缺氧情況下的線粒體自噬調節機制研究進展

林廣宏

（廣東醫科大學 廣東 湛江524023）

1.引言

自噬這一概念時至今日，發展為指真核細胞的蛋白質、受損的線粒體、過氧化物酶體、核糖體、內質網、核內體、脂滴和病原體等[1]被溶酶體進行降解并再次利用的過程，有機體通過自噬來達到抵御不良環境及清除有害因子的目的。目前的研究表明在酵母及哺乳動物中的過程及調節機制高度類似。

目前根據將胞漿底物運輸至溶酶體的機制不同,可將自噬分為3類：分子伴侶介導自噬、微自噬、巨自噬。其中巨自噬是自噬過程中最常見的一種，通常稱呼的自噬即為巨自噬，其中包括重要的線粒體自噬。本文嘗試描述細胞在缺氧環境下所發生的線粒體自噬的相關調節機制。

1.1 ROS-HIF相關缺氧調節途徑

細胞因供氧不足導致線粒體電子傳遞受損，電子從氧化呼吸鏈中的NADH脫氫酶、琥珀酸脫氫酶中脫離，脫離的電子與氧氣分子結合，生成了大量活性氧（ROS）。ROS的大量生成能使HIF-1穩定，并促使其與HRE結合，并隨后激活下游靶基因的轉錄[2]，過量的ROS生成會導致細胞膜的脂質過氧化損傷及DNA斷裂[3]。

缺氧介導因子家族（HIFs）是機體維持氧穩態信號系統中關鍵的二聚體轉錄因子，均由α、β亞基構成，α亞基主要包括HIF-1α、HIF-2α、HIF3α這3個氧依賴亞基，β亞基即HIF-1β亞基，α亞基與β亞基結合成二聚體結構時即HIF-1、HIF-2和HIF3[4]。HIF-1α亞基受缺氧調控并調節HIF-1的活性。HIF-1β亞基又稱ARNT,只有當HIF-1α亞基/HIF-α亞基與HIF-1β亞基形成異二聚體后才能發揮轉錄因子作用[5]。

常氧狀態下（O221%），HIF-α亞基在翻譯后其脯氨酸殘基會透過HIF脯氨酰羥化酶(PHD)羥基化，使其能被VHLE3泛素連接酶辨識并泛素化，其后迅速被泛素-蛋白酶體復合體降解[6]，在缺氧狀態下，2價鐵離子、2-酮戊二酸、抗壞血酸減少，PHD功能被抑制，VHL與HIFα的氧依賴降解結構域ODDD結合過程被阻斷，HIF-α泛素化及降解停止，HIF-α亞基得以與HIF-β亞基聚合成有活性的HIF二聚體。與PHD類似的HIF相關調節因子為FIH-1，即天冬酰胺羥化酶，類似地它也是一種羥化酶，可結合HIF-α并通過羥基化HIF-α的反式激活區（TAD）抑制其反式激活功能，從而抑制CBP/P300和其他共同激活因子在反式激活區的募集[7]，也可與VHL結合繼而抑制Notch信號通路，并通過該通路調節缺氧反應。HIF-1α同時對缺氧狀態下的中對血紅素加氧酶1（HO-1/HMOX1）及血管內皮生長因子VEGF有重要的調節誘導功能，在對人結直腸腺癌細胞HCT-15的實驗中能提高其抗缺氧能力及生長速度[8]。

HIF通過上述pVHL/PHD/FIH/HIF軸于不同氧含量下改變構象，低氧環境下HIF-α轉位至細胞核內，與共同激活因子CBP/P300、HIF-β形成復合體，促進目的基因的轉錄以達到調節轉錄的作用。綜上，HIF家族是一類對細胞缺氧適應有重要作用的轉錄因子，其具體調節范圍包括細胞的糖代謝、血管生成、程序性死亡[9]，其中BNIP3/BNIP3L是其重要的下游調節靶點。

1.2 BNIP3/BNIP3L-AKT/PI3K相關調節

BNIP3是屬于一種線粒體外膜蛋白。BNIP3/BNIP3L與Beclin-1、Bcl-XL同屬Bcl-2家族中BH3-only亞家族的成員，均具有BH3結構域[10]。低氧狀態下ROS-HIF調節通路激活，BNIP3、BNIP3L、Beclin1與Atg5的表達增加，此時BNIP3/BNIP3L與Bcl-XL/Bcl-2的BH3結構域競爭性結合，Beclin-1從線粒體上的Bcl-2/Beclin-1復合體或Bcl-xl/beclin-1復合體上釋放出來[11]，游離狀態的Beclin-1與VPS34等蛋白形成PI3K復合體，最后通過PI3K/Akt通路激活線粒體自噬[12]，從而達到保護細胞的目的。

BNIP3L（又稱NIX）與BNIP3是類似的線粒體受體蛋白,具有幾乎相同的LC3結合區，他們在哺乳類動物線粒體功能異常時與LC3、GABARAP-L1等相關調節因子聚集到異常線粒體上使其與自噬體結合，通過自噬清除異常線粒體[13]。

另外，在毒素損害/缺氧狀態下的心肌細胞中能觀察到BNIP3能破壞線粒體的網狀結構，促進線粒體分裂，進而線粒體自噬增加，而共表達BNIP3與MFN1能顯著減少此類自噬的發生，證明BNIP3可單獨通過促進線粒體分裂而誘導線粒體自噬增加[14]。在另一實驗中，經阿霉素、缺氧條件處理過的心肌細胞中，線粒體碎片數與細胞死亡數顯著上升；而BNIP3敲除組、鞣花酸處理組的線粒體碎片數、細胞死亡數則較對照組低[15]，表明BNIP3的調控與線粒體分裂、自噬的調控有密切關系，為細胞保護的研究提供了新的方向。

2.FUNDC1相關的線粒體自噬調節機制

FUNDC1是一種跨膜蛋白，位于線粒體外膜上，具有3個α螺旋，其中膜外的N端氨基序列中包含一段保守LIR，由此區域可以與LC3相互作用以介導低氧誘導的線粒體自噬[16]。正常情況下FUNDC1通過與內質網膜鈣調蛋白的鏈接，在MAM處聚集；缺氧時FUNDC1/鈣調蛋白的鏈接變弱，繼而DRP1因與FUNDC1結合后被募集到MAM，線粒體開始分裂、自噬。對應地，在低氧條件下敲除DRP1，FUNDC1或鈣調蛋白三者之一均能觀察到線粒體分裂及線粒體自噬的發生率下降，證實了此學說。[17]

3.結語

線粒體自噬作為缺氧情況下細胞自我保護、自我修復的一個重要程序，已被證實和神經及心肌細胞缺血缺氧損傷、神經細胞退行性變、腫瘤細胞的自我保護有關。通過深入研究其調節機制，可以得出對相關疾病的新靶點，繼而探索出相應的療法。

】

[1]Anding AL,et al.Cleaning House: Selective Autophagy of Organelles.DEV CELL.2017.

[2]Dengler VL,et al.Transcriptional regulation by hypoxia inducible factors.CRIT REV BIOCHEM MOL.2014.

[3]Sermeus A,et al.Differential effect of hypoxia on etoposide-induced DNA damage response and p53 regulation in different cell types.J CELL PHYSIOL.2013.

[4]Wang GL, et al.Hypoxia-inducible factor 1 is a basichelix-loop-helix-PAS heterodimer regulated by cellular O2 tension.P NATL ACAD SCI USA.1995.

[5]Liu YV,et al.RACK1 competes with HSP90 for binding to HIF-1alpha and is required for O(2)-independent and HSP90 inhibitor-induced degradation of HIF-1alpha.MOL CELL.2007.

[6]Rytkonen KT,et al.Molecular evolution of the metazoan PHD-HIF oxygen-sensing system.MOL BIOL EVOL.2011.

[7]Lando D,et al.Asparagine hydroxylation of the HIF transactivation domain a hypoxic switch.Science (New York,N.Y.).2002.

[8]Cheng CC,et al.Blocking heme oxygenase-1 by zinc protoporphyrin reduces tumor hypoxia-mediated VEGF release and inhibits tumor angiogenesis as a potential therapeutic agent against colorectal cancer.J BIOMED SCI.2016.

[9]Lee KE,et al.SnapShot:Hypoxia-Inducible Factors.CELL.2015.

[10]Lomonosova E,et al.BH3-only proteins in apoptosis and beyond: an overview.ONCOGENE.2008.

[11]Bellot G,et al.Hypoxia-induced autophagy is mediated through hypoxia-inducible factor induction of BNIP3 and BNIP3L via their BH3 domains.MOL CELL BIOL.2009.

[12]Kang R,et al.The Beclin 1 network regulates autophagy and apoptosis.CELL DEATH DIFFER.2011.

[13]Hanna RA,et al.Microtubule-associated protein 1 light chain 3 (LC3) interacts with Bnip3 protein to selectively remove endoplasmic reticulum and mitochondria via autophagy.J BIOL CHEM.2012.

[14]Lee Y,et al.Mitochondrial autophagy by Bnip3 involves Drp1-mediated mitochondrial fission and recruitment of Parkin in cardiac myocytes.AM J PHYSIOL-HEART C.2011.

[15]Dhingra A,et al.Ellagic acid antagonizes Bnip3-mediated mitochondrial injury and necrotic cell death of cardiac myocytes.FREE RADICAL BIO MED.2017.

[16]Chen M,et al.Mitophagy receptor FUNDC1 regulates mitochondrial dynamics and mitophagy.AUTOPHAGY.2016.

[17]Wu W,et al.FUNDC1 regulates mitochondrial dynamics at the ER-mitochondrial contact site under hypoxic conditions.EMBO J.2016.