線粒體自噬與肺動脈高壓的關系及其在巨噬細胞代謝重編程中作用的研究進展

孫佳偉，劉美洋，崔志峰，宮小薇，袁雅冬

肺動脈高壓（pulmonary hypertension，PH）是一種高發病率和高死亡率的血管疾病，在英國，PH患病率為97/100萬，其中女性與男性比例為1.8∶1；美國PH患者年齡標化死亡率為4.5/10萬～12.3/10萬，總體生存率為28%～72%［1-2］。研究發現，在PH進展過程中，患者主要表現為肺血管重構和肺血管阻力增加，最終導致右心衰竭乃至死亡，其關鍵特征是肺動脈血管周圍炎性單核細胞/巨噬細胞的募集和極化［3］。而巨噬細胞極化在PH發生中發揮著至關重要的作用，其包括經典激活的M1型巨噬細胞和替代激活的M2型巨噬細胞，其中M1型巨噬細胞能夠啟動和維持炎性反應，而M2型巨噬細胞可抑制炎性反應，釋放抗炎遞質［4］。外膜微環境中巨噬細胞極化的驅動機制尚不清楚，有研究表明，線粒體自噬會觸發一個糖代謝“開關”，并與巨噬細胞向M1型巨噬細胞極化有關［5］。其中線粒體自噬是自噬的一種形式，其可介導清除有缺陷或過量的線粒體，參與線粒體的質量控制［6］。本文旨在探討線粒體自噬與PH的關系及其在巨噬細胞代謝重編程中的作用，以期為PH的診治提供新的思路。

1 線粒體自噬

線粒體被稱為細胞能量中心，對生理適應和應激反應至關重要。線粒體的功能狀態依賴于線粒體生物發生、融合和分裂以及線粒體自噬對受損線粒體的降解之間的動態平衡，其控制著線粒體的質量和數量，在細胞內環境穩態中發揮作用［7］。而自噬是一個高度保守的過程，細胞可以通過降解溶酶體中的細胞器和蛋白質來循環利用其降解產物。自噬可作為一種非選擇性的降解過程，也可以選擇性地降解特定的蛋白質、細胞器等，這一過程被稱為選擇性自噬［8］。LEMASTERS［8］首次將線粒體的選擇性自噬過程稱為線粒體自噬，其是一種選擇性地將受損或去極化的線粒體隔離到雙膜自噬體中進而被溶酶體降解的過程，即選擇性地清除受損或有缺陷的線粒體，在恢復正常生理和壓力條件下的細胞穩態方面發揮關鍵作用，是線粒體質量控制的關鍵步驟［6］。

在哺乳動物中，線粒體自噬的機制包括典型線粒體自噬和非典型線粒體自噬，其中典型線粒體自噬包括PTEN誘導激酶1（PTEN-induced putative kinase 1，PINK1）/Parkin依賴的線粒體自噬、受體介導的線粒體自噬以及脂質介導的線粒體自噬；非典型線粒體自噬不需要LC3修飾的自噬體，而是線粒體和溶酶體之間直接通過細胞器間的相互作用進行自噬［9-11］。

1.1 典型線粒體自噬

1.1.1 PINK1/Parkin依賴的線粒體自噬 PINK1/Parkin依賴的線粒體自噬指由線粒體外膜PINK1與Parkin介導的線粒體自噬。線粒體外膜轉位酶（translocase of outer mitochondrial membrane，TOM）和線粒體內膜轉位酶（translocase of inner mitochondrial membrane，TIM）可將PINK1導入線粒體內膜，之后PINK1被線粒體內膜蛋白酶PARL切割，所以在正常線粒體中PINK1表達水平極低，很難被檢測到；而在去極化條件下，線粒體膜電位的喪失阻止了PINK1向內膜的導入，并促進其穩定在線粒體外膜上，以致線粒體外膜上PINK1表達水平增加［12］。PINK1的積累可促進Parkin從細胞質轉移到受損線粒體［13］，其機制為PINK1在絲氨酸65位點磷酸化后，泛素會將來自細胞基質的高親和力Parkin募集到線粒體上［14］。也有研究表明，線粒體融合蛋白2（mitofusin 2，Mfn2）可介導Parkin向受損線粒體轉移，即Parkin以PINK1依賴的方式與Mfn2結合［15］。隨后，Parkin會介導兩條不同多泛素鏈的形成，上述泛素鏈通過賴氨酸63和賴氨酸27相互連接［16］。Parkin泛素化線粒體膜蛋白后，與自噬適配器分子p62、NBR1、AMBRA1、OPTN和NDP52相互作用，從而間接與自噬體上的LC3相互作用，導致受損線粒體被自噬體吞噬并清除。

1.1.2 受體介導的線粒體自噬 受體介導的線粒體自噬不需要自噬適配器分子，而是涉及一組含有LC3相互作用區（LC3 interacting region，LIR）的受體，其通過與LC3結合來介導線粒體自噬。目前哺乳動物細胞中已鑒定出幾種類型的線粒體自噬受體或受體相關因子，包括Bnip3/Nix、FUNDC1和BCL2L13等［17-18］。其中Bnip3/Nix是具有BH3結構域的促凋亡蛋白，通過其C-末端跨膜結構域定位于線粒體外膜，并通過細胞質定向的典型N-末端LIR基序發揮線粒體自噬受體的作用，該基序有助于Bnip3/Nix與自噬體的結合。Bnip3的活性取決于多肽LIR區域兩側的絲氨酸17和24殘基的磷酸化情況，并刺激Bnip3與Atg8的成員LC3B和GATE-16的結合［19］。與Bnip3一樣，Nix的SWxxL LIR基序的絲氨酸34/35磷酸化可促進線粒體自噬［20］。定位在線粒體外膜的蛋白FUNDC1具有3個跨膜結構域和1個暴露于細胞質的典型N-末端LIR Y（18）xxL23基序，用于與LC3和GABARAP蛋白結合。正常情況下，FUNDC1的活性是受酪氨酸18和絲氨酸13的磷酸化狀態來調控的；在缺氧應激條件下，FUNDC1的絲氨酸13和酪氨酸18發生去磷酸化，進而誘導線粒體自噬［21-22］。BCL2L13中的WxxL LIR基序通過與LC3結合來介導線粒體自噬。BCL2L13可通過其C終端跨膜結構域錨定到線粒體外膜［23］。BCL2L13的BH結構域在沒有動力相關蛋白1（dynamic-related protein 1，Drp1）的情況下可誘導線粒體分裂，并將片段化的線粒體轉移到自噬體和溶酶體中［20］。

1.1.3 脂質介導的線粒體自噬 脂質介導的線粒體自噬指某些脂質分子，如神經酰胺和心磷脂，在定位于線粒體外膜時也起到線粒體自噬受體的作用，這些脂質可直接與LC3相互作用以誘導線粒體自噬［24-25］。

1.2 非典型線粒體自噬 非典型線粒體自噬參與線粒體質量控制的調節，其中線粒體衍生囊泡（mitochondria derived vesicles，MDV）可介導受損線粒體向溶酶體轉移并降解。盡管該過程存在于整個線粒體，但其誘導的MDV以溶酶體為靶點，不需要犧牲整個線粒體，而是小規模的損傷［9-11］。

2 線粒體自噬與PH的關系

有證據表明，PH患者以及PH小鼠模型中線粒體自噬增加，線粒體生物合成減少［26-27］。在肺動脈內皮細胞（pulmonary artery endothelial cells，PAECs）中，線粒體自噬和解偶聯蛋白2（uncoupling protein 2，UCP2）通路在肺血管重塑中發揮重要作用。研究表明，UCP2缺失的PAECs可增加PINK1和Parkin水平，從而增加線粒體自噬，并導致PH的發展［26］。除了PAECs中的線粒體自噬在PH中發揮作用，研究表明，PH的發生與肺動脈平滑肌細胞（pulmonary artery smooth muscle cells，PASMCs）中的線粒體自噬有關［28-29］。研究顯示，凋亡誘導因子（apoptosis inducing factor，AIF）作為一種關鍵的線粒體靶蛋白，可參與線粒體自噬信號通路，并誘導自噬，引起PASMCs過度增殖，進而誘發PH，提示線粒體自噬在PH發生發展中發揮重要作用［28］。同樣的，LI等［29］發現，缺氧可以激活PINK1/Parkin介導的線粒體自噬通路，誘導PASMCs過度增殖，導致低氧性肺動脈高壓（hypoxic pulmonary hypertension，HPH）。在PH進展過程中，除了PAECs和PASMCs中的線粒體自噬在PH中發揮作用外，肺動脈血管周圍巨噬細胞極化也發揮著至關重要的作用，包括啟動和維持炎性反應的M1型巨噬細胞和釋放抗炎遞質的M2型巨噬細胞。

3 線粒體自噬在巨噬細胞代謝重編程中的作用

代謝重編程指腫瘤細胞為了在極端微環境下存活而對其合成和分解代謝進行調節以獲得所需能量和物質的過程，該過程主要涉及糖類、脂質、氨基酸等代謝途徑的調節。然而，研究表明，類似Warburg效應的代謝重編程也存在于快速增殖的細胞中，包括各種類型的免疫細胞，并決定了免疫細胞亞群在炎癥組織或癌癥等疾病條件下的功能［30-32］。并且，在神經元分化和巨噬細胞激活期間，線粒體自噬促進了代謝向糖酵解的轉變，表明線粒體自噬和代謝重編程之間存在聯系，線粒體自噬是細胞代謝的關鍵調節器［33］。

巨噬細胞是一種具有異質性的免疫細胞群，在體內平衡和免疫應答中發揮多種功能。巨噬細胞的功能依賴于其異質性和可塑性，其在感知微環境方面具有高度專一性，并相應地改變自身的特性。巨噬細胞表型和功能的改變常伴隨著細胞代謝的改變［4］。然而，巨噬細胞是腫瘤微環境的主要組成部分。研究表明，M1型巨噬細胞可分泌抑制腫瘤生長和發展的促炎因子，而腫瘤相關巨噬細胞（tumor associated macrophage，TAM）主要表現為M2表型［34-35］。巨噬細胞可誘導代謝重編程，其特征是有氧糖酵解增加，戊糖磷酸途徑增加［36］。

3.1 糖代謝 糖代謝可分為分解代謝和合成代謝兩個方面，是細胞維持生命活動的主要能量來源。糖代謝途徑主要有葡萄糖的無氧酵解、有氧氧化、磷酸戊糖途徑等。多項研究表明，線粒體自噬促進了代謝向糖酵解的轉變，并促進了巨噬細胞向M1表型極化，而M1型巨噬細胞極化期間存在Nix依賴的代謝改變［5，33，37］。在巨噬細胞代謝重編程過程中，除了Nix介導的線粒體自噬外，PINK1介導的線粒體自噬也發揮作用，MENG等［38］發現，牛磺酸可以抑制S-腺苷甲硫氨酸（S-adenosyl methionine，SAM）依賴的PP2A催化亞基C亞基（protein phosphatase 2A catalytic subunit C，PP2Ac）甲基化，從而阻斷PINK1介導的線粒體自噬，進而阻礙能量代謝轉化為M1型巨噬細胞所需的糖酵解?？傊?，上述研究說明了線粒體自噬可促進巨噬細胞代謝向糖酵解方向轉化，進而促進巨噬細胞向依賴糖酵解供能的M1型巨噬細胞方向極化。然而，有研究表明，線粒體自噬會促進巨噬細胞代謝向氧化磷酸化（oxidative phosphorylation，OXPHOS）方向轉變［39-40］。研究發現，IL-10可促進線粒體自噬，其機制可能為IL-10通過信號轉導和轉錄激活因子3（signal transducers and activators of transcription 3，STAT3）改善線粒體功能，進而抑制mTORC1，導致糖酵解下降，即IL-10通過線粒體自噬重編程巨噬細胞的代謝，進而促進OXPHOS［39-40］。然而，有研究表明，胃癌患者的PINK1缺乏抑制線粒體自噬功能，可促進Warburg效應，從而促進巨噬細胞向M2型巨噬細胞方向極化，進而促進腫瘤生長［41］。但其具體機制目前尚不明確，有研究表明，IL-33/生長刺激表達基因2蛋白（growth stimulation expressed gene 2，ST2）軸可能在其中發揮作用，其可增強細胞OXPHOS，從而促進M2極化基因表達，最終促進腫瘤生長［42］。而在PH中形成的外膜微環境則是由代謝重編程調節巨噬細胞極化完成的，多項研究表明，PH患者的巨噬細胞代謝會向糖酵解方向轉變，并減少OXPHOS［43-44］，其機制可能是依賴糖酵解的M1型巨噬細胞在三羧酸循環（tricarboxylic acid cycle，TCA）中出現兩次代謝異常，導致衣康酸和琥珀酸不斷增多［4］。而過量的琥珀酸可穩定缺氧誘導因子1α（hypoxia inducible factor-1α，HIF-1α），進而激活糖酵解基因的轉錄，從而維持M1型巨噬細胞的糖酵解代謝。相反，M2型巨噬細胞更依賴OXPHOS，其TCA是完整的，并為電子傳遞鏈（electron transport chain，ETC）的復合物提供底物［4］。

3.2 脂代謝 巨噬細胞極化方向與脂代謝有關，其中M1型巨噬細胞會將多余的脂肪酸以三酰甘油和膽固醇酯的形式儲存在脂滴中，而M2型巨噬細胞使脂肪酸進行再酯化和β氧化［45］，故脂肪酸氧化對M2型巨噬細胞的抗炎功能很重要。在M1型巨噬細胞中，TCA被打破，導致檸檬酸轉化為游離脂肪酸。而飽和游離脂肪酸可激活巨噬細胞中的kappa B抑制因子激酶（inhibitor of kappa B kinase，IKK）和JNK1信號分子，從而誘導巨噬細胞向M1型方向極化。而有研究表明，IL-4誘導了巨噬細胞脂肪酸氧化和線粒體生物發生的細胞途徑，從而促進巨噬細胞極化為M2型巨噬細胞，其機制可能與調節脂肪酸β氧化的重要基因相關［45］。總之，調控巨噬細胞中脂肪酸氧化過程可能會對其極化方向產生影響。正常的線粒體功能在調節脂代謝和細胞能量供應方面起關鍵作用，線粒體自噬可以促進線粒體脂肪酸氧化，從而抑制肝臟脂肪酸積累，改善肝臟胰島素抵抗［46］。除此之外，線粒體自噬也調控著高脂飲食期間心臟線粒體的質量，而抑制線粒體自噬會導致線粒體功能障礙和脂質積累，此作用與Parkin介導的線粒體自噬相關［47］。有研究通過抑制細胞內抗微生物蛋白——鳥苷酸結合蛋白1（guanylate-binding protein 1，Gbp1）表達發現，巨噬細胞的線粒體呼吸功能受損，線粒體自噬被抑制，下調編碼ETC成分的基因以及參與脂肪酸氧化和線粒體功能的基因可導致巨噬細胞向M1型巨噬細胞極化，提示Gbp1可能通過促進線粒體自噬來維持線粒體功能，從而對炎癥誘導的巨噬細胞表型變化和代謝失調起到保護作用。

3.3 氨基酸代謝 氨基酸代謝，尤其是精氨酸、谷氨酰胺、絲氨酸、甘氨酸和色氨酸，對巨噬細胞極化至關重要。其中M1型巨噬細胞極化需要氨基酸代謝。例如，精氨酸琥珀酸合酶在M1型巨噬細胞中表達明顯上調［48］。抑制谷氨酸草酰乙酸轉氨酶可降低NO、IL-6水平，這是M1型巨噬細胞的特征。還有研究表明，谷氨酰胺代謝也與巨噬細胞極化有關，而α-酮戊二酸是TCA的中間產物，也是由谷氨酰胺代謝產生的；α-酮戊二酸對于脂肪酸氧化的M2型巨噬細胞的激活很重要；低α-酮戊二酸/琥珀酸鹽比率可增加M1型巨噬細胞的活化水平，高α-酮戊二酸/琥珀酸鹽比率可促進巨噬細胞向M2型巨噬細胞極化［49］。此外，抑制谷氨酰胺合成酶可使巨噬細胞向M1型巨噬細胞極化，其特征是細胞內谷氨酰胺減少、琥珀酸增加和糖酵解增加，這與HIF-1α活化有關［50］。在癌細胞中，sirtuins可通過影響基本氨基酸的代謝來控制線粒體自噬，其能夠控制谷氨酰胺代謝，影響氨的積累，并直接或間接地控制線粒體自噬以及腫瘤微環境［51］。PH血管重塑機制相關研究發現，血管周圍成纖維細胞具有獨特的促炎表型，活化的成纖維細胞可通過旁分泌IL-6來促進巨噬細胞表達精氨酸酶1［52-53］，因此精氨酸酶1表達增加可能與PH相關血管重塑中巨噬細胞與成纖維細胞相互作用有關，其中成纖維細胞來源的乳酸和IL-6促進巨噬細胞表達HIF-1α和精氨酸酶1［53］，而精氨酸酶1下游的巨噬細胞來源的多胺和IL-1b可以反過來激活成纖維細胞并促進其增殖。

4 小結及展望

線粒體自噬可維持線粒體數量及質量，在PH發生發展中發揮重要作用，其機制可能與激活PINK1/Parkin介導的線粒體自噬通路有關。巨噬細胞會受免疫微環境影響而分化為不同功能的亞群，這些免疫微環境受基礎代謝的改變而改變。線粒體作為細胞代謝控制中心，在巨噬細胞極化過程中發揮重要作用，線粒體自噬可能促進巨噬細胞向M1型巨噬細胞極化，并促進PH的發生發展。在未來，通過進一步研究線粒體自噬在巨噬細胞代謝重編程中作用的具體機制，可能為PH等巨噬細胞相關疾病提供新的治療靶點。

作者貢獻：孫佳偉進行文獻資料的收集和分析，撰寫論文；劉美洋、崔志峰、宮小薇進行文獻資料的分析、整理；袁雅冬負責文章的質量控制及審校，對文章整體負責、監督管理。

本文無利益沖突。