线粒体衍生肽MOTS-c的生理作用

孟祥祺,苑姗姗,戴红艳,管军

(青岛大学附属青岛市市立医院 a.保健四科, b.心内科, 山东 青岛 266000)

线粒体是细胞中重要的功能性细胞器，是细胞的代谢中枢，为细胞提供行使生命活动所必需的能量，还能够携带遗传物质，拥有独立的遗传密码——线粒体DNA(mitochondrial DNA，mtDNA)。mtDNA是一种双链超螺旋共价闭合环状DNA分子，编码37个基因，包括22种转运RNA、2种核糖体RNA和13种信使RNA[1-2]。另外，mtDNA还包含一些短开放阅读框(small open reading frames，sORFs)，这些sORFs可通过转录、翻译具有生物活性的短肽，在细胞应激时改变细胞的功能，人们将这些短肽命名为线粒体衍生肽(mitochondrial derived peptides，MDPs)[3]。研究显示，MDPs通过调节线粒体生物能学和线粒体代谢，影响线粒体介导的新陈代谢。作为一组新定义的循环信号分子，MDPs具有广阔的研究前景，截至目前共发现3种MDPs：Humanin[4]、MOTS-c(mitochondrial open reading frame of the 12S rRNA-c)[5]、SHLP1-6(small humanin like peptides 1-6)[6]。MOTS-c是2015年Lee等[5]利用计算机技术发现，是mtDNA 12S rRNA基因座中sORF编码的MDPs，由16个氨基酸组成，其中前11个氨基酸残基高度保守。人类MOTS-c的一级结构为Met-Arg-Trp-Gln-Glu-Met-Gly-Tyr-Ile-Phe-Tyr-Pro-Arg-Lys-Leu-Arg，广泛分布于各种组织和血浆中，通过自分泌和旁分泌在细胞水平和机体水平发挥作用[5]。现就MOTS-c的生理作用进行综述。

1 MOTS-c的细胞保护作用

线粒体作为细胞能量代谢的中枢，是维持机体正常代谢的“发动机”，为正常发挥生物学效应，协调细胞代谢稳态，线粒体与细胞核之间有着复杂的通信系统。最初人们认为这种通信系统是自上而下的，由细胞核产生驱动信号，线粒体被动接收驱动信号，线粒体基因组被动受细胞核DNA(nuclear DNA，nDNA)编码的因子调节。但近年来的研究显示，线粒体可主动调节各种生理过程，甚至影响nDNA的表达[7]。MOTS-c作为mtDNA sORF编码的一种多肽，是线粒体信号传递系统的新成员。MOTS-c可与nDNA调节元件和转录因子相互作用，直接调节nDNA的表达，体外培养的HEK293细胞受到氧化应激刺激时，核外的MOTS-c可响应代谢应激刺激，通过AMP活化蛋白激酶(AMP-activated protein kinase，AMPK)途径动态转移至细胞核，与核因子E2相关因子2靶基因启动子区域相作用，促进下游靶基因的表达，从而调控多种抗氧化应激酶类的表达，增加细胞抗性，维持细胞代谢稳态，起到细胞保护的作用[7]。在慢性肾脏病5期患者的骨骼肌细胞中，MOTS-c的低表达与核因子E2相关因子2基因表达的减少相一致[8]。MOTS-c在代谢应激条件下的细胞保护机制可能参与了多种病理生理过程。

2 MOTS-c调节糖脂代谢

MOTS-c可通过AMPK途径参与调节葡萄糖代谢稳态和脂肪酸的合成过程。研究发现，MOTS-c可抑制叶酸-甲硫氨酸循环，直接阻断嘌呤从头合成，使5-甲基四氢叶酸水平下降，提高5-氨基咪唑-4-羧基酰胺核苷酸的水平，通过激活AMPK发挥调节糖脂代谢稳态的作用[5]。MOTS-c的这一作用机制与降糖药物二甲双胍[9]类似。体外研究显示，经MOTS-c处理的细胞对葡萄糖的摄取增加，基础氧耗速率降低[5]。体内研究发现，腹膜内注射MOTS-c可显著降低正常饮食小鼠非空腹血糖的水平，并显著改善葡萄糖耐量试验中葡萄糖的清除率[5]。在老年小鼠(12月龄)中，通过补充MOTS-c成功逆转了年龄依赖性骨骼肌胰岛素抵抗，提示小鼠骨骼肌和循环中MOTS-c的水平与年龄相关的胰岛素抵抗有关[5]。在高脂肪饮食诱导的胰岛素抵抗小鼠中，小鼠骨骼肌细胞中活化的AMPK和下游葡萄糖转运蛋白4的表达增加，提示MOTS-c可以预防高脂饮食诱导的胰岛素抵抗[5]。高胰岛素-正葡萄糖钳夹技术显示，MOTS-c通过作用于骨骼肌以增加葡萄糖的清除，从而调节葡萄糖稳态[5]。由MOTS-c诱导摄取的葡萄糖被引入磷酸戊糖途径，为嘌呤的合成提供碳源，而不是通过无氧酵解经肝脏代谢葡萄糖，提示MOTS-c不会改变肝脏葡萄糖生成的速度。这一特点与经典的AMPK激活剂二甲双胍的作用机制不同，提示MOTS-c可以避免二甲双胍、5-氨基咪唑-4-羧基酰胺核苷酸等传统AMPK激活类药物诱发的肝毒性，表明MOTS-c可作为调节代谢稳态的药物[10]。MOTS-c可作为一种新型的胰岛素增敏剂，以类似但不完全等同于二甲双胍的方式作用于骨骼肌，诱导葡萄糖摄取，并改善机体对胰岛素的敏感性。

MOTS-c还参与脂质代谢。MOTS-c通过刺激肉毒碱穿梭提高脂质利用率和β-氧化水平。当 5-氨基咪唑-4-羧基酰胺核苷酸累积时脂肪酸氧化增加[11]。在高脂饮食饲养的胰岛素抵抗小鼠中，骨骼肌中的MOTS-c可通过提高激活的AMPK的水平，促使下游葡萄糖转运蛋白4表达，以预防高脂饮食诱导的肥胖[5]。此外，MOTS-c还可减少高脂饮食诱导的内脏脂肪沉积和肝脏脂肪变性，但尚不清楚这是由于脂肪生成减少还是脂肪分解增加导致的[5]。MOTS-c也可通过降低三酰甘油水平提高蛋白激酶B活性并促进脂肪细胞AMPK途径，减少脂滴沉积[5]。研究发现，MOTS-c处理后，与脂质氧化相关的基因无变化，但与脂肪生成相关的基因被显著抑制[5]。

女性激素的水平在绝经前后会发生显著变化，主要表现为雌激素绝对减少。绝经后妇女发生代谢功能障碍的风险增加，可导致糖脂质代谢紊乱和肥胖[12]。绝经后血脂异常包括低密度脂蛋白水平增高、高密度脂蛋白水平降低[13]。Lu等[14]研究发现，MOTS-c可以预防去卵巢引起的胰岛素抵抗、脂肪沉积和炎症侵袭。MOTS-c可增加能量消耗抑制脂肪量扩增，表现为MOTS-c可缩小脂肪细胞、抑制脂肪-炎症反应、增强去卵巢小鼠的脂质分解代谢；MOTS-c还增加了棕色脂肪的活化，减少了白色脂肪的积累，从而降低血清和肝脏中脂肪酸的水平[14]。

2017年在中国湖北进行的一项病例对照研究显示，与对照组相比，肥胖组MOTS-c的水平显著降低；按性别分类后，男性肥胖儿童和青少年MOTS-c的水平显著低于男性对照组；此外，MOTS-c的水平与男性群体中的体质指数、体质指数标准差评分、腰围、腰臀比、空腹胰岛素水平、胰岛素抵抗指数以及糖化血红蛋白呈负相关[15]。在D型半乳糖苷酶诱导的肝脏脂质沉积小鼠中，MOTS-c治疗后可观察到小鼠肝脏线粒体的动力学改善，证明MOTS-c能够通过改善线粒体状态，减轻肝脏组织中的脂质积累[16]。

3 MOTS-c调节运动

运动可使骨骼肌中的AMPK活化，导致脂肪酸氧化和线粒体生物合成，进而重塑肌肉,改善机体的耐力和代谢，从而有益身体健康。可见AMPK在运动相关转导系统中具有重要作用。之前的研究已经证明注射MOTS-c可使小鼠骨骼肌中的AMPK活化[17]，提示MOTS-c可通过活化AMPK直接将线粒体与运动诱导的信号转导联系起来，从而参与运动的调节。MOTS-c可能是运动模拟剂，未来可通过摄入外源性MOTS-c，发挥类似“锻炼”的作用，从而起到强身健体的目的。此外，MOTS-c作为线粒体信号转导系统的成员，介导了运动诱导的有丝分裂，增强了对运动的耐受性[18]。因此，MOTS-c可能在运动相关信号转导系统中发挥作用[19]，但尚需更多的研究证明此观点。

4 MOTS-c延缓衰老

MOTS-c的水平随着年龄的增长而下降，表明MOTS-c的丢失与衰老和年龄相关疾病的病理生理过程存在相关性[5]。研究发现，编码MOTS-c的mtDNA中的m.1382A>C多态性可能与日本人群的长寿现象相关[20]。m.1382A>C变异导致MOTS-c中第14位氨基酸赖氨酸被谷氨酰胺置换，这可能会延缓衰老[21]。已知的年龄修饰因子与MOTS-c也存在联系。烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(nicotinamide adenine dinucleotide,NAD)是参与氧化还原反应的关键代谢辅酶，可随着年龄的增长而下降，恢复水平可改善与年龄相关的疾病状况[22-23]。MOTS-c可增加细胞内NAD的水平[5]。此外，MOTS-c还可抑制叶酸-甲硫氨酸循环，导致甲硫氨酸代谢减少，甲硫氨酸减少可使啮齿类动物的寿命延长约45%，减少年龄相关疾病(如癌症)，延缓晶状体变质，减少内脏脂肪，并增加主要抗氧化剂谷胱甘肽的水平[24-28]。Mendelsohn和Larrick[10]研究表明，MOTS-c可增加衰老细胞衰老相关分泌表型的表达，使其更易被免疫系统检测到并被清除。基于以上研究，MOTS-c可能在延缓衰老方面具有积极作用，但目前尚需要更确切的证据。

5 MOTS-c调节炎症反应

炎症是多种疾病的基本病理过程。目前普遍认为促分裂原活化的蛋白激酶(mitogen activated protein kinase，MAPK)在介导炎症反应和细胞因子生成中发挥重要作用。Zhai等[29]的研究发现，MOTS-c通过降低MAPK的磷酸化、上调芳香烃受体的表达和巨噬细胞中信号转导及转录激活因子3的水平降低促炎细胞因子如白细胞介素(interleukin,IL)-6和IL-1β的水平。在感染耐甲氧西林金葡菌的小鼠中，用MOTS-c处理后腹腔中巨噬细胞的数量显著增加，多个器官细菌负荷减少。该研究认为，MOTS-c是通过抑制MAPK增加信号转导及转录激活因子3和芳香烃受体的表达，增强巨噬细胞的杀菌能力，同时调节促炎细胞因子和抗炎细胞因子的平衡(抑制促炎细胞因子肿瘤坏死因子-α、IL-6和IL-1β表达，促进抗炎细胞因子IL-10表达)[29]。

6 MOTS-c调节血管内皮功能

冠状动脉微血管功能障碍(coronary microvascular dysfunction，CMD)是各种致病因素导致冠状动脉微血管功能和(或)结构异常，从而影响心肌灌注，进而出现一系列临床表现的功能失调性疾病。Camici和Crea[30]认为，CMD是大部分冠状动脉疾病的主要致病机制。研究表明，内皮功能障碍和炎症是CMD的主要病因[31-33]。血管内皮可不依赖线粒体供能，而依靠糖酵解产生ATP[34]，提示线粒体在内皮细胞中不发挥供能作用，可能发挥调节或维持稳态的作用。研究证实，线粒体氧化磷酸化产生的副产物线粒体活性氧类参与了线粒体信号转导，内皮中高水平的线粒体活性氧类会导致内皮功能障碍，参与内皮功能的调节[35-36]。MOTS-c也参与血管内皮线粒体信号转导，提示其潜在的调节内皮功能的作用。

Kadlec等[36]的研究纳入了40例接受冠状动脉造影和内皮功能检查的患者，患者有心绞痛的临床表现，但无结构性冠状动脉病变。根据乙酰胆碱处理后冠状动脉血流的改变情况将患者分为正常内皮功能组和内皮功能障碍组。研究发现，与内皮功能正常组相比，内皮功能障碍组患者血浆MOTS-c的水平较低。对大鼠和肾动脉狭窄小鼠的主动脉环进行研究发现，虽然MOTS-c无直接血管活性作用，但应用MOTS-c的大鼠或MOTS-c预处理(2 μg/mL)的肾动脉狭窄小鼠的血管对乙酰胆碱的反应改善[37]。这些发现强调了MOTS-c在改善内皮功能障碍中的作用，但具体机制尚不清楚。有证据表明，核因子κB(nuclear factor-kappa B，NF-κB)的激活可通过调节促炎细胞因子(肿瘤坏死因子-α、IL-6)、黏附分子(E-选择素、血管细胞黏附分子1、细胞间黏附分子1)以及诱导酶(环加氧酶2、诱导型一氧化氮合酶)的表达，加重内皮功能受损[38-39]。此外，NF-κB的上游通路MAPKs也可通过调节黏附分子表面的表达参与内皮功能受损的发展，如血管细胞黏附分子1和细胞间黏附分子1[40]。MOTS-c也可通过抑制MAPKs信号转导途径，抑制促炎细胞因子(肿瘤坏死因子-α、IL-6、IL-1β)的表达[29]。以上研究间接表明MOTS-c可通过抑制MAPK/NF-κB途径预防内皮功能受损。

7 MOTS-c 抗骨质疏松

骨质疏松是一种骨吸收和骨重建失衡的骨退行性病变，在绝经期女性和老年人中的发病率较高。Ming等[41]针对去卵巢小鼠的研究发现，在巨噬细胞向破骨细胞分化过程中加入MOTS-c可抑制破骨细胞分化；加入MOTS-c后再加入AMPK阻断剂Compound c，可明显减弱MOTS-c抑制破骨细胞分化的作用。提示MOTS-c通过活化AMPK，抑制破骨细胞分化，减轻绝经后因雌激素水平降低引起的骨质流失，从而发挥抗骨质疏松的作用。Hu和Chen[42]发现，MOTS-c通过转化生长因子-β途径促进大鼠骨髓间充质干细胞向成骨细胞分化，从而改善骨质疏松。综上所述，MOTS-c既能促进成骨细胞分化，又能够抑制破骨细胞分化，其通过这两种途径改善骨代谢失衡，抗骨质疏松。

8 展 望

MOTS-c是一个具有巨大前景的MDPs，其既在细胞内起作用，是一种核-线粒体信号转导系统的信号分子，在代谢应激条件下增加细胞抗性；又分布在循环系统中，作为一种线粒体来源的活性肽，发挥“激素”样作用，调节糖脂代谢和炎症反应、改善血管内皮功能、抗骨质疏松等，并可能有延缓衰老的作用。MOTS-c在多种疾病中有巨大的研究价值及应用前景。此外，MOTS-c作为线粒体sORF编码的肽，为研究线粒体与疾病和健康的关系提供了新思路，但目前仍需要进一步研究MOTS-c的功能和作用机制，以期为临床应用提供更多的线索。