線粒體自噬與神經退行性疾病的關系及針灸調控機制探討＊

張 利，袁懿蕓，吳長樂，王 強，王 淵，邢文文，喬海法，楊曉航，劉 奇＊＊

（1.陜西中醫藥大學針灸推拿學院 西安 712046；2.陜西中醫藥大學基礎醫學院 西安 712046）

線粒體作為能量代謝的核心功能器，是細胞進行有氧呼吸、氧化磷酸化等過程的重要場所，細胞的分化、增殖、自噬、凋亡等生理過程都離不開線粒體的參與。線粒體自噬[1]是細胞通過自噬機制選擇性包裹和降解細胞內受損的線粒體從而將其清除的過程，是調節線粒體質量和數量穩態，維持線粒體正常功能的重要環節。線粒體異常與多種神經退行性疾病[2]的發生密切相關。大量研究表明，多種自噬相關基因突變、相關蛋白表達異常導致的線粒體自噬功能異常可能會引發阿爾茲海默病、帕金森病等神經退行性疾病并參與其病程發展[3-4]。長久以來針灸在臨床各科治療中療效顯著，在國內外獲得廣泛應用，神經退行性疾病[5]、鎮痛[6]以及腦血管疾病[7]的針灸防治機制，一直都是中醫針灸領域關注的熱點，也是國家自然科學基金在針灸領域資助的高頻研究方向，同時也是我們團隊近20年聚焦的主要研究方向之一[8-12]。隨著針灸基礎研究的不斷深入，對線粒體的調控（保護）已成為針灸防治神經退行性疾病的重要機制之一[13]，鑒于此，筆者圍繞“自噬”這一影響線粒體功能的重要生理過程，試圖探討針灸調控線粒體自噬防治神經退行性疾病的可能機制，以豐富針灸調控能量代謝防治神經退行性疾病機制的內涵。

1 線粒體自噬

線粒體自噬是一種選擇線粒體作為降解底物的自噬，屬于巨自噬范疇。線粒體損傷后發生去極化，線粒體自噬相關蛋白被激活，損傷或多余的線粒體被自噬小體特異性的包裹，隨后與溶酶體融合，最終在溶酶體酶的作用下被降解，以維持細胞內線粒體數量和質量的穩定，保持細胞內環境穩定。目前哺乳動物中線粒體自噬的經典通路主要為PTEN誘導激酶1（PTEN-induced kinase 1,PINK1）/E3泛 素 連 接 酶Parkin途徑和受體介導途徑。

1.1 PINK1/Parkin途徑

線粒體損傷，其跨膜電位不能保持，導致線粒體外膜轉運酶及內膜轉運酶不能正常將PINK1轉運至線粒體內膜，造成線粒體外膜上PINK1堆積。PINK1主要通過介導Parkin的抑制成分REP和N端泛素樣結構域的構象變化或通過介導泛素磷酸化，然后與Parkin結合改變Parkin的構象兩種途徑激活Parkin[14]。被PINK1激活后的Parkin可將被活化的泛素轉移至線粒體外膜，泛素鏈在線粒體外膜表面聚集，與膜表面蛋白結合，包圍線粒體，使線粒體泛素化，同時自噬受體被泛素鏈募集至線粒體外膜，形成自噬小體，自噬小體與溶酶體融合，在溶酶體酶的作用下被降解[15]。

1.2 受體介導途徑

類NIP3蛋白X（NIP3-like protein X,Nix）/BNIP3是定位于線粒體外膜的兩種具有促凋亡活性的腺病毒相互作用蛋白[16]，主要介導缺氧損傷條件下的線粒體自噬，缺氧條件下可以通過抑制NIX有效保存線粒體完整，抑制線粒體自噬[17]。缺氧時，細胞內活性氧生成增多，低氧誘導因子1（hypoxia-inducible factor 1,HIF-1）與NIX/BNIP3結合，提高其表達水平，促進線粒體自噬。FUNDC1（FUN14 domain containing 1,FUNDC1）是一種在缺氧和饑餓條件下誘導哺乳動物細胞線粒體自噬的線粒體外膜蛋白，生理狀態下以磷酸化的形式存在，在缺氧條件下或線粒體解偶聯時，FUNDC1與微管相關蛋白1輕鏈3（microtubuleassociated protein 1 light chain 3,LC3）相互作用區LIR序列中的Tyr18磷酸化水平較常氧條件下降低，FUNDC1發生去磷酸化，增強了其與LC3的相互作用，激活線粒體自噬[18]。

圖1 PINK1/parkin途徑

圖2 受體介導途徑

1.3 線粒體自噬形態學分型

學者將線粒體自噬分為3種亞型，通過對誘導發生自噬的哺乳動物細胞標本進行觀察分析[19]，從形態學上對這3種亞型進行了闡述：Ⅰ型線粒體自噬，其自噬小體是吞噬泡從內質網-線粒體接觸位點開始逐漸包裹線粒體即由內質網包裹線粒體形成的；Ⅱ型線粒體自噬是通過損傷線粒體周圍的游離膜逐漸融合包被線粒體形成自噬小體結構；Ⅲ型線粒體自噬是損傷線粒體內部出現的膜包裹線粒體部分組件形成線粒體小囊泡，然后線粒體小囊泡以出芽的方式排出線粒體。線粒體通過自噬的方式針對性的將細胞內受損或多余的線粒體清除，是維持線粒體和細胞正常功能、保持細胞內環境穩定的重要途經。線粒體自噬障礙和過度自噬都會破壞線粒體和細胞功能的正常運行，從而引發包括神經退行性疾病在內的多種疾病。

2 線粒體自噬與神經退行性疾病

神經退行性疾病是神經元結構和功能的逐漸喪失、錯誤折疊蛋白聚集從而導致功能障礙的一類疾病，存在于神經元胞質中的線粒體是神經元的氧化供能中心，為細胞活動提供能量，線粒體自噬對于清除聚集的蛋白和功能障礙的細胞器至關重要，自噬和自噬通路的良好調節對中樞神經系統的發育、健康和功能至關重要。越來越多的證據表明，線粒體自噬異常會導致阿爾茲海默病（Alzheimer's disease,AD）、帕金森 氏 病（Parkinson's disease,PD）、亨 廷 頓 氏 病（Huntington's disease,HD）、肌萎縮性側索硬化癥（Amyotrophic Lateral Sclerosis，ALS）等神經退行性疾病[20-22]。在AD、PD、HD、ALS中也都檢測到線粒體自噬障礙[23]。

2.1 線粒體自噬與AD

AD是一種以緩慢進行性記憶力衰退、認知能力障礙及行為異常為主要臨床表現的神經系統退行性病變。AD的發生與基因、代謝、年齡、環境等多種因素相關[24]，但發病機制尚未完全明確，諸多研究表明，β淀粉樣蛋白（β-amyloid protein,Aβ）沉積、線粒體異常與Tau蛋白過度磷酸化是AD的主要病理特征。此前多項研究發現了AD的線粒體自噬障礙[25-26]。低氧狀態下，呼吸鏈末端的電子受體氧分子供應不足，從而生成過多的活性氧（reactive oxygen species,ROS），使細胞內多種成分發生氧化損傷，出現氧化應激反應，誘導線粒體自噬水平增高，調節抗氧化能力，可見線粒體自噬能夠與氧化應激反應相互作用，以維持細胞內氧化還原的穩態[27]。線粒體功能出現障礙會引起細胞內ATP供應不足和ROS釋放增多，從而造成神經元損傷。這些功能出現障礙的線粒體通過線粒體自噬得以降解，維持了線粒體質量和數量的相對穩定[28]。在AD發生過程中，沉積的Aβ可通過損傷電子傳遞鏈、與線粒體動力相關蛋白相互作用、促使ROS過度生成、影響線粒自噬等途徑造成線粒體損傷，加劇AD的發生發展[29]。病理性的Tau蛋白可損傷線粒體引起線粒體功能障礙，抑制線粒體自噬[30]。AD患者腦細胞中，線粒體自噬過程受損，加速了疾病進程。PINK1是細胞內一種主要存在于線粒體的外膜上的蛋白激酶，線粒體膜電位受損后，被PINK1識別并在其表面聚集，與Parkin以及泛素協同作用促進線粒體的泛素化以觸發線粒體自噬。Parkin是一種主要存在于細胞質中的E3泛素連接酶，當線粒體受損功能異常時，Parkin從胞質中轉移到線粒體內，促進線粒體蛋白底物泛素化，增強線粒體自噬信號，誘發線粒體自噬[31]。AD細胞模型的線粒體相關研究發現[32]，模型細胞的線粒體形態明顯改變，線粒體自噬增加，PINK1、Parkin表達增加，但在經過PINK1 siRNA處理后自噬較前減弱，結果表明AD細胞模型的這些改變可能通過PINK1、Parkin途徑引起線粒體自噬增加。也有學者發現Parkin介導的線粒體自噬途徑的活性在AD模型小鼠的突觸線粒體中明顯增強，線粒體自噬小體聚集增多[33]。由此可見PINK/Parkin途徑介導的線粒體自噬在AD進程發揮著調節作用。此外，鄭璐[34]發現AD轉基因小鼠海馬中，線粒體自噬增強。可見，AD的發生與線粒體自噬密切相關，線粒體自噬在一定程度上參與了AD病程發展，這也為AD的治療提供了新的切入點。

2.2 線粒體自噬與PD

PD是一種常見的以中腦黑質致密部多巴胺能神經元選擇性死亡為病理改變的神經退行性疾病，是中老年人群的多發病，其發病率僅次于AD。近年研究表明，PD的發生常與損傷線粒體未及時清除有關[35]。遺傳因素也是PD發生的原因之一，全基因組關聯研究的大規模薈萃分析，分析了1.9萬多名帕金森病患者和超過10萬名對照者的數據，在整個基因組中發現了24個與PD相關的基因位點，其中至少有11個基因參與破壞自噬溶酶體途徑[36]，阻礙細胞器和細胞內結構的正常更新。此外，PINK1、PARKIN蛋白、SNCA基因和α-突觸核蛋白、LRRK2蛋白、GBA蛋白、ATP13A2等PD相關基因也在線粒體自噬的調節中起著作用，若這些蛋白的編碼基因出現突變，則會致使粒體自噬功能障礙，誘發PD[37]，同時，這些相關基因的研究也證實線粒體自噬障礙是PD發病的主要因素[38]。因此，部分調控線粒體自噬的基因或蛋白出現異常，可能會通過影響線粒體自噬而引發PD，維持線粒體自噬功能的正常對防治PD有不可或缺的作用。

2.3 線粒體自噬與其他神經退行性疾病

線粒體自噬在HD、ALS等其他神經退行性疾病的發病機制中同樣參與重要環節。HD是一種遺傳性的神經退行性疾病，患者染色體上的Huntington基因發生變異，產生的變異Huntington蛋白異常聚集，影響神經元的功能，最終導致神經元死亡。變異Huntington蛋白與自噬相關蛋白的相互作用使自噬途徑遭到破壞[39]，線粒體自噬受損，線粒體質量控制失衡，功能失調的線粒體無法被清除，神經元受到能量失衡的影響而出現功能障礙[40]。ALS是一種運動神經元損害的神經退行性疾病，其確切的發病機制尚未明確，研究者發現在散發性ALS患者神經元中出現線粒體腫脹和結構異常及神經元細胞內線粒體明顯聚集[41]。錯誤折疊的超氧化物歧化酶1在線粒體膜表面聚集，引起線粒體損傷，出現線粒體腫脹，線粒體自噬障礙無法清除損傷及腫脹的線粒體[42]。

3 針灸調控線粒體自噬的可能機制

針灸對神經退行性疾病的臨床防治效果已經得到大量證實，自古以來，阿爾茲海默病就受到各醫家的關注，中醫學將其稱為“癡呆”、“愚癡”、“呆病”等，歷代醫家將其病機歸結為：髓減腦消，神機失用。最新發布的《中國阿爾茨海默病患者診療現狀調研報告》顯示，AD的復診率低下，雖然需終生用藥已經被大部分受訪患者認同，但因為藥物的價格、療效及副作用導致堅持服藥的患者比率低下。針灸作為一種經濟方便、副作用小的中醫特色療法，已經被大量文獻[43-45]證明對AD臨床療效顯著，且患者依從性較高，針刺可顯著改善輕中度AD患者的認知功能障礙和精神行為現象[46]，針刺結合藥物對AD患者認知功能及日常生活能力的提高優于單純西藥治療[47-48]。PD屬中醫“顫證”范疇，通常以藥物治療為首選，但藥物治療時間長，藥物的療效也會隨用藥時間的延長而逐漸降低。當前，針灸療法對于帕金森癥狀的改善已經顯露優勢，研究顯示，針灸療法在改善帕金森患者的運動功能障礙方面，效果優于單純藥物組[49-50]，可輔助改善PD患者的步調[51]，肌僵直[52]，且對PD伴隨的認知功能障 礙[53]、吞 咽 障 礙[54]、焦 慮[55]、抑 郁[56]、睡 眠 障 礙[57]、便秘[58]等非運動癥狀療效顯著。ALS屬中醫“痿證”范疇，針藥結合治療ALS的有效率明顯高于單純藥物治療[59]。針刺配合中藥也可改善HD患者的臨床癥狀[60]。針灸在防治神經退行性疾病中效果顯著，已被臨床廣泛使用，但其具體機制尚未明晰，當前，其線粒體自噬調控機制備受關注。針灸通過對線粒體自噬通路的調控，既可以上調低下的線粒體自噬水平，也可以抑制過度自噬，通過這種雙向的良性調節對線粒體自噬水平進行調控[5]，保證線粒體自噬功能的正常與穩定，對防治神經退行性疾病意義重大。

研究證實，針灸可以減少AD模型大鼠病理性Tua蛋白的表達，增加海馬區LC3-Ⅱ的表達，降低自噬相關蛋白p62的表達，在一定程度上提高自噬水平，改善模型組大鼠海馬區的自噬紊亂狀態，減少Aβ42的異常沉積，提高其學習能力和記憶能力，表明針刺能通過調節與線粒體自噬有關的蛋白和AD相關病理蛋白的表達來起到防治AD的作用[61]。此外，針灸可以顯著降低AD模型大鼠血清內Aβ水平和海馬CA1區APP的表達水平，延緩AD病理進程[62]；抑制AD大鼠海馬線粒體親環D蛋白的表達以及提高細胞色素氧化酶C的表達，有效減少線粒體損傷，防治AD的發生發展[63-64]。電針太沖、風府穴還能夠上調PD模型大鼠Parkin蛋白和基因的表達水平，改善PD大鼠異常的行為學表現[65]。頭穴透刺能明顯提高PD模型大鼠線粒體復合物Ⅰ的活性，并使ATP酶的活性呈現升高趨勢，升高并恢復膜電位，清除α-突觸核蛋白的聚集，同時減少ROS及丙二醛，誘導氧化應激反應，提高抗氧化能力，進一步保護線粒體形態，維持其功能。在對模型組使用自噬誘導劑后PD大鼠的運動障礙得到改善，電針結合自噬誘導劑則改善效果更顯著。然而使用自噬抑制劑的PD模型大鼠運動障礙加重，電針結合抑制劑則出現明顯好轉，表明頭針透刺電針法可以調節線粒體自噬相關蛋白及氧化應激反應，保護線粒體形態結構，上調線粒體自噬水平，從而起到治療PD的作用[66]。所以針灸防治神經退行性疾病效應的產生與調節線粒體自噬水平密切相關，針灸對線粒體自噬的調節機制很可能是通過調節線粒體自噬相關蛋白的表達，減少或清除異常聚集的相關病理蛋白、調控線粒體自噬影響因素，以保護線粒體結構而實現的。

4 小結

線粒體作為細胞內能量代謝的核心功能器，其形態、數量及質量正常是維持細胞正常生理活動的基礎，線粒體自噬作為線粒體質量控制的主要機制之一，受到各種因素的影響，在神經退行性疾病的發生和發展過程中起著重要作用。隨著對線粒體自噬研究的不斷開展，研究線粒體自噬和神經退行性疾病的聯系，將有助于為本病的防治提供新的突破口，對線粒體自噬的調控也成為了防治神經退行性疾病的一種新思路。針灸作為一種防治神經退行性疾病的有效手段，在線粒體結構保護、線粒體自噬通路調節等方面具有大量的實驗室證據支持，是線粒體調控研究的重要方向之一。雖然當前線粒體自噬研究取得了一些進展，但具體機制仍不完全明確，例如線粒體自噬影響因素的工作機制，針灸調控線粒體自噬的具體通路，針灸保護線粒體調控能量代謝的核心機制等等，還需要進一步系統深入研究。

4劉慧,張自弘,鮑秀琦,等.線粒體動力學和線粒體自噬的分子機制及其在神經退行性疾病中的作用.中國藥學雜志,2020,55(5):337-341.

9盧圣鋒,邵欣,唐勇,等.電針促進阿爾茨海默病模型小鼠(SAMP8)海馬神經元突觸可塑性的神經細胞黏附機制.中國康復醫學雜志,2008,23(12):1057-1060.