線粒體DNA在急性肺損傷發(fā)生、發(fā)展中的作用

顧曉凌 宋 勇

急性肺損傷(acute lung injury，ALI)是指由嚴(yán)重感染、休克、創(chuàng)傷以及燒傷等各種非心源性的肺內(nèi)外致病因素所導(dǎo)致的急性、進(jìn)行性、低氧性呼吸功能不全或衰竭。其病理特征表現(xiàn)為以肺泡上皮細(xì)胞和肺毛細(xì)血管內(nèi)皮細(xì)胞損傷、彌漫性肺間質(zhì)以及肺泡水腫，臨床表現(xiàn)為頑固性低氧血癥、呼吸窘迫和非心源性肺水腫。ALI是常見的呼吸危重癥，也是危重癥患者死亡的主要原因之一，多年來(lái)一直是呼吸及危重病醫(yī)學(xué)界研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。ALI的發(fā)病機(jī)制及相應(yīng)的治療手段雖然已經(jīng)取得了一些進(jìn)展，但其發(fā)病率和病死率仍較高，病死率高達(dá)35% ～40%［1］。此外，ALI的發(fā)病機(jī)理十分復(fù)雜，涉及多個(gè)環(huán)節(jié)，具體發(fā)病機(jī)制尚未完全闡明。目前認(rèn)為過(guò)度失調(diào)的炎癥反應(yīng)是ALI發(fā)生、發(fā)展的最為重要的因素之一。亦有研究顯示細(xì)胞凋亡特別是肺泡上皮細(xì)胞和肺微血管內(nèi)皮細(xì)胞的凋亡增加也參與了ALI的發(fā)病過(guò)程［2］。繼往的研究表明線粒體DNA(mitochondrial DNA，mtDNA)是介導(dǎo)線粒體及細(xì)胞代謝功能的重要構(gòu)件［3-4］。氧化應(yīng)激誘導(dǎo)的mtDNA損傷能夠觸發(fā)線粒體功能障礙、肺動(dòng)脈內(nèi)皮細(xì)胞凋亡，破壞肺泡—血管內(nèi)皮屏障。此外，近年來(lái)研究發(fā)現(xiàn)mtDNA尚具有獨(dú)立于線粒體本身的內(nèi)源性致炎作用［5-6］。組織、細(xì)胞在創(chuàng)傷、休克等多種病理生理?xiàng)l件下釋放mtDNA，mtDNA與模式識(shí)別受體(pattern recognition receptor，PRR)結(jié)合，經(jīng)細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制激活炎癥反應(yīng)級(jí)聯(lián)，導(dǎo)致組織、器官損傷?？梢妋tDNA在ALI的發(fā)生、發(fā)展中可能扮演重要角色，現(xiàn)就mtDNA與ALI發(fā)生、發(fā)展的潛在關(guān)系進(jìn)行綜述。

一、mtDNA的結(jié)構(gòu)與功能

線粒體是除細(xì)胞核之外唯一含有DNA的細(xì)胞器，每個(gè)線粒體中含有多拷貝數(shù)的mtDNA［7-8］。人mtDNA為一條超螺旋、雙鏈環(huán)狀DNA分子，含16 569bp，共有37個(gè)結(jié)構(gòu)基因，分別編碼2種rRNA(16S rRNA、12S rRNA)、22種tRNA和13種蛋白質(zhì)亞基。mtDNA編碼的13種多肽鏈分別為:復(fù)合物Ⅰ中的7個(gè)亞基，復(fù)合物Ⅲ中的1個(gè)亞基，復(fù)合物Ⅳ中的3個(gè)亞基以及F0中的2個(gè)亞基。這些均為參與線粒體氧化磷酸化過(guò)程的重要蛋白質(zhì)，因此mtDNA結(jié)構(gòu)和功能的完整性是維持線粒體及細(xì)胞正常生命活動(dòng)的基礎(chǔ)。

mtDNA雖與多種蛋白質(zhì)緊密結(jié)合形成一種被稱之為“擬核”的復(fù)合體，但是缺乏染色質(zhì)結(jié)構(gòu)，不與組蛋白結(jié)合，不為核膜所包被。另一方面，線粒體電子傳遞鏈的氧化磷酸化反應(yīng)在進(jìn)行能量轉(zhuǎn)化、生成ATP的同時(shí)，伴隨著副產(chǎn)物—活性氧類(reactive oxygen species，ROS)的產(chǎn)生，形成一種高度氧化的環(huán)境。此外，mtDNA本身又缺乏有效的DNA氧化損傷修復(fù)系統(tǒng)，因此，與核DNA相比，mtDNA對(duì)各種氧化應(yīng)激所導(dǎo)致的DNA損傷極為敏感［9］。

Margulis在1970年提出了“線粒體形成的內(nèi)共生學(xué)說(shuō)”:真核細(xì)胞進(jìn)化過(guò)程中，細(xì)菌被原始真核細(xì)胞吞噬，在長(zhǎng)期互利共生中逐漸演化形成了現(xiàn)在哺乳動(dòng)物細(xì)胞中廣泛存在的線粒體，而被吞噬細(xì)菌的DNA則演化成了現(xiàn)在的mtDNA。mtDNA序列中廣泛存在著非甲基化的以胞嘧啶、鳥嘌呤核苷酸為核心的CpG基元(CpG motifs)，在核苷酸組成上與細(xì)菌DNA類似［5］。近年來(lái)的研究還顯示:與細(xì)菌DNA的免疫刺激活性類似，mtDNA具有能夠被機(jī)體固有免疫系統(tǒng)的PRR識(shí)別，激活炎癥反應(yīng)［10-11］。因此，mtDNA本身即具有獨(dú)立于線粒體代謝的內(nèi)源性致炎作用。

二、mtDNA在ALI發(fā)生、發(fā)展中的作用

1．mtDNA的致炎性質(zhì)在ALI發(fā)生、發(fā)展中的潛在作用:Hajizadeh等［12］于2003年首次報(bào)道在小鼠關(guān)節(jié)腔內(nèi)注射純化的mtDNA能夠誘導(dǎo)發(fā)生關(guān)節(jié)炎，提示mtDNA具有免疫刺激活性。進(jìn)一步的研究提示mtDNA通過(guò)作用于固有免疫細(xì)胞，包括單核/巨噬細(xì)胞、中性粒細(xì)胞等，誘導(dǎo)核轉(zhuǎn)錄因子NF-κB的活化，促進(jìn)促炎細(xì)胞因子的產(chǎn)生，從而誘導(dǎo)關(guān)節(jié)炎的發(fā)生［13］。最近的研究則進(jìn)一步闡述了mtDNA內(nèi)源性致炎作用的相關(guān)機(jī)制［5-6］。鑒于mtDNA起源于細(xì)菌DNA的內(nèi)共生學(xué)說(shuō)，目前認(rèn)為mtDNA是一個(gè)可以被機(jī)體固有免疫系統(tǒng)的PRR所識(shí)別的，與損傷相關(guān)分子模式(damage associated molecular pattern，DAMP)。mtDNA通過(guò)與中性粒細(xì)胞表達(dá)的TLR9(toll-like receptor 9，TLR9)結(jié)合，誘導(dǎo) p38MAPK激酶磷酸化，激活中性粒細(xì)胞釋放基質(zhì)金屬蛋白酶(matrix metalloproteinases，MMP)MMP-8、MMP-9，產(chǎn)生多種促炎癥介質(zhì)，始動(dòng)炎癥級(jí)聯(lián)反應(yīng)，進(jìn)而誘導(dǎo)全身炎癥反應(yīng)綜合征(systemic inflammatory response syndrome，SIRS)。因此，mtDNA不僅具有局部致炎作用，而且還能始動(dòng)全身炎癥反應(yīng)。

研究顯示與ALI相關(guān)的多種致病因素包括嚴(yán)重創(chuàng)傷、失血性休克、急性缺血性卒中、重癥感染等都可能伴有組織和細(xì)胞的嚴(yán)重?fù)p傷或壞死，進(jìn)而導(dǎo)致mtDNA被大量釋放進(jìn)入血液循環(huán)，使得血漿mtDNA水平顯著升高［5-6，14-15］。根據(jù)現(xiàn)有的文獻(xiàn)，目前雖然尚無(wú)法直接證實(shí)mtDNA能夠促進(jìn)ALI的發(fā)生、發(fā)展，但是Zhang等［6］研究顯示接受含有mtDNA的線粒體碎片(mitochondrial debris，MTD)靜脈注射的大鼠，表現(xiàn)出明顯的系統(tǒng)性炎癥反應(yīng)特征以及肺損傷的病理改變。因此，我們可以推測(cè)循環(huán)中的mtDNA可誘導(dǎo)器官損傷，在始動(dòng)或促進(jìn)ALI的發(fā)生、發(fā)展中可能發(fā)揮重要作用。

2．mtDNA的氧化損傷在ALI的發(fā)生、發(fā)展中的潛在作用:ROS是導(dǎo)致ALI發(fā)生、發(fā)展的一個(gè)重要因素［16］。研究顯示DNA是ROS作用的靶分子之一，mtDNA對(duì)ROS所致的氧化損傷極為敏感［8，11］。與mtDNA類似，氧化損傷的mtDNA亦具有免疫原性，能夠激活機(jī)體固有免疫系統(tǒng)，始動(dòng)炎癥級(jí)聯(lián)反應(yīng)導(dǎo)致多種組織、器官的炎癥性損傷［17］。但其相關(guān)的確切機(jī)制目前尚不甚清楚。

此外，氧化損傷的mtDNA尚具有激活內(nèi)源性細(xì)胞凋亡通路的特性。Ricci等［18］的研究提示mtDNA的氧化損傷會(huì)抑制mtDNA的轉(zhuǎn)錄，降低mtDNA編碼的呼吸鏈中相關(guān)亞基蛋白的表達(dá)水平，導(dǎo)致線粒體氧化磷酸化過(guò)程中電子傳遞鏈的中斷。而線粒體呼吸鏈功能障礙則又會(huì)反過(guò)來(lái)導(dǎo)致ROS產(chǎn)生的增加，加重mtDNA的氧化損傷，致使惡性循環(huán)形成，最終激活內(nèi)源性細(xì)胞凋亡通路，導(dǎo)致細(xì)胞死亡。新近的研究還提示mtDNA的氧化損傷會(huì)影響線粒體擬核復(fù)合物中mtDNA與其結(jié)合蛋白結(jié)合的穩(wěn)定性，可能與后續(xù)細(xì)胞凋亡通路的激活相關(guān)［19］。

基于肺血管內(nèi)皮細(xì)胞的基礎(chǔ)研究提示:ROS能夠誘導(dǎo)肺血管內(nèi)皮細(xì)胞mtDNA氧化性損傷，而氧化損傷的mtDNA觸發(fā)線粒體功能障礙，并與后續(xù)細(xì)胞凋亡通路的激活相關(guān)，最終導(dǎo)致肺血管內(nèi)皮屏障功能障礙［3-4，20］。因此，基于氧化損傷的mtDNA在誘導(dǎo)炎癥反應(yīng)、調(diào)節(jié)肺血管內(nèi)皮細(xì)胞凋亡方面的雙重作用，可以推測(cè)氧化損傷的mtDNA在始動(dòng)或者是促進(jìn)ALI的發(fā)生、發(fā)展中扮演重要角色。

三、結(jié)語(yǔ)

mtDNA不僅具有與細(xì)菌DNA類似的免疫原性，激活炎癥級(jí)聯(lián)反應(yīng)，始動(dòng)組織、器官炎癥性損傷，而且mtDNA對(duì)氧化應(yīng)激極為敏感，氧化損傷的mtDNA除了保持原本的免疫刺激活性，更能激活內(nèi)源性細(xì)胞凋亡通路。目前認(rèn)為過(guò)度失調(diào)的炎癥反應(yīng)、細(xì)胞凋亡(特別是肺血管內(nèi)皮細(xì)胞的凋亡增加)是ALI發(fā)生、發(fā)展的重要因素。因此，mtDNA具有潛在的始動(dòng)或促進(jìn)ALI發(fā)生、發(fā)展的作用。深入研究mtDNA在ALI發(fā)病機(jī)制中的具體作用，不僅可以為尋找新的治療靶點(diǎn)奠定理論基礎(chǔ)，而且也有望在疾病的始動(dòng)環(huán)節(jié)上控制ALI的發(fā)生。

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