線粒體自噬在潰瘍性結腸炎中的研究進展

陳丹丹 鐘繼紅*

潰瘍性結腸炎（ulcerative colitis，UC）是一種慢性非特異性腸道疾病，其病變主要累及粘膜層和粘膜下層，呈彌漫性、連續性分布。臨床表現為腹瀉、黏液膿血便、腹痛以及不同程度的全身反應和腸外表現，嚴重影響患者生活質量。UC 發病可能與自身免疫、家族遺傳、環境和腸道微生物等因素有關［1］，但其機制尚不明確。現代醫學治療UC 多使用5-氨基水楊酸制劑（5-ASA）、糖皮質激素、免疫抑制劑以及生物制劑，雖能有效緩解癥狀，改善生活質量，但均存在局限性。近年來，線粒體自噬已成為各個領域的研究熱點，不同通路介導的線粒體自噬參與不同種系、不同組織細胞內的線粒體降解過程，在腫瘤、自身免疫性疾病和心臟病等常見疾病的發生發展中起關鍵調節作用［2-4］。研究表明，線粒體自噬可以對抗UC 的炎癥反應，控制UC 發作［5］。探討線粒體自噬與UC 發生之間的關系，尋找介導UC 線粒體自噬信號通路的藥物來治療UC 是一個具有潛在價值的研究方向。

1 線粒體自噬概述

線粒體是細胞中非常重要的結構，通過氧化磷酸化實現能量轉化，為細胞新陳代謝提供能量，被稱為細胞的“動力工廠”。線粒體參與調控細胞內電解質的平衡、傳導細胞信號、控制ROS 生成、介導細胞凋亡等一系列重要的生理活動。線粒體結構與功能的穩定是細胞維持正常生理活動的前提。自噬是真核生物的一種自我保護機制，常在饑餓、炎癥、損傷、腫瘤等各種壓力下被激活，維持機體內穩態平衡［4］。線粒體自噬是一種專門針對線粒體的自噬反應，有絲分裂的識別和吞噬能夠及時清除受損或過剩的線粒體［5］，維持線粒體質量和數量的穩態對保證人體健康具有重要作用。

2 線粒體自噬的分子機制

2.1 經典的PINK1/Parkin 蛋白介導的線粒體自噬 PINK1 主要存在于線粒體外膜，是一種絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶。Parkin主要存在于細胞質中，是一種E3 泛素酶。在正常線粒體中，PINK1 通過線粒體外膜轉位酶進入線粒體膜腔內，之后與內膜上的復合物相互作用，進一步轉移至線粒體內膜，后迅速被PARL 蛋白降解，維持其低表達水平［6］。線粒體損傷時，內膜電位消失，PINK1 由外向內的轉移受到阻礙，使得PINK1選擇性在受損的線粒體外膜上不斷積聚［7］。膜電位降低的線粒體能夠選擇性募集Parkin，并介導線粒體被自噬體包裹［8］。因此，在PINK1 高表達的線粒體上，Parkin 由胞漿轉移至線粒體內。YOULE 等［9］研究發現，PINK1 聚集在受損的線粒體外膜直接或間接磷酸化Parkin，激活的Parkin 可催化線粒體蛋白發生泛素化，而泛素化的線粒體可以被接頭蛋白P62或選擇性自噬受體識別，進而與自噬囊泡膜上的LC3（自噬相關蛋白）連接。該自噬體再與吞噬膜上酵母自噬蛋白8 家族同源蛋白連接，形成線粒體自噬體，與溶酶體融合，最終導致線粒體自噬的發生［10］。

2.2 BNIP3L（Nix）/BNIP3 介導的線粒體自噬 Nix 是一種線粒體膜表面結合蛋白，即BCL2 連接蛋白BNIP3L。BNIP3、BNIP3L 均屬于具有促凋亡活性的BCL2 家族，特定條件下可誘導細胞死亡，參與誘導自噬作用［11］。Nix 位于線粒體外膜，BNIP3L 降低與線粒體自噬降低存在潛在聯系［12］。NOVAK等［13］研究發現，網織紅細胞內線粒體的降解受到 Nix 的介導與調控，Nix 可與LC3 蛋白結合，將LC3 募集到受損的線粒體表面，進而引起線粒體自噬。因此，推測Nix 可能作為直接蛋白受體參與自噬通路，介導線粒體自噬。另外，KANG等［14］發現在哺乳動物體中，Nix 還存在同源蛋白BNIP3，兩者在結構上具有很高的同源性。有實驗證明BNIP3 也是線粒體自噬過程中的重要蛋白通路，但目前關于BNIP3 的研究并不多，其調控線粒體發生的機制仍尚不清楚。

2.3 FUNDC1 介導的線粒體自噬 FUNDC1 定位于線粒體外膜，是一種線粒體自噬受體，缺氧時可激活線粒體自噬，其中一段LIR 結構域可與LC3 蛋白直接結合介導線粒體自噬［15］。研究表明，在缺氧條件下蛋白激酶Scr 失活，磷酸化LIR 結構域的Thy18 位點的作用消失，可增強FUNDC1 與LC3 的結合，從而誘導線粒體自噬［16］。另外，還有AMPK 途徑、ULK1途徑、HMGB1 途徑等［17］，不同信號通路介導的線粒體自噬，共同參與維持線粒體結構與功能的穩態，對人體正常生理活動具有重要意義。

3 線粒體自噬與潰瘍性結腸炎

ATG-16L1 等多種自噬蛋白能夠影響UC 發生是UC 的易患基因。當ATG-16L1 低表達時，線粒體自噬現象減少，抑制炎癥體的活性能力降低，進而誘導IL-1β 和IL-18 表達增加，引發消化道慢性炎癥，最終導致UC 發生。綜前所述，線粒體自噬功能降低可能是UC 發生的重要機制之一，線粒體自噬活動的減少參與了UC 的發生和復發。在ATG-16L1 缺失的情況下，潰瘍性結腸炎感染的幾率增加，可能與線粒體的結構與功能改變有關。另一項揭示SMURF1 基因的單核苷酸多態性與IBD 關系的研究發現，線粒體自噬涉及UC 的發病機制。

3.1 PINK1/Parkin 蛋白介導的線粒體自噬與UC 的發生 張盼等［18］研究發現，UC 患者結腸黏膜中線粒體的形態與結構被破壞，利用透射電鏡檢測到了線粒體自噬現象，采用免疫組化技術和蛋白質印跡法觀察不同分組患者的PINK1 及Parkin含量，結果顯示UC 各組PINK1 及Parkin 的表達均較對照組增加，表明線粒體自噬參與了UC 的發生，PINK1/Parkin 信號通路介導的線粒體自噬在UC 的發生發展過程中發揮著重要作用。因此，UC 患者增加PINK1、Parkin 的表達促進線粒體自噬，可能有利于疾病的治療和緩解期的維持，提供新的治療方向。MAI 等［19］研究證實，巴馬亭改善UC 的作用與抑制NLRP3 炎癥小體活化有關，后續實驗表明巴馬亭增強細胞中PINK1 與Parkin 蛋白的表達，促進PINK1 和Parkin 在線粒體中的集聚，并且誘導與溶酶體的結合從而發生自噬。說明在NLRP3 炎癥小體活化的前提下，巴馬亭能夠促進巨噬細胞PINK1/Parkin 信號通路介導的線粒體自噬。由此推測，巴馬亭促進PINK1/Parkin 信號通路介導的線粒體自噬與抑制NLRP3炎癥小體活化的作用有關。進一步實驗驗證，當線粒體自噬被CsA 抑制且PINK1 蛋白表達被沉默后，巴馬亭抑制NLRP3炎癥小體活化的作用也會相對性減弱，表明巴馬亭改善UC 是通過促進PINK1/Parkin 信號通路介導的線粒體自噬，并發揮抑制NLRP3 炎癥小體活化作用。

3.2 BNIP3L（Nix）/BNIP3 介導的線粒體自噬與UC 的發生 VINCENT 等［20］探討Nix 介導的有絲分裂吞噬在小鼠結腸炎過程中的機制時發現，結腸上皮線粒體變形非常接近自噬結構，DSS 處理過的小鼠其Nix 基因的表達水平與對照組比較均有所增加，細胞裂解產物中自噬標記物LC3 也有增加，此外還在DSS 處理過小鼠的線粒體中發現Nix 和Drp1 蛋白（一個線粒體分裂的標準標記物）與對照組相比增加。上述發現表明，在小鼠結腸炎期間，腸上皮內線粒體分裂和Nix 介導的有絲分裂均上調。利用免疫熒光技術，發現Nix 與線粒體細胞色素c 氧化酶、第四亞單位（Coxiv）蛋白共定位于腸上皮細胞，表明UC 小鼠腸上皮中Nix 介導的有絲分裂吞噬成分增加，并且以線粒體為靶點。此外，該實驗還證明了Nix 的表達部分由HIF1α 激活，MtROS 清除劑MitoTEMPO 可以改善小鼠直結腸炎期間HIF1α 和Nix 的表達，提示mtROS 可能對HIF1α 的穩定和隨后的Nix 在腸道炎癥期間的轉錄起關鍵作用。筆者認為，MtROS 激活HIF1α 從而引起Nix 介導的線粒體自噬可能是人類IBD 的一個可能治療靶點，在未來的研究中幫助細胞去除功能障礙的線粒體可能為人類IBD 提供一種理想的策略。李一芳等［21］通過探討地馬煎劑對潰瘍性結腸炎大鼠腸上皮細胞 BNIP3 與mRNA 的影響，觀察到使用地馬煎劑后的UC 大鼠相較于空白組，腸上皮細胞BNIP3 的表達明顯提高，結腸上皮細胞線粒體自噬水平活躍，病理黏膜組織炎癥呈修復狀態，地馬煎劑中、高劑量組對 BNIP3 的調節水平相較于低劑量組更加顯著，結果表明BNIP3 蛋白有促進炎癥修復、保護腸上皮細胞的作用。而已有很多研究表明，BNIP3 是線粒體自噬激活通路中的關鍵蛋白。因此，BNIP3 對抗UC 炎癥的作用機制可能是通過激活蛋白通路、促進線粒體自噬實現的，且在促進自噬和提高腸上皮抗炎作用中發揮正向調節作用。

3.3 AMPK 途徑介導的線粒體自噬與UC 的發生 LIU 等［22］實驗證實，人參皂甙Rd 通過促進AMPK-ULK1-P62 軸誘發驅動吞噬細胞介導的NLRP3 炎癥體失活，RD 驅動的p62 介導的有絲分裂吞噬不僅能限制受損的線粒體，而且還能中和炎癥小體中的NLRP3，減少巨噬細胞分泌IL-1β，從而抑制右旋糖酐硫酸鈉誘導的小鼠實驗性結腸炎，提示AMPK-ULK1-P62路徑通過促進自噬的過程在Rd 誘導的NLRP3 炎性小體失活中起著至關重要的作用，Rd 誘導的AMPK 路徑可能與誘發線粒體自噬、改善潰瘍性結腸炎關系密切。DI FUSCO 等［23］探究二甲雙胍是否具有對抗腸道炎癥及其機制的實驗發現，二甲雙胍可有效減輕DSS 驅動的結腸炎，進一步實驗發現二甲雙胍組小鼠結腸樣本顯示IL-6RNA 表達降低，流式細胞儀分析顯示二甲雙胍降低了CD11c/IL-6 產生細胞的百分率，免疫組織化學分析證實了這些數據，并顯示二甲雙胍增加了上皮和固有板室內活性AMPK 的表達。因此，該實驗明確二甲雙胍可以改善小鼠腸道炎癥，且AMPK 活化在二甲雙胍處理的細胞中發生磷酸化，被認為介導了二甲雙胍的生物學功能。EGAN 等［24］研究證實，二甲雙胍可通過激活AMPK 來誘發線粒體自噬。至于二甲雙胍介導的AMPK 改善潰瘍性結腸炎是否與線粒體自噬有關，還待進一步研究。

3.4 Nur77-TRAF2-p62/SQSTM1 途徑介導的線粒體自噬與UC 的發生 關于線粒體自噬信號通路的研究仍在繼續開展。HU 等［25］實驗發現了一條新的線粒體自噬通路，即Nur77 在雷公藤紅素的誘導下激活Nur77-TRAF2 通路。Nur77，又稱NR4A1 和TR3，是一種由立早基因NR4A1 編碼的蛋白，也是核受體家族的重要成員之一［26］，因其尚未在人體內發現配對的受體，也被稱為“孤兒受體”。孤兒受體Nur77/NR4A1在TNF-α、脂多糖等刺激作用下可調節巨噬細胞的增殖、凋亡、炎癥和線粒體自噬［27］。HU 等［25］的實驗還證實了雷公藤紅素能誘導Nur77 與腫瘤壞死因子受體相關因子2（TRAF2）相互結合從而發生作用，并使Nur77 發生泛素化。泛素化的Nur77 被接頭蛋白P62/SQSTM1（一種與細胞信號轉導、氧化應激和自噬有關的泛素結合蛋白）所識別，從而與自噬囊泡膜上的LC3 相連接，進一步與溶酶體融合，最終導致線粒體自噬的發生。目前有實驗證實，線粒體自噬可以導致mtROS的減少，抑制NLRP3 的增加，而NLRP3 是公認的介導炎癥的重要介質，以此達到抗炎的目的。HU 等的實驗揭示了雷公藤紅素介導Nur77 誘導線粒體自噬來清除損傷的線粒體并抑制炎癥的發生，對于理解自噬與炎癥的關系具有重要意義，同時為研究自噬調控炎癥反應提供了一種新的思路。筆者推想，Nur77 引發的線粒體自噬或許能夠抑制UC 的發生，但目前此途徑引起的線粒體自噬尚未在潰瘍性結腸炎相關研究中取得進展，有待進一步探索。

4 小結與展望

線粒體自噬是一種高度選擇性自噬，通過清除受損線粒體維持細胞功能穩定，涉及多種疾病，但具體機制尚不明確，目前已成為生物細胞領域的研究熱點。線粒體自噬，是受損線粒體通過自噬小體在溶酶體內降解，受損線粒體數量減少，mtROS 及mtDNA 的產生受到抑制，從而NLRP3 炎癥小體激活被抑制［28］，IL-1、IL-6 等炎癥因子的釋放減少［29］。部分IBD 患者結腸病理中可見線粒體形態改變、膜電位降低、ROS產生增加，線粒體自噬機制遭到破壞［30］。筆者推測，線粒體自噬抑制mtROS 和mtDNA 分泌，減少炎癥小體激活及炎性介質的分泌，其功能異常在UC 發病中起重要作用。目前已知UC 中線粒體自噬介導的信號通路有PINK1/Parkin、BNIP3L/BNIP3、AMPK 和Nur77 等，這些信號通路之間是否還存在某種相互作用或關系尚不明確，下一步研究將致力于尋找線粒體自噬抑制腸道炎癥的理論依據及UC 的潛在治療靶點，為UC 的臨床干預提供精準方向。