特發性肺纖維化中的線粒體質量控制

熊夢清 趙楊 胡克

特發性肺纖維化(Idiopathic pulmonary fibrosis, IPF)是一種侵襲性、不可逆性的肺部疾病，好發于50歲以上的人群，確診后中位生存期僅3年，病因不明，治療選擇有限[1]。有效治療方法的開發，需要對疾病分子發病機制有深入的了解。研究表明線粒體功能障礙參與IPF組織細胞的凋亡與衰老，被認為是衰老時易發生纖維化的一個主要標志[2]。線粒體質量控制(Mitochondrial quality control, MQC)系統，調節線粒體功能參與疾病的發病機制，那么調控MQC系統也可能提供治療靶點。

線粒體在細胞中發揮多種作用，不僅通過氧化磷酸化參與能量的產生，而且在各種重要的代謝過程中維持著細胞內穩態[3]。因此，線粒體功能障礙可導致細胞功能失調甚至死亡[4-5]。為阻止線粒體損傷的累積，胞內有幾種機制[6]。線粒體動力學[4]和線粒體特異性自噬(簡稱線粒體自噬)，是減少線粒體損傷和維持細胞內穩態的兩種主要機制[7]。如果線粒體持續暴露于一些環境及細胞內的壓力，包括環境毒素，如香煙煙霧及活性氧(ROS)——可引起線粒體DNA損傷、氨基酸消耗和蛋白質解折疊。為了克服這些壓力，線粒體動力學和線粒體自噬有著協同作用。然而，當那些壓力超出這些質量控制系統時，線粒體功能失調，三磷酸腺苷(ATP)產生減少，ROS產生累積增加。功能失調線粒體的積累，可破壞細胞內穩態，改變細胞命運，促成疾病的發生發展[8]。

線粒體功能隨著年齡的增長而下降，而線粒體DNA突變，隨著年齡的增長而增加[9]。過量的ROS導致干細胞功能障礙，使小鼠出現早衰表現，而這其中的關鍵是一些線粒體DNA突變導致線粒體功能障礙[10]。這些研究表明線粒體功能障礙在衰老表型的發展中起著關鍵作用。因此，MQC系統也可能通過調節線粒體功能，在衰老表型和年齡相關疾病的發生發展中發揮重要作用。諸多證據表明，MQC中斷以及隨之而來的線粒體功能障礙，與一些年齡相關性疾病密切相關，如在神經退行性病變中，其致病機制已被深入研究，且已在很大程度上被闡明[8]。近來，多項證據表明MQC系統的失調，也參與了年齡相關性肺疾病的發病機制，如特發性肺纖維化(IPF)[11-12]。本綜述將概述線粒體質量控制系統在IPF中的作用，并介紹新的潛在治療靶點。

線粒體質量控制系統

一、 線粒體動力學

線粒體是動態的細胞器，通過融合和分裂不斷改變其形狀[5]。線粒體動力學，受裂變和融合蛋白表達水平的調節。融合是由膜錨定蛋白、絲裂蛋白(MFN)-1,2和視神經萎縮 (OPA)1介導的。MFNs和OPA-1分別促進線粒體外膜和內膜融合，而融合蛋白的缺乏可導致線粒體分裂，這些融合蛋白通常協同工作[13]。裂變是由胞漿動力蛋白、動力相關蛋白1(Drp1)、裂變1蛋白(Fis-1)、線粒體分裂因子(MFF)等蛋白介導。在裂變過程，Drp-1從細胞質中被招募到線粒體，起著重要作用，其缺乏可引起線粒體過度融合[14]。

當細胞暴露于輕度應激時，線粒體為促進融合(應激誘導的線粒體過度融合，簡稱SIMH)而變得細長[5]。SIMH需要非裂解形式的OPA-1(L-OPA-1)、MFN1和線粒體內膜蛋白SLP-2，其中SLP-2可保持OPA-1的非裂解形式[15]。由輕度應激誘導的線粒體融合，通過增加ATP的產生來提高代謝效率，并使功能正常的線粒體在細胞器之間擴散和共享，來代償功能失調的線粒體，從而使細胞損傷最小化。因此，線粒體過度融合是一種生理條件下的適應性反應，與提高存活率和凋亡抵抗相關。相反，在嚴重的應激條件下，嚴重受損的線粒體會損害其他線粒體，如果它們被允許重新加入網絡，就會破壞一個健康的線粒體網絡。為阻止這些發生，有幾種機制[16]：線粒體功能障礙通過金屬蛋白酶誘導OAP-1加工，泛素-蛋白酶體系統誘導MFN降解，使線粒體碎片化，從而容易被清除[17]。

在嚴重或長時間應激下，線粒體形態不一定反映線粒體的功能。線粒體的功能取決于應激類型、應激嚴重程度以及其他MQC系統(即線粒體自噬)的水平，而不是簡單的形態變化。事實上，適應性延長的線粒體表明線粒體功能增強，而香煙誘導的線粒體延長，伴隨線粒體自噬減少，ROS產生增加，證明線粒體功能低下[18]。無論線粒體是延長還是裂變，來自受損線粒體的ROS決定了細胞的命運[18]，這表明線粒體功能，在決定細胞命運方面比形態更關鍵。

二、 線粒體自噬

自噬是溶酶體自我降解的過程，有助于維持細胞蛋白質和細胞器合成、降解及循環之間的平衡，可分為非選擇性自噬和選擇性自噬[19]。選擇性自噬降解受損的線粒體被稱為線粒體自噬[20]，在MQC中起著重要作用，與細胞命運密切相關，包括衰老、凋亡和壞死。

線粒體自噬降解的主要過程如下[20]：PTEN-誘導假定激酶1(PINK1)是一種在健康線粒體中不斷地被剪切和降解的絲氨酸/蘇氨酸激酶。當線粒體被嚴重的應激破壞時，應激誘導膜去極化，使PINK1穩定，而PINK1將E3-泛素連接酶PARK2招募到線粒體。PARK2使線粒體蛋白(包括MFNs)泛素化，泛素化蛋白通過適配器蛋白SQSTM1/p62連接到噬細胞上的微管相關蛋白1輕鏈3(MAP1LC3/LC3)，促使自噬體形成。MFN降解促進分裂，導致線粒體和隨后的線粒體分裂，自噬降解。

線粒體自噬的發生并不依賴于PARK2。其他E3泛素連接酶Smurf1和Mul1可使與SQSTM1/p62相互作用的線粒體蛋白泛素化，促進自噬體形成和線粒體自噬[6]。蛋白質泛素化對線粒體自噬并非必不可少，線粒體中的BNIP3、NIX、FUDC1或心磷脂與LC3可直接結合并在受損線粒體上形成自噬體，而不是適配器蛋白p62[6]。然而，獨立于PARK2的線粒體自噬在細胞中的作用仍有待研究。

線粒體自噬與線粒體形態有關[5]，可誘導分離線粒體碎片，而大的融合線粒體則不能通過線粒體自噬降解。的確，在饑餓期間，盡管細胞整體的自噬水平上調，但為保護其免受自噬體降解及最大程度地產生能量，線粒體是延長的[21]。

三、 線粒體生物合成

線粒體的生物合成與線粒體自噬之間的協調是維持線粒體穩態的必要條件，兩者的不平衡可導致細胞功能惡化甚至死亡[22]。

細胞可以通過增加線粒體的生物合成來增加能量產生，以應答內外部的應激。線粒體生物合成是一個復雜的過程，受到過氧化物酶體增殖物激活受體γ-輔助激活因子1-α(PGC-1α)的調控。一般來說，線粒體的生物合成是對能量需求增加的一種適應性反應，然而，增加線粒體生物合成可能導致依賴于線粒體功能的細胞產生兩種相反的結果[23]。隨著線粒體生物合成的增加，能量產生增加有利于細胞內穩態和細胞生存[24]，但是功能下降或產生過量ROS的線粒體生物合成會破壞細胞內穩態，導致細胞死亡或細胞衰老[25]。增加“健康線粒體”[正常耗氧量(OCR)和膜電位]對細胞有益，而功能失調線粒體的增加對細胞有害。

IPF

一、 IPF線粒體質量控制

IPF是一種慢性進行性肺纖維化疾病[1]。肺上皮細胞暴露于細胞內、外的應激。慢性應激，包括表面活性劑異常積累、吸煙、病毒感染和衰老，可導致IPF上皮細胞內質網(ER)應激[26]，而內質網應激誘導上皮細胞死亡和衰老，導致IPF。

ER與線粒體密切相關。線粒體相關內質網膜(MAM)是內質網膜的一個亞結構域，調節ER-線粒體通信。MAM在鈣信號轉導、磷脂生物合成、蛋白質折疊和膜栓連中發揮重要作用[27]。ROS誘導鈣從內質網釋放到細胞質中，細胞內鈣離子增加促進線粒體ROS的產生，形成一個自我永續循環。活性氧的增加和內質網鈣穩態的干擾可破壞蛋白質折疊過程，引起內質網應激。由于損傷的線粒體增加ROS產生和內質網應激，那么MQC系統在IPF發病機制中可能起到了一定的作用。事實上，越來越多的證據表明線粒體功能障礙在IPF的發病機制中起著重要作用[11-12]。

二、 IPF線粒體動力學

如上所述，內質網應激在IPF的上皮細胞中上調，衰老是IPF的主要危險因素，而肺上皮細胞也是衰老的。因此，內質網應激和衰老，在IPF發病機制中起著關鍵作用。研究顯示，病毒感染老齡小鼠的肺泡上皮細胞，可誘導肺內質網應激，加速肺纖維化，伴隨線粒體異常增大[11]。失活的DRP1及OPA1和MFN1/2在這些細胞中的表達增強，表明線粒體融合在該IPF小鼠模型中占主導地位。實際上，IPF肺泡上皮細胞中的線粒體增大、形態異常及線粒體面積顯著增加，也說明IPF上皮細胞中線粒體融合占優勢。與應激誘導的線粒體過度融合相比，這些線粒體功能下降。

目前尚無關于IPF中其他類型細胞線粒體形態的報道。然而，在敲除PARK2的肺成纖維細胞(模擬IPF成纖維細胞)中發現延長的線粒體，伴隨著ATP生成和增殖增加[12]。這與IPF中激活的成纖維細胞是一致的。

三、 IPF線粒體自噬

1. 肺上皮細胞線粒體自噬

在IPF中，PINK1和PARK2均有異常調節的報道。Bueno等[11]證實PINK1在IPF肺泡上皮細胞中的表達下調。在IPF上皮細胞除PINK1表達降低以外，ATP合成酶(線粒體蛋白)和LC3的共定位降低，且在這些細胞中聚集了功能失調且嵴紊亂的大線粒體，提示IPF上皮細胞的線粒體自噬減少。在由病毒感染誘導內質網應激增加的小鼠模型中，PINK1缺陷導致受損線粒體累積，增加細胞凋亡和肺纖維化的易感性。甲狀腺激素上調PINK1可逆轉博萊霉素誘導的肺纖維化，可能是通過線粒體自噬恢復線粒體功能的結果[24]。表明PINK1對肺纖維化有保護作用，PINK1缺乏導致的線粒體自噬減少在IPF發病機制中發揮重要作用。上皮細胞內質網應激升高可能是PINK1缺乏的一個原因。內質網應激誘導ATF3表達，并與PINK1結合以抑制PINK1轉錄，導致功能失調線粒體增多和線粒體產生ROS增加[28]。

與之相反，促纖維化因子—TGF-β在IPF患者肺泡灌洗液中表達增加，在支氣管細胞系中PINK1與LC3的共定位表達增加，這說明PINK的表達增加[29]。在TGF-β作用下，沉默PINK1增加了細胞死亡，提示PINK1升高可能是應答TGF-β的一種保護反應。IPF中TGF-β對PINK1的誘導作用可能不足。

線粒體自噬通過抑制線粒體產生過量的ROS，減輕內質網應激誘導的細胞死亡或衰老；而上皮細胞線粒體自噬不足，加速了IPF的纖維化發展。

2. 肺成纖維細胞中的線粒體自噬

Kobayashi等[12]報道，與IPF上皮細胞相比，成纖維細胞中的PARK2表達降低。PARK2降低導致線粒體自噬減少，產生ROS增加。ROS激活PDGF受體和下游Akt和mTOR，導致成纖維細胞增殖和肌成纖維細胞分化增加。mTOR的激活抑制了線粒體自噬，形成了一個自我延續的循環。

在IPF肺成纖維細胞中，不僅PARK2表達降低，PINK1表達也降低，且在纖維化灶中檢測不到PINK1的表達[30]，這表明IPF成纖維細胞中，線粒體自噬減少。小鼠模型及體外實驗均表明，在肺纖維化形成過程中，TGF-β抑制肺成纖維細胞中線粒體自噬和PINK1表達。

在IPF，上皮細胞和成纖維細胞的線粒體自噬可能均受到抑制，并在IPF的發病機制中起關鍵作用。

3 IPF的線粒體合成

盡管諸多證據表明IPF中受損線粒體的自噬降解減少，功能失調的線粒體聚集，但對IPF線粒體生物合成的水平仍有待了解。最近，Yu等[24]證實IPF患者的PGC1α減少，表明線粒體生物合成在IPF是下降的。他們尚證明，甲狀腺激素可上調PGC1并逆轉博萊霉素誘導的肺纖維化，這歸因于線粒體合成的增加并恢復了線粒體功能。

線粒體質量控制作為IPF的治療靶點

線粒體在IPF發展中的作用，為制定針對該細胞器的更替和動力學的治療策略提供了新的靶點。研究發現，激素可調節線粒體功能。17β-雌二醇(E2)通過細胞核或線粒體雌激素受體(ER)誘導抗氧化反應，激活NRF1/2、Tfam和PGC-1α，促進線粒體合成[31-32]。同樣，IPF肺組織中ER-α受體表達上調，以藥物對該受體進行阻斷，可減輕纖維化程度，這可能是通過下調SMAD2介導的促纖維化通路而實現的[33-34]。IPF患者脫氫表雄酮(DHEA)的合成不成比例地減少。DHEA是一種具有抗纖維化特性的前體激素，可減少成纖維細胞增殖、TGF-β1膠原生成及促進成纖維細胞凋亡。DHEA促進線粒體細胞色素C釋放到胞漿中并最終激活Caspase9，從而促進成纖維細胞死亡[35]。此外，活化的甲狀腺激素T3，被認為是肺纖維化的潛在治療方法。對肺纖維化小鼠模型予以霧化T3處理，通過誘導PGC-1α和PINK1提供再生特性，可增加線粒體生物合成，恢復線粒體功能，減弱凋亡[24]。

線粒體靶向抗氧化劑，如MitoQ可能是一種潛在的治療方法。MitoQ作為線粒體內ROS清道夫，可下調IPF患者成纖維細胞中TGF-β1和NOX4的表達，減輕炎癥和膠原沉積[36-37]。眾所周知，IPF肺AEC中PINK1缺失是觸發這些細胞線粒體功能障礙的主要因素，因此，增強PINK1活性的藥物可以作為一種治療選擇。新底物激動素、三磷酸(KTP)可提高PINK1、Parkin的活性，降低細胞凋亡，為此類患者提供了一種潛在的藥物[38]。誘導線粒體蛋白SIRT3由于對損傷和纖維化具有保護作用，也成為一種有吸引力的治療策略。一種被稱為六氟的化合藥物可以誘導博萊霉素小鼠SIRT3的表達，抑制TGF-β1，減少膠原1、α-SMA和纖維連接蛋白的表達，從而減輕肺纖維化的發展[39]。

綜上所述，以生物合成、線粒體自噬和分裂/融合為目標的線粒體質量控制的藥理學調控，可預防線粒體功能障礙并最終防治纖維化。不同藥物具有各自作用機制，然而，需要更多的研究來闡明藥物發揮作用的具體分子機制，以實現高質量治療和達到改善患者生存的目標。

總 結

目前，對于IPF患者的治療選擇很有限。線粒體質量控制系統失調在IPF的發展中起著重要作用，未來的研究需進一步闡明其參與IPF的確切機制，以促進對該疾病的認識和形成新的治療方法。