低氧誘導因子1α增強線粒體質量調控延緩急性腎損傷的研究進展

趙 娟 鄒春波

江蘇省泰州市人民醫院腎內科 225300

急性腎損傷(AKI)是臨床上嚴重疾病的常見并發癥，短期內引起腎功能減退，AKI發作后也可能會持續性損害腎臟功能，轉變成慢性腎臟病甚至是依賴透析的終末期腎病(ESKD)，AKI腎功能恢復的程度會明顯影響這些治療終點，因此，盡可能恢復腎功能是預防和治療AKI的目標[1]。研究報道，急性腎損傷發展成慢性腎臟病的機制包括在腎組織壞死感染過程中，增加組織炎癥反應，進而引起腎間質纖維化[2]。腎臟纖維化實際上是很多腎臟疾病發展到終末期的標志。最近的研究表明低氧在急性腎損傷發展到慢性腎臟病導致腎纖維化發展過程中起了關鍵作用[3]，本文綜述了低氧誘導因子(HIF)在緩解急性腎損傷的進展中的作用，探索HIF-1α緩解急性腎損傷的作用機制。

1 HIF的分型與功能

1.1 HIF的分型 HIF在腎臟低氧適應性疾病中發揮重要作用，在結構上，HIF屬于基本的螺旋—環—螺旋轉錄因子，由低氧誘導型α-亞基和組成性表達的核β-亞基組成，在哺乳動物基因組中，HIF分為三種基因亞型(HIF1-3)。在正常的氧氣條件下，HIF-α亞基受到一組稱為HIF脯氨酰羥化酶(PHD)的嚴格調控。PHD是非血紅素鐵和2-氧代戊二酸酯依賴性雙加氧酶，可在特定脯氨酸殘基處羥化HIF-α亞基[4]。在低氧條件下，PHD的酶活性受到抑制，未修飾的HIF-α不會降解，而是與HIF-β及其轉錄共激活因子(如CBP/p300)形成功能復合體。該復合物與低氧反應元件結合并轉錄調控眾多HIF調控的基因，從而在細胞水平上產生了許多針對低氧的代償反應。α亞基由三個基因編碼：HIF-1α、HIF-2α和HIF-3α，三者結構極為相似， 但是各自功能仍有區別[5]， HIF-1α在低氧情況下穩定地積聚在細胞核中負責轉錄糖酵解相關酶和凋亡調節蛋白，作為氧穩態的主要調節劑，與HIF-1β的DNA結合并刺激其靶基因的轉錄[6]。由此得出結論，HIF-1α激活了低氧適應性反應中必不可少的基因，減少細胞對氧氣需求，并增加氧氣輸送和組織供氧的途徑。

1.2 HIF-1α的功能

1.2.1 低氧主要通過許多靶基因的HIF-1α激活低氧信號通路，例如促紅細胞生成素、乳酸脫氫酶、血管內皮生長因子(VEGF)，從而介導血管生成，促進新陳代謝和細胞增殖，激活糖酵解酶的轉錄等為組織補充血液和氧氣的過程[7]。HIF-1α是在體內和體外最有效的促血管生成因素之一[8]，能改善局部微循環，通過影響血管生長和功能，增加O2的運輸并調節O2利用。活性氧(ROS)在低氧時起第二信使的作用，可以穩定HIF-1α蛋白，誘導血管生成因子的產生，表明內源性ROS通過HIF-1α的表達來上調VEGF[9]，為研究AKI中HIF-1α的腎臟保護作用提供了強有力的依據。

1.2.2 HIF-1α在炎癥反應中起著至關重要的作用， HIF-1α可以通過增強細胞氧化還原的能力，從而抑制低氧時線粒體產生ROS。細胞中存在大量的氧化還原活性三肽谷胱甘肽，吸收自由基并維持蛋白質的氧化還原狀態。研究表明，HIF-1α有助于增加谷胱甘肽的合成，HIF-1α既負責上調直接參與谷胱甘肽生物合成的酶，又負責上調參與谷胱甘肽三個組成氨基酸的生物合成的酶[10]。HIF-1α增強了細胞的抗氧化防御能力，使低氧時細胞線粒體的ROS產生最小化，進而在腎臟炎癥反應過程中發揮重要作用。

1.2.3 激活 HIF-1α通路能穩定線粒體的結構和功能，增強能量代謝，并增強線粒體呼吸功能和呼吸酶活性而保護細胞自身[11]。線粒體是細胞內的細胞器，在細胞利用ATP進行能量轉換的過程中至關重要，也能在啟動細胞凋亡中起關鍵作用。維持線粒體的穩態對于細胞的存活至關重要，線粒體自噬是一種保護性機制，可在暴露于不同刺激降解溶酶體中受損的線粒體。最近的研究已經證實，線粒體自噬在細胞壞死病的調控中起著至關重要的作用，在成神經細胞中，強心苷激活線粒體自噬抑制了線粒體膜電位的耗散、線粒體通透性轉換孔(mPTP)的開放和細胞的壞死。在慢性阻塞性肺疾病的進展過程中，線粒體的自噬還可以減少由于暴露于煙霧而導致壞死性死亡的人肺動脈內皮細胞的數量，在心衰發展的過程中線粒體自噬的缺失增加了mPTP 的開放，最終導致心肌細胞壞死[12]。增強腎組織線粒體自噬可能對急性腎損傷也有保護作用。目前已有研究表明順鉑可誘導人近曲腎小管上皮細胞的線粒體自噬作用，避免損傷的線粒體釋放活性氧或促凋亡物質等而對細胞造成進一步的損傷，維持細胞內環境的穩態，從而改善腎小管細胞毒性損傷，減少更多的細胞凋亡[13]。

上述結果表明，在腎臟缺氧的發生過程中，HIF-1α可通過介導血管生成為腎臟提供氧氣，改善腎臟微循環，為延緩腎臟纖維化提供重要作用，并且低氧情況下增加氧化還原的能力降低炎癥反應。最重要的是，穩定線粒體的結構與功能促進線粒體自噬，進而緩解AKI。

2 HIF對線粒體質量調控

2.1 改變線粒體的分布、運動、形態 線粒體是影響細胞內氧氣供應的重要細胞器，是三磷酸腺苷(ATP)的主要生產中心。低氧是導致線粒體網絡分布發生改變的少數生理刺激之一，均已報道為向核的逆行重新分布，線粒體運動沿著微管(MT)發生逆行(朝向MT負端)或順行(朝向MT正端)。細胞中過表達線粒體運動調節劑(HUMMR)會導致線粒體運輸異常，低氧使HIF-1α明顯誘導上調HUMMR，HUMMR與線粒體蛋白Miro-1和Miro-2相互作用，這對于介導線粒體運輸至關重要。敲除低氧神經元的HUMMR或敲除HIF-1α可顯著降低軸突中線粒體的含量，改變線粒體運輸和分布[14]。另外，HIF-1α改變線粒體的運動分布，其中最廣泛研究的聯系是細胞內Ca2+，當細胞內Ca2+升高時，會阻止許多細胞類型中基于微管的線粒體運動[15]，這可能與HIF-1α促進Ca2+的細胞間突觸運動有關。

2.2 調節線粒體的自噬 在常氧狀態下，線粒體形成管狀網絡，有利于氧化磷酸化和ATP的產生。在低氧條件下，線粒體發生裂變并以單細胞器的形式出現促進本身吞噬，并且可以使ROS的產生保持在較低的生理水平[16]。線粒體功能主要受細胞內ROS和線粒體膜電位的影響，ROS的產生主要來自線粒體，研究發現腎臟糖基化終產物(AGEs)可以影響細胞功能并通過 ROS 激活自噬，而自噬反過來可以保護細胞免受 AGEs 引起的功能障礙[17]。線粒體功能障礙增加了ROS的產生，并且通過增加線粒體DNA的突變，線粒體功能障礙加劇的“惡性循環”促進了自噬，從而降低ROS的整體含量[18]。線粒體自噬是唯一確定的線粒體更新機制，并且與低氧密切相關。線粒體自噬受體 (NIX)在低氧時高度上調，并定位于線粒體，線粒體結合的NIX與自噬小體定位的微管相關蛋白輕鏈3 (LC3)相互作用，形成線粒體-NIX-LC3-自噬小體復合物，導致線粒體自噬[19]。自噬是一種保守的細胞進化途徑，負責將細胞物質遞送至溶酶體使其降解，自噬能力下降與應激反應與衰老失調相關，腎臟中線粒體的自噬還可以防止溶酶體破裂引起的炎癥損傷進一步強烈激活炎癥[20]。研究證明線粒體自噬是由低氧誘導的，該過程需要HIF-1α依賴的BCL-2相互作用蛋白3(BNIP3)以及哺乳動物自噬蛋白Beclin-1和自噬相關蛋白5(Atg5)的組成型表達[21]。BNIP3、LC3-Ⅱ及 Beclin-1 、Atg5為自噬激活的常用檢測指標。BNIP3與Beclin-1競爭與BCL-2的結合，從而釋放Beclin-1來激活自噬。在低氧條件下，HIF-1α的過表達可增強低氧誘導的自噬，而抑制HIF-1α則可抑制自噬，這歸因于HIF-1α調節BNIP3的表達[22]。在正常的生理條件下，BNIP3的表達水平較低，但在低氧的條件下，HIF-1α介導的BNIP3表達水平急劇增加，此外，BNIP3是線粒體自噬受體，被認為是低氧誘導的線粒體自噬的重要信號分子，BNIP3啟動子具有兩個HIF-1α結合位點，相對于翻譯起始密碼子，位于-234處的位點是低氧和HIF-1α進行反式激活所必需的。相關文獻報道，穩定HIF-1α表達可能通過促進心肌組織LC3-Ⅱ、BNIP3表達增強心肌細胞線粒體自噬，發揮對Ⅰ型糖尿病大鼠低氧心肌的保護作用[23]。自噬通過清除受損的細胞器如破碎的線粒體、錯誤折疊的蛋白質、細胞內病原體，在維持細胞內外平衡中發揮重要作用。增強自噬可使細胞損傷最小化，并加速組織恢復[24]。以上說明，HIF-1α誘導線粒體自噬對腎臟具有保護作用,深入研究低氧條件下HIF-1α誘導線粒體自噬的具體機制有可能為疾病的診治提供新的方向。

2.3 促進線粒體的融合與裂變 線粒體融合蛋白(OPA1)是與線粒體融合和延伸相關的蛋白質，而線粒體裂變蛋白(DRP1)是線粒體裂變中的關鍵分子，這是線粒體降解成線粒體片段的重要因素[25]。線粒體是網狀結構裂變，裂變允許線粒體在整個細胞內分布，并在某些情況下通過釋放細胞色素C促進細胞凋亡[16]，DRP1是線粒體裂變過程中最核心的蛋白，減弱DRP1的磷酸化，從而促進了裂變。DRP1和OPA1表達的變化不僅與線粒體動力學有關，而且與線粒體的自噬也有密切聯系[26]。一方面，相關研究表明HIF-1α誘導的低氧誘導基因域家族蛋白(HIGD1A)靶向作用OPA1時，線粒體被保護而免于切割，促進了與線粒體融合素(Mfn1)的相互作用，從而促進了融合[27]。另一方面，BNIP3與OPA1的結合促進了OPA1與Mfn1的分離，從而促進了裂變并進一步推動了細胞向凋亡的方向發展[28]，除OPA1裂解外，低氧下ATP丟失，也可能引起線粒體裂變。異常升高的線粒體裂變誘導ROS產生，從而激活了線粒體的自噬，整體上來看， ROS含量隨著線粒體的自噬而降低。線粒體衰竭可以誘導腺泡細胞(OPA1，DRP1，Parkin1和VMP1表達)的表型變化，從而觸發線粒體重塑過程。這些變化包括融合事件(通過OPA1)和裂變事件(通過DRP1)引發新的功能性線粒體或者受損和去極化的線粒體，后者被選擇性地檢測后完成自噬[29]。更好地了解恢復線粒體功能的分子機制，例如線粒體動力學變化，可以為低氧引起的AKI提供治療策略。

2.4 AKI與線粒體的質量調控 線粒體質量調控參與AKI的發生，以及發生AKI 后的腎臟修復過程。抗氧化防御、線粒體動力學、線粒體自噬和線粒體融合與裂變等多種質量調控機制都可以在生理和病理條件下保持線粒體穩態。沒有這些機制作用可能會導致線粒體損傷和功能障礙，導致細胞死亡、組織損傷，并導致腎功能衰竭。線粒體自噬在AKI 中發揮著重要作用，為了滿足電解質重吸收和廢物排泄過程的高能量需求，腎臟的線粒體和氧氣消耗量僅次于心臟，居第二位，氧化應激增加、炎癥和氧氣消耗都與 AKI相關，維持細胞穩態和線粒體質量調控，促進線粒體去極化和功能障礙，從而引發線粒體自噬，能減少炎癥對AKI患者的腎臟產生細胞損害，腎組織中線粒體的自噬功能的喪失是指自噬體的溶酶體降解被阻斷，相關研究也提出近端小管中線粒體自噬功能的喪失也會加重損傷腎小管和腎功能[30]，針對線粒體質量調控以保護和恢復線粒體功能的特定干預措施已成為預防和治療腎損傷和加速腎臟修復的治療策略，線粒體融合和裂變控制線粒體形態，維持線粒體形態的穩定可促進受損腎臟的恢復，進一步完成AKI患者的腎臟修復。

3 展望

線粒體質量調控與多種疾病的發生發展密切相關，對延緩AKI的進展也至關重要，在AKI發展至慢性腎衰的過程中，低氧誘導因子對線粒體質量調控的機制有待進一步研究，線粒體質量調控介導的AKI腎功能的恢復也將成為今后深入探索的熱點課題，在低氧的情況下，HIF可以明顯上調線粒體的自噬從而緩解細胞炎癥，提高抗氧化功能，可能會為恢復急性腎臟病腎功能提供另一種研究方向。