特發(fā)性肺纖維化中的線粒體質(zhì)量控制

熊夢(mèng)清 趙楊 胡克

特發(fā)性肺纖維化(Idiopathic pulmonary fibrosis, IPF)是一種侵襲性、不可逆性的肺部疾病，好發(fā)于50歲以上的人群，確診后中位生存期僅3年，病因不明，治療選擇有限[1]。有效治療方法的開(kāi)發(fā)，需要對(duì)疾病分子發(fā)病機(jī)制有深入的了解。研究表明線粒體功能障礙參與IPF組織細(xì)胞的凋亡與衰老，被認(rèn)為是衰老時(shí)易發(fā)生纖維化的一個(gè)主要標(biāo)志[2]。線粒體質(zhì)量控制(Mitochondrial quality control, MQC)系統(tǒng)，調(diào)節(jié)線粒體功能參與疾病的發(fā)病機(jī)制，那么調(diào)控MQC系統(tǒng)也可能提供治療靶點(diǎn)。

線粒體在細(xì)胞中發(fā)揮多種作用，不僅通過(guò)氧化磷酸化參與能量的產(chǎn)生，而且在各種重要的代謝過(guò)程中維持著細(xì)胞內(nèi)穩(wěn)態(tài)[3]。因此，線粒體功能障礙可導(dǎo)致細(xì)胞功能失調(diào)甚至死亡[4-5]。為阻止線粒體損傷的累積，胞內(nèi)有幾種機(jī)制[6]。線粒體動(dòng)力學(xué)[4]和線粒體特異性自噬(簡(jiǎn)稱線粒體自噬)，是減少線粒體損傷和維持細(xì)胞內(nèi)穩(wěn)態(tài)的兩種主要機(jī)制[7]。如果線粒體持續(xù)暴露于一些環(huán)境及細(xì)胞內(nèi)的壓力，包括環(huán)境毒素，如香煙煙霧及活性氧(ROS)——可引起線粒體DNA損傷、氨基酸消耗和蛋白質(zhì)解折疊。為了克服這些壓力，線粒體動(dòng)力學(xué)和線粒體自噬有著協(xié)同作用。然而，當(dāng)那些壓力超出這些質(zhì)量控制系統(tǒng)時(shí)，線粒體功能失調(diào)，三磷酸腺苷(ATP)產(chǎn)生減少，ROS產(chǎn)生累積增加。功能失調(diào)線粒體的積累，可破壞細(xì)胞內(nèi)穩(wěn)態(tài)，改變細(xì)胞命運(yùn)，促成疾病的發(fā)生發(fā)展[8]。

線粒體功能隨著年齡的增長(zhǎng)而下降，而線粒體DNA突變，隨著年齡的增長(zhǎng)而增加[9]。過(guò)量的ROS導(dǎo)致干細(xì)胞功能障礙，使小鼠出現(xiàn)早衰表現(xiàn)，而這其中的關(guān)鍵是一些線粒體DNA突變導(dǎo)致線粒體功能障礙[10]。這些研究表明線粒體功能障礙在衰老表型的發(fā)展中起著關(guān)鍵作用。因此，MQC系統(tǒng)也可能通過(guò)調(diào)節(jié)線粒體功能，在衰老表型和年齡相關(guān)疾病的發(fā)生發(fā)展中發(fā)揮重要作用。諸多證據(jù)表明，MQC中斷以及隨之而來(lái)的線粒體功能障礙，與一些年齡相關(guān)性疾病密切相關(guān)，如在神經(jīng)退行性病變中，其致病機(jī)制已被深入研究，且已在很大程度上被闡明[8]。近來(lái)，多項(xiàng)證據(jù)表明MQC系統(tǒng)的失調(diào)，也參與了年齡相關(guān)性肺疾病的發(fā)病機(jī)制，如特發(fā)性肺纖維化(IPF)[11-12]。本綜述將概述線粒體質(zhì)量控制系統(tǒng)在IPF中的作用，并介紹新的潛在治療靶點(diǎn)。

線粒體質(zhì)量控制系統(tǒng)

一、 線粒體動(dòng)力學(xué)

線粒體是動(dòng)態(tài)的細(xì)胞器，通過(guò)融合和分裂不斷改變其形狀[5]。線粒體動(dòng)力學(xué)，受裂變和融合蛋白表達(dá)水平的調(diào)節(jié)。融合是由膜錨定蛋白、絲裂蛋白(MFN)-1,2和視神經(jīng)萎縮 (OPA)1介導(dǎo)的。MFNs和OPA-1分別促進(jìn)線粒體外膜和內(nèi)膜融合，而融合蛋白的缺乏可導(dǎo)致線粒體分裂，這些融合蛋白通常協(xié)同工作[13]。裂變是由胞漿動(dòng)力蛋白、動(dòng)力相關(guān)蛋白1(Drp1)、裂變1蛋白(Fis-1)、線粒體分裂因子(MFF)等蛋白介導(dǎo)。在裂變過(guò)程，Drp-1從細(xì)胞質(zhì)中被招募到線粒體，起著重要作用，其缺乏可引起線粒體過(guò)度融合[14]。

當(dāng)細(xì)胞暴露于輕度應(yīng)激時(shí)，線粒體為促進(jìn)融合(應(yīng)激誘導(dǎo)的線粒體過(guò)度融合，簡(jiǎn)稱SIMH)而變得細(xì)長(zhǎng)[5]。SIMH需要非裂解形式的OPA-1(L-OPA-1)、MFN1和線粒體內(nèi)膜蛋白SLP-2，其中SLP-2可保持OPA-1的非裂解形式[15]。由輕度應(yīng)激誘導(dǎo)的線粒體融合，通過(guò)增加ATP的產(chǎn)生來(lái)提高代謝效率，并使功能正常的線粒體在細(xì)胞器之間擴(kuò)散和共享，來(lái)代償功能失調(diào)的線粒體，從而使細(xì)胞損傷最小化。因此，線粒體過(guò)度融合是一種生理?xiàng)l件下的適應(yīng)性反應(yīng)，與提高存活率和凋亡抵抗相關(guān)。相反，在嚴(yán)重的應(yīng)激條件下，嚴(yán)重受損的線粒體會(huì)損害其他線粒體，如果它們被允許重新加入網(wǎng)絡(luò)，就會(huì)破壞一個(gè)健康的線粒體網(wǎng)絡(luò)。為阻止這些發(fā)生，有幾種機(jī)制[16]：線粒體功能障礙通過(guò)金屬蛋白酶誘導(dǎo)OAP-1加工，泛素-蛋白酶體系統(tǒng)誘導(dǎo)MFN降解，使線粒體碎片化，從而容易被清除[17]。

在嚴(yán)重或長(zhǎng)時(shí)間應(yīng)激下，線粒體形態(tài)不一定反映線粒體的功能。線粒體的功能取決于應(yīng)激類型、應(yīng)激嚴(yán)重程度以及其他MQC系統(tǒng)(即線粒體自噬)的水平，而不是簡(jiǎn)單的形態(tài)變化。事實(shí)上，適應(yīng)性延長(zhǎng)的線粒體表明線粒體功能增強(qiáng)，而香煙誘導(dǎo)的線粒體延長(zhǎng)，伴隨線粒體自噬減少，ROS產(chǎn)生增加，證明線粒體功能低下[18]。無(wú)論線粒體是延長(zhǎng)還是裂變，來(lái)自受損線粒體的ROS決定了細(xì)胞的命運(yùn)[18]，這表明線粒體功能，在決定細(xì)胞命運(yùn)方面比形態(tài)更關(guān)鍵。

二、 線粒體自噬

自噬是溶酶體自我降解的過(guò)程，有助于維持細(xì)胞蛋白質(zhì)和細(xì)胞器合成、降解及循環(huán)之間的平衡，可分為非選擇性自噬和選擇性自噬[19]。選擇性自噬降解受損的線粒體被稱為線粒體自噬[20]，在MQC中起著重要作用，與細(xì)胞命運(yùn)密切相關(guān)，包括衰老、凋亡和壞死。

線粒體自噬降解的主要過(guò)程如下[20]：PTEN-誘導(dǎo)假定激酶1(PINK1)是一種在健康線粒體中不斷地被剪切和降解的絲氨酸/蘇氨酸激酶。當(dāng)線粒體被嚴(yán)重的應(yīng)激破壞時(shí)，應(yīng)激誘導(dǎo)膜去極化，使PINK1穩(wěn)定，而PINK1將E3-泛素連接酶PARK2招募到線粒體。PARK2使線粒體蛋白(包括MFNs)泛素化，泛素化蛋白通過(guò)適配器蛋白SQSTM1/p62連接到噬細(xì)胞上的微管相關(guān)蛋白1輕鏈3(MAP1LC3/LC3)，促使自噬體形成。MFN降解促進(jìn)分裂，導(dǎo)致線粒體和隨后的線粒體分裂，自噬降解。

線粒體自噬的發(fā)生并不依賴于PARK2。其他E3泛素連接酶Smurf1和Mul1可使與SQSTM1/p62相互作用的線粒體蛋白泛素化，促進(jìn)自噬體形成和線粒體自噬[6]。蛋白質(zhì)泛素化對(duì)線粒體自噬并非必不可少，線粒體中的BNIP3、NIX、FUDC1或心磷脂與LC3可直接結(jié)合并在受損線粒體上形成自噬體，而不是適配器蛋白p62[6]。然而，獨(dú)立于PARK2的線粒體自噬在細(xì)胞中的作用仍有待研究。

線粒體自噬與線粒體形態(tài)有關(guān)[5]，可誘導(dǎo)分離線粒體碎片，而大的融合線粒體則不能通過(guò)線粒體自噬降解。的確，在饑餓期間，盡管細(xì)胞整體的自噬水平上調(diào)，但為保護(hù)其免受自噬體降解及最大程度地產(chǎn)生能量，線粒體是延長(zhǎng)的[21]。

三、 線粒體生物合成

線粒體的生物合成與線粒體自噬之間的協(xié)調(diào)是維持線粒體穩(wěn)態(tài)的必要條件，兩者的不平衡可導(dǎo)致細(xì)胞功能惡化甚至死亡[22]。

細(xì)胞可以通過(guò)增加線粒體的生物合成來(lái)增加能量產(chǎn)生，以應(yīng)答內(nèi)外部的應(yīng)激。線粒體生物合成是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，受到過(guò)氧化物酶體增殖物激活受體γ-輔助激活因子1-α(PGC-1α)的調(diào)控。一般來(lái)說(shuō)，線粒體的生物合成是對(duì)能量需求增加的一種適應(yīng)性反應(yīng)，然而，增加線粒體生物合成可能導(dǎo)致依賴于線粒體功能的細(xì)胞產(chǎn)生兩種相反的結(jié)果[23]。隨著線粒體生物合成的增加，能量產(chǎn)生增加有利于細(xì)胞內(nèi)穩(wěn)態(tài)和細(xì)胞生存[24]，但是功能下降或產(chǎn)生過(guò)量ROS的線粒體生物合成會(huì)破壞細(xì)胞內(nèi)穩(wěn)態(tài)，導(dǎo)致細(xì)胞死亡或細(xì)胞衰老[25]。增加“健康線粒體”[正常耗氧量(OCR)和膜電位]對(duì)細(xì)胞有益，而功能失調(diào)線粒體的增加對(duì)細(xì)胞有害。

IPF

一、 IPF線粒體質(zhì)量控制

IPF是一種慢性進(jìn)行性肺纖維化疾病[1]。肺上皮細(xì)胞暴露于細(xì)胞內(nèi)、外的應(yīng)激。慢性應(yīng)激，包括表面活性劑異常積累、吸煙、病毒感染和衰老，可導(dǎo)致IPF上皮細(xì)胞內(nèi)質(zhì)網(wǎng)(ER)應(yīng)激[26]，而內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激誘導(dǎo)上皮細(xì)胞死亡和衰老，導(dǎo)致IPF。

ER與線粒體密切相關(guān)。線粒體相關(guān)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜(MAM)是內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜的一個(gè)亞結(jié)構(gòu)域，調(diào)節(jié)ER-線粒體通信。MAM在鈣信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、磷脂生物合成、蛋白質(zhì)折疊和膜栓連中發(fā)揮重要作用[27]。ROS誘導(dǎo)鈣從內(nèi)質(zhì)網(wǎng)釋放到細(xì)胞質(zhì)中，細(xì)胞內(nèi)鈣離子增加促進(jìn)線粒體ROS的產(chǎn)生，形成一個(gè)自我永續(xù)循環(huán)?；钚匝醯脑黾雍蛢?nèi)質(zhì)網(wǎng)鈣穩(wěn)態(tài)的干擾可破壞蛋白質(zhì)折疊過(guò)程，引起內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激。由于損傷的線粒體增加ROS產(chǎn)生和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激，那么MQC系統(tǒng)在IPF發(fā)病機(jī)制中可能起到了一定的作用。事實(shí)上，越來(lái)越多的證據(jù)表明線粒體功能障礙在IPF的發(fā)病機(jī)制中起著重要作用[11-12]。

二、 IPF線粒體動(dòng)力學(xué)

如上所述，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激在IPF的上皮細(xì)胞中上調(diào)，衰老是IPF的主要危險(xiǎn)因素，而肺上皮細(xì)胞也是衰老的。因此，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激和衰老，在IPF發(fā)病機(jī)制中起著關(guān)鍵作用。研究顯示，病毒感染老齡小鼠的肺泡上皮細(xì)胞，可誘導(dǎo)肺內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激，加速肺纖維化，伴隨線粒體異常增大[11]。失活的DRP1及OPA1和MFN1/2在這些細(xì)胞中的表達(dá)增強(qiáng)，表明線粒體融合在該IPF小鼠模型中占主導(dǎo)地位。實(shí)際上，IPF肺泡上皮細(xì)胞中的線粒體增大、形態(tài)異常及線粒體面積顯著增加，也說(shuō)明IPF上皮細(xì)胞中線粒體融合占優(yōu)勢(shì)。與應(yīng)激誘導(dǎo)的線粒體過(guò)度融合相比，這些線粒體功能下降。

目前尚無(wú)關(guān)于IPF中其他類型細(xì)胞線粒體形態(tài)的報(bào)道。然而，在敲除PARK2的肺成纖維細(xì)胞(模擬IPF成纖維細(xì)胞)中發(fā)現(xiàn)延長(zhǎng)的線粒體，伴隨著ATP生成和增殖增加[12]。這與IPF中激活的成纖維細(xì)胞是一致的。

三、 IPF線粒體自噬

1. 肺上皮細(xì)胞線粒體自噬

在IPF中，PINK1和PARK2均有異常調(diào)節(jié)的報(bào)道。Bueno等[11]證實(shí)PINK1在IPF肺泡上皮細(xì)胞中的表達(dá)下調(diào)。在IPF上皮細(xì)胞除PINK1表達(dá)降低以外，ATP合成酶(線粒體蛋白)和LC3的共定位降低，且在這些細(xì)胞中聚集了功能失調(diào)且嵴紊亂的大線粒體，提示IPF上皮細(xì)胞的線粒體自噬減少。在由病毒感染誘導(dǎo)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激增加的小鼠模型中，PINK1缺陷導(dǎo)致受損線粒體累積，增加細(xì)胞凋亡和肺纖維化的易感性。甲狀腺激素上調(diào)PINK1可逆轉(zhuǎn)博萊霉素誘導(dǎo)的肺纖維化，可能是通過(guò)線粒體自噬恢復(fù)線粒體功能的結(jié)果[24]。表明PINK1對(duì)肺纖維化有保護(hù)作用，PINK1缺乏導(dǎo)致的線粒體自噬減少在IPF發(fā)病機(jī)制中發(fā)揮重要作用。上皮細(xì)胞內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激升高可能是PINK1缺乏的一個(gè)原因。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激誘導(dǎo)ATF3表達(dá)，并與PINK1結(jié)合以抑制PINK1轉(zhuǎn)錄，導(dǎo)致功能失調(diào)線粒體增多和線粒體產(chǎn)生ROS增加[28]。

與之相反，促纖維化因子—TGF-β在IPF患者肺泡灌洗液中表達(dá)增加，在支氣管細(xì)胞系中PINK1與LC3的共定位表達(dá)增加，這說(shuō)明PINK的表達(dá)增加[29]。在TGF-β作用下，沉默PINK1增加了細(xì)胞死亡，提示PINK1升高可能是應(yīng)答TGF-β的一種保護(hù)反應(yīng)。IPF中TGF-β對(duì)PINK1的誘導(dǎo)作用可能不足。

線粒體自噬通過(guò)抑制線粒體產(chǎn)生過(guò)量的ROS，減輕內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激誘導(dǎo)的細(xì)胞死亡或衰老；而上皮細(xì)胞線粒體自噬不足，加速了IPF的纖維化發(fā)展。

2. 肺成纖維細(xì)胞中的線粒體自噬

Kobayashi等[12]報(bào)道，與IPF上皮細(xì)胞相比，成纖維細(xì)胞中的PARK2表達(dá)降低。PARK2降低導(dǎo)致線粒體自噬減少，產(chǎn)生ROS增加。ROS激活PDGF受體和下游Akt和mTOR，導(dǎo)致成纖維細(xì)胞增殖和肌成纖維細(xì)胞分化增加。mTOR的激活抑制了線粒體自噬，形成了一個(gè)自我延續(xù)的循環(huán)。

在IPF肺成纖維細(xì)胞中，不僅PARK2表達(dá)降低，PINK1表達(dá)也降低，且在纖維化灶中檢測(cè)不到PINK1的表達(dá)[30]，這表明IPF成纖維細(xì)胞中，線粒體自噬減少。小鼠模型及體外實(shí)驗(yàn)均表明，在肺纖維化形成過(guò)程中，TGF-β抑制肺成纖維細(xì)胞中線粒體自噬和PINK1表達(dá)。

在IPF，上皮細(xì)胞和成纖維細(xì)胞的線粒體自噬可能均受到抑制，并在IPF的發(fā)病機(jī)制中起關(guān)鍵作用。

3 IPF的線粒體合成

盡管諸多證據(jù)表明IPF中受損線粒體的自噬降解減少，功能失調(diào)的線粒體聚集，但對(duì)IPF線粒體生物合成的水平仍有待了解。最近，Yu等[24]證實(shí)IPF患者的PGC1α減少，表明線粒體生物合成在IPF是下降的。他們尚證明，甲狀腺激素可上調(diào)PGC1并逆轉(zhuǎn)博萊霉素誘導(dǎo)的肺纖維化，這歸因于線粒體合成的增加并恢復(fù)了線粒體功能。

線粒體質(zhì)量控制作為IPF的治療靶點(diǎn)

線粒體在IPF發(fā)展中的作用，為制定針對(duì)該細(xì)胞器的更替和動(dòng)力學(xué)的治療策略提供了新的靶點(diǎn)。研究發(fā)現(xiàn)，激素可調(diào)節(jié)線粒體功能。17β-雌二醇(E2)通過(guò)細(xì)胞核或線粒體雌激素受體(ER)誘導(dǎo)抗氧化反應(yīng)，激活NRF1/2、Tfam和PGC-1α，促進(jìn)線粒體合成[31-32]。同樣，IPF肺組織中ER-α受體表達(dá)上調(diào)，以藥物對(duì)該受體進(jìn)行阻斷，可減輕纖維化程度，這可能是通過(guò)下調(diào)SMAD2介導(dǎo)的促纖維化通路而實(shí)現(xiàn)的[33-34]。IPF患者脫氫表雄酮(DHEA)的合成不成比例地減少。DHEA是一種具有抗纖維化特性的前體激素，可減少成纖維細(xì)胞增殖、TGF-β1膠原生成及促進(jìn)成纖維細(xì)胞凋亡。DHEA促進(jìn)線粒體細(xì)胞色素C釋放到胞漿中并最終激活Caspase9，從而促進(jìn)成纖維細(xì)胞死亡[35]。此外，活化的甲狀腺激素T3，被認(rèn)為是肺纖維化的潛在治療方法。對(duì)肺纖維化小鼠模型予以霧化T3處理，通過(guò)誘導(dǎo)PGC-1α和PINK1提供再生特性，可增加線粒體生物合成，恢復(fù)線粒體功能，減弱凋亡[24]。

線粒體靶向抗氧化劑，如MitoQ可能是一種潛在的治療方法。MitoQ作為線粒體內(nèi)ROS清道夫，可下調(diào)IPF患者成纖維細(xì)胞中TGF-β1和NOX4的表達(dá)，減輕炎癥和膠原沉積[36-37]。眾所周知，IPF肺AEC中PINK1缺失是觸發(fā)這些細(xì)胞線粒體功能障礙的主要因素，因此，增強(qiáng)PINK1活性的藥物可以作為一種治療選擇。新底物激動(dòng)素、三磷酸(KTP)可提高PINK1、Parkin的活性，降低細(xì)胞凋亡，為此類患者提供了一種潛在的藥物[38]。誘導(dǎo)線粒體蛋白SIRT3由于對(duì)損傷和纖維化具有保護(hù)作用，也成為一種有吸引力的治療策略。一種被稱為六氟的化合藥物可以誘導(dǎo)博萊霉素小鼠SIRT3的表達(dá)，抑制TGF-β1，減少膠原1、α-SMA和纖維連接蛋白的表達(dá)，從而減輕肺纖維化的發(fā)展[39]。

綜上所述，以生物合成、線粒體自噬和分裂/融合為目標(biāo)的線粒體質(zhì)量控制的藥理學(xué)調(diào)控，可預(yù)防線粒體功能障礙并最終防治纖維化。不同藥物具有各自作用機(jī)制，然而，需要更多的研究來(lái)闡明藥物發(fā)揮作用的具體分子機(jī)制，以實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量治療和達(dá)到改善患者生存的目標(biāo)。

總 結(jié)

目前，對(duì)于IPF患者的治療選擇很有限。線粒體質(zhì)量控制系統(tǒng)失調(diào)在IPF的發(fā)展中起著重要作用，未來(lái)的研究需進(jìn)一步闡明其參與IPF的確切機(jī)制，以促進(jìn)對(duì)該疾病的認(rèn)識(shí)和形成新的治療方法。