線粒體自噬信號通路與神經退行性疾病

唐 悅 曾常茜

（大連大學醫學院 遼寧大連 116622）

神經退行性疾病是神經元結構或功能逐漸喪失甚至死亡而導致功能障礙的一類疾病，其特征是漸進性和進行性的神經元丟失和神經功能衰退。隨著時間的推移，神經退行性疾病逐漸惡化，出現認知和行為功能障礙，嚴重損害患者的生活質量[1]。神經退行性疾病主要包括帕金森病、阿爾茲海默病、腦缺血再灌注等，其神經元死亡機制尚未完全清楚，早期診斷困難，仍缺乏有效的治療措施。線粒體功能障礙是神經退行性疾病的常見原因。近期研究表明，線粒體自噬（mitophagy）障礙可引起損傷線粒體的過度累積，造成神經元損傷，促進神經退行性疾病的發生和發展[2-4]。本文主要對Parkin/PINK1、NIX/BNIP3L、FUNDC1介導線粒體自噬途徑在神經退行性疾病過程中的作用進行綜述，以期闡明其在神經退行性疾病中的機制，為神經退行性疾病的診斷治療奠定基礎。

一、線粒體自噬概述

線粒體自噬即細胞經過自噬過程，靶向選擇降解受損的或不需要的線粒體。適量的線粒體自噬會調節線粒體數量，維持細胞健康。若線粒體自噬機制出現障礙，會使線粒體的功能下降，導致細胞發生病變或引起某些疾病的發生[4]。在哺乳動物體內，線粒體自噬主要包括兩種，一種是PTEN誘導假定激酶1（PINK1）-Parkin依賴性線粒體自噬；另一種是PINK1-Parkin非依賴性線粒體自噬，主要包括FUNDC1誘導的線粒體自噬和Bnip3L/NIX介導的線粒體自噬[5]。

二、線粒體自噬信號通路與神經退行性疾病

（一）PINK1和Parkin介導的線粒體自噬與神經退行性疾病

PINK1、Parkin及泛素在PINK1-Parkin依賴性線粒體自噬中具有重要作用。線粒體膜電位發生破壞，會導致PINK1在線粒體外膜上累積。正常情況下，Parkin通過自身機制處于抑制狀態，當線粒體損傷后，其構象發生變化，轉化為有活性的E3泛素連接酶。PINK1主要通過兩種方式參與線粒體自噬，一種為PINK1介導Parkin的磷酸化，Parkin的Ubl氨基酸序列約有30%與泛素相同、50%與泛素相似，并且Ubl與泛素中的Ser65相同，PINK1磷酸化Ser65，產生pSer65-Parkin[6]；另一種，PINK1中的Ser202和Ser204可以自動磷酸化并形成插入構象，區別于其他的蛋白激酶，從而識別泛素。PINK1與泛素結合后，形成獨特的C端回縮構象，使得Ser65更以磷酸化，產生pSer65-Ub[7]。pSer65-Parkin和pSer65-Ub結合增強泛素鏈的活性，使其能夠迅速包圍損傷線粒體，介導線粒體泛素化。綜上，線粒體損傷后，PINK1在線粒體外膜上積累，介導Parkin以及泛素磷酸化。在正反饋作用下，線粒體發生泛素化，并募集自噬受體至線粒體外膜與溶酶體結合，導致自噬體內容物發生降解。

1.PINK1、Parkin介導的線粒體自噬與帕金森

帕金森（Parkinson's disease，PD），是人類第二常見的慢性神經退行性疾病，通常認為是由于多巴胺神經元的丟失、變性以及由α-突觸核蛋白構成的路易小體在多巴胺神經元內聚集導致，主要表現為靜止性震顫、僵硬、運動遲緩和特征性步態不穩。

Parkin是第一個被發現與少年型PD有關的基因，PINK1基因中有40多個突變體與PD常染色體隱性遺傳關系密切。PINK1和Parkin基因表達產物均具有神經保護作用。Parkin可以調節多巴胺轉運體（Dopamine transporter，DAT）在質膜中的表達[3]。由FBXO7和Parkin蛋白構成泛素蛋白酶體系統（Ubiquitin-proteasome system，UPS），其突變會影響多巴胺神經元的變性[8]。UPS可降解α-突觸核蛋白（α-syn），UPS功能異常會導致錯誤或過量的α-syn在多巴胺神經元內聚集，造成多巴胺神經元壞死。α-syn的過度聚集也會損傷UPS的功能，PINK1的消耗也可以加劇α-syn的聚集。在以人神經母細胞瘤SH-SY5Y細胞建立的PD中，PINK1/Parkin介導的線粒體自噬激活后，自噬蛋白P62含量和轉錄因子TFEB表達增加，促進線粒體生物發生調節因子PGC-1αmRNA水平增加。因此，PINK1可保護SH-SY5Y細胞免受應激導致的線粒體功能障礙[9]。但也有研究發現，通過自噬機制激活Parkin和PINK1可以增強損傷線粒體上的泛素信號。不論是通過建立靶向線粒體泛素鏈還是化學引起線粒體泛素化，都足以誘導線粒體自噬。Parkin和PINK1對于損傷線粒體泛素化是必要的，但對線粒體自噬激活本身是不必要的[10]。

2.PINK1、Parkin介導的線粒體自噬與阿爾茲海默病

阿爾茲海默病（Alzheimer's disease，AD）是一種原因不明的不可逆的原發性退行性腦部病變，主要表現為進行性認知功能障礙和行為損害[11，12，13]。

線粒體自噬是AD發生的重要機制之一，其功能異常可引起Aβ和Tau的積累，導致AD的記憶障礙。缺乏PINK1基因的小鼠Aβ累積增加，PINK1基因治療可恢復PINK1介導的線粒體自噬功能。在一種新被發現的機制中，PINK1依賴性信號可通過激活自噬受體OPTN或NDP52，修復Aβ介導的線粒體功能障礙[14]。在Aβ25-32誘導的AD大鼠中，敲除PINK1后，部分線粒體自噬受到抑制，Aβ25-35累積加重細胞損傷[15]。研究發現，2，3，5，4-四羥基二苯乙烯-2-osend-葡糖苷（TSG）可通過PINK1/Parkin依賴性增強線粒體自噬作用，抑制線粒體自噬誘導的炎癥反應[16]。

3.PINK1、Parkin介導的線粒體自噬與其他神經退行性疾病

神經保護是減少腦缺血損傷的一種常見策略。當細胞處于缺血等應激狀態下，自噬增強，強烈應激狀態會導致過度自噬。Parkin介導線粒體自噬參與遠端缺血后處理的腦保護作用，可及時清除受損的線粒體，降低腦損傷[17]。在腦缺血-再灌注（Cerebral ischemia-reperfusion，I/R）大鼠體中，PINK1/ parkin介導的線粒體自噬在低體溫緩慢恢復的過程中激活，在快速恢復體溫過程中被抑制。治療性低溫（TH）可以激活線粒體自噬，減少神經凋亡[2]。木偶素誘導PINK1/Parkin介導的線粒體自噬，改善氧化應激引起的線粒體功能障礙[18]。黃芩苷可調控Parkin/PINK1介導的線粒體自噬，減輕神經元細胞缺血缺氧再灌注損傷，顯示出神經保護作用[19]。

（二）NIX（BNIP3L）介導的線粒體自噬與神經退行性疾病

線粒體蛋白Nix（又稱BNIP3L）是一種選擇性自噬受體，NIX/BNIP3L介導的線粒體自噬主要有三種形式：1.NIX參與由Parkin介導的線粒體自噬，如NIX的過高或過低表達均會引起線粒體膜電位的降低。NIX可以促進Parkin轉運至線粒體，Parkin也可引起NIX泛素化，與PD的發生相關；2.作為一種自噬受體蛋白，NIX招募Atg8家族成員至損傷的線粒體處，誘導線粒體自噬；3.NIX作為Bcl-2家族成員，與自噬泡中參與蛋白與Beclin-1結合，誘導線粒體自噬。有研究證明NIX是網織紅細胞終末分化過程中選擇性去除線粒體所必需的，在紅細胞生長發育過程中非常重要[4]。

1.NIX（BNIP3L）介導的線粒體自噬與缺血性腦損傷

線粒體蛋白Nix/BNIP3L又稱為促凋亡蛋白，參與腦出血后神經元凋亡，對缺血性腦損傷有絲分裂有保護作用。在蛛網膜下腔出血（Subarachnoid hemorrhage，SAH）大鼠中，NIX在SAH神經元中的表達上調，其介導的線粒體自噬水平增加，減少凋亡神經元。

NIX/Bnip3l是缺氧誘導因子-1a（Hypoxia inducible factor-1a，HIF-1a）的靶基因[7]。在與Parkin共同作用時，BNIP3L通常形成二聚體具有較高的招募自噬體的能力。若BNIP3L關鍵跨膜殘基氨基酸發生替換，則會導致二聚體消失，使LC3A-BNIP3L的識別率下降。再灌注造血損傷可抑制NIX的表達，HIF-1a可誘導BNIP3L和NIX的上調。HIF-1a可通過BNIP3和NIX依賴性，增加自噬細胞存活，減少細胞凋亡，改善IR的腦損傷。在山茱萸環烯醚萜苷（CIG）給藥后可顯著改善NIX蛋白的異常表達，CIG通過激活線粒體自噬，促進線粒體分裂融合，增加線粒體生物合成等過程，減輕線粒體損傷，保護神經元。

2.NIX（BNIP3L）介導的線粒體自噬與帕金森

線粒體功能障礙在PD中起重要作用。BNIP3L/Nix是一種線粒體外膜蛋白，其作用于PINK1/PARK2通路下游。BNIP3L是PARK2的底物，可驅動PARK2介導的線粒體自噬。PARK2對BNIP3L的泛素化作用可使NBR1（Neighbor of BRCA1 gene 1）重新進入線粒體，降解靶向線粒體。在PD果蠅中，BNIP3L可修復PINK1突變的果蠅線粒體缺陷，并且BNIP3L誘導的線粒體清除依賴于PARK2的存在。在MPTP誘導的PD小鼠中，靈芝提取物（Ganoderma lucidum extract，GLE）可抑制MPP+誘導的NIX/BNIP3L表達的下降。因此，Nix可作為PD神經保護的靶點。

（三）FUNDC1介導的線粒體自噬與神經退行性疾病

在哺乳動物細胞中，Fun14結構域蛋白1（FUNDC1）是缺氧誘導線粒體自噬的新受體，位于線粒體外膜上。FUNDC1通過其N端LC3相互作用區與LC3β相互作用，抑制自噬體膜的形成，減少線粒體自噬。FUNDC1磷酸化Ser17與LC3-Ⅱ側鏈Lys49形成氫鍵和靜電效應，導致線粒體自噬。FUNDC1與發動蛋白1樣（Dynamin 1-like，DNM1L）/動力相關蛋白1（dynamic-related protein 1，DRP1）和視神經萎縮1（optic atrophy 1，OPA1）相互作用，協調線粒體的分裂、融合和自噬。在線粒體自噬過程中，FUNDC1與駐留蛋白鈣結合蛋白（calnexin，CANX）解離，招募DNM1L/DRP1驅動線粒體產生對缺氧應激的裂變反應。這些發現表明FUNDC1是一個分子樞紐，具有整合線粒體的分裂和對缺氧的吞噬作用。

在缺氧誘導的缺血性腦梗死（Ischemic cerebral infarction，ICI）過程中，UNC-51樣自噬激活激酶1（Ulk1）和FUNDC1參與調節細胞自噬。過表達Ulk1可促進FUNDC1的激活，促進線粒體自噬，抑制缺氧誘導的神經元凋亡。在氧糖剝奪/復氧復糖（Oxygen glucose deprivation/reoxygenation，OGD/R）處理的SH-SY5Y細胞中，過表達腦紅蛋白（Neuroglobin，Ngb），僅自噬相關基因FUNDC1mRNA表達增加，因此Ngb僅對FUNDC1基因的表達有促進作用。

三、結束語

綜上所述，線粒體自噬障礙，可引起損傷線粒體異常累積，損傷神經元，導致神經退行性疾病的發生。線粒體自噬可通過Parkin/PINK1、NIX/BNIP3L、FUNDC1途徑對PD、AD、腦損傷再灌注等神經退行性疾病起著重要的作用，但其機制尚未完全清楚，相信隨著進一步的深入和系統的研究，Parkin/PINK1、NIX/BNIP3L、FUNDC1介導的線粒體自噬在神經退行性疾病的治療中可作為一個新的靶點，成為神經退行性疾病治療具有突破意義的關鍵點。