据国际糖尿病联盟发表的第10版《糖尿病地图》显示，截至2021年全球有5.37亿糖尿病患者，到2030年预计糖尿病患病人数将达到6.43亿，在不发达地区糖尿病患病率更高[1]。糖尿病可损伤大血管以及微小血管，从而出现相应的并发症，如糖尿病心肌病（DCM） [2]。DCM是指在排除心肌梗死、高血压等心血管疾病后，单纯地由糖尿病所导致的心功能障碍[3]。DCM早期可表现为射血分数保留性心衰、心肌肥大、心室扩大，到晚期时可表现为射血分数降低性心衰、心肌纤维化、心室重塑，严重可导致死亡[4]。多种机制参与DCM的发生发展，例如能量代谢障碍、氧化应激、胰岛素抵抗、线粒体异常、内质网应激、细胞凋亡等[5⇓-7]。研究表明线粒体异常是造成DCM的最主要原因之一[8]，近几年已成为研究的热点。线粒体异常包括线粒体基因突变、线粒体呼吸链受损、线粒体形态学异常等，其中线粒体形态学异常是指线粒体融合或分裂异常。通常线粒体融合与分裂处于动态平衡的状态之中，但某些应激刺激打破二者的平衡后，会引起许多心血管疾病[9]。视神经萎缩蛋白1（Opa1）参与了线粒体融合过程，Opa1发生变化能显著影响线粒体功能。因此，本文以Opa1对线粒体融合及DCM的相关作用机制为中心进行综述，以期为DCM的相关研究提供新的方向。
一、 线粒体
1. 线粒体结构
线粒体是一种具有双层膜结构的细胞器。通常，心肌细胞内的线粒体呈短棒状结构，整齐而密集地排布在胞质内。在线粒体内膜上分布着由酶蛋白、辅酶等物质组成的呼吸链复合体，在内外膜间隙内也有金属离子、细胞色素C等物质存在，它们共同参与线粒体的氧化磷酸化过程，促使ATP生成，为细胞提供生命活动所需能量。
2. 线粒体动力学
线粒体为维持正常形态与功能稳态，会发生动力学改变，即线粒体分裂与融合。线粒体分裂是指线粒体经膜收缩与断裂，形成一个新的线粒体。动力相关蛋白1（Drp1）、线粒体分裂蛋白1（Fis1）、线粒体裂变因子（Mff）、49KD线粒体动态蛋白（MiD49）和51KD线粒体动力蛋白（MiD51）参与这一过程。位于胞质内的Drp1受到线粒体外膜上的Fis1、Mff、MiD49和MiD51募集后，作用于线粒体外膜上的特定分裂靶点并形成一个收缩环，在酶的作用下促使线粒体分裂[10]。线粒体融合是指两个线粒体融为一个线粒体。包括线粒体内、外膜融合这两个过程，位于线粒体外膜上的有丝分裂融合蛋白1、2（Mfn1、Mfn2）通过形成同源或异源二聚体介导线粒体外膜融合，随后，在Opa1的作用下，线粒体内膜相互融合[11]。线粒体分裂与融合是一个动态变化的过程，有利于修复与清除损伤的线粒体。此外，这一过程对维持心肌细胞的正常功能也起到至关重要的作用[12]。
二、 Opa1与线粒体融合
Opa1位于线粒体内膜上蛋白质，属于Dynamin家族蛋白，由MIS、GTPase domain、Middle domain、GED四部分组成，Opa1在线粒体内膜的内外表面的聚合形式各不相同，比如“背靠背”“头碰尾”“头碰头”。在线粒体外膜融合后，两个线粒体内膜上的Opa1相互接触，使内膜弯曲并形成一个不稳定的膜接触点，随后接触点上的脂质融合并形成空洞，空洞不断扩大直到两个线粒体的内膜完全融合[13]。Ca2+/PGC-1α/OPA1轴可以调节Opa1的活性，如果胞质内的Ca2+含量增多可以促进PGC-1α的表达，进而增强Opa1介导的线粒体融合。在高血糖、高血脂环境下，此通路受到抑制[14]，Opa1、Mfn1、Mfn2的表达减少，线粒体融合减弱[15]。
三、 Opa1与DCM
有研究表明，能量代谢障碍、氧化应激、胰岛素抵抗和脂毒性、细胞凋亡等机制参与DCM的发生发展，并且上述机制均涉及Opa1，可见，Opa1与DCM关系密切[9]。
1. Opa1与能量代谢障碍
正常情况下，脂肪酸β-氧化是心肌细胞主要的能量来源，能为心脏收缩提供60%~90%的能量。在糖尿病状态下，心肌细胞内的Opa1表达减少，线粒体融合减弱，线粒体氧化葡萄糖的能力下降，ATP产生不足。但由于高血糖能激活过氧化物酶体增殖物激活受体α（PPARα），使与脂肪酸摄入、转运、氧化相关的基因表达增多，如Cd36、Slc27a1等，导致进入心肌细胞内的脂肪酸也随之增多，脂肪酸β氧化加强，可生成足够的能量以维持心脏活动[16]。但随着糖尿病的进展，Opa1会处于持续减少的状态，极大地影响了线粒体融合，使得线粒体呼吸链上的4个复合体活性减弱，氧化呼吸功能得不到充分修复，限制了脂肪酸的β氧化，但脂肪酸的摄入并未受到影响，导致脂肪酸在心肌细胞内过分蓄积。心肌细胞内脂肪酸过多能激活心脏的成纤维细胞，进而促进纤维细胞合成胶原蛋白，从而引起心肌纤维化，这会影响心脏的收缩与舒张功能，加重DCM[17]。
2. Opa1与氧化应激
正常情况下，电子通过NADH呼吸链和FADH2呼吸链时释放能量，通过质子泵功能将H+从线粒体基质转移到线粒体内膜的胞质侧，形成跨线粒体内膜的H+梯度，H+顺浓度梯度回流到线粒体基质时驱动ATP合酶生成ATP。线粒体内膜向线粒体基质内弯曲折叠形成线粒体嵴，Opa1分布在线粒体内膜上，在线粒体嵴的动态变化中起到调节作用。高血糖状态下调心肌细胞内Opa1的表达，使线粒体嵴的面积减低，抑制线粒体氧化磷酸化，能量生成减少，ROS生成增多，并且，高血糖可加强胰岛素抵抗，使线粒体对能源物质的代谢发生变化，也可增加ROS的生成，过量的ROS能够干扰线粒体氧化磷酸化，形成恶性循环[18-19]。ROS是一把双刃剑，适当浓度的ROS能起到免疫防御，促进细胞增殖分化的作用，但是过量的ROS会造成氧化应激，损伤细胞生理功能，引起或加重DCM。糖尿病等应激状态下，Opa1表达减少，线粒体融合减弱，分裂增加，使得线粒体修复功能受损，ROS生成明显增多[20]。ROS能够激活蛋白激酶B（AKT），对AMP依赖的蛋白激酶（AMPK）α亚基上的丝氨酸485、491磷酸化，以及促进AMPKα亚基上的苏氨酸172发生磷酸化，从而抑制或降解AMPK[21]。在心肌细胞中AMPK能通过调节能量代谢、影响线粒体动力学等方式改善细胞活性，如果AMPK活性减低将不能起到保护心肌细胞的作用[22]。过多的ROS也可引起内质网应激[23]，内质网应激能够激活PERK/ATF4/CHOP通路，发生未折叠蛋白反应，诱导心肌细胞凋亡，造成心肌损伤，也能调节自噬通路从而影响心功能[24]。此外，高糖环境下，Opa1减少导致ROS增多，干扰线粒体膜电势，促进线粒体膜上通透性转换孔（mPTP）打开，使线粒体内外物质经孔洞流动，引起线粒体肿胀或胀破，严重时致心肌细胞死亡，最终引起或加重DCM[25]。
3. Opa1与胰岛素抵抗和脂毒性
糖尿病环境下，Opa1、Mfn1等线粒体融合蛋白因糖基化而表达减少[26]，线粒体融合减弱，线粒体修复作用减弱，小而破碎的线粒体增多，线粒体形态学出现异常。线粒体融合作用减弱会影响Akt/哺乳动物雷帕霉素靶蛋白（mTOR）信号通路，导致胰岛素抵抗，此外，线粒体ROS生成增多会干扰葡萄糖转运体（GLUT）从胞质转移到胞膜，减少运输葡萄糖，使胰岛素抵抗更加严重。胰岛素缺乏或抵抗导致线粒体生产ATP不足，影响核相关受体因子1（Nurr1）线粒体上的转位，造成线粒体裂解以及氧化应激加重，最终引起心脏收缩与舒张功能障碍，引起DCM[27]。胰岛素抵抗使得心肌细胞葡萄糖氧化磷酸化减弱，转而增加对脂肪酸的摄取和利用以弥补能量生成。但脂肪酸的摄取大于利用，造成脂肪酸蓄积，通过非氧化途径产生有毒中间产物，如神经酰胺，引起心肌细胞凋亡，损害心功能，并且，脂肪酸的蓄积也会减少PPARα和Forkhead转录因子1（FOXO1），导致心肌病[28-29]。胰岛素抵抗和脂毒性一起干扰心肌细胞能量代谢，最终引发DCM。
4. Opa1与细胞凋亡
DCM的病因之一包括细胞凋亡[30]，并且，细胞凋亡的发生涉及线粒体动力学异常[31]。高血糖使Opa1上的氨基酸残基发生糖基化，使不同线粒体内膜上的Opa1不能识别，影响线粒体融合，干扰氧化磷酸化，引起心肌细胞氧化应激，进而导致内质网应激，长期存在的内质网应激能通过促进诱导DNA损伤的转录因子3（DDIT3）转录、激活c-Jun氨基末端蛋白激酶（JNK）等机制发动细胞凋亡，此外，糖尿病通过影响Opa1减低线粒体膜电势，使线粒体内膜去极化，促进mPTP孔洞开放，基质内外两侧物质可以进出线粒体，细胞色素C等促凋亡物质从线粒体释放，从而促进心肌细胞凋亡[24,32⇓ -34]。由于细胞凋亡会导致心肌细胞减少，影响心脏的收缩与舒张功能，剩余心肌细胞从代偿性肥大转变为失代偿性功能障碍，最终引起或加重DCM[35]。
5. Opa1表达上调与DCM
Opa1位于线粒体内膜上，对线粒体融合起到了至关重要的作用，U50488H激活心肌细胞膜上的κ阿片受体后，使信号传导及转录激活蛋白3（STAT3）磷酸化，进而上调Opa1的表达，促进线粒体融合，降低氧化应激水平，此外，Opa1在U50488H的作用下表达增多，也能减弱心肌细胞凋亡，可见，Opa1上调能通过抑制氧化应激与细胞凋亡来改善DCM[36]。辣椒素是瞬时受体电位香草酸亚型1（TRPV1）的激活剂，TRPV1能增强细胞内钙离子浓度进而上调Opa1的表达，研究表明辣椒素通过TRPV1/Ca2+通路使Opa1增多，能提高线粒体膜电势，改善线粒体功能，进而抑制ROS、硝基酪氨酸的生成，减弱氧化、硝化应激，同时，也能抑制细胞凋亡，使DCM的心功能得到改善[14]。
四、 小结与展望
线粒体融合对心肌细胞的生理功能起着重要作用，高血糖造成的轻度线粒体融合减弱不会影响心脏的生理功能，但过度的线粒体融合减弱能引发DCM。在心肌细胞中，高血糖状态使Opa1表达减少、活性降低，引起线粒体融合减弱，线粒体功能异常，造成心脏能量利用障碍、氧化应激明显增强、胰岛素抵抗与脂毒性增加、细胞凋亡，推动了DCM的发生发展。通过上调Opa1的表达以恢复线粒体功能，可以在某种程度上改善DCM，因此，针对增强线粒体融合以改善DCM仍需要更多深入研究，从而为DCM的治疗提供新的研究方向。