腎缺血再灌注損傷與線粒體自噬SIRT1-FOXO3-PINK1-Parkin 調節軸的研究進展

王鎖剛 王光策

河南中醫藥大學第一附屬醫院泌尿外科，河南鄭州 450003

缺血再灌注損傷（IRI）是器官或組織缺血、缺氧損傷后重獲血流灌注或氧供應，對器官或組織產生二次損傷的后果。IRI 廣泛存在于多種臨床疾病及治療過程中，包括心肌梗死、腦卒中、間室綜合征、血管重建、主動脈成形術、創傷后復蘇、急性缺血性腎衰竭、再植術、腎腫瘤部分切除術和實體器官移植等［1］。腎臟是最易發生IRI 的重要臟器之一。腎IRI 不僅會造成急性腎損傷、全身炎癥反應綜合征和多器官功能綜合征，在腎移植中還可引起急性排斥反應、移植腎功能延遲恢復和慢性移植腎腎病等，嚴重阻礙了腎移植受者和移植腎的長期存活［2］。近年來，隨著我國公民逝世后器官捐獻事業的全面開展，當前我國腎移植例數已經躍居世界第二，而邊緣性供腎越來越多應用于臨床，腎IRI 作為影響腎移植受者近期及遠期預后的重要因素而備受關注。因此，深入認識腎IRI 的發生、發展機制，探索有效的防治策略有著非常重要的現實意義。

1 腎IRI 的分子和細胞機制

腎IRI 的相關分子和細胞機制仍是腎移植界的研究熱點，國內外眾多專家學者做了一些基礎研究，并取得了重要進展。腎IRI 是以腎實質細胞為主的缺血、缺氧損傷及多種細胞和細胞因子參與的、連鎖反應性的病理生理過程，眾多因素參與其中［3-4］。腎IRI分為腎缺血和再灌注兩個階段。其中，缺血是隨著血流量下降而導致腎組織處于缺血缺氧狀態；再灌注則是缺血的腎組織恢復血流的過程，往往會加重缺血性腎損傷。在體情況下，缺血的機制主要是由于機械性或其他原因導致腎血管腔變窄或血流中斷；再灌注損傷的機制涉及多個方面，主要包括氧自由基損傷、炎性因子及遞質釋放、細胞凋亡、細胞內Ca2+超載和無復流現象等［1］。腎臟微血管不僅是炎癥、代謝等損害因素的承受者，也是腎臟損傷的參與者，腎臟損傷是導致腎臟微血管功能障礙后造成腎功能惡化的重要決定因素。目前認為，炎性反應、氧化應激反應、補體通路介導細胞損傷、內質網應激、線粒體自噬和微血管功能障礙等在腎IRI 中發揮著非常重要的作用［5］，且與相關信號轉導通路激活、NO 含量變化及免疫學因素等共同參與引起的腎臟組織結構紊亂與功能代謝異常密切相關［6］，同時腎IRI 誘導了內質網應激反應，加重腎IRI。腎小管上皮細胞缺氧/復氧可觸發內質網系統，激活Caspase-12，從而誘導細胞凋亡［7］?？傊?，腎IRI 是一個多因素、多途徑、復雜的病理過程，腎IRI涉及多種分子和細胞機制［8］（圖1）。目前尚無一種系統的理論能完全解釋腎IRI 的發生機制和效應機制，有待進一步深入研究。

2 腎IRI 與線粒體自噬

線粒體是細胞內氧化磷酸化的主要場所，為細胞的生命活動提供能量，在細胞生存和死亡過程中扮演著重要角色。一旦線粒體功能紊亂，可導致質子泵功能障礙，線粒體內膜通透性升高，致使膜電位迅速耗散，活性氧（ROS）增加、細胞器損傷，最終誘導細胞凋亡或壞死。腎IRI 始于能量代謝障礙及線粒體受損［8］。自噬在腎IRI 中的作用越來越受到關注，尤其線粒體自噬是腎IRI 的主要機制之一，而自噬信號通路在腎IRI 中起關鍵的調控作用［9］。腎缺血時適度增加自噬可在一定程度上減輕腎損傷，而再灌注階段的過度自噬則會加重腎損傷［10］。然而，在腎IRI 發生的過程中，調控線粒體自噬的上游信號分子對腎IRI 的作用尚未完全明確。

腎小管上皮細胞富含線粒體，線粒體損傷與腎損傷有著密切的關系。線粒體作為腎小管上皮細胞總含量最豐富的細胞器，對腎小管上皮細胞維持正常功能非常重要［11］。線粒體自噬是一種特異性自噬，可選擇性地清除已受損或出現功能障礙的線粒體，使其被包裹到自噬體中并與溶酶體融合進行線粒體裂解，是一個防御性的過程，從而維持細胞內環境穩態［12］。在腎IRI 的進程中線粒體功能損傷起著重要作用，腎IRI 使線粒體功能出現障礙，進而引起腎臟ATP 生成減少、氧自由基生成增多和促凋亡蛋白的大量釋放，最終導致細胞死亡［13］。同時，新生成的氧自由基更加劇了線粒體的損傷，形成惡性循環［14］。氧自由基增加、線粒體膜電位下降、線粒體通透性轉換孔開放都會誘發自噬，而適度自噬可清除損傷的細胞器，挽救瀕死腎小管上皮細胞［15］；如自噬過度激活，又會引起細胞自噬性死亡［16］。多種基因信號通路在低氧條件下通過線粒體自噬共同參與腎IRI 的調節［17］（圖2）。

圖2 低氧條件下通過線粒體自噬對腎缺血再灌注的調節

3 SIRT1-FOXO3-PINK1-Parkin 調節軸介導線粒體自噬

近年來，腎小管上皮細胞內線粒體功能異常已成為腎IRI 研究的焦點之一。因此，及時有效地清除受損或功能障礙的線粒體對減輕腎IRI 具有重要的意義。SIRT1-FOXO3-PINK1-Parkin 信號通路在線粒體自噬中的作用和地位已被認可，但SIRT1-FOXO3-PINK1-Parkin 作為目標調節軸是如何在線粒體自噬中具體發揮作用？目前有以下幾種觀點［18-19］：①SIRT1是依賴于煙酰胺腺嘌呤二核苷酸輔酶的去乙酰化酶家族成員之一，參與調節多種與線粒體增殖和自噬相關轉錄因子的表達及活性，對線粒體數量和質量的調節起著主要作用；②FOXO3 位于細胞質中，是FOX 家族中FOXO 亞家族的重要成員蛋白，為SIRT1 的下游分子，通過翻譯、修飾改變后從細胞質定位到細胞核，在組織細胞應激損傷的過程中，通過調控相關基因的表達而起作用，包括抗氧化應激反應、參與細胞代謝、轉錄翻譯、DNA 修復、細胞凋亡和減少ROS 的過度釋放，以及調節線粒體自噬等方面具有重要作用；③PINK1/Parkin 信號通路是哺乳動物細胞的特有線粒體自噬通路［20］，其中重要的調節因子有PINK1 和Parkin。Parkin可感受線粒體膜電位的變化，當受損線粒體膜電位下降，在PINK1 的參與下，Parkin 迅速募集于線粒體外膜，快速泛素化線粒體膜蛋白，啟動線粒體自噬。研究表明，PINK1/Parkin 募到膜電位受損線粒體上通過自噬體而清除之，PINK1/Parkin 介導的線粒體自噬是清除線粒體的經典模式［21］。Pink1/Parkin 介導線粒體自噬過程如下［22］：①生理狀態下，PINK1 和Parkin 蛋白均低水平定位于線粒體的外膜和胞質中；②當應激原刺激機體時，線粒體發生去極化，ROS 生成增加，從而誘發器官或組織發生氧化應激損傷；③PINK1 迅速識別損傷的線粒體，并穩定聚集于外膜的表面，繼而招募并充分磷酸化而激活Parkin，使其轉位至受損的線粒體外膜；④Parkin 構建多聚泛素鏈，泛素化線粒體的成分蛋白；⑤P62、NDP52、OPTN 等自噬受體蛋白通過UBDs 識別泛素化的線粒體，并通過LIR 錨定于自噬囊泡膜上，從而形成線粒體自噬體；⑥線粒體自噬體融合溶酶體形成了線粒體-自噬溶酶體，最終在溶酶體中被水解酶降解。線粒體自噬時，增加了對自噬和溶酶體蛋白的需求，SIRT1-FOXO3-PINK1-Parkin 調節軸參與了線粒體自噬的調控［23-24］。

4 腎IRI 與線粒體自噬SIRT1-FOXO3-PINK1-Parkin調節軸

當線粒體在進行能量轉化和氧化呼吸的過程中釋放ROS，在腎IRI 過程中起著重要作用。線粒體自噬是一把“雙刃劍”，在腎IRI 中起到雙重調控作用，決定著細胞生存和凋亡，而SIRT1-FOXO3-PINK1-Parkin 調節軸如何通過線粒體自噬介導腎IRI？其中，SIRT 是一種煙酰胺腺嘌呤二核苷酸依賴蛋白通過去乙酰化生成，通過調節下游FOX 發揮抗衰老、抑制凋亡等生物功能；FOXO 是自噬調控的關鍵因子，起顯著作用的有FOXO1、FOXO3、FOXO4。SIRT1 通過調節FOXO 乙?；秸{控細胞的自噬活性，進而影響細胞增殖、存活、代謝等過程［25］；SIRT1 能使FOXO3去乙?；?，激活FOXO3 的轉錄活性，在脂質代謝中起重要作用。研究證明，活性FOXO3 存在于細胞核中，當受SIRT1 的脫乙酰化酶作用后向細胞質轉移［26］。PINK1 是一種必需的促生存因子，由氧化應激誘導產生。FOXO 在經受生長因子剝奪的小鼠和人細胞中控制PINK1 轉錄，并且該調節通過進化上保守的FOXO 結合元件發揮作用，FOXO 誘導的PINK1 等生存因子可能可以保護細胞，因其容易將缺血再灌注介導的氧化環境改變為還原環境并增加還原性谷胱甘肽水平［27］。事實上，PINK1 的缺失會導致線粒體功能缺陷和對氧化應激的敏感性增加［28］。線粒體動力學由涉及PINK1-PARKIN 的共同途徑調節［29］。最近有研究表明，PINK1-PARKIN 通路通過促進線粒體自噬在線粒體質量控制中發揮作用。PINK1 在受損的線粒體上穩定，然后將其導入線粒體外膜，導致通過線粒體自噬去除受損的線粒體。有研究揭示，PINK1-PARKIN 與線粒體融合-裂變通路之間的功能關系，暗示有缺陷的線粒體動力學［30］。PINK1/Parkin 通路可以通過調節線粒體自噬參與腎小管上皮細胞內受損線粒體的選擇性清除，對維持由缺氧引起腎小管上皮細胞穩態失衡以及改善腎功能是十分有益的?？梢?，線粒體自噬SIRT1-FOXO3-PINK1-Parkin 調節軸通過介導缺血、缺氧引起腎IRI。

5 調控線粒體自噬在腎小管細胞中的保護作用

自噬誘導腎損傷作用已被證實。自噬抑制劑增強了急性腎損傷，而自噬的激活劑顯示了保護作用，表明自噬在一定的條件下具有保護腎IRI 的作用。此外，通過自噬缺陷小鼠模型的試驗，進一步證實線粒體自噬在腎小管細胞中有保護作用［31］。盡管進行了一些相關的研究，但線粒體自噬如何保護腎小管細胞的機制尚不十分清楚。有絲分裂是一種選擇性的自噬，線粒體的啟動是一個決定性的事件，因為它標記特定的線粒體進行自噬識別和降解。在腎臟病理生理過程中，有關線粒體啟動有絲分裂的信息很少。BNIP3 參與線粒體啟動在體外氧化應激誘導的腎小管細胞有絲分裂中的作用，但其在體內腎小管細胞有絲分裂中的作用尚未被研究證實。上述文獻研究結果強烈提示，調節線粒體增殖和自噬對腎IRI 的保護作用已得到證實，通過有效措施調控SIRT1-FOXO3-PINK1-Parkin線粒體自噬調節軸可能有助于腎IRI 后腎小管上皮細胞損傷的修復。因此，研究通過調控線粒體自噬保護腎小管上皮細胞的作用，適當調控機體的自噬，特別是選擇性地調控線粒體自噬對維持細胞正常功能，防治腎IRI 具有非常重要的意義。

6 調控線粒體自噬SIRT1-FOXO3-PINK1-Parkin調節軸修復腎IRI 的展望

近年來，在腎IRI 防治方面的研究取得了一些進展，其中以啟動腎臟內源性保護機制（如預處理和預適應）尤為重要。此外，用藥物激活或抑制某些機體因子而保護腎組織的研究，對腎移植術后腎功能恢復及移植腎的長期存活有著重要的意義。然而，目前針對腎IRI 的治療多是初步的研究，而且多停留在實驗階段或嘗試性用藥，不能全面揭示其作用機制，同時也缺乏系統化的整理和總結，迄今為止尚無真正有效的防治藥物。因此，探索有效的腎IRI 治療策略以及藥物的作用靶點和機制迫在眉睫。今后可致力于研究參與線粒體自噬的腎IRI 相關基因編碼的蛋白之間的相互聯系，形成完整的腎IRI 相關信號通路之間的調控聯系，為尋找腎IRI 相關分子標志物和藥物的作用靶點提供理論依據。

綜上所述，深入探討SIRT1-FOXO3-PINK1-Parkin依賴線粒體自噬調節軸與腎IRI 的關系，研究促進腎IRI 后腎小管上皮細胞損傷愈合的新機制，有望通過調控線粒體增殖和自噬途徑探索減輕腎IRI 的有效措施，以期為臨床應用提供充分的理論和實驗依據，并最終為探尋價廉、高效、低毒的腎IRI 預處理藥物提供新思路。