自噬相關基因與感音神經性聽力損失關系的研究進展

楊珠玉 劉俊

浙江中醫(yī)藥大學（杭州 310000）

浙江省中醫(yī)院（杭州 310000）

耳蝸損傷后導致聽力損害的原因很多，包括先天因素、耳毒性藥物、噪聲暴露和細胞的衰老等。研究發(fā)現(xiàn)自噬可能與耳聾發(fā)生有關，自噬過程控制著聽覺細胞的進程，保護聽力免受損害，自噬相關基因可能掌握著聽力障礙遺傳學的決定性因素[1]。自噬可分為三類：巨自噬、微自噬和分子伴侶介導的自噬（Chaperone-mediated autophagy,CMA）；有選擇性和非選擇性自噬之分。線粒體自噬是一種選擇性自噬。自噬是避免細胞死亡（并可抑制細胞凋亡）的應激適應，在某些情況下，自噬成為了細胞死亡的替代途徑，被稱為自噬性細胞死亡（II 型細胞死亡）；而凋亡被描述為細胞的程序性死亡（I 型細胞死亡）。在哺乳動物中，自噬保持在低水平活化狀態(tài)；但當機體處于饑餓、低氧、毒性物質暴露等狀態(tài)時，自噬可被活化[2]。

1 自噬基因異常與先天性耳聾

在聽覺通路中，耳蝸中的毛細胞(Hair cells,HCs)將聲音信息轉化為電信號，然后通過螺旋神經節(jié)(Spiral ganglion,SG)神經元樹突上的化學突觸將這些信號傳遞到中樞神經系統(tǒng)(Centralnervous system,CNS)。這些SG神經元的中樞傳入會聚形成聽神經，與腦干中的耳蝸核相連。先前的研究證實自噬相關基因(autophagy related gene,ATG4、ATG5、ATG9、芐氯素1，BECN1)在胚胎18.5 天小鼠耳蝸中的表達，以及BECN1、ATG4和ATG5在腦干細胞核中的表達[3]。另一項研究指出，ATG5基因的缺失會導致毛細胞(HCs)退化和嚴重的先天性聽力損失。在內毛細胞和外毛細胞中都檢測到了基礎自噬通量，而在ATG5 缺陷的HCs 中自噬小體的形成受到了抑制。含泛素和p62 蛋白（Sequestosome-1,SQSTM1）的聚集體的積累，提示ATG5 缺陷是由于聽覺HCs的退化，而不是發(fā)育不良導致的先天性重度聽力損失。耳蝸HCs中的ATG5對于維持這些細胞的形態(tài)和獲得正常的聽力是必不可少的[4]。這些研究表明，自噬在聽覺系統(tǒng)的發(fā)育、形態(tài)維持和功能成熟中起著至關重要的作用，自噬相關基因的異?？赡軐е孪忍煨院瞳@得性感音神經性聽力損失。

最近的一項研究表明，自噬在小鼠耳蝸帶狀突觸的發(fā)育和成熟過程中起著至關重要的作用。出生后小鼠耳蝸HCs 發(fā)育過程中的帶狀突觸重構過程可能主要由自噬控制，聽力發(fā)育早期17 個自噬基因的缺失可能通過耳蝸帶狀突觸的損傷而導致聽力障礙[5]。耳蝸間質細胞發(fā)育過程中帶狀突觸的重塑過程可能主要受自噬作用的控制，而自噬基因在聽力發(fā)育早期的缺失可能通過損害耳蝸帶狀突觸而造成聽力障礙[6]。

2 與自噬相關耳聾基因

2.1 ATG基因家族

自噬涉及將細胞質細胞器運送到溶酶體進行降解。所有自噬相關基因(Autophagy related gene,ATG)都是有效封閉自噬小體形成并與溶酶體融合所必需的，對自噬小體的形成發(fā)揮重要作用[7]。自噬小體的形成需要兩個進化上保守的泛素樣聯(lián)結系統(tǒng)(ATG5-ATG12)的作用，其過程需要ATG5基因的參與。ATG5是自噬小泡形成的關鍵基因。在體外去除ATG5 或在活體中剔除ATG5 可導致自噬的下降或完全抑制，證實了ATG5 在自噬調節(jié)中起核心作用[8]。因此，ATG5是自噬基因編輯分析中最常見的靶向基因之一，聽覺HCS聽力損失與聽覺HCS的退化有關。

在哺乳動物中，ATG5-ATG12（自噬相關5樣蛋白-自噬相關12 樣蛋白）和LC3(輕鏈3)-磷脂酰乙醇胺(Phophatidyl ethanolamine,PE)偶聯(lián)介導了噬菌體的延長和關閉。ATG 結合系統(tǒng)對于推動自噬體膜的發(fā)生發(fā)展起著十分重要的作用[9]。其發(fā)生發(fā)展過程為：首先泛素樣蛋白ATG12 通過ATG7（自噬相關7 樣蛋白）與ATG5 偶聯(lián)，隨之ATG16L1 和ATG12-ATG5 形成復合物，ATG16L1（自噬相關16樣蛋白1）復合物特異性地定位于噬菌體，最后與其解離標志著自噬小體的形成[10]。LC3在其C 端由ATG4（自噬相關4 樣蛋白）剪輯形成LC3-I。LC3-I隨后通過ATG7 和ATG3（自噬相關3 樣蛋白）與磷脂酰乙醇胺(PE)偶聯(lián)成為LC3-II，并在與磷脂酰肌醇(WD-repeat protein interacting with phosphoinositides,WIPI)蛋白相互作用下募集到自噬體內。LC3-II 使自噬小體能夠結合泛素化形成物p62 蛋白[11]。因此，多泛素化蛋白聚集體和p62 的積聚可能在損傷的發(fā)展過程中起重要作用。

2.2 miRNA 96基因

miRNA96（微小核糖核酸）是miRNA183 家族(miRNA-183、miRNA-96 和miRNA-182)的成員，在脊椎動物中作為單一遺傳位點協(xié)調表達[12]。Mirna96 參與有效形成自噬小體所需的劑量依賴性調節(jié)。MiRNA96 突變可通過ATG7 表達下降使自噬受損，導致感音神經性聽力損失[13]。

2.3 LSD相關基因

自噬-溶酶體通路是調節(jié)細胞內長壽蛋白和細胞器穩(wěn)態(tài)的重要機制。作為代謝信號樞紐，溶酶體吞噬和分解代謝物，溶酶體的功能維持了正常細胞內代謝和內環(huán)境的穩(wěn)態(tài)。溶酶體內pH 通常維持在低酸性范圍(4.2-5.3)，液泡型ATP 酶(V-ATPase)作為ATP 依賴的質子泵調節(jié)溶酶體的許多功能[14]。溶酶體儲存疾病(lysosmal storage disorders,LSD)是由溶酶體蛋白或溶酶體相關蛋白缺陷引起的遺傳代謝紊亂，溶酶體功能障礙導致未降解底物的積累[15]。LSD 相關基因編碼不同的溶酶體蛋白，包括溶酶體酶和溶酶體膜蛋白。編碼溶酶體水解酶、附屬蛋白、膜運輸?shù)鞍谆蜣D運蛋白的基因突變可能與LSD 發(fā)生有關[16]。LSD 引起的耳蝸分子病理的許多方面仍不清楚。最近的研究表明，不同基因缺陷引起的哺乳動物LSD 是否涉及依賴于運輸所需的內體分選復合物(Endosomal sorting complex required for transport,ESCRT)的膜密封，以及溶酶體儲存的發(fā)育過程中選擇性自噬和ESCRT 修復的溶蝕作用是否協(xié)同尚未清楚[17]。

2.4 WDR45基因突變

伴有聽力損失的先天性自噬障礙β-螺旋槳蛋白相關神經變性(Beta propeller associated neuro degeneration,BPAN)：WD 重復域蛋白45（Homo sapiens WD repeat domain,WDR45）基因突變誘導的先天性自噬障礙的表型為先天代謝障礙，其主要的癥狀之一表現(xiàn)為聽力障礙[18]。先前研究有報道了WDR45 基因突變是BPAN 的遺傳原因，也被稱為“兒童靜止性腦病伴成年神經退行性變(森達)綜合征”[19]。WDR45 位于X 染色體上，WDR45 編碼一個由40 個氨基酸組成的保守核心蛋白超家族WD 重復蛋白，其折疊成類似的β-螺旋槳結構，通過較小的分子信號級聯(lián)作為蛋白質-蛋白質自噬或蛋白質-脫氧核糖核酸相互作用的平臺，通過較小的頂面介導分子信號級聯(lián)。在BPAN中突變的WD重復蛋白WDR45 與自噬相關蛋白ATG2 和ATG9 相互作用，是調節(jié)自噬小體形成和延遲的關鍵步驟[20]。因此，哺乳動物細胞中WDR45 的耗盡可能導致早期自噬小泡或未成熟自噬小體的積累。BPAN 發(fā)病另一個機制是在鐵代謝中的作用，這也被稱為選擇性自噬[21]。細胞內鐵的生物利用度受到鐵蛋白向自噬小體的傳遞和溶酶體的降解的關鍵調節(jié)，從而允許鐵釋放到細胞質中[22]。研究表明，BPAN 的聽力障礙可能與中樞聽覺通路神經細胞內p62 和泛素的蓄積或吞鐵功能障礙有關。

2.5 遺傳基因DFNB59和自噬基因DFNA5

感音神經性耳聾相關遺傳基因常染色體隱性59(Autosomal recessive59，DFNB59)和自噬基因常染色體顯性5(Autosomal dominant5，DFNA5)被認為是導致常染色體顯性耳聾(Autosomal dominant hearing loss，ADHHL)的基因[23]。DFNA5mRNA 轉錄本跳過外顯子，導致移碼和蛋白質過早終止[24]。DFNA5 相關的ADHHL以非綜合征ADHHL基因為特征，不表現(xiàn)出其他癥狀。DFNA5 的Gasdermin-E 蛋白(GSDME)可以將化療藥物等介導的細胞凋亡轉化為一種炎性形式的程序性細胞死亡[25]。GSDME 的N-末端結構域作為功能特征顯示出誘導凋亡的活性，而C-末端結構域通過屏蔽N-末端結構域而起到抑制凋亡的作用[26]。由DFNA5 引起的一種特殊形式的常染色體顯性進行性感音神經性聾可能導致感覺毛細胞凋亡、壞死和自噬之間的平衡失調。

2.6 連接蛋白β-2(Cx26)基因

縫隙連接蛋白26(Monoclonalantibody to connexin 26,Cx26)編碼的縫隙連接蛋白基因的部分缺失和通過紅系衍生-2 樣蛋白(NF-E2-relatedfactor2,NRF2)/Kelch 樣環(huán)氧氯丙烷相關蛋白1（Kelch-like ECH-associated protein-1,Keap1）途徑的自噬是感音神經性聽力損傷最常見的原因[27]。老年性耳聾最常見原因是縫隙連接蛋白Cx26 的編碼基因Cx26 的部分缺失以及NRF2/Keap1 途徑的自噬[28]。先前的研究表明，KEAP1-Nrf2 系統(tǒng)是聽覺細胞主要的氧化應激反應途徑，氧化還原失衡和核因子Nrf2 途徑調節(jié)失調引起Cx26 的部分缺失會導致老年性耳聾[29]。p62/SQSTM1 是一種應激誘導蛋白，具有多個功能區(qū)，包括LC3相互作用區(qū)(LC3-interacting region,LIR)、Keap1 相互作用區(qū)(Keap1-interacting region KIR)和泛素相關結構域(Ubiquitinassociated domains,UBAs)。p62/SQSTM1 通過抑制Keap1 結合Nrf2 的能力來調節(jié)Nrf2 的激活和穩(wěn)定。此外，其還作為選擇性自噬和泛素信號之間的接頭蛋白[30]，表明Keap1-Nrf2 途徑和選擇性自噬可以通過旁路p62/SQSTM1介導。綜上所述，p62介導的選擇性自噬可能通過Nrf2/Keap1 途徑調節(jié)Cx26 部分丟失所加速的老年性耳聾。

3 結論

感音神經性聽力損失（Sensorineural hearing loss,SNHL）可能由環(huán)境和遺傳因素引起，其中大約60%歸因于遺傳因素[31]。綜上內容闡述了與自噬相關的耳聾基因的突變或缺失所引起的線粒體自噬可能誘導耳聾，表明自噬缺陷在聽力損失的遺傳學中起著十分重要的作用。繼續(xù)探索與自噬相關的基因將在不久的將來為聽力障礙的遺傳學提供新的方向?？傊?，研究自噬功能相關基因將為感音神經性聽力損失的治療靶點打開新的大門。