線粒體質量控制體系在慢性阻塞性肺疾病發病機制中的作用

王素文 王炯 李鋒

1安徽醫科大學第一附屬醫院老年呼吸科,合肥230022;2上海市胸科醫院 上海交通大學附屬胸科醫院呼吸與危重醫學科200030

COPD是一種慢性炎癥性氣道疾病,以呼出氣流受限為特征,具有高發病率和高病死率。吸煙是COPD最重要的危險因素,其他的危險因素包括空氣污染、生物燃料、社會經濟狀況、基因遺傳等。目前我國約有1億COPD患者,約占全世界病例總數的25%[1]。當前,COPD的治療方法主要是對癥治療,缺乏有效的根本性治療措施[2]。線粒體是細胞內具有雙層膜結構的細胞器,其功能包括合成能量即三磷酸腺苷、產生活性氧(reactive oxygen species,ROS),以及調控鈣信號轉導、程序性細胞死亡等。線粒體功能障礙影響氣道收縮、基因表達、氧化應激、細胞增殖、凋亡和代謝,以及免疫和炎癥反應,這些都與氣道疾病的發病機制有關[3]。線粒體質量系統包括線粒體生成、線粒體動力學(融合/分裂)、線粒體自噬等。越來越多的研究表明,線粒體質量控制與COPD的發生、發展密切相關。本文針對線粒體質量控制在COPD發病機制中的作用以及相關治療靶點在COPD治療中的作用進行概述。

1 線粒體質量控制體系

上世紀70年代Jaime Miquel提出線粒體衰老理論,人們開始認識到線粒體是機體衰老的最重要的細胞器,因為線粒體既是細胞內自由基的靶標又是自由基的來源[4]。線粒體穩態(指數量、質量和功能等的穩態)的維持依賴于線粒體質量控制系統。線粒體生成(或稱線粒體生物發生)是指新的線粒體的產生,主要是受過氧化物酶體增殖物激活受體-γ共激活因子1α(peroxisome proliferator-activated receptorγcoactivator-1α,PGC-1α)控制的高度調控的細胞過程[5]。同時,線粒體是一個動態細胞器,通過不斷的融合/分裂來改變其形狀。當線粒體受到刺激時,線粒體可以通過諸如線粒體融合蛋白(mitofusin 1/2,MFN1/2)和視神經萎縮蛋白1(optic atrophy 1,OPA1)等線粒體融合蛋白進行融合(通過與其他線粒體結合而擴大),或者通過諸如發動蛋白相關蛋白1(dynamin-related protein 1,DRP1)、線粒體分離蛋白1(fission1,FIS1)、線粒體分離因子(mitochondrial fission factor,MFF)等線粒體分裂蛋白進行分裂,即線粒體一分為二。另外,線粒體還通過線粒體自噬在溶酶體中選擇性地降解受損的線粒體[6]。如果外界應激刺激嚴重且持續時間較長,或者線粒體質量控制系統失調,那么,這些適應性反應會失去作用,影響線粒體的穩態,進而影響細胞命運[7]。

1.1 線粒體生成 在線粒體生成過程中最主要調節蛋白是PGC-1α,其表達和活性受到多種途徑進行調節,包括酪氨酸激酶受體、G蛋白耦聯受體、利鈉肽受體和一氧化氮合酶,這些途徑均通過環磷酸鳥苷、AMP激活的蛋白激酶的激活和沉默信息調節因子2配對型同源酶1(silent mating type information regulation 2 homolog 1,sirtuin1,SIRT1)

介導的脫乙酰作用[6]。核呼吸因子1(nuclar respiratory factor-1,NRF1)和NRF2可調節由核基因組編碼的電子轉移鏈亞基的表達,并可與線粒體DNA(mitochondrial DNA,mtDNA)轉錄有關基因的啟動子進行結合。其中,NRF1調節線粒體轉錄因子A(mitochondrial transcription factor A,TFAM)的表達,NRF2調節線粒體酶表達,如線粒體外膜轉位酶。當線粒體生成時,PGC-1α活化,導致線粒體NRF1的激活以及隨后TFAM合成的增加,mtDNA復制增加,線粒體數量增加。近年來,關于NRF2/抗氧化反應元件(antioxidant response element,ARE)信號轉導在調節線粒體生成的相關研究日益增多。NRF2定位于細胞質,在無活化時與Kelch樣環氧氯丙烷相關蛋白1結合并被26S蛋白酶體降解。在受到ROS尤其是過氧化氫的刺激時,NRF2被激活,隨即與Kelch樣環氧氯丙烷相關蛋白1解離,游離的NRF2易位至細胞核,與小蛋白Maf形成異源二聚體,隨之與ARE結合,或者激活NRF1,進而激活TFAM,介導mtDNA復制[8]。

1.2 線粒體動力學 線粒體融合借助于動力蛋白超家族的三磷酸鳥苷水解酶,即MFN1/2和OPA1,前者促進線粒體外膜融合,后者促進線粒體內膜的融合。近期有研究表明,線粒體磷脂酶D和米托菲林也具有促線粒體融合的活性[9]。當線粒體融合蛋白缺失時,線粒體呈片段化[10]。線粒體分裂由DRP1、FIS1、MFF等蛋白介導。其中,DRP1屬于三磷酸鳥苷水解酶,DRP1通過磷酸化、泛素化和S-亞硝基化進行翻譯后調控。蛋白激酶C同工型δ在DRP1的Ser616位點的磷酸化具有激活DRP1的功能,而蛋白激酶A在DRP1的Ser637位點的磷酸化具有抑制DRP1的功能[11]。DRP1從胞質轉移到線粒體是線粒體分裂的關鍵,DRP1缺失導致線粒體呈過度融合狀[7]。DRP1活化后在靶點部位形成螺旋式多聚物,在內質網、肌動蛋白絲協同作用下,將線粒體一分為二[12-13]。在輕度刺激下,線粒體通過融合而整合部分受損的線粒體,以維持線粒體DNA完整、維持能量代謝;在劇烈刺激下,線粒體通過分裂將受損的線粒體經后續的線粒體自噬過程給予清除。

1.3 線粒體自噬 線粒體自噬是一種高度保守的機制,可以選擇性地將線粒體在溶酶體內進行降解,在線粒體質量控制中占有重要作用。已知的線粒體自噬有兩種機制:一種是PTEN誘導的激酶1(PTEN induced putative kinase 1,PINK1)-Parkin介導的線粒體自噬,另一種是受體介導的線粒體自噬。PINK1是位于線粒體的絲氨酸/蘇氨酸激酶,Parkin是一種E3泛素連接酶,由PARK2基因編碼,位于細胞質中。正常情況下,PINK1會被線粒體蛋白酶早老素相關菱形樣蛋白處理并降解。線粒體外膜轉位酶7和PGAM家族成員5,可使線粒體外膜上PINK1蛋白免受降解[14]。在應激狀態下,線粒體膜去極化導致PINK1在線粒體外膜上穩定,將胞質中Parkin募集到線粒體介導線粒體自噬。Parkin介導線粒體底物的泛素化,包括MFNs、B淋巴細胞瘤2和電壓依賴性陰離子通道,而平臺蛋白如sequestosome 1(SQSTM1/p62)等介導泛素化的線粒體底物與微管相關蛋白1輕鏈3(microtubule associated protein 1 light chain 3,LC3)相結合從而形成自噬體,最終被自噬溶酶體吞噬、降解[15]。在哺乳動物中LC3-Ⅰ(未結合的胞質形式)到LC3-Ⅱ(自噬體膜相關的磷脂酰乙醇胺結合形式)的轉化是自噬體形成的標志[16]。位于線粒體外膜上的蛋白質包括Nix和FUN14區包含1(FUN14 domain containing 1,FUNDC1)是介導線粒體自噬的受體,直接與LC3結合,將受損的線粒體形成自噬體進而降解。其中,Nix是B淋巴細胞瘤2家族蛋白僅有的BH3結構域子家族的成員,參與線粒體自噬和細胞死亡。Nix參與程序化的線粒體清除,以確保紅細胞成熟期間的線粒體質量。也有報道稱依賴Nix的線粒體自噬對于視網膜神經節細胞和促炎性巨噬細胞的分化至關重要[17]。

2 線粒體質量控制體系與COPD的發生

線粒體質量控制是復雜精細的過程,在線粒體生成、線粒體分裂/融合、線粒體自噬任何過程中出現異常均會導致COPD的發生、發展。

2.1 線粒體生成與COPD 與對照組相比,COPD患者的成纖維細胞非衰老表型中NRF1和PGC-1α的m RNA表達明顯升高,而在衰老表型中這種差異并不明顯[18]。與健康對照組相比,終末期COPD患者PGC-1α的m RNA水平下降,TNF-α升高[19]。與健康吸煙者組和健康無吸煙者組相比,COPD患者外周血白細胞mtDNA顯著減少[20]。在COPD患者隨訪中,肺功能逐漸下降,NRF2的表達與肺功能呈正相關,對照組在隨訪過程中NRF2水平無明顯變化[21]。可見,COPD患者的線粒體生成存在不同的研究結果。在一定程度的損傷時,線粒體生成適應性增加以緩解細胞損傷程度,而在長時間或嚴重損傷時,線粒體生成下降。

2.2 線粒體動力學與COPD 低濃度的煙草提取物(cigarette smoke extract,CSE)介導小鼠肺上皮細胞、小鼠肺泡上皮細胞出現線粒體延長、過度融合,MFN2蛋白表達增加,線粒體活性增加[22]。與對照組相比,COPD患者的原代支氣管上皮細胞的線粒體腫脹,且呈片段化。有研究表明,DRP1敲低可抑制CSE暴露的平滑肌細胞中線粒體ROS的產生,而MFN2敲低可促進線粒體ROS水平升高[23]。敲除線粒體融合蛋白MFN1、MFN2、OPA1,導致線粒體片段化、細胞衰老增加。線粒體抗氧化劑Mito-TEMPO減少線粒體碎片化和細胞衰老[24]。當CSE與氣道上皮細胞長期(3個月)共培養時,低濃度CSE介導Beas-2B細胞的線粒體延長、融合,高濃度CSE引起線粒體片段化,OPA1 m RNA表達增加,線粒體OXPHOS能力增加[25]。低濃度CSE與原代肺上皮細胞(SAEC、NHBE)共培養時,誘導DRP1表達增加,MFN2表達降低[26]。本課題組既往利用10%CSE與氣道上皮細胞共培養建立氣道上皮細胞損傷模型,我們發現,CSE暴露增加DRP1、MFF的蛋白表達,同時降低OPA1和MFN2的蛋白表達[27]。這一研究結果與他人的研究結果相類似[28]。采用反復、間斷臭氧暴露6周(濃度2.5 ppm,3 h/次,每周2次)建立小鼠COPD模型,結果發現,臭氧暴露小鼠的肺組織內DRP1和MFF的蛋白表達增加,OPA1和MFN2的蛋白表達降低[29]。可見,氣道上皮細胞的線粒體動力學(融合/分裂)失平衡在COPD的發病過程中具有一定的作用。

2.3 線粒體自噬與COPD 當CSE與肺成纖維細胞、小氣道上皮細胞共培養時,CSE介導線粒體自噬受損,Parkin轉位到受損的線粒體降低,導致受損的線粒體增多,線粒體ROS增加,細胞衰老[30]。CSE可誘導人支氣管上皮細胞的ROS生成增多,細胞衰老,線粒體自噬增多,敲低PARK2基因,會導致線粒體ROS增多,細胞衰老加重。同時,COPD患者的肺組織內PARK2下降且與肺功能下降有關,這說明,PARK2介導的線粒體自噬不足在COPD的發病過程中具有重要的作用。增強或恢復PARK2介導的線粒體自噬可以延緩衰老,抑制COPD的發生、發展[15,31]。相反的是,也有研究認為,CSE誘導氣道上皮細胞的DRP1發生磷酸化,同時PINK1蛋白表達增加。COPD患者肺組織的DRP1、PINK1表達增加。PINK1-/-小鼠在受到煙草暴露時,不出現肺氣腫及線粒體功能異常。這說明,PINK1介導的線粒體自噬是有害的[32]。煙草暴露小鼠模型中LC3B或PINK1基因缺陷可降低上皮細胞凋亡及壞死,減輕肺氣腫及氣道功能障礙[33]。除了經典的PINK1/PARK2途徑之外,其他途徑如Nix/BINP3L也參與CSE誘導的氣道上皮損傷[34]。在COPD患者中,Nix/BINP3L表達水平隨著疾病嚴重程度的增加而增加[35]。FUNDC1在CSE刺激的Beas2b細胞中表達增加,敲除FUNDC1基因,肺上皮細胞中炎癥減弱,COPD模型小鼠的肺功能也得到改善[36]。這些不同的研究結果可能與不同的細胞類型、缺乏理想的線粒體自噬增強劑/抑制劑等有關。同時,這些研究結果也表明,線粒體自噬可能是一把雙刃劍,可能處于動態調控,在COPD的不同發病階段具有不同的作用。

3 調控線粒體質量控制體系與COPD的治療

3.1 調控線粒體生成與COPD的治療 氨茶堿是COPD的常用治療藥物,在人肺支氣管上皮細胞中給予氨茶堿可增加線粒體呼吸速率和三磷酸腺苷的產生,同時可增加PGC-1α、NRF1和TFAM的表達水平[37]。白藜蘆醇是多酚類抗氧化素的一種,主要存在于葡萄、莓果、花生等果實中,是植物分泌的抗病毒素,具有抗氧化和抗炎特性。白藜蘆醇可通過多種途徑發揮其作用,最主要的是可直接激活SIRT1,或通過AMP激活的蛋白激酶間接激活SIRT1,SIRT1可以激活PGC-1α促進線粒體生成,其次,白藜蘆醇通過調節NRF2發揮抗氧化作用[38]。當白藜蘆醇應用于COPD大鼠模型時,小氣道炎癥和氣道重塑減弱,炎癥因子IL-6和IL-8下降,超氧化物歧化酶增高,同時,大鼠肺組織中SIRT1和PGC-1α升高[39]。另一種抗氧化劑姜黃素應用于COPD小鼠模型時,氣道炎癥、肺氣腫癥狀緩解,骨骼肌細胞中線粒體損傷緩解,炎癥因子IL-6和TNF-α下降,PGC-1α和SIRT3的m RNA和蛋白水平上調[40]。在細胞模型中,新型復合抗氧化藥物(React-On)作用于CSE誘導的人支氣管上皮細胞,炎癥因子IL-1β、IL-6、TNF-α水平下降,PGC-1α水平增高[41]。以上研究表明抗氧化型藥物無論是在體外還是體內實驗在COPD模型中都提高線粒體生成,以及恢復肺功能減輕氣道炎癥。此外,ZLN005,一種新型的選擇性PGC-1α轉錄調節物,可保護視網膜色素上皮細胞免受氧化應激損傷,可使PGC-1α以及相關的轉錄因子、抗氧化酶和線粒體基因上調,提高線粒體功能和細胞活性。而在PGC-1α沉默時,ZLN005對細胞的保護作用消失[42]。ZLN005對細胞的保護作用對COPD的治療提供新思路。

3.2 調控線粒體動力學與COPD的治療 Mdivi-1是DRP1最常用的抑制劑,可降低炎癥因子水平,提高細胞活力[43]。在CSE誘導的Beas2b細胞損傷模型中,Mdivi-1抑制線粒體碎片化、提高線粒體膜電位、抑制線粒體自噬,而且,Mdivi-1可以在一定程度上保護煙草暴露誘導的小鼠氣道上皮黏膜清除功能障礙[31]。肺上皮細胞組織蛋白酶E(Cat E)過度表達的小鼠(iCat E Tg+小鼠)自發產生肺氣腫,Drp-1表達增加,而應用Drp-1抑制劑Mdivi-1可以抑制肺氣腫的形成[44]。如前所述,胞質DRP1需要配體MFF和FIS1才能發揮線粒體分裂的作用,新型的選擇性肽抑制劑P110可通過此過程抑制線粒體分裂,降低DRP1酶的活性,并能夠阻止DRP1/FIS1在神經元中的相互作用[45]。

3.3 調控線粒體自噬與COPD的治療 抗氧化物槲皮素可抑制CSE誘導的Beas2b細胞pDRP-1和PINK1表達,抑制線粒體功能障礙和線粒體自噬,抑制細胞凋亡相關蛋白caspase-3、caspase-8和caspase-9的表達[28]。新型COPD治療藥物羅氟司特是磷酸二酯酶4抑制劑,通過抑制CSE誘導的Beas2b細胞p-DRP1和PINK1的表達水平以抑制線粒體功能障礙和線粒體自噬,提高細胞活力。

綜上所述,線粒體質量控制體系參與COPD的病理生理過程,如氣道炎癥、氧化應激、肺功能損傷等。越來越多的研究揭示出線粒體質量控制體系在COPD發病機制中的重要作用。研究表明,現有的COPD治療藥物有一定的促進線粒體生成、維持線粒體動力學平衡、調控線粒體自噬,從而維持線粒體穩態。一些調控線粒體質量控制的靶點藥物在體外和體內實驗均表現出一定的抗炎、抗氧化作用,這為COPD的預防、治療提供了新的思路與靶點。考慮到肺部眾多的結構細胞和炎癥細胞,生物學特性差異巨大,在COPD病理生理過程中的作用迥異。因此,需要首先確定特異性的靶向細胞類型(目前研究最多的是氣道上皮細胞),再針對性地采用靶點藥物調控線粒體質量控制系統才能更好地發揮作用。

利益沖突 所有作者均聲明不存在利益沖突