線粒體自噬與肺部疾病的研究進(jìn)展

譚詩(shī)旖，陳 適

(湖南師范大學(xué)醫(yī)學(xué)院, 湖南 長(zhǎng)沙 410006)

線粒體能產(chǎn)生用于各種生理反應(yīng)的活性氧(reactive oxygen species, ROS)，但當(dāng)過(guò)量ROS產(chǎn)生時(shí)，線粒體功能發(fā)生障礙，繼而使機(jī)體罹患多種疾病。線粒體自噬能夠選擇性地清除受損的線粒體，對(duì)生命體內(nèi)線粒體質(zhì)量進(jìn)行調(diào)控。許多研究表明，線粒體自噬可能與肺部疾病發(fā)生發(fā)展有關(guān)。本文對(duì)線粒體自噬在常見(jiàn)肺部疾病中的作用展開(kāi)綜述。

1 線粒體功能障礙與線粒體自噬

線粒體在供應(yīng)細(xì)胞能量、維持細(xì)胞基礎(chǔ)代謝和鈣穩(wěn)態(tài)、調(diào)節(jié)細(xì)胞死亡程序等方面都發(fā)揮著重要的作用。線粒體功能障礙是指由于各種不利條件引起的線粒體損傷，如能量供應(yīng)過(guò)程受損、線粒體膜電位下降、線粒體ROS增加， 進(jìn)而導(dǎo)致細(xì)胞死亡或引起機(jī)體的炎性反應(yīng)等[1]。而線粒體自噬作為選擇性自噬的重要形式之一，可選擇性地去除受損的線粒體。從酵母到哺乳動(dòng)物的許多模型，都已表明線粒體自噬為控制線粒體質(zhì)量的重要途徑[2]。

2 線粒體自噬途徑的概述

PTEN誘導(dǎo)假定激酶1(PTEN induced putative kinase 1, PINK1)是一種絲氨酸/蘇氨酸激酶。正常情況下，PINK1以N-末端線粒體靶向序列通過(guò)線粒體的外膜轉(zhuǎn)位酶-內(nèi)膜轉(zhuǎn)運(yùn)酶復(fù)合物進(jìn)入線粒體，被蛋白酶水解切割后降解。PARKIN作為一種E3泛素(ubiquitin, Ub)連接酶，能夠泛素化多種底物。PARKIN活性在正常條件下被抑制。這是由于：1)PARKIN中的阻遏元件REP蛋白遮擋了活性結(jié)構(gòu)域RING1，阻止PARKIN結(jié)合E2-Ub-Ub轉(zhuǎn)移所需的綴合酶；2)RING0-RING2之間的相互作用阻止催化位點(diǎn)的進(jìn)入[3]。

線粒體自噬對(duì)線粒體有如下要求[4]：1)線粒體裂變產(chǎn)生可被吞噬大小的線粒體；2)線粒體被線粒體自噬相關(guān)蛋白識(shí)別以啟動(dòng)自噬體的形成；3)被標(biāo)記的線粒體可被自噬體吞噬。

線粒體自噬的發(fā)生過(guò)程可分為以下幾個(gè)階段[5]：1)應(yīng)激條件下，PINK1在線粒體表面積累；2)PINK1積累后磷酸化PARKIN。磷酸化有兩種方式：PINK1磷酸化PARKIN的N末端Ub1結(jié)構(gòu)域的S65激活PARKIN；PINK1通過(guò)在等效殘基處 Ub磷酸化間接激活PARKIN；3)PARKIN激活后介導(dǎo)泛素化反應(yīng)過(guò)程。首先泛素化線粒體融合蛋白1和線粒體融合蛋白2使線粒體裂變；其次泛素化多種底物蛋白，并優(yōu)先選擇外部線粒體膜蛋白；4)PARKIN泛素化相關(guān)蛋白后誘導(dǎo)自噬體形成；5)自噬體與溶酶體形成自噬溶酶體，降解線粒體。

3 線粒體自噬與肺部疾病

3.1 特發(fā)性肺纖維化(idiopathic pulmonary fibrosis, IPF)

IPF是一種進(jìn)行性的慢性間質(zhì)性肺部疾病，其特征是細(xì)胞外基質(zhì)沉積增強(qiáng)、肺泡上皮反復(fù)損傷，最終導(dǎo)致肺部纖維化甚至機(jī)體死亡[6]。IPF的病死率在全球穩(wěn)步上升，且與年齡增長(zhǎng)呈正相關(guān)[7]，提示衰老可能是特發(fā)性肺纖維化的危險(xiǎn)因素，但具體發(fā)病機(jī)制仍不清楚。

在以肺成纖維細(xì)胞(lung fibroblasts, LF)為模型的實(shí)驗(yàn)中，線粒體自噬不足導(dǎo)致ROS增加，增強(qiáng)了LF的分化繼而形成成纖維細(xì)胞灶(fibroblastic foci, FF)。具體機(jī)制可能是由于PARKIN表達(dá)減少抑制了線粒體自噬，從而激活血小板衍生生長(zhǎng)因子受體/磷脂酰肌醇3激酶/蛋白激酶信號(hào)通路，導(dǎo)致LF分化增殖，進(jìn)一步形成FF，加重肺纖維化。同樣，減少PINK1的表達(dá)也可通過(guò)同樣途徑加重肺纖維化，但效應(yīng)比PARKIN弱[7]。

在IPF肺部模型中發(fā)現(xiàn)Ⅱ型肺泡上皮細(xì)胞(type Ⅱ alveolar epithelialcells, AECⅡs)也有PINK1表達(dá)下降的現(xiàn)象，這可能是由于隨年齡的增大，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)(endoplasmic reticulum, ER)應(yīng)激損害作用增強(qiáng)，導(dǎo)致AECⅡs中PINK1的轉(zhuǎn)錄阻遏物-轉(zhuǎn)錄激活因子3的表達(dá)增加。另一方面，ER應(yīng)激下，PINK1缺陷型的AECⅡs具有增加促纖維化因子轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子-β(transforming growth factor-β, TGF-β)表達(dá)的功能[9]，提示PINK1激活劑可能對(duì)IPF有潛在治療作用。相反，從IPF肺中分離出的肺泡巨噬細(xì)胞(alveolar macrophages, AMs)表現(xiàn)出線粒體自噬水平增加。通過(guò)Akt-/-Lyz2-cre小鼠發(fā)現(xiàn)，IPF中AMs通過(guò)激活蛋白激酶B α(protein kinase B α, Akt 1)導(dǎo)致線粒體自噬水平增加，從而防止AMs凋亡。AMs通過(guò)激活A(yù)kt 1蛋白產(chǎn)生線粒體H2O2來(lái)穩(wěn)定釋放額外的TGF-β，促進(jìn)局部LF的活化和增殖。實(shí)驗(yàn)表明，在Lyz2-cre小鼠模型中，阻斷AMs中的線粒體自噬可以預(yù)防博來(lái)霉素誘導(dǎo)的肺纖維化[10]。

3.2 慢性阻塞性肺疾病(chronic obstructive pulmonary disease, COPD)

COPD是一種炎性疾病，其特征為持續(xù)的氣流受限[11]。香煙煙霧(cigarette smoke, CS)暴露是COPD的主要危險(xiǎn)因素。CS含有高濃度的ROS，因此在促進(jìn)COPD氧化應(yīng)激中起主要作用。氧化應(yīng)激會(huì)引起炎性反應(yīng)并致細(xì)胞衰老，這是該疾病的另一個(gè)主要特征[12]。在COPD模型中，CS會(huì)引起線粒體相關(guān)蛋白穩(wěn)態(tài)失衡，從而激活PINK1/PARKIN介導(dǎo)的線粒體自噬，影響肺上皮細(xì)胞的線粒體質(zhì)量[13]，提示CS致COPD與線粒體自噬相關(guān)。值得注意的是，在線粒體自噬中，隨著多聚泛素鏈的形成，電壓依賴性陰離子通道1(voltage-dependent anion channel protein 1, VDAC1)的分子質(zhì)量變化似乎與PINK1的水平升高相關(guān)，提示VDAC1參與了PINK1/PARKIN依賴性線粒體自噬[14]。

線粒體自噬在COPD中對(duì)細(xì)胞壞死具有潛在調(diào)節(jié)作用。PINK1可調(diào)節(jié)受體相互作用蛋白激酶3(receptor interacting protein kinase 3, RIPK3)，而RIPK3可進(jìn)一步與受體相互作用蛋白激酶1以及COPD中的混合譜系激酶結(jié)構(gòu)域樣假激酶作用，從而共同誘導(dǎo)COPD中的細(xì)胞壞死[1]。同時(shí)，當(dāng)抑制PINK1時(shí)，可抑制線粒體自噬并增加線粒體ROS產(chǎn)生，導(dǎo)致CS暴露的原代人支氣管上皮細(xì)胞的細(xì)胞衰老增加[15]，表明PINK1在CS致COPD中起著至關(guān)重要的作用。

不僅如此，線粒體自噬也可控制炎性反應(yīng)。過(guò)高或過(guò)低的線粒體自噬水平可導(dǎo)致線粒體DNA異常降解，其中未被清除的線粒體DNA會(huì)引起Toll樣受體9(Toll-like receptor 9, TLR9)介導(dǎo)的炎性反應(yīng)。衰老相關(guān)分泌表型因子 (senescence-associated secretory phenotype, SASP)也可通過(guò)TLR9信號(hào)通路激活炎性反應(yīng)，在COPD患者中發(fā)現(xiàn)，SASP分泌異常加速細(xì)胞衰老。提示線粒體自噬引發(fā)的TLR9介導(dǎo)的炎性反應(yīng)可能是戒煙后機(jī)體仍會(huì)存在持續(xù)性炎性反應(yīng)的原因之一，SASP的異常分泌也可能解釋了COPD中炎性反應(yīng)與細(xì)胞加速衰老的關(guān)系[16]。

3.3 肺動(dòng)脈高壓(pulmonary hypertension, PH)

PH是一種以肺血管阻力持續(xù)增加為特征的綜合征，臨床表現(xiàn)為進(jìn)行性運(yùn)動(dòng)呼吸困難，通常伴有疲憊。由于臨床表現(xiàn)缺乏特異性，導(dǎo)致其診斷遲、難治療、預(yù)后差，并經(jīng)常導(dǎo)致右心衰竭和死亡[17-18]。

線粒體功能障礙可能為PH發(fā)病機(jī)制之一：一方面，在誘導(dǎo)PH的小鼠模型中，發(fā)現(xiàn)線粒體畸形，復(fù)合體Ⅰ和Ⅲ、Ⅺ表達(dá)降低，錳超氧化物歧化酶表達(dá)降低，使代謝途徑從氧化磷酸化轉(zhuǎn)向糖酵解，為肺內(nèi)皮細(xì)胞(endothelial cell, EC)增殖提供了基礎(chǔ)；另一方面，在誘導(dǎo)PH的大鼠模型中，發(fā)現(xiàn)復(fù)合物Ⅱ及其產(chǎn)生的ROS增加，導(dǎo)致了血管擴(kuò)張性一氧化氮的損失，加劇了PH發(fā)展[19]。

PH中不對(duì)稱(chēng)二甲基精氨酸(asymmetrical dimethyl larginine, ADMA)循環(huán)水平升高，ADMA通過(guò)增加解偶聯(lián)蛋白2(uncoupling protein2, UCP2)的蛋白水平來(lái)誘導(dǎo)線粒體功能障礙。反之，當(dāng)EC缺乏UCP2時(shí)，PINK1和PARKIN的水平隨之增加，線粒體自噬水平升高，進(jìn)而加速了PH的進(jìn)展，其具體機(jī)制可能為線粒體自噬水平升高，導(dǎo)致過(guò)氧化物酶體增殖物激活受體γ共激活因子-1α(peroxisome proliferative-activated receptor-γ activation of auxiliary factor1α, PGC-1α)水平降低，進(jìn)一步導(dǎo)致線粒體生物合成不足和細(xì)胞凋亡，最終致右心室收縮壓升高和右心室肥大而加重PH[20-21]。

3.4 急性肺損傷(acute lung injury, ALI)/高氧性急性肺損傷(hyperoxia-induced acute lung injury, HALI)

ALI的特征為彌漫性肺泡損傷、肺水腫形成、中性粒細(xì)胞衍生炎性反應(yīng)等。ALI是膿毒癥常見(jiàn)且最早并發(fā)癥之一，其反應(yīng)可能會(huì)驅(qū)動(dòng)其他靶器官(如肝臟和腎臟)的功能障礙[22]。因此，著重對(duì)肺部保護(hù)對(duì)于改善膿毒癥的病死率和多器官衰竭可能至關(guān)重要。

絲裂原活化蛋白激酶激酶3(MAP kinase kinase 3, MKK3)可調(diào)節(jié)線粒體自噬來(lái)介導(dǎo)對(duì)膿毒癥的易感性：MKK3缺乏可通過(guò)增強(qiáng)組蛋白去乙?；傅幕钚詠?lái)增加線粒體自噬的水平，繼而對(duì)膿毒癥起到保護(hù)作用。提示MKK3抑制劑可能成為治療膿毒癥的新靶點(diǎn)[23]。HALI是ALI在高濃度氧療中最典型的并發(fā)癥。PINK1/PARKIN介導(dǎo)的線粒體自噬中，炎性小體NLRP3基因缺陷可增強(qiáng)對(duì)高氧性急性肺損傷的抵抗性，可能是由于NLRP3可誘導(dǎo)PINK1表達(dá)增大，進(jìn)而線粒體自噬水平提高。但當(dāng)抑制PINK1表達(dá)時(shí)，NLRP3對(duì)線粒體自噬無(wú)影響[24]。反之，在NLPR3缺乏時(shí)，PINK1可通過(guò)優(yōu)化Parkin-PARIS-PGC-1α的相互作用。PARIS是一種新發(fā)現(xiàn)的可與PARKIN相互作用的底物蛋白，當(dāng)PARKIN分解PARIS，可誘導(dǎo)PGC-1α表達(dá)增加并促進(jìn)線粒體生物合成以抵抗高氧對(duì)機(jī)體產(chǎn)生的損傷[25]。

由于ALI的病因多種多樣，線粒體自噬發(fā)揮保護(hù)或有害作用取決于其損傷的類(lèi)型。大多數(shù)情況下線粒體自噬可保護(hù)機(jī)體，如上述在膿毒癥或高氧等情況。但在某些條件下，線粒體自噬在ALI中也可發(fā)揮有害作用。在甲型流感病毒誘導(dǎo)的AIL模型中，敲除線粒體自噬相關(guān)蛋白——肺上皮自噬基因相關(guān)蛋白5可降低甲型流感病毒復(fù)制率和病死率[26]。因此，進(jìn)一步探究ALI的各種損傷類(lèi)型中線粒體自噬的作用是治療ALI的關(guān)鍵。

4 問(wèn)題與展望

本課題組主要從事自噬在矽肺病發(fā)生發(fā)展過(guò)程中的作用及機(jī)制研究。前期研究發(fā)現(xiàn)，矽塵可導(dǎo)致矽肺患者肺泡巨噬細(xì)胞溶酶體損傷，自噬降解發(fā)生障礙[27]。通過(guò)改善自噬流，增強(qiáng)自噬水平，可減輕小鼠肺泡巨噬細(xì)胞凋亡、炎性反應(yīng)和肺纖維化[28]。但線粒體自噬對(duì)于矽肺的作用和發(fā)病機(jī)制仍有待研究。

雖然許多研究表明線粒體自噬參與肺部疾病的發(fā)生發(fā)展，但是仍存在一些有待解決的問(wèn)題：肺部疾病出現(xiàn)線粒體自噬水平異常的發(fā)生機(jī)制是什么？不同類(lèi)型的肺細(xì)胞中線粒體自噬的驅(qū)動(dòng)信號(hào)通路對(duì)肺部疾病的影響是否有差異？線粒體自噬與肺部細(xì)胞凋亡的相互作用及機(jī)制如何？對(duì)于這些問(wèn)題，未來(lái)仍需深入探討線粒體自噬的功能和發(fā)生機(jī)制，尋找相關(guān)啟動(dòng)基因，以及線粒體自噬抗肺部疾病的新靶點(diǎn)，以期為治療或延緩肺部疾病的發(fā)生發(fā)展提供新的實(shí)驗(yàn)和理論依據(jù)。