線粒體自噬及其在肺臟疾病中的作用研究進(jìn)展

宋文沁,黃亞醫(yī),夏中元

武漢大學(xué)人民醫(yī)院麻醉科(武漢430060)

主題詞 肺疾病 線粒體 @自噬

肺臟是氣體交換的唯一場所，又是接受全部心輸出量的唯一器官，是呼吸系統(tǒng)或循環(huán)系統(tǒng)有害物質(zhì)作用的首要靶器官。線粒體是一個敏感又復(fù)雜的細(xì)胞器，它是合成ATP的主要場所，主要為細(xì)胞提供能量，除此之外，線粒體參與調(diào)控細(xì)胞的凋亡和自噬等。線粒體受損后細(xì)胞膜通透性變化，釋放活性氧或者細(xì)胞凋亡因子，促使細(xì)胞損傷。因此，適時(shí)清除受損的線粒體，對細(xì)胞正常生長和代謝至關(guān)重要。線粒體自噬屬于自噬的一部分，是一種選擇性清除受損的線粒體的過程，對維持細(xì)胞正常的功能和形態(tài)有著重要的作用，是目前選擇性細(xì)胞器自噬的研究熱點(diǎn)。本文就線粒體自噬分子機(jī)制的研究進(jìn)展及其在肺臟疾病中的作用做一綜述。

1 自噬及線粒體自噬概述

自噬是將細(xì)胞內(nèi)需要降解的細(xì)胞器、蛋白質(zhì)等成分通過溶酶體進(jìn)行降解，其降解的氨基酸及脂肪酸可以再循環(huán)利用產(chǎn)生ATP的過程，它被認(rèn)為是真核生物進(jìn)化高度保守的細(xì)胞自穩(wěn)程序，一方面雙膜結(jié)構(gòu)的自噬囊泡能包繞隔絕失功能的細(xì)胞器、結(jié)構(gòu)破壞的蛋白質(zhì)和侵入的病原體等；另一方面自噬體與溶酶體結(jié)合后消化囊內(nèi)物為細(xì)胞代謝提供底物，生理狀態(tài)下細(xì)胞內(nèi)一定水平的自噬對維持內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)定起重要作用，而過度誘導(dǎo)的自噬能誘發(fā)細(xì)胞程序性死亡。自噬分為三種：大自噬、小自噬及分子伴侶介導(dǎo)的自噬，大自噬：由內(nèi)質(zhì)網(wǎng)來源的膜包繞待降解物形成自噬體，然后與溶酶體融合并降解其內(nèi)容物；小自噬：溶酶體的膜直接包裹長壽命蛋白等，并在溶酶體內(nèi)降解；分子伴侶介導(dǎo)的自噬：胞質(zhì)內(nèi)蛋白結(jié)合到分子伴侶后被轉(zhuǎn)運(yùn)到溶酶體腔中，然后被溶酶體酶消化。

盡管自噬被認(rèn)為是一種非選擇性的過程，但是目前也有越來越多的證據(jù)證明選擇性自噬是存在的，受損的細(xì)胞器(線粒體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、核糖體及過氧化物酶體)選擇性的降解，此種選擇性的自噬被稱為特異性細(xì)胞器自噬,其中線粒體自噬最初在酵母中發(fā)現(xiàn)，之后其相關(guān)研究成為熱點(diǎn)。而線粒體的自噬過程是：受損的線粒體膜通透性發(fā)生變化，進(jìn)而使線粒體去極化并激活線粒體白噬相關(guān)蛋白，之后自噬小體包裹受損線粒體形成線粒體自噬體，線粒體自噬體與溶酶體融合，線粒體被線粒體自噬溶酶體內(nèi)大量的溶解酶降解。

2 線粒體自噬的分子機(jī)制

2.1 PINK1和Parkin途徑及其蛋白 PINK1是一種絲氨酸/蘇氨酸激酶，它的N-端有線粒體靶向信號，它通過外膜轉(zhuǎn)運(yùn)酶和內(nèi)膜轉(zhuǎn)運(yùn)酶進(jìn)入線粒體并固定在線粒體內(nèi)膜。在完整的線粒體中，基質(zhì)加工肽酶和早老素相關(guān)菱形樣物質(zhì)持續(xù)降解PINK1，但在受損的線粒體內(nèi)，PINK1禁止向線粒體內(nèi)膜轉(zhuǎn)運(yùn)從而聚集在線粒體外膜，并與線粒體外膜轉(zhuǎn)運(yùn)酶形成一個700kDa的復(fù)合物[1]。Parkin是E3泛素連接酶，其主要結(jié)構(gòu)包括1個N端泛素樣結(jié)構(gòu)域，緊鄰富含4個半胱氨酸以及鋅指結(jié)構(gòu)域，它被激活的PINK1招募至受損的線粒體上，進(jìn)而使線粒體泛素化、線粒體外膜Miro蛋白降解、線粒體起源促進(jìn)線粒體降解[1]。

目前發(fā)現(xiàn)調(diào)節(jié)PINK1-Parkin介導(dǎo)的線粒體自噬的分子及機(jī)制有：位于線粒體外膜的去泛素化酶USP30通過移除泛素化的Parkin的負(fù)性調(diào)節(jié)PINK1-Parkin介導(dǎo)的線粒體自噬[2]；膜相關(guān)性蛋白Clec16a通過Nrdp1和E3泛素酶促進(jìn)Parkin降解[2]；P53通過隔絕細(xì)胞液內(nèi)Parkin抑制線粒體自噬[3]；Bcl-2家族蛋白包括Bcl-xL、MCL-1和Bcl-2通過抑制Parkin的易位從而抑制線粒體自噬[4]。

2.2 線粒體的融合和分裂蛋白 線粒體不斷的在融合和分裂形態(tài)中變換，這個過程是通過線粒體融合、分裂蛋白精確調(diào)控。線粒體的融合是通過位于線粒體外膜的融合蛋白1/2(Mfn1和Mfn2)以及位于線粒體內(nèi)膜的Opal調(diào)節(jié)的，線粒體的分裂是通過Drp1、Fis1和Miff[5]調(diào)節(jié)。Drp1是線粒體分裂必需的蛋白，其過度表達(dá)可促進(jìn)線粒體的分裂，線粒體過度分裂促進(jìn)及細(xì)胞色素的釋放，Caspase酶激活，細(xì)胞凋亡。Drp1的下調(diào)及敲除Fisl可抑制線粒體自噬而導(dǎo)致功能紊亂的線粒體聚集[5]。Opa1或Mfn1/2缺乏的細(xì)胞可導(dǎo)致線粒體碎片聚集及線粒體自噬[5]。說明線粒體的融合和分裂和線粒體自噬有著密切的關(guān)系。

2.3 Nix/Bnip3L 和Bnip3 Nix/Bnip3L和Bnip3是線粒體外膜的蛋白，他們是BH3蛋白及促凋亡的Bcl-2蛋白家族。Nix/Bnip3L的缺失可以保護(hù)線粒體膜蛋白的丟失，避免線粒體自噬,Nix/Bnip3L調(diào)節(jié)Parkin的易位[6]，Bnip3通過抑制Opal蛋白、mPTP開放或Bax/Bak誘導(dǎo)線粒體自噬，也可通過自身磷酸化促進(jìn)Bnip3和LC3B(自噬相關(guān)蛋白)的相互作用而誘導(dǎo)線粒體自噬[7]。

2.4 FUNDC1 FUNDC1是線粒體外膜的一種蛋白，在低氧的情況下通過LC3相互作用區(qū)域與LC3相互作用，誘導(dǎo)線粒體自噬[8]。FUNDC1同時(shí)也是ULK1(自噬激活激酶)的受體，ULK1可導(dǎo)致線粒體極化，使FUNDC1的17酪氨酸磷酸化，從而促進(jìn)線粒體自噬[9]。低氧下線粒體上的PGAM5的磷酸化可直接去磷酸化FUNDC1，去磷酸化的FUNDC1與LC3的相互作用，促進(jìn)線粒體自噬，但是CK2使FUNCD1磷酸化而抑制線粒體自噬[8]。

2.5 Cardiolipin Cardiolipin雖然是線粒體內(nèi)膜的磷脂，但有研究發(fā)現(xiàn)在最初的皮質(zhì)神經(jīng)元細(xì)胞內(nèi)，Cardiolipin如果移到線粒體外膜是因?yàn)榫€粒體損傷并且與LC3相互作用,Cardiopin合成減少可以減少線粒體向自噬小體的轉(zhuǎn)移，LC3中與Cardiopin結(jié)合位點(diǎn)的變異可抑制線粒體自噬[10]。

2.6 GCN5L1 乙酰輔酶A是代謝途徑中間產(chǎn)物，它負(fù)性調(diào)節(jié)自噬。饑餓下，乙酰輔酶A被認(rèn)為被消耗。GCN5L1的下調(diào)可以減少線粒體蛋白的乙?；碳ぞ€粒體自噬[11]。這種線粒體自噬是依賴Atg5及P62,而非依賴Parkin,因此GCN5L1調(diào)節(jié)的自噬是否具有線粒體選擇性還未知。

3 線粒體自噬在肺臟疾病中的作用

3.1 慢性阻塞性肺疾病 慢性阻塞性肺疾病是一種具有氣流阻塞特征的慢性支氣管炎和(或)肺氣腫，可進(jìn)一步發(fā)展為肺心病和呼吸衰竭的常見慢性疾病，與有害氣體及有害顆粒的異常炎癥反應(yīng)有關(guān)，致殘率和病死率很高。線粒體自噬作為最近的研究熱點(diǎn)，其在COPD中的研究也得到了關(guān)注。有害氣體可導(dǎo)致肺上皮細(xì)胞線粒體功能障礙，表現(xiàn)為電鏡下線粒體脊嚴(yán)重破裂，線粒體活性氧增加，ATP產(chǎn)生較少，線粒體氧耗下降；肺上皮細(xì)胞內(nèi)的PINK1表達(dá)增加；促使線粒體內(nèi)長Opa1分解變短促使線粒體裂解；肺上皮細(xì)胞內(nèi)Drp1的616色氨酸磷酸化使線粒體聚集并使線粒體碎片增加；誘導(dǎo)肺上皮細(xì)胞PINK1依賴的線粒體自噬；依賴于PINK1的線粒體自噬影響線粒體膜電勢及細(xì)胞死亡，從而調(diào)節(jié)的細(xì)胞死亡[12]。有趣的是CSE刺激可以導(dǎo)致PINK1的表達(dá)明顯增加，但是Parkin的表達(dá)未見明顯增加，PINK1基因敲除的小鼠在香煙煙霧暴露下氣道損傷輕，并且在肺氣腫模型中發(fā)現(xiàn)PINK1基因缺陷可以減少香煙煙霧刺激導(dǎo)致的氣道擴(kuò)張，但是Parkin基因敲除的小鼠和野生型小鼠一樣香煙煙霧刺激導(dǎo)致了氣道擴(kuò)張[12]。但有研究有相反的發(fā)現(xiàn)：敲除PINK1基因可增加香煙刺激物導(dǎo)致的線粒體活性氧產(chǎn)生及支氣管上皮細(xì)胞衰老，可減少線粒體內(nèi)Parkin的水平，認(rèn)為煙霧刺激誘導(dǎo)的支氣管上皮細(xì)胞的衰老是通過PINK1-Parkin通路調(diào)節(jié)線粒體自噬及線粒體活性氧的產(chǎn)[13]。這些研究說明Pink1-Parkin介導(dǎo)的線粒體自噬參與了香煙刺激物導(dǎo)致的阻塞性肺通氣功能障礙，但是具體的機(jī)制還有待于進(jìn)一步研究。

3.2 肺纖維化 特發(fā)性肺纖維化(Idiopathic pulmonary fibrosis，IPF)是一種不明原因的彌漫性肺間質(zhì)纖維化疾病，主要表現(xiàn)為干咳、進(jìn)行性呼吸困難，并且逐漸惡化，有著很差的預(yù)后。年齡是肺纖維化的高危因素，肺纖維化病人的肺泡II型細(xì)胞(AECII)表現(xiàn)為線粒體功能障礙，電子顯微鏡發(fā)現(xiàn)線粒體腫脹變形，伴隨著有絲分裂增加。微陣列分析顯示肺纖維化病人ACEII細(xì)胞的PINK1表達(dá)下降，PINK1的低表達(dá)可以導(dǎo)致ACEII細(xì)胞內(nèi)線粒體去極化及促纖維化因子表達(dá)。PINK1基因的敲除使大鼠肺細(xì)胞線粒體腫大，數(shù)量減少，但是線粒體DNA數(shù)量不變，給予肺纖維化誘導(dǎo)劑后PINK1基因敲除的小鼠更容易發(fā)生肺纖維化[ 14]。在肺上皮細(xì)胞內(nèi)轉(zhuǎn)化生長因子TGF-β1可刺激ROS的產(chǎn)生，導(dǎo)致線粒體去極化、線粒體活性氧產(chǎn)生及PINK1表達(dá)，線粒體活性氧的產(chǎn)生可改變膜電位導(dǎo)致線粒體自噬[14]。人類表面蛋白C基因(SFTPC)73密碼子上蘇氨酸突變成異亮氨酸與肺間質(zhì)疾病有關(guān)，通過透視電鏡發(fā)現(xiàn)此種變異的細(xì)胞內(nèi)有大量的含有細(xì)胞器及蛋白碎片的異常吞噬液泡，線粒體自噬相關(guān)蛋白Parkin表達(dá)增加[15]。

3.3 肺動脈高壓 肺動脈高壓是無法治愈的肺血管病變，可導(dǎo)致右心衰及死亡。Ucp2廣泛表達(dá)于中樞神經(jīng)系統(tǒng)、胰腺、肝臟和肺臟，調(diào)節(jié)脂肪酸的代謝、線粒體內(nèi)鈣離子的攝取、線粒體內(nèi)氧自由基的產(chǎn)生、線粒體自噬及細(xì)胞凋亡。有研究發(fā)現(xiàn)Ucp2基因敲除的小鼠在間斷低氧時(shí)增加了右心室收縮壓，肺內(nèi)皮細(xì)胞的凋亡增加，肺內(nèi)線粒體自噬標(biāo)記物Parkin和PINK1增加，線粒體自噬及自噬流增加[16]。發(fā)現(xiàn)Ucp2可通過鈣離子調(diào)節(jié)肺內(nèi)皮細(xì)胞的線粒體及細(xì)胞凋亡，Ucp2沉默可增加肺內(nèi)皮細(xì)胞內(nèi)Atg5而增強(qiáng)自噬及凋亡；Ucp2基因敲除的小鼠的內(nèi)皮細(xì)胞的PINK1的沉默進(jìn)而抑制肺內(nèi)皮細(xì)胞的高自噬活動從而預(yù)防間斷低氧導(dǎo)致的肺動脈高壓。

3.4 肺 癌 肺癌是一種發(fā)病病率死率都較高的惡性腫瘤，嚴(yán)重危及著人類的健康及生命。但是其復(fù)雜的發(fā)病機(jī)制尚未完全明了、治療效果也不理想，因此有許多研究希望從線粒體自噬尋找肺癌相關(guān)研究的突破點(diǎn)。A549肺癌細(xì)胞是肺癌研究中常用的細(xì)胞，此類細(xì)胞發(fā)現(xiàn)中線粒體明顯變長，線粒體質(zhì)量增加，線粒體功能異常并促進(jìn)PINK1在線粒體外膜的代謝，進(jìn)而促進(jìn)泛素連接酶E3 Parkin招募到線粒體上，激活線粒體自噬并移除受損的線粒體[16]。新城疫病毒(Newcastle disease virus，NDV)是一種具有溶瘤作用的無意義的副黏病毒，NDV導(dǎo)致細(xì)胞死亡的主要機(jī)制是凋亡，包括外在的或者內(nèi)在的凋亡途徑，以內(nèi)在凋亡途徑為主[17]，NDV的感染可以導(dǎo)致肺癌A549細(xì)胞自噬溶酶體的聚集并保存自噬潮，可以導(dǎo)致線粒體膜電位的改變，使得線粒體的呼吸鏈發(fā)生故障并釋放細(xì)胞色素C進(jìn)而使細(xì)胞死亡[17]。

3.5 急性肺損傷 急性肺損傷是各種直接和間接致傷因素導(dǎo)致的肺泡上皮細(xì)胞及毛細(xì)血管內(nèi)皮細(xì)胞損傷，造成彌漫性肺間質(zhì)及肺泡水腫，導(dǎo)致的急性低氧性呼吸功能不全[18]。線粒體功能異常可以產(chǎn)生大量的應(yīng)激因子、凋亡調(diào)節(jié)因子、細(xì)胞因子及激發(fā)免疫反應(yīng)，這在肺損傷的發(fā)生發(fā)展中有著重要的作用。高氧是導(dǎo)致急性肺損傷的一個因素，研究發(fā)現(xiàn)NLRP3-/- 的大鼠肺上皮細(xì)胞PINK1表達(dá)增加，PINK1和激活的蛋白酶可協(xié)同抵抗高氧損傷，具有肺保護(hù)作用，高氧則通過NLRP3-PINK1通路導(dǎo)致細(xì)胞和組織死亡，PINK1的靜默表達(dá)可以加劇高氧誘導(dǎo)的線粒體氧自由基的產(chǎn)生并抑制自噬，從而導(dǎo)致凋亡，而PINK1的缺失則激活Caspase-3介導(dǎo)的細(xì)胞死亡。

綜上所述，現(xiàn)有研究表明線粒體自噬及其調(diào)控分子機(jī)制參與了多種肺臟疾病的發(fā)生、發(fā)展，其相關(guān)研究已成為研究者的關(guān)注焦點(diǎn)。但是目前線粒體自噬在肺臟疾病中存在的多種調(diào)控機(jī)制及信號通路尚不清楚，其相關(guān)基因的功能也尚不清楚。相信隨著線粒體自噬在肺臟領(lǐng)域研究的不斷深入，將為認(rèn)識肺臟疾病發(fā)病機(jī)制提供新的理論，并為其防治提供新的靶點(diǎn)。