線粒體自噬在感音神經(jīng)性耳聾中的研究進(jìn)展

李采霓,徐曉翔,陳 雄,賀祖宏

(武漢大學(xué)中南醫(yī)院耳鼻咽喉頭頸外科,湖北 武漢 430071)

隨著人口老齡化以及致聾因素的廣泛暴露,聽力損失已成為全球人殘疾的最主要原因之一。聽力損失可分為傳導(dǎo)性聾(conductive hearing loss)、感音神經(jīng)性聾(Sensorineural hearing loss,SNHL)和混合性聾,以SNHL最為常見。SNHL是由耳蝸螺旋器(柯蒂氏器、Corti′s organ)、聽覺神經(jīng)傳導(dǎo)通路及各級聽覺中樞的病變導(dǎo)致的聽覺感受和傳導(dǎo)功能障礙。引起SNHL的主要因素包括發(fā)育、衰老、噪聲、耳毒性藥物以及一些慢性應(yīng)激過程等[1],其中毛細(xì)胞損傷是造成獲得性SNHL的最主要機(jī)制[1]。毛細(xì)胞因其不可再生的特性,損傷后往往會導(dǎo)致永久性的聽力損失。

研究表明,線粒體功能障礙、活性氧物質(zhì)(reactive oxygen species,ROS)和炎癥介質(zhì)與毛細(xì)胞損傷密切相關(guān),而線粒體在上述過程中均扮演著重要角色。線粒體自噬作為重要的線粒體功能調(diào)控機(jī)制[2],已被證實(shí)在神經(jīng)退行性疾病、代謝疾病、衰老等多項(xiàng)病理過程中表現(xiàn)異常[3],在SNHL小鼠模型中也觀察到下調(diào)的線粒體自噬。因此探索更多線粒體自噬與毛細(xì)胞損傷之間的聯(lián)系,對認(rèn)識SNHL病理機(jī)制具有重要意義。

1 感音神經(jīng)性聾及其主要機(jī)制

毛細(xì)胞的損傷和丟失是SNHL最常見的組織學(xué)異常。毛細(xì)胞作為人體內(nèi)唯一的聽覺感受器,是內(nèi)耳耳蝸基底膜上螺旋器的主要組成成分,主要由1排內(nèi)毛細(xì)胞和3～4排外毛細(xì)胞及其支持細(xì)胞共同組成,其中毛細(xì)胞直接與螺旋神經(jīng)節(jié)通過突觸連接,將聽覺信息傳至聽覺中樞[4]。當(dāng)聲音經(jīng)傳導(dǎo)鏈由外耳傳入內(nèi)耳引起基底膜的震動后,毛細(xì)胞上的纖毛與覆蓋其上的蓋膜發(fā)生相對運(yùn)動,導(dǎo)致毛細(xì)胞電位的變化,從而將聽覺由機(jī)械能傳導(dǎo)轉(zhuǎn)化為電能傳導(dǎo)[5]。之前關(guān)于毛細(xì)胞損傷的分子機(jī)制研究多集中于動物模型,已知相關(guān)機(jī)制如抗氧化系統(tǒng)的失衡導(dǎo)致活性氧或活性氮類物質(zhì)累積的細(xì)胞毒性、釋放促炎因子誘導(dǎo)炎癥反應(yīng)、多種方式啟動細(xì)胞凋亡/壞死途徑等[1, 4, 6]。

2 線粒體自噬的主要機(jī)制

2.1 細(xì)胞自噬細(xì)胞自噬即細(xì)胞的自我吞噬,是指胞質(zhì)內(nèi)大分子物質(zhì)或細(xì)胞器在膜包囊泡中被包裹降解的過程,是維持細(xì)胞穩(wěn)態(tài)的一種生理機(jī)制,通常將囊泡與其內(nèi)被包裹的內(nèi)容物稱為自噬體或自噬泡。隨后自噬體與溶酶體結(jié)合形成自噬溶酶體,完成降解,這一過程依賴于自噬相關(guān)蛋白的募集[7]。自噬在生物體內(nèi)表現(xiàn)出雙重作用,即在正常生理?xiàng)l件下自噬可以清除體內(nèi)受損傷的物質(zhì)或細(xì)胞器,維持細(xì)胞的穩(wěn)態(tài)平衡;在某些病理?xiàng)l件下或是衰老過程中,自噬也有可能直接導(dǎo)致健康細(xì)胞的非正常死亡。根據(jù)自噬對于底物的選擇性,自噬又可分為非選擇性自噬和選擇性自噬。前者將生物大分子或細(xì)胞器隨機(jī)的與溶酶體結(jié)合降解;而選擇性自噬一般具有專一的底物,主要是受損的細(xì)胞器,線粒體自噬即通過自噬機(jī)制選擇性降解胞內(nèi)受損的線粒體,以維持線粒體功能穩(wěn)態(tài)[8]。

2.2 線粒體結(jié)構(gòu)及功能線粒體是具有雙層膜結(jié)構(gòu)并在進(jìn)化上相對保守的一類細(xì)胞器。其存在于大多數(shù)真核細(xì)胞內(nèi),具有獨(dú)立于細(xì)胞核的一套遺傳體系,參與能量和物質(zhì)代謝、離子儲存、神經(jīng)調(diào)節(jié)等多種關(guān)鍵基礎(chǔ)生命活動,對于生命維持至關(guān)重要。線粒體的功能完整性受各種刺激的影響,如氧化應(yīng)激、疾病和衰老。損傷線粒體如果沒有得到及時清除,會進(jìn)一步對機(jī)體產(chǎn)生不良影響,其中最常見的后果便是產(chǎn)生過量活性氧類物質(zhì)并釋放到胞質(zhì)中,發(fā)揮細(xì)胞毒性,誘導(dǎo)凋亡和炎癥的發(fā)生。此外,線粒體膜通透性的改變可以向胞質(zhì)內(nèi)釋放細(xì)胞色素c,激活cleaved-CASP9(caspase9)及下游通路,誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡[9]。上述機(jī)制均已經(jīng)在SNHL小鼠模型中得到證實(shí),說明異常的線粒體功能與SNHL中的毛細(xì)胞損傷存在相關(guān)性[10]。

2.3 線粒體自噬及相關(guān)機(jī)制線粒體數(shù)量和功能穩(wěn)態(tài)的維持依賴于線粒體質(zhì)量控制機(jī)制,包括線粒體生物發(fā)生和線粒體自噬等多種線粒體調(diào)節(jié)機(jī)制,對于生理和病理活動都具有重要意義。生理狀態(tài)下線粒體自噬以清除損傷或衰老的線粒體為主,另外,在某些特殊細(xì)胞發(fā)育過程中(紅細(xì)胞分化等)線粒體自噬執(zhí)行對紅細(xì)胞內(nèi)部線粒體的清除,當(dāng)細(xì)胞周圍微環(huán)境改變或部分應(yīng)激條件存在時(比如缺氧)也可以誘導(dǎo)線粒體自噬的發(fā)生[9]。線粒體自噬主要由線粒體外膜蛋白介導(dǎo),包括酵母Atg32以及哺乳動物系統(tǒng)中的NIX/BNIP3L、BNIP3和FUNDC1等。酵母中線粒體外膜上的Atg32與Atg8、Atg11形成復(fù)合體,啟動線粒體自噬,而在哺乳動物體內(nèi)的PINK1/PRKN途徑以及由受體介導(dǎo)的NIX/BNIP3L(NIP3樣蛋白X)、BNIP3和FUNDC1線粒體自噬,則通過LC3互作區(qū)域(LIR)直接結(jié)合LC3來啟動自噬體的形成。研究報道,在紅細(xì)胞的成熟過程中依賴NIX介導(dǎo)的線粒體自噬完成自身線粒體的清除,哺乳動物體內(nèi)參與調(diào)控?fù)p傷線粒體自噬的經(jīng)典機(jī)制以線粒體蛋白激酶PINK1/PRKN為主[9～11]。在線粒體自噬發(fā)生前先出現(xiàn)動力相關(guān)蛋白1 (dynamin-related protein 1, DRP1) 介導(dǎo)的線粒體分裂[12],受損線粒體膜電位的變化引起線粒體外膜PINK積累和磷酸化,招募PRKN結(jié)合在受損線粒體外膜表面,引起線粒體膜蛋白的泛素化,進(jìn)而激活泛素-蛋白酶體系統(tǒng),促進(jìn)自噬體形成和線粒體自噬[9]。

目前線粒體自噬逐漸成為神經(jīng)退行性疾病領(lǐng)域的熱點(diǎn)問題,已有研究證明在阿爾茲海默癥受損神經(jīng)元中存在線粒體功能障礙,病原性的Aβ淀粉樣蛋白和Tau樣蛋白可以通過抑制線粒體自噬引起受損線粒體的積累[13]。雖然其具體影響機(jī)制尚不明確,但該結(jié)果表明線粒體自噬或許可以作為阿爾茲海默癥潛在的治療靶點(diǎn)。已有研究證實(shí)了在部分SNHL患者中也觀察到了線粒體自噬功能的失調(diào),且線粒體自噬激活劑干預(yù)后可以有效逆轉(zhuǎn)耳毒性藥物誘導(dǎo)的毛細(xì)胞損傷[10],提示線粒體自噬可能是未來干預(yù)治療因毛細(xì)胞損傷導(dǎo)致的感音神經(jīng)性聾的新靶點(diǎn)。

3 線粒體自噬在感音神經(jīng)性聾中的研究進(jìn)展

研究表明,SNHL相關(guān)因素(噪聲、耳毒性藥物、衰老等)均可以通過損傷線粒體誘導(dǎo)毛細(xì)胞死亡(損傷的線粒體積聚大量的活性氧組分和氧化應(yīng)激損傷等誘導(dǎo)凋亡或壞死發(fā)生),進(jìn)而造成聽力損失。線粒體自噬作為線粒體質(zhì)控機(jī)制中清除受損線粒體的主要方式,可能作為干預(yù)SNHL中毛細(xì)胞損傷的潛在途徑。

3.1 線粒體自噬與藥物相關(guān)性聽力損失目前臨床常見的耳毒性藥物包括氨基糖苷類抗生素、鉑類抗腫瘤藥、袢利尿劑等,其中以氨基糖苷類抗生素和鉑類藥物對聽覺損害最為嚴(yán)重(多為不可逆的傷害),造成雙側(cè)、永久性的感音神經(jīng)性聾,故研究主要集中在二者誘導(dǎo)的耳毒性相關(guān)機(jī)制上,大部分以動物實(shí)驗(yàn)為主,臨床試驗(yàn)相對受限[14]。鉑類作為最常用的細(xì)胞毒性抗癌藥物之一,以順鉑的使用率最高且耳毒性最強(qiáng),與氨基糖苷類抗生素類似,其耳毒性多被認(rèn)為與耳蝸毛細(xì)胞的損傷相關(guān),且損傷均以耳蝸基底部毛細(xì)胞為始,逐步進(jìn)展到頂端毛細(xì)胞,在臨床上表現(xiàn)為由高頻區(qū)向低頻區(qū)進(jìn)展的永久性的聽力損失[14, 15]。

氨基糖苷損害內(nèi)耳的確切機(jī)制尚未完全闡明,但多數(shù)證據(jù)證明耳蝸內(nèi)活性氧物質(zhì)的過度積累和細(xì)胞凋亡是氨基糖苷類藥物誘導(dǎo)聽力損失的關(guān)鍵因素之一[16]。氨基糖苷類藥物通過機(jī)械電轉(zhuǎn)導(dǎo)(MET)通道進(jìn)入內(nèi)耳毛細(xì)胞,與核糖體亞基結(jié)合,干擾翻譯過程阻止蛋白質(zhì)合成,因線粒體核酸表達(dá)體系更加薄弱,因此線粒體蛋白受到的影響更大,繼而損傷線粒體正常功能。此外,氨基糖苷類藥物還可影響內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和線粒體完整性[14, 16]。已有研究發(fā)現(xiàn),在新霉素——氨基糖苷類藥物誘導(dǎo)的毛細(xì)胞損傷模型中觀察到了PINK1/PRKN通路為主的線粒體自噬功能受損,此外還觀察到線粒體自噬激動劑可在一定程度上逆轉(zhuǎn)毛細(xì)胞損傷[7, 10]。但仍缺乏有效證據(jù)證明藥物對毛細(xì)胞造成的損傷是由線粒體自噬失調(diào)直接導(dǎo)致。

現(xiàn)有的動物實(shí)驗(yàn)中關(guān)于順鉑耳毒性的機(jī)制研究表明,順鉑對于毛細(xì)胞的損傷主要通過轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(CTR1、OCT2)介導(dǎo)入胞后結(jié)合并損傷細(xì)胞DNA、激活NADPH(nicotinamide adenine dinucleotide phosphate)氧化酶亞基的合成并催化ROS產(chǎn)生、釋放促炎因子,激活炎癥級聯(lián)反應(yīng)[15, 17]。線粒體作為細(xì)胞氧化代謝中心,ROS是其代謝氧的主要副產(chǎn)物。另外,相較于有組蛋白結(jié)合的細(xì)胞核DNA,裸露的線粒體DNA更容易與順鉑結(jié)合并受到損傷且缺乏完善的核酸修復(fù)機(jī)制,線粒體功能異常也會加劇ROS的產(chǎn)生,同時損傷線粒體的積累會進(jìn)一步加重細(xì)胞損傷[18, 19]。因此,及時有效的清除損傷線粒體顯得尤為重要。此外,還有研究發(fā)現(xiàn)存在線粒體基因12SrRNA、A1555G與C1494T突變的個體對氨基糖苷類藥物的耐受性更低,更容易出現(xiàn)藥物相關(guān)性耳聾。A1555G還可能導(dǎo)致蛋白質(zhì)合成過程中mRNA的翻譯錯誤,直接導(dǎo)致毛細(xì)胞的死亡[20]。

3.2 線粒體自噬與年齡相關(guān)性聽力損失年齡相關(guān)聽力損失(aging-related hearing loss,AHL)指由于年齡增長引起的細(xì)胞老化或退行性變,多表現(xiàn)為聽力下降及認(rèn)知能力的下降。衰老是影響成人聽力的最主要原因之一,除此之外,隨著年齡增長其他危險因素的作用累加,也是造成老年人群聽力損失的原因之一[21]。

部分學(xué)者認(rèn)為在SNHL領(lǐng)域線粒體功能障礙和活性氧物質(zhì)的累積加劇了患者聽力損失的程度。已有研究表明,線粒體功能障礙是細(xì)胞衰老的特征之一[22],同時在衰老耳蝸細(xì)胞和老年小鼠內(nèi)觀察到了線粒體自噬發(fā)生蛋白DRP-1表達(dá)水平和線粒體吞噬水平的下降,提示線粒體自噬在毛細(xì)胞老化過程扮演著重要角色[12]。衰老小鼠模型中觀察到線粒體自噬相關(guān)基因(PINK1、Parkin、BNIP3等)在聽覺皮層中的表達(dá)下降,線粒體自噬功能下調(diào),ABR檢測結(jié)果顯示聽力閾值顯著升高,這也說明線粒體自噬可能與老年性耳聾的發(fā)生有關(guān)[23]。另外,部分研究發(fā)現(xiàn)在AHL小鼠模型中miRNA(長度約為22nt的非編碼RNA)也發(fā)揮了調(diào)控作用,miR-34a/SIRT1信號可能與AHL及線粒體自噬相關(guān),但具體機(jī)制尚未完全闡明[24]。

另一方面,與細(xì)胞核DNA完善的修復(fù)機(jī)制相比,衰老細(xì)胞中的線粒體DNA更容易積累基因突變,造成線粒體功能結(jié)構(gòu)的損傷,影響線粒體自噬,導(dǎo)致細(xì)胞能量代謝、氧化應(yīng)激等多方面受到影響。在AHL的相關(guān)研究中,存在線粒體突變的小鼠更容易出現(xiàn)毛細(xì)胞、血管紋和螺旋神經(jīng)節(jié)的損傷,表現(xiàn)出更早的聽力損失[24]。目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)100多個聽力損失相關(guān)的基因突變,以及部分與其它易感因素相關(guān)的基因突變,均可能使SNHL的患病概率大大增加。以甲狀腺激素受體α1(thyroid hormone receptor α,TRα1)為例,TRα1可能參與到耳蝸毛細(xì)胞的發(fā)育和成熟,TRα1突變型小鼠表現(xiàn)出毛細(xì)胞和骨骼發(fā)育異常以及在青年期即表現(xiàn)出聽力異常,老年性聾也會更早出現(xiàn)[25]。

3.3 線粒體自噬與噪聲相關(guān)性聽力損失長期暴露于噪聲環(huán)境中會對聽力系統(tǒng)造成永久性的損傷,尤其是耳蝸毛細(xì)胞。噪聲相關(guān)的聽力損失程度與噪聲音量大小及暴露時間相關(guān),根據(jù)損傷程度不同可分為暫時性聽閾偏移和永久性聽閾偏移。長時間持續(xù)的噪音損傷將會引起永久性的聽力損失[26]。

大量的數(shù)據(jù)表明噪聲暴露引起的毛細(xì)胞損傷主要是通過氧化損傷介導(dǎo)的,并且使用抗氧化劑可干預(yù)NIHL引起的毛細(xì)胞損傷。噪聲暴露不但可以直接引起毛細(xì)胞形態(tài)結(jié)構(gòu)的機(jī)械性破壞或聽覺皮層完整性的破壞,同時也可以通過生理化學(xué)途徑損傷毛細(xì)胞,其中一個關(guān)鍵途徑即通過鈣超載和ROS累積誘導(dǎo)毛細(xì)胞氧化損傷,此外還有研究發(fā)現(xiàn)噪聲會直接破壞線粒體的功能及線粒體DNA的穩(wěn)定性。在噪聲暴露后早期,pejvakin介導(dǎo)的過氧化物酶體自噬受到激活[27]。因此,研究線粒體自噬可能對于調(diào)控線粒體穩(wěn)態(tài)、減少噪聲損害具有重要意義,然而目前并沒有研究直接探討NIHL與線粒體自噬之間的關(guān)系。近年來有研究發(fā)現(xiàn)在NIHL模型中觀察到了線粒體自噬的上調(diào),當(dāng)使用抗氧化劑減少細(xì)胞氧化損傷的同時也一定程度激活了線粒體自噬[28]。

4 結(jié)語與展望

目前隨著研究的深入,人們逐漸認(rèn)識到自噬在SNHL中的作用,已有證據(jù)表明自噬機(jī)制在SNHL的病理過程中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。線粒體自噬作為選擇性清除線粒體的主要途徑,對于維持線粒體功能穩(wěn)態(tài)具有重要意義。在藥物相關(guān)性、衰老相關(guān)性和某些遺傳性相關(guān)的SNHL中,已有證據(jù)表明線粒體自噬也參與其中,但其究竟扮演什么樣的角色仍不清楚。線粒體自身功能的復(fù)雜性以及耳蝸特有的血迷路屏障結(jié)構(gòu),都是線粒體相關(guān)研究在內(nèi)耳領(lǐng)域需面對的挑戰(zhàn)。以線粒體自噬作為切入點(diǎn),或許可為聽覺系統(tǒng)的損傷保護(hù)提供潛在的干預(yù)方案。