缺氧情況下的線粒體自噬調(diào)節(jié)機(jī)制研究進(jìn)展

林廣宏

（廣東醫(yī)科大學(xué) 廣東 湛江524023）

1.引言

自噬這一概念時(shí)至今日，發(fā)展為指真核細(xì)胞的蛋白質(zhì)、受損的線粒體、過(guò)氧化物酶體、核糖體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、核內(nèi)體、脂滴和病原體等[1]被溶酶體進(jìn)行降解并再次利用的過(guò)程，有機(jī)體通過(guò)自噬來(lái)達(dá)到抵御不良環(huán)境及清除有害因子的目的。目前的研究表明在酵母及哺乳動(dòng)物中的過(guò)程及調(diào)節(jié)機(jī)制高度類似。

目前根據(jù)將胞漿底物運(yùn)輸至溶酶體的機(jī)制不同,可將自噬分為3類：分子伴侶介導(dǎo)自噬、微自噬、巨自噬。其中巨自噬是自噬過(guò)程中最常見的一種，通常稱呼的自噬即為巨自噬，其中包括重要的線粒體自噬。本文嘗試描述細(xì)胞在缺氧環(huán)境下所發(fā)生的線粒體自噬的相關(guān)調(diào)節(jié)機(jī)制。

1.1 ROS-HIF相關(guān)缺氧調(diào)節(jié)途徑

細(xì)胞因供氧不足導(dǎo)致線粒體電子傳遞受損，電子從氧化呼吸鏈中的NADH脫氫酶、琥珀酸脫氫酶中脫離，脫離的電子與氧氣分子結(jié)合，生成了大量活性氧（ROS）。ROS的大量生成能使HIF-1穩(wěn)定，并促使其與HRE結(jié)合，并隨后激活下游靶基因的轉(zhuǎn)錄[2]，過(guò)量的ROS生成會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞膜的脂質(zhì)過(guò)氧化損傷及DNA斷裂[3]。

缺氧介導(dǎo)因子家族（HIFs）是機(jī)體維持氧穩(wěn)態(tài)信號(hào)系統(tǒng)中關(guān)鍵的二聚體轉(zhuǎn)錄因子，均由α、β亞基構(gòu)成，α亞基主要包括HIF-1α、HIF-2α、HIF3α這3個(gè)氧依賴亞基，β亞基即HIF-1β亞基，α亞基與β亞基結(jié)合成二聚體結(jié)構(gòu)時(shí)即HIF-1、HIF-2和HIF3[4]。HIF-1α亞基受缺氧調(diào)控并調(diào)節(jié)HIF-1的活性。HIF-1β亞基又稱ARNT,只有當(dāng)HIF-1α亞基/HIF-α亞基與HIF-1β亞基形成異二聚體后才能發(fā)揮轉(zhuǎn)錄因子作用[5]。

常氧狀態(tài)下（O221%），HIF-α亞基在翻譯后其脯氨酸殘基會(huì)透過(guò)HIF脯氨酰羥化酶(PHD)羥基化，使其能被VHLE3泛素連接酶辨識(shí)并泛素化，其后迅速被泛素-蛋白酶體復(fù)合體降解[6]，在缺氧狀態(tài)下，2價(jià)鐵離子、2-酮戊二酸、抗壞血酸減少，PHD功能被抑制，VHL與HIFα的氧依賴降解結(jié)構(gòu)域ODDD結(jié)合過(guò)程被阻斷，HIF-α泛素化及降解停止，HIF-α亞基得以與HIF-β亞基聚合成有活性的HIF二聚體。與PHD類似的HIF相關(guān)調(diào)節(jié)因子為FIH-1，即天冬酰胺羥化酶，類似地它也是一種羥化酶，可結(jié)合HIF-α并通過(guò)羥基化HIF-α的反式激活區(qū)（TAD）抑制其反式激活功能，從而抑制CBP/P300和其他共同激活因子在反式激活區(qū)的募集[7]，也可與VHL結(jié)合繼而抑制Notch信號(hào)通路，并通過(guò)該通路調(diào)節(jié)缺氧反應(yīng)。HIF-1α同時(shí)對(duì)缺氧狀態(tài)下的中對(duì)血紅素加氧酶1（HO-1/HMOX1）及血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子VEGF有重要的調(diào)節(jié)誘導(dǎo)功能，在對(duì)人結(jié)直腸腺癌細(xì)胞HCT-15的實(shí)驗(yàn)中能提高其抗缺氧能力及生長(zhǎng)速度[8]。

HIF通過(guò)上述pVHL/PHD/FIH/HIF軸于不同氧含量下改變構(gòu)象，低氧環(huán)境下HIF-α轉(zhuǎn)位至細(xì)胞核內(nèi)，與共同激活因子CBP/P300、HIF-β形成復(fù)合體，促進(jìn)目的基因的轉(zhuǎn)錄以達(dá)到調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄的作用。綜上，HIF家族是一類對(duì)細(xì)胞缺氧適應(yīng)有重要作用的轉(zhuǎn)錄因子，其具體調(diào)節(jié)范圍包括細(xì)胞的糖代謝、血管生成、程序性死亡[9]，其中BNIP3/BNIP3L是其重要的下游調(diào)節(jié)靶點(diǎn)。

1.2 BNIP3/BNIP3L-AKT/PI3K相關(guān)調(diào)節(jié)

BNIP3是屬于一種線粒體外膜蛋白。BNIP3/BNIP3L與Beclin-1、Bcl-XL同屬Bcl-2家族中BH3-only亞家族的成員，均具有BH3結(jié)構(gòu)域[10]。低氧狀態(tài)下ROS-HIF調(diào)節(jié)通路激活，BNIP3、BNIP3L、Beclin1與Atg5的表達(dá)增加，此時(shí)BNIP3/BNIP3L與Bcl-XL/Bcl-2的BH3結(jié)構(gòu)域競(jìng)爭(zhēng)性結(jié)合，Beclin-1從線粒體上的Bcl-2/Beclin-1復(fù)合體或Bcl-xl/beclin-1復(fù)合體上釋放出來(lái)[11]，游離狀態(tài)的Beclin-1與VPS34等蛋白形成PI3K復(fù)合體，最后通過(guò)PI3K/Akt通路激活線粒體自噬[12]，從而達(dá)到保護(hù)細(xì)胞的目的。

BNIP3L（又稱NIX）與BNIP3是類似的線粒體受體蛋白,具有幾乎相同的LC3結(jié)合區(qū)，他們?cè)诓溉轭悇?dòng)物線粒體功能異常時(shí)與LC3、GABARAP-L1等相關(guān)調(diào)節(jié)因子聚集到異常線粒體上使其與自噬體結(jié)合，通過(guò)自噬清除異常線粒體[13]。

另外，在毒素?fù)p害/缺氧狀態(tài)下的心肌細(xì)胞中能觀察到BNIP3能破壞線粒體的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，促進(jìn)線粒體分裂，進(jìn)而線粒體自噬增加，而共表達(dá)BNIP3與MFN1能顯著減少此類自噬的發(fā)生，證明BNIP3可單獨(dú)通過(guò)促進(jìn)線粒體分裂而誘導(dǎo)線粒體自噬增加[14]。在另一實(shí)驗(yàn)中，經(jīng)阿霉素、缺氧條件處理過(guò)的心肌細(xì)胞中，線粒體碎片數(shù)與細(xì)胞死亡數(shù)顯著上升；而BNIP3敲除組、鞣花酸處理組的線粒體碎片數(shù)、細(xì)胞死亡數(shù)則較對(duì)照組低[15]，表明BNIP3的調(diào)控與線粒體分裂、自噬的調(diào)控有密切關(guān)系，為細(xì)胞保護(hù)的研究提供了新的方向。

2.FUNDC1相關(guān)的線粒體自噬調(diào)節(jié)機(jī)制

FUNDC1是一種跨膜蛋白，位于線粒體外膜上，具有3個(gè)α螺旋，其中膜外的N端氨基序列中包含一段保守LIR，由此區(qū)域可以與LC3相互作用以介導(dǎo)低氧誘導(dǎo)的線粒體自噬[16]。正常情況下FUNDC1通過(guò)與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜鈣調(diào)蛋白的鏈接，在MAM處聚集；缺氧時(shí)FUNDC1/鈣調(diào)蛋白的鏈接變?nèi)?，繼而DRP1因與FUNDC1結(jié)合后被募集到MAM，線粒體開始分裂、自噬。對(duì)應(yīng)地，在低氧條件下敲除DRP1，F(xiàn)UNDC1或鈣調(diào)蛋白三者之一均能觀察到線粒體分裂及線粒體自噬的發(fā)生率下降，證實(shí)了此學(xué)說(shuō)。[17]

3.結(jié)語(yǔ)

線粒體自噬作為缺氧情況下細(xì)胞自我保護(hù)、自我修復(fù)的一個(gè)重要程序，已被證實(shí)和神經(jīng)及心肌細(xì)胞缺血缺氧損傷、神經(jīng)細(xì)胞退行性變、腫瘤細(xì)胞的自我保護(hù)有關(guān)。通過(guò)深入研究其調(diào)節(jié)機(jī)制，可以得出對(duì)相關(guān)疾病的新靶點(diǎn)，繼而探索出相應(yīng)的療法。

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