【社论-线粒体 IF3.452】专题：线粒体生物发生：药理学方法

Editorial (Thematic Issue: Mitochondrial Biogenesis: Pharmacological Approaches)

社论（专题：线粒体生物发生：药理学方法）

【作 者】Teresa Valero

【刊 名】Current Pharmaceutical Design

【出版日期】2014

【卷 号】Vol.20

【期 号】No.35

细胞器生物发生伴随细胞分裂过程中的细胞器遗传。细胞器的大小必须加倍并分裂，以产生两个相同的子细胞。线粒体的生物发生是通过原有细胞器的生长和分裂而发生的，并且在时间上与细胞周期事件有关[1]。然而，线粒体的生物发生不仅与细胞分裂有关。它可以响应于氧化刺激，细胞能量需求的增加，运动训练，电刺激，激素，发育过程中的某些线粒体疾病等而产生[2]。因此，线粒体的生物发生被定义为细胞增加其单个线粒体质量的过程[3]。最近的发现引起人们对线粒体生物发生的关注，将其作为治疗迄今为止尚未有效治愈的疾病的潜在靶标。线粒体作为主要的ROS生产者和主要的抗氧化剂生产者，在细胞介导的过程中发挥着至关重要的作用，例如凋亡，排毒，Ca2 +缓冲等。这种关键作用使线粒体成为治疗多种疾病的潜在靶标。

线粒体的生物发生可以通过药理学来操纵。本期试图涵盖通过触发线粒体生物发生来治疗多种疾病的多种方法。它包含了这一新领域的最新发现，重点在于针对慢性和退行性疾病，线粒体疾病，寿命延长，线粒体增生，细胞内信号传导，新的药理目标和天然疗法。它通过涵盖和收集线粒体生物发生的新颖而有希望的领域中鲜有报道的药理学方法，为该领域做出了贡献。

有几种具有线粒体起源的疾病，例如慢性进行性眼外肌麻痹（CPEO）和Kearns-Sayre综合征（KSS），带有红血丝的肌阵挛性癫痫（MERRF），线粒体脑脊髓病，乳酸性酸中毒和中风样发作（MELAS） ，莱伯（Leber）的遗传性视神经病变（LHON），神经源性肌肉无力，共济失调和色素性视网膜炎（NARP）综合征和利氏综合征。同样，线粒体功能异常起重要作用的其他疾病包括神经退行性疾病，糖尿病或癌症。

通常，在线粒体疾病中，线粒体DNA的突变会导致OXPHOS系统功能丧失，从而导致ATP的消耗和ROS的过度产生，进而会导致进一步的mtDNA突变。吴玉婷，吴世蓓和魏友辉（台湾国立阳明大学生物化学与分子生物学系）的工作[4]专注于上述线粒体疾病，并特别关注其代偿机制。提示线粒体即使在线粒体缺损的情况下也能产生更多的能量。这些补偿机制包括抗氧化酶的过表达，线粒体的生物发生和呼吸系统复杂亚基的过表达，以及代谢向糖酵解的转变。描述了与线粒体生物发生相关的途径，作为对线粒体疾病中能量缺乏的补偿性适应（PGC-1α，Sirtuins，AMPK）。这些作者认为，触发这些信号级联反应的几种药理策略是使用苯扎贝特来激活PPAR-PGC-1α轴，白藜芦醇对AMPK的激活以及Sirt1激动剂（如槲皮素或白藜芦醇）的使用。当前使用的其他策略包括在饮食中添加抗氧化剂补充剂（饮食中添加抗氧化剂），例如L-肉碱，辅酶Q10，MitoQ10和其他针对线粒体的抗氧化剂，N-乙酰半胱氨酸（NAC），维生素C，维生素E维生素K1 ，维生素B，丙酮酸钠或α-硫辛酸。

如上所述，其他疾病并非仅起源于线粒体，但它们在发病和发展中可能都具有重要的线粒体成分。2型糖尿病或神经退行性疾病就是这种情况。2型糖尿病的特征是周围胰岛素抵抗，伴随着胰岛素分泌的增加（作为代偿系统）。在关于胰岛素抵抗起源的解释中，莫妮卡·萨莫拉（MónicaZamora）和何塞普·A·维伦纳（Josep A. Villena）（庞培法布拉大学实验与健康科学系/西班牙巴塞罗那自治大学代谢与肥胖实验室）[5]考虑了线粒体功能障碍的假说。例如，细胞或组织的（线粒体）氧化能力受损，是胰岛素抵抗和2型糖尿病的主要原因之一。尽管由于2型糖尿病发作期间事件顺序的不确定性（例如，线粒体功能障碍是胰岛素抵抗的原因还是后果）的不确定性，这一假设并非没有争议，但已广泛观察到改善线粒体功能还可以改善胰岛素敏感性并预防2型糖尿病。因此，通过增加线粒体质量来恢复氧化能力似乎是治疗胰岛素抵抗的合适策略。研究人员尝试了解介导线粒体生物发生的信号传导途径，从而发现了新的潜在药理学靶标，并为设计合适的胰岛素抵抗治疗方法开辟了前景。此外，当前使用的一些策略可用于治疗胰岛素抵抗，例如生活方式干预（热量限制和耐力运动）和药理干预（噻唑烷二酮和其他PPAR激动剂，白藜芦醇和其他卡路里限制模拟物，AMPK激活剂，ERR激活剂）。

线粒体生物发生在现代神经化学中尤为重要，因为线粒体离子和ROS稳态，能量产生和形态的缺陷引起了人类疾病的广泛发展[1]。帕金森氏病（PD）是神经退行性疾病中重要的线粒体成分的一个很好的例子。Anuradha Yadav，Swati Agrawal，Shashi Kant Tiwari和Rajnish K.Chaturvedi（CSIR-印度毒理学研究所/科学与创新研究院，印度[6]在他们的综述中评论了线粒体功能障碍在PD中的作用，特别关注氧化应激和生物能缺乏的作用。这些改变可能起源于重要基因如DJ-1，α-syn，parkin，PINK1或LRRK2中的致病基因突变。这些突变反过来可能导致线粒体动力学缺陷（关键事件，如裂变/融合，生物发生，逆行和顺行方向的运输以及线粒体）。这项工作回顾了增强线粒体生物能量学以改善神经退行性过程的不同策略，重点是表明其潜力的临床试验报告。据报道，在肌酸中，辅酶Q10和线粒体靶向的抗氧化剂/肽在临床试验中具有最显着的作用。他们强调了PGC-1α表达对PD预后的双重影响。尽管该转录共激活因子的适度表达会产生积极影响，但过度过度表达则可能产生有害后果。作为诱导PGC-1α激活的策略，这些作者指出了使用白藜芦醇激活Sirt1的可能性，可以使用PPAR激动剂，如吡格列酮，罗格列酮，非诺贝特和苯扎贝特。其他策略包括通过三萜类化合物（齐墩果酸的衍生物）或Bacopa monniera触发Nrf2 /抗氧化反应元件（ARE）途径，肉碱和α-硫辛酸增强ATP的产生。

线粒体功能障碍是神经退行性疾病和神经发育障碍的主要来源。在神经分化的背景下，Martine Uittenbogaard和Anne Chiaramello（美国乔治华盛顿大学医学院和健康科学学院解剖与再生生物学系）[7]全面描述了线粒体生物发生对神经元分化，其时机，其通过特定信号传导途径的调控和新途径的意义。潜在的治疗策略。线粒体稳态的维持对于神经元发育至关重要。线粒体融合，裂变和质量控制系统与线粒体生物发生之间需要线粒体动态平衡。关于导致线粒体生物发生的信号传导途径，本综述着重介绍了不同调节剂（如AMPK，SIRT1，PGC-1α，NRF1，NRF2，Tfam等）对神经元发育的具体情况的影响，提供了其中这些途径被改变且缺乏这些调节剂的转基因小鼠模型的疾病实例。几种神经退行性疾病（亨廷顿氏病，阿尔茨海默氏病和帕金森氏病）的共同标志是PGC-1α（线粒体生物发生的主要调节剂）的功能或表达受损。在改善线粒体疾病的有希望的策略中，这些作者强调了通过激活PPAR受体（罗格列酮，苯扎贝特）或通过AMPK（AICAR，二甲双胍，白藜芦醇）或SIRT1（SRT1720和几种异黄酮-）来诱导PGC-1α的活性。衍生化合物）。本文还介绍了可用于研究线粒体发生的当前动物和细胞模型的综述。尽管已知许多神经退行性疾病和神经发育疾病起源于线粒体，但线粒体生物发生的调控尚未得到广泛研究。为了找到针对这些最新未治愈疾病的有效治疗方法，因此有必要对线粒体生物发生的控制机制，线粒体动态平衡（融合，裂变，线粒体吞噬和运输）以及不同生物过程之间的潜在串扰进行全面研究。正如作者所表达的，以及开发新型动物模型以适当研究这种线粒体发生的方法。

生物能学的改变对于癌症的发展是必要的。因此，线粒体生物能和动力学的控制可作为潜在的癌症治疗手段。皮拉尔·罗卡（Pilar Roca），Jorge Sastre-Serra，Mercedes Nadal-Serrano，Daniel Gabriel Pons，Mªdel MarBlanquer-Rosselló和Jordi Oliver（Institut d'InvestigacióenCiènciesde la Salut（IUNICS），Universitat de les Illes Balears，西班牙）[8]描述了雌激素受体的调控，它们对乳腺癌，线粒体生物发生，线粒体功能和ROS产生的影响。它对与雌激素受体，类黄酮密切相关的天然化合物及其在癌症治疗和研究中的应用，它们的作用机理等进行了深入的综述，并着重强调了根据剂量，时间，吸收，代谢和荷尔蒙状况，以设计治疗乳腺癌的新策略。

在寻找新的靶向线粒体生物发生疗法的靶点时，了解涉及的途径以及促进这些信号通路的介体至关重要。Fabian Sanchis-Gomar，JoséLuisGarcía-Giménez，Mari CarmenGómez-Cabrera和Federico V.Pallardó（瓦伦西亚大学生理学系/ CIBERER / INCLIVA，西班牙）[9]对这一领域的当前知识进行了广泛的评论。以及有关线粒体生物发生途径改变的疾病。尽管基于线粒体发生的特定治疗的知识仍然很贫乏，但目前市场上存在的几种药物具有潜在的特征，可用于触发线粒体发生以治疗特定疾病。这篇评论汇编了其中大部分内容，由于线粒体发生是普遍存在的事实，因此着重介绍了这些药物的观察到的副作用以及这些策略的选择性不足。远非落后，这可能构成设计更多组织特异性治疗方法的挑战。线粒体生物发生的研究由于该细胞器的内共生进化起源而特别复杂。线粒体是最复杂和独特的细胞器：真核和原核机制共存，它们具有内膜和外膜，拥有小的基因组，并且遭受连续的融合和裂变事件。此外，伴随着内共生，新的线粒体生物发生途径已经发展[1]。为了扩展我们对诱导不同组织中线粒体发生的潜在机制的了解，使用适当的技术测量线粒体质量至关重要。在活细胞中，线粒体含量或线粒体质量的调节取决于线粒体生物发生，线粒体降解（线粒体）和线粒体动力学（融合，裂变）之间的微妙平衡。Karl J. Tronstad，Marco Nooteboom，Linn IH Nilsson，Julie Nikolaisen，Maciek Sokolewicz，Sander Grefte，Ina KN Pettersen，Sissel Dyrstad，Fredrik Hoel，Peter HGM Willems和Werner JH Koopman（挪威卑尔根大学生物医学系，挪威）拉德布德大学医学中心生物化学系 荷兰[10]描述了维持这种平衡的机制以及量化线粒体形态和含量的可用技术。在回顾了最常见的技术和策略（测量耗氧量，生化生物标志物或通过电子显微镜）的利弊之后，我们可以在这项工作中发现对荧光显微镜的深入分析，用于检测线粒体含量，其可视化，定量和解释2D和3D成像中的结果，以及该小组和其他人员开发的可用软件和策略。这项工作在选择一种研究特定细胞类型中线粒体生物发生的技术时可能会很有帮助。此外，我们还可以找到包含已知影响线粒体发生的几种药物的表格。

自由基已被广泛认为对衰老的细胞结构和启动子有害。然而，它们还通过触发诱导基因表达的信号而充当第二信使。实际上，内源性自由基可以触发线粒体发生。Hagir B. Suliman和Claude A. Piantadosi（美国杜克大学医学中心，杜克癌症研究所，医学和病理学，麻醉学系，美国）[11]广泛地综述了这些自由基对炎症过程中线粒体发生的影响。在活动性炎症期间，由于急性组织损伤，线粒体经常被氧化和亚硝化应力破坏。内源性自由基的水平升高以补偿方式触发线粒体发生和线粒体吞噬。NO / cGMP /PGC-1α轴就是这种情况，CO / HO-1系统和HS2 / Akt / NRF-1 / -2轴。几种众所周知的药物可以与那些和其他信号传导途径相互作用，以诱导线粒体发生，例如NO供体，CO释放分子，三萜类，促红细胞生成素，噻唑烷二酮类药物，二甲双胍，AICAR和几种天然化合物（包括营养物质和清除剂）。因此，诱导线粒体的生物发生和质量控制代表了开发针对那些伴随线粒体损伤和/或炎症而发展的疾病的新疗法的潜在有价值的方法。

最近的发现指出线粒体生物发生是延长寿命的关键过程，引起了人们的极大关注，例如，在这两个过程中都发现了相似的分子和途径以及相似的干预措施。恩佐·尼索利（Enzo Nisoli）和亚历桑德拉·瓦莱里奥（Alessandra Valerio）（肥胖症研究中心/米兰大学医学生物技术和转化医学系/意大利布雷西亚大学分子转化医学系）[12]回顾了线粒体和其他细胞器的贡献关于衰老和抗衰老策略的研究，指出细胞器之间的相互作用是设计针对年龄相关疾病的新治疗措施并延长寿命和健康寿命的潜在目标。一些干预措施包括通过热量限制，耐力运动和饮食补充富含支链氨基酸（BCAAs）的必需氨基酸混合物来控制线粒体生物发生和动力学的非药理作用。但是，新的药理策略似乎非常有希望，例如新的小型SIRT1激活剂（SRT1720，SRT2183，SRT1460），其他瑟土因激活剂，如恶唑并[4,4-b]吡啶和咪唑并[1,2-b]噻唑衍生物，较小的GSK-3抑制剂SB216763和ZLN005（作用机理未知）或eNOS激活剂，例如AVE化合物。值得强调的最新证据指出，低浓度的自由基是线粒体生物发生和寿命延长的促进剂。

这些发现与线粒体兴奋或线粒体兴奋的新概念密切相关。兴奋剂是定义对轻度应激作出反应的积极作用的术语，如果以较高的强度或浓度施用，对细胞或生物体将是有害的[13]。有许多进化保守过程的例子，其中细胞或生物体暴露于低剂量的一种应激源下会触发适应性反应，从而保护细胞或生物体免受中等或严重压力。实际上，已被证明传统上被认为是有害的自由基在低浓度下可充当第二信使，从而触发不同的信号传导途径。科学界已使用了几个术语，例如自保护，杂合保护，预处理，适应性反应，补偿机制，激素，异激素等。以同样的方式，已经使用了广泛的术语来描述剂量的形状-在低浓度下获得的响应曲线，如双相，双相，双音，钟形，U形，倒U形等[14]。尽管有关此问题的信息被不同的术语所稀释，但已广泛观察到了这类现象。特别是考虑到线粒体，已观察到该细胞器适度产生的自由基可作为第二信使触发线粒体发生[15]。因此，线粒体作用是由于线粒体适度产生自由基而在细胞中产生的有益作用，并且与线粒体生物发生和寿命延长现象密切相关。

本期专刊试图涵盖有关触发线粒体发生的药理学方法，所涉及的信号传导途径，其调控以及线粒体发生对几种疾病的影响的大多数当前知识。但是，该领域仍处于起步阶段。