線粒體質(zhì)量控制在腎臟缺血再灌注損傷中作用機(jī)制的研究進(jìn)展

張博英，喬玉峰，劉紅艷

1 山西醫(yī)科大學(xué)第二醫(yī)院，太原030001；2 山西省人民醫(yī)院

線粒體是真核細(xì)胞重要的細(xì)胞器，不僅通過(guò)氧化磷酸化產(chǎn)生ATP 為細(xì)胞提供能量，同時(shí)也參與三羧酸循環(huán)、脂肪酸氧化、血紅素合成及鈣穩(wěn)態(tài)等代謝過(guò)程，對(duì)維持細(xì)胞內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)及機(jī)體生命活動(dòng)具有重要意義。線粒體質(zhì)量控制是通過(guò)調(diào)控線粒體形態(tài)、數(shù)量和質(zhì)量的相對(duì)穩(wěn)定來(lái)維持細(xì)胞和生物體內(nèi)穩(wěn)態(tài)，是細(xì)胞內(nèi)一種重要的防御機(jī)制。線粒體質(zhì)量控制機(jī)制分為分子水平和細(xì)胞器水平兩個(gè)方面，前者包括線粒體蛋白酶和分子伴侶的調(diào)控，后者包括線粒體生物合成、線粒體動(dòng)力學(xué)（融合/分裂）、線粒體自噬和線粒體衍生囊泡等重要生物學(xué)過(guò)程［1］。生理狀態(tài)下，線粒體需要通過(guò)質(zhì)量控制來(lái)及時(shí)合成新的線粒體、維持線粒體形態(tài)及清除受損線粒體，從而維持細(xì)胞內(nèi)穩(wěn)態(tài)，而在應(yīng)激、缺氧環(huán)境等病理?xiàng)l件下，線粒體質(zhì)量控制發(fā)生失調(diào)，將引起線粒體結(jié)構(gòu)損傷和功能障礙，表現(xiàn)為線粒體腫脹和嵴消失、膜電位下降、線粒體通透性轉(zhuǎn)化孔開(kāi)放、ATP 合成障礙、活性氧自由基過(guò)度產(chǎn)生、促凋亡因子釋放增多等，最終導(dǎo)致細(xì)胞凋亡和組織損傷［2］。腎臟缺血再灌注損傷（IRI）是缺血腎臟組織重新恢復(fù)血供或氧供后所產(chǎn)生的二次損傷，其發(fā)病機(jī)制復(fù)雜，涉及氧化應(yīng)激、鈣超載、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激以及細(xì)胞凋亡等多個(gè)方面［3］。研究顯示，線粒體質(zhì)量控制失調(diào)與腎臟IRI 的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)?，F(xiàn)從線粒體生物合成、線粒體動(dòng)力學(xué)及線粒體自噬三個(gè)方面對(duì)線粒體質(zhì)量控制在腎臟IRI中作用機(jī)制的研究進(jìn)展綜述如下。

1 線粒體生物合成在腎臟IRI中的作用機(jī)制

線粒體生物合成是線粒體通過(guò)增殖產(chǎn)生新的線粒體來(lái)滿足細(xì)胞的能量需求，受線粒體DNA 和核DNA 的雙重調(diào)控。過(guò)氧化物酶體增殖激活受體共激活因子1（PGC-1α）是線粒體生物合成的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子，研究發(fā)現(xiàn)，與腎臟線粒體生物合成有關(guān)的通路包括腺苷酸活化蛋白激酶（AMPK）/沉默信息調(diào)節(jié)因子1（Sirt1）/PGC-1α/核呼吸因子1/2（Nrf1/2）通路、可溶性鳥苷酸環(huán)化酶（sGC）/環(huán)磷酸鳥苷（cGMP）/Ⅱ型cGMP 依賴性蛋白激酶G（PKG）/p38/PGC-1α 通路、細(xì)胞外調(diào)節(jié)蛋白激酶1/2（ERK1/2）/miR-34a/煙酰胺磷酸核糖轉(zhuǎn)移酶（NAMPT）/PGC-1α通路等。

1.1 AMPK/Sirt1/PGC-1α/Nrf1/2 通路 目前線粒體生物合成信號(hào)通路研究最成熟的是AMPK/Sirt1/PGC-1α/Nrf1/2 通 路，當(dāng)PGC-1α 被 上 游AMPK 或Sirt1 通過(guò)翻譯后修飾激活后，便與下游轉(zhuǎn)錄因子靶標(biāo)Nrf1/2 相互結(jié)合并輔助激活，從而促進(jìn)線粒體DNA 的轉(zhuǎn)錄和線粒體蛋白質(zhì)的合成，最后形成新生線粒體［4-5］。研究顯示，Sirt1 激動(dòng)劑SRT1720［6］、白藜蘆醇［7］以及AMPK 激動(dòng)劑AICAR［8］均可通過(guò)增加PGC-1α 表達(dá)促進(jìn)腎臟線粒體生成，提高抗氧化能力，從而減輕IRI。另外，彭鈞渤等［9］發(fā)現(xiàn)，在缺氧復(fù)氧誘導(dǎo)的HK 細(xì)胞中，肝再生增強(qiáng)因子高表達(dá)可激活SIRT1/PGC-1α/NRF1 信號(hào)通路，誘導(dǎo)線粒體生成，最終減輕線粒體及腎小管細(xì)胞損傷。

1.2 sGC/cGMP/PKG/p38/PGC-1α通路 sGC/cGMP/PKG/p38/PGC-1α 通路是參與調(diào)節(jié)腎臟線粒體生物合成的另一信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路。BHARGAVA 等［10］在近端腎小管上皮細(xì)胞中觀察到，激活sGC 可使cGMP表達(dá)顯著增加，進(jìn)而激活PKG，而PKG 的活化又促使p38 磷酸化，后者可直接使胞質(zhì)中的PGC-1α 磷酸化，促進(jìn)其轉(zhuǎn)位至細(xì)胞核，從而啟動(dòng)線粒體生物合成。給予sGC 激動(dòng)劑riociguat 預(yù)處理可通過(guò)激活此通路促進(jìn)腎小管細(xì)胞中線粒體生物合成，此外，β2腎上腺素受體激動(dòng)劑formoterol 或5-HT1F 受體激動(dòng)劑LY344864可增加p38磷酸化水平，進(jìn)而提高PGC-1α表達(dá)，最終促進(jìn)線粒體生物合成。上述研究表明，sGC/cGMP/PKG/p38/PGC-1α 通路可能為腎臟IRI 的防治提供新的靶點(diǎn)。

1.3 ERK1/2/miR-34a/NAMPT/PGC-1α 通路 研究顯示，在腎臟IRI 中激活ERK1/2，可通過(guò)下調(diào)PGC-1α 及其下游靶基因的表達(dá)來(lái)抑制線粒體生物合成［11］，但其具體機(jī)制仍不明確。近期研究證實(shí)，miR-34a/NAMPT 途徑在調(diào)節(jié)ERK1/2 通路介導(dǎo)的線粒體生物合成中發(fā)揮重要作用。COLLIER 等［12］在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，腎臟IRI 后ERK1/2 磷酸化水平顯著升高，而PGC-1α 表達(dá)和煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD+）含量均顯著降低，給予ERK1/2 磷酸化抑制劑trametinib 預(yù)處理抑制ERK1/2 磷酸化后，腎皮質(zhì)miR-34a 的表達(dá)下調(diào)。因miR-34a 是調(diào)節(jié)NAMPT 和Sirt1 蛋白表達(dá)的關(guān)鍵因子，且NAMPT 是NAD+補(bǔ)救合成途徑的重要限速酶，因此miR-34a 下調(diào)可增加Sirt1 和NAMPT 蛋白表達(dá)，進(jìn)而NAD+含量增多，PGC-1α 表達(dá)水平也相應(yīng)升高，促進(jìn)線粒體生物合成，從而降低血肌酐水平，改善腎組織損傷。并且該研究顯示，trametinib 的腎臟保護(hù)作用可被miR-34a模擬物或NAMPT 抑制劑FK866 所阻斷。因此，ERK1/2 可通過(guò)調(diào)節(jié)miR-34a/NAMPT 途徑來(lái)影響腎臟線粒體生物合成，為治療腎臟IRI提供新的思路。

2 線粒體動(dòng)力學(xué)與腎臟IRI

線粒體是一種高度動(dòng)態(tài)的細(xì)胞器，通過(guò)不斷分裂/融合來(lái)維持正常的線粒體網(wǎng)絡(luò)。線粒體動(dòng)力學(xué)是調(diào)節(jié)線粒體質(zhì)量動(dòng)態(tài)控制的重要生理機(jī)制。

2.1 線粒體分裂與腎臟IRI 線粒體分裂的相關(guān)蛋白包括動(dòng)力相關(guān)蛋白1（Drp1）、線粒體分裂蛋白1（Fis1）和線粒體分裂因子（MFF）等。

Drp1 最常見(jiàn)的翻譯后修飾是磷酸化/去磷酸化修飾，而激活或抑制Drp1 活性則取決于其磷酸化位點(diǎn)，Drp1 的Ser616 位點(diǎn)磷酸化可增強(qiáng)其活性，而Ser637 位點(diǎn)磷酸化減弱其活性［13］。近期研究證實(shí)，在腎臟近端腎小管細(xì)胞中，大麻素1 受體（CB1R）可通過(guò)調(diào)節(jié)Drp1 不同位點(diǎn)的磷酸化水平來(lái)影響線粒體動(dòng)力學(xué)。在正常情況下，蛋白激酶A（PKA）可刺激Drp1 的Ser637 位點(diǎn)磷酸化進(jìn)而抑制線粒體分裂，而激活CB1R 可抑制PKA 活性，并提高ERK1/2 磷酸化水平，導(dǎo)致Drp1 的Ser616 位點(diǎn)磷酸化增加，進(jìn)而促進(jìn)線粒體分裂和加劇線粒體功能障礙，最終引起腎小管損傷加重［14］。PERRY 等［15］研究發(fā)現(xiàn)，在近端腎小管細(xì)胞中，Drp1 特異性缺失可減輕IRI 誘導(dǎo)的炎癥反應(yīng)和細(xì)胞凋亡，表明抑制線粒體分裂可改善缺血AKI。然而LI 等［16］研究認(rèn)為Drp1 基因敲除可加劇腎功能不全。因此其具體機(jī)制仍有待進(jìn)一步研究。

MFF 是協(xié)助胞質(zhì)中的Drp1 易位至線粒體的關(guān)鍵蛋白。MFF mRNA 轉(zhuǎn)錄受RNA結(jié)合蛋白Pumilio2（Pum2）的負(fù)調(diào)控。WANG 等［17］發(fā)現(xiàn)，小鼠腎臟IRI模型中Pum2 表達(dá)下調(diào)，MFF 升高，線粒體長(zhǎng)度變短；當(dāng)Pum2 過(guò)表達(dá)時(shí)可逆轉(zhuǎn)腎臟IRI介導(dǎo)的MFF 上調(diào)，進(jìn)而抑制腎小管細(xì)胞中線粒體分裂，導(dǎo)致炎癥因子IL-6、TNF-α 釋放減少，并改善線粒體結(jié)構(gòu)和功能，最終減輕缺血性AKI。提示Pum2/MFF可作為防治腎IRI的潛在靶點(diǎn)。

近期研究發(fā)現(xiàn)，線粒體裂變蛋白18（MTP18）也參與線粒體分裂。WEI 等［18］發(fā)現(xiàn)，在小鼠缺血性AKI模型中，缺氧誘導(dǎo)因子-1α（HIF-1α）可誘導(dǎo)近端腎小管細(xì)胞中miR-668表達(dá)，進(jìn)而降低MTP18表達(dá)，抑制線粒體碎片化和細(xì)胞凋亡，從而減輕腎臟IRI。

2.2 線粒體融合與腎臟IRI 線粒體融合的相關(guān)蛋白包括介導(dǎo)外膜融合的線粒體融合蛋白1/2（Mfn1/2）和介導(dǎo)內(nèi)膜融合的光萎縮蛋白1（OPA1）。YAN等［19］發(fā)現(xiàn)，在體內(nèi)外腎臟IRI模型中miR-214表達(dá)上調(diào)，而抑制miR-214 表達(dá)可上調(diào)Mfn2 的表達(dá)，促進(jìn)線粒體融合，并抑制線粒體片段化和細(xì)胞凋亡，從而減輕腎臟結(jié)構(gòu)和功能損傷。因此，miR-214/Mfn2 軸有望成為腎臟IRI 的治療靶點(diǎn)。另有研究顯示，在缺氧復(fù)氧誘導(dǎo)的近端腎小管細(xì)胞中，沉默Sirt3 的過(guò)表達(dá)可增加融合蛋白OPA1、Mfn1/2 的表達(dá)，降低分裂蛋白Drp1、MFF、Fis1 的表達(dá)，從而抑制氧化應(yīng)激損傷和炎癥反應(yīng)，最終促進(jìn)腎臟功能恢復(fù)［20］。綜上，促進(jìn)線粒體融合可為改善腎臟IRI 提供新的治療途徑。

3 線粒體自噬與腎臟IRI

線粒體自噬是通過(guò)選擇性清除受損或功能障礙的線粒體來(lái)維持細(xì)胞內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定，是調(diào)控線粒體質(zhì)量控制的核心。

3.1 與腎臟IRI 相關(guān)的線粒體自噬通路 線粒體自噬通路主要包括泛素依賴型和受體依賴型通路，前者包括PTEN 誘導(dǎo)的假定激酶1（PINK1）-PARKIN通路，后者包括腺病毒E1B 相互作用蛋白3（BNIP3）/NIX、FUN14結(jié)構(gòu)域包含蛋白1（FUNDC1）、抑制素2（PHB2）、BCI2-Like 13（BCL2L13）、NLR 家族成員X1（NLRX1）等通路［2］。已有研究證實(shí)，PINK1-PARKIN 及BNIP3 通路介導(dǎo)的線粒體自噬在腎臟IRI 的線粒體質(zhì)量控制中起著關(guān)鍵作用。TANG 等［21-22］在腎臟IRI 模型中發(fā)現(xiàn)，PINK1 和PARKIN 基因單敲除或雙敲除、BNIP3 基因敲除均可抑制線粒體自噬，增加線粒體損傷，從而加重缺血性AKI。

PHB2 是近年新發(fā)現(xiàn)的一種位于線粒體內(nèi)膜的線粒體自噬受體。PARKIN 的泛素化及蛋白酶體作用使線粒體外膜蛋白降解，促使外膜斷裂并暴露出內(nèi)膜，進(jìn)而PHB2 的微管相關(guān)蛋白1 輕鏈3（LC3）結(jié)構(gòu)連接域與自噬體上的LC3 結(jié)合，激活線粒體自噬［23］。WANG 等［24］在AKI模型中發(fā)現(xiàn)，Bax-1抑制劑（BI1）可通過(guò)促進(jìn)PHB2 的線粒體定位來(lái)維持線粒體穩(wěn)態(tài)。BI1 的C 末端與胞質(zhì)中PHB2 的PHB 結(jié)構(gòu)域相互結(jié)合，促使PHB2 易位至線粒體外膜，之后在線粒體內(nèi)膜轉(zhuǎn)移酶協(xié)助下再易位至線粒體內(nèi)膜，從而抑制線粒體分裂和提高線粒體自噬能力，最終減輕腎損傷。提示BI1-PHB2 軸有望成為臨床上防治AKI 的新靶點(diǎn)。XU 等［25］證實(shí)，在AngⅡ誘導(dǎo)的人腎小管上皮細(xì)胞HK2 中，PHB2 可通過(guò)改善線粒體功能障礙和抑制炎癥小體NLRP3 激活來(lái)介導(dǎo)線粒體自噬，從而減輕腎小管細(xì)胞損傷。然而，另有研究證實(shí)PHB2 可通過(guò)調(diào)節(jié)早老素相關(guān)菱形樣蛋白/PGAM5軸來(lái)增加PINK1在線粒體的積累及PARKIN的募集，繼而促進(jìn)PINK1/PARKIN 通路介導(dǎo)的線粒體自噬，而這些并不依賴與LC3 的結(jié)合［26］。因此推測(cè)，PHB2可能通過(guò)多種途徑來(lái)調(diào)節(jié)線粒體自噬。

3.2 腎臟缺血預(yù)處理通過(guò)線粒體自噬減輕IRI 缺血預(yù)處理是對(duì)器官進(jìn)行短暫缺血預(yù)刺激來(lái)增強(qiáng)其對(duì)隨后長(zhǎng)時(shí)間缺血損傷的耐受性，從而減輕IRI。研究證實(shí)，缺血預(yù)處理可激活PINK1/PARKIN 通路介導(dǎo)的線粒體自噬，加速損傷線粒體的清除，對(duì)腎臟具有保護(hù)作用［27］。WANG 等［28］在IRI 誘導(dǎo)的AKI 小鼠中證實(shí)，缺血預(yù)處理也可誘導(dǎo)UNC-51 樣激酶表達(dá)，進(jìn)而刺激FUNDC1的Ser17處磷酸化，激活其介導(dǎo)的線粒體自噬，同時(shí)抑制Drp1 介導(dǎo)的線粒體分裂，從而發(fā)揮腎臟保護(hù)作用。綜上，缺血預(yù)處理可通過(guò)激活線粒體自噬來(lái)發(fā)揮抗IRI的腎臟保護(hù)作用。

3.3 線粒體自噬的雙重性 線粒體自噬是一把雙刃劍，適度的線粒體自噬可清除受損的線粒體，減少細(xì)胞死亡和組織損傷；而線粒體自噬失調(diào)或過(guò)度會(huì)引起細(xì)胞能量代謝紊亂，加劇細(xì)胞凋亡。研究發(fā)現(xiàn)，腎臟缺血再灌注后，線粒體自噬過(guò)度激活致使線粒體數(shù)目和線粒體RNA 拷貝數(shù)減少，給予前列腺素E2受體4 激動(dòng)劑CAY10598 預(yù)處理可抑制過(guò)度的線粒體自噬，提高抗氧化能力，從而改善腎損傷；其機(jī)制可能與cAMP/PKA 信號(hào)通路有關(guān)［29］。另外，WANG等［30］報(bào)道，給予腎IRI小鼠叉頭框轉(zhuǎn)錄因子O亞家族蛋白1 抑制劑AS1842856 干預(yù)可使腎臟PINK1、PARKIN 表達(dá)水平下調(diào)，抑制線粒體自噬，進(jìn)而降低血肌酐和尿素氮水平，減輕腎臟病理?yè)p傷，最終提高小鼠存活率。因此，對(duì)于線粒體自噬在腎臟IRI 中所起的作用仍存在爭(zhēng)議，但可以明確的是，適度的線粒體自噬可減輕腎臟IRI。

線粒體生物合成、線粒體動(dòng)力學(xué)及線粒體自噬是腎小管細(xì)胞調(diào)節(jié)線粒體質(zhì)量控制的關(guān)鍵機(jī)制，并且多途徑的線粒體質(zhì)量控制對(duì)于維持腎小管細(xì)胞生理穩(wěn)態(tài)和減輕腎臟IRI 有著重要意義，為后續(xù)研究開(kāi)發(fā)新型線粒體特異性靶向藥物提供了理論支撐。但目前大量研究處于細(xì)胞及動(dòng)物模型階段，對(duì)于具體應(yīng)用到臨床上仍需要大量的實(shí)驗(yàn)研究證據(jù)。此外，我們?nèi)孕柽M(jìn)一步探究分子水平的線粒體質(zhì)量控制與腎臟IRI 之間的作用機(jī)制，為治療或延緩腎臟IRI的發(fā)生發(fā)展提供新的理論依據(jù)。