趙恩麒，蓋祥云,3，葉 萍

(1. 青海民族大學藥學院， 2. 青海省青藏高原植物化學重點實驗室，3. 青海省藥物分析重點實驗室，青海 西寧 810007)

肺動脈高壓(pulmonary arterial hypertension，PAH)是一種以肺動脈阻力升高和血管重塑為特征的慢性血管疾病，缺氧是肺動脈高壓的主要因素，由于缺氧引起的肺動脈高壓稱之為低氧性肺動脈高壓(hypoxic pulmonary hypertension，HPH)[1]。低氧性肺血管收縮(hypoxic pulmonary vasoconstriction，HPV)和低氧性肺血管重構(hypoxic pulmonary vascular remodeling，HPVR)是低氧性肺動脈高壓的兩大病理特征。根據暴露在低氧條件下的時間不同，可以將HPV分為急性期HPV和持續(xù)性HPV，其中急性期HPV表現為低氧引發(fā)的快速的肺血管收縮反應。持續(xù)性HPV，指長時間的肺泡低氧條件引發(fā)的難以逆轉的低氧性肺血管重構。線粒體中Ca2+是普遍存在的、多能的、動態(tài)的因子，決定著細胞的增殖和凋亡，是許多細胞功能調節(jié)中的關鍵因子。研究表明Ca2+信號轉導在HPV和HPVR中發(fā)揮著重要的作用。HPH的發(fā)病機制及其與線粒體Ca2+信號轉導的關系尚不明確，本文就近幾年文獻中所研究的線粒體Ca2+信號轉導與HPH之間的關系做一綜述。

1 線粒體攝取Ca2+的機制

線粒體攝取Ca2+必須通過線粒體外膜和線粒體內膜。氫離子移動通過電子傳遞鏈(electron transport chain，ETC)穿過線粒體內膜形成濃度梯度，提供鈣離子積累電化學驅動力。線粒體鈣單向傳遞體(mitochondrial Ca2+uniporter，MCU)是線粒體攝取Ca2+的主要途徑，存在于線粒體內膜。線粒體鈣攝取-1(mitochondrial Ca2+uptake-1，MICU1)是MCU復合體的一部分，只允許Ca2+進入線粒體。Ca2+首先通過電壓依賴型陰離子通道1穿過線粒體外膜，然后通過MCU穿過線粒體內膜，進入線粒體[2]。線粒體相關內質網膜(mitochondria-associated ER membranes，MAMs)是內質網(endoplasmic reticulum，ER)與線粒體之間緊密連接的通訊物理基礎[3]。Ca2+從ER轉移到線粒體中要借助MAMs表面專有的鈣離子通道。細胞鈣儲庫釋放Ca2+的部位在MAMs處形成高鈣胞質，并在短時間內達到很高的Ca2+濃度，其濃度遠高于細胞質中的Ca2+濃度。ER和肌漿網(sarcoplasmic reticulum，SR)中的Ca2+可通過其表面存在的三磷酸肌醇受體(inositol triphosphate receptors，IP3R)或者雷尼丁受體(ryanodine receptor，RyR)釋放進入線粒體基質中。內質網-線粒體相互作用發(fā)生在整個網絡，Ca2+是細胞器用來交流的最重要的信號之一。

2 Ca2+調節(jié)線粒體功能在HPV中的作用

HPV是指急性缺氧導致肺泡氧分壓下降到一定閾值時，肺血管迅速發(fā)生可逆的收縮反應，從而糾正肺內通氣/血流的不匹配，使肺動脈壓不變的情況下最大程度的提高血液的氧飽和度。低氧引起肺動脈平滑肌細胞(pulmonary artery smooth muscle cells，PASMCs)收縮是引發(fā)HPV的關鍵因素，而細胞內Ca2+水平升高是引起PASMCs收縮的主要原因之一[4]。低氧可誘發(fā)細胞內鈣儲庫釋放Ca2+，促進線粒體攝取Ca2+并導致細胞中Ca2+濃度(intracellular Ca2+concentration，[Ca2+]i)升高，進而引發(fā)HPV。PASMCs中的線粒體在生理缺氧中主要扮演傳感器的作用。

2.1 MCU在Ca2+信號轉導中的作用MCU對Ca2+具有高度選擇性，是線粒體攝取Ca2+的主要途徑[5]。MICU1是MCU復合物中的組成部分,當胞質中Ca2+濃度低時，通過設置一個門檻來阻止線粒體攝取Ca2+，從而起到看門人的作用[6]。此外，MCU復合體的調控蛋白還包括MICU2、MCUb、EMRE。低氧可促進線粒體攝取Ca2+，進而促進線粒體產生活性氧( reactive oxygen species，ROS)，導致線粒體中活性氧濃度(mitochondrial ROS concentration，[ROS]mito)升高。細胞中ROS主要來源于線粒體產生的ROS。細胞中ROS濃度(intracellular ROS concentration，[ROS]i)升高可誘導細胞內鈣儲庫釋放Ca2+，[Ca2+]i升高，進而引發(fā)HPV。線粒體攝取Ca2+過程的高效率可歸因于線粒體和鈣池離子之間的密切配合。此外，線粒體Na+/Ca2+交換器(mitochondrial Na+/Ca2+exchanger，mNCX)可平衡MCU對Ca2+的吸收。

2.2 ROS、RyR和IP3R在Ca2+信號轉導中的作用SR釋放的Ca2+是興奮-收縮偶聯的關鍵[7]。線粒體與SR緊密相連，Ca2+是這些細胞器維持最佳功能的關鍵因素。SR中的RyR Ca2+釋放通道通過多種蛋白調節(jié)Ca2+的釋放進而調節(jié)細胞功能。研究表明RyR受體可介導低氧誘導SR中的Ca2+釋放，其中Ⅱ型雷尼丁受體(ryanodine receptor type-2，RYR2)發(fā)揮主要作用。IP3R含有多種反應性硫醇，是ROS的常見分子靶點。低氧誘導ROS產生的主要場所是ETC復合物Ⅲ。低氧可誘導線粒體中ROS的產生并增加PASMCs內Ca2+濃度，進而促進PASMCs中線粒體攝取Ca2+，這可能在HPV及其相關的肺動脈高壓中起重要作用[8]。研究表明低氧時復合物Ⅲ中的Rieske Fe/S蛋白(rieske iron-sulfur protein，RISP)可介導ROS的生成，進而使PASMCs內Ca2+水平升高[9]。線粒體攝取Ca2+抑制劑RU360通過抑制線粒體中低氧誘導的ROS的生成，進而抑制線粒體攝取Ca2+，最終抑制低氧誘導的線體Ca2+超載。低氧條件下，ETC復合物Ⅲ中，RISP依賴的線粒體ROS的產生，能夠激活磷脂酶(PLC)C-γ1導致IP3產生，IP3R通道開放并釋放Ca2+。因此[ROS]mito在低氧誘導SR的Ca2+釋放和PASMCs收縮中發(fā)揮重要的作用。低氧可誘導SR中RyR2介導的Ca2+釋放，促進線粒體攝取Ca2+并促進線粒體中ROS的生成[8]。[ROS]mito升高可激活RyR2/Ca2+釋放通道，導致線粒體中Ca2+濃度(mitochondrial Ca2+concentration，[Ca2+]mito)升高。[Ca2+]mito升高又會產生大量的ROS，引發(fā)PTP孔開放，最終導致[Ca2+]i升高形成一個正反饋機制。同時，PASMCs中ROS和氧化還原偶還可抑制氧敏感電壓門控鉀通道Kv，激活電壓門控鈣通道CaL，進而增加[Ca2+]i，導致PASMCs收縮，引發(fā)HPV。

3 線粒體中Ca2+與 HPVR之間的相互作用

低氧引起的肺血管重構主要與PASMCs增殖/凋亡之間的不平衡有關[10]。線粒體中Ca2+在平滑肌細胞增殖和凋亡中發(fā)揮著關鍵作用。當線粒體受到刺激時會吸收Ca2+來提高有氧代謝，使細胞對凋亡敏感。在PASMCs中，[Ca2+]mito升高會抑制平滑肌細胞增殖，因此這一策略可作為治療HPH的潛在手段[11]。在肺動脈內皮細胞中[Ca2+]mito升高會促進內皮細胞損傷，導致細胞凋亡，促進炎性應答，抑制NO的產生，進而導致HPH的發(fā)生。

3.1 IP3R通路在Ca2+信號轉導中的作用Mendes Carolina等人[12]研究證明IP3R的三種亞型中的Ⅲ型優(yōu)先將鈣離子信號傳導到線粒體中，誘導細胞凋亡。ATP可誘導線粒體對Ca2+的攝取，通過沉默Ⅲ型IP3R比沉默Ⅰ型或沉默Ⅱ型更能有效的抑制線粒體攝取Ca2+[12]。Ⅲ型三磷酸肌醇受體(type Ⅲ inositol trisphosphate receptor，IP3R3)在絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶(Akt)等激酶的磷酸化作用下抑制內質網釋放Ca2+，[Ca2+]mito降低，進而促進細胞存活和增殖[13]。當細胞處于應激時，哺乳動物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin，mTOR)轉移至MAMs界面，激活Akt-IP3R3通路，內質網-線粒體鈣轉導被抑制進而促進細胞增殖。

3.2 MCU在Ca2+信號轉導中的作用MCU為線粒體Ca2+通道[14]，在Ca2+信號轉導中扮演重要的作用。線粒體膜電位作為驅動力促使Ca2+轉移到線粒體中，MCU介導的線粒體攝取Ca2+在信號轉導、生物能量學和細胞凋亡中起重要作用，其失調與多種人類疾病有關[15]。低氧可引發(fā)細胞內鈣儲庫釋放Ca2+，并通過刺激細胞膜上鈣通道導致細胞外Ca2+內流進而引發(fā)細胞內Ca2+超載。MCU能夠清除胞質中過量的Ca2+，同時線粒體也利用這些離子產生細胞能量[16]。MCU可能與肺動脈高壓的發(fā)生相關，持續(xù)低氧可造成MCU功能受損，導致[Ca2+]mito降低，進而促進PASMCs增殖。

3.3 MAMs在Ca2+信號轉導中的作用擾亂MAMs的形成，會導致線粒體缺陷，抑制ATP生成和線粒體攝取Ca2+能力降低[13]。線粒體內Ca2+水平降低是抑制有氧呼吸，促進增殖的關鍵因素[17]。緩慢增加[Ca2+]mito可促進線粒體內Ca2+依賴酶的活性，從而促進葡萄糖氧化，抑制糖酵解，進而抑制細胞增殖。因此[Ca2+]mito升高在促進細胞有氧呼吸和抑制細胞增殖中發(fā)揮著重要的作用。

MAMs界面含有眾多可調節(jié)內質網-線粒體鈣轉移軸的蛋白和信號通路[17]。網狀蛋白Nogo-B是網狀蛋白家族4(reticulon protein family 4，Rtn4,又名Nogo)中的一員。低氧可促進Nogo-B的表達并抑制Nogo-B受體(NgBR)表達，進而抑制MAMs的形成。NgBR失調可破壞MAMs和增加IP3R3磷酸化，進而抑制內質網釋放Ca2+，導致[Ca2+]mito降低，促進細胞增殖[18]。將NgBR過表達質粒轉染到PASMCs中，結果表明，轉染組的增殖相關蛋白表達水平降[18]。低氧可抑制MAMs的形成，進而抑制內質網-線粒體鈣轉移，[Ca2+]mito降低，抑制PASMCs凋亡。Nogo-B可誘導內質網和線粒體之間的距離增加，對鈣敏感的線粒體酶受到抑制，線粒體內Ca2+水平降低，線粒體膜電位增加，[ROS]mito降低，線粒體依賴凋亡減少，進而參與血管重構。當低氧發(fā)生時，平滑肌細胞中活化轉錄因子6(activating transcription factor6，ATF6)轉錄激活內質網應激蛋白Nogo-B，通過調控內質網形態(tài)來減少內質網與線粒體膜之間的接觸，進而抑制內質網釋放Ca2+，減少線粒體對Ca2+的攝取。促進Nogo-B的表達能促進磷酸化蛋白激酶B (pAkt)表達，進而促進IP3R3的磷酸化。抑制IP3R3的磷酸化可促進內質網中的Ca2+釋放，使流入線粒體中的Ca2+增加，進而抑制細胞增殖。

鈣敏感受體(calcium sensing receptor，CaSR)通過PI3K/Akt信號通路參與缺氧誘導PASMCs增殖，并為CaSR興奮假說防治肺動脈高壓提供了新的靶點[19]。細胞外信號調節(jié)激酶1/2(extracellular-signal regulated ki-nase，ERK1/2)是PASMCs凋亡的調節(jié)因子，以該激酶為中心的細胞內信號系統(tǒng)為靶點，可能開發(fā)出治療肺動脈高壓的潛在策略[20]。段旦[21]研究表明低氧促進RELMβ、鈣調磷酸酶(calcineurin)、活化T細胞轉錄因子(nuclear factor of activated T cells，NFATc3)的表達，可引起大鼠PASMCs增殖，RELMβ可能通過Ca2+/ Calcineurin/ NFATc3信號通路促進低氧性大鼠PASMCs增殖。

低氧可抑制MAMs的形成，進而抑制內質網-線粒體鈣轉移，[Ca2+]mito降低，抑制PASMCs凋亡。同時抑制MAMs的形成導致線粒體攝取Ca2+的能力降低，此時線粒體不能清除細胞內多余的Ca2+，[Ca2+]i升高，引發(fā)PASMCs增值，進而參與血管重構。在體內低氧暴露的平滑肌細胞中，抑制NgBR的表達可使Nogo-B的表達增加進而破壞MAMs的形成，并激活MAMs鈣轉移pAkt-IP3R3通路，線粒體Ca2+水平降低，調控細胞增殖[18]。綜上，NgBR可通過調節(jié)MAMs形成及內質網-線粒體鈣轉移pAkt-IP3R3通路調控平滑肌細胞增殖。

4 內皮細胞中線粒體Ca2+信號傳導

4.1 MAMs在Ca2+信號轉導中的作用誘導肺動脈內皮細胞凋亡，可引發(fā)肺動脈高壓[22]。研究表明，內皮細胞(endothelial cells，ECs)凋亡在肺動脈高壓發(fā)生和發(fā)展過程中起中心作用，以ECs修復和再生為目標的治療策略可能是治療這種疾病的唯一有效的方法[23]。鄧超等[24]研究表明，肺動脈內皮細胞凋亡可能在大鼠肺動脈重構中起重要作用。將肺動脈內皮細胞低氧處理24 h后，檢測MAMs組成蛋白的表達情況，結果表明，低氧組MAMs組成蛋白表達情況明顯高于常氧組。因此，低氧可促進內皮細胞中MAMs的形成。研究表明，破壞MAMs的形成能顯著抑制[Ca2+]mito升高，修復線粒體功能，抑制細胞凋亡。MAMs可調節(jié)線粒體攝取Ca2+，進而影響線粒體功能[19]。促進MAMs的形成可促進線粒體攝取Ca2+，導致[Ca2+]mito升高，介導低氧誘導內皮細胞損傷[18]。因此低氧可誘導線粒體攝取Ca2+能力增加，促進線粒體Ca2+超載，導致線粒體功能損害，引起內皮細胞凋亡和炎癥應答。線粒體Ca2+還可通過調控線粒體通透轉換孔的開放，來調節(jié)線粒體膜的通透性及線粒體內損傷分子的釋放，進而調節(jié)細胞凋亡。線粒體Ca2+超載可引起線粒體通透轉換孔開放，損害質子濃度梯度，引起ATP生成障礙，并促進ROS生成。

4.2 ROS在Ca2+信號轉導中的作用細胞內Ca2+在信息傳遞中起非常重要的作用。線粒體Ca2+和線粒體膜電位異?？纱龠M線粒體產生ROS。Suresh等[25]研究表明，ROS的生成可增加ECs中[Ca2+]i，因此ROS和[Ca2+]i的升高在PH中扮演著不可替代的作用。低氧可誘導內皮細胞中ROS生成增多，導致細胞內鈣儲庫釋放Ca2+，進而促進線粒體攝取Ca2+，[Ca2+]mito升高，引發(fā)內皮細胞凋亡。線粒體中Ca2+水平升高又可促進線粒體中ROS的生成形成一個正反饋機制，加速ECs凋亡。高肺血流量可上調肺動脈內皮細胞CaSR的表達，進而調控線粒體通路，誘發(fā)肺動脈內皮細胞凋亡，最終引發(fā)PAH。

5 結語

綜上所述，細胞中Ca2+超載是導致HPV和HPVR的關鍵因素。急性低氧可誘導PASMCs中線粒體ROS的生成，[ROS]i升高，進而誘導細胞內鈣儲庫釋放Ca2+，[Ca2+]i升高，PASMCs收縮。同時低氧又可直接引發(fā)細胞內鈣儲庫釋放Ca2+，促進線粒體攝取Ca2+，[Ca2+]mito升高，進而促進線粒體中ROS生成，形成一個正反饋機制，最終引發(fā)HPV。持續(xù)性低氧可引起PASMCs內MCU損傷并抑制MAMs的形成，[Ca2+]mito降低，進而促進PASMCs增殖。低氧在不同的細胞中的誘導方式有所不同。在內皮細胞中低氧可促進MAMs的形成，進而促進線粒體攝取Ca2+，[Ca2+]mito升高，線粒體損害，最終引發(fā)內皮細胞損傷。線粒體中Ca2+信號轉導在HPV和HPVR中扮演非常重要的角色，其作用機制也引起越來越多的研究者關注。線粒體中的Ca2+影響 HPV和HPVR的網絡機制還未完全闡明，有待進一步研究。