線粒體自噬與心力衰竭*

周 爽， 蔣智淵， 鐘國強(qiáng)

（廣西醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院心血管內(nèi)科，廣西南寧530021）

心力衰竭（簡稱心衰）是指由于心臟功能障礙導(dǎo)致心室充盈或射血能力受損的一種復(fù)雜的綜合征。目前，我國35歲以上人群慢性心衰的患病率約為0.9%［1］。隨著人口老齡化，冠心病、高血壓、糖尿病等慢性病的發(fā)病率增加，以及對急性心血管疾病治療手段的提高，心衰的患病率必然進(jìn)一步增加。盡管腎素-血管緊張素-醛固酮系統(tǒng)拮抗劑和β受體阻滯劑的應(yīng)用大大改善了心衰的預(yù)后，但心衰患者5年生存率僅為26%～52%［2］。因此，更好地理解心衰的發(fā)病機(jī)制、尋找潛在的干預(yù)靶點(diǎn)，將為慢性心衰提供更多的治療手段。心臟是機(jī)體耗能最多的器官之一，線粒體是機(jī)體最主要的功能場所，線粒體功能異常與心衰的發(fā)生密切相關(guān)。而線粒體自噬對于及時清除受損線粒體，維持線粒體正常功能起著重要的作用。為了尋找心衰干預(yù)的潛在靶點(diǎn)，本文就線粒體自噬異常在心衰發(fā)病中的作用進(jìn)行闡述。

1 線粒體功能障礙與心衰

線粒體產(chǎn)生心臟最主要的能源物質(zhì)——三磷酸腺苷（adenosine triphosphate，ATP），這對于維持心臟正常功能至關(guān)重要［3］。研究表明，無論是心臟瓣膜病、冠心病、高血壓，還是心肌病所致的心衰患者，均觀察到了線粒體功能異常導(dǎo)致的心肌能量代謝障礙［4］。線粒體功能異常，除了導(dǎo)致心肌能量代謝障礙外，還可以產(chǎn)生大量的活性氧簇（reactive oxygen species，ROS）。ROS可從下述幾個方面促進(jìn)心肌負(fù)性重構(gòu)，導(dǎo)致心衰：（1）激活蘭尼堿受體2，并抑制肌漿網(wǎng)鈣轉(zhuǎn)運(yùn)ATP酶活性，引起心肌細(xì)胞鈣超載，肌絲對鈣的敏感性下降，導(dǎo)致心肌收縮功能障礙［5］。（2）促進(jìn)心肌纖維化：ROS可增加組織金屬蛋白酶抑制劑表達(dá)，減少基質(zhì)金屬蛋白酶表達(dá)，促進(jìn)心肌纖維化；同時，ROS是血管緊張素II介導(dǎo)的心肌肥厚與心肌纖維化的重要下游信號因子［5-6］。（3）激活NOD樣受體蛋白 3（NOD-like receptor protein 3，NLRP3）炎癥小體和Toll樣受體9，增加白細(xì)胞介素1β和白細(xì)胞介素18等的表達(dá)水平，導(dǎo)致心肌炎癥，心肌細(xì)胞變性、壞死［7-8］。（4）破壞心肌細(xì)胞電穩(wěn)定性，ROS逆轉(zhuǎn)Na+-Ca2+交換體功能，導(dǎo)致 Ca2+和 Na+外流；ROS 增加ATP敏感K+內(nèi)流，縮短心肌細(xì)胞動作電位時程；此外，ROS也可以減少KV+內(nèi)流，增加晚 Na+電流，延長動作電位時程［5］。上述改變破壞心肌細(xì)胞電穩(wěn)定性，與心衰時惡性心律失常及心源性猝死發(fā)生密切相關(guān)［9］。由此可見，線粒體功能障礙與心衰發(fā)生密切相關(guān)。

2 線粒體自噬的調(diào)控

線粒體自噬是一種選擇性的細(xì)胞自噬，是指利用細(xì)胞自噬清除細(xì)胞內(nèi)功能異常線粒體的過程。線粒體自噬的調(diào)控分為泛素依賴性和非泛素依賴性2種方式。泛素依賴性線粒體自噬包括PTEN誘導(dǎo)激酶1（PTEN-induced kinase 1，PINK1）/E3泛素連接酶parkin介導(dǎo)的線粒體自噬和非parkin依賴性線粒體自噬；而非泛素依賴性線粒體自噬則是指線粒體自噬受體介導(dǎo)的線粒體自噬（圖1）。

Figure 1.Regulation of mitophagy.圖1 線粒體自噬的調(diào)控

2.1 泛素依賴性線粒體自噬

2.1.1 PINK1/parkin介導(dǎo)的線粒體自噬 PINK1/parkin介導(dǎo)的線粒體自噬是哺乳動物細(xì)胞最常見的線粒體自噬。在正常的線粒體中，PINK1被轉(zhuǎn)運(yùn)至線粒體內(nèi)膜，并被泛素-蛋白酶系統(tǒng)剪切及降解。當(dāng)線粒體受損傷時，PINK1轉(zhuǎn)運(yùn)至線粒體內(nèi)的過程受阻，在線粒體外膜累積，發(fā)生自身磷酸化而被激活。激活的PINK1將parkin招募至線粒體表面并將其磷酸化，磷酸化的parkin將線粒體膜上底物蛋白［如電壓依賴性陰離子通道1（voltage-dependent anion channel-1，VDAC1）、線粒體融合蛋白1（mitofusin 1，MFN-1）、線粒體融合蛋白 2（mitofusin 2，MFN-2）和 mitochondrial Rho（Miro）］多聚泛素化，多聚泛素化的底物被微管相關(guān)蛋白1輕鏈3（microtubule-associated protein 1 light chain 3，LC3）適配體蛋白識別，與LC3結(jié)合進(jìn)入自噬體，再與溶酶體結(jié)合，形成自噬-溶酶體，最終將受損的線粒體降解［10］。但目前parkin的底物蛋白仍未完全明確。

在介導(dǎo)受損線粒體進(jìn)入自噬體的過程中，LC3適配體蛋白起著關(guān)鍵作用。目前已證實的LC3適配體蛋白有選擇性自噬接頭蛋白p62/sequestosome-1（SQSTM1）、光神經(jīng)素（optineurin，OPTN）、核點(diǎn)蛋白52（nuclear dot protein 52，NDP52）、TAX1結(jié)合蛋白1（TAX1 binding protein 1，TAX1BP1）和BRCA1近鄰基因1（neighbor of BRCA1 gene 1，NBR1）。這些適配體蛋白均有一個LC3結(jié)合區(qū)域，它們識別線粒體膜上多聚泛素化的底物后，與LC3結(jié)合，介導(dǎo)線粒體進(jìn)入自噬體［10］。

2.1.2 非parkin依賴性的線粒體自噬 除了parkin外，其他E3泛素連接酶，如Gp78、Smad泛素化調(diào)節(jié)因 子 1（Smad ubiquitination regulatory factor-1，SMURF1）、seven in absentia homolog-1（SIAH1）、線粒體E3泛素蛋白連接酶1（mitochondrial E3 ubiquitin protein ligase 1，MUL1）和 ariadne homologue 1（ARIH1），也可以將線粒體膜上的蛋白底物多聚泛素化，而被p62、OPTN和NDP52識別，從而與LC3結(jié)合，進(jìn)入自噬體。此外，PINK1通過磷酸-泛素化線粒體外膜蛋白，不依賴parkin，直接招募OPTN和NDP52［11］。OPTN和NDP52則進(jìn)一步招募Unc-51樣激酶1（Unc-51-like kinase 1，ULK1）、含雙FYVE結(jié)構(gòu)域蛋白1（double FYVE domain-containing protein 1，DFCP1）和WD重復(fù)結(jié)構(gòu)域磷酸肌醇相互作用蛋白 2（WD repeat domain，phosphoinositide interacting protein 2，WIPI2），介導(dǎo)線粒體進(jìn)入自噬體［12］。

2.2 非泛素依賴性的線粒體自噬 與依賴線粒體膜泛素化蛋白底物的LC3適配體蛋白不同，有一類線粒體蛋白通過直接與LC3結(jié)合，介導(dǎo)受損的線粒體進(jìn)入自噬體，稱之為線粒體自噬受體。目前發(fā)現(xiàn)的自噬受體有Nip3樣蛋白X（Nip3-like protein X，NIX）、BCL2/腺病毒E1B 19 kD相互作用蛋白3（BCL2/adenovirus E1B 19kD-interacting protein 3，BNIP3）、含 FUN14結(jié)構(gòu)域蛋白 1（FUN14 domaincontaining protein 1，F(xiàn)UNDC1）、BCL2樣 蛋白 13（BCL2-like protein 13，BCL2L13）、FK506結(jié)合蛋白8（FK506-binding protein 8，F(xiàn)KBP8）、抑制素 2（prohibitin 2，PHB2）和 心 磷 脂（cardiolipin）。 NIX、BNIP3、FUNDC1、BCL2L13和FKBP8位于線粒體外膜，而PHB2和cardiolipin則位于線粒體內(nèi)膜［10］。

2.3 線粒體動力代謝與線粒體自噬 線粒體通過不斷融合與分裂維持代謝平衡。輕度能量缺乏時，線粒體融合成管狀網(wǎng)絡(luò)使產(chǎn)能最大化，滿足機(jī)體需要。而當(dāng)持續(xù)、嚴(yán)重的應(yīng)激時，線粒體發(fā)生分裂，產(chǎn)生大量的線粒體碎片與ROS，對蛋白、脂質(zhì)和線粒體DNA造成損害，造成能量供應(yīng)障礙。線粒體自噬通過清除線粒體碎片，維持細(xì)胞穩(wěn)態(tài)。在線粒體動力代謝中，MFN-1和MFN-2介導(dǎo)線粒體外膜的融合，視神經(jīng)萎縮蛋白1（optic atrophy 1，OPA1）介導(dǎo)線粒體內(nèi)膜的融合；而發(fā)動蛋白相關(guān)蛋白1（dynaminrelated protein 1，Drp1）則介導(dǎo)線粒體分裂。研究表明，上述調(diào)控線粒體動力學(xué)的關(guān)鍵蛋白均與線粒體自噬密切相關(guān)。MFN-1和MFN-2經(jīng)parkin泛素化后，可明顯促進(jìn)PINK1/parkin介導(dǎo)的線粒體自噬。PINK1可間接激活Drp1，促進(jìn)線粒體分裂，從而更加易于進(jìn)入自噬體，加速線粒體自噬的進(jìn)程，抑制Drp1可減弱PINK1介導(dǎo)的線粒體自噬。在FUNDC1和BNIP3介導(dǎo)的線粒體自噬中，OPA1被從線粒體膜中解離，Drp1被招募至線粒體表面并被激活，從而抑制線粒體融合，促進(jìn)線粒體分裂與自噬。由此可見，線粒體自噬與線粒體動力代謝相互影響，共同維持細(xì)胞能量代謝穩(wěn)態(tài)［10］。

3 線粒體自噬與心衰

線粒體自噬能夠及時清除受損的線粒體，避免ROS對細(xì)胞的毒性作用，對于維持心肌細(xì)胞的穩(wěn)態(tài)起著重要作用。近期，Wang等［13］發(fā)現(xiàn)心衰患者心肌細(xì)胞線粒體自噬明顯下降。Shirakabe等［14］發(fā)現(xiàn)，橫向主動脈縮窄（transverse aortic constriction，TAC）小鼠心衰的發(fā)生與線粒體自噬障礙密切相關(guān)。Durga等［15］發(fā)現(xiàn)，線粒體自噬障礙加速2型糖尿病小鼠心梗后心衰的發(fā)生。上述研究提示，線粒體自噬障礙是導(dǎo)致心衰發(fā)生的重要原因。線粒體自噬障礙明顯增加ROS水平，損傷線粒體DNA，導(dǎo)致心肌細(xì)胞鈣超載、炎癥損傷、壞死和凋亡，以及心肌纖維化，促使心衰的發(fā)生［5-8］。但是，心衰時線粒體自噬障礙如何發(fā)生？近期的研究證據(jù)將為我們提供一些重要的線索。

3.1 線粒體自噬障礙與心衰

3.1.1 PINK1/parkin信號通路與心衰 Wang等［13］發(fā)現(xiàn)，心衰患者與TAC心衰小鼠中均存在腺苷酸活化蛋白激酶（AMP-activated protein kinase，AMPK）α2向AMPKα1轉(zhuǎn)化，同時伴隨線粒體自噬障礙和功能異常。過表達(dá)AMPKα2可通過磷酸化PINK1，恢復(fù)PINK1/parkin介導(dǎo)的線粒體自噬，從而清除受損線粒體和ROS，減少心肌細(xì)胞凋亡，阻止TAC小鼠慢性心衰的發(fā)生。Dadson等［16］發(fā)現(xiàn)，終末期心衰患者左心室E3泛素連接酶Mule的表達(dá)明顯下降。敲除小鼠Mule使得原癌基因c-myc累積，導(dǎo)致PINK1表達(dá)下調(diào)、線粒體功能異常、ROS生成增多，小鼠出現(xiàn)自發(fā)性的心室肥厚、左心室功能障礙。敲除c-myc，可以減少M(fèi)ule缺失導(dǎo)致的PINK1下調(diào)、線粒體功能障礙和心肌損害。Liu等［17］發(fā)現(xiàn)，在甲狀腺功能亢進(jìn)性心臟病中，溶酶體心磷脂?；D(zhuǎn)移酶ALCAT1表達(dá)上調(diào)，心肌細(xì)胞處于氧化應(yīng)激狀態(tài)，出現(xiàn)脂質(zhì)過氧化、線粒體功能障礙；敲除ALCAT1可上調(diào)PINK1，增強(qiáng)線粒體自噬，從而減輕氧化應(yīng)激、胰島素抵抗，減少甲狀腺素T4造成的心肌損害。此外，Xiong等［18］還發(fā)現(xiàn)，過表達(dá)PINK1可通過增加線粒體自噬，減少血管緊張素II所致的心肌肥厚效應(yīng)。

Bhandari等［19］發(fā)現(xiàn)，敲除parkin導(dǎo)致果蠅心肌細(xì)胞線粒體功能異常、ROS增多和擴(kuò)張型心肌病的發(fā)生。趙佳［20］發(fā)現(xiàn)，WDR26過表達(dá)可促進(jìn)parkin向線粒體表面聚集，誘導(dǎo)線粒體自噬，在心肌缺血中起著內(nèi)源性保護(hù)作用。Hoshino等［21］發(fā)現(xiàn)，p53與增齡和阿霉素導(dǎo)致的心衰密切相關(guān)。p53通過與parkin結(jié)合，干擾parkin遷移至受損線粒體的表面，從而抑制線粒體自噬，導(dǎo)致心功能損害。敲除p53，可明顯減少增齡小鼠和阿霉素干預(yù)小鼠的心功能損害。Leach等［22］發(fā)現(xiàn)，心衰時阻止心肌細(xì)胞增生與再生的Hippo信號通路表達(dá)上調(diào)，通過阻斷Hippo通路中的信號因子Salvador，可以明顯改善心肌梗死小鼠心臟泵功能，而這種作用與增加parkin的表達(dá)密切相關(guān)。Wang等［23］發(fā)現(xiàn)，Hippo通路中的另一信號因子——哺乳動物不育系20樣激酶1（mammalian sterile 20-like kinase 1，Mst1），通過抑制parkin介導(dǎo)的線粒體自噬參與糖尿病心肌病的發(fā)生。敲除Mst1增加parkin的表達(dá)和心肌細(xì)胞清除受損線粒體的能力，減少糖尿病心肌病的發(fā)生。

上述研究表明，PINK1/parkin信號通路下調(diào)，是導(dǎo)致線粒體自噬障礙和心衰的重要原因，以上調(diào)PINK1/parkin信號通路為靶點(diǎn)，改善心肌線粒體自噬有望為心衰的治療提供新的手段。

3.1.2 LC3適配體蛋白/線粒體自噬受體與心衰TAX1BP1是泛素依賴性LC3適配體蛋白，研究表明糖尿病小鼠中，過表達(dá)TAX1BP1可通過提高心肌細(xì)胞的自噬水平，減少心肌細(xì)胞氧化應(yīng)激、炎癥和凋亡，減輕心肌纖維化和心功能損害，從而減少糖尿病心肌病的發(fā)生［24］。

FUNDC1是一種線粒體自噬受體，可直接與LC3結(jié)合，啟動線粒體自噬。Zhang等［25］發(fā)現(xiàn)，低氧環(huán)境可以誘導(dǎo)FUNDC1介導(dǎo)的線粒體自噬，從而抑制血小板活性，減少心肌缺血再灌注損傷；敲除小鼠FUNDC1，導(dǎo)致線粒體自噬障礙，血小板持續(xù)性激活，加重心肌缺血再灌注損傷。Wu等［26］發(fā)現(xiàn)，心衰患者FUNDC1表達(dá)明顯下調(diào)；敲除小鼠心肌細(xì)胞FUNDC1可導(dǎo)致心肌細(xì)胞線粒體擴(kuò)大和功能異常。Yu等［27］發(fā)現(xiàn)，Mst1可通過抑制FUNDC1介導(dǎo)的線粒體自噬，促進(jìn)心肌細(xì)胞缺血再灌注損傷，敲除小鼠Mst1可以明顯減少心肌梗死的擴(kuò)張區(qū)域。另有研究報道，色素上皮衍生因子在缺氧條件下對于心肌細(xì)胞的保護(hù)作用，與它促進(jìn)FUNDC1介導(dǎo)的線粒體自噬有關(guān)［28］。可見，F(xiàn)UNDC1是重要的心臟保護(hù)因子，可通過介導(dǎo)線粒體自噬，維持心肌細(xì)胞正常功能，有望成為心衰的干預(yù)靶點(diǎn)。

BNIP3也是一種線粒體自噬受體，但與FUNDC1不同的是，目前的研究均提示BNIP3激活與心衰的發(fā)生有關(guān)。Dhingra等［29］和Du等［30］均發(fā)現(xiàn)，BNIP3表達(dá)上調(diào)與阿霉素誘導(dǎo)的心肌線粒體功能異常及心肌肥厚有關(guān)，敲除BNIP3可以減輕心肌線粒體功能障礙和心肌肥厚。Chaanine等［31］發(fā)現(xiàn)，BNIP3的表達(dá)從大鼠主動脈結(jié)扎的第1周開始逐漸增加，發(fā)展到心衰階段后到達(dá)峰值，并且線粒體數(shù)量與BNIP3的表達(dá)成反比。阻斷c-Jun氨基末端激酶（c-jun N-terminal kinase，JNK）信號通路，可下調(diào)BNIP3表達(dá)，減輕心臟壓力負(fù)荷增加導(dǎo)致的線粒體丟失和心肌肥厚。BNIP3具有LC3結(jié)合區(qū)域，當(dāng)此區(qū)域第17和24位絲氨酸殘基磷酸化，促進(jìn)其與LC3結(jié)合，增強(qiáng)線粒體自噬，具有抗凋亡作用。但BNIP3又屬于Bcl-2蛋白家族中的一員，介導(dǎo)細(xì)胞和線粒體凋亡，這可能是導(dǎo)致BNIP3激活促進(jìn)心衰的原因之一［32］。BNIP3的促進(jìn)線粒體自噬與促凋亡作用如何調(diào)控，有待進(jìn)一步明確，也將是其能否作為心衰干預(yù)潛在靶點(diǎn)的關(guān)鍵。

3.1.3 線粒體動力代謝、線粒體自噬與心衰 研究表明，線粒體自噬需要Drp1介導(dǎo)的線粒體分裂，分裂的線粒體更加易于進(jìn)入自噬囊泡，形成自噬體［33］。Shirakabe等［14］發(fā)現(xiàn)，抑制Drp1后TAC小鼠線粒體自噬障礙加劇，更早出現(xiàn)心衰。Cahill等［34］也發(fā)現(xiàn)，Drp1的功能缺失，導(dǎo)致線粒體自噬障礙，促使心肌炎癥和心衰的發(fā)生?？梢?，Drp1介導(dǎo)的線粒體分裂是維持細(xì)胞正常線粒體自噬、預(yù)防心衰發(fā)的重要調(diào)控因素。Bhandari［19］等的發(fā)現(xiàn)也驗證上述觀點(diǎn)。他們發(fā)現(xiàn)，敲除parkin導(dǎo)致果蠅線粒體自噬障礙和擴(kuò)張型心肌病的發(fā)生，但通過抑制線粒體融合，可以糾正線粒體功能障礙，避免擴(kuò)張型心肌病的發(fā)生，提示在自噬障礙的情況下抑制線粒體融合有可能成為心衰干預(yù)的靶點(diǎn)。

但也有研究顯示了相反的結(jié)果，Song等［35-36］研究了抑制線粒體分裂對線粒體自噬和心臟的影響。他們發(fā)現(xiàn)，敲除小鼠Drp1導(dǎo)致線粒體融合增加，線粒體增大，并出現(xiàn)線粒體過度自噬和線粒體的丟失，最終導(dǎo)致擴(kuò)張型心肌病的發(fā)生。但通過敲除parkin抑制線粒體自噬水平，可以減少心肌壞死、心肌纖維化，糾正心室射血功能。這些研究結(jié)果表明，線粒體自噬是一個動態(tài)的過程。敲除Drp1的直接作用表現(xiàn)為線粒體自噬抑制，這是早期變化，隨著線粒體不斷融合，體積巨大的異常線粒體必將導(dǎo)致線粒體自噬持續(xù)激活、線粒體的過度清除，從而造成心肌能量供應(yīng)障礙［37］。這也提示，在心衰的不同階段，線粒體自噬所扮演的角色不同，如何精準(zhǔn)的調(diào)控線粒體自噬是目前亟待解決的問題（圖2）。

Figure 2.Mitophagy and heart failure.圖2 線粒體自噬與心力衰竭

4 總結(jié)

線粒體自噬在心衰發(fā)生中作用的闡明，將有利于更好的理解心衰的發(fā)病機(jī)制，也為心衰治療提供了更多的潛在靶點(diǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景。但仍有下述問題亟待解決：（1）目前大部分研究均提示線粒體自噬障礙與心衰發(fā)生有關(guān)，提高線粒體自噬水平可作為治療靶點(diǎn)，但過度自噬也會導(dǎo)致線粒體流失，造成心肌壞死，如何恰當(dāng)把控線粒體自噬的程度？（2）在疾病的不同階段，線粒體自噬的狀態(tài)不同，如何精確調(diào)控不同階段的線粒體自噬？（3）目前心衰中線粒體自噬調(diào)控的研究，多集中在PINK1/parkin信號通路與個別線粒體自噬受體上，還有較多的LC3適配體蛋白、線粒體自噬受體在心衰中作用有待說明，尤其OPTN和NDP52這兩個最主要的適配體蛋白。（4）線粒體調(diào)控是一個十分復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)，線粒體自噬受體途徑、PINK1/parkin途徑以及線粒體動力代謝之間均存在著交互作用，它們之間的具體關(guān)系仍有待進(jìn)一步研究明確。