線粒體自噬與肺動(dòng)脈高壓的關(guān)系及其在巨噬細(xì)胞代謝重編程中作用的研究進(jìn)展

孫佳偉，劉美洋，崔志峰，宮小薇，袁雅冬

肺動(dòng)脈高壓（pulmonary hypertension，PH）是一種高發(fā)病率和高死亡率的血管疾病，在英國(guó)，PH患病率為97/100萬(wàn)，其中女性與男性比例為1.8∶1；美國(guó)PH患者年齡標(biāo)化死亡率為4.5/10萬(wàn)～12.3/10萬(wàn)，總體生存率為28%～72%［1-2］。研究發(fā)現(xiàn)，在PH進(jìn)展過(guò)程中，患者主要表現(xiàn)為肺血管重構(gòu)和肺血管阻力增加，最終導(dǎo)致右心衰竭乃至死亡，其關(guān)鍵特征是肺動(dòng)脈血管周圍炎性單核細(xì)胞/巨噬細(xì)胞的募集和極化［3］。而巨噬細(xì)胞極化在PH發(fā)生中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，其包括經(jīng)典激活的M1型巨噬細(xì)胞和替代激活的M2型巨噬細(xì)胞，其中M1型巨噬細(xì)胞能夠啟動(dòng)和維持炎性反應(yīng)，而M2型巨噬細(xì)胞可抑制炎性反應(yīng)，釋放抗炎遞質(zhì)［4］。外膜微環(huán)境中巨噬細(xì)胞極化的驅(qū)動(dòng)機(jī)制尚不清楚，有研究表明，線粒體自噬會(huì)觸發(fā)一個(gè)糖代謝“開關(guān)”，并與巨噬細(xì)胞向M1型巨噬細(xì)胞極化有關(guān)［5］。其中線粒體自噬是自噬的一種形式，其可介導(dǎo)清除有缺陷或過(guò)量的線粒體，參與線粒體的質(zhì)量控制［6］。本文旨在探討線粒體自噬與PH的關(guān)系及其在巨噬細(xì)胞代謝重編程中的作用，以期為PH的診治提供新的思路。

1 線粒體自噬

線粒體被稱為細(xì)胞能量中心，對(duì)生理適應(yīng)和應(yīng)激反應(yīng)至關(guān)重要。線粒體的功能狀態(tài)依賴于線粒體生物發(fā)生、融合和分裂以及線粒體自噬對(duì)受損線粒體的降解之間的動(dòng)態(tài)平衡，其控制著線粒體的質(zhì)量和數(shù)量，在細(xì)胞內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)中發(fā)揮作用［7］。而自噬是一個(gè)高度保守的過(guò)程，細(xì)胞可以通過(guò)降解溶酶體中的細(xì)胞器和蛋白質(zhì)來(lái)循環(huán)利用其降解產(chǎn)物。自噬可作為一種非選擇性的降解過(guò)程，也可以選擇性地降解特定的蛋白質(zhì)、細(xì)胞器等，這一過(guò)程被稱為選擇性自噬［8］。LEMASTERS［8］首次將線粒體的選擇性自噬過(guò)程稱為線粒體自噬，其是一種選擇性地將受損或去極化的線粒體隔離到雙膜自噬體中進(jìn)而被溶酶體降解的過(guò)程，即選擇性地清除受損或有缺陷的線粒體，在恢復(fù)正常生理和壓力條件下的細(xì)胞穩(wěn)態(tài)方面發(fā)揮關(guān)鍵作用，是線粒體質(zhì)量控制的關(guān)鍵步驟［6］。

在哺乳動(dòng)物中，線粒體自噬的機(jī)制包括典型線粒體自噬和非典型線粒體自噬，其中典型線粒體自噬包括PTEN誘導(dǎo)激酶1（PTEN-induced putative kinase 1，PINK1）/Parkin依賴的線粒體自噬、受體介導(dǎo)的線粒體自噬以及脂質(zhì)介導(dǎo)的線粒體自噬；非典型線粒體自噬不需要LC3修飾的自噬體，而是線粒體和溶酶體之間直接通過(guò)細(xì)胞器間的相互作用進(jìn)行自噬［9-11］。

1.1 典型線粒體自噬

1.1.1 PINK1/Parkin依賴的線粒體自噬 PINK1/Parkin依賴的線粒體自噬指由線粒體外膜PINK1與Parkin介導(dǎo)的線粒體自噬。線粒體外膜轉(zhuǎn)位酶（translocase of outer mitochondrial membrane，TOM）和線粒體內(nèi)膜轉(zhuǎn)位酶（translocase of inner mitochondrial membrane，TIM）可將PINK1導(dǎo)入線粒體內(nèi)膜，之后PINK1被線粒體內(nèi)膜蛋白酶PARL切割，所以在正常線粒體中PINK1表達(dá)水平極低，很難被檢測(cè)到；而在去極化條件下，線粒體膜電位的喪失阻止了PINK1向內(nèi)膜的導(dǎo)入，并促進(jìn)其穩(wěn)定在線粒體外膜上，以致線粒體外膜上PINK1表達(dá)水平增加［12］。PINK1的積累可促進(jìn)Parkin從細(xì)胞質(zhì)轉(zhuǎn)移到受損線粒體［13］，其機(jī)制為PINK1在絲氨酸65位點(diǎn)磷酸化后，泛素會(huì)將來(lái)自細(xì)胞基質(zhì)的高親和力Parkin募集到線粒體上［14］。也有研究表明，線粒體融合蛋白2（mitofusin 2，Mfn2）可介導(dǎo)Parkin向受損線粒體轉(zhuǎn)移，即Parkin以PINK1依賴的方式與Mfn2結(jié)合［15］。隨后，Parkin會(huì)介導(dǎo)兩條不同多泛素鏈的形成，上述泛素鏈通過(guò)賴氨酸63和賴氨酸27相互連接［16］。Parkin泛素化線粒體膜蛋白后，與自噬適配器分子p62、NBR1、AMBRA1、OPTN和NDP52相互作用，從而間接與自噬體上的LC3相互作用，導(dǎo)致受損線粒體被自噬體吞噬并清除。

1.1.2 受體介導(dǎo)的線粒體自噬 受體介導(dǎo)的線粒體自噬不需要自噬適配器分子，而是涉及一組含有LC3相互作用區(qū)（LC3 interacting region，LIR）的受體，其通過(guò)與LC3結(jié)合來(lái)介導(dǎo)線粒體自噬。目前哺乳動(dòng)物細(xì)胞中已鑒定出幾種類型的線粒體自噬受體或受體相關(guān)因子，包括Bnip3/Nix、FUNDC1和BCL2L13等［17-18］。其中Bnip3/Nix是具有BH3結(jié)構(gòu)域的促凋亡蛋白，通過(guò)其C-末端跨膜結(jié)構(gòu)域定位于線粒體外膜，并通過(guò)細(xì)胞質(zhì)定向的典型N-末端LIR基序發(fā)揮線粒體自噬受體的作用，該基序有助于Bnip3/Nix與自噬體的結(jié)合。Bnip3的活性取決于多肽LIR區(qū)域兩側(cè)的絲氨酸17和24殘基的磷酸化情況，并刺激Bnip3與Atg8的成員LC3B和GATE-16的結(jié)合［19］。與Bnip3一樣，Nix的SWxxL LIR基序的絲氨酸34/35磷酸化可促進(jìn)線粒體自噬［20］。定位在線粒體外膜的蛋白FUNDC1具有3個(gè)跨膜結(jié)構(gòu)域和1個(gè)暴露于細(xì)胞質(zhì)的典型N-末端LIR Y（18）xxL23基序，用于與LC3和GABARAP蛋白結(jié)合。正常情況下，F(xiàn)UNDC1的活性是受酪氨酸18和絲氨酸13的磷酸化狀態(tài)來(lái)調(diào)控的；在缺氧應(yīng)激條件下，F(xiàn)UNDC1的絲氨酸13和酪氨酸18發(fā)生去磷酸化，進(jìn)而誘導(dǎo)線粒體自噬［21-22］。BCL2L13中的WxxL LIR基序通過(guò)與LC3結(jié)合來(lái)介導(dǎo)線粒體自噬。BCL2L13可通過(guò)其C終端跨膜結(jié)構(gòu)域錨定到線粒體外膜［23］。BCL2L13的BH結(jié)構(gòu)域在沒(méi)有動(dòng)力相關(guān)蛋白1（dynamic-related protein 1，Drp1）的情況下可誘導(dǎo)線粒體分裂，并將片段化的線粒體轉(zhuǎn)移到自噬體和溶酶體中［20］。

1.1.3 脂質(zhì)介導(dǎo)的線粒體自噬 脂質(zhì)介導(dǎo)的線粒體自噬指某些脂質(zhì)分子，如神經(jīng)酰胺和心磷脂，在定位于線粒體外膜時(shí)也起到線粒體自噬受體的作用，這些脂質(zhì)可直接與LC3相互作用以誘導(dǎo)線粒體自噬［24-25］。

1.2 非典型線粒體自噬 非典型線粒體自噬參與線粒體質(zhì)量控制的調(diào)節(jié)，其中線粒體衍生囊泡（mitochondria derived vesicles，MDV）可介導(dǎo)受損線粒體向溶酶體轉(zhuǎn)移并降解。盡管該過(guò)程存在于整個(gè)線粒體，但其誘導(dǎo)的MDV以溶酶體為靶點(diǎn)，不需要犧牲整個(gè)線粒體，而是小規(guī)模的損傷［9-11］。

2 線粒體自噬與PH的關(guān)系

有證據(jù)表明，PH患者以及PH小鼠模型中線粒體自噬增加，線粒體生物合成減少［26-27］。在肺動(dòng)脈內(nèi)皮細(xì)胞（pulmonary artery endothelial cells，PAECs）中，線粒體自噬和解偶聯(lián)蛋白2（uncoupling protein 2，UCP2）通路在肺血管重塑中發(fā)揮重要作用。研究表明，UCP2缺失的PAECs可增加PINK1和Parkin水平，從而增加線粒體自噬，并導(dǎo)致PH的發(fā)展［26］。除了PAECs中的線粒體自噬在PH中發(fā)揮作用，研究表明，PH的發(fā)生與肺動(dòng)脈平滑肌細(xì)胞（pulmonary artery smooth muscle cells，PASMCs）中的線粒體自噬有關(guān)［28-29］。研究顯示，凋亡誘導(dǎo)因子（apoptosis inducing factor，AIF）作為一種關(guān)鍵的線粒體靶蛋白，可參與線粒體自噬信號(hào)通路，并誘導(dǎo)自噬，引起PASMCs過(guò)度增殖，進(jìn)而誘發(fā)PH，提示線粒體自噬在PH發(fā)生發(fā)展中發(fā)揮重要作用［28］。同樣的，LI等［29］發(fā)現(xiàn)，缺氧可以激活PINK1/Parkin介導(dǎo)的線粒體自噬通路，誘導(dǎo)PASMCs過(guò)度增殖，導(dǎo)致低氧性肺動(dòng)脈高壓（hypoxic pulmonary hypertension，HPH）。在PH進(jìn)展過(guò)程中，除了PAECs和PASMCs中的線粒體自噬在PH中發(fā)揮作用外，肺動(dòng)脈血管周圍巨噬細(xì)胞極化也發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，包括啟動(dòng)和維持炎性反應(yīng)的M1型巨噬細(xì)胞和釋放抗炎遞質(zhì)的M2型巨噬細(xì)胞。

3 線粒體自噬在巨噬細(xì)胞代謝重編程中的作用

代謝重編程指腫瘤細(xì)胞為了在極端微環(huán)境下存活而對(duì)其合成和分解代謝進(jìn)行調(diào)節(jié)以獲得所需能量和物質(zhì)的過(guò)程，該過(guò)程主要涉及糖類、脂質(zhì)、氨基酸等代謝途徑的調(diào)節(jié)。然而，研究表明，類似Warburg效應(yīng)的代謝重編程也存在于快速增殖的細(xì)胞中，包括各種類型的免疫細(xì)胞，并決定了免疫細(xì)胞亞群在炎癥組織或癌癥等疾病條件下的功能［30-32］。并且，在神經(jīng)元分化和巨噬細(xì)胞激活期間，線粒體自噬促進(jìn)了代謝向糖酵解的轉(zhuǎn)變，表明線粒體自噬和代謝重編程之間存在聯(lián)系，線粒體自噬是細(xì)胞代謝的關(guān)鍵調(diào)節(jié)器［33］。

巨噬細(xì)胞是一種具有異質(zhì)性的免疫細(xì)胞群，在體內(nèi)平衡和免疫應(yīng)答中發(fā)揮多種功能。巨噬細(xì)胞的功能依賴于其異質(zhì)性和可塑性，其在感知微環(huán)境方面具有高度專一性，并相應(yīng)地改變自身的特性。巨噬細(xì)胞表型和功能的改變常伴隨著細(xì)胞代謝的改變［4］。然而，巨噬細(xì)胞是腫瘤微環(huán)境的主要組成部分。研究表明，M1型巨噬細(xì)胞可分泌抑制腫瘤生長(zhǎng)和發(fā)展的促炎因子，而腫瘤相關(guān)巨噬細(xì)胞（tumor associated macrophage，TAM）主要表現(xiàn)為M2表型［34-35］。巨噬細(xì)胞可誘導(dǎo)代謝重編程，其特征是有氧糖酵解增加，戊糖磷酸途徑增加［36］。

3.1 糖代謝 糖代謝可分為分解代謝和合成代謝兩個(gè)方面，是細(xì)胞維持生命活動(dòng)的主要能量來(lái)源。糖代謝途徑主要有葡萄糖的無(wú)氧酵解、有氧氧化、磷酸戊糖途徑等。多項(xiàng)研究表明，線粒體自噬促進(jìn)了代謝向糖酵解的轉(zhuǎn)變，并促進(jìn)了巨噬細(xì)胞向M1表型極化，而M1型巨噬細(xì)胞極化期間存在Nix依賴的代謝改變［5，33，37］。在巨噬細(xì)胞代謝重編程過(guò)程中，除了Nix介導(dǎo)的線粒體自噬外，PINK1介導(dǎo)的線粒體自噬也發(fā)揮作用，MENG等［38］發(fā)現(xiàn)，?；撬峥梢砸种芐-腺苷甲硫氨酸（S-adenosyl methionine，SAM）依賴的PP2A催化亞基C亞基（protein phosphatase 2A catalytic subunit C，PP2Ac）甲基化，從而阻斷PINK1介導(dǎo)的線粒體自噬，進(jìn)而阻礙能量代謝轉(zhuǎn)化為M1型巨噬細(xì)胞所需的糖酵解。總之，上述研究說(shuō)明了線粒體自噬可促進(jìn)巨噬細(xì)胞代謝向糖酵解方向轉(zhuǎn)化，進(jìn)而促進(jìn)巨噬細(xì)胞向依賴糖酵解供能的M1型巨噬細(xì)胞方向極化。然而，有研究表明，線粒體自噬會(huì)促進(jìn)巨噬細(xì)胞代謝向氧化磷酸化（oxidative phosphorylation，OXPHOS）方向轉(zhuǎn)變［39-40］。研究發(fā)現(xiàn)，IL-10可促進(jìn)線粒體自噬，其機(jī)制可能為IL-10通過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)和轉(zhuǎn)錄激活因子3（signal transducers and activators of transcription 3，STAT3）改善線粒體功能，進(jìn)而抑制mTORC1，導(dǎo)致糖酵解下降，即IL-10通過(guò)線粒體自噬重編程巨噬細(xì)胞的代謝，進(jìn)而促進(jìn)OXPHOS［39-40］。然而，有研究表明，胃癌患者的PINK1缺乏抑制線粒體自噬功能，可促進(jìn)Warburg效應(yīng)，從而促進(jìn)巨噬細(xì)胞向M2型巨噬細(xì)胞方向極化，進(jìn)而促進(jìn)腫瘤生長(zhǎng)［41］。但其具體機(jī)制目前尚不明確，有研究表明，IL-33/生長(zhǎng)刺激表達(dá)基因2蛋白（growth stimulation expressed gene 2，ST2）軸可能在其中發(fā)揮作用，其可增強(qiáng)細(xì)胞OXPHOS，從而促進(jìn)M2極化基因表達(dá)，最終促進(jìn)腫瘤生長(zhǎng)［42］。而在PH中形成的外膜微環(huán)境則是由代謝重編程調(diào)節(jié)巨噬細(xì)胞極化完成的，多項(xiàng)研究表明，PH患者的巨噬細(xì)胞代謝會(huì)向糖酵解方向轉(zhuǎn)變，并減少OXPHOS［43-44］，其機(jī)制可能是依賴糖酵解的M1型巨噬細(xì)胞在三羧酸循環(huán)（tricarboxylic acid cycle，TCA）中出現(xiàn)兩次代謝異常，導(dǎo)致衣康酸和琥珀酸不斷增多［4］。而過(guò)量的琥珀酸可穩(wěn)定缺氧誘導(dǎo)因子1α（hypoxia inducible factor-1α，HIF-1α），進(jìn)而激活糖酵解基因的轉(zhuǎn)錄，從而維持M1型巨噬細(xì)胞的糖酵解代謝。相反，M2型巨噬細(xì)胞更依賴OXPHOS，其TCA是完整的，并為電子傳遞鏈（electron transport chain，ETC）的復(fù)合物提供底物［4］。

3.2 脂代謝 巨噬細(xì)胞極化方向與脂代謝有關(guān)，其中M1型巨噬細(xì)胞會(huì)將多余的脂肪酸以三酰甘油和膽固醇酯的形式儲(chǔ)存在脂滴中，而M2型巨噬細(xì)胞使脂肪酸進(jìn)行再酯化和β氧化［45］，故脂肪酸氧化對(duì)M2型巨噬細(xì)胞的抗炎功能很重要。在M1型巨噬細(xì)胞中，TCA被打破，導(dǎo)致檸檬酸轉(zhuǎn)化為游離脂肪酸。而飽和游離脂肪酸可激活巨噬細(xì)胞中的kappa B抑制因子激酶（inhibitor of kappa B kinase，IKK）和JNK1信號(hào)分子，從而誘導(dǎo)巨噬細(xì)胞向M1型方向極化。而有研究表明，IL-4誘導(dǎo)了巨噬細(xì)胞脂肪酸氧化和線粒體生物發(fā)生的細(xì)胞途徑，從而促進(jìn)巨噬細(xì)胞極化為M2型巨噬細(xì)胞，其機(jī)制可能與調(diào)節(jié)脂肪酸β氧化的重要基因相關(guān)［45］?？傊{(diào)控巨噬細(xì)胞中脂肪酸氧化過(guò)程可能會(huì)對(duì)其極化方向產(chǎn)生影響。正常的線粒體功能在調(diào)節(jié)脂代謝和細(xì)胞能量供應(yīng)方面起關(guān)鍵作用，線粒體自噬可以促進(jìn)線粒體脂肪酸氧化，從而抑制肝臟脂肪酸積累，改善肝臟胰島素抵抗［46］。除此之外，線粒體自噬也調(diào)控著高脂飲食期間心臟線粒體的質(zhì)量，而抑制線粒體自噬會(huì)導(dǎo)致線粒體功能障礙和脂質(zhì)積累，此作用與Parkin介導(dǎo)的線粒體自噬相關(guān)［47］。有研究通過(guò)抑制細(xì)胞內(nèi)抗微生物蛋白——鳥苷酸結(jié)合蛋白1（guanylate-binding protein 1，Gbp1）表達(dá)發(fā)現(xiàn)，巨噬細(xì)胞的線粒體呼吸功能受損，線粒體自噬被抑制，下調(diào)編碼ETC成分的基因以及參與脂肪酸氧化和線粒體功能的基因可導(dǎo)致巨噬細(xì)胞向M1型巨噬細(xì)胞極化，提示Gbp1可能通過(guò)促進(jìn)線粒體自噬來(lái)維持線粒體功能，從而對(duì)炎癥誘導(dǎo)的巨噬細(xì)胞表型變化和代謝失調(diào)起到保護(hù)作用。

3.3 氨基酸代謝 氨基酸代謝，尤其是精氨酸、谷氨酰胺、絲氨酸、甘氨酸和色氨酸，對(duì)巨噬細(xì)胞極化至關(guān)重要。其中M1型巨噬細(xì)胞極化需要氨基酸代謝。例如，精氨酸琥珀酸合酶在M1型巨噬細(xì)胞中表達(dá)明顯上調(diào)［48］。抑制谷氨酸草酰乙酸轉(zhuǎn)氨酶可降低NO、IL-6水平，這是M1型巨噬細(xì)胞的特征。還有研究表明，谷氨酰胺代謝也與巨噬細(xì)胞極化有關(guān)，而α-酮戊二酸是TCA的中間產(chǎn)物，也是由谷氨酰胺代謝產(chǎn)生的；α-酮戊二酸對(duì)于脂肪酸氧化的M2型巨噬細(xì)胞的激活很重要；低α-酮戊二酸/琥珀酸鹽比率可增加M1型巨噬細(xì)胞的活化水平，高α-酮戊二酸/琥珀酸鹽比率可促進(jìn)巨噬細(xì)胞向M2型巨噬細(xì)胞極化［49］。此外，抑制谷氨酰胺合成酶可使巨噬細(xì)胞向M1型巨噬細(xì)胞極化，其特征是細(xì)胞內(nèi)谷氨酰胺減少、琥珀酸增加和糖酵解增加，這與HIF-1α活化有關(guān)［50］。在癌細(xì)胞中，sirtuins可通過(guò)影響基本氨基酸的代謝來(lái)控制線粒體自噬，其能夠控制谷氨酰胺代謝，影響氨的積累，并直接或間接地控制線粒體自噬以及腫瘤微環(huán)境［51］。PH血管重塑機(jī)制相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，血管周圍成纖維細(xì)胞具有獨(dú)特的促炎表型，活化的成纖維細(xì)胞可通過(guò)旁分泌IL-6來(lái)促進(jìn)巨噬細(xì)胞表達(dá)精氨酸酶1［52-53］，因此精氨酸酶1表達(dá)增加可能與PH相關(guān)血管重塑中巨噬細(xì)胞與成纖維細(xì)胞相互作用有關(guān)，其中成纖維細(xì)胞來(lái)源的乳酸和IL-6促進(jìn)巨噬細(xì)胞表達(dá)HIF-1α和精氨酸酶1［53］，而精氨酸酶1下游的巨噬細(xì)胞來(lái)源的多胺和IL-1b可以反過(guò)來(lái)激活成纖維細(xì)胞并促進(jìn)其增殖。

4 小結(jié)及展望

線粒體自噬可維持線粒體數(shù)量及質(zhì)量，在PH發(fā)生發(fā)展中發(fā)揮重要作用，其機(jī)制可能與激活PINK1/Parkin介導(dǎo)的線粒體自噬通路有關(guān)。巨噬細(xì)胞會(huì)受免疫微環(huán)境影響而分化為不同功能的亞群，這些免疫微環(huán)境受基礎(chǔ)代謝的改變而改變。線粒體作為細(xì)胞代謝控制中心，在巨噬細(xì)胞極化過(guò)程中發(fā)揮重要作用，線粒體自噬可能促進(jìn)巨噬細(xì)胞向M1型巨噬細(xì)胞極化，并促進(jìn)PH的發(fā)生發(fā)展。在未來(lái)，通過(guò)進(jìn)一步研究線粒體自噬在巨噬細(xì)胞代謝重編程中作用的具體機(jī)制，可能為PH等巨噬細(xì)胞相關(guān)疾病提供新的治療靶點(diǎn)。

作者貢獻(xiàn)：孫佳偉進(jìn)行文獻(xiàn)資料的收集和分析，撰寫論文；劉美洋、崔志峰、宮小薇進(jìn)行文獻(xiàn)資料的分析、整理；袁雅冬負(fù)責(zé)文章的質(zhì)量控制及審校，對(duì)文章整體負(fù)責(zé)、監(jiān)督管理。

本文無(wú)利益沖突。