線粒體自噬及其在肺臟疾病中的作用研究進展

宋文沁,黃亞醫,夏中元

武漢大學人民醫院麻醉科(武漢430060)

主題詞 肺疾病 線粒體 @自噬

肺臟是氣體交換的唯一場所，又是接受全部心輸出量的唯一器官，是呼吸系統或循環系統有害物質作用的首要靶器官。線粒體是一個敏感又復雜的細胞器，它是合成ATP的主要場所，主要為細胞提供能量，除此之外，線粒體參與調控細胞的凋亡和自噬等。線粒體受損后細胞膜通透性變化，釋放活性氧或者細胞凋亡因子，促使細胞損傷。因此，適時清除受損的線粒體，對細胞正常生長和代謝至關重要。線粒體自噬屬于自噬的一部分，是一種選擇性清除受損的線粒體的過程，對維持細胞正常的功能和形態有著重要的作用，是目前選擇性細胞器自噬的研究熱點。本文就線粒體自噬分子機制的研究進展及其在肺臟疾病中的作用做一綜述。

1 自噬及線粒體自噬概述

自噬是將細胞內需要降解的細胞器、蛋白質等成分通過溶酶體進行降解，其降解的氨基酸及脂肪酸可以再循環利用產生ATP的過程，它被認為是真核生物進化高度保守的細胞自穩程序，一方面雙膜結構的自噬囊泡能包繞隔絕失功能的細胞器、結構破壞的蛋白質和侵入的病原體等；另一方面自噬體與溶酶體結合后消化囊內物為細胞代謝提供底物，生理狀態下細胞內一定水平的自噬對維持內環境的穩定起重要作用，而過度誘導的自噬能誘發細胞程序性死亡。自噬分為三種：大自噬、小自噬及分子伴侶介導的自噬，大自噬：由內質網來源的膜包繞待降解物形成自噬體，然后與溶酶體融合并降解其內容物；小自噬：溶酶體的膜直接包裹長壽命蛋白等，并在溶酶體內降解；分子伴侶介導的自噬：胞質內蛋白結合到分子伴侶后被轉運到溶酶體腔中，然后被溶酶體酶消化。

盡管自噬被認為是一種非選擇性的過程，但是目前也有越來越多的證據證明選擇性自噬是存在的，受損的細胞器(線粒體、內質網、核糖體及過氧化物酶體)選擇性的降解，此種選擇性的自噬被稱為特異性細胞器自噬,其中線粒體自噬最初在酵母中發現，之后其相關研究成為熱點。而線粒體的自噬過程是：受損的線粒體膜通透性發生變化，進而使線粒體去極化并激活線粒體白噬相關蛋白，之后自噬小體包裹受損線粒體形成線粒體自噬體，線粒體自噬體與溶酶體融合，線粒體被線粒體自噬溶酶體內大量的溶解酶降解。

2 線粒體自噬的分子機制

2.1 PINK1和Parkin途徑及其蛋白 PINK1是一種絲氨酸/蘇氨酸激酶，它的N-端有線粒體靶向信號，它通過外膜轉運酶和內膜轉運酶進入線粒體并固定在線粒體內膜。在完整的線粒體中，基質加工肽酶和早老素相關菱形樣物質持續降解PINK1，但在受損的線粒體內，PINK1禁止向線粒體內膜轉運從而聚集在線粒體外膜，并與線粒體外膜轉運酶形成一個700kDa的復合物[1]。Parkin是E3泛素連接酶，其主要結構包括1個N端泛素樣結構域，緊鄰富含4個半胱氨酸以及鋅指結構域，它被激活的PINK1招募至受損的線粒體上，進而使線粒體泛素化、線粒體外膜Miro蛋白降解、線粒體起源促進線粒體降解[1]。

目前發現調節PINK1-Parkin介導的線粒體自噬的分子及機制有：位于線粒體外膜的去泛素化酶USP30通過移除泛素化的Parkin的負性調節PINK1-Parkin介導的線粒體自噬[2]；膜相關性蛋白Clec16a通過Nrdp1和E3泛素酶促進Parkin降解[2]；P53通過隔絕細胞液內Parkin抑制線粒體自噬[3]；Bcl-2家族蛋白包括Bcl-xL、MCL-1和Bcl-2通過抑制Parkin的易位從而抑制線粒體自噬[4]。

2.2 線粒體的融合和分裂蛋白 線粒體不斷的在融合和分裂形態中變換，這個過程是通過線粒體融合、分裂蛋白精確調控。線粒體的融合是通過位于線粒體外膜的融合蛋白1/2(Mfn1和Mfn2)以及位于線粒體內膜的Opal調節的，線粒體的分裂是通過Drp1、Fis1和Miff[5]調節。Drp1是線粒體分裂必需的蛋白，其過度表達可促進線粒體的分裂，線粒體過度分裂促進及細胞色素的釋放，Caspase酶激活，細胞凋亡。Drp1的下調及敲除Fisl可抑制線粒體自噬而導致功能紊亂的線粒體聚集[5]。Opa1或Mfn1/2缺乏的細胞可導致線粒體碎片聚集及線粒體自噬[5]。說明線粒體的融合和分裂和線粒體自噬有著密切的關系。

2.3 Nix/Bnip3L 和Bnip3 Nix/Bnip3L和Bnip3是線粒體外膜的蛋白，他們是BH3蛋白及促凋亡的Bcl-2蛋白家族。Nix/Bnip3L的缺失可以保護線粒體膜蛋白的丟失，避免線粒體自噬,Nix/Bnip3L調節Parkin的易位[6]，Bnip3通過抑制Opal蛋白、mPTP開放或Bax/Bak誘導線粒體自噬，也可通過自身磷酸化促進Bnip3和LC3B(自噬相關蛋白)的相互作用而誘導線粒體自噬[7]。

2.4 FUNDC1 FUNDC1是線粒體外膜的一種蛋白，在低氧的情況下通過LC3相互作用區域與LC3相互作用，誘導線粒體自噬[8]。FUNDC1同時也是ULK1(自噬激活激酶)的受體，ULK1可導致線粒體極化，使FUNDC1的17酪氨酸磷酸化，從而促進線粒體自噬[9]。低氧下線粒體上的PGAM5的磷酸化可直接去磷酸化FUNDC1，去磷酸化的FUNDC1與LC3的相互作用，促進線粒體自噬，但是CK2使FUNCD1磷酸化而抑制線粒體自噬[8]。

2.5 Cardiolipin Cardiolipin雖然是線粒體內膜的磷脂，但有研究發現在最初的皮質神經元細胞內，Cardiolipin如果移到線粒體外膜是因為線粒體損傷并且與LC3相互作用,Cardiopin合成減少可以減少線粒體向自噬小體的轉移，LC3中與Cardiopin結合位點的變異可抑制線粒體自噬[10]。

2.6 GCN5L1 乙酰輔酶A是代謝途徑中間產物，它負性調節自噬。饑餓下，乙酰輔酶A被認為被消耗。GCN5L1的下調可以減少線粒體蛋白的乙酰化，刺激線粒體自噬[11]。這種線粒體自噬是依賴Atg5及P62,而非依賴Parkin,因此GCN5L1調節的自噬是否具有線粒體選擇性還未知。

3 線粒體自噬在肺臟疾病中的作用

3.1 慢性阻塞性肺疾病 慢性阻塞性肺疾病是一種具有氣流阻塞特征的慢性支氣管炎和(或)肺氣腫，可進一步發展為肺心病和呼吸衰竭的常見慢性疾病，與有害氣體及有害顆粒的異常炎癥反應有關，致殘率和病死率很高。線粒體自噬作為最近的研究熱點，其在COPD中的研究也得到了關注。有害氣體可導致肺上皮細胞線粒體功能障礙，表現為電鏡下線粒體脊嚴重破裂，線粒體活性氧增加，ATP產生較少，線粒體氧耗下降；肺上皮細胞內的PINK1表達增加；促使線粒體內長Opa1分解變短促使線粒體裂解；肺上皮細胞內Drp1的616色氨酸磷酸化使線粒體聚集并使線粒體碎片增加；誘導肺上皮細胞PINK1依賴的線粒體自噬；依賴于PINK1的線粒體自噬影響線粒體膜電勢及細胞死亡，從而調節的細胞死亡[12]。有趣的是CSE刺激可以導致PINK1的表達明顯增加，但是Parkin的表達未見明顯增加，PINK1基因敲除的小鼠在香煙煙霧暴露下氣道損傷輕，并且在肺氣腫模型中發現PINK1基因缺陷可以減少香煙煙霧刺激導致的氣道擴張，但是Parkin基因敲除的小鼠和野生型小鼠一樣香煙煙霧刺激導致了氣道擴張[12]。但有研究有相反的發現：敲除PINK1基因可增加香煙刺激物導致的線粒體活性氧產生及支氣管上皮細胞衰老，可減少線粒體內Parkin的水平，認為煙霧刺激誘導的支氣管上皮細胞的衰老是通過PINK1-Parkin通路調節線粒體自噬及線粒體活性氧的產[13]。這些研究說明Pink1-Parkin介導的線粒體自噬參與了香煙刺激物導致的阻塞性肺通氣功能障礙，但是具體的機制還有待于進一步研究。

3.2 肺纖維化 特發性肺纖維化(Idiopathic pulmonary fibrosis，IPF)是一種不明原因的彌漫性肺間質纖維化疾病，主要表現為干咳、進行性呼吸困難，并且逐漸惡化，有著很差的預后。年齡是肺纖維化的高危因素，肺纖維化病人的肺泡II型細胞(AECII)表現為線粒體功能障礙，電子顯微鏡發現線粒體腫脹變形，伴隨著有絲分裂增加。微陣列分析顯示肺纖維化病人ACEII細胞的PINK1表達下降，PINK1的低表達可以導致ACEII細胞內線粒體去極化及促纖維化因子表達。PINK1基因的敲除使大鼠肺細胞線粒體腫大，數量減少，但是線粒體DNA數量不變，給予肺纖維化誘導劑后PINK1基因敲除的小鼠更容易發生肺纖維化[ 14]。在肺上皮細胞內轉化生長因子TGF-β1可刺激ROS的產生，導致線粒體去極化、線粒體活性氧產生及PINK1表達，線粒體活性氧的產生可改變膜電位導致線粒體自噬[14]。人類表面蛋白C基因(SFTPC)73密碼子上蘇氨酸突變成異亮氨酸與肺間質疾病有關，通過透視電鏡發現此種變異的細胞內有大量的含有細胞器及蛋白碎片的異常吞噬液泡，線粒體自噬相關蛋白Parkin表達增加[15]。

3.3 肺動脈高壓 肺動脈高壓是無法治愈的肺血管病變，可導致右心衰及死亡。Ucp2廣泛表達于中樞神經系統、胰腺、肝臟和肺臟，調節脂肪酸的代謝、線粒體內鈣離子的攝取、線粒體內氧自由基的產生、線粒體自噬及細胞凋亡。有研究發現Ucp2基因敲除的小鼠在間斷低氧時增加了右心室收縮壓，肺內皮細胞的凋亡增加，肺內線粒體自噬標記物Parkin和PINK1增加，線粒體自噬及自噬流增加[16]。發現Ucp2可通過鈣離子調節肺內皮細胞的線粒體及細胞凋亡，Ucp2沉默可增加肺內皮細胞內Atg5而增強自噬及凋亡；Ucp2基因敲除的小鼠的內皮細胞的PINK1的沉默進而抑制肺內皮細胞的高自噬活動從而預防間斷低氧導致的肺動脈高壓。

3.4 肺 癌 肺癌是一種發病病率死率都較高的惡性腫瘤，嚴重危及著人類的健康及生命。但是其復雜的發病機制尚未完全明了、治療效果也不理想，因此有許多研究希望從線粒體自噬尋找肺癌相關研究的突破點。A549肺癌細胞是肺癌研究中常用的細胞，此類細胞發現中線粒體明顯變長，線粒體質量增加，線粒體功能異常并促進PINK1在線粒體外膜的代謝，進而促進泛素連接酶E3 Parkin招募到線粒體上，激活線粒體自噬并移除受損的線粒體[16]。新城疫病毒(Newcastle disease virus，NDV)是一種具有溶瘤作用的無意義的副黏病毒，NDV導致細胞死亡的主要機制是凋亡，包括外在的或者內在的凋亡途徑，以內在凋亡途徑為主[17]，NDV的感染可以導致肺癌A549細胞自噬溶酶體的聚集并保存自噬潮，可以導致線粒體膜電位的改變，使得線粒體的呼吸鏈發生故障并釋放細胞色素C進而使細胞死亡[17]。

3.5 急性肺損傷 急性肺損傷是各種直接和間接致傷因素導致的肺泡上皮細胞及毛細血管內皮細胞損傷，造成彌漫性肺間質及肺泡水腫，導致的急性低氧性呼吸功能不全[18]。線粒體功能異常可以產生大量的應激因子、凋亡調節因子、細胞因子及激發免疫反應，這在肺損傷的發生發展中有著重要的作用。高氧是導致急性肺損傷的一個因素，研究發現NLRP3-/- 的大鼠肺上皮細胞PINK1表達增加，PINK1和激活的蛋白酶可協同抵抗高氧損傷，具有肺保護作用，高氧則通過NLRP3-PINK1通路導致細胞和組織死亡，PINK1的靜默表達可以加劇高氧誘導的線粒體氧自由基的產生并抑制自噬，從而導致凋亡，而PINK1的缺失則激活Caspase-3介導的細胞死亡。

綜上所述，現有研究表明線粒體自噬及其調控分子機制參與了多種肺臟疾病的發生、發展，其相關研究已成為研究者的關注焦點。但是目前線粒體自噬在肺臟疾病中存在的多種調控機制及信號通路尚不清楚，其相關基因的功能也尚不清楚。相信隨著線粒體自噬在肺臟領域研究的不斷深入，將為認識肺臟疾病發病機制提供新的理論，并為其防治提供新的靶點。