炎性腸病與線(xiàn)粒體自噬的相關(guān)研究進(jìn)展

吳闖，韓昌鵬，汪慶明，張海巖

(1.上海市寶山區(qū)中西醫(yī)結(jié)合醫(yī)院肛腸科，上海201999;2.上海中醫(yī)藥大學(xué)附屬岳陽(yáng)中西醫(yī)結(jié)合醫(yī)院肛腸科，上海200437)

炎性腸病(inflammatory bowel disease，IBD)主要包括潰瘍性結(jié)腸炎(ulcerative colitis，UC)和克羅恩病(Crohn＇s disease，CD)。UC和CD均是由腸道特異性免疫調(diào)節(jié)異常導(dǎo)致的炎癥性疾病，且病程纏綿，極易反復(fù)，難以治愈。研究發(fā)現(xiàn)，腸道黏膜屏障損傷及炎癥的發(fā)生機(jī)制均與線(xiàn)粒體自噬密切相關(guān)［1］。線(xiàn)粒體自噬是指細(xì)胞在受到活性氧類(lèi)(reactive oxygen species，ROS)、細(xì)胞衰老、營(yíng)養(yǎng)缺乏或者細(xì)菌、病毒感染等刺激后，細(xì)胞內(nèi)線(xiàn)粒體通過(guò)去極化清除多余或受損線(xiàn)粒體的過(guò)程。線(xiàn)粒體的功能障礙可促進(jìn)炎癥的發(fā)生、氧化應(yīng)激并誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡［2］。其中，ROS和核苷酸結(jié)合寡聚化結(jié)構(gòu)域樣受體蛋白3(nucleotide－binding oligomerization domain－like receptor protein 3，NLRP3)炎癥小體與線(xiàn)粒體自噬在UC中的作用已被證實(shí)［3］。UC和CD的多個(gè)易感基因位點(diǎn)均與線(xiàn)粒體自噬密切相關(guān)［4］。藥物治療IBD可能通過(guò)調(diào)控線(xiàn)粒體自噬起作用［5］。目前關(guān)于CD與線(xiàn)粒體自噬的研究較少，但自噬相關(guān)基因多態(tài)性與CD的發(fā)病確實(shí)存在聯(lián)系。線(xiàn)粒體DNA(mitochondrial DNA，mtDNA)突變對(duì)線(xiàn)粒體自噬的影響以及線(xiàn)粒體自噬、mtDNA對(duì)IBD炎癥的發(fā)生和免疫紊亂的作用也受到越來(lái)越多的關(guān)注?，F(xiàn)就IBD與線(xiàn)粒體自噬的相關(guān)研究進(jìn)展予以綜述。

1 線(xiàn)粒體自噬概述

1.1 線(xiàn)粒體功能 線(xiàn)粒體是真核細(xì)胞進(jìn)行氧化代謝的場(chǎng)所，也是一種可控制細(xì)胞代謝、信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、分化、生長(zhǎng)、凋亡和死亡的重要細(xì)胞器，可通過(guò)三羧酸循環(huán)、氧化磷酸化產(chǎn)生ATP為細(xì)胞提供能量，也能儲(chǔ)存鈣離子調(diào)控膜電位，控制細(xì)胞凋亡。線(xiàn)粒體是產(chǎn)生ROS的主要亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)，有10多個(gè)位點(diǎn)［6］;線(xiàn)粒體ROS產(chǎn)生過(guò)多，其強(qiáng)氧化性可破壞mtDNA和蛋白質(zhì)，導(dǎo)致線(xiàn)粒體損傷、壞死，甚至誘發(fā)基因突變、細(xì)胞因子異常表達(dá)、炎癥反應(yīng)以及免疫系統(tǒng)的異常激活，進(jìn)一步增加線(xiàn)粒體ROS生成［7］。適時(shí)清除衰老或受損的線(xiàn)粒體對(duì)細(xì)胞具有保護(hù)作用。

1.2 線(xiàn)粒體自噬途徑 線(xiàn)粒體自噬的作用(促進(jìn)或抑制細(xì)胞死亡)目前尚不明確。由于去極化，線(xiàn)粒體可通過(guò)釋放促凋亡蛋白而激活細(xì)胞凋亡通路。有實(shí)驗(yàn)證據(jù)表明，重要的自噬基因缺失以及溶酶體功能破壞均可促進(jìn)細(xì)胞發(fā)生依賴(lài)于胱天蛋白酶(caspase)的凋亡［8－9］。由此可見(jiàn)，若細(xì)胞通過(guò)自噬清除衰老或功能障礙的線(xiàn)粒體，則線(xiàn)粒體自噬將對(duì)細(xì)胞起到保護(hù)作用。正常細(xì)胞清除受損或衰老線(xiàn)粒體的途徑主要包括:①可逆性損傷發(fā)生時(shí)，有缺陷的線(xiàn)粒體被ATP酶降解為小肽，未折疊的線(xiàn)粒體蛋白通過(guò)蛋白酶系統(tǒng)被靶向降解［10］;②喪失功能的線(xiàn)粒體被選擇性地隔離并通過(guò)線(xiàn)粒體自噬傳遞至溶酶體降解［11］。

自噬是細(xì)胞內(nèi)的主要降解途徑，可將胞內(nèi)物質(zhì)運(yùn)輸至溶酶體內(nèi)降解。自噬主要有3種形式:大自噬、小自噬和分子伴侶介導(dǎo)的自噬［12］。大自噬是一種選擇性的大細(xì)胞自噬，其特征是形成一個(gè)自噬體的雙膜囊泡，最終通過(guò)融合將線(xiàn)粒體轉(zhuǎn)移至核內(nèi)的溶酶體［13］。小自噬是指線(xiàn)粒體被直接隔離到核內(nèi)溶酶體中，在無(wú)自噬體形成的情況下進(jìn)行降解［14］。分子伴侶介導(dǎo)的自噬僅發(fā)生于哺乳動(dòng)物細(xì)胞內(nèi)，通過(guò)溶酶體途徑選擇性降解胞質(zhì)中的熱激蛋白70，進(jìn)而介導(dǎo)線(xiàn)粒體自噬［15］。

1.3 線(xiàn)粒體自噬的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑 線(xiàn)粒體自噬主要包括人第10號(hào)染色體缺失的磷酸酶及張力蛋白同源基因誘導(dǎo)的假定激酶1(phosphatase and tensin homologue deleted on chromosome ten induced putative kinase 1，PINK1)－Parkin信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路和受體介導(dǎo)的線(xiàn)粒體自噬。Parkin是由PARK2基因編碼的一種蛋白，具有E3泛素－蛋白連接酶活性。而Parkin會(huì)被PINK1磷酸化，促進(jìn)Parkin由胞質(zhì)轉(zhuǎn)至線(xiàn)粒體，PINK1和Parkin蛋白可降低線(xiàn)粒體膜電位，引起線(xiàn)粒體自噬［16］。Parkin能夠被選擇性地募集到膜電位降低的線(xiàn)粒體，并且介導(dǎo)線(xiàn)粒體被自噬體包裹形成一種雙膜結(jié)合的囊泡(自噬體)，而適配器蛋白［如自噬蛋白p62、視神經(jīng)病變誘導(dǎo)反應(yīng)蛋白(optineurin，OPTN)、核點(diǎn)蛋白52(nuclear dot protein 52，NDP52)］可識(shí)別線(xiàn)粒體蛋白上的磷酸化多聚泛素鏈，并通過(guò)與微管相關(guān)蛋白1A/1B輕鏈(light chain，LC)3結(jié)合形成自噬體［17］。TANK結(jié)合激酶1(TANK binding kinase 1，TBK1)可通過(guò)磷酸化OPTN形成OPTN－TBK1復(fù)合物，從而建立促進(jìn)線(xiàn)粒體清除的反饋機(jī)制［18］。PINK1－Parkin線(xiàn)粒體泛素化途徑還會(huì)招募OPTN/NDP52并激活TBK1，促進(jìn)線(xiàn)粒體自噬，其中還需要OPTN、NDP52和自噬蛋白p62/SQSTM1(sequestosome－1)的參與［19］。

蛋白折疊是維持細(xì)胞功能的關(guān)鍵，分子伴侶蛋白可介導(dǎo)線(xiàn)粒體維持細(xì)胞功能和內(nèi)穩(wěn)態(tài)平衡［20］。Li等［21］研究發(fā)現(xiàn)，線(xiàn)粒體膜外自噬受體蛋白FUN14結(jié)構(gòu)域蛋白1與熱激蛋白70相互作用，通過(guò)線(xiàn)粒體外膜轉(zhuǎn)移酶/線(xiàn)粒體內(nèi)膜轉(zhuǎn)移酶復(fù)合物介導(dǎo)細(xì)胞質(zhì)蛋白酶體底物的線(xiàn)粒體易位，進(jìn)入線(xiàn)粒體內(nèi)被Lon線(xiàn)粒體蛋白同源物1蛋白酶降解;線(xiàn)粒體內(nèi)未折疊蛋白的過(guò)度積累可觸發(fā)線(xiàn)粒體相關(guān)蛋白聚集體形成，并以FUN14結(jié)構(gòu)域蛋白1依賴(lài)性方式自噬降解。

Nix是介導(dǎo)線(xiàn)粒體自噬的重要蛋白，Nix高表達(dá)可引起線(xiàn)粒體膜電位變化［22］，從而激活Pink1－Parkin通路誘導(dǎo)線(xiàn)粒體自噬。有研究顯示，Nix可調(diào)控Parkin向線(xiàn)粒體募集，激活Parkin－Ubiquitin－p62，介導(dǎo)線(xiàn)粒體自噬［23］。Nix還能招募微管相關(guān)蛋白輕鏈識(shí)別序列模體自噬相關(guān)蛋白(autophagy，Atg)8家族成員LC3A、γ－氨基丁酸受體相關(guān)蛋白、γ－氨基丁酸受體相關(guān)蛋白L1、γ－氨基丁酸受體相關(guān)蛋白L2相互作用，誘導(dǎo)線(xiàn)粒體自噬［24］。同時(shí)，Nix還可增加細(xì)胞質(zhì)中游離的Beclin－1水平，其機(jī)制是唯BH3域蛋白與Beclin－1競(jìng)爭(zhēng)Bcl－2或Bcl－xL，從而提高細(xì)胞質(zhì)中Beclin－1水平，而B(niǎo)eclin－1是參與自噬泡生成的重要蛋白，且Bcl－2或Bcl－xL與Beclin－1的結(jié)合產(chǎn)物可抑制自噬［25］。另有研究顯示，細(xì)胞中缺乏Nix時(shí)，細(xì)胞內(nèi)線(xiàn)粒體自噬泡水平并不受影響［26］。因此，線(xiàn)粒體自噬可能還存在其他途徑，未來(lái)需深入研究。

2 UC與線(xiàn)粒體自噬

線(xiàn)粒體自噬參與許多自身免疫性疾病的發(fā)病，也與炎癥性疾病密切相關(guān)。有研究表明，UC患者腸黏膜上皮通透性增加，腸黏膜屏障損傷可能是導(dǎo)致其發(fā)病的一個(gè)重要因素［27］。腸上皮細(xì)胞黏膜屏障功能完整性的維持依賴(lài)于能量供應(yīng)，而線(xiàn)粒體功能可能是保護(hù)腸上皮細(xì)胞黏膜屏障功能的關(guān)鍵［28］。UC的發(fā)病受mtDNA和細(xì)胞核DNA的雙重調(diào)控［29］。線(xiàn)粒體功能障礙導(dǎo)致腸上皮細(xì)胞受損(如Paneth細(xì)胞、杯狀細(xì)胞功能障礙甚至缺失)，進(jìn)而導(dǎo)致腸上皮細(xì)胞屏障功能降低、通透性增加，刺激腸道炎癥發(fā)生［30］。

2.1 UC與Atg、ROS的關(guān)系 UC發(fā)病及其病情程度與多種自噬蛋白、ROS增多相關(guān)。線(xiàn)粒體的降解與一系列Atg密切相關(guān)，如Atg32［31］、Atg8［32］和Atg11［33］可作用于線(xiàn)粒體表面，并促進(jìn)線(xiàn)粒體中核心Atg蛋白的組裝，而p62/SQSTM1與吞噬線(xiàn)粒體膜表面Atg8同源蛋白LC3結(jié)合誘導(dǎo)形成自噬泡，從而誘導(dǎo)線(xiàn)粒體分解［34］。研究顯示，葡聚糖硫酸鈉(dextran sulphate sodium salt，DSS)可誘導(dǎo)UC小鼠結(jié)腸組織中腫瘤壞死因子－α(tumor necrosis factor－α，TNF－α)、白細(xì)胞介素(interleukin，IL)－1β表達(dá)上調(diào)，而LC3B、p62以及Atg7的表達(dá)均下調(diào)［35］。Atg7、LC3B主要用于檢測(cè)自噬活性，p62作為自噬底物，其水平可作為自噬水平的指征。

線(xiàn)粒體是ROS產(chǎn)生的主要場(chǎng)所，在細(xì)胞死亡中發(fā)揮核心作用。有研究發(fā)現(xiàn)，UC患者的血漿、血清，甚至其呼出氣體和唾液中均可檢測(cè)到高濃度的氧化分子，且UC的嚴(yán)重程度與氧化應(yīng)激呈正相關(guān)［36］。長(zhǎng)時(shí)間的氧化應(yīng)激可降低線(xiàn)粒體的生物功能和穩(wěn)態(tài)，促進(jìn)細(xì)胞損傷，并最終導(dǎo)致細(xì)胞死亡［30］。線(xiàn)粒體是細(xì)胞內(nèi)ROS產(chǎn)生的主要場(chǎng)所，但不是唯一場(chǎng)所。目前關(guān)于激活腸炎的ROS來(lái)源仍存在爭(zhēng)議。但有研究顯示，ROS對(duì)于腸道可能具有一定的正向作用［37］。

2.2 UC中線(xiàn)粒體自噬與炎癥因子的關(guān)系 細(xì)胞ROS異常還與某些炎癥因子有關(guān)。Dashdorj等［38］研究發(fā)現(xiàn)，在DSS誘導(dǎo)的小鼠結(jié)腸炎模型中，小鼠結(jié)腸和小腸黏膜中的過(guò)氧化氫酶、谷胱甘肽過(guò)氧化物酶和超氧化物歧化酶水平均顯著低于肝臟組織，而應(yīng)用線(xiàn)粒體靶向抗氧化物MitQ治療后，線(xiàn)粒體中ROS以及IL－1β、IL－18的表達(dá)水平降低。而IL－1β不僅可促進(jìn)炎癥，還可增加結(jié)腸黏膜的通透性［39］。Wang等［40］通過(guò)研究猴頭菌多糖對(duì)結(jié)腸炎大鼠的治療作用發(fā)現(xiàn)，猴頭菌多糖可通過(guò)抑制腸炎小鼠細(xì)胞線(xiàn)粒體ROS水平降低TNF－α、IL－6、IL－8和核因子κB p65的表達(dá)，從而減輕炎癥反應(yīng);且DSS誘導(dǎo)的大鼠模型線(xiàn)粒體均呈嵴塌陷、膨脹和破碎狀態(tài)，其膜電位變化較正常小鼠減少70%。綜上，UC的發(fā)生可能與細(xì)胞ROS水平異常、線(xiàn)粒體自噬密切相關(guān)，但ROS變化與線(xiàn)粒體自噬是否為導(dǎo)致炎癥的關(guān)鍵因素目前仍不清楚。

2.3 UC中線(xiàn)粒體自噬與NLRP3炎癥小體的關(guān)系UC中線(xiàn)粒體自噬還與炎癥小體相關(guān)，UC患者腸道或血清中的NLRP3水平顯著升高［41］。線(xiàn)粒體可以通過(guò)激活炎癥小體的分子復(fù)合物調(diào)節(jié)細(xì)胞的促炎反應(yīng)。細(xì)胞外ROS、mtDNA、ATP刺激或細(xì)胞內(nèi)(如線(xiàn)粒體損傷)產(chǎn)生的ROS、活性氮均可導(dǎo)致NLRP3與凋亡相關(guān)斑點(diǎn)樣蛋白形成復(fù)合物，該復(fù)合物進(jìn)一步募集前體caspase－1形成活性NLRP3炎癥小體，刺激caspase－1裂解，釋放活化的IL－1β和IL－18［42］。Banoth和Cassel［43］發(fā)現(xiàn)，線(xiàn)粒體還可通過(guò)模式識(shí)別受體進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)，誘導(dǎo)腸道炎癥的發(fā)生。此外，當(dāng)線(xiàn)粒體被破壞或突變時(shí)，可導(dǎo)致過(guò)度的氧化應(yīng)激抑制ATP的產(chǎn)生，進(jìn)而導(dǎo)致代謝鏈抑制和mtDNA破壞［44］。

2.4 UC與mtDNA的關(guān)系 UC的發(fā)生可能與mtDNA突變有關(guān)。Boyapati等［45］發(fā)現(xiàn)，UC患者結(jié)腸黏膜中的線(xiàn)粒體損傷明顯，患者糞便中的mtDNA水平顯著升高;同時(shí)，DSS誘導(dǎo)的急性結(jié)腸炎小鼠血漿中的mtDNA水平也顯著升高，且與炎癥程度呈正相關(guān);與健康人群相比，UC和CD患者結(jié)腸黏膜中的Toll樣受體9以及固有層炎癥細(xì)胞顯著升高，可能由于UC中線(xiàn)粒體裂解增加，可在細(xì)胞中檢測(cè)到更多的mtDNA。mtDNA是Toll樣受體9的激動(dòng)劑，mtDNA－Toll樣受體9模式在腸道黏膜炎癥發(fā)生中具有重要作用。mtDNA突變還可能促進(jìn)UC患者癌變，但已癌變患者中的mtDNA突變不明顯［37］。然而，Tanaka等［46］發(fā)現(xiàn)，UC癌變患者腸黏膜非腫瘤區(qū)mtDNA突變顯著。因此，UC的發(fā)生可能是由于某些信號(hào)分子導(dǎo)致細(xì)胞或線(xiàn)粒體內(nèi)ROS、mtDNA以及其他相關(guān)基因突變，擾亂了正常的線(xiàn)粒體代謝途徑和線(xiàn)粒體自噬過(guò)程，但確切途徑目前仍不清楚，未來(lái)仍需更多的研究證實(shí)。

3 CD與線(xiàn)粒體自噬

CD病理可以影響腸道的任何部位，包括回腸末端，病變可累及腸壁深層。CD和UC具有共同的疾病易感性和共同的基因圖譜。潘氏細(xì)胞受損和減少是CD腸道病理發(fā)生的重要機(jī)制。Khaloian等［47］敲除小鼠TNF基因3＇端富含AU的60 bp片段后建立回腸炎小鼠模型，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，小鼠回腸炎癥與潘氏細(xì)胞中的溶菌酶和隱窩中的亮氨酸重復(fù)序列G蛋白偶聯(lián)受體5的減少均呈負(fù)相關(guān);而腸道干細(xì)胞中熱激蛋白60的缺失可導(dǎo)致線(xiàn)粒體的代謝障礙。Jackson等［48］也發(fā)現(xiàn)，線(xiàn)粒體功能障礙可導(dǎo)致潘氏細(xì)胞中的線(xiàn)粒體內(nèi)膜抗增殖蛋白減少，從而增加CD患者的回腸炎癥。

3.1 CD中線(xiàn)粒體自噬與炎癥的關(guān)系 CD患者腸道上皮單核吞噬細(xì)胞中發(fā)生的炎癥刺激源于還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶亞基的突變［49］。Pierre等［50］研究顯示，CD患者回腸及結(jié)腸中的線(xiàn)粒體蛋白豐度顯著低于正常人群。CD患者回腸中電信號(hào)的高線(xiàn)粒體活性還與CD病程的防御有關(guān)［51］。OPTN蛋白是OPTN基因編碼的577aa蛋白，其與CD密切相關(guān)［52］。OPTN是線(xiàn)粒體自噬PINK1－Parkin通路的依賴(lài)性受體，OPTN基因的啟動(dòng)子上有核因子κB結(jié)合位點(diǎn)，可啟動(dòng)促炎因子的表達(dá)，而受損線(xiàn)粒體被清除會(huì)限制炎癥自噬受體p62參與核因子κB表達(dá)的過(guò)程［53］。但有研究顯示，p62在PINK1－Parkin通路中并不是必需的［10］。

3.2 CD中基因突變與線(xiàn)粒體自噬的關(guān)系 IL－10受體α基因、IL－10受體β基因、核苷酸結(jié)合寡聚化結(jié)構(gòu)域蛋白2基因、X染色體連鎖凋亡抑制蛋白基因、細(xì)胞凋亡抑制蛋白2基因、免疫相關(guān)GTP酶家族M蛋白1基因、X盒結(jié)合蛋白1等基因突變的機(jī)制可能是線(xiàn)粒體自噬的缺失［54－55］。有研究顯示，X染色體連鎖凋亡抑制蛋白基因突變?nèi)巳阂谆糃D［56］。CD患者的核苷酸結(jié)合寡聚化結(jié)構(gòu)域蛋白2基因也通常發(fā)生突變［57］。細(xì)胞凋亡抑制蛋白2和X染色體連鎖凋亡抑制蛋白均可促進(jìn)自噬體－溶酶體融合導(dǎo)致線(xiàn)粒體自噬［58］。自噬基因Atg16L1的多態(tài)性與CD相關(guān)，缺乏Atg16L1的腸黏膜出現(xiàn)潘氏細(xì)胞缺失，并表現(xiàn)出TNF介導(dǎo)的細(xì)胞壞死，而TNF－α或受體相互作用蛋白激酶抑制劑則可減輕IBD模型的炎癥［59］。Zhang等［60］研究表明，Atg16L1缺乏可導(dǎo)致巨噬細(xì)胞功能改變，加重CD病情。Liu等［61］通過(guò)敲除DSS誘導(dǎo)的結(jié)腸炎小鼠的免疫相關(guān)GTP酶家族M蛋白1基因發(fā)現(xiàn)，免疫相關(guān)GTP酶家族M蛋白1基因可能通過(guò)調(diào)節(jié)腸上皮細(xì)胞及潘氏細(xì)胞中的線(xiàn)粒體自噬過(guò)程調(diào)節(jié)小鼠腸道的急性炎癥反應(yīng)。

4 小 結(jié)

IBD是由腸上皮細(xì)胞能量缺失導(dǎo)致的疾病，與腸上皮細(xì)胞的線(xiàn)粒體損傷密切相關(guān)。盡管目前尚無(wú)證據(jù)表明線(xiàn)粒體自噬與IBD存在因果關(guān)系，但線(xiàn)粒體自噬與IBD確實(shí)存在潛在聯(lián)系。多種刺激和環(huán)境條件均可擾亂線(xiàn)粒體功能，但I(xiàn)BD腸道線(xiàn)粒體應(yīng)激的主要刺激因素目前尚未明確。而腸上皮細(xì)胞中的線(xiàn)粒體自噬是腸道免疫失常和炎癥過(guò)程主要的誘發(fā)因素。外來(lái)刺激或基因突變等可能是導(dǎo)致線(xiàn)粒體功能障礙、自噬失調(diào)的誘發(fā)因素，線(xiàn)粒體功能障礙及自噬失衡會(huì)影響細(xì)胞的正常代謝，導(dǎo)致腸上皮的通透性增加。外來(lái)刺激或基因突變與腸道其他因素(如微生物群)相互作用導(dǎo)致腸上皮的通透性增加，共同作用導(dǎo)致IBD發(fā)生。目前線(xiàn)粒體自噬在IBD中的作用研究仍處于初級(jí)階段，未來(lái)仍需深入的研究闡明線(xiàn)粒體自噬在IBD發(fā)病中的作用機(jī)制。