線粒體功能障礙在急性腎損傷向慢性腎臟病轉變中作用機制的研究進展

趙孝杰，王磊，陳志遠，劉修恒

(武漢大學人民醫(yī)院泌尿外科，武漢 430060)

急性腎損傷(acute kidney injury，AKI)是一種常見的以腎小球濾過率急劇下降為臨床特征的綜合征，主要病因包括腎缺血再灌注損傷、腎輸尿管梗阻、膿毒血癥以及腎毒性藥物的使用等[1]。目前，AKI的發(fā)病率呈逐年上升趨勢，危重患者比例及病死率居高不下，AKI后慢性腎臟病(chronic kidney disease，CKD)進展的風險增加，其中相當一部分患者最終發(fā)展為終末期腎病[2]。近年一項研究證實，住院期間發(fā)生AKI并恢復腎功能的患者在中位隨訪2.5年后發(fā)展為3期CKD的風險是未發(fā)生AKI患者的2倍[3]；而另一項薈萃分析顯示，AKI患者發(fā)生CKD的風險較正常人高8.8倍，進展為終末期腎病的風險則高3.1倍[4]。AKI和CKD之間存在雙向聯系，CKD是AKI的病理結局，AKI是CKD發(fā)生和發(fā)展的危險因素，盡管研究人員已經發(fā)現了一些與AKI及其進展有關的分子和途徑，主要包括腎單位丟失、細胞周期阻滯、炎性損傷、內皮細胞損傷和線粒體功能障礙，但尚無有效干預措施來阻止或逆轉 AKI-CKD轉變。作為參與生物能量代謝的主要細胞器，線粒體功能發(fā)生障礙在AKI向CKD進展的過程中起著不可或缺的作用，目前該領域的主要研究方向為靶向調控線粒體生理功能及維持其在生物體內的動態(tài)平衡，但迄今為止尚缺乏有效的調控靶點。因此，進一步探究線粒體功能障礙與AKI向CKD轉變的相關發(fā)生機制對以此為靶點治療干預此病理過程具有重要意義?，F就線粒體功能障礙在AKI向CKD轉變中的作用機制予以綜述。

1 線粒體生物合成下調

線粒體生物合成是一個復雜的過程，涉及線粒體內外膜和線粒體編碼蛋白的合成以及線粒體DNA的復制以適應增加的能量需求。幾種調控因子已被確認參與線粒體生物合成，如過氧化物酶體增殖物激活受體γ輔刺激因子-1α(peroxisome proliferator-activated receptor γ coactivator-1α，PGC-1α)、AMP活化的蛋白激酶、核呼吸因子1和核呼吸因子2[5]?？偟膩碚f，應激行為(如饑餓或運動)會導致AMP活化的蛋白激酶介導的PGC-1α磷酸化，以及煙酰胺腺嘌呤二核苷酸(nicotinamide adenine dinucleotide，NAD)水平升高并導致沉默信息調節(jié)因子1(slient information regulator 1，SIRT1)激活，SIRT1是一種依賴NAD的脫乙酰酶，可使PGC-1α去乙酰化，活化的PGC-1α轉移到細胞核，激活核呼吸因子1和核呼吸因子2，隨后轉錄編碼呼吸鏈的核成分和線粒體轉錄因子A，從而促進線粒體蛋白的合成，線粒體DNA的復制和轉錄，以及新的線粒體的生物合成[6]。

線粒體生物合成功能受損可能有助于AKI后的不良適應性修復及隨后的纖維化進展，而PGC-1α是其主要的調控因子。在葉酸誘導的AKI小鼠模型中，線粒體的DNA拷貝數持續(xù)下降并伴隨腎臟早期纖維化快速進展，而線粒體生物合成的關鍵轉錄調節(jié)器在葉酸注射后也呈持續(xù)性下降[7]。另外，PGC-1α基因敲除的小鼠存在自發(fā)性的腎小管間質炎癥，對膿毒血癥誘導的AKI易感性增加，并使得隨后的腎功能恢復情況惡化[8]。而在單側輸尿管梗阻的動物模型中，PGC-1α基因表達也被顯著抑制，并與腎纖維化進程相關[9]。

此外，多種其他因素通過直接或間接調控PGC-1α參與線粒體生物合成。一種NAD的前體煙酰胺單核苷酸被證實可顯著抑制腎小管細胞的DNA損傷、衰老和炎癥，改善AKI后的線粒體生物合成功能障礙并延緩纖維化進程，而NAD是PGC-1α磷酸化的重要調節(jié)因子[10]。5-羥色胺1F受體被發(fā)現是線粒體生物合成的重要調控因子，在腎缺血再灌注損傷所誘導的AKI及隨后的修復過程中起重要的保護作用[11]。腎臟作為人體重要的器官之一，需要大量的能量來維持新陳代謝、血流動力學穩(wěn)定、酸堿和電解質平衡、營養(yǎng)重吸收和激素分泌，而線粒體作為細胞能量的主要供給來源，其生物合成的穩(wěn)定至關重要。在AKI后線粒體生物合成功能受損，相關調控蛋白、酶及其受體合成受到抑制，導致能量供應障礙，并介導其后持續(xù)的細胞損傷及纖維化進展，所以靶向保護相關調控因子的功能將是未來的主要研究方向。

2 線粒體生物動力學改變

線粒體是一種動態(tài)變化的細胞器，通過保持分裂融合之間的動態(tài)平衡以適應各種應激條下生物體內能量代謝需求的變化。線粒體動力學包括線粒體融合和分裂兩個步驟。其中，線粒體融合蛋白1、線粒體融合蛋白2和視神經萎縮蛋白1(optic atrophy 1，OPA1)是調控線粒體融合的關鍵分子。

線粒體融合由兩個步驟驅動，外膜融合由線粒體融合蛋白1和線粒體融合蛋白2介導，內膜融合由OPA1介導[12]。線粒體分裂則主要由動力相關蛋白1(dynamic-related protein 1，DRP1)介導，通過在線粒體外膜募集相關受體并與之結合形成多聚體從而驅動分裂執(zhí)行，這些受體包括線粒體動力蛋白49、線粒體動力蛋白51和線粒體裂變因子以及線粒體分裂蛋白1[13]。這一過程被多個磷酸化、泛素化、類泛素化的翻譯位點修飾調控[14]。

Sirtuins(沉默信息調節(jié)蛋白)是調節(jié)細胞健康的蛋白質家族，在調節(jié)細胞穩(wěn)態(tài)中起至關重要的作用。3種組蛋白去乙?；窼IRT3、SIRT4和SIRT5位于線粒體中，并以NAD+依賴的方式調控線粒體功能。其中，SIRT3被發(fā)現通過激活胞外信號調節(jié)激酶所調控的OPA1，促發(fā)線粒體融合并維持線粒體動態(tài)平衡以改善線粒體損傷以及腎小管上皮細胞凋亡[15]。DRP1介導的線粒體分裂促進腎臟成纖維細胞活化和纖維化形成，在纖維化腎臟中DRP1磷酸化以及組蛋白H3第27位賴氨酸殘基的乙?；斤@著升高，而DRP1抑制劑可改善轉化生長因子-β誘導的組蛋白H3第27位賴氨酸殘基的乙?；瑥亩种瞥衫w維細胞的活化和增殖[16]。近年研究發(fā)現，腎缺血再灌注損傷后近端腎小管DRP1特異性的缺失可改善進行性的腎臟損傷和纖維化，并促進上皮細胞的恢復[17]。線粒體通過維持分裂與融合兩個對立的生理過程的動態(tài)平衡以保持其功能上的穩(wěn)態(tài)，OPA1和DRP1分別作為線粒體分裂融合的重要功能蛋白，在這一過程中起重要作用，而維持AKI向CKD轉變過程中線粒體生物動力學的穩(wěn)定將有效改善和延緩AKI后的纖維化進展。

3 線粒體自噬

線粒體自噬是一種選擇性的自噬形式，可以特異性地清除多余或受損的線粒體。目前主要有兩種被廣泛接受的線粒體自噬途徑，包括泛素依賴機制和獨立非泛素依賴機制。其中，泛素依賴機制由人第10號染色體缺失的磷酸酶及張力蛋白同源基因誘導激酶 1(phosphatase and tensin homologue deleted on chromosome ten-induced putative kinase 1，PINK1)和parkin E3泛素連接酶(parkin RBR E3 ubiquitin protein ligase，PRKN)共同調控，獨立非泛素依賴機制主要由線粒體外膜上的有絲分裂受體調控，包括Bcl-2/腺病毒E1B相互作用蛋白3(Bcl-2/adenovirus E1B interacting protein 3，BNIP3)、NIX以及FUN14結構域包含蛋白1(FUN14 domain containing 1，FUNDC1)[18]。

PINK1是線粒體絲氨酸/蘇氨酸激酶，PRKN是胞質E3泛素連接酶。在正常情況下，PINK1被組裝后導入線粒體，線粒體加工肽酶去除PINK1的N端線粒體靶向信號后，由早老素相關菱形蛋白切割PINK1，產生含有激酶結構域的蛋白質片段，并將其釋放到細胞質中，然后由PRKN介導該蛋白質片段的泛素化，最后通過蛋白酶降解泛素化產物。而在應激條件下，線粒體膜電位的喪失阻礙了PINK1進入線粒體，導致PINK1積聚在線粒體外膜并通過直接磷酸化PRKN，將PRKN從胞質招募到受損的線粒體上，并激活PRKN的活性。被激活的PRKN在線粒體外膜蛋白上構建泛素鏈。受泛素標記的線粒體隨后被自噬受體蛋白識別，并最終導致線粒體自噬降解[19]。

BNIP3和NIX是定位于線粒體外膜的自噬調節(jié)蛋白，在缺氧條件下受缺氧誘導因子-1和叉頭框轉錄因子O的激活，從而誘導受損線粒體自噬清除[20]。FUNDC1通過連接線粒體與自噬小體以誘導細胞應激狀態(tài)下的線粒體自噬，磷酸化在其調控過程中起關鍵作用，而FUNDC1的過表達被證實可以促進線粒體自噬的發(fā)生[21]。

PINK1-PARK信號通路被證實在腎纖維化中起保護作用，在單側輸尿管梗阻模型成模后第3天開始觀察到顯著的線粒體自噬激活，而PINK1或PARK2的缺失導致了腎臟纖維化程度進一步加重[22]。另外，有研究證實BNIP3介導的線粒體自噬激活在AKI期間線粒體質量控制及腎小管細胞保護中起關鍵作用[23]。腎缺血預處理是延緩AKI后腎小管損傷及腎間質纖維化的有效途徑，而FUNDC1介導的線粒體有絲分裂則被證實與缺血預處理所介導的AKI后腎保護作用呈正相關[24]。因此，自噬作為生物體內廣泛存在的一種生物學現象，其作用的兩面性讓靶向調控這一過程以治療腎臟疾病面臨挑戰(zhàn)。在AKI向CKD轉變的過程中，線粒體自噬似乎對維持線粒體功能起著正向作用，但目前尚沒有特定且有效的線粒體自噬激活劑，故進一步探討線粒體自噬的分子機制及尋找線粒體自噬的調控因子是未來研究的主要方向。

4 線粒體生物能量學障礙

腎臟細胞主要以線粒體產生的ATP供能，而ATP主要依賴于氧化磷酸化通過耦合電子傳遞和質子泵轉運而產生。氧化磷酸化的電子傳遞鏈由線粒體膜上的4個蛋白復合體以及2個電子移動載體構成。電子從糖酵解和三羧酸循環(huán)中的電子載體被轉移到泛醌及細胞色素C，最終轉移到O2并形成H2O。這一系列的氧化還原反應釋放的能量導致跨線粒體膜的電化學質子梯度產生，并在ATP合成酶的作用下驅動ATP生成[25]。

當存在生物能量供應障礙的情況下，細胞氧化應激水平上升，雖然低水平的活性氧類是維持正常細胞功能必不可少，但病態(tài)高水平的活性氧類可以破壞脫氧核苷酸、蛋白質及脂質的活性，從而導致電子傳遞受阻，細胞內ATP水平下降，線粒體膜電位喪失并最終導致細胞死亡[26]。AKI后線粒體功能持續(xù)受損，線粒體生物能量供應發(fā)生障礙，其后腎臟的不良適應性修復導致CKD的發(fā)生。

順鉑導致的AKI是CKD已知的獨立危險因素之一，在順鉑誘導的AKI小鼠模型中，線粒體功能障礙在AKI后的修復過程中持續(xù)存在，并伴隨超氧化物歧化酶水平的持續(xù)升高，而一種小分子超氧化物歧化酶模擬物GC4419的預處理顯著減少了小鼠腎臟細胞內線粒體氧化代謝障礙及腎纖維化，這進一步證實了超氧化物介導的線粒體氧化代謝障礙是AKI向CKD進展的重要因素[27]。然而，抗氧化劑N-乙酰半胱氨酸被證實可阻止腎缺血早期近端腎小管上皮細胞的凋亡，但在長期的修復過程中其可促進間質細胞的增生，增加轉化生長因子-β的表達，并顯著抑制核轉錄因子紅系2相關因子2啟動的細胞保護信號。從缺血后長期的適應性修復過程來看，N-乙酰半胱氨酸可能作為一種超氧化物歧化酶的激動劑通過抑制損傷初期的內源性細胞抗氧化反應加劇細胞線粒體氧化代謝功能障礙，從而導致持續(xù)性的腎臟損傷及纖維化進展[28]。該研究結果顯示，單純的抗氧化劑在AKI向CKD轉變過程中的作用可能與阻止內源性細胞的保護反應啟動相關。這表明影響線粒體生物代謝的途徑可能是多樣的，多元的調控通路及通路之間的串擾讓靶向調控線粒體生物能量代謝面臨困難，可能需進一步探究AKI向CKD轉變中更具針對性的治療靶點。

5 線粒體與內質網串擾

線粒體和內質網是兩個互相影響的動態(tài)變化的細胞器。兩者在多個接觸位點具有結構連續(xù)性，該結構被稱為線粒體內質網相關膜。線粒體內質網信號轉導缺陷或線粒體內質網相關膜功能障礙對多種細胞內事件具有多效性，導致線粒體質量控制系統(tǒng)Ca2+受到干擾，線粒體穩(wěn)態(tài)失衡，細胞凋亡，內質網應激和炎癥小體激活，這些均有助于腎臟疾病的發(fā)生和發(fā)展[29]。

激活轉錄因子6α是內質網相關未折疊蛋白反應的轉錄因子以及脂肪酸代謝的上游調節(jié)劑，在AKI后被激活，繼而導致過氧化物酶體增殖物激活受體α表達下調，脂肪酸β-氧化活性降低和脂質滴的胞質積累，從而誘導腎小管炎癥和纖維化[30]。在順鉑誘導的AKI動物模型中，線粒體功能持續(xù)性受損，線粒體DNA通過線粒體外膜內小管中的Bcl-2樣蛋白4泄漏到細胞質中，隨后激活環(huán)鳥苷酸-腺苷酸合成酶-干擾素基因刺激因子信號通路并誘導腎小管炎癥,從而促進AKI后不良適應性修復[31]。線粒體Ca2+攝入過量導致卵磷酸蛋白過濾功能受損是糖尿病腎病的一個關鍵特征，而辣椒素被證實可通過激活瞬時受體電位香草酸亞型1以緩解線粒體功能障礙，減少線粒體相關膜的形成及阻礙Ca2+從內質網相關膜傳遞到線粒體的過程，從而逆轉了足細胞的線粒體功能障礙[32]。這些發(fā)現提示，線粒體-內質網串擾的改變有助于腎臟損傷的進展。線粒體及內質網在結構與功能上存在緊密聯系，因此靶向調控線粒體-內質網的串擾可能是今后治療AKI后CKD的一個新思路。

6 小 結

CKD已成為全球增長最快的死因之一，當CKD進展為終末期腎病時，患者通常需要血液透析及腎臟移植來替代腎臟功能，為患者及社會帶來了極大的負擔。因此，早期預防并治療AKI-CKD轉變對保護腎功能具有重要意義。闡明AKI向CKD轉變的分子機制一直是腎臟研究的熱點，越來越多的研究正在揭示線粒體功能障礙在AKI-CKD轉變中的關鍵作用。線粒體的功能障礙主要由粒體生物合成下調，線粒體生物動力學改變，線粒體自噬，線粒體生物能量學改變以及線粒體-內質網串擾等構成，但這些過程的具體分子機制仍需進一步研究。在AKI-CKD轉變中存在明顯的線粒體功能障礙，并導致AKI后持續(xù)性的不良適應性修復以及CKD的發(fā)生。因此，修復線粒體功能障礙可能是改善腎損傷，延緩腎纖維化發(fā)展的一個極具潛力的治療靶點，未來需進一步研究。