運(yùn)動(dòng)介導(dǎo)線粒體自噬在心血管疾病中的作用

張沛文 張醒醒 梁倫敏

(廣西師范大學(xué)體育與健康學(xué)院 廣西桂林 541000)

心臟是機(jī)體高負(fù)荷運(yùn)載的“血泵”，需要源源不斷的動(dòng)力維持心肌的舒張和收縮。心肌細(xì)胞中含有大量的線粒體，體積約占心肌細(xì)胞總體積的35%，以保證心肌細(xì)胞發(fā)揮正常的功能。線粒體作為心肌細(xì)胞的“動(dòng)力車間”，對(duì)維持心臟的正常生理代謝和功能非常重要。線粒體自噬是線粒體維持生理活動(dòng)的重要前提，線粒體自噬可以吞噬損傷或多余的線粒體，保障心肌完成每一次收縮和舒張。研究發(fā)現(xiàn)，心血管疾病的發(fā)生涉及線粒體多種異常動(dòng)態(tài)反應(yīng)，而運(yùn)動(dòng)可以提升線粒體數(shù)量和質(zhì)量［1］，調(diào)節(jié)線粒體網(wǎng)絡(luò)有序排列，誘導(dǎo)細(xì)胞內(nèi)線粒體自噬清除損傷線粒體，適應(yīng)性重塑心肌細(xì)胞，增強(qiáng)心肌收縮功能。因此，運(yùn)動(dòng)可作為干預(yù)和改善心血管疾病發(fā)展進(jìn)程的有力工具。

1 線粒體自噬概述

1.1 線粒體和線粒體自噬

線粒體是雙層膜結(jié)構(gòu)的重要供能細(xì)胞器。它以三磷酸腺苷（ATP）的形式為多數(shù)細(xì)胞生理過程供能，參與細(xì)胞增殖、應(yīng)激反應(yīng)、凋亡和穩(wěn)態(tài)等多種信號(hào)反應(yīng)，被譽(yù)為真核細(xì)胞的“動(dòng)力車間”。線粒體是不斷進(jìn)行分裂、融合、降解、生物合成的動(dòng)態(tài)細(xì)胞器，這些過程的有序進(jìn)行對(duì)維持心肌正常的電生理活動(dòng)至關(guān)重要。

線粒體自噬是高度保守，選擇性自我平衡的過程，受多種細(xì)胞因子調(diào)控［2］。細(xì)胞內(nèi)環(huán)境處于穩(wěn)態(tài)時(shí)，線粒體自噬及時(shí)完成異常線粒體的修復(fù)和清除，損傷的線粒體被自噬小體選擇性包裹后與溶酶體融合完成降解。當(dāng)胞內(nèi)環(huán)境受到刺激發(fā)生氧化損傷時(shí)，線粒體自噬的功能穩(wěn)態(tài)水平被打破，線粒體自噬無法清除和修復(fù)異常的線粒體，異常線粒體的累積終會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞變性或死亡以及疾病的發(fā)生。研究表明，線粒體自噬過低將導(dǎo)致功能障礙的線粒體在胞內(nèi)堆積，而線粒體自噬過度激活將導(dǎo)致線粒體數(shù)量過度減少。因此，線粒體自噬過低或過度激活都將導(dǎo)致能量供應(yīng)失衡，影響細(xì)胞和器官功能。

1.2 線粒體動(dòng)力學(xué)與線粒體自噬

線粒體在胞質(zhì)中處于分裂和融合的動(dòng)態(tài)變化中，時(shí)刻保證線粒體的排列能滿足細(xì)胞的生理活動(dòng)。融合蛋白（MFN1、MFN2）負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)線粒體外膜的融合，而神經(jīng)萎縮蛋白1負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)線粒體內(nèi)膜的融合。動(dòng)力相關(guān)蛋白1、FIS1和線粒體分裂因子等主要調(diào)節(jié)線粒體的分裂過程［3］。線粒體生理的分裂調(diào)節(jié)將異常的線粒體分離后即被溶酶體包裹融解，避免其與功能正常的線粒體融合，保證功能正常的線粒體能順利完成融合和分裂，有效保障線粒體內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定。線粒體自噬還可以特異性識(shí)別并吞噬損傷或失調(diào)的線粒體，而線粒體動(dòng)力學(xué)的動(dòng)態(tài)平衡點(diǎn)則向著分裂和自噬增加的方向遷移。

2 線粒體自噬的調(diào)控機(jī)制

線粒體自噬的生理過程復(fù)雜多變，各通路之間絕非單一介導(dǎo)線粒體發(fā)生自噬?，F(xiàn)階段，介導(dǎo)線粒體自噬的通路依據(jù)是否泛素化劃分為兩類：一類是通過泛素化Parkin介導(dǎo)線粒體自噬的PINK1/Parkin信號(hào)通路；另一類是通過非泛素化（受體介導(dǎo)）途徑介導(dǎo)線粒體自噬的FUNDC1通路和BNIP3/NIX通路。

2.1 PINK1/Parkin信號(hào)通路

PINK1/Parkin 是經(jīng)典且重要的線粒體自噬調(diào)控途徑。PINK1 由線粒體外膜上的PTEN 誘導(dǎo)的絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶。PINK1 是線粒體膜電位變化的感受器，能精準(zhǔn)感知線粒體受到的外界刺激。Parkin 是E3泛素的連接酶，其主要功能是誘導(dǎo)MFN1和MFN2。

細(xì)胞內(nèi)環(huán)境處于穩(wěn)態(tài)時(shí)，PINK1 通過線粒體轉(zhuǎn)移酶從線粒體外膜進(jìn)入內(nèi)膜，隨即被早衰素相關(guān)菱形蛋白酶水解，故PINK1 在正常胞質(zhì)中的含量保持相對(duì)降低的水平，并不會(huì)引發(fā)線粒體自噬。線粒體受到外界應(yīng)激時(shí)會(huì)發(fā)生缺氧等線粒體功能異常，線粒體外膜去極化的電位消失，PINK1 快速識(shí)別異常的線粒體并大量匯聚于線粒體外膜，PINK1 即可召集存在胞質(zhì)中的Parkin至損傷的線粒體外膜，促使線粒體啟動(dòng)自噬修復(fù)或溶解受損的線粒體［4］。與此同時(shí)，PINK1在線粒體外膜的Ser65 位點(diǎn)處磷酸化Parkin，激活的Parikn 迅速在外膜上形成泛素鏈促使線粒體內(nèi)關(guān)鍵蛋白泛素化，被泛素化的蛋白底物與微管輕鏈蛋白3（LC3）、p62 連接后與自噬體結(jié)合，隨即自噬體包裹的異常線粒體被溶酶體吞噬并降解。

2.2 FUNDC1通路

FUN14 結(jié)構(gòu)域蛋白1（FUNDC1）定位于線粒體外膜上，其C 端位處線粒體外膜上，N 端位處細(xì)胞質(zhì)中。N 端結(jié)構(gòu)中的LIR 區(qū)域可與線粒體自噬標(biāo)志蛋白LC3作用進(jìn)而啟動(dòng)線粒體自噬吞噬功能障礙的線粒體［5］。Tyr18和Ser13是FUNDC1啟動(dòng)和抑制線粒體自噬的關(guān)鍵位點(diǎn)，在生理狀態(tài)下，LIR 區(qū)域內(nèi)的Tyr18 被活化的肉瘤家族基因激酶SRC 磷酸化，Ser13 則被肌酸激酶CK2 磷酸化，被磷酸化的FUNDC1 無法與LC3 結(jié)合，抑制線粒體自噬的發(fā)生。在細(xì)胞處于應(yīng)激或缺氧的條件下，SRC 和CK2 失活變性導(dǎo)致Tyr18 和Ser13 迅速去磷酸化，F(xiàn)UNDC1 恢復(fù)與LC3 結(jié)合的功能，從而及時(shí)啟動(dòng)線粒體自噬，清楚胞內(nèi)受損的線粒體，保證胞內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)定狀態(tài)［6］。除此之外，F(xiàn)UNDC1 可能參與PINK1/Parkin、BNIP3/NIX通路介導(dǎo)線粒體自噬的發(fā)生。

2.3 BNIP3/NIX通路

BNIP3 和NIX 是位于線粒體外膜上的B 細(xì)胞淋巴瘤家族同源蛋白，是促進(jìn)細(xì)胞凋亡的重要調(diào)節(jié)蛋白，NIX又稱BNIP3L，二者僅包含BH-3結(jié)構(gòu)域。BNIP3和NIX 的氨基端位于LIR 區(qū)域，LIR 是與LC3 相互作用的關(guān)鍵靶點(diǎn)，BNIP3 和NIX 能和LC3 結(jié)合，從而介導(dǎo)線粒體自噬［7］。在已出現(xiàn)線粒體自噬的細(xì)胞中顯示，BNIP3和NIX 出現(xiàn)高表達(dá)的現(xiàn)象，在低氧或缺氧的應(yīng)激下低氧誘導(dǎo)因子1 可激活BNIP3 和NIX，從而使得Bcl-2 與Beclin-1結(jié)合降低，胞內(nèi)游離的Beclin-1則可調(diào)節(jié)自噬相關(guān)蛋白5（ATG5），從而介導(dǎo)線粒體自噬保證線粒體完成細(xì)胞生理活動(dòng)。除此之外，BNIP3 的高表達(dá)可抑制PINK1 的水解，而大量存留在線粒體外膜上的PINK1將誘導(dǎo)PINK1/Parkin通路啟動(dòng)線粒體自噬。

3 運(yùn)動(dòng)介導(dǎo)線粒體自噬與心血管疾病

心血管疾病好發(fā)群體廣，發(fā)病率和致死率高，現(xiàn)已成為危害人類衛(wèi)生健康的主要因素。常見心血管疾病如高血壓、動(dòng)脈粥樣硬化、缺血性心臟病、心力衰竭的發(fā)生與發(fā)展均與線粒體功能異常密切相關(guān)。運(yùn)動(dòng)是一種無藥物、無創(chuàng)傷的促進(jìn)機(jī)體健康的手段，干預(yù)效果較醫(yī)療診治更加便捷和持久。運(yùn)動(dòng)作為刺激方式可以短暫使心肌缺血缺氧，誘發(fā)心肌產(chǎn)生內(nèi)源性的保護(hù)效應(yīng)，減緩心血管疾病中出現(xiàn)的應(yīng)激反應(yīng)對(duì)心功能的不良影響。

3.1 高血壓

高血壓是以體循環(huán)動(dòng)脈血壓增高為主要特征的常見多發(fā)病，病因尚不明確，相比于原發(fā)性高血壓，繼發(fā)性高血壓更多見且常伴有腦血管病、腎病等相關(guān)疾病。去乙?；?（SIRT3）是線粒體中的蛋白去乙酰酶，它可清除活性氧，間接促進(jìn)線粒體自噬，抑制細(xì)胞凋亡。SIRT3通過干預(yù)并調(diào)控線粒體自噬水平影響血管生成。高蓓蕾等人［8］發(fā)現(xiàn)，小鼠心內(nèi)皮細(xì)胞中SIRT3高表達(dá)促進(jìn)了PINK1/PARKIN 通過介導(dǎo)的線粒體自噬，改善線粒體功能障礙，恢復(fù)血管生成的能力。當(dāng)前研究表明，運(yùn)動(dòng)可調(diào)節(jié)SIRT3，進(jìn)而介導(dǎo)骨骼肌的線粒體自噬，推測運(yùn)動(dòng)可能通過SIRT3 介導(dǎo)心肌的線粒體自噬，改善血管生成環(huán)境，降低血管內(nèi)皮損傷程度，減緩高血壓病發(fā)展和惡化［9］。當(dāng)前對(duì)線粒體自噬與高血壓的研究較少，但線粒體動(dòng)力學(xué)、質(zhì)量控制系統(tǒng)如果出現(xiàn)障礙，心肌細(xì)胞缺乏能量供應(yīng)，可能成為誘發(fā)高血壓病發(fā)的因素之一。

3.2 動(dòng)脈粥樣硬化

動(dòng)脈粥樣硬化（AS）是慢性炎癥疾病，其特征是心血管壁發(fā)生的病理生理變化，包括心血管內(nèi)皮和平滑肌細(xì)胞功能障礙、脂質(zhì)異常堆積等。許秋蓮等人［10］研究表明，當(dāng)細(xì)胞自噬抑制后，AS 生成的斑塊中損傷的蛋白無法被及時(shí)溶解，這將促使炎癥體活化、激活凋亡信號(hào)。核受體亞家族4A組成員1（NR4A1）通過誘導(dǎo)氧化低密度脂蛋白（ox-LDL）來激活線粒體外膜上的Parkin，這將導(dǎo)致線粒體過度自噬，大量的線粒體被異常清理，促使血管內(nèi)皮細(xì)胞凋亡，加重AS 的發(fā)展。宋明蕭［11］通過建立9周耐力訓(xùn)練的AS大鼠模型發(fā)現(xiàn)，主動(dòng)脈血管內(nèi)皮細(xì)胞中PHB2、Parkin、LC3 表達(dá)升高，從而啟動(dòng)線粒體自噬改善血管內(nèi)皮細(xì)胞功能，減緩AS的發(fā)展。BNIP3/NIX通路介導(dǎo)的線粒體自噬可使ox-LDL誘導(dǎo)內(nèi)皮細(xì)胞凋亡途徑受到抑制，進(jìn)而阻止內(nèi)皮細(xì)胞的損傷［12］。因此，AS的發(fā)病機(jī)理與線粒體自噬關(guān)系極為密切，Parkin 的表達(dá)增加和ox-LDL 的表達(dá)抑制可減緩AS的發(fā)生和進(jìn)展。

3.3 缺血性心臟病

缺血性心臟病是高發(fā)慢性疾病，其特征是心肌組織的供血不足時(shí)，心肌細(xì)胞缺血、缺氧，線粒體功能嚴(yán)重受損，心肌收縮所需的能量無法與冠狀動(dòng)脈血供保持生理平衡，最終引發(fā)心肌梗塞甚至梗死?，F(xiàn)代臨床醫(yī)療手段可及時(shí)為冠狀動(dòng)脈溶栓恢復(fù)血流供應(yīng)，但恢復(fù)動(dòng)脈血供后會(huì)誘發(fā)缺血再灌注（I/R）不可逆的損傷，缺血的心肌細(xì)胞將受到二次損傷。研究表明，運(yùn)動(dòng)能調(diào)節(jié)線粒體動(dòng)力學(xué)失衡以及線粒體自噬功能異常狀態(tài)，改善線粒體質(zhì)量控制系統(tǒng)［13］。在小鼠I/R的模型研究中［14］，發(fā)現(xiàn)敲除PINK1 基因后的小鼠心肌梗死面積明顯大于正常小鼠，這表明PINK1 基因可能介導(dǎo)線粒體自噬發(fā)揮心肌保護(hù)作用。ZHOU等人［15］研究發(fā)現(xiàn)，I/R 后，CK2 含量水平的升高導(dǎo)致FUNDC1 被過度磷酸化，迫使FUNDC1不能與LC3結(jié)合啟動(dòng)線粒體自噬，最終導(dǎo)致心肌細(xì)胞內(nèi)的線粒體功能受損，無法發(fā)揮心肌的生理功能。李宏玉等人［16］通過4周中等強(qiáng)度的運(yùn)動(dòng)預(yù)處理干預(yù)I/R 模型SD 大鼠發(fā)現(xiàn)，運(yùn)動(dòng)預(yù)處理組中大鼠心肌缺血區(qū)自噬標(biāo)志蛋白LC3-1 高表達(dá)，Beclin1、LC3-2低表達(dá)，誘導(dǎo)自噬減輕心肌損傷，產(chǎn)生缺血預(yù)處理的心肌保護(hù)作用。除此之外，BNIP3、Nix的高表達(dá)出現(xiàn)在缺血缺氧的心肌中，這也說明其介導(dǎo)線粒體自噬來減輕I/R對(duì)機(jī)體的損傷。

3.4 心力衰竭

心力衰竭（HF）是心臟的收縮和（或）舒張功能不能將回心血泵出心臟，導(dǎo)致靜脈血液瘀滯和動(dòng)脈系統(tǒng)供血不足，心血管循環(huán)系統(tǒng)紊亂引發(fā)心功能障礙的終末期。臨床研究發(fā)現(xiàn)，HF患者的心臟活檢中可觀察到自噬標(biāo)志蛋白Beclin-1和LC3顯著高表達(dá)，心肌內(nèi)的線粒體質(zhì)量體積縮小、排列雜亂，線粒體體積含量百分?jǐn)?shù)下降［17］。另有研究發(fā)現(xiàn)，HF 終末期的患者心肌中PINK1 含量顯著降低，而通過左心室輔助裝置減少心臟壓力后，Beclin-1 和LC3 的表達(dá)量有所下降，PINK1含量有上調(diào)的趨勢(shì)，故猜想HF可能與線粒體自噬或其他細(xì)胞器自噬相關(guān)聯(lián)［18］。小鼠HF模型中，隨著心臟壓力負(fù)荷的增大，線粒體自噬程度高度活化，改善線粒體質(zhì)量控制和動(dòng)力學(xué)功能，為心肌補(bǔ)充損失的能量可適度延緩HF 的發(fā)展。Billia 等人［19］研究發(fā)現(xiàn)，PINK1 在維持心肌細(xì)胞的穩(wěn)態(tài)中具有促進(jìn)作用，沉默PINK1 的小鼠氧化應(yīng)激增強(qiáng)，伴隨著線粒體功能異常和HF的發(fā)展。線粒體自噬保護(hù)效應(yīng)在HF早期被抑制，心肌細(xì)胞被大量破壞；HF終末期，線粒體自噬又被過度激活，線粒體大量流失導(dǎo)致心肌細(xì)胞功能失衡，加重HF病程的發(fā)展［20］。HF是各類心臟疾病發(fā)展的終晚期，臨床中具有極高的病發(fā)率和病死率，運(yùn)動(dòng)改善HF的調(diào)控機(jī)制主要來源于線粒體自噬與高血壓、動(dòng)脈粥樣硬化、缺血性心臟病等疾病，病程減緩過程中需要線粒體自噬關(guān)鍵因子和蛋白的平衡與相互協(xié)作。因此，運(yùn)動(dòng)探究線粒體在心臟供能和自噬的具體機(jī)制中于靶向治療HF 具有現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。

4 結(jié)語

線粒體功能障礙致使心肌細(xì)胞內(nèi)環(huán)境紊亂，器官發(fā)生功能性損傷，進(jìn)一步加重心血管疾病的發(fā)展，而線粒體自噬在高血壓、動(dòng)脈粥樣硬化、缺血性心臟病和HF等心血管疾病發(fā)病機(jī)制中存在潛在的作用機(jī)制，其標(biāo)志蛋白和調(diào)節(jié)因子在泛素化通路和受體介導(dǎo)通路中發(fā)揮著促進(jìn)或抑制作用，這些途徑的調(diào)節(jié)方式揭示了臨床中治療心血管疾病的潛在通道或靶點(diǎn)，為開發(fā)新的診療方法和心肌保護(hù)策略提供了一定的科研基礎(chǔ)。運(yùn)動(dòng)是預(yù)防和改善心血管疾病的有效手段，如果能夠發(fā)掘運(yùn)動(dòng)介導(dǎo)線粒體自噬的關(guān)鍵靶點(diǎn)作用機(jī)制，以及何種運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度能誘導(dǎo)線粒體適度自噬，這將為心血管疾病的干預(yù)手段提供新的研究思路和方法。