腎缺血再灌注損傷與線粒體自噬SIRT1-FOXO3-PINK1-Parkin 調(diào)節(jié)軸的研究進展

王鎖剛 王光策

河南中醫(yī)藥大學(xué)第一附屬醫(yī)院泌尿外科，河南鄭州 450003

缺血再灌注損傷（IRI）是器官或組織缺血、缺氧損傷后重獲血流灌注或氧供應(yīng)，對器官或組織產(chǎn)生二次損傷的后果。IRI 廣泛存在于多種臨床疾病及治療過程中，包括心肌梗死、腦卒中、間室綜合征、血管重建、主動脈成形術(shù)、創(chuàng)傷后復(fù)蘇、急性缺血性腎衰竭、再植術(shù)、腎腫瘤部分切除術(shù)和實體器官移植等［1］。腎臟是最易發(fā)生IRI 的重要臟器之一。腎IRI 不僅會造成急性腎損傷、全身炎癥反應(yīng)綜合征和多器官功能綜合征，在腎移植中還可引起急性排斥反應(yīng)、移植腎功能延遲恢復(fù)和慢性移植腎腎病等，嚴(yán)重阻礙了腎移植受者和移植腎的長期存活［2］。近年來，隨著我國公民逝世后器官捐獻事業(yè)的全面開展，當(dāng)前我國腎移植例數(shù)已經(jīng)躍居世界第二，而邊緣性供腎越來越多應(yīng)用于臨床，腎IRI 作為影響腎移植受者近期及遠期預(yù)后的重要因素而備受關(guān)注。因此，深入認(rèn)識腎IRI 的發(fā)生、發(fā)展機制，探索有效的防治策略有著非常重要的現(xiàn)實意義。

1 腎IRI 的分子和細胞機制

腎IRI 的相關(guān)分子和細胞機制仍是腎移植界的研究熱點，國內(nèi)外眾多專家學(xué)者做了一些基礎(chǔ)研究，并取得了重要進展。腎IRI 是以腎實質(zhì)細胞為主的缺血、缺氧損傷及多種細胞和細胞因子參與的、連鎖反應(yīng)性的病理生理過程，眾多因素參與其中［3-4］。腎IRI分為腎缺血和再灌注兩個階段。其中，缺血是隨著血流量下降而導(dǎo)致腎組織處于缺血缺氧狀態(tài)；再灌注則是缺血的腎組織恢復(fù)血流的過程，往往會加重缺血性腎損傷。在體情況下，缺血的機制主要是由于機械性或其他原因?qū)е履I血管腔變窄或血流中斷；再灌注損傷的機制涉及多個方面，主要包括氧自由基損傷、炎性因子及遞質(zhì)釋放、細胞凋亡、細胞內(nèi)Ca2+超載和無復(fù)流現(xiàn)象等［1］。腎臟微血管不僅是炎癥、代謝等損害因素的承受者，也是腎臟損傷的參與者，腎臟損傷是導(dǎo)致腎臟微血管功能障礙后造成腎功能惡化的重要決定因素。目前認(rèn)為，炎性反應(yīng)、氧化應(yīng)激反應(yīng)、補體通路介導(dǎo)細胞損傷、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激、線粒體自噬和微血管功能障礙等在腎IRI 中發(fā)揮著非常重要的作用［5］，且與相關(guān)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路激活、NO 含量變化及免疫學(xué)因素等共同參與引起的腎臟組織結(jié)構(gòu)紊亂與功能代謝異常密切相關(guān)［6］，同時腎IRI 誘導(dǎo)了內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激反應(yīng)，加重腎IRI。腎小管上皮細胞缺氧/復(fù)氧可觸發(fā)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)系統(tǒng)，激活Caspase-12，從而誘導(dǎo)細胞凋亡［7］?？傊IIRI 是一個多因素、多途徑、復(fù)雜的病理過程，腎IRI涉及多種分子和細胞機制［8］（圖1）。目前尚無一種系統(tǒng)的理論能完全解釋腎IRI 的發(fā)生機制和效應(yīng)機制，有待進一步深入研究。

2 腎IRI 與線粒體自噬

線粒體是細胞內(nèi)氧化磷酸化的主要場所，為細胞的生命活動提供能量，在細胞生存和死亡過程中扮演著重要角色。一旦線粒體功能紊亂，可導(dǎo)致質(zhì)子泵功能障礙，線粒體內(nèi)膜通透性升高，致使膜電位迅速耗散，活性氧（ROS）增加、細胞器損傷，最終誘導(dǎo)細胞凋亡或壞死。腎IRI 始于能量代謝障礙及線粒體受損［8］。自噬在腎IRI 中的作用越來越受到關(guān)注，尤其線粒體自噬是腎IRI 的主要機制之一，而自噬信號通路在腎IRI 中起關(guān)鍵的調(diào)控作用［9］。腎缺血時適度增加自噬可在一定程度上減輕腎損傷，而再灌注階段的過度自噬則會加重腎損傷［10］。然而，在腎IRI 發(fā)生的過程中，調(diào)控線粒體自噬的上游信號分子對腎IRI 的作用尚未完全明確。

腎小管上皮細胞富含線粒體，線粒體損傷與腎損傷有著密切的關(guān)系。線粒體作為腎小管上皮細胞總含量最豐富的細胞器，對腎小管上皮細胞維持正常功能非常重要［11］。線粒體自噬是一種特異性自噬，可選擇性地清除已受損或出現(xiàn)功能障礙的線粒體，使其被包裹到自噬體中并與溶酶體融合進行線粒體裂解，是一個防御性的過程，從而維持細胞內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)［12］。在腎IRI 的進程中線粒體功能損傷起著重要作用，腎IRI 使線粒體功能出現(xiàn)障礙，進而引起腎臟ATP 生成減少、氧自由基生成增多和促凋亡蛋白的大量釋放，最終導(dǎo)致細胞死亡［13］。同時，新生成的氧自由基更加劇了線粒體的損傷，形成惡性循環(huán)［14］。氧自由基增加、線粒體膜電位下降、線粒體通透性轉(zhuǎn)換孔開放都會誘發(fā)自噬，而適度自噬可清除損傷的細胞器，挽救瀕死腎小管上皮細胞［15］；如自噬過度激活，又會引起細胞自噬性死亡［16］。多種基因信號通路在低氧條件下通過線粒體自噬共同參與腎IRI 的調(diào)節(jié)［17］（圖2）。

圖2 低氧條件下通過線粒體自噬對腎缺血再灌注的調(diào)節(jié)

3 SIRT1-FOXO3-PINK1-Parkin 調(diào)節(jié)軸介導(dǎo)線粒體自噬

近年來，腎小管上皮細胞內(nèi)線粒體功能異常已成為腎IRI 研究的焦點之一。因此，及時有效地清除受損或功能障礙的線粒體對減輕腎IRI 具有重要的意義。SIRT1-FOXO3-PINK1-Parkin 信號通路在線粒體自噬中的作用和地位已被認(rèn)可，但SIRT1-FOXO3-PINK1-Parkin 作為目標(biāo)調(diào)節(jié)軸是如何在線粒體自噬中具體發(fā)揮作用？目前有以下幾種觀點［18-19］：①SIRT1是依賴于煙酰胺腺嘌呤二核苷酸輔酶的去乙?；讣易宄蓡T之一，參與調(diào)節(jié)多種與線粒體增殖和自噬相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子的表達及活性，對線粒體數(shù)量和質(zhì)量的調(diào)節(jié)起著主要作用；②FOXO3 位于細胞質(zhì)中，是FOX 家族中FOXO 亞家族的重要成員蛋白，為SIRT1 的下游分子，通過翻譯、修飾改變后從細胞質(zhì)定位到細胞核，在組織細胞應(yīng)激損傷的過程中，通過調(diào)控相關(guān)基因的表達而起作用，包括抗氧化應(yīng)激反應(yīng)、參與細胞代謝、轉(zhuǎn)錄翻譯、DNA 修復(fù)、細胞凋亡和減少ROS 的過度釋放，以及調(diào)節(jié)線粒體自噬等方面具有重要作用；③PINK1/Parkin 信號通路是哺乳動物細胞的特有線粒體自噬通路［20］，其中重要的調(diào)節(jié)因子有PINK1 和Parkin。Parkin可感受線粒體膜電位的變化，當(dāng)受損線粒體膜電位下降，在PINK1 的參與下，Parkin 迅速募集于線粒體外膜，快速泛素化線粒體膜蛋白，啟動線粒體自噬。研究表明，PINK1/Parkin 募到膜電位受損線粒體上通過自噬體而清除之，PINK1/Parkin 介導(dǎo)的線粒體自噬是清除線粒體的經(jīng)典模式［21］。Pink1/Parkin 介導(dǎo)線粒體自噬過程如下［22］：①生理狀態(tài)下，PINK1 和Parkin 蛋白均低水平定位于線粒體的外膜和胞質(zhì)中；②當(dāng)應(yīng)激原刺激機體時，線粒體發(fā)生去極化，ROS 生成增加，從而誘發(fā)器官或組織發(fā)生氧化應(yīng)激損傷；③PINK1 迅速識別損傷的線粒體，并穩(wěn)定聚集于外膜的表面，繼而招募并充分磷酸化而激活Parkin，使其轉(zhuǎn)位至受損的線粒體外膜；④Parkin 構(gòu)建多聚泛素鏈，泛素化線粒體的成分蛋白；⑤P62、NDP52、OPTN 等自噬受體蛋白通過UBDs 識別泛素化的線粒體，并通過LIR 錨定于自噬囊泡膜上，從而形成線粒體自噬體；⑥線粒體自噬體融合溶酶體形成了線粒體-自噬溶酶體，最終在溶酶體中被水解酶降解。線粒體自噬時，增加了對自噬和溶酶體蛋白的需求，SIRT1-FOXO3-PINK1-Parkin 調(diào)節(jié)軸參與了線粒體自噬的調(diào)控［23-24］。

4 腎IRI 與線粒體自噬SIRT1-FOXO3-PINK1-Parkin調(diào)節(jié)軸

當(dāng)線粒體在進行能量轉(zhuǎn)化和氧化呼吸的過程中釋放ROS，在腎IRI 過程中起著重要作用。線粒體自噬是一把“雙刃劍”，在腎IRI 中起到雙重調(diào)控作用，決定著細胞生存和凋亡，而SIRT1-FOXO3-PINK1-Parkin 調(diào)節(jié)軸如何通過線粒體自噬介導(dǎo)腎IRI？其中，SIRT 是一種煙酰胺腺嘌呤二核苷酸依賴蛋白通過去乙?；?，通過調(diào)節(jié)下游FOX 發(fā)揮抗衰老、抑制凋亡等生物功能；FOXO 是自噬調(diào)控的關(guān)鍵因子，起顯著作用的有FOXO1、FOXO3、FOXO4。SIRT1 通過調(diào)節(jié)FOXO 乙酰化水平調(diào)控細胞的自噬活性，進而影響細胞增殖、存活、代謝等過程［25］；SIRT1 能使FOXO3去乙?；せ頕OXO3 的轉(zhuǎn)錄活性，在脂質(zhì)代謝中起重要作用。研究證明，活性FOXO3 存在于細胞核中，當(dāng)受SIRT1 的脫乙酰化酶作用后向細胞質(zhì)轉(zhuǎn)移［26］。PINK1 是一種必需的促生存因子，由氧化應(yīng)激誘導(dǎo)產(chǎn)生。FOXO 在經(jīng)受生長因子剝奪的小鼠和人細胞中控制PINK1 轉(zhuǎn)錄，并且該調(diào)節(jié)通過進化上保守的FOXO 結(jié)合元件發(fā)揮作用，F(xiàn)OXO 誘導(dǎo)的PINK1 等生存因子可能可以保護細胞，因其容易將缺血再灌注介導(dǎo)的氧化環(huán)境改變?yōu)檫€原環(huán)境并增加還原性谷胱甘肽水平［27］。事實上，PINK1 的缺失會導(dǎo)致線粒體功能缺陷和對氧化應(yīng)激的敏感性增加［28］。線粒體動力學(xué)由涉及PINK1-PARKIN 的共同途徑調(diào)節(jié)［29］。最近有研究表明，PINK1-PARKIN 通路通過促進線粒體自噬在線粒體質(zhì)量控制中發(fā)揮作用。PINK1 在受損的線粒體上穩(wěn)定，然后將其導(dǎo)入線粒體外膜，導(dǎo)致通過線粒體自噬去除受損的線粒體。有研究揭示，PINK1-PARKIN 與線粒體融合-裂變通路之間的功能關(guān)系，暗示有缺陷的線粒體動力學(xué)［30］。PINK1/Parkin 通路可以通過調(diào)節(jié)線粒體自噬參與腎小管上皮細胞內(nèi)受損線粒體的選擇性清除，對維持由缺氧引起腎小管上皮細胞穩(wěn)態(tài)失衡以及改善腎功能是十分有益的?？梢姡€粒體自噬SIRT1-FOXO3-PINK1-Parkin 調(diào)節(jié)軸通過介導(dǎo)缺血、缺氧引起腎IRI。

5 調(diào)控線粒體自噬在腎小管細胞中的保護作用

自噬誘導(dǎo)腎損傷作用已被證實。自噬抑制劑增強了急性腎損傷，而自噬的激活劑顯示了保護作用，表明自噬在一定的條件下具有保護腎IRI 的作用。此外，通過自噬缺陷小鼠模型的試驗，進一步證實線粒體自噬在腎小管細胞中有保護作用［31］。盡管進行了一些相關(guān)的研究，但線粒體自噬如何保護腎小管細胞的機制尚不十分清楚。有絲分裂是一種選擇性的自噬，線粒體的啟動是一個決定性的事件，因為它標(biāo)記特定的線粒體進行自噬識別和降解。在腎臟病理生理過程中，有關(guān)線粒體啟動有絲分裂的信息很少。BNIP3 參與線粒體啟動在體外氧化應(yīng)激誘導(dǎo)的腎小管細胞有絲分裂中的作用，但其在體內(nèi)腎小管細胞有絲分裂中的作用尚未被研究證實。上述文獻研究結(jié)果強烈提示，調(diào)節(jié)線粒體增殖和自噬對腎IRI 的保護作用已得到證實，通過有效措施調(diào)控SIRT1-FOXO3-PINK1-Parkin線粒體自噬調(diào)節(jié)軸可能有助于腎IRI 后腎小管上皮細胞損傷的修復(fù)。因此，研究通過調(diào)控線粒體自噬保護腎小管上皮細胞的作用，適當(dāng)調(diào)控機體的自噬，特別是選擇性地調(diào)控線粒體自噬對維持細胞正常功能，防治腎IRI 具有非常重要的意義。

6 調(diào)控線粒體自噬SIRT1-FOXO3-PINK1-Parkin調(diào)節(jié)軸修復(fù)腎IRI 的展望

近年來，在腎IRI 防治方面的研究取得了一些進展，其中以啟動腎臟內(nèi)源性保護機制（如預(yù)處理和預(yù)適應(yīng)）尤為重要。此外，用藥物激活或抑制某些機體因子而保護腎組織的研究，對腎移植術(shù)后腎功能恢復(fù)及移植腎的長期存活有著重要的意義。然而，目前針對腎IRI 的治療多是初步的研究，而且多停留在實驗階段或嘗試性用藥，不能全面揭示其作用機制，同時也缺乏系統(tǒng)化的整理和總結(jié)，迄今為止尚無真正有效的防治藥物。因此，探索有效的腎IRI 治療策略以及藥物的作用靶點和機制迫在眉睫。今后可致力于研究參與線粒體自噬的腎IRI 相關(guān)基因編碼的蛋白之間的相互聯(lián)系，形成完整的腎IRI 相關(guān)信號通路之間的調(diào)控聯(lián)系，為尋找腎IRI 相關(guān)分子標(biāo)志物和藥物的作用靶點提供理論依據(jù)。

綜上所述，深入探討SIRT1-FOXO3-PINK1-Parkin依賴線粒體自噬調(diào)節(jié)軸與腎IRI 的關(guān)系，研究促進腎IRI 后腎小管上皮細胞損傷愈合的新機制，有望通過調(diào)控線粒體增殖和自噬途徑探索減輕腎IRI 的有效措施，以期為臨床應(yīng)用提供充分的理論和實驗依據(jù)，并最終為探尋價廉、高效、低毒的腎IRI 預(yù)處理藥物提供新思路。