線粒體自噬信號(hào)通路與神經(jīng)退行性疾病

唐 悅 曾常茜

（大連大學(xué)醫(yī)學(xué)院 遼寧大連 116622）

神經(jīng)退行性疾病是神經(jīng)元結(jié)構(gòu)或功能逐漸喪失甚至死亡而導(dǎo)致功能障礙的一類疾病，其特征是漸進(jìn)性和進(jìn)行性的神經(jīng)元丟失和神經(jīng)功能衰退。隨著時(shí)間的推移，神經(jīng)退行性疾病逐漸惡化，出現(xiàn)認(rèn)知和行為功能障礙，嚴(yán)重?fù)p害患者的生活質(zhì)量[1]。神經(jīng)退行性疾病主要包括帕金森病、阿爾茲海默病、腦缺血再灌注等，其神經(jīng)元死亡機(jī)制尚未完全清楚，早期診斷困難，仍缺乏有效的治療措施。線粒體功能障礙是神經(jīng)退行性疾病的常見(jiàn)原因。近期研究表明，線粒體自噬（mitophagy）障礙可引起損傷線粒體的過(guò)度累積，造成神經(jīng)元損傷，促進(jìn)神經(jīng)退行性疾病的發(fā)生和發(fā)展[2-4]。本文主要對(duì)Parkin/PINK1、NIX/BNIP3L、FUNDC1介導(dǎo)線粒體自噬途徑在神經(jīng)退行性疾病過(guò)程中的作用進(jìn)行綜述，以期闡明其在神經(jīng)退行性疾病中的機(jī)制，為神經(jīng)退行性疾病的診斷治療奠定基礎(chǔ)。

一、線粒體自噬概述

線粒體自噬即細(xì)胞經(jīng)過(guò)自噬過(guò)程，靶向選擇降解受損的或不需要的線粒體。適量的線粒體自噬會(huì)調(diào)節(jié)線粒體數(shù)量，維持細(xì)胞健康。若線粒體自噬機(jī)制出現(xiàn)障礙，會(huì)使線粒體的功能下降，導(dǎo)致細(xì)胞發(fā)生病變或引起某些疾病的發(fā)生[4]。在哺乳動(dòng)物體內(nèi)，線粒體自噬主要包括兩種，一種是PTEN誘導(dǎo)假定激酶1（PINK1）-Parkin依賴性線粒體自噬；另一種是PINK1-Parkin非依賴性線粒體自噬，主要包括FUNDC1誘導(dǎo)的線粒體自噬和Bnip3L/NIX介導(dǎo)的線粒體自噬[5]。

二、線粒體自噬信號(hào)通路與神經(jīng)退行性疾病

（一）PINK1和Parkin介導(dǎo)的線粒體自噬與神經(jīng)退行性疾病

PINK1、Parkin及泛素在PINK1-Parkin依賴性線粒體自噬中具有重要作用。線粒體膜電位發(fā)生破壞，會(huì)導(dǎo)致PINK1在線粒體外膜上累積。正常情況下，Parkin通過(guò)自身機(jī)制處于抑制狀態(tài)，當(dāng)線粒體損傷后，其構(gòu)象發(fā)生變化，轉(zhuǎn)化為有活性的E3泛素連接酶。PINK1主要通過(guò)兩種方式參與線粒體自噬，一種為PINK1介導(dǎo)Parkin的磷酸化，Parkin的Ubl氨基酸序列約有30%與泛素相同、50%與泛素相似，并且Ubl與泛素中的Ser65相同，PINK1磷酸化Ser65，產(chǎn)生pSer65-Parkin[6]；另一種，PINK1中的Ser202和Ser204可以自動(dòng)磷酸化并形成插入構(gòu)象，區(qū)別于其他的蛋白激酶，從而識(shí)別泛素。PINK1與泛素結(jié)合后，形成獨(dú)特的C端回縮構(gòu)象，使得Ser65更以磷酸化，產(chǎn)生pSer65-Ub[7]。pSer65-Parkin和pSer65-Ub結(jié)合增強(qiáng)泛素鏈的活性，使其能夠迅速包圍損傷線粒體，介導(dǎo)線粒體泛素化。綜上，線粒體損傷后，PINK1在線粒體外膜上積累，介導(dǎo)Parkin以及泛素磷酸化。在正反饋?zhàn)饔孟?，線粒體發(fā)生泛素化，并募集自噬受體至線粒體外膜與溶酶體結(jié)合，導(dǎo)致自噬體內(nèi)容物發(fā)生降解。

1.PINK1、Parkin介導(dǎo)的線粒體自噬與帕金森

帕金森（Parkinson's disease，PD），是人類第二常見(jiàn)的慢性神經(jīng)退行性疾病，通常認(rèn)為是由于多巴胺神經(jīng)元的丟失、變性以及由α-突觸核蛋白構(gòu)成的路易小體在多巴胺神經(jīng)元內(nèi)聚集導(dǎo)致，主要表現(xiàn)為靜止性震顫、僵硬、運(yùn)動(dòng)遲緩和特征性步態(tài)不穩(wěn)。

Parkin是第一個(gè)被發(fā)現(xiàn)與少年型PD有關(guān)的基因，PINK1基因中有40多個(gè)突變體與PD常染色體隱性遺傳關(guān)系密切。PINK1和Parkin基因表達(dá)產(chǎn)物均具有神經(jīng)保護(hù)作用。Parkin可以調(diào)節(jié)多巴胺轉(zhuǎn)運(yùn)體（Dopamine transporter，DAT）在質(zhì)膜中的表達(dá)[3]。由FBXO7和Parkin蛋白構(gòu)成泛素蛋白酶體系統(tǒng)（Ubiquitin-proteasome system，UPS），其突變會(huì)影響多巴胺神經(jīng)元的變性[8]。UPS可降解α-突觸核蛋白（α-syn），UPS功能異常會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤或過(guò)量的α-syn在多巴胺神經(jīng)元內(nèi)聚集，造成多巴胺神經(jīng)元壞死。α-syn的過(guò)度聚集也會(huì)損傷UPS的功能，PINK1的消耗也可以加劇α-syn的聚集。在以人神經(jīng)母細(xì)胞瘤SH-SY5Y細(xì)胞建立的PD中，PINK1/Parkin介導(dǎo)的線粒體自噬激活后，自噬蛋白P62含量和轉(zhuǎn)錄因子TFEB表達(dá)增加，促進(jìn)線粒體生物發(fā)生調(diào)節(jié)因子PGC-1αmRNA水平增加。因此，PINK1可保護(hù)SH-SY5Y細(xì)胞免受應(yīng)激導(dǎo)致的線粒體功能障礙[9]。但也有研究發(fā)現(xiàn)，通過(guò)自噬機(jī)制激活Parkin和PINK1可以增強(qiáng)損傷線粒體上的泛素信號(hào)。不論是通過(guò)建立靶向線粒體泛素鏈還是化學(xué)引起線粒體泛素化，都足以誘導(dǎo)線粒體自噬。Parkin和PINK1對(duì)于損傷線粒體泛素化是必要的，但對(duì)線粒體自噬激活本身是不必要的[10]。

2.PINK1、Parkin介導(dǎo)的線粒體自噬與阿爾茲海默病

阿爾茲海默病（Alzheimer's disease，AD）是一種原因不明的不可逆的原發(fā)性退行性腦部病變，主要表現(xiàn)為進(jìn)行性認(rèn)知功能障礙和行為損害[11，12，13]。

線粒體自噬是AD發(fā)生的重要機(jī)制之一，其功能異?？梢餉β和Tau的積累，導(dǎo)致AD的記憶障礙。缺乏PINK1基因的小鼠Aβ累積增加，PINK1基因治療可恢復(fù)PINK1介導(dǎo)的線粒體自噬功能。在一種新被發(fā)現(xiàn)的機(jī)制中，PINK1依賴性信號(hào)可通過(guò)激活自噬受體OPTN或NDP52，修復(fù)Aβ介導(dǎo)的線粒體功能障礙[14]。在Aβ25-32誘導(dǎo)的AD大鼠中，敲除PINK1后，部分線粒體自噬受到抑制，Aβ25-35累積加重細(xì)胞損傷[15]。研究發(fā)現(xiàn)，2，3，5，4-四羥基二苯乙烯-2-osend-葡糖苷（TSG）可通過(guò)PINK1/Parkin依賴性增強(qiáng)線粒體自噬作用，抑制線粒體自噬誘導(dǎo)的炎癥反應(yīng)[16]。

3.PINK1、Parkin介導(dǎo)的線粒體自噬與其他神經(jīng)退行性疾病

神經(jīng)保護(hù)是減少腦缺血損傷的一種常見(jiàn)策略。當(dāng)細(xì)胞處于缺血等應(yīng)激狀態(tài)下，自噬增強(qiáng)，強(qiáng)烈應(yīng)激狀態(tài)會(huì)導(dǎo)致過(guò)度自噬。Parkin介導(dǎo)線粒體自噬參與遠(yuǎn)端缺血后處理的腦保護(hù)作用，可及時(shí)清除受損的線粒體，降低腦損傷[17]。在腦缺血-再灌注（Cerebral ischemia-reperfusion，I/R）大鼠體中，PINK1/ parkin介導(dǎo)的線粒體自噬在低體溫緩慢恢復(fù)的過(guò)程中激活，在快速恢復(fù)體溫過(guò)程中被抑制。治療性低溫（TH）可以激活線粒體自噬，減少神經(jīng)凋亡[2]。木偶素誘導(dǎo)PINK1/Parkin介導(dǎo)的線粒體自噬，改善氧化應(yīng)激引起的線粒體功能障礙[18]。黃芩苷可調(diào)控Parkin/PINK1介導(dǎo)的線粒體自噬，減輕神經(jīng)元細(xì)胞缺血缺氧再灌注損傷，顯示出神經(jīng)保護(hù)作用[19]。

（二）NIX（BNIP3L）介導(dǎo)的線粒體自噬與神經(jīng)退行性疾病

線粒體蛋白Nix（又稱BNIP3L）是一種選擇性自噬受體，NIX/BNIP3L介導(dǎo)的線粒體自噬主要有三種形式：1.NIX參與由Parkin介導(dǎo)的線粒體自噬，如NIX的過(guò)高或過(guò)低表達(dá)均會(huì)引起線粒體膜電位的降低。NIX可以促進(jìn)Parkin轉(zhuǎn)運(yùn)至線粒體，Parkin也可引起NIX泛素化，與PD的發(fā)生相關(guān)；2.作為一種自噬受體蛋白，NIX招募Atg8家族成員至損傷的線粒體處，誘導(dǎo)線粒體自噬；3.NIX作為Bcl-2家族成員，與自噬泡中參與蛋白與Beclin-1結(jié)合，誘導(dǎo)線粒體自噬。有研究證明NIX是網(wǎng)織紅細(xì)胞終末分化過(guò)程中選擇性去除線粒體所必需的，在紅細(xì)胞生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中非常重要[4]。

1.NIX（BNIP3L）介導(dǎo)的線粒體自噬與缺血性腦損傷

線粒體蛋白Nix/BNIP3L又稱為促凋亡蛋白，參與腦出血后神經(jīng)元凋亡，對(duì)缺血性腦損傷有絲分裂有保護(hù)作用。在蛛網(wǎng)膜下腔出血（Subarachnoid hemorrhage，SAH）大鼠中，NIX在SAH神經(jīng)元中的表達(dá)上調(diào)，其介導(dǎo)的線粒體自噬水平增加，減少凋亡神經(jīng)元。

NIX/Bnip3l是缺氧誘導(dǎo)因子-1a（Hypoxia inducible factor-1a，HIF-1a）的靶基因[7]。在與Parkin共同作用時(shí)，BNIP3L通常形成二聚體具有較高的招募自噬體的能力。若BNIP3L關(guān)鍵跨膜殘基氨基酸發(fā)生替換，則會(huì)導(dǎo)致二聚體消失，使LC3A-BNIP3L的識(shí)別率下降。再灌注造血損傷可抑制NIX的表達(dá)，HIF-1a可誘導(dǎo)BNIP3L和NIX的上調(diào)。HIF-1a可通過(guò)BNIP3和NIX依賴性，增加自噬細(xì)胞存活，減少細(xì)胞凋亡，改善IR的腦損傷。在山茱萸環(huán)烯醚萜苷（CIG）給藥后可顯著改善NIX蛋白的異常表達(dá)，CIG通過(guò)激活線粒體自噬，促進(jìn)線粒體分裂融合，增加線粒體生物合成等過(guò)程，減輕線粒體損傷，保護(hù)神經(jīng)元。

2.NIX（BNIP3L）介導(dǎo)的線粒體自噬與帕金森

線粒體功能障礙在PD中起重要作用。BNIP3L/Nix是一種線粒體外膜蛋白，其作用于PINK1/PARK2通路下游。BNIP3L是PARK2的底物，可驅(qū)動(dòng)PARK2介導(dǎo)的線粒體自噬。PARK2對(duì)BNIP3L的泛素化作用可使NBR1（Neighbor of BRCA1 gene 1）重新進(jìn)入線粒體，降解靶向線粒體。在PD果蠅中，BNIP3L可修復(fù)PINK1突變的果蠅線粒體缺陷，并且BNIP3L誘導(dǎo)的線粒體清除依賴于PARK2的存在。在MPTP誘導(dǎo)的PD小鼠中，靈芝提取物（Ganoderma lucidum extract，GLE）可抑制MPP+誘導(dǎo)的NIX/BNIP3L表達(dá)的下降。因此，Nix可作為PD神經(jīng)保護(hù)的靶點(diǎn)。

（三）FUNDC1介導(dǎo)的線粒體自噬與神經(jīng)退行性疾病

在哺乳動(dòng)物細(xì)胞中，F(xiàn)un14結(jié)構(gòu)域蛋白1（FUNDC1）是缺氧誘導(dǎo)線粒體自噬的新受體，位于線粒體外膜上。FUNDC1通過(guò)其N端LC3相互作用區(qū)與LC3β相互作用，抑制自噬體膜的形成，減少線粒體自噬。FUNDC1磷酸化Ser17與LC3-Ⅱ側(cè)鏈Lys49形成氫鍵和靜電效應(yīng)，導(dǎo)致線粒體自噬。FUNDC1與發(fā)動(dòng)蛋白1樣（Dynamin 1-like，DNM1L）/動(dòng)力相關(guān)蛋白1（dynamic-related protein 1，DRP1）和視神經(jīng)萎縮1（optic atrophy 1，OPA1）相互作用，協(xié)調(diào)線粒體的分裂、融合和自噬。在線粒體自噬過(guò)程中，F(xiàn)UNDC1與駐留蛋白鈣結(jié)合蛋白（calnexin，CANX）解離，招募DNM1L/DRP1驅(qū)動(dòng)線粒體產(chǎn)生對(duì)缺氧應(yīng)激的裂變反應(yīng)。這些發(fā)現(xiàn)表明FUNDC1是一個(gè)分子樞紐，具有整合線粒體的分裂和對(duì)缺氧的吞噬作用。

在缺氧誘導(dǎo)的缺血性腦梗死（Ischemic cerebral infarction，ICI）過(guò)程中，UNC-51樣自噬激活激酶1（Ulk1）和FUNDC1參與調(diào)節(jié)細(xì)胞自噬。過(guò)表達(dá)Ulk1可促進(jìn)FUNDC1的激活，促進(jìn)線粒體自噬，抑制缺氧誘導(dǎo)的神經(jīng)元凋亡。在氧糖剝奪/復(fù)氧復(fù)糖（Oxygen glucose deprivation/reoxygenation，OGD/R）處理的SH-SY5Y細(xì)胞中，過(guò)表達(dá)腦紅蛋白（Neuroglobin，Ngb），僅自噬相關(guān)基因FUNDC1mRNA表達(dá)增加，因此Ngb僅對(duì)FUNDC1基因的表達(dá)有促進(jìn)作用。

三、結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，線粒體自噬障礙，可引起損傷線粒體異常累積，損傷神經(jīng)元，導(dǎo)致神經(jīng)退行性疾病的發(fā)生。線粒體自噬可通過(guò)Parkin/PINK1、NIX/BNIP3L、FUNDC1途徑對(duì)PD、AD、腦損傷再灌注等神經(jīng)退行性疾病起著重要的作用，但其機(jī)制尚未完全清楚，相信隨著進(jìn)一步的深入和系統(tǒng)的研究，Parkin/PINK1、NIX/BNIP3L、FUNDC1介導(dǎo)的線粒體自噬在神經(jīng)退行性疾病的治療中可作為一個(gè)新的靶點(diǎn)，成為神經(jīng)退行性疾病治療具有突破意義的關(guān)鍵點(diǎn)。