線粒體自噬相關(guān)調(diào)控通路在慢性阻塞性肺疾病發(fā)病機制中的作用研究進展*

吳仰聰，張鵬飛，潘玲，葉欣鑫，劉茂華，劉振威，李曉雯，黃茹妍

（1.廣西中醫(yī)藥大學(xué)，廣西 南寧 530200；2.柳州市中醫(yī)醫(yī)院，廣西 柳州 545001；3.廣西中醫(yī)藥大學(xué)附屬瑞康醫(yī)院，廣西 南寧 530011；4.右江民族醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院,廣西 百色 533600）

慢性阻塞性肺疾?。╟hronic obstructive pulmonary disease,COPD）是一種以持續(xù)存在的呼吸系統(tǒng)癥狀和氣流受限為特征的常見慢性疾病，進一步可能發(fā)展為肺源性心臟病或呼吸衰竭[1]。長期暴露于含有毒顆粒和香煙煙霧等有害氣體的環(huán)境中是COPD發(fā)病的常見危險因素，可導(dǎo)致肺部發(fā)生炎癥、氣道和肺實質(zhì)重塑，以及炎癥和免疫過程的激活，最終誘發(fā)肺大泡、肺氣腫、間質(zhì)性改變等典型COPD癥狀[2-3]。COPD的致殘率和病死率很高，據(jù)統(tǒng)計，全球40歲以上患者發(fā)病率已高達(dá)9%～10%，在世界十大致死疾病中居第4位，嚴(yán)重威脅到人類身體健康[4]。目前主要的治療手段包括抗炎、解痙平喘、祛痰、氧療等方式，但難以阻止COPD的進展，同時在預(yù)防早期疾病發(fā)生與控制穩(wěn)定期病情等方面效果欠佳。COPD的發(fā)病機制復(fù)雜多樣，目前認(rèn)為主要涉及上皮樣改變、蛋白水解-抗蛋白水解失衡、遺傳因素、炎癥改變、氧化應(yīng)激、自噬、線粒體功能障礙等[5]。近年來，通過調(diào)控相關(guān)信號通路干預(yù)線粒體自噬在COPD防治中的作用引起了廣泛關(guān)注，成為國內(nèi)外學(xué)者的研究熱點，本文就此進行綜述。

1 線粒體自噬與COPD

1.1 線粒體自噬

自噬是通過將某些細(xì)胞內(nèi)可溶性大分子或細(xì)胞器等物質(zhì)運送至溶酶體進行降解，從而維持細(xì)胞及代謝的穩(wěn)態(tài)[6]。細(xì)胞自噬既有包括線粒體自噬、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)自噬等方式的選擇性自噬，也有例如巨自噬和微自噬等非選擇性自噬。非選擇性自噬是指在外界刺激下隨機包裹細(xì)胞質(zhì)形成的自噬體，在細(xì)胞饑餓的時候能為其提供氨基酸等來滿足營養(yǎng)需求[7]。選擇性自噬是通過降解受損或多余的細(xì)胞器等細(xì)胞質(zhì)物質(zhì)以維持細(xì)胞內(nèi)穩(wěn)態(tài),自噬受體能否正確地識別和隔離待分解物質(zhì)是維系選擇性自噬功能的重要條件。選擇性自噬運行的實質(zhì)正如在正常的大環(huán)境下扮演‘大掃除’的角色[8]。

線粒體是一種存在于大多數(shù)細(xì)胞中的由2層膜包裹的細(xì)胞器，參與的細(xì)胞功能有細(xì)胞呼吸、三磷酸腺苷的產(chǎn)生、脂質(zhì)代謝、鈣信號轉(zhuǎn)導(dǎo)和活性氧（reactive oxygen species,ROS）的生成等[9]。因此維持線粒體內(nèi)穩(wěn)定對細(xì)胞發(fā)育、代謝及生理適應(yīng)和應(yīng)激條件的反應(yīng)等有極其重要的作用，其功能障礙和損傷與心、腦、肺等相關(guān)疾病的發(fā)生息息相關(guān)[10]。通常在ROS、細(xì)胞衰老、營養(yǎng)缺乏等因素的作用下，細(xì)胞內(nèi)的一部分線粒體會在去極化后出現(xiàn)損傷。損傷的線粒體通過特異性的包裹從而進入自噬體形成雙膜自噬體吞噬線粒體（見圖1），并與溶酶體融合，從而完成線粒體的回收和降解，最終維持細(xì)胞內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)態(tài)，這個過程被稱為線粒體自噬[10-13]。

圖1 線粒體自噬過程

線粒體自噬是人體極其重要的清理機制，在線粒體不斷老化和功能受損后，產(chǎn)生的氧化壓力不斷增大，從而導(dǎo)致細(xì)胞衰老和疾病發(fā)生。因此，當(dāng)這些問題出現(xiàn)時，線粒體自噬便必須要啟動，通過降解和回收線粒體使線粒體得以更新[14]。研究證實，線粒體自噬一般通過2種方式進行調(diào)節(jié)，包括張力素同源物誘導(dǎo)的激酶蛋白1（phosphatase and tensin homolog-induced putative kinase protein1,PINK1）/RBR結(jié)構(gòu)域的E3泛素連接酶（parkin RBR E3 ubiquitin protein ligase,Parkin）介導(dǎo)的線粒體自噬和受體介導(dǎo)的線粒體自噬[15]。目前發(fā)現(xiàn)的線粒體自噬相關(guān)受體包括NIP3樣蛋白X（nip3-like protein x,NIX/BNIP3L）和FUN14結(jié)構(gòu)域蛋白1（fun14 domaincontaining protein 1,FUNDC1）等大部分是直接通過與微管相關(guān)蛋白輕鏈3（microtuble-associated protein light chain 3,LC3）相互作用，從而在線粒體自噬過程中發(fā)揮重要作用。

線粒體自噬作為一種選擇性的自噬過程，可以通過清除受損的線粒體來維持線粒體的穩(wěn)定。如果線粒體自噬出現(xiàn)異常，可能就會影響到一些慢性炎癥疾病，其中最典型的就是COPD。然而，線粒體自噬與COPD的關(guān)系并不簡單，既有保護作用，也有損傷作用。

1.2 線粒體自噬在COPD中的保護作用

正如上文所說，COPD的特征是氣道和肺部慢性炎癥增強，導(dǎo)致小氣道重塑，以及由氣體或有毒顆粒引發(fā)的肺實質(zhì)破壞。吸煙作為COPD的主要病因之一，其機制正是通過吸煙引發(fā)ROS生成，從而加速肺泡壁破壞和氣道管壁增厚。ARAYA等[16]發(fā)現(xiàn)線粒體自噬的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子Parkin在小鼠中缺乏會導(dǎo)致線粒體功能受損，暴露于香煙煙霧后，氣道壁增厚，肺氣腫增加，表明線粒體自噬缺陷可能影響到COPD的進程。

近期研究表明，線粒體自噬減弱了氣道上皮細(xì)胞中ROS的產(chǎn)生和細(xì)胞衰老，表明充分的線粒體自噬有助于減輕香煙誘導(dǎo)的肺部病理中的氧化應(yīng)激，從而緩解COPD等相關(guān)慢性氣道炎癥的進程[17]。另外在BARNES等[18]研究的COPD模型中，香煙煙霧會導(dǎo)致線粒體相關(guān)蛋白穩(wěn)態(tài)失衡，從而激活線粒體自噬，使肺上皮細(xì)胞的線粒體質(zhì)量發(fā)生改變，也提示香煙煙霧致COPD與線粒體自噬的保護作用相關(guān)。

1.3 線粒體自噬在COPD中的損傷作用

盡管如此，過度的線粒體自噬也可能是有害的，線粒體自噬也會加重線粒體的損傷和去極化從而加劇COPD進程，這可能與線粒體自噬的過度激活有關(guān)。有報道指出，香煙煙霧提取物（cigarette smoke extract,CSE）中的親脂性部分促進了線粒體活性氧（mitochondrial reactive oxygen species,mtROS）的產(chǎn)生和線粒體膜電位的降低。過量的mtROS產(chǎn)生以及線粒體功能和結(jié)構(gòu)完整性的改變與COPD病變過程中細(xì)胞凋亡、衰老及線粒體自噬增加相關(guān)[19]。SANG等[20]研究表明，抗氧化劑米托醌可以緩解脂多糖誘導(dǎo)的小鼠肺損傷，其中機制可能是通過減少線粒體自噬和保護線粒體實現(xiàn)的，說明了線粒體自噬的過度激活可能加重COPD。

2 相關(guān)通路與線粒體自噬及COPD的機制探討

2.1 PINK1/Parkin信號通路

最近研究表明，PINK1/Parkin是介導(dǎo)線粒體自噬的最常見信號通路[21]。PINK1是Park6基因編碼由581個氨基酸構(gòu)成的絲氨酸/蘇氨酸激酶，主要位于線粒體內(nèi)膜上[13-14，22]。線粒體自噬一般需要區(qū)分受損和健康線粒體，而區(qū)分兩者的依據(jù)是，受損的線粒體膜去極化后，PINK1含量會增加。PINK1在細(xì)胞功能正常時，會被線粒體加工蛋白酶（mitochondrial processing protease,MPP）和蛋白裂解PINK1蛋白（presenilin-associated rhomboid-like,PARL）快速切割和降解，在線粒體中含量極低[23]。當(dāng)線粒體發(fā)生損傷引起線粒體膜去極化時，電壓依賴的MPP和PARL等相關(guān)蛋白酶會被抑制，原本含量較少的PINK1開始積累，并招募細(xì)胞質(zhì)中的Parkin轉(zhuǎn)位至線粒體外膜（outer mitochondrial membrane,OMM）上，同時促進自噬相關(guān)蛋白p62聚集，并介導(dǎo)線粒體底物泛素化與之結(jié)合，最后通過與LC3連接，從而促進泛素化蛋白質(zhì)的自噬降解，進而引起線粒體自噬[24-25]。見圖1。

PINK1/Parkin信號通路介導(dǎo)的線粒體自噬在COPD疾病進展中發(fā)揮著重要作用。一方面，該通路的過度激活會引起線粒體自噬的過度激活從而加劇COPD的疾病進展。KYUNG等[26]發(fā)現(xiàn)，在CSE誘導(dǎo)的線粒體功能障礙的肺支氣管上皮細(xì)胞中，PINK1的表達(dá)水平上調(diào)；而羅氟司特通過抑制PINK1表達(dá)水平來保護肺支氣管上皮細(xì)胞免受死亡并提高細(xì)胞活力。提示通過PINK1的過表達(dá)來過度激活線粒體自噬可能是COPD患者病情惡化的潛在因素[27]。其內(nèi)在機制可能是PINK1/Parkin信號通路被過度激活后會促進程序性細(xì)胞死亡（programmed cell death,PCD），從而導(dǎo)致肺泡上皮細(xì)胞凋亡和肺泡壁破壞[16，28]。PCD作為一種有序的、可控的細(xì)胞自殺過程，在COPD中主要影響到Ⅱ型肺泡上皮細(xì)胞（type Ⅱ alveolar epithelial cell，AEC Ⅱ）。而AEC Ⅱ是一種具有合成表面活性物質(zhì)、參與免疫防御和促進肺部再生等功能的細(xì)胞類型，其凋亡會導(dǎo)致肺泡壁變薄和肺氣腫形成[29]。正如上文所述，一旦線粒體出現(xiàn)受損，PINK1會不斷累積并招募細(xì)胞質(zhì)中的Parkin到OMM上進行泛素化修飾。這些修飾通過標(biāo)記受損線粒體，引發(fā)了線粒體自噬。一般來說，線粒體自噬可以清除異常線粒體，從而保護AEC Ⅱ免受氧化應(yīng)激和凋亡信號的刺激[30]。但由于吸煙或其他持續(xù)的刺激，COPD中的線粒體遭受了持續(xù)性損傷，這可能導(dǎo)致PINK1/Parkin信號通路過度激活。過度激活的PINK1/Parkin信號通路會引起線粒體自噬過度激活，導(dǎo)致正常線粒體的丟失和能量代謝紊亂，最終導(dǎo)致AEC Ⅱ凋亡[31]。

另一方面，PINK1/Parkin信號通路不足或缺陷也參與了COPD的進展。LIN等[31]研究發(fā)現(xiàn)，在COPD患者的支氣管上皮細(xì)胞中，PINK1的增加和Parkin的減少提示線粒體不斷損傷積累，導(dǎo)致線粒體自噬不足，進一步降低了清除氧化應(yīng)激損傷的蛋白質(zhì)或細(xì)胞器能力，加速COPD的進程。同時PINK1過表達(dá)未能恢復(fù)由Parkin減少引起的受損線粒體自噬，提示Parkin蛋白水平可能是CSE暴露期間PINK1/Parkin介導(dǎo)的線粒體自噬的主要速率限制因子，說明Parkin水平可能通過調(diào)控線粒體自噬在COPD發(fā)病機制中發(fā)揮關(guān)鍵作用。AHMAD等[32]通過CSE暴露下的小鼠肺和COPD患者的肺部觀察到受損線粒體和Parkin受損易位，這表明Parkin受損導(dǎo)致線粒體自噬不足而引起細(xì)胞衰老，最終影響COPD的進展。因此通過線粒體自噬，PINK1/Parkin信號通路能夠清理有損或過剩的線粒體，維護線粒體質(zhì)量和細(xì)胞活力[33]。但是在COPD中，PINK1/Parkin信號通路可能存在缺陷或不足，導(dǎo)致線粒體自噬功能降低，無法及時去除異常的線粒體。這些異常的線粒體會在AEC Ⅱ中堆積，并產(chǎn)生過氧化物、ROS等毒性物質(zhì)，通過激發(fā)氧化應(yīng)激、炎癥反應(yīng)及細(xì)胞凋亡加劇COPD的進展[16]。

基于PINK1/Parkin信號通路在COPD疾病進展中的重要作用，可能是激活過度引起過量的線粒體自噬和AECII凋亡，也可能是由于PINK1/Parkin信號通路不足或缺陷導(dǎo)致線粒體自噬不足，從而使得異常線粒體不斷在AEC Ⅱ中堆積，最后加速COPD的進程。這可能成為治療COPD的新靶點。

2.2 FUNDC1信號通路

除了PINK1/Parkin通路外，線粒體受體相關(guān)蛋白也在線粒體自噬中發(fā)揮著重要作用，主要是通過直接與LC3相互作用，從而調(diào)節(jié)線粒體清除。FUNDC1作為一種存在于哺乳動物細(xì)胞中線粒體外膜的新型受體蛋白，包含一段與LC3結(jié)合的區(qū)域（lc3-interacting region,LIR）：Y（18）xxL（21）序列。有報道指出，當(dāng)LIR缺失或其結(jié)構(gòu)受到改變便會影響到FUNDC1與LC3的相互作用，從而改變其介導(dǎo)線粒體自噬的功能[34]。除此之外，F(xiàn)UNDC1介導(dǎo)的線粒體自噬活性受到去磷酸化調(diào)節(jié)，一旦出現(xiàn)缺氧應(yīng)激和線粒體膜電位丟失，F(xiàn)UNDC1的第13位絲氨酸（Ser13）和第18位酪氨酸（Tyr18）2個位點都被去磷酸化（見圖1），與LC3的親和力便會顯著提高，這導(dǎo)致兩者之間的相互作用增加，進而激活線粒體自噬[35-37]。WANG等[38]研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)UNDC1基因敲除的小鼠抵消了銀杏酸誘導(dǎo)的線粒體質(zhì)量損失和線粒體膜電位損失的變化，最終影響了線粒體自噬的進程。

盡管COPD的發(fā)病機制復(fù)雜，對其尚不完全清楚，但是越來越多的證據(jù)表明，COPD的發(fā)病機制與FUNDC1介導(dǎo)的線粒體自噬密切相關(guān)。WEN等[39]發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)UNDC1在CSE誘導(dǎo)的COPD小鼠中表達(dá)升高，通過沉默CSE引起的COPD小鼠中的FUNDC1基因抑制了CSE誘導(dǎo)的線粒體自噬和凋亡，最終緩解了COPD的進展。FUNDC1的去磷酸化是激活線粒體自噬的重要方式，為了驗證抑制FUNDC1的去磷酸化能否阻止線粒體自噬，從而改善COPD進程，WANG等[40]研究發(fā)現(xiàn)，葛根素可通過激活PI3K/AKT/mTOR信號通路抑制FUNDC1介導(dǎo)的線粒體自噬，從而抑制了支氣管上皮細(xì)胞凋亡，達(dá)到細(xì)胞保護作用，為COPD的治療提供新的思路。上述研究表明COPD模型中FUNDC1的表達(dá)升高，導(dǎo)致線粒體自噬過度激活，進而引起支氣管上皮細(xì)胞凋亡和肺組織損傷。同時WEN等[39]還揭示了FUNDC1的沉默對COPD的保護作用，通過這種機制，F(xiàn)UNDC1的沉默可以與線粒體動力相關(guān)蛋白（dynamin-related protein,DRP1）相互作用來抑制線粒體過度自噬，從而保護肺組織免受氧化應(yīng)激和炎癥損傷，最后減少細(xì)胞凋亡，雖然FUNDC1介導(dǎo)的線粒體自噬在COPD中的具體作用機制仍需要進一步研究，但是該研究為緩解COPD的進展提供了一個新的思路。

2.3 Nix信號通路

Nix是一種位于外膜上的線粒體蛋白，又被稱為BCL2相互作用蛋白3樣蛋白（bcl2 Interacting Protein 3 Like,BNIP3L），最開始被認(rèn)為是一種促凋亡蛋白。后來隨著研究的深入，Nix磷酸化和泛素化可以很好地調(diào)控Nix介導(dǎo)的線粒體自噬，揭示了通過和LC3的相互作用與線粒體自噬存在著不可分割的關(guān)系。線粒體自噬過程：自噬體作為吞噬體初始產(chǎn)生，并經(jīng)過伸長，最終與溶酶體融合降解。與此同時，線粒體在各種線粒體吞噬相關(guān)蛋白的幫助下被識別。通過PINK1/Parkin線粒體膜電位下降介導(dǎo)的線粒體自噬和FUNDC1、NIX等受體介導(dǎo)的線粒體自噬等方式確保多余和/或受損的線粒體可以被溶酶體清除（見圖1）[41]。通過對Nix同源蛋白BNIP3的研究，ZHU等[42]發(fā)現(xiàn)BNIP3的第17位絲氨酸（Ser17）磷酸化在BNIP3和Atg8家族蛋白結(jié)合中發(fā)揮著重要作用，而第24位絲氨酸（Ser24）磷酸化可以增強BNIP3與LC3的相互作用，提示磷酸化在調(diào)控BNIP3對LC3親和力中的重要作用。因此，損傷線粒體上Nix的磷酸化可能在加快線粒體自噬進而清除損傷線粒體中扮演關(guān)鍵角色。

基于線粒體自噬與COPD的密切關(guān)系，人們發(fā)現(xiàn)暴露在CSE會增加氣道上皮細(xì)胞中Nix蛋白的表達(dá)，通過沉默Nix基因可以抑制了CSE誘導(dǎo)的線粒體自噬，而過表達(dá)Nix則促進了線粒體自噬[43]。其中Nix的敲除顯著增加了MMP和細(xì)胞內(nèi)ATP的水平，通過抑制線粒體自噬來減少了線粒體和細(xì)胞內(nèi)ROS的產(chǎn)生，并減輕香煙煙霧誘導(dǎo)的氣道上皮細(xì)胞損傷和氣道纖維化。這表明了過表達(dá)Nix會引起線粒體自噬的過度激活從而加重COPD。現(xiàn)在針對Nix與COPD的相關(guān)文獻較少，但通過抑制Nix減少線粒體過度激活對于治療COPD可能是下一個研究方向。

2.4 其他信號通路

除了上述提及的相關(guān)通路外，還有許多非典型的線粒體自噬途徑，例如DRP1、核纖層蛋白B1（Lamin B1）、抗增殖蛋白2（Prohibitin2,PHB2）等。正如上文所說DRP1作為一種重要的線粒體分裂蛋白，可通過與FUNDC1相互作用抑制線粒體自噬和凋亡，從而實現(xiàn)減緩COPD的進程。而Lamin B1可以通過激活雷帕霉素（MTOR）信號通路加速了氣道上皮細(xì)胞的衰老，特別在COPD進展過程中尤為明顯，其中可能是通過線粒體自噬的過度激活實現(xiàn)的[44]。與其他LC3受體蛋白不同，PHB2是一種位于線粒體內(nèi)膜蛋白。當(dāng)PINK1/Parkin介導(dǎo)的線粒體外膜受到損傷時，會導(dǎo)致線粒體內(nèi)膜蛋白PHB2的暴露，從而與LC3結(jié)合，誘導(dǎo)線粒體自噬[45]。

3 小結(jié)

近年來線粒體自噬在COPD中發(fā)揮的作用越來越受到關(guān)注。當(dāng)線粒體不斷老化和功能受損導(dǎo)致細(xì)胞衰傷的時候，線粒體自噬可以通過降解和回收線粒體，為細(xì)胞的正常運作提供重要保證。在COPD中線粒體自噬的調(diào)控主要有2種途徑：一方面是PINK1/Parkin介導(dǎo)的線粒體膜電位降低引發(fā)的線粒體自噬，包括PINK1/Parkin激活過度引起過量的線粒體自噬和AECII凋亡，也可能是由于PINK1/Parkin不足或缺陷導(dǎo)致線粒體自噬不足；另一方面是FUNDC1、Nix等受體參與的線粒體自噬，可能是通過抑制FUNDC1或Nix來減少線粒體過度激活從而治療COPD。本文闡述了相關(guān)通路通過調(diào)控線粒體自噬在COPD進程中發(fā)揮的作用，以及近幾年取得的重要研究進展。但鑒于線粒體自噬在COPD進展中具有雙重作用，同時部分相關(guān)通路參與其調(diào)控過程的具體機制仍未清楚，例如過度激活的PINK1/Parkin對線粒體自噬過度激活的具體機制、沉默F(xiàn)UNDC1如何調(diào)節(jié)線粒體自噬的狀態(tài)，未來需要進一步深入研究，以更好地了解COPD的病理過程，從而為治療COPD提供新的理念和思路。