Cdk5调控线粒体功能障碍在糖尿病肾病足细胞损伤中的作用及机制

Our previous studies found that high glucose and TGF-β1 can significantly increase the expression and kinase activity of cyclin dependent protein kinase 5 (Cdk5) in podocytes, which was closely related to podocyte injury in diabetic nephropathy. Mitochondria are the power plants of cells. Mitochondrial dysfunction is an important cause of podocyte injury in diabetic nephropathy. Our preliminary results showed that the inhibition of Cdk5 kinase activity could relieve the mitochondrial dysfunction induced by high glucose in podocyte, but the specific mechanism is not clear. Drp1 and PGC-1α are important proteins that regulate mitochondrial division and energy metabolism, and their functional abnormalities are closely related to mitochondrial damage. Under the condition of diabetes mellitus, whether the abnormal increase of Cdk5 kinase activity can lead to mitochondrial dysfunction and podocyte injury by regulating the function of Drp1 and PGC-1α? In this study, we intend to explore the role of Cdk5 in mitochondrial dysfunction of podocyte in diabetic nephropathy by gene transfection, shRNA interference and specific inhibitors in vitro and in vivo, to provide a new target for the effective prevention and treatment of diabetic nephropathy.

我们前期研究发现，高糖、TGF-β1可显著增高足细胞中细胞周期素依赖性蛋白激酶5（Cdk5）的蛋白表达水平和激酶活性，同糖尿病肾病足细胞损伤关系密切。线粒体是细胞的动力工厂，线粒体功能障碍是糖尿病肾病足细胞损伤的重要原因。我们的预实验结果发现，抑制Cdk5激酶活性，高糖导致的足细胞线粒体功能障碍也明显缓解，但具体机制尚不清楚。Drp1和PGC-1α是调节线粒体分裂及能量代谢的重要蛋白，两者的功能异常与线粒体损伤密切相关。糖尿病状态下，激酶活性异常增高的Cdk5是否可通过磷酸化调节Drp1及PGC-1α的功能，导致线粒体功能障碍并引起足细胞损伤是本课题的研究重点。我们拟利用基因转染、shRNA干扰及特异性抑制剂，通过体外、体内实验，深入探讨糖尿病肾病足细胞线粒体功能障碍的作用及机制，重点研究Cdk5在其中发挥的作用，以期为糖尿病肾病的有效防治提供新的靶点。

Cdk5属于细胞周期素依赖性蛋白激酶家族的成员，在维持足细胞形态和功能上具有重要作用，其表达水平的改变与足细胞损伤密切相关，但具体机制仍不清楚。本研究证实，在糖尿病小鼠肾小球及高糖刺激的足细胞中，细胞内Cdk5的表达水平和激酶活性显著增高，并引起足细胞线粒体功能障碍。抑制Cdk5可显著减轻高糖导致的足细胞线粒体功能障碍及细胞凋亡水平，改善糖尿病小鼠肾功能及肾组织病变程度。糖尿病状态下，足细胞内线粒体损伤表现为线粒体肿胀，断裂，片段化线粒体增加，线粒体功能降低。本研究证实，在高糖环境下，Cdk5增强了线粒体分裂蛋白Drp1的磷酸化水平，导致线粒体分裂增加，产生大量片段化的线粒体。Sirt1和PGC-1α在调控线粒体功能及能量的动态平衡中发挥了重要作用。本研究证实，在高糖环境下，足细胞中Sirt1和PGC-1α的表达水平显著降低，过表达Sirt1和PGC-1α可显著降低高糖导致的足细胞损伤及凋亡水平。免疫共沉淀检测发现，高糖显著增强了Cdk5对Sirt1和PGC-1α的磷酸化作用，其位点分别位于S47和T299。抑制Cdk5对Sirt1和PGC-1α的磷酸化作用，可显著减轻高糖导致的足细胞损伤程度，改善糖尿病小鼠肾功能、减轻肾组织损伤程度。本研究还证实，Cdk5通过促进肾小管上皮细胞间质转分化及系膜细胞基质的合成，参与了糖尿病肾病肾间质纤维化及肾小球硬化的发生发展。综上所述，本项目通过体内外研究，阐明了Cdk5通过增强Sirt1及PGC-1α磷酸化水平，诱导线粒体功能障碍并最终导致足细胞损伤，参与糖尿病肾病发生的具体机制，为糖尿病肾病的防治提供了新的思路和靶点。