PINK1/Parkin信號通路調(diào)控的線粒體自噬在慢性阻塞性肺疾病中的研究進展

袁東 李夢雨 李亞清

慢性阻塞性肺疾?。╟hronic obstructive pulmonary disease，COPD）是危害最為嚴重的慢性呼吸疾病，其死亡人數(shù)及社會經(jīng)濟負擔(dān)長期居我國慢性病前三位。最新的研究顯示，COPD在我國20歲及以上人群患病率已達8.6%[1]。據(jù)世界衛(wèi)生組織及世界銀行預(yù)測，至2020年COPD將成為人類第四大死亡原因及造成世界第五大社會經(jīng)濟負擔(dān)的疾病[2-3]。COPD作為一種重要的全球性社會公共衛(wèi)生問題，迫切需要社會進一步重視。目前COPD的發(fā)病機制尚未明確，炎癥、蛋白酶-抗蛋白酶失衡、氧化應(yīng)激、細胞衰老等均可能參與其中[4]。最新的研究發(fā)現(xiàn)自噬也參與了COPD的發(fā)病，線粒體自噬作為一種選擇性自噬，可以降解因應(yīng)激產(chǎn)生的損傷線粒體，保持線粒體乃至細胞整體功能穩(wěn)定。PINK1/Parkin作為調(diào)控線粒體自噬的主要信號通路，對于維持Ⅱ型肺泡上皮細胞的正常功能亦至關(guān)重要[5]，進而同樣參與了COPD的發(fā)生與發(fā)展。筆者就近年來PINK1/Parkin參與調(diào)控的線粒體自噬在COPD發(fā)病中作用的相關(guān)研究進展作一綜述。

1 PINK1/Parkin調(diào)控的線粒體自噬

1.1 線粒體 線粒體作為一種擁有自身的基因組的細胞器，在產(chǎn)生細胞能量、維持細胞代謝、細胞內(nèi)信號傳導(dǎo)和細胞死亡程序的調(diào)控等方面起著重要作用。其通過生物發(fā)生和溶酶體依賴的降解調(diào)控維持自身數(shù)量，同時受到自身延伸和分裂的動態(tài)過程的影響，繼而對自身進行質(zhì)量控制來維持細胞正常功能[6]，作為真核細胞的能源中心，在通過氧化磷酸化為細胞提供能量的同時產(chǎn)生活性氧。當活性氧生成過多或超氧化物歧化酶、谷胱甘肽過氧化物酶等抗氧化物水平不足時，活性氧會攻擊線粒體的脂類、蛋白質(zhì)和線粒體DNA，引起線粒體DNA損傷以及線粒體功能障礙，而線粒體活性氧（mitochondrial ROS，mtROS）則進一步引起炎癥和細胞衰老，是導(dǎo)致許多疾病發(fā)生、發(fā)展的關(guān)鍵因素[7-9]。同時，新的研究發(fā)現(xiàn)線粒體作為抗病毒天然免疫信號傳導(dǎo)過程中RNA和DNA傳感的平臺，在啟動和調(diào)控人體免疫系統(tǒng)中亦發(fā)揮重要作用[10]。

1.2 線粒體自噬 線粒體自噬也被稱為有絲分裂，作為一種選擇性自噬在清除體內(nèi)損傷線粒體、維持細胞穩(wěn)態(tài)方面發(fā)揮著重要作用[11]。作為進化上高度保守的細胞機制，其主要功能是對細胞進行質(zhì)量控制，同時也是線粒體唯一的基因組轉(zhuǎn)錄途徑。自噬過程受到多種因子調(diào)控，有多種機制參與其中，但導(dǎo)致受損線粒體自噬的信號通路尚不完全清楚，現(xiàn)在普遍接受的途徑主要是PINK1/Parkin誘導(dǎo)的和BNIP3/NIX依賴的線粒體自噬[12]。目前在酵母中已發(fā)現(xiàn)至少20種自噬相關(guān)基因（autophagy related genes，Atg）。微管相關(guān)蛋白1輕鏈3是Atg 8在哺乳動物細胞中的同源蛋白[13]。酵母線粒體自噬主要由Atg 32介導(dǎo)，Atg 32與Atg 8、Atg 11相互作用，構(gòu)成啟動聚合體，啟動線粒體自噬。

1.3 PINK1和Parkin PINK1和Parkin作為兩種神經(jīng)保護蛋白，其編碼的基因突變已被證明是家族性常染色體隱性帕金森病等神經(jīng)退行性疾病發(fā)病的主要危險因素[14]。PINK1是目前唯一已知的線粒體靶向絲氨酸/蘇氨酸激酶，作為PARK6基因編碼的含有581氨基酸蛋白質(zhì)，具有一個N端線粒體靶向序列，一個假定的跨膜螺旋、一個N端連接區(qū)、激酶域和一個C端延伸[15]。作為線粒體的分子傳感器，可以不斷地監(jiān)測線粒體的狀態(tài)，在正常情況下PINK1通過線粒體外膜上外膜轉(zhuǎn)位酶復(fù)合物作用，進入線粒體膜間腔，其后與其內(nèi)膜上的內(nèi)膜轉(zhuǎn)位酶復(fù)合物結(jié)合，轉(zhuǎn)移至線粒體內(nèi)膜上，被內(nèi)膜上的早老素相關(guān)菱形蛋白分解[16]。當線粒體受到諸如去極化、錯誤折疊蛋白或活性氧等損傷時，PINK1進入線粒體受限，使其不斷在線粒體表面聚集，并與線粒體外膜上的外膜轉(zhuǎn)位酶復(fù)合物形成復(fù)合體[17]。最新的研究揭示了線粒體外膜上外膜轉(zhuǎn)位酶復(fù)合物結(jié)構(gòu)和PINK1集聚的具體步驟[18]。然而，與線粒體外膜上外膜轉(zhuǎn)位酶復(fù)合物亞單位相互作用的分子基礎(chǔ)以及導(dǎo)致PINK1導(dǎo)入或積累的相互作用的變化仍有待進一步研究。

Parkin是由PARK2基因編碼的含有465個氨基酸的E3泛素連接酶，由N端的泛素樣結(jié)構(gòu)域和4個鋅配位環(huán)狀結(jié)構(gòu)域組成，屬于環(huán)間結(jié)構(gòu)域家族，可共價連接泛素分子與底物，形成多種泛素鏈，在線粒體去極化時對多種細胞溶質(zhì)和線粒體膜外蛋白進行泛素化[19]，因為其具有相對寬松的底物特異性，可使多種底物被蛋白酶識別、降解[20]。在細胞中，Parkin的活性通常受到嚴格調(diào)控，僅在線粒體去極化或表皮因子信號傳導(dǎo)等多種條件下才能被激活[21]，相反，許多破壞其結(jié)構(gòu)諸如熱處理、N末端缺失、和點突變亦能抑制其活性[22]。

1.4 PINK1/Parkin調(diào)控的線粒體自噬PINK1/Parkin通路作為線粒體自噬的關(guān)鍵調(diào)控通路，已被證明需要Parkin和PINK1的共同參與，在黑腹果蠅中，PINK1和PARKIN基因敲除導(dǎo)致線粒體內(nèi)穩(wěn)態(tài)、氧化應(yīng)激、多巴胺能神經(jīng)元功能、運動和先天免疫反應(yīng)缺陷[23]，表明PINK1/Parkin共同存在對于維持線粒體網(wǎng)絡(luò)完整及細胞正常功能均有著重要意義。當線粒體受損或衰老時，線粒體膜電位的降低導(dǎo)致PINK1的降解減緩，進入線粒體受阻，從而促進其在線粒體外膜上的積累，PINK1的不斷累積導(dǎo)致其自身磷酸化后促進了Parkin的激活[15]，Parkin被完全激活后在受損的的線粒體外膜上構(gòu)建泛素鏈，在此基礎(chǔ)上兩者相結(jié)合，線粒體外膜可以為PINK1磷酸化提供更多泛素，并導(dǎo)致更多的Parkin招募和激活。這種正反饋回路能夠使Parkin快速有力地轉(zhuǎn)移到受損的線粒體上[14]，為新的泛素分子被PINK1磷酸化提供了可能，泛素化后的線粒體表面蛋白質(zhì)可導(dǎo)致缺陷線粒體的分離，隨后線粒體出現(xiàn)微管蛋白輕鏈3陽性的自噬體和溶酶體關(guān)聯(lián)膜蛋白1陽性的溶酶體，從而促進線粒體自噬并消除受損線粒體[24]。

盡管PINK1/Parkin通常被認為是線粒體自噬的主要調(diào)控器，但越來越多的證據(jù)表明，在沒有PINK1或Parkin的情況下，線粒體自噬仍然可以發(fā)揮作用，即PINK1介導(dǎo)的Parkin非依賴性線粒體自噬。最近，Lee等[25]研究發(fā)現(xiàn)，在缺乏Parkin的果蠅中，線粒體自噬仍然存在，這突顯出Parkin對線粒體自噬不是必需的。同樣，Villa等[26]的研究發(fā)現(xiàn)ARIH作為一種新的E3泛素連接酶，在以PINK1依賴性方式觸發(fā)癌細胞中的線粒體自噬的同時并未檢測到Parkin的活性。Szargel等[27]觀察到synphilin-1與PINK1相互作用并被募集到線粒體中，在促進PINK1依賴的線粒體自噬同時，Parkin并未被激活，表明了PINK1-synphilin-1-代表一種新的與PINK1/Parkin無關(guān)的線粒體自噬途徑。盡管現(xiàn)在對PINK1、Parkin和線粒體自噬的生物學(xué)作用的研究取得了很大進展，但將三者有機結(jié)合起來之后，關(guān)于這一自噬途徑的許多重要問題仍然存在，需要進一步的實驗研究闡明其作用機制。

2 COPD中PINK1/Parkin調(diào)控的線粒體自噬

COPD是一種常見的、以不可逆氣流受限性為特征的炎癥性呼吸系統(tǒng)疾病。肺彈性組織降解、肺泡結(jié)構(gòu)破壞與氣腔擴大是COPD患者的主要病理表現(xiàn)，同時也是其肺功能進行性下降的關(guān)鍵性因素[28]。吸煙是導(dǎo)致COPD的主要原因[29]。長期暴露于香煙煙霧會激活活性氧，造成肺上皮細胞線粒體功能障礙[30]，引起細胞性氧化應(yīng)激和凋亡，并最終導(dǎo)致氣道變窄、阻塞并破壞肺組織[31]，表明線粒體結(jié)構(gòu)和功能完整性受損并伴有過多mtROS的產(chǎn)生與COPD發(fā)病過程中程序性細胞死亡和細胞衰老增強息息相關(guān)[32-33]。

自噬在COPD的病理生理學(xué)中起著關(guān)鍵作用，越來越多的證據(jù)表明COPD患者的自噬失調(diào)。一般來說，自噬在肺上皮細胞中受到外來刺激是激活的。然而，在COPD中對自噬增加及其在疾病發(fā)病機制中作用的解釋和隨后的下游解釋仍存在爭議，一方面，自噬的損傷可導(dǎo)致清除氧化應(yīng)激損傷的蛋白質(zhì)或細胞器能力降低，加速COPD的發(fā)病[34]。另一方面，過度活躍的自噬會導(dǎo)致細胞死亡/凋亡和纖毛丟失，最終導(dǎo)致肺氣腫[35]。以PINK1/Parkin通路作為關(guān)鍵調(diào)控通路的線粒體自噬被認為是COPD的主要自噬類型，似乎在COPD中亦具有雙重作用。

Parkin缺乏會導(dǎo)致線粒體損傷增加，增強ROS積聚，加速香煙煙霧暴露后肺上皮細胞衰老。Araya等[36]發(fā)現(xiàn)，Parkin基因敲除鼠在香煙煙霧提取物（cigarette smoke extract，CSE）暴露后表現(xiàn)出典型的氣道壁增厚和肺氣腫變化，同時PINK1蛋白水平降低的情況下，Parkin過表達在CSE暴露期間誘導(dǎo)線粒體自噬，導(dǎo)致mtROS產(chǎn)生減弱和細胞衰老。相反，PINK1過表達未能恢復(fù)由Parkin敲除引起的受損的線粒體自噬，表明Parkin蛋白水平可能是CSE暴露期間PINK1/Parkin介導(dǎo)的線粒體自噬的限速因子。這些結(jié)果表明Parkin水平可能通過調(diào)控線粒體自噬在COPD發(fā)病機制中發(fā)揮關(guān)鍵作用，即Parkin介導(dǎo)的自噬可能在CSE誘導(dǎo)下削弱細胞衰老和抑制COPD的進展。

然而，Parkin的不斷增加可能同樣導(dǎo)致了COPD的不斷加重。Leermaker等[37]研究發(fā)現(xiàn)COPD患者骨骼肌中的線粒體破壞增加，且疾病嚴重程度與線粒體含量損失呈正相關(guān)，與此同時，Parkin蛋白和基因表達較高，且表達水平與一秒率呈負相關(guān)。表明Parkin的累積導(dǎo)致線粒體不斷受損，導(dǎo)致上皮細胞過量凋亡造成COPD患者病程進展。

PINK1可以調(diào)控自噬繼而促進肺上皮細胞壞死凋亡，從而導(dǎo)致COPD的不斷進展。Kyung等[38]通過研究線粒體自噬對CSE暴露的肺支氣管上皮細胞死亡的調(diào)控作用發(fā)現(xiàn)：PINK1的表達水平在CSE通過誘導(dǎo)線粒體功能障礙的肺支氣管上皮細胞中上調(diào)。而羅氟米特通過抑制PINK1的表達可抑制CSE誘導(dǎo)的線粒體功能障礙和自噬，從而保護肺支氣管上皮細胞免受死亡和提高細胞活力。另外，Mizumura等[39]發(fā)現(xiàn)與野生型同窩小鼠相比，敲除PINK1基因小鼠在暴露于香煙煙霧時，肺壞死程度減輕，肺泡腔擴大程度降低。而在野生型小鼠中促凋亡神經(jīng)酰胺在香煙煙霧暴露中增加，然而作為PINK1的上游啟動子，其積累可以導(dǎo)致線粒體進一步損傷和PINK1介導(dǎo)的細胞壞死性凋亡，并且同時抑制了小鼠肺中潛在的肺泡上皮保護性促凋亡神經(jīng)酰胺蛋白表達。上述研究表明，PINK1的過表達可能是COPD患者的病情進一步加重的潛在因素。總之，線粒體自噬的激活或抑制是否對維持肺上皮細胞功能、延緩細胞衰老和肺氣腫，目前尚無明確觀點，仍需要大量的研究進一步評估其在COPD發(fā)展中的雙重調(diào)控作用。

3 小結(jié)

以PINK1/Parkin為主要調(diào)控通路的線粒體自噬對于清除受損或衰老的線粒體、維持線粒體網(wǎng)絡(luò)完整及細胞正常功能均有著重要意義，其在COPD的進展過程中既有保護作用，也有損傷作用，但參與其調(diào)控過程的相關(guān)分子及機制仍不清楚。未來如果能進一步對其適當調(diào)控，讓其發(fā)揮延緩肺上皮細胞凋亡，減輕肺泡損傷的作用，有望成為COPD治療的新方向。