線粒體自噬在器官纖維化疾病中作用的研究進展*

高曉陽 金 蓉 趙曉璐 張春艷 顏羽昕 馬月宏

（內(nèi)蒙古醫(yī)科大學基礎(chǔ)醫(yī)學院藥理學教研室，呼和浩特 010059）

纖維化是一個高度動態(tài)的過程，其本身不屬疾病，而是組織自我修復的過程[1]。纖維組織的形成是由細胞外基質(zhì)（extracellular matrix，ECM）成分如膠原蛋白和纖維連接蛋白的過度積累所致[2]。纖維化后的癥狀取決于受損組織的類型：皮膚的纖維化即皮膚增厚、變形、疼痛等；臟器（肺、心、肝或腎等）的纖維化即器官功能衰竭[3]。目前臨床對纖維化疾病的干預措施有限，僅特發(fā)性肺纖維化（idiopathic pulmonary fibrosis，IPF）有有效的藥物治療，心肌纖維化、肝纖維化（hepatic fibrosis，HF）和腎纖維化等其他纖維化疾病的治療仍尚不明確。已知線粒體自噬能選擇性地識別和清除過量活性氧（reactive oxygen species，ROS），通過釋放細胞色素C等促凋亡因子誘導細胞凋亡，最終導致ATP合成中斷，影響多種疾病的發(fā)生發(fā)展[4]。筆者對線粒體自噬與纖維化疾病間的作用機制研究綜述如下。

1 細胞自噬

1.1 細胞自噬的分類

細胞自噬是在不同生理和病理條件下降解和回收細胞內(nèi)蛋白質(zhì)和細胞器的主要細胞機制。在哺乳動物中已鑒定出3種不同類型的自噬：分子伴侶介導的自噬（chaperonemediated autophagy，CMA）、微自噬和巨自噬[5]。CMA是第一個被發(fā)現(xiàn)的選擇性自噬過程，其特征是通過熱休克蛋白家族A成員8（HSPA8）識別含有Hsc70復合物的識別位點的胞質(zhì)蛋白，或直接通過含有溶酶體相關(guān)膜蛋白2a（LAMP2A）的蛋白復合物，將細胞中的蛋白質(zhì)、核酸和脂質(zhì)等遞送到溶酶體降解，但不能降解細胞器[6]。微自噬是一種溶酶體膜動力學，能直接包裹和運輸細胞溶質(zhì)成分進入溶解細胞器的內(nèi)腔進行降解[7]。巨自噬又稱大自噬，存在于所有真核細胞中，由雙層膜囊泡形成的自噬體不斷吞噬待降解的細胞，然后自噬體外膜與溶酶體結(jié)合形成自噬溶酶體，最后被溶酶體酶降解[8]。上述3種自噬形式中，巨自噬是細胞自噬研究的熱點，故下文中的自噬即指巨自噬。

1.2 細胞自噬的分子機制

自噬主要由自噬體介導，細胞質(zhì)的一部分被隔離膜或噬菌體的薄膜池包圍，形成自噬體與溶酶體融合，包裹物被自溶酶體中的溶酶體酶降解[9]。哺乳動物細胞中自噬體的形成由包含UNC-51樣激酶1或2（Unc-51 like autophagy activating kinase 1/2，ULK1/2）、自噬相關(guān)基因13（autophagy-related genes-13，ATG13）、ATG101和視網(wǎng)膜母細胞瘤RB1-誘導卷曲蛋白1（RB1-inducible coiledcoil 1，RB1CC1）的蛋白激酶復合物啟動[10]。這個起始復合體接收2類信號：第一類是主要集中在雷帕霉素復合物1（mTORC1）上的各種營養(yǎng)和應激信號，mTORC1被激活后抑制ULK1/2，導致起始復合物移位至內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上。同時，也可以在低能量狀態(tài)下通過AMP激活蛋白激酶（AMPK）激活ULK1/2。第二類信號涉及自噬貨物，如受損的線粒體，通過與RB1CC1直接作用來激活起始復合體。為了使自噬體膜成核，ULK1/2磷酸化Ⅲ類磷脂酰肌醇3-激酶（PI3K）復合物，在自噬前體膜上產(chǎn)生磷脂酰肌醇3-磷酸（PI3P）[11]。磷酸肌醇相互作用蛋白2（WIPI2）募集由ATG12-ATG5和ATG16L1組成的復合物，促進ATG8家族蛋白與磷脂酰乙醇胺（PE）間的結(jié)合。ATG8家族蛋白也被認為是膜伸長和自噬體閉合的重要因子[12]。自噬體封閉后會獲得可溶性NSF附著蛋白受體（SNARE）蛋白，與溶酶體融合并形成自噬溶酶體，在溶酶體水解酶的作用下降解產(chǎn)物[13]。

2 線粒體自噬

2.1 自噬與線粒體自噬

自噬一直被認為是一種非選擇性受損和衰老細胞的降解途徑[14]。當一個特定的細胞器被專門遞送到自噬體中，并經(jīng)自噬體將該細胞器運送到溶酶體中降解，該細胞器為線粒體時，即被稱為“線粒體自噬”，這意味著線粒體可以通過自噬過程而降解[15]。已知在營養(yǎng)豐富的狀態(tài)下，可誘導線粒體自噬，而饑餓時線粒體自噬并未得到相應地增加[16]。所以線粒體自噬屬特異性自噬現(xiàn)象。

2.2 線粒體自噬的介導途徑

線粒體自噬涉及PINK1/Parkin途徑、NIX和BNIP3、FUNDC1等多種途徑。

2.2.1 PINK1/Parkin途徑 磷酸酶及張力蛋白同源基因誘導的激酶1（PTEN induced putative kinase 1，PINK1）/Parkin途徑通常調(diào)節(jié)泛素依賴型的線粒體自噬。正常情況下，Parkin定位于細胞質(zhì)內(nèi)，當PINK1被運輸?shù)侥らg隙時，誘導蛋白質(zhì)降解[17]。而PINK1激酶活性與線粒體損傷時Parkin間的關(guān)系，依賴PINK1磷酸化可改變Parkin構(gòu)象，以促進其與線粒體表面的結(jié)合。

2.2.2 NIX和BNIP3 NIP3樣蛋白X（NIP3-liked protein X，NIX）和Bcl-2相互作用蛋白3（BCL -2 interacting protein 3，BNIP3）是參與線粒體膜去極化引起缺氧或有絲分裂發(fā)生的重要分子介質(zhì)。其中NIX是一種線粒體外膜蛋白，能與吞噬細胞中的LC3相關(guān)分子相互作用，誘導線粒體自噬[18]。而BNIP3是Bcl-2家族的成員，在抑制自噬體與溶酶體融合的同時還可促進線粒體分裂。

2.2.3 FUNDC1 FUN14結(jié)構(gòu)域包含蛋白1（FUN14 domaincontaining protein 1，F(xiàn)UNDC1）位于線粒體外膜上，N端多暴露在對缺氧/缺血刺激有選擇性反應的胞漿中，上游磷酸化酶通過改變FUNDC1位點，影響其與LC3的結(jié)合親和力，促進或抑制線粒體自噬[19]。在常氧條件下，抗凋亡分子Bcl-xL與磷酸甘油酸變位酶5（PGAM5）結(jié)合后可抑制其活性，而缺氧時可降低Bcl-xL蛋白水平，釋放更多的PGAM5與FUNDC1結(jié)合，導致FUNDC1去磷酸化和線粒體自噬作用增強[20]。

3 線粒體自噬與纖維化疾病的關(guān)系

3.1 線粒體自噬與IPF

IPF是間質(zhì)性肺炎的常見形式，是一種由Ⅱ型肺泡上皮細胞（Ⅱ alveolar epithelial cells，AECⅡs）反復損傷而導致肺大面積纖維化的慢性疾病[21]。雖然目前市場上經(jīng)批準的治療IPF的藥物有2種（吡非尼酮和尼達尼布），但這些藥物只能緩解IPF的進展。已知AECⅡs可利用自噬功能選擇性地靶向移除單個亞細胞成分，包括入侵的病原體、脂類和功能失調(diào)的細胞器[22]。在IPF發(fā)病機制研究中已證明線粒體吞噬功能與肺纖維化的發(fā)生有關(guān)。IPF中AECⅡs線粒體異常堆積，ROS生成增加，PINK1表達降低。同時，形成的肌成纖維細胞中的Parkin表達水平也降低，Parkin缺乏引起的線粒體吞噬功能不足將誘導大量的ROS產(chǎn)生，并伴隨著血小板衍生生長因子受體（PDGFR）/mTOR信號的激活，導致肌成纖維細胞分化和增殖[23]。Kim等首次探索了線粒體自噬在減輕AECⅡs的PINK1缺乏和細胞凋亡中的作用，顯示PINK1敲除后小鼠更容易被石棉誘導致纖維化，并且增加了AECⅡs的線粒體DNA損傷和凋亡。而線粒體自噬可減少ROS誘導的線粒體DNA損傷，從而驅(qū)動內(nèi)在細胞凋亡，延緩肺纖維化的進程[24]。Xiao等研究表明IL-17A可通過擾亂線粒體動力學、減少PINK1的表達，以及抑制線粒體吞噬均可導致AECⅡs線粒體積累和功能障礙，使AECⅡs凋亡并最終促進肺纖維化[25]。所以線粒體自噬調(diào)節(jié)有望成為IPF治療的新靶點。

3.2 線粒體自噬與心肌纖維化

心肌纖維化是心肌間質(zhì)中膠原纖維的彌漫性積聚，可導致左心室功能不全，心肌僵硬度增加、心結(jié)構(gòu)重構(gòu)等，易發(fā)展為心力衰竭和心肌梗死[26]。因此ECM改變在心力衰竭演變的病理性心肌重構(gòu)發(fā)展中起著重要作用[27]。Tre-2/Bub2/Cdc16（TBC）結(jié)構(gòu)域蛋白家族具有GTP酶激活活性，參與促進線粒體-溶酶體接觸，以及調(diào)節(jié)溶酶體運輸、融合和成熟。其中TBC域家族成員15（TBC1D15）在心功能和線粒體質(zhì)量的調(diào)控作用研究顯示[28]，當心肌細胞缺血再灌注后，TBC1D15表達水平下降，收縮功能降低，心肌纖維化明顯，線粒體損傷也大大增加。TBC1D15的上調(diào)可通過與重組人線粒體分裂蛋白1（recombinant human mitochondrial fission 1 protein，F(xiàn)IS1）位點結(jié)合，激活RAS癌基因家族成員7（RAB7）GTP水解，恢復線粒體自噬的降解功能，改善缺血再灌注引發(fā)的心肌形態(tài)改變。過度的ROS會使線粒體抗氧化能力下降，損傷線粒體DNA和蛋白氧化功能，引起心肌纖維化，甚至導致心力衰竭[29]。AMPK/PINK2主要通過磷酸化以提高心臟線粒體吞噬水平，從而減輕心力衰竭。其機制為AMPK與磷酸化的PINK1在Ser495位發(fā)生特異性相互作用，激活PINK1/Parkin/SQSTM1通路增加線粒體自噬，挽救線粒體吞噬功能的受損[30]。因此，避免線粒體自噬過度激活，可延緩心肌纖維化發(fā)展是未來研究的熱點。

3.3 線粒體自噬與肝纖維化

通常肝星形細胞（hepatic stellate cells，HSCs）多處于靜止狀態(tài)，當肝損傷時HSCs被激活，并轉(zhuǎn)化為具有分泌、增殖、收縮功能的肌成纖維細胞，破壞ECM沉積與降解的平衡，導致膠原纖維沉積形成瘢痕[31]。肝是第一個發(fā)現(xiàn)線粒體自噬的器官。在不同刺激下（洗滌劑曲拉通、饑餓狀態(tài)、氨基酸缺乏等）均可觀察到大鼠肝組織的線粒體自噬，大部分功能失調(diào)的線粒體被自噬空泡吞噬，再經(jīng)溶酶體酸性蛋白酶降解[32]。研究表明，動態(tài)線粒體活動調(diào)節(jié)肝線粒體穩(wěn)態(tài)，有助于維持肝功能，并通過去除線粒體治療溶酶體降解，可保護肝免受組織損傷。反之，對線粒體吞噬的不當調(diào)節(jié)會導致涉及ROS的細胞損傷和肝纖維化的出現(xiàn)[33]。干擾庫普弗細胞（Kupffer cells，KCs）中的T細胞免疫球蛋白結(jié)構(gòu)域和黏蛋白結(jié)構(gòu)域-4（T-cell immunoglobulin and mucin domain 4，TIM-4）可能會抑制PINK1/Parkin依賴的線粒體自噬，減輕CCl4誘導的小鼠肝纖維化[34]。而通過增加ROS的產(chǎn)生不僅可促進PM2.5誘導的HSCs活化和肝纖維化，還能誘導線粒體自噬。PM2.5誘導的過量ROS通過激活PINK1/Parkin途徑促進線粒體分裂來調(diào)節(jié)線粒體動態(tài)，而抑制PM2.5誘導的線粒體自噬可減輕纖維化[35]。PINK1/Parkin介導的線粒體自噬在活化HSCs和肝纖維化發(fā)展過程中被明顯下調(diào)，而線粒體靶向泛醌（MitoQ）能降低ROS水平，上調(diào)線粒體自噬相關(guān)基因表達，使HSCs失活并延緩肝纖維化[36]。故分析線粒體自噬對肝疾病的影響對探討HF的進展具有重要意義。

3.4 線粒體自噬與腎纖維化

腎纖維化是許多進行性腎病的共同途徑，可導致正常腎結(jié)構(gòu)破壞和腎功能喪失，其中有一系列復雜的信號事件參與[37]。已知巨噬細胞的線粒體自噬通過PINK1/線粒體融合蛋白2（mitofusin 2，Mfn2）/Parkin介導途徑對腎纖維化起保護作用。在腎纖維化中，當巨噬細胞的線粒體吞噬功能受損時，PINK1、Mfn2、Parkin等有絲分裂調(diào)節(jié)因子均表達下調(diào)，并促進腎ECM的積聚和促纖維化/M2巨噬細胞的出現(xiàn)，進一步加劇腎纖維化[38]。在糖尿病腎病中，AMPK激動劑二甲雙胍可以通過AMPK/PINK1/Parkin通路激活線粒體自噬，減少線粒體損傷和ROS生成，減輕糖尿病大鼠腎小管間質(zhì)纖維化[39]。Jin等探討了誘導線粒體吞噬化合物UMI-77對體內(nèi)輸尿管梗阻和體外腎小管上皮細胞（renal tubular epithelial cells，TECs）的影響，結(jié)果表明線粒體損傷、ROS產(chǎn)生以及轉(zhuǎn)化生長因子-β（transforming growth factor-β，TGF-β）/Smad通路激活與腎纖維化間的變化關(guān)系。使用UMI-77可通過改善線粒體適應性、下調(diào)TGF-β1/Smad信號傳導以及緩解TECs損傷和腎炎癥浸潤，防止腎纖維化[40]。目前，線粒體自噬與腎纖維化關(guān)系的具體作用機制仍需進一步研究。

線粒體自噬可清除受損的線粒體，緩解線粒體功能障礙，從而抑制纖維化發(fā)展。目前線粒體自噬治療的具體方案有待完善，可概括為：①減少線粒體結(jié)構(gòu)的氧化損傷；②通過外源性ROS清除劑抑制氧化應激；③增強線粒體的自我修復能力。隨著對線粒體自噬的深入了解，許多纖維化疾病的診斷和治療有望取得突破性進展。