过程中，抑制自噬所带来的心肌保护作用或许与改善溶酶体功能及有效促进线粒体自噬有关，但这还需要未来进一步研究证实。此外，线粒体自噬的上调并不完全依赖于自噬激活的这一特点提示，在糖尿病心肌病与线粒体自噬的相关研究中，不能单纯以自噬水平去评估线粒体自噬，也不能单纯采用调控自噬的药物去干预线粒体自噬。3 .糖尿病心肌病中存在线粒体自噬和线粒体分裂的失衡：除了促进线粒体自噬、抑制线粒体过度分裂或促进线粒体融合在改善糖尿病心肌病中也起着重要作用。线粒体动力学也是线粒体质量控制的一部分，当线粒体轻微受损时，可通过融合稀释并修复线粒体损伤;当线粒体破坏较明显时,可通过裂变和及时的线粒体自噬恢复线粒体稳态47。下调胰岛素抵抗人群的线粒体分裂，能改善骨骼肌脂肪氧化和增加胰岛素敏感性48oHu等49的研究显示，db/db小鼠的心肌线粒体呈现出过度分裂及片段化状态，分裂出的受损线粒体无法被及时清除并持续产生ROS,导致氧化应激水平升高，提示糖尿病心肌病中存在线粒体分裂和自噬的失衡,在借助烟酰胺核糖促进线粒体融合后能减少堆积的线粒体片段，减少心肌氧化应激和凋亡。四、总结与展望线粒体功能障碍与糖尿病心肌病密切相关，通过改善线粒体自噬、促进受损线粒体的清除可能成为糖尿病心肌病的有效治疗靶点。目前研究表明，BRD4-PINK1、Mst1-Sirt3-FoxO3a-Parkin.BNIP3xFUNDC1、非经典途径介导的线粒体自噬参与了糖尿病心肌病的发病机制。虽然在不同糖尿病心肌病动物模型中，线粒体自噬变化不一，但都指向线粒体自噬具有保护作用。线粒体自噬在糖尿病心肌病病程中，呈现从激活Pirlkl-Parkin介导的经典自噬途径转为激活非经典自噬途径的阶段性变化，提示在糖尿病心肌病和线粒体自噬的研究过程中，不能借助评估自噬和干预整体自噬水平来代替。而通过干预线粒体动力学，实现线粒体分裂和线粒体自噬的平衡或许也能有效改善糖尿病心肌病。另外，目前糖尿病心肌病与线粒体自噬的临床研究较少，以线粒体自噬为靶点干预糖尿病心肌病并应用于临床仍具有一定的挑战，未来还需要进一步的研究。