粒線體：抗發炎藥之標的 - ejournal.nricm.edu.twejournal.nricm.edu.tw/jcm/27/27p4-022.pdf · 性的研究，大部份與自由基或氧化壓力相關，另一面顯示從植物開發新藥的重要性。

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粒線體：抗發炎藥之標的

黃翊恭 1、沈郁強 2、陳介甫 2,3,*

1 國防醫學院藥理研究所，台北，台灣2 衛生福利部國家中醫藥研究所，台北，台灣

3 國立陽明大學藥理學研究所，台北，台灣

老年病，尤其慢性發炎隨人口老化而增加，這除了影響健康，對家庭及社會更是重擔，因之開發抗發炎藥，甚為重要。在 2014 年，有 26 篇以上有關抗發炎、抗老化、抗氧化植物藥回顧性論文發表，可見從植物藥找新藥的重要性。由粒線體製造的自由基或活性氧物質(ROS) 是慢性發炎及老化的原因，所以瞭解粒線體的功能有助於抗發炎藥物的研發。粒線體是共生於細胞內另一種細菌演化而成的，它具有自己的 DNA；粒線體是傳自母系的，而已用以追蹤現代人的來源。細胞核及粒線體 DNA 所編譯的蛋白質影響彼此的功能。

粒線體與內質網形成的膜 (MAMs) 緊密聯結而相互作用。粒線體不斷進行氧化還原反應、增生、降解、分裂與融合及傳送到細胞內各處。氧化還原反應由不同內生性及從飲食得到的物質來調控。粒線體融合使代謝產物、蛋白質、DNA 充分接觸。粒線體分裂將受傷粒線體隔離，再以粒線體自噬清除之。細胞質的鈣是由內質網經由鈣單向運載蛋白及肌醇三磷酸受體(IP3R) 傳送到粒線體。IP3R 透過葡萄糖調控蛋白 75(Grp-75) 與 MAMs 上 mTORC 相互作用來調控粒線體外膜的陰離子通道 (VDAC)，參與代謝物、鈣等離子的交換、也抑制內質網壓力與細胞凋亡。mTORC1 控制粒線體自噬，粒線體活性及製造。粒線體釋放的細胞色素 C 可阻斷鈣離子所誘導 IP3R 的鈣離子回收，使鈣離子從 ER 和粒線體的釋放量增加。VDAC 與己糖激酶 2（HK2）結合後、與 B 細胞淋巴細胞蛋白 2（Bcl2）相互作用、減少鈣離子從 ER 進入粒線體，進而減少 ROS 產生。IP3R 可與 PML-NBs 形成複合體參與鈣和細胞凋亡的調控。磷酸酶及張力蛋白同源物（PTEN）可拮抗 Akt 所誘導的對 IP3R 的抑制及鈣離子從 ER 的釋放。PINK1（PTEN induced putative kinase 1）藉由聯結 parkin 及似 NIP3 的粒線體外膜蛋白 (NIP3-like protein X) 的參與，而引起粒線體自噬 (mitophagy)。內質網的 NLRP3 發炎體被 ROS 及鈣活化而移動到粒線體。癌細胞進行耗氧醣解，因之粒線體之丙酮去氫酶與癌的發生有關。更已知粒線體 DNA 突變引起癌細胞之轉移及對抗癌藥有抗藥性。在神經細胞粒線體內外膜交接處的運輸蛋白運送膽固醇及紫質至粒線體內以製造神經固醇。粒線體內膜的ATP結合板面(ABC)從事胞質與胞核的互動，ABC 的突變引起一些遺傳性疾病。針對上述粒線體複雜的功能及相關調控系統以研發抗發炎藥、抗氧化及抗老化藥物，其不同標的、方法及合理性在文中加予討論。

關鍵字：內質網氧化壓力、抗老化、抗發炎、粒線體、植物藥

* 聯絡人：陳介甫，國立陽明大學藥理學研究所， 11221 台北市北投區立農街二段 155 號，電話：02-28267091，電子郵件信箱：[email protected]

J Chin Med 27(1): 2701004, 22 pages, 2016DOI: 10.3966/241139642016062701004E-ISSN: 24113964http://www.nricm.edu.tw/jcm/

Journal of Chinese Medicine

104 年 2 月 9 日受理104 年 7 月 17 日接受刊載105 年 6 月 1 日線上出版

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Huang et al. / J Chin Med 27(1): 2701004, 22 pages, 2016

一、前言

隨人類人口數，肥胖及老化者的增加，慢性病、老年病相對的增加，對個人、家庭、社會都是嚴重的負擔。僅 2014 年就有多篇植物藥與抗發炎、抗氧化、抗老化的回顧性報導。如薑黃素 curcumin 為傷口癒合劑 [1]。處理老年癡呆之植物藥，有茶之成分 catechins/proanthocyanidins、薑黃素、Brahmi( 假馬齒莧 Bacopa monnieri) 富含 bacosides 提取物，銀杏葉之 flavone glycosides,ω-3 polyunsaturated fatty acid [2,3]。蒜 Allium sativum, 蘆薈 Aloe vera, 崩大碗 Centella asiatica, 沙棘 Hippophae rhamnoides為四種最好處理燒傷之植物藥，具抗菌、抗發炎、抗氧化、促 collagen 合成，促細胞增生及血管新生之作用，醣苷成分 madecassoside 及 asiaticoside，及蛋白分解酶為主要活性成分 [4]。穿心蓮成分andrographolide及衍生物具抗發炎及保肝作用 [5]。作用於自噬及發炎體之抗老化植物藥成份 resveratrol,quercetin,luteoloside,creosol 及蜂膠 (propolis) 具抗 NLRP3 發炎體之作用 [6]。1985 至 2014 年間自菟絲子分離、鑑定出 19 種黃酮類 (flavonoids)、13 種酚酸 (phenolic acid)、2 種固醇(steroids)、 1 種氫醌 (hydroquinone)、10種揮發油、23 種木質素 (lignans)、5 種生物鹼、9 種多醣體、2 種樹脂醣苷、16 種脂肪酸，分別具保肝、保腎、抗骨質疏鬆、抗氧化、抗老化、抗突變、強心、降血糖、抗憂鬱、增強性功能、防止流產等作用 [7]。海蔥之 triterpene 及 triterpenoid saponin及木質素具抗菌、抗發炎、抗氧化、抗癌，抑制 glycosidase 之作用 [8]。在多明尼加，用於處理經血過多，經痛等，月經不順之具止痛、抗發炎草藥為肉桂 Cinnamomum verum (Lauraceae, 具抗凝血作用 )，蘋果薄荷 Mentha suaveolens (Lamiaceae, 肌肉鬆弛作用 )，月桂 Pivnenta racemosa (Myrtaceae) 及南美蟛蜞菊 Sphagneticola trilobata(Asteraceae,促傷口癒合、抗壓力、鎮靜 )[9]。黃耆異黃酮成分 calycosin 具植物雌激素作用及調控 MAPK 訊息途徑，而可處理癌、發炎、中風、心血管病 [10]。女貞子 Ligustri Lucidi Fructus 含 40 種 triterpenoids,48種 iri d o i d s , 1 0 種 fla v o n e s , 1 0 種phenylethanoid glycosides 等，具有抗癌、保肝、調節免疫、抗氧化、抗老化、抗發炎、降血脂等作用 [11]。Ghosh 等人報導

處理腦缺血之植物藥成分有 resveratrol,銀杏葉製劑 EGb761,curcumin,EGCG 等，而 ligustilide,tan-shinone,scutellarin及 shikonin 也在研究中 [12]。Gu 等人報導具抗發炎而可處理缺血性中風之植物藥成分有，flavonoids (puerain, genistein, calycosin, quercetin, fistein, kaempferol, myricetin, epigallocatechin gallate, theaflavin, n a r i n g i n , b a i c a l e i n , b a i c a l i n , wogoin, luteolin, apignin, nobiletin, scutellarin, silibinine, cyanidin-3-glucoside), phenolic compounds (paeonol, cinnamophilin, honokiol, hyperforin, salvianolic acid A&B, aesculetin, e m b e l i n , a r c t i g e n i n ) , s a p o n i n s (ginsenoside Rb1, Rg1, Rg3, and Rd, β-escin, ruscogenin, astragaliside I V ) , t e r p e n o i d s ( r e s v e r a t r o l , 6-shogaol, tanshinone Ⅱ A, curcumin, tetrahydrosystildene, polydatin, crocin, astaxanthin), alkaloids (leonurine, ligustrazine, huperzine A, berberine, sinomenine ), thymoquinone, parthenolide, morroniside, incensole acetate, ginkgolide B, schisandrin B , d i a m m o n i u m g l y c y r r h i z i n a t e

[13]。夏薄荷 Summer savory 及其成分

hamidpour,shahlari,sohraby 具抗氧化、抗發炎、抗生、抗糖尿病、抗癌、抗心血

管病、抗老人癡呆作用 [14]。緋衣草 Salvia splendens 可處理肥胖、糖尿病、憂鬱、失智、狼瘡、自閉症、心臟病、癌等 [15]。桑

寄生 Loranthus parasiticus Merr 含有 coriaria lactone(sesquiterpene lactones)，如 coriamyrtin,tutin,corianin,coriatin 及二種 proanthocyanidins(AC trimer,(+)-catechin)，分別具抗氧化、降血壓、神經保護、抗突變、保肝作用 [16]。處理骨科相關疾病之單味及複方中藥如淫羊藿、女貞子、杜仲，含 naringin( 具女性雌激素作用 ) 之植物，具處理骨質疏鬆之可能。女貞子與淫羊藿之複方；黃芪與當歸之複方；仙茅、淫羊藿、巴戟天、知母、黃柏之複方；淫羊藿、續斷、補骨脂、知母、丹蔘等組成之複方 [17]。11 種抗發炎及抗菌之清熱解毒中藥，為黃芩、黃蓮、金銀花、蓮翹、大青葉、板籃根、紫花地丁、白頭翁、穿心蓮、魚腥草、敗醬草 [18]。Pan 等人說明，人類所用的植物藥超過 53,000 種以上，一

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部份因過度採收而面臨絕種，其中述及中國、印度、阿拉伯植物藥應用的歷史及現況，並提醒植物藥需求增加會使植物資源缺

乏 [19]。菊 (Inula) 屬植物中，以 I. cappa D.C., I. racemosa Hook. F., I. viscosa (L.) Hiton, I. helenium, I. britannica L., I. japonica Thunb. 為最常用於處理呼吸、消化、發炎、皮膚、癌及感染病，最具特性之成分為 sesquiterpene lactones(britannilactone derivatives) [20]。具抗幽門桿菌作用之植物藥有多種，主要作用是抑制幽門桿菌的酶，調整宿主的免疫系統，及降低發炎 [21]。薑辣素6-gingerol 具抗血管新生、抗癌、抗發炎、抗氧化等作用 [22]。菌陳萵湯具保肝、抗發炎、抗氧化及抗凋亡作用，菌陳萵湯所含梔子之成分 geniposide 在腸道被細胞轉化為genipin [23]。枸杞子多醣體促進海馬迴神經細胞新生 [24]。以疏肝解鬱藥製成膠囊和venlafaxine 在臨床上，比較處理憂鬱症之效果，發現二者併用，優於個別之藥物處理 [25]。菌陳萵、白芍藥、大金錢草、紫金牛、玉蜀黍、柴胡、郁金、莎草、萊菔子、澤瀉、決明子、薑黃、虎杖、荷葉、茯苓、豬苓、車前子、苦葫蘆、半邊蓮、矮地茶、瞿麥、黨蔘、白朮、黃耆、甘草、南沙蔘、地黃、麥冬、枸杞子、當歸、石斛、川楝子等處理肝病的作用及劑量 [26]。這些植物藥生物活性的研究，大部份與自由基或氧化壓力相關，另一面顯示從植物開發新藥的重要性。雖然氧化壓力這名詞在 1970 年代才開始被引用 [27−32]，但事實上，這觀念源自Gerschman 等於 1954 認知 X 光、自由基及氧分子的毒性 [33]，及 Harman(1956) 認為這些原子核外帶有不對稱電子的原子或分子是老化的可能原因 [34]。現在已知氧化壓力與發炎、組織或器官纖維化、缺血及再灌注傷害 (ischemia and reperfusion injury) 及癌的病因相關。不過，氧化壓力並不等於自由基傷害 (free radical damage)，彼此也不能替代。自由基 (free radicals) 也不等於生物體內與氧代謝有關的含氧自由基、及易形成自由基的過氧化物 (總稱為活性氧物質reactive oxygen species，ROS)，因為單態氧 (singlet oxygen)、過氧化氫 (hydrogen peroxide)、過氧硝基鹽 (peroxynitrite) 並不是自由基 [35]。粒線體製造 ATP 以供不同細胞的生理、生化活動所需的能源，但也附帶生產活性氧物質。由於活性氧物質對細胞膜、蛋白質、DNA、RNA 的廣泛性傷害，在尋找抗老化、抗發炎及處理不同代謝性疾病的

藥物時，對粒線體的瞭解是首要的。

二、粒線體的來源

1.α紫細菌與粒線體

在真核細胞生物出現之前約二十億年，也就是約三十七億年前，那時大氣中氧含量很低，首先最簡單的厭氧原核生物 (prokaryotes)，在地球各處分佈。繼之，能進行光合作用的原核生物藍菌(cyanobacteria) 出現，才使大氣中的氧上升到 20%。十五到二十億年前出現能在高氧環境生存的可利用氧及醣製造能量的 ( 甲 )細菌，被厭氧細菌 ( 乙 ) 吞噬，( 甲 ) 細菌提供能量予細菌 ( 乙 )，( 乙 ) 細菌提供安全地方及醣類給 ( 甲 ) 細菌，而成為像立克次體 (rickettsia) 的紫細菌 (α-purple bacteria)，後來紫細菌進入真核細胞(eukaryotic cell)，並演化成真核生物的粒線體。在粒線體內的細菌，喪失獨立生存所需的基因。葉綠素捕捉太陽光的能量，利用二氧化碳作為碳的原料，用水作為氫的來源，將捕捉的能量貯存在合成的碳水化合物，如葡萄糖之中。而葡萄糖被動物吸收、代謝，釋出的能量，存在 ATP 之中。而含葉綠素、能進行光合作用的藍菌則變成植物細胞內的葉綠體。紫細菌和藍菌分別和原始細胞形成胞內共生 (endosymbiosis) 成為原生動物、藻類、真菌、黏菌、植物及動物等真核細胞中，的一種胞器 [36]。變成粒線體或葉綠體有二個主要變化 [36]，一、所含基因少於能獨立生存的細菌，二、將代謝相關能獨立生存的基因，轉移到細胞核。基因從粒線體或葉綠體轉移到細胞核的機會，相當於一個基因的突變，約為一次細胞分裂的五萬分之一 (2×10-5)，而從細胞核轉移到粒線體的機會大約少於 10-10。《註：一鹼基對 (base pair)，發生自發性突變的機會 (mutation rate) 約十億至百億分之一 (10-9−10-10/generation)，則含有 1,000鹼基對的基因突變率約十萬到一百萬分之一 (10-5−10-6/generation)，哺乳動物粒線體之基因體，約含一萬六千鹼基對，植物者約十八萬六千至三十六萬六千，真菌約一萬九千至十萬。而一細菌分裂一次之突變率約三百分一 (3×10-3/generation)。粒線體基因轉移到細胞核，只發生在早期的動物演化過程中，但在植物界則仍繼續進行中。細菌對抗生素會產生抗藥性。作用於細胞核的抗生素，發現在 16,000(6×10-5) 次接種中，有

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一次突變而產生抗藥性的機會》。

2. 從粒線體追蹤現代人的來源

從粒線體基因的研究，顯示這是從女性傳下的基因。粒線體只帶有母親粒線體的特性，所以是非孟德耳式的遺傳 (non-Mendelian inheritance)。人類粒線體在一百萬年中，其 DNA 突變率為 2−4%，( 球蛋白的突變率為十倍以上 )。目前人類粒線體 DNA 差異度為0.57%，所以人類應來自二十萬年前非洲的女人，最古老的粒線體基因記號 LO 在 Kalahari沙漠的桑人 (San people) 出現 [36]。如果以男性性染色體差異而計，人類男性祖先，則來自約三十四萬年前的非洲 ( 最古老的 Y染色體 DNA 記號 AO，AOO 出現在西非喀麥隆(Cameron) 原住民 Mbo 及 Bangwa 身上 )。不論男或女性，從染色體或粒線體基因的差異發現，距離非洲越遠的地方，差異度越大，這也是推論現代人類，源自非洲的最有力證據。

3. 人類粒線體基因

在人類粒線體 DNA 有二個 rRNA 及二十二個 tRNA，及十三處編譯 (coding) 細胞呼吸的電子轉送系統 (electron transfer system)蛋白質的區域 (包括 1個 cytochrome b,1 個ATPase,3 個 cytochrome oxidase, 及 7 個NADH dehydrogenase)。在 cytochrome b 與12s rRNA間為D-loop，含超過500個核苷酸、是非編譯區 [36]，此部位為 mtDNA 主要發生突變之處。人類粒線體 DNA(mtDNA) 總數約低於細胞核 DNA 之百分之一 [37]( 細胞核有 7萬個基因，粒線體只有 37 個基因，共 16,569個核苷酸 )。粒線體 DNA 突變後，修復的功能不良，但細胞核 DNA 有良好修復機制。粒線體 DNA 突變及功能失常，會影響細胞核 DNA的表現，而細胞核 DNA 所製造蛋白質可以協助粒線體 DNA 的功能 [38]。

三、粒線體與活性氧基團

1.粒線體與三磷酸腺苷 (ATP)[39]

人體每個細胞內的粒線體數目，依細胞能量需求的不同而異，少者 100，多者達3,000 個以上。肝臟所含的粒線體約佔重量逾肝之 20%。若依體重而計，粒線體約佔人體全身體重之十分之一。粒線體的 DNA 及內膜源自能製造能量的細菌 ( 甲 )，而外膜則源自厭氧細菌 ( 乙 )，粒線體內膜有大量能製造保存能量的 ATP 合成酶 (ATPase)。粒線

體利用它產生的能量，將粒線體內膜外面的氫離子，運送到粒線體內膜，所用的能量將二磷酸腺苷 (ADP) 加上一磷酸，轉變為三磷酸腺苷 (ATP)，氧和氫變成水及活性氧物質。ATP 所貯存的能量在轉變為 ADP、甚至一磷酸腺苷 (AMP) 時釋出，以使細胞中的肌球蛋白(myosin) 及肌動蛋白 (actin) 收縮。AMP 的出現，表示粒線體的能量供應不足的飢餓狀態，會活化 AMP 激酶以使細胞核製造更多的粒線體。輔酶 Q10 可促進粒線體能量的代謝，除了作為健康食品，外用皮膚美容劑，更已用以處理巴金遜病。

2. 粒線體與氧化還原體

細胞內外的氧化還原反應是身體內最重要的生命現象。氧化還原反應失調與疾病的發生及進展關係密切。Yodoi 的研究團隊指出，硫氧化還原素系統 (thioredoxin system) 包括：菸鹼醯胺腺嘌呤二核苷酸磷酸 (nicotinamide adenine dinucleotide phosphate, NADPH)、硫氧化還原素還原酶(thioredoxin reductase, Trx R)、主分佈在胞質的硫氧化還原素 1 (thioredoxin 1,Trx1) 及分佈在粒線體的 Trx2。此系統從細菌、植物到哺乳動物都具有，是細胞生存及發生作用必需的。硫氧化還原素相互作用蛋白 (thioredoxin interacting protein, Txnip；亦稱或 thioredoin binding protein-2,TBP-2；vitamin D3 upregulated protein,VDUP1) 與 Trx 組成氧化還原體(redoxisome)。他們發現剔除 Trx1 之鼷鼠在胚胎期發育不全而死亡 [40]。病毒、紫外光、過氧化氫、缺氧及促細胞分裂的物質(mitogen)，會增加 Trx1 之表現 [41]。Trx1之表現增加及 Txnip 表現下降，有降血糖、抗發炎，但反而促使肺、肝、胃癌之發生，所以氧化還原體和自體免疫、癌症及糖尿病關係密切 [42−48]。Trx1 除了在胞質，也在質膜 (plasma membrane)、細胞核、細胞外出現 [45]。而 Trx 2 只在粒線體出現 [46]，並在氧化壓力下與來自胞核的 Txnip 形成複合體 [49,50]，而活化發炎體 [51,52]。細胞核傳送蛋白 (importin-α)是 Txnip

的一種結合蛋白，將 Txnip 從胞質送到胞核 [53]。Txnip 的表現 (expression)，受飲食、肥胖、高血糖、胺基酸、過氧化體增生體活化受體 -α(peroxisome proliferator activated receptor-α，PPAR-α) 及活化AMP 之激酶 (AMPK) 所調控。高脂飼料引起自發性高血壓大白鼠內皮細胞死亡，活化 NLRP3發炎體，是經由 Txnip 表現才發生的 [54]。

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Txnip更是維持血糖及脂質穩定的重要物質，它作用於調控腎糖皮質激素的基因，所以與腎糖皮質激素引起的凋亡相關 [46,55,56]。

3. 體內氧化還原的穩定

體內氧化還原的穩定依靠半胱胺酸間 (cysteine/cysteine)、穀胱甘肽間(glutathione/glutathione) 的雙硫鍵(disulfide) 及氧化與還原狀況的硫氧化還原素 (oxidized/reduced thioredoxin)，這些緩衝系統 (buffering system) 來維持 [57,58]。而緩衝系統則由一些抗氧化酶，如超氧物歧化酶 (superoxide dismutase)、過氧化氫酶 (catalase)、硒蛋白 (selenoproteins)、穀胱甘肽過氧化酶(glutathione peroxidase)、硫氧化還原素還原酶及不是酶的維他命 A，C，E、類黃酮(flavonoids) 來控制 [59,60]。氧化還原的穩定失常、造成氧化壓力或還原壓力，尤以前者最常見 [61]。

4. 活性氧物質 (ROS)

ROS 為缺氧及發炎時產生的超氧陰離子基 (superoxide anion radical,O2-˙)、過氧化氫 (hydrogen peroxide，H2O2)、羥基 (hydroxy radical，˙OH)。而粒線體是 ROS 主要來源 [62]，其次為內質網及過氧化體 (peroxisomes)[63,64]。內質網內堆積不正常摺疊的蛋白質會促使 ROS 產生[65,66]，會產生 ROS 的酶為 NADPH 氧化酶(NADPH oxidase，NOX)、黃花色精去氫酶與氧化酶系統《註：xanthine dehydrogenase XDH/xanthine oxidase(XO),system》、細胞色素 P450(cytochrome P450)、環氧化酶 (cyclooxygenase)、解一氧化氮合成酶 (uncoupled NO synthase) [67−71]。

5. 活性氮物質 (RNS)

另一類為一氧化氮自由基，包括過氧硝基鹽 (peroxynitrite) 等，造成與氧化壓力(oxidative stress) 相當的硝基氧化壓力(nitroxidative stress)[72] 及硝酸鹽壓力(nitrative stress)[73]。至於 nitrosative stress 則表示一氧化氮的產生增加 [74]。 ROS 及 RNS 造成組織傷害，而使組織 ( 細胞 ) 釋出內生性危險相關分子模式 DAMPs (danger-associated molecular patterns)[75]，如熱休克蛋白 (heat shock protein)、S-100 蛋白 (S-100 protein)、高易變性盒族 -1(HMGB1,high mobility group box-1, 是內生性抗菌胜肽 )、纖維黏

蛋白 (fibronectin)、玻尿酸 (hyaluronic acid)、膠原 (collagen)、彈性蛋白衍生肽(elastin derived peptides),ATP,DNA, 源自粒線體的危險分子 (mitoDAMPs，MTDs) [76,77]、尿酸鈉 (monosodium urate)、焦磷酸鈣鹽 (calcium pyrophosphate dehydrate )[78]、膽固醇脂 (cholesterol ester) [79]。而外來的訊息，包括病原體相關分子模式 (pathogens-associated molecular patherns,PAMP)，如格蘭氏陰性細菌的脂多糖體 (lipopolysaccharides)，纖毛蛋白 (flagellin)，陽性菌的 lipoteichoic acid，病毒 RNA [80]，過敏原 allergens [81]，空氣中汙染物矽、石棉 [82]。這些內外不同刺激物被認知模式受體 (pattern recognition receptors,PRRs)，如 TLRs 或NLRs 等感應，經由刺激 NF-κB而活化發炎體 [83,84]。

6. 活性氧物質之傷害

大部分 ROS 及 RNS，如一氧化氮 (NO)、過氧化氫 (H2O2)、超氧陰離子基 (O

2-˙)，他們在體內半衰長，對有機體是有利的，只有少部分活性強者，如羥基 (˙OH)、亞硝酸陰離子 (ONOO-)，在體內的半衰期在一秒以內，才是破壞細胞膜、脂質、蛋白質、RNA、及 DNA 的主因 [85]。粒線體製造的 ROS 使細胞老化、凋亡及產生癌症。而超氧化岐化酶(superoxide dismutase，SOD)、過氧化氫酶(catalase)、輔酶 Q10、硫辛脂酸 (α-lipoic acid) 都具抗氧化作用。ROS 破壞 DNA，使粒線體表面形成小孔，釋出細胞色素 C、活化凋亡酶，將細胞內的蛋白質及 DNA 降解，使細胞變形、萎縮，出現稱為凋亡小體的小囊泡，而被免疫細胞吞噬，此稱為細胞凋亡。

7. PGC-1α之作用

過氧化物酶體增生器活化之受體 (peroxisome proliferator-activated receptor γ,PPARγ) 的 coactivator-1α (PGC-1α) 促使細胞核的基因編譯粒線體蛋白，是製造粒線體的主要調控物 (regulator) [86−89]。PGC-1α 這細胞核蛋白也在粒線體之內出現，並與粒線體 DNA(mtDNA) 上的粒線體轉錄因子 A (transcription factor A mitochondrial,TFAM) 形成複合蛋白 [86,90]。

許多抗氧化 -解毒酶需要 PGC-1α 去誘導 [91,92]。PGC-1α 調控骨骼肌運動時的多種訊息途徑之整合 [93−95]，提升 PGC-1α及PGC-1β可以防止自噬及防止因為活化叉頭轉

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錄因子 (fork head transcription factor 3,FOXO 3)而誘導有萎縮特性的泛激素連結酶(ubiquitin ligase) [96,97]。 FOXO1 及 FOXO3a 保護 ROS 引起的受傷心臟 [98]，PGC-1α因抑制氧化壓力，促使體內抗氧化物的表現，包括因抑制 ROS 而降低粒線體受損，也促使粒線體的新生。缺乏 PGC-1α與粒線體之融合及缺乏 FOXO1，引起的粒線體受損而自噬 [99]。

Diao, et al. [100] 証明脂多醣體加強火傷引起的在肝臟內質網壓力，NLRP3 發炎體的活

力，及 PGC-1α的降低。Yao, et al. [101] 更證明雌激素 (estrogen) 加強超氧岐化酶及穀胱甘肽過氧化酶的表現，所以減少粒線體危險分子的產生，減少火傷引起的心肌細胞之凋亡及發炎。瞭解不同因素對 Trx,Txnip, impor-

tin-α的表現及Txnip對發炎體活化的過程，及對凋亡的影響，可以據之找出新的抗氧化、抗發炎、抗老化藥物。另外開發出新的加強體內氧化還原穩定的緩衝系統的方法。設計更易吸收，更易通過不同膜 (如腦血屏障 )，比較不易積存而引起毒性的抗氧化劑，及開發提升 PGC-1α作用的藥物，也是選項。

四、形成粒線體內質網組合膜 (Mitochondria-associated ER membranes，MAMs，或稱為內質網粒線體交接點 endoplasmic reticulum-mitochondria connection sites) Reticulum 的意思是網狀、網狀結構。內質網 (endoplasmic reticulum,ER) 是細胞內最大的被膜包圍的胞器 (organelles) [102]，ER 更與其他胞器的膜接觸，而增強其他胞器的作用。與 ER 相互作用的其他胞器，包括高爾基體 (Golgi apparatus)、粒線體 (mitochondria)、過氧化物酶體(peroxisome)、核內體 (endosome)、溶酶體 (lysosome)。而 ER 與粒線體的組合是被研究最多的，如已知此二胞器有接觸及彼此之調控作用 [103]。ER 與粒線體外膜之距離約 10 至 25 nm [104,105]，所含的蛋白可以相互作用，而發生新的性質及功能 [106]。這二胞器間的接觸點，很像二個神

經細胞間突觸 (synapse) 的不相融，而稱為MAMs [107]。1990 年 Vance [108] 發現在離心 ER 時與粒線體共存的「fraction X」，其性質與微粒體 (microsome) 很相近，所以 ER 的這一部份是和粒線體組合一起的，Stone & Vance [109] 報導，磷脂醯絲氨酸合成酶 -1(phosphatidylserine synthase-1)及 -2，會出現在 MAM 上。MAMs 具有脂質合成及運送脂質的功能，鈣訊息的快速傳送，調控粒線體的形態及功能，與 ER 壓力、自噬、發炎體關係密切 [110]。

粒線體需要脂質不斷的供應，以進行其生理功能及維持胞器膜的完整，而 MAMs 就是磷脂在這二胞器的運送點。

五、粒線體之分裂及融合

在細胞內，粒線體並不是一個胞器而已，而是一個不斷分裂 (fission) 及融合(fusion) 的動態狀況，這一動態使粒線體的內容物可以混合而健康，及使受傷的粒線體 ( 無法融合 ) 以粒線體自噬 (mitophagy)方式清除掉，也影響凋亡，及對壓力的反應 [111]。對 MAM 做三度空間的立體研究，發現在 ER 與粒線體接觸點，ER 出現新的細管狀物，將粒線體收縮而使之分裂 [112]。已知粒線體一再出現分裂及融合，以維持粒線體的形狀、大小、數目及功能 [113,114]。主在細胞質內的活力素相關蛋白 (dynamin-related protein,Drp1)移動到粒線體以調控粒線體分裂。Drp1和粒線體外膜結合、形成環形結構，這寡集合物包圍粒線體收縮的地方 [115]。Drp1 具有 GTPase 的功能，將分解的 GTP 形狀改變，使粒線體胞膜裂開 [116]。但 Drp1 也是能自行組合的螺狀蛋白，它在粒線體分裂時，繼之帶動粒線體收縮，以進行融合，所以它促使粒線體的組成 [117]。

在酵母菌粒線體的二種分裂蛋白mitochondrial division protein 1 ( Mdv1) 及 fission protein 1 (Fis1) 指向粒線體膜，使之分裂。Drp1 與粒線體的融合因子 (mitochondrial fusion factor,Mft)或粒線體的動態蛋白 51(mitochondrial dynamic51,MiD51) 相互作用而在粒線體膜着落。Drp1 與 MiD51 複合物中的 MiD51，能抑制 Drp1 這個 GTPase 引起的粒線體分裂，而促使粒線體融合。位於 ER 的倒置蛋白 (inverted formin 2,INF2) 與粒線體上分裂的形成與肌動蛋白 (actin) 的聚合相關。而粒線體融合則由位於 MAM 的粒線體融合素 (mitofusin 1 and 2,MFN 1 & 2) 主導。

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六、鈣離子的運送

1.粒線體內之鈣離子

粒線體以攝取及釋放鈣離子來塑造胞質內鈣離子濃度的穩定，這對粒線體本身的功能也有重要的影響。粒線體攝取鈣而引起氧化磷酸化反應而產生 ROS，過多的 ROS 使粒線體內鈣離子進一步增加，而產生更多的ROS 及加大粒線體對 1.5 kDa 以下溶解物及離子的通透性 (mitochondrial permeability transition,MPT)，及使粒線體內膜的通透洞(permeability transition pore,PTP) 打開[126]。粒線體鈣訊息受干擾，引起粒線體自噬 [127]。而粒線體的 ROS、鈣離子及 MPT 三者加強對粒線體的傷害，而鈣及 ROS 是活化NLRP3 發炎體的因素 [128−130]。

粒線體基質內鈣離子快速大量的聚集是粒線體與鈣離子相互關係的主要特色。粒線體內鈣的濃度比胞質中高十至百倍 [131,132]。粒線體內膜的鈣離子選擇性通過，使鈣離子能進入粒線體基質，此通道上的粒線體鈣離子單向運載蛋白(mitochondrial calcium uniporter,MCU)與鈣的親和力並不高。但在粒線體和鈣通道或質膜的恰當位置，可以短暫的形成高鈣的區域，而使 MCU 能運載鈣 [131,133]。

2. 內質網的鈣離子

ER 是細胞內主要貯存鈣的地方，其濃度約 1 mM，和細胞外鈣的濃度相當 [134]。而胞質的鈣濃度大約 100 nM。在接受細胞外不同刺激時，胞質鈣的濃度上升，而引起一些細胞的反應。而 ER 所釋出的鈣，就是使胞質的鈣濃度上升的主要來源。粒線體因與 ER 接近，而攝取大量的鈣。肌醇三磷酸受體 (inositol 1,4,5-triphosphate receptor,IP3R)，這一穿膜蛋白是使 ER 釋出鈣的主要因素。IP3R 與其專一性配體(ligand)IP3 結合，而打開受體 IP3R [135]。IP3 則是磷脂酶 C被溶解性興奮劑活化時產生的，癌細胞上鈣訊息改變，是經由 IP3R 的影響而產生促癌或抑癌的作用 [136]。

3. 鈣離子從 ER 運送到粒線體

ER 與粒線體外膜的距離是有效運送鈣離子的關鍵，相距 15 nm 效果最好，5 nm 時反而不好，而在 10 nm 時開始效果降低 [137]。ER 與粒線體的接觸面積也是重要因素，已知鈣從 IP3 釋出時，高鈣的區域佔粒線體的 5−20%，約 1 µm [2,104,138]。三個組氨

MFN1 的作用是使粒線體入塢 (docking) 及融合。而分選蛋白 2 (phosphofurin acidic cluster sorting protein 2,PACS2) 是整理ER 的分子，MFN2 則使粒線體內的訊息網路完整，它在 ER、粒線體及 MAM 上，使 ER 和粒線體能栓在一起 (tethering) [118,119]。粒線體之 MFN2 被粒線體泛激素連接酶(mitochondrial ubiquitin ligase,MITOL)所加強。所以 MAM 的形成是調控粒線體活性，及使粒線體分裂及融合的關鍵 [120,121]。粒線體一直進行新生 (biogenesis)、降解(degradation)、分裂、融合及在細胞內移動 (transport along the cell extremity) [122]。

粒線體的融合，使其內的代謝物，蛋白質及 DNA(mtDNA) 充分接觸 [123]。Benard等學者報導，粒線體的氧化磷酸化反應可分為五大方向來調控，包括電子傳遞鍊，氧化磷酸化反應，粒線體網路的動態，粒線體的轉換率 ( 生成及破壞 )，細胞及粒線體的微環境，並列舉不同細項的調控因素。並述及分裂是將粒線體受傷的成份隔離的機制，粒線體利用分裂及融合的互動，使其得以重整並藉粒線體自噬清除老化及受傷的粒線體 [124]。粒線體受傷時 PINK1《註：與癌之形成有關的磷酸酶及張力蛋白同源物 (phosphatase and tensin homolog deleted on chromosome 10,PTEN) induced putative kinase 1》吸引 parkin，使粒線體自噬 [124]。《註 : 老化或受傷的粒線體外膜上的 MFN 是 parkin 的受體，此二者結合，需要 PINK1 的存在，以將 MFN 磷酸化，來進行粒線體自噬，如使粒線體膜去極化，使 parkin RBR E3 ubiquitin protein ligase(PARK2) 對粒線體外膜的蛋白質進行泛激素化 (ubiquitination)，繼之分離體 (sequestosome,SQSTM1) 和泛激素化蛋白(ubiquitinated protein) 結合，並先針對微管蛋白 1 輕鏈 3α(microtubule-associated protein 1 light chain 3 alpha) 以逐步清除此受傷的粒線體的工作，即粒線體自噬，而不同溶解酶會參與此工作》。Okamoto 及Kondo-Okamoto 也述及自噬與粒線體是二種維持細胞內環境穩定的機制，當它們相互動態的活動受破壞，則會引起老化、神經退化、及肌肉萎縮 [125]。

而如何促使粒線體分裂、融合的功能加強，及使粒線體自噬的目標能達到，是維持粒線體功能良好的方法，也是開發抗氧化、抗發炎、抗老化的藥物的標的。

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酸組成的不穩定凋亡蛋白先質 (pro-apoptic protein fragile histidine triad，FHIT)的過度表現 (over-expression) 使 MAM 數目增加，可使粒線體內的鈣聚集，並引發鈣引起的凋亡 [139]。由於粒線體內鈣調控能量的平衡及凋亡，所以控制 MAM 的大小及數目可以管制鈣的運送及不同細胞的功能，這也涉及不同的因素。在老年癡呆症除了可觀察到過多的β類澱粉蛋白 (β-amyloid)、早老素 (presenilin 2)，也觀察到過多的 MAM [140]。

4. ER 壓力的感受器

依賴核糖核酸的蛋白激酶 (RNA-dependent protein kinase) 的似 ER 激酶的蛋白激酶受體 (protein kinase receptor (PKR)-like ER kinase，PERK)，是 ER壓力的主要感受器，它在 MAM 含量高，所以 MAM 不只運送鈣離子，也傳遞 ROS 這 ER 壓力的訊息[141]。在 MAM，IP3R，靠着葡萄糖調控之蛋白 (glucose-regulated protein 75,grp75)這一件護物 (chaperone)，和粒線體外膜(outer mitochondrial membrane, OMM)的依電位陰離子通道 (voltage-dependent anion channel, VDAC) 相互作用。而 VDAC 是在 ER與粒線體間，進行代謝物和離子交換的主要通道 [142]。在 MAM 的屬於 ER 的蛋白質sigma-1 receptor《註：Sig-1R 是 ER 上之伴護物穿膜蛋白 (chaperone protein)，經由肌醇三磷酸而調控鈣訊息》是 MAM 的標誌物，Sig-1R和Bip(glucose-regulated protein，grp78) 結合成對鈣離子敏感的伴護物複合體，在 MAM 上延長從 ER 到粒線體鈣離子訊息的時間及穩定在 MAM 上的 IP3R 第三等形體 (subunit 3 isoform)。加強 Sig-1R 的表現可以對抗 ER 壓力、抑制凋亡 [143]。控制鈣離子結合的伴護物鈣連接蛋白 (calnexin)位於 MAM，棕櫚酸化 (palmitoylated) 的calnexin 和 MAM 的內質網運送鈣之腺苷三磷酸酶 -2b(sarcoendoplasmic reticulum Ca2+ transport ATPase,SERCA-2b)，相互作用來調控鈣訊息，而非棕櫚酸化的 calnexin，在ER 粗糙面調控蛋白質的摺疊 [144]。粒線體分裂蛋白 hFis1 和 ER 上的 Bap31 相互作用，而將凋亡訊息從粒線體傳至 ER。

七、鈣離子與死亡相關蛋白激酶

鈣離子是將細胞膜外的訊息傳到細胞內，引

起細胞不同反應的傳遞物。死亡相關蛋白激酶 (death associate protein kinase, DAPK) 是接受鈣離子及調鈣素 (calmodulin, CaM) 調控的一種絲胺酸 / 蘇胺酸激酶 (Ser/Ther kinase)。DAPK 參予凋亡酶所引起的凋亡 (apoptosis) [145]，及非凋亡酶引起的寂亡 (anoikis，細胞失去基質 matrix 而不與受質或其他細胞接觸而死亡 )，自噬(autophagy) [146]、壞死 (necrosis)、發炎、細胞的附着、抑制癌、及細胞的動力 [147,148]，DAPK 從氨基端 (N-terminal)開始為激酶區 (kinase domain)，鈣 / 調鈣素的自體調控區 (CaM auto-regulatory domain,CaM Auto-Reg)、錨蛋白重覆區(ankyrin repeats)、致癌蛋白區 (Ras of complex protein domain,ROC)、ROC 的羥基端 (C-terminal of ROC domain,COR)、死亡區 (death domain) 到富含多絲胺酸羥基端(Ser rich tail) [148]。

ROC 與 COR 合稱 ROCO 系列蛋白。在人類和巴金遜相關的 ROCO 是 LRRK2 [149]，DAPK的活性受本身所含不同部位所調控。如鈣 /調鈣素自體調控區的 Ser308 被磷酸化則活性被抑制，調鈣素被結合及 Ser308 去磷酸化則作用被活化。PP2A 是一種主要的 Ser/Thr 蛋白磷酸酶 (phosphatase)，GTP 和 ROC 結合會降低與 PP2A 無關的 Ser308 之自我磷酸化(autophosphorylation) [72,150]。內質網壓力 (ER stress)，腫瘤壞死因

子 (tumor necrosis factor)、缺氧缺血(ischemia) [151]、神經醯胺 (ceramide) [150,152]、表皮生長因子 (EGF) [147]，等上游刺激物及 grifolin [153]、elisidepsin [154] 與 sodium selenite [155] 等抗癌藥物也刺激 DAPK。DAPK 會活化 P53 蛋白激酶 D(protein kinase D) [156]，肌球蛋白 Ⅱ (myosin Ⅱ regulatory chain)、原肌球蛋白 (tropomyosin) [157]，微管親和力調節激酶 (microtubule affinity regulatory kinase)、核苷酸結合之寡聚合體蛋白 3(NLRP3 發炎體 ) 等約二十種受質 (substrates) 作用器 (effectors)。DAPK 與上游及下游物質，合稱為 DAPK 相互作用體 (interactome) [147]。DAPK 控制腸上皮細胞的訊息傳遞與轉錄活化因子的活性 (signal transducer and activator of transcription) [158]。

DAPK 本身不同部分對 DAPK 的調控，DAPK 與鈣離子、調鈣素等上游與下游的相互作用，可以是開發藥物的標的。

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八、凋亡

hFis1 將 Bap31 降解為凋亡先質p20Bap31，而吸引凋亡酶 -8 先質，並同時使鈣離子從 ER 釋出，而在粒線體聚集，及引起凋亡 [159]。從粒線體釋出的細胞色素 C(cytochrome C) 可以阻斷鈣引起對 IP3R 的抑制，加強鈣從 ER 釋出，及cytochrome C 的釋放 [160−162]。髓細胞白血病 (promyelocytic leukemia,PML) 蛋白質是出現在 ER 及 MAM 的一種次細胞核的主要部份，又稱為 PML 細胞核體 (PML nuclear bodies)，它和 IP3R 形成複合體，也參與鈣及凋亡的調控 [163,164]。在 MAM 之 PTEN 對抗蛋白激酶 Akt 引起的對 IP3R 的抑制作用(抑制 IP3R 的磷酸化 )及 ER 的釋出鈣。所以從 ER 釋出的鈣與細胞死亡有關，如活化粒線體通透洞，而使 cytochrome C 及其他凋亡因子先質釋出，活化執行凋亡酶 [62,165]。

九、粒線體自噬

自噬是細胞進行自體消化一些物質，以在營養不足下，延長壽命。自噬主由哺乳動物雷帕黴素 (rapamycin) 作用標靶(mammalian target of rapamycin, mTOR)調控的。目前已知有三十種以上與自噬相關的蛋白 (autophagy related protein, ATG)，主要為 ATG6(Beclin 1) 與 ATG14 及第三類P13K 蛋白形成的複合體，及 ATG5、7、12、16 吸引 ATG8(ATGLc3) 形成的複合體。目前已知自噬的對象包括聚集的蛋白、粒線體、內質網、及侵入的細菌 [166]。

而粒線體的自噬，由似 NIP3 的粒線體外膜蛋白 (NIP3-like protein X) 及 PINKI/parkin 的參與將受傷的粒線體送到溶酶體(lysosome) 分解 [167,168]。粒線體自噬和細胞營養不足引起非選擇性細胞自噬不同。自噬被細胞內及外的壓力而引起，自噬的作用不好與一些疾病，如癌及神經退化有關 [169]。在細胞缺氨基酸時，細胞產生稱為歐米加體 (omegasome) 的磷脂醯肌醇磷酸脂 (phosphatidylinositol 3-phosphate, PtdIns3p)，並與內質網聯結，而形成自噬體 (autophagosome) [119]。高爾基體、質膜(plasma membrane)、及核內體 (endosome)也提供吞噬傳遞物 (phagophore) 所需的膜 [170]。一些與自噬相關的蛋白在粒線體出現，而粒線體所含不同的蛋白可以調控自噬的過程。粒線體外膜在營養不足情況下，參

與自噬體的形成。位於 MAM 的 GTPase,Rab32在調控 MAM 的作用也有重要角色。mTOR 是一種約 300 kDa 的絲氨酸蘇氨酸蛋白激酶，它控制細胞週期、生長、及能量代謝。在營養缺乏時，mTOR 的活性則被抑制，而誘導自噬 [171,172]。鈣參與細胞自噬及粒線體自噬[173]。mTOR 有二種，mTORC1 (mTOR complex 1) 刺激 PGC-1α，sterol regulatory element-binding protein 1/2 (SREBP 1/2)及 hypoxia inducible factor-1α(HIF-1α)，因之 mTORC1 除控制粒線體自噬，更控制粒線體的活性及能量代謝，如果過度活化則引起代謝性疾病及癌症 [174]。mTORC2 則控制細胞的存活、細胞骨架、脂質生成，及葡萄糖生成 [175]。瞭解自噬或粒線體自噬的調控過程，可以提供尋找加強老化或受傷粒線體的自噬的抗老化藥物。

十、粒線體的免疫功能

已知人類有 22 種似核苷酸結合之寡聚合區受體 (nucleotide-binding oligo-merization domain like receptor,NLR)，NLR 被活化時會形成發炎體 (inflammasome)。內質網，過氧化物酶體 (peroxisome) 及粒線體是 ROS 的主要來源，而 ROS 會活化 NLRP3發炎體 [52]。位在內質網之 NLRP3 發炎體是處於靜止狀態的，在受刺激時，活化並移至MAM 處，由於 ROS 的壽命短暫，所以 ROS 只能在短距離內傳遞，而 NLRP3 也必需距離粒線體很近才能感知受傷粒線體釋出的 ROS。發炎體的成分之一，含有凋亡酶吸引區塊的凋亡相關似斑點蛋白質 (apoptosis-associated speck-like protein containing a caspase recruitment domain,ASC)，也要從胞質移動到 MAM。硫氧化還原素 (thioredoxin,Txn)的結合蛋白 (interacting protein,Txnip)是 ER 壓力與發炎的訊息物，都被 ER 壓力所誘導，促使 IL-1β 轉錄及活化 NLRP3 發炎體。似蛋白激酶受體之內質綱激酶 (protein kinase R-like endoplasmic kinase,PERK)及 IREIα(inositol-requiring enzyme 1α)是誘導 Txnip 所需要的 [176,177]。電壓控制的陰離子通道 (voltage-dependent anion channels,VDAC) 是抗凋亡蛋白 Bcl-2(B-cell lymphocytic protein-2) 及 hexokinase 這與粒線體相互作用的蛋白質的停靠站。VDAC與 Bcl-2 相互作用可以降低通道的暢通，減少鈣進入粒線體，減少 ROS 產生 [178]。粒線體抗病毒訊息 (mitochondrial anti-viral signaling,MAVS) 是 NLRP3 發炎體在粒

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線體形成的落點 [179]。黑素瘤分化相關蛋白 -5(melanoma differentiation-associate protem 5,MDA5) 及似 RIG(retinoic acid-inducible gene) 之解螺旋酶 -1(RIG-like helicases,RIG-1)，接收並傳送 MAVS 解碼的抗病毒訊息給粒線體。RIG-1 在病毒感染時與病毒結合，將凋亡酶活化及使吸引區 (caspase activation and recruitment domain,CARD) 暴露出來，與多泛激素上，位於 63 之賴胺酸 (Lys63-linked polyubiquitin chain) 結合，在 RIG 移位到 MAM 後，與在粒線體的承接器 MAVS 組合，在 ER 面對粒線體的干擾素基因刺激物 (stimulator of IFN genes,STING) 與 RIG-1相互作用，而使 MAM 穩定，以活化 NF-κB及IRF3，而產生第一型干擾素 [180]。感知鈣的受體 (calcium-sensing receptor,CASR)，除了活化 NLRP3 發炎體，也降低 cAMP。CASR 通過 phospholipase C 而活化 NLRP3 發炎體。Phospholipase C 則催化肌醇三磷酸 (IP3) 的產生，而使鈣從 ER 釋出 [181]。G 蛋白偶聯受體 (G-protein-coupled receptor) 會活化發炎體。所以細胞外的鈣是發炎體的專一引發劑 [182]，而 MAM 是發炎體形成的地方，粒線體的 DNA 引起發炎體的活化 [183]。

十一、粒線體、發炎體、與癌

癌細胞有幾個特點，如不斷增生逃過對生長的抑制、不死亡及進行耗氧醣解 (華堡效應 Warburg effect) [184]。而致癌基因引起的細胞老化 (oncogene-indnced senescence,OIS)能清除有增生分化潛力的細胞，而達到抑制癌的發生。OIS 可以增加氧消耗比率及減少丙酮酸的產生，由於抑制丙酮酸去氫酶激酶 1(pyruvate dehydrogenase kinase-1)，而活化丙酮酸去氫酶及丙酮酸去氫酶磷酸酶 (pyruvate dehydrogenase phosphatase 2,PDP2)，促進TCA cycle《註：將醣解(glycolysis)，轉向葡萄糖之代謝》。所以粒線體上的丙酮去氫酶活性，影響癌的形成 [185]。粒線體功能失常也與發炎體及多種癌之發生相關 [186,187]。例如百分之六十以上的癌細胞，其粒線體DNA有點突變(point mutation)，而促使癌細胞轉移，對抗癌藥物產生抗藥性 [188]，DAPK 抑制癌及一些活化的訊息，如 TNF-α,IL-17,IL-32,LPS 引起的活化 NF-κB,T-cell 細胞介素的表現活化。DAPK 也是 NLRP3 發炎體的形成所必需的 [189]。

單核球分泌過多的 IL-1β使粒線體穩定

性下降，將粒線體內容物移動到胞質及抑制自噬體的分解。進一步，自噬這活動受干擾，使胞質裏受損的粒線體留滯時間延長及增加IL-1β的分泌，這是粒線體與活化發炎的關係 [190]。鈣及不穩定的粒線體活化 NLRP3 發炎體 [130]。粒線體製造的 ATP、ROS 及鈣活化發炎體，鼷鼠缺 NLRP3 及 NLRC4 易得大腸癌。IL-18 經由干擾素 -γ而活化自然殺手細胞，是重要的免疫及刺激抗癌因子，但是IL-18 也可能促使癌生長，血管新生及癌轉移。凋亡酶 -1 活化的熱亡可清除癌的先質，但是 IL-1β及 IL-18 引起的熱亡會刺激癌生長因子，發炎及癌的形成。IL-1 的對抗劑可用於處理一些及降低抗癌藥的毒性，這些兩極報導，使得 Kolb 等認為發炎體對癌是雙面刃 [191]，而 Terlizzi 等認為對癌而言，發炎體是友或敵難分 [192]。

十二、粒線體的運輸蛋白

大部份粒線體的蛋白質是由細胞核基因所編譯的，再經粒線體外膜的移位酶(translocase of outer membrane) 送到粒線體之內，送到粒線體內膜要由內膜的移位酶 (translocase of inner membrane,TIM22 complex) 負責，送到基質 (matrix) 由 TIM23 complex 處理，少數粒線體基因編譯的蛋白，由內膜崁入酶 (insertase) Oxal 送到內膜。在粒線體內外膜交接處的運輸蛋白(18-kD translocator protein,TSPO)，是粒線體通透洞的一部分，可將膽固醇及紫質(porphyins)，輸送至粒線體之內製造神經固醇 (neurosteroids)、與凋亡、及對壓力的適應 (stress adaptation) 相關密切，如在老年癡呆及巴金遜病，TSPO 的表達增加。TSPO之結晶結構已被解析出來 [193]。

另一類位於粒線體內膜與核苷酸結合區塊 (nucleotide binding domain) 的 ATP 結合板面 (ATP binding cassette,ABC)，從事胞質與胞核的互動。在人類從事胞質 -胞核鐵硫蛋白 (cytosolic-nuclear iron-sulfur proteinr) 製造的 ABCB7 突變引起性聯的缺鐵低色素性貧血 (sideroblastic anemia)及小腦運動失調 (cerebellar ataxia)。人類 ABCB7 的立體蛋白結晶結構也被鑑定出來 [194]。

十三、討論

mtDNA 不會影響下一代的身高、外貌、智力、性格。但是由於粒線體主控能量代謝，所以

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不正常的 mtDNA 會影響能量需求高的器官，如中樞神經、心臟、肌肉，引起聽力不好、老年痴呆、腦中風，心臟衰竭、肌肉萎縮、糖尿病、疲倦等症狀。英國已進行立法准許將健康婦女的 mtDNA 代替突變的 mtDNA，以生出健康的「三親嬰兒」。粒線體的功能與人體健康關係密切。自

噬及發炎體途徑相互調整 (如用自噬蛋白、粒線體的 ROS、粒線體的 DNA、發炎體被自噬所引發、或發炎體引發自噬 )，可用來控制體內代謝的穩定及驅逐外侵的病原體，清除受傷的胞器、細胞 [195]。

大部分老年病及慢性病是多種原因造成的。已知有不同的 PAMPs 及 DAMPs 活化發炎體。源自粒線體，尤其老化的粒線體 ATP 及ROS，就是 DAMP。

如果清除或維持 ROS 在體內於合理的範圍的能力降低，或清除老化、受傷粒線體的機制下降，則出現不同老年病、慢性病。Benard [124] 指出，mtDNA 編譯的電子傳遞鍊蛋白複合體，氫離子、鈣離子、不同膜通道，活化 AMPK 的物質 ( 降血糖藥、脂連素 adiponectin、瘦體素 leptin、飢餓訊息素 ghrelin、大麻成分 cannabinoids 或內生性類大麻物質、白藜蘆醇 resveratrol等 )、sirtuin,PGC1α,forkhead box 01, 03a,cAMP response element-binding protein,cytochrome C oxidase 都影響粒線體的功能。細胞外的 ATP 活化發炎體、TNF、IL-10 引起系統性發炎，組織損傷及死亡。移除 ATP 則防止粒線體受傷、凋亡、腸道保護膜的破壞，而能降低死亡 [196]。粒線體的 ROS、凋亡、粒線體 DNA 的釋出，粒線體自噬、鈣對粒線體的傷害及 NLRP3 發炎體在粒線體的出現，表示粒線體與 NLRP3 發炎體活性的關係密切 [197]。自 2002 年 Mortinon 等人首次報導發炎體 (inflammasome) 以來，已知主在巨噬細胞 (macrophages) 及單核球 (monocytes)組合之發炎體可分為二大家族，即 NLRP( 如NLRP1,NLRP3,NLRC4,NLRP6,NLRP12) 及 AIM2家族 [198,199]。發炎體在感應 PAMPs 及DAMPs 後，能活化凋亡酶 -1 之多蛋白複合體 ( 以 NLRP3 為例，是由 NLR、ASC、Caspase-1 組成，而 NLR 是由 LRR、 NACHT及作用體組成 )，凋亡酶活化後，將細胞介素先質 (proinflammatory cytokines) 降解為細胞介素 IL-1β,IL-18，而引起發炎及抗病原體 (pathogens) 之反應，引起熱亡(pyroptosis)、自噬，及使病原體分解，但發炎體不當長期反應，引起肥胖相關代謝症

候群、老年痴呆、自體發炎及自體免疫。從前文知道，氫離子與 ATP 之形成關係

密切，而腸道厭氧菌生產的氫、在身體有什麼生物活性、是否有抗氧化作用，Trx 及Txnip 與 importin 的相互關係對代謝性疾病的影響，細胞氧化還原的穩定，如何促使粒線體的製造 (biogenesis)，調控凋亡，如何使粒線體與其他胞器互動加強，使粒線體分裂及融合正常的進行，降低內質網壓力對粒線體的影響，加強粒線體的自噬以清除功能不好的粒線體，使粒線體內質網組合膜穩定以降低對發炎體的活化，加強粒線體運輸蛋白或 PGC-1α的功能，經由 mTOR 控制粒線體自噬及粒線體的功能，維持細胞內外 ROS、RNS 之穩定，鈣及 DAPK 相互作用是否正常調控。再再影響身體的健康。已知發炎體被 ATP及 ROS 活化，因之發炎體與粒線體彼此相關，所以除了發炎體，粒線體也是研發抗老化、抗氧化、抗發炎，藥物等的標的。

前言中所述的不同植物或其他植物藥，可以進一步研究這些藥物的作用機制。下述三例是可以做為參考的。一、已知緘默訊息調控蛋白 (silent information regulator, sir, 或 sirtuins) 可以活化 PGC1α，可以調節與代謝相關的基因，而將外界的刺激與粒線體的代謝功能聯結起來。葡萄皮及籽的成分白藜蘆醇 (resveratrol) 可以活化 Sirt1及 AMP-dependent protein kinase ( 另一種細胞能量感受器，在節食時被活化 )、雌激素受體、影響細胞分裂週期、氧化壓力下細胞的存活及促胰島素之分泌，目前以化學修篩resveratrol 之方式以尋找更有效 Sirt1 活化劑之研究正大量進行中 [200]。二、Pagliei等人在神經母細胞瘤細胞的實驗，發現大蒜的成分 dialyl disulfide 會加強與 ROS 相關的 PGC1α 的表達，引起粒線體的製造，防止粒線體 DNA 的外流及凋亡 [201]。三、癌細胞粒線體的突變影響氧化磷酸化及氧化還原反應對 ROS 之調控 [202]。而在 23 篇參考文獻整理出 21 種不同癌症病人中，mtDNA 突變之比率、突變數及突變位置，結果顯示，在 D-loop 之突變數一般最多，依次為 mRNA、rRNA、tRNA [203]。D-loop 間接調節蛋白的編譯，目前雖不瞭解這些突變中何者與癌症發生的直接因果，但顯示 mtDNA 之突變與癌之發生關係密切。所以 mtDNA 的突變也是研發抗癌藥物的標的。

以鈣在細胞內的調控而言，已知鈣是重要的、將訊息經過細胞膜表面的受體或通道傳到細胞質的訊息傳遞物。維他命 D及副甲狀腺素作用於腸道、胃及骨骼，以調控鈣在

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體液內濃度的恆定。降鈣素 calcitonin 的作用與維他命 D相反，是調降血鈣的內分泌素，鈣離子經過鈣通道進入細胞內，並儲存在內質網、肌質網 sarcoplasmic reticalum，調鈣素 calmodulin 上，以使細胞內鈣維持在低濃度狀況，而避免高鈣引起的細胞興奮。鈣通道對抗劑之研究及應用始於 1960 年代，目前做為抗心律不整、心臟衰竭、高血壓、甲狀腺亢奮、偏頭痛、心肌缺血、抑制子宮收縮等之藥物，它們的副作用或毒性包括血管過度舒張引起低血壓、頭痛、暈眩、噁心、便秘、咳嗽、喘、四肢及肺水腫、抑制下食道括約肌、嗜睡等 [204]。鈣鹽是 DAMPs 之一，鈣通道對抗劑有多種療效及副作用，但相反的，補充鈣及女性素可以防止骨質疏鬆，所以關鍵在於如何維持鈣在體液內濃度的恆定，甚至要考慮鈣在體液濃度的個別化。也可以調查鈣在體液濃度與老年病、慢性病的關係。怎樣給予恰當劑量的鈣，或調控鈣的藥物。

而以處理氧化壓力引起的氣喘或慢性肺阻塞 (COPD) 為例，最常見的抗氧化劑維他命C、E 及 N-acetyl-cysteine 的療效都不高。雖然源自天然物的 theophylline 同時具有多種作用機制而早在 1930 年代就用於處理氣喘。現在處理氣喘或 COPD，經常多種藥物併用 (源自植物的 cromolyn、抗副交感神經藥、交感神經β受體作用藥、腎皮質素、抗組織胺藥、抗白三烯素、抗 IgE 受體藥Omalizumab、袪痰劑等 ) 以加強藥物療效及降低單一藥物的毒性 [205]。老年病、慢性病很難用針對一種病因找

出的一種機制的藥物去處理，而是針對不同病因找到不同藥物，如恰當降低 PAMPs, DAMPs 對發炎體的過度活化、降低 ROS 的產生或清除之，加強對老化或受傷粒線體的自噬。

十四、結論

mtDNA 傳自母親，它與性染色體、細胞核染色體比較，只含最少的基因，突變率約一萬年二千到一萬五千年 (或 300 到 600 代 )發生一次，而且大部份發生在，非編譯部位的 D-Loop 上，所以易於追蹤女性祖先的遷移途徑及時程。粒線體製造 ATP，大部份的 ROS，及進行

氧化磷酸化所需的酶，調控凋亡等細胞死亡，轉變不同代謝產物，控制鈣在細胞內的移動，及參與免疫反應，因之 mtDNA 突變會引起一些遺傳性疾病，而人類很快就會有由健康的mtDNA 取代致病 mtDNA 的三親嬰兒，來避免這

些遺傳性疾病。粒線體不斷的進行分裂、融合，製造的

ROS 由不同系統調控，受傷或老化的粒線體也不斷的清除掉，當這些調控機制不當，引起長期發炎的不同症狀、疾病，甚至癌。對這些調控機制的瞭解，有助於知道如何合理飲食、作息、運動，創造減少無污染的生活環境，及研發出更安全，更有效果的抗氧化、抗發炎、抗老化及抗慢性病的藥物。

誌謝

感謝國立陽明大學藥理研究所所長李新城教授提供部分資料。

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1Department of Pharmacology, National Defense Medical Center, Taipei, Taiwan, R.O.C.2National Research Institute of Chinese Medicine, Ministry of Health and Welfare, Taipei, Taiwan, R.O.C.

3Institute of Pharmacology, National Yang-Ming University, Taipei, Taiwan, R.O.C.

In 2014, more than 26 review articles related to antiaging, anti-inflammatory and antioxidative effects of herbal drugs appeared. Free radicals or reactive oxygen species (ROS) are majorly produced by mitochondria (Mt) and malfunction of Mt has been hypothesized as the fundamental factor causing the chronic inflammation and aging. Mt is an endomicrobiota, rickettsia like α-purple bacteria, an anerobe which engulfed the bacteria that using oxygen and sugar to keep the energy in ATP. The proteins encoded by nuclear and Mt DNA affected each other’s functions. Mt is well interacted with endoplasmic reticulum (ER) on mitochondriaassociated ER membranes (MAMs). Mt process redoxidation, biogenesis, degradation, fission, fusion, and transport along the cell extremity continuously. The fusion mixed the metabolites, proteins, and mtDNA, while fission segregated the damaged component of Mt and rearranged Mt by mitophagy, the selective degradation of mitochondria by autophagy. Calcium (Ca2+) is transported from ER to Mt through permeability transition pore by Mt Ca2+ uniporter, and transmembrane inositol 1, 4, 5-triphosphate receptor (IP3R). IP3R interacted with mTORC2 at MAM to regulate voltage-dependent anion channel (VDAC) on outer Mt membrane through glucose-regulated protein 75, to perform the exchange of metabolites and ions, and also involved in the inhibition of ER stress and apoptosis. while, mTORC1 controls mitophagy, mitochondrial activity and biogenesis. The cytochrome C released from Mt blocked the Ca2+-induced IP3R inhibition, and then increased Ca2+ release from ER and cytochrome C from Mt. VDAC interacted with hexokinase 2 (HK2) and B-cell lymphocytic protein-2 (Bcl2) decreased the entrance of Ca2+ from ER to Mt, then decreased ROS production. Promyelocytic leukemia nuclear bodies form a complex with IP3R, which is involved in Ca2+ and apoptosis regulation. Phophatase and tensin homolog deleted on chromosome 10 (PTEN) antagonized Akt-induced IP3R inhibition and Ca2+ release from ER. PTEN-induced putative kinase 1 (PINK1) recruits parkin, then selectively degrades the microtube-associated protein light chain 3 alpha. Mitophagy is the process to deplete damaged Mt by lysosome which control the function of MAMs, Ca2+ uptake, bioenergetics of Mt, and apoptosis through IP3R, HK2 and phosphofurin acidic cluster sorting protein 2. NLRP3 inflammasomes located in ER are activated and migrated to MAMs by ROS. Stimulator of interferon genes with retinoic acid-induced gene-like helicase stabilized the MAMs, but activated type I interferon production. The activity of pyruvate dehydrogenase phosphatase is related to carcinogenesis. The point mutation of mtDNA promotes cancer metastases and drug resistance to some anticancer agents. The ATP binding cassette (ABC) is located in inner Mt and nucleotide binding domain. ABC regulates the communication between nuclear and cytosol. The mutation of ABC protein B7, a cytosolic-nuclear iron-sulfur protein, caused the sideroblastic anemia and cerebellar ataxia. The targets methods, and rational for the development of antiaging, anti-oxidant, or anti-inflammatory drugs are mentioned in the text.Key words: Antiaging, anti-inflammation, endoplasmic reticulum, herbal drugs, mitochondria, Oxidative stress

*Correspondence: Chieh-Fu Chen, Institute of Pharmacology, National Yang-Ming University, Taipei, Taiwan, No. 155, Li-Nong St., Sec. 2, Taipei 112, Taiwan, R.O.C., Tel: +886-2-28267091, E-mail: [email protected]

J Chin Med 27(1): 2701004, 22 pages, 2016DOI: 10.3966/241139642016062701004E-ISSN: 24113964http://www.nricm.edu.tw/jcm/

Journal of Chinese Medicine

Received 9 Febuary 2015, Accepted 17 July 2015, Available online 1 June 2016

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粒線體：抗發炎藥之標的 - ejournal.nricm.edu.twejournal.nricm.edu.tw/jcm/27/27p4-022.pdf · 性的研究，大部份與自由基或氧化壓力相關， 另一面顯示從植物開發新藥的重要性。

粒線體：抗發炎藥之標的 - ejournal.nricm.edu.twejournal.nricm.edu.tw/jcm/27/27p4-022.pdf · 性的研究，大部份與自由基或氧化壓力相關，另一面顯示從植物開發新藥的重要性。