線粒體質(zhì)量控制在膿毒癥急性肺損傷中的作用

賴威,李國瑞,韋宏福,謝俊輝,陳勝泉,汪巍

(武漢大學(xué)人民醫(yī)院胸外科,武漢 430060)

膿毒癥是由感染因素引起的全身炎癥反應(yīng)綜合征,是臨床上常見的一種并發(fā)癥[1]。了解膿毒癥中急性肺損傷(acute lung injury, ALI)的發(fā)生機(jī)制對治療膿毒癥ALI患者具有重要意義。在膿毒癥的影響下,免疫細(xì)胞、骨骼肌細(xì)胞和肺內(nèi)皮細(xì)胞均有關(guān)于線粒體超微結(jié)構(gòu)損傷和線粒體功能障礙的相關(guān)報道[2,3]。同時,在膿毒癥患者和膿毒癥實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭卸加^察到腺苷三磷酸(adenosine triphosphate, ATP)耗竭、細(xì)胞內(nèi)抗氧化系統(tǒng)受損和呼吸鏈?zhǔn)艿揭种频痊F(xiàn)象[4]。持續(xù)性線粒體功能障礙可導(dǎo)致相關(guān)的器官衰竭和患者的預(yù)后不良。因此,功能障礙線粒體的清除和健康線粒體的產(chǎn)生對促進(jìn)膿毒癥中相關(guān)器官的功能恢復(fù)具有重要意義。本文主要闡明了線粒體質(zhì)量控制的具體分子機(jī)制和線粒體質(zhì)量控制體系紊亂在膿毒癥ALI中的發(fā)病機(jī)制,期待為后續(xù)特異性治療提供新策略。

1 線粒體質(zhì)量控制體系

1.1 線粒體生成

線粒體生成是由細(xì)胞核基因和線粒體基因共同調(diào)控的。在線粒體生成過程中最主要的調(diào)節(jié)基因是過氧化物酶增值物激活受體共激活物1α基因(peroxisomeproliferator-activatedreceptorgammacoactivator1alpha,PGC-1α),其表達(dá)受到多種因素影響[5]。PGC-1α下游的調(diào)控機(jī)制是通過激活兩個關(guān)鍵的轉(zhuǎn)錄因子,即核呼吸因子(nuclear respiratory factor, NRF)1,2。PGC-1α與NRF1,2相互作用,激活線粒體轉(zhuǎn)錄因子A(mitochondrial transcription factor A, TFAM),然后結(jié)合到線粒體電子傳遞鏈中5個復(fù)合物亞基的啟動子區(qū)域,啟動線粒體脫氧核糖核酸(mitochondrial deoxyribonucleic acid, mtDNA)的復(fù)制和轉(zhuǎn)錄,從而使線粒體數(shù)量增加[6]。

1.2 線粒體融合與分裂

相較于線粒體生成而言,線粒體的融合與分裂機(jī)制相對更加復(fù)雜。哺乳動物線粒體融合是在線粒體融合蛋白1(mitofusin 1, Mfn 1)、融合蛋白2(mitofusin 2, Mfn 2)和視神經(jīng)萎縮蛋白1(optic atrophy 1, OPA1)共同介導(dǎo)下完成的。Mfn1和Mfn2負(fù)責(zé)線粒體外膜的融合,而OPA1負(fù)責(zé)線粒體內(nèi)膜的融合[7]。哺乳動物線粒體裂變是由動力相關(guān)蛋白1(dynamin-related protein 1, Drp1)、線粒體裂變蛋白1(adaptor fission 1, Fis1)、線粒體動力蛋白49ku (mitochondrial dynamics proteins of 49 ku, MID49)、線粒體動力蛋白51ku(mitochondrial dynamics proteins of 51 ku,MID51)共同介導(dǎo)的。Drp1是一種細(xì)胞質(zhì)蛋白,可以通過與線粒體裂殖因子(mitochondrial fission factor, Mff)、Fis1、MID49、MID51結(jié)合來促進(jìn)線粒體分裂為兩個獨(dú)立的細(xì)胞器[8]。其中,Drp1從細(xì)胞質(zhì)轉(zhuǎn)移到線粒體是線粒體分裂的關(guān)鍵。Drp1缺失將使線粒體呈過度融合狀,而Drp1活化將在靶點(diǎn)部位形成螺旋式多聚物,在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和肌動蛋白絲協(xié)同作用下,將線粒體一分為二[9]?？傊?通過影響Drp1的活化可以改變線粒體融合與分裂過程,進(jìn)而改變線粒體的分布、質(zhì)量和穩(wěn)定度。

1.3 線粒體自噬

線粒體自噬是將線粒體在溶酶體內(nèi)進(jìn)行降解,在線粒體質(zhì)量控制中具有重要作用。目前已知的線粒體自噬有兩種機(jī)制:一種是由磷酸化腫瘤抑制蛋白-帕金森蛋白(phosphatase and tension homolog-induced putative kinase1-Parkin, PINK1-Parkin)介導(dǎo)的線粒體自噬,另一種是由受體直接介導(dǎo)的線粒體自噬[10]。Parkin是一種位于細(xì)胞質(zhì)內(nèi)的E3泛素化連接酶,PINK1是一種位于線粒體上的絲氨酸/蘇氨酸激酶。正常情況下,PINK1會被早老素相關(guān)菱形樣蛋白(presenilin associated rhomboid like protein, PARL)處理并降解。而線粒體外膜蛋白7(translocase of outer mitochondrial membrane 7,TOMM7)可使PINK1蛋白免受降解[11]。線粒體受到應(yīng)激發(fā)生去膜電位后,PINK1在絲氨酸位點(diǎn)發(fā)生磷酸化,以電壓依賴的方式聚集在線粒體上,招集Parkin并使其磷酸化,促進(jìn)隔離蛋白1(sequestosome-1, p62)的表達(dá)并與損傷的線粒體結(jié)合。損傷的線粒體隨后與輕鏈3(light chain 3, LC3)結(jié)合,被溶酶體降解。PINK1可募集細(xì)胞質(zhì)中Parkin到線粒體從而啟動PINK1-Parkin介導(dǎo)的線粒體自噬通路[12]。另一種由受體直接介導(dǎo)的自噬是依賴于受體自身含有的跨膜結(jié)構(gòu)域,直接結(jié)合LC3,誘導(dǎo)線粒體自噬的發(fā)生(圖1)[13]。

圖1 PINK1-Parkin 介導(dǎo)的自噬通路Figure 1 PINK1-Parkin mediated autophagy pathwayPINK1: phosphatase and tension homolog-induced putative kinase 1; TOMM7: translocase of outer mitochondrial membrane 7; PARL: presenilin associated rhomboid like protein; LC3: light chain 3; p62: sequestosome-1; ub: ubiquitin.

2 線粒體質(zhì)量控制體系與膿毒癥ALI的關(guān)系

2.1 線粒體生成與膿毒癥ALI的關(guān)系

損傷相關(guān)分子模式(damage-associated molecular pattern, DAMP)是存在于細(xì)胞核、細(xì)胞質(zhì)和線粒體中的總多內(nèi)源性風(fēng)險因子的總稱,它們在細(xì)胞死亡或應(yīng)激時被釋放[14]。在膿毒癥誘導(dǎo)的ALI中,作為線粒體內(nèi)的DAMPs,mtDNA主要通過兩種方式增加肺內(nèi)皮細(xì)胞的通透性,從而進(jìn)一步加重ALI[15]。第一種是通過激活核苷酸結(jié)合寡聚體樣受體家族含有Pyrin結(jié)構(gòu)域的蛋白質(zhì)3(nucleotide-binding oligomerization domain-like receptor family pyrin domain contain 3, NLRP3)并與之相互作用加重炎癥反應(yīng);第二種是通過激活toll樣受體9(toll-like receptor 9, TLR-9)觸發(fā)免疫反應(yīng)加重肺損傷[16]。Zeng等[17]證明過多的mtDNA可通過激活TLR-9觸發(fā)先天性免疫反應(yīng),從而加重膿毒癥所導(dǎo)致ALI。然而,有相關(guān)研究卻指出,增加PGC-1α基因的表達(dá)可以提高膿毒癥ALI患者的生存率,而抑制表達(dá)則會使預(yù)后惡化[18]。這是因?yàn)樾律傻木€粒體可以替代受損的線粒體,使線粒體功能盡早的恢復(fù),從而起到保護(hù)肺組織的作用。這兩項(xiàng)研究之所以會得到相反的結(jié)果,可能是因?yàn)榇碳ぞ€粒體生物合成過度,擾亂了基因轉(zhuǎn)錄的復(fù)雜過程或線粒體融合與分裂過程,導(dǎo)致線粒體功能受損。雖然線粒體合成是線粒體功能損傷的代償機(jī)制,但過度地觸發(fā)也會導(dǎo)致線粒體功能損傷。或者說,單純依賴線粒體生物合成不足以代償膿毒癥ALI情況下線粒體功能的受損。

2.2 線粒體融合(分裂)與膿毒癥ALI的關(guān)系

線粒體融合與分裂分別由融合相關(guān)蛋白Mfn1、Mfn2、OPA1和分裂相關(guān)蛋白Drp1介導(dǎo)。凡是能夠影響四種蛋白合成的過程均可改變線粒體融合與分裂的平衡。在目前的研究中,血紅素氧合酶/一氧化碳系統(tǒng)(heme oxygenase-1/carbon monoxide system, HO-1)已經(jīng)被證明可通過調(diào)節(jié)線粒體融合與分裂過程來緩解由內(nèi)毒素引起的膿毒癥ALI[19]。在脂多糖(lipopolysaccharide, LPS)誘導(dǎo)下的膿毒癥ALI大鼠模型中,Mfn-1的表達(dá)受到HO-1抑制,從而降低線粒體融合,改善氧化應(yīng)激狀態(tài)[20]。線粒體分裂抑制劑能夠緩解LPS誘導(dǎo)的絲裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinases, MAPKs)的激活,減少促炎因子的釋放,從而抑制線粒體分裂,減輕ALI的損傷程度[21]。在膿毒癥ALI小鼠模型中,可以通過抑制Drp1誘導(dǎo)的線粒體分裂來減輕肺損傷的程度[22]。然而,下調(diào)融合基因表達(dá)對改善線粒體功能并不是必然結(jié)果。Zhang等[23]發(fā)現(xiàn)在膿毒癥ALI小鼠模型中Mfn-2表達(dá)下降,Drp-1表達(dá)升高,線粒體融合降低,分裂增加,導(dǎo)致線粒體網(wǎng)絡(luò)中斷,加重肺組織損傷。同樣,Ning等[24]發(fā)現(xiàn)通過抑制線粒體分裂,增強(qiáng)線粒體融合可以起到保護(hù)肺組織的作用。在另一個膿毒癥ALI體外模型中發(fā)現(xiàn):膿毒癥可以促進(jìn)髓系細(xì)胞上激發(fā)受體1(triggering receptor expressed on myeloid cells 1, Trem-1)的表達(dá),從而增加Mfn-2在巨噬細(xì)胞中的特異性表達(dá),起到保護(hù)肺組織的作用[25]。兩個實(shí)驗(yàn)在線粒體融合相關(guān)蛋白Mfn-2表達(dá)上出現(xiàn)相反的結(jié)果可能是因?yàn)閮煞N模型造成的肺損傷程度不同,Zhang等[23]處理的模型尚存在其他保護(hù)機(jī)制,如線粒體自噬。因此,線粒體的生物融合與分裂在膿毒癥ALI疾病發(fā)展過程中的作用仍待進(jìn)一步商榷。

2.3 線粒體自噬與膿毒癥ALI的關(guān)系

膿毒癥ALI肺功能的恢復(fù)依賴于清除受損的線粒體以及良好線粒體的再生[26]。正常的線粒體自噬通過切割和降解受損的線粒體來維持細(xì)胞的穩(wěn)態(tài),而過度的線粒體自噬則可能會導(dǎo)致線粒體功能障礙從而造成細(xì)胞損傷和死亡。轉(zhuǎn)錄因子EB(transcription factor EB, TFEB)通過負(fù)向調(diào)節(jié)線粒體自噬并減輕線粒體損傷從而保護(hù)肺組織[27]。PGC-1α基因的表達(dá)可正向調(diào)控TFEB的表達(dá),進(jìn)而減弱線粒體自噬,緩解肺水腫,減輕炎癥[28]。Zhao等[29]證實(shí),通過抑制Parkin1從細(xì)胞質(zhì)到線粒體的翻譯以及Parkin介導(dǎo)的線粒體自噬可以緩解由LPS誘導(dǎo)的ALI。此外,B細(xì)胞淋巴瘤2(B-cell lymphoma 2, Bcl-2)蛋白的過表達(dá)也可減弱線粒體自噬從而起到保護(hù)肺組織的作用[23]。然而,有相關(guān)研究卻指出,通過誘導(dǎo)PINK1的表達(dá),促進(jìn)Parkin的易位,啟動線粒體自噬可以起到對肺組織的保護(hù)作用[30]。所以目前仍無法確定在膿毒癥中,自噬的主要功能是清除受損線粒體,還是參與細(xì)胞程序性凋亡的某個方面。需要進(jìn)一步的研究來驗(yàn)證在膿毒癥相關(guān)的ALI中自噬對于線粒體的作用和調(diào)節(jié)機(jī)制。

3 以線粒體質(zhì)量控制為靶點(diǎn)的膿毒癥ALI干預(yù)策略

恢復(fù)線粒體質(zhì)量控制的干預(yù)措施可能是治療膿毒癥ALI的策略,如蘇黃止咳膠囊可抑制炎癥小體的激活,減弱炎癥細(xì)胞浸潤,維持線粒體穩(wěn)態(tài),減輕ALI[31]。氫氣可增強(qiáng)PINK1的活性并降低細(xì)胞凋亡標(biāo)志物的表達(dá),是治療膿毒癥ALI的潛在藥物[32]。同時,LC3蛋白的過表達(dá)也能夠增強(qiáng)線粒體自噬,提高肺組織的生存率,減輕炎癥細(xì)胞的浸潤[33]。此外,藥物還可通過影響線粒體的融合與分裂過程從而減輕膿毒癥造成的ALI。右美托咪定可通過降低肺組織中線粒體融合蛋白OPA1、Mfn1、Mfn2的表達(dá)從而起到保護(hù)肺組織的作用[34]。帕羅西林也被證明可通過影響線粒體分裂減輕膿毒癥ALI[35]。綜上,針對線粒體質(zhì)量控制的藥物以線粒體合成、融合與分裂和自噬為目標(biāo),恢復(fù)線粒體功能,最終預(yù)防膿毒癥ALI的發(fā)生(表1)。

表1 線粒體質(zhì)量控制治療膿毒癥ALI現(xiàn)有靶點(diǎn)Table 1 Current potential targets for mitochondrial quality control in sepsis ALI

綜上,線粒體質(zhì)量控制分子機(jī)制研究進(jìn)展迅速,相關(guān)基因通路也已被闡明,然而對于膿毒癥ALI中如何調(diào)控線粒體質(zhì)量的潛在機(jī)制仍不清楚。探討線粒體質(zhì)量控制有效的調(diào)控機(jī)制,有利于尋求線粒體靶向治療策略,為臨床防止膿毒癥ALI提供思路和理論依據(jù),對膿毒癥ALI患者的治療具有重要的臨床意義。