PINK1/Parkin信號通路調控的線粒體自噬在慢性阻塞性肺疾病中的研究進展

袁東 李夢雨 李亞清

慢性阻塞性肺疾病（chronic obstructive pulmonary disease，COPD）是危害最為嚴重的慢性呼吸疾病，其死亡人數及社會經濟負擔長期居我國慢性病前三位。最新的研究顯示，COPD在我國20歲及以上人群患病率已達8.6%[1]。據世界衛生組織及世界銀行預測，至2020年COPD將成為人類第四大死亡原因及造成世界第五大社會經濟負擔的疾病[2-3]。COPD作為一種重要的全球性社會公共衛生問題，迫切需要社會進一步重視。目前COPD的發病機制尚未明確，炎癥、蛋白酶-抗蛋白酶失衡、氧化應激、細胞衰老等均可能參與其中[4]。最新的研究發現自噬也參與了COPD的發病，線粒體自噬作為一種選擇性自噬，可以降解因應激產生的損傷線粒體，保持線粒體乃至細胞整體功能穩定。PINK1/Parkin作為調控線粒體自噬的主要信號通路，對于維持Ⅱ型肺泡上皮細胞的正常功能亦至關重要[5]，進而同樣參與了COPD的發生與發展。筆者就近年來PINK1/Parkin參與調控的線粒體自噬在COPD發病中作用的相關研究進展作一綜述。

1 PINK1/Parkin調控的線粒體自噬

1.1 線粒體 線粒體作為一種擁有自身的基因組的細胞器，在產生細胞能量、維持細胞代謝、細胞內信號傳導和細胞死亡程序的調控等方面起著重要作用。其通過生物發生和溶酶體依賴的降解調控維持自身數量，同時受到自身延伸和分裂的動態過程的影響，繼而對自身進行質量控制來維持細胞正常功能[6]，作為真核細胞的能源中心，在通過氧化磷酸化為細胞提供能量的同時產生活性氧。當活性氧生成過多或超氧化物歧化酶、谷胱甘肽過氧化物酶等抗氧化物水平不足時，活性氧會攻擊線粒體的脂類、蛋白質和線粒體DNA，引起線粒體DNA損傷以及線粒體功能障礙，而線粒體活性氧（mitochondrial ROS，mtROS）則進一步引起炎癥和細胞衰老，是導致許多疾病發生、發展的關鍵因素[7-9]。同時，新的研究發現線粒體作為抗病毒天然免疫信號傳導過程中RNA和DNA傳感的平臺，在啟動和調控人體免疫系統中亦發揮重要作用[10]。

1.2 線粒體自噬 線粒體自噬也被稱為有絲分裂，作為一種選擇性自噬在清除體內損傷線粒體、維持細胞穩態方面發揮著重要作用[11]。作為進化上高度保守的細胞機制，其主要功能是對細胞進行質量控制，同時也是線粒體唯一的基因組轉錄途徑。自噬過程受到多種因子調控，有多種機制參與其中，但導致受損線粒體自噬的信號通路尚不完全清楚，現在普遍接受的途徑主要是PINK1/Parkin誘導的和BNIP3/NIX依賴的線粒體自噬[12]。目前在酵母中已發現至少20種自噬相關基因（autophagy related genes，Atg）。微管相關蛋白1輕鏈3是Atg 8在哺乳動物細胞中的同源蛋白[13]。酵母線粒體自噬主要由Atg 32介導，Atg 32與Atg 8、Atg 11相互作用，構成啟動聚合體，啟動線粒體自噬。

1.3 PINK1和Parkin PINK1和Parkin作為兩種神經保護蛋白，其編碼的基因突變已被證明是家族性常染色體隱性帕金森病等神經退行性疾病發病的主要危險因素[14]。PINK1是目前唯一已知的線粒體靶向絲氨酸/蘇氨酸激酶，作為PARK6基因編碼的含有581氨基酸蛋白質，具有一個N端線粒體靶向序列，一個假定的跨膜螺旋、一個N端連接區、激酶域和一個C端延伸[15]。作為線粒體的分子傳感器，可以不斷地監測線粒體的狀態，在正常情況下PINK1通過線粒體外膜上外膜轉位酶復合物作用，進入線粒體膜間腔，其后與其內膜上的內膜轉位酶復合物結合，轉移至線粒體內膜上，被內膜上的早老素相關菱形蛋白分解[16]。當線粒體受到諸如去極化、錯誤折疊蛋白或活性氧等損傷時，PINK1進入線粒體受限，使其不斷在線粒體表面聚集，并與線粒體外膜上的外膜轉位酶復合物形成復合體[17]。最新的研究揭示了線粒體外膜上外膜轉位酶復合物結構和PINK1集聚的具體步驟[18]。然而，與線粒體外膜上外膜轉位酶復合物亞單位相互作用的分子基礎以及導致PINK1導入或積累的相互作用的變化仍有待進一步研究。

Parkin是由PARK2基因編碼的含有465個氨基酸的E3泛素連接酶，由N端的泛素樣結構域和4個鋅配位環狀結構域組成，屬于環間結構域家族，可共價連接泛素分子與底物，形成多種泛素鏈，在線粒體去極化時對多種細胞溶質和線粒體膜外蛋白進行泛素化[19]，因為其具有相對寬松的底物特異性，可使多種底物被蛋白酶識別、降解[20]。在細胞中，Parkin的活性通常受到嚴格調控，僅在線粒體去極化或表皮因子信號傳導等多種條件下才能被激活[21]，相反，許多破壞其結構諸如熱處理、N末端缺失、和點突變亦能抑制其活性[22]。

1.4 PINK1/Parkin調控的線粒體自噬PINK1/Parkin通路作為線粒體自噬的關鍵調控通路，已被證明需要Parkin和PINK1的共同參與，在黑腹果蠅中，PINK1和PARKIN基因敲除導致線粒體內穩態、氧化應激、多巴胺能神經元功能、運動和先天免疫反應缺陷[23]，表明PINK1/Parkin共同存在對于維持線粒體網絡完整及細胞正常功能均有著重要意義。當線粒體受損或衰老時，線粒體膜電位的降低導致PINK1的降解減緩，進入線粒體受阻，從而促進其在線粒體外膜上的積累，PINK1的不斷累積導致其自身磷酸化后促進了Parkin的激活[15]，Parkin被完全激活后在受損的的線粒體外膜上構建泛素鏈，在此基礎上兩者相結合，線粒體外膜可以為PINK1磷酸化提供更多泛素，并導致更多的Parkin招募和激活。這種正反饋回路能夠使Parkin快速有力地轉移到受損的線粒體上[14]，為新的泛素分子被PINK1磷酸化提供了可能，泛素化后的線粒體表面蛋白質可導致缺陷線粒體的分離，隨后線粒體出現微管蛋白輕鏈3陽性的自噬體和溶酶體關聯膜蛋白1陽性的溶酶體，從而促進線粒體自噬并消除受損線粒體[24]。

盡管PINK1/Parkin通常被認為是線粒體自噬的主要調控器，但越來越多的證據表明，在沒有PINK1或Parkin的情況下，線粒體自噬仍然可以發揮作用，即PINK1介導的Parkin非依賴性線粒體自噬。最近，Lee等[25]研究發現，在缺乏Parkin的果蠅中，線粒體自噬仍然存在，這突顯出Parkin對線粒體自噬不是必需的。同樣，Villa等[26]的研究發現ARIH作為一種新的E3泛素連接酶，在以PINK1依賴性方式觸發癌細胞中的線粒體自噬的同時并未檢測到Parkin的活性。Szargel等[27]觀察到synphilin-1與PINK1相互作用并被募集到線粒體中，在促進PINK1依賴的線粒體自噬同時，Parkin并未被激活，表明了PINK1-synphilin-1-代表一種新的與PINK1/Parkin無關的線粒體自噬途徑。盡管現在對PINK1、Parkin和線粒體自噬的生物學作用的研究取得了很大進展，但將三者有機結合起來之后，關于這一自噬途徑的許多重要問題仍然存在，需要進一步的實驗研究闡明其作用機制。

2 COPD中PINK1/Parkin調控的線粒體自噬

COPD是一種常見的、以不可逆氣流受限性為特征的炎癥性呼吸系統疾病。肺彈性組織降解、肺泡結構破壞與氣腔擴大是COPD患者的主要病理表現，同時也是其肺功能進行性下降的關鍵性因素[28]。吸煙是導致COPD的主要原因[29]。長期暴露于香煙煙霧會激活活性氧，造成肺上皮細胞線粒體功能障礙[30]，引起細胞性氧化應激和凋亡，并最終導致氣道變窄、阻塞并破壞肺組織[31]，表明線粒體結構和功能完整性受損并伴有過多mtROS的產生與COPD發病過程中程序性細胞死亡和細胞衰老增強息息相關[32-33]。

自噬在COPD的病理生理學中起著關鍵作用，越來越多的證據表明COPD患者的自噬失調。一般來說，自噬在肺上皮細胞中受到外來刺激是激活的。然而，在COPD中對自噬增加及其在疾病發病機制中作用的解釋和隨后的下游解釋仍存在爭議，一方面，自噬的損傷可導致清除氧化應激損傷的蛋白質或細胞器能力降低，加速COPD的發病[34]。另一方面，過度活躍的自噬會導致細胞死亡/凋亡和纖毛丟失，最終導致肺氣腫[35]。以PINK1/Parkin通路作為關鍵調控通路的線粒體自噬被認為是COPD的主要自噬類型，似乎在COPD中亦具有雙重作用。

Parkin缺乏會導致線粒體損傷增加，增強ROS積聚，加速香煙煙霧暴露后肺上皮細胞衰老。Araya等[36]發現，Parkin基因敲除鼠在香煙煙霧提取物（cigarette smoke extract，CSE）暴露后表現出典型的氣道壁增厚和肺氣腫變化，同時PINK1蛋白水平降低的情況下，Parkin過表達在CSE暴露期間誘導線粒體自噬，導致mtROS產生減弱和細胞衰老。相反，PINK1過表達未能恢復由Parkin敲除引起的受損的線粒體自噬，表明Parkin蛋白水平可能是CSE暴露期間PINK1/Parkin介導的線粒體自噬的限速因子。這些結果表明Parkin水平可能通過調控線粒體自噬在COPD發病機制中發揮關鍵作用，即Parkin介導的自噬可能在CSE誘導下削弱細胞衰老和抑制COPD的進展。

然而，Parkin的不斷增加可能同樣導致了COPD的不斷加重。Leermaker等[37]研究發現COPD患者骨骼肌中的線粒體破壞增加，且疾病嚴重程度與線粒體含量損失呈正相關，與此同時，Parkin蛋白和基因表達較高，且表達水平與一秒率呈負相關。表明Parkin的累積導致線粒體不斷受損，導致上皮細胞過量凋亡造成COPD患者病程進展。

PINK1可以調控自噬繼而促進肺上皮細胞壞死凋亡，從而導致COPD的不斷進展。Kyung等[38]通過研究線粒體自噬對CSE暴露的肺支氣管上皮細胞死亡的調控作用發現：PINK1的表達水平在CSE通過誘導線粒體功能障礙的肺支氣管上皮細胞中上調。而羅氟米特通過抑制PINK1的表達可抑制CSE誘導的線粒體功能障礙和自噬，從而保護肺支氣管上皮細胞免受死亡和提高細胞活力。另外，Mizumura等[39]發現與野生型同窩小鼠相比，敲除PINK1基因小鼠在暴露于香煙煙霧時，肺壞死程度減輕，肺泡腔擴大程度降低。而在野生型小鼠中促凋亡神經酰胺在香煙煙霧暴露中增加，然而作為PINK1的上游啟動子，其積累可以導致線粒體進一步損傷和PINK1介導的細胞壞死性凋亡，并且同時抑制了小鼠肺中潛在的肺泡上皮保護性促凋亡神經酰胺蛋白表達。上述研究表明，PINK1的過表達可能是COPD患者的病情進一步加重的潛在因素。總之，線粒體自噬的激活或抑制是否對維持肺上皮細胞功能、延緩細胞衰老和肺氣腫，目前尚無明確觀點，仍需要大量的研究進一步評估其在COPD發展中的雙重調控作用。

3 小結

以PINK1/Parkin為主要調控通路的線粒體自噬對于清除受損或衰老的線粒體、維持線粒體網絡完整及細胞正常功能均有著重要意義，其在COPD的進展過程中既有保護作用，也有損傷作用，但參與其調控過程的相關分子及機制仍不清楚。未來如果能進一步對其適當調控，讓其發揮延緩肺上皮細胞凋亡，減輕肺泡損傷的作用，有望成為COPD治療的新方向。