過氧化物酶體與線粒體的氧化還原相互作用及其在疾病中的研究進展

賀章敏，鐘雯婕，高翔，宋錦璘

過氧化物酶體與線粒體的氧化還原相互作用及其在疾病中的研究進展

賀章敏，鐘雯婕，高翔，宋錦璘

重慶醫科大學附屬口腔醫院正畸科 口腔疾病與生物醫學重慶市重點實驗室 重慶市口腔生物醫學工程重點實驗室，重慶 401147

過氧化物酶體與線粒體是活性氧調控的關鍵細胞器，二者相互作用維持細胞內氧化還原穩態，但其機制尚不明確。二者的相互作用異常與細胞器生物發生缺陷相關疾病、衰老及病毒感染等的發生發展相關。本文綜述過氧化物酶體與線粒體在氧化還原穩態調控中的相互作用及機制研究進展，并闡述這種氧化還原相互作用異常在疾病中的作用，為深入研究過氧化物酶體與線粒體的氧化還原在疾病發生發展中的作用及疾病的診斷與治療提供新思路。

過氧化物酶體；線粒體；活性氧；氧化還原

1 引言

活性氧（reactive oxygen species，ROS）是指超氧陰離子（O2·-）、過氧化氫（H2O2）、羥自由基等含有氧的活性物質[1]。過量ROS堆積會改變細胞氧化還原狀態，導致氧化應激，是多種疾病發生發展的危險因素。過氧化物酶體和線粒體是調節ROS生成和清除動態平衡的主要細胞器，二者具有相應的氧化還原系統。過氧化物酶體和線粒體的相互作用對維持細胞氧化還原穩態具有重要意義，近年來備受學者關注。

2 過氧化物酶體的氧化還原系統

過氧化物酶體是高度動態的單層膜細胞器，執行超長鏈脂肪酸的氧化、H2O2的產生與分解及磷脂合成等多種功能，對維持細胞氧化還原穩態至關重要[2]。其氧化與還原相關酶見表1。

2.1 氧化系統

過氧化物酶體是細胞內ROS的主要合成場所之一。在肝臟，過氧化物酶體產生的H2O2是細胞總產量的35%[3]。過氧化物酶體還可生成O2·-，后者可轉化為H2O2，進一步增加細胞內H2O2含量。H2O2在Fe2+存在的條件下，通過芬頓反應生成毒性更強的羥自由基，導致細胞脂質過氧化及DNA斷裂，誘導細胞發生鐵死亡[4]。

2.2 還原系統

經上述途徑生成的H2O2主要由過氧化物酶體中含量最豐富的抗氧化酶即過氧化氫酶（catalase，CAT）介導[5]。此外，可消除H2O2的酶還有過氧化物還原酶5和谷胱甘肽過氧化物酶（glutathione peroxidase，GPX）[6]。O2·-可經超氧化物歧化酶催化[7]，盡可能多地轉化為H2O2進而被清除。

表1 過氧化物酶體的氧化還原系統

3 線粒體的氧化還原系統

線粒體通過氧化磷酸化產生三磷酸腺苷（adenosine triphosphate，ATP）維持細胞的能量供應，保證細胞正常功能。在這一過程中，線粒體ROS（mitochondrial reactive oxygen species，mtROS）作為副產物被生成。與過氧化物酶體類似，線粒體也可清除ROS以避免氧化應激導致的病理改變，見圖1。

圖1 線粒體的氧化還原系統

注：SOD為超氧化物歧化酶；GSH為還原型谷胱甘肽；GSSG為氧化型谷胱甘肽；GPX為谷胱甘肽過氧化物酶；GR為谷胱甘肽還原酶；Prx為過氧化物還原酶；Trx-（SH）2為還原型硫氧還蛋白；Trx-S2為氧化型硫氧還蛋白；TrxR為硫氧還蛋白還原酶；NADPH為還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸；NADP+為煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸

3.1 氧化系統

細胞進行生物氧化時，生物大分子產生的還原型輔酶Ⅰ或還原型黃素腺嘌呤二核苷酸被轉運至線粒體呼吸鏈，電子在呼吸鏈中依次傳遞，消耗O2并生成ATP。然而，少量電子可漏出呼吸鏈，直接與O2結合形成O2·-。線粒體含有至少10個ROS產生位點，主要位于復合體Ⅰ和Ⅲ，也有復合體Ⅱ產生H2O2的報道[8]。O2·-進一步轉化為H2O2、羥自由基等毒性更強的ROS，嚴重損傷細胞。

3.2 還原系統

線粒體O2·-的清除主要依賴線粒體基質中的錳超氧化物歧化酶和膜間隙中的銅/鋅超氧化物歧化酶，將O2·-轉化為H2O2和O2[9]。哺乳動物線粒體缺乏CAT（心臟與肝臟除外），其主要H2O2清除酶是GPX和硫氧還蛋白系統[10]。

4 過氧化物酶體與線粒體的氧化還原相互作用

過氧化物酶體和線粒體是調節氧化還原穩態的核心細胞器。多數研究表明，在哺乳動物細胞中，線粒體是過氧化物酶體的下游細胞器，對過氧化物酶體中ROS改變十分敏感。

過氧化物酶體中的CAT是聯系過氧化物酶體與線粒體的重要分子。通過過氧化物酶體靶向ROS誘導劑增加過氧化物酶體中ROS產生，可導致線粒體破碎、mtROS增加甚至細胞死亡，將CAT過表達至線粒體可抵消此細胞毒性，說明過氧化物酶體導致的線粒體損傷可能由線粒體H2O2增多引起[11]。此外，CAT的水平、活性或輸入過氧化物酶體的數量降低，均迅速增加mtROS，導致線粒體膜電位降低和電子傳遞鏈效率下降[12]。

過氧化物酶體的生物發生及動力學也可影響線粒體功能。表現在：①過氧化物酶體增殖物激活受體輔助活化因子PGC-1α不僅調節過氧化物酶體生物發生，也在線粒體的生物發生、抗氧化保護及ATP合成中發揮作用[13]；②過氧化物酶體生物合成相關分子Pex5敲除細胞中出現線粒體異常堆積和呼吸效率下降[14]；③Pex3下調影響過氧化物酶體生物發生，增加線粒體分裂[15]。此外，近期發現線粒體外膜蛋白Miro1/2負向調控依賴于DRP1的分裂以調節過氧化物酶體大小和形態，確保后者正常行使代謝功能[16]。

5 過氧化物酶體與線粒體氧化還原相互作用機制

過氧化物酶體與線粒體間氧化還原信號的傳遞依賴相關信使分子，后者包括ROS/活性氮（reactive nitrogen species，RNS）、ROS/RNS相關分子及脂肪酸代謝產物[17]，通過以下機制介導兩種細胞器間的氧化還原相互作用。

5.1 信使分子擴散

H2O2可從過氧化物酶體中自由擴散，直接誘導線粒體氧化應激或調節其他非線粒體途徑，以影響線粒體的氧化還原功能。某些水溶性代謝物如過氧化物酶體β-氧化產物，則可經過氧化物酶體膜通道蛋白轉運至細胞質，調控線粒體氧化還原功能。PXMP2是首個被發現的過氧化物酶體膜通道蛋白，在哺乳動物中普遍表達，可形成直徑約1.4nm的非選擇性通道，允許分子量上限為300～600Da的化合物擴散至細胞質[18]。

5.2 膜接觸位點

膜接觸是細胞器間常見的通信方式，這種細胞器間的近距離接觸與通過細胞質的分子擴散相比更加快速、精確。膜接觸位點（membrane contact site，MCS）發揮作用需要栓系結構，它由細胞器膜蛋白與相對細胞器膜蛋白或脂質相互作用形成，使兩種細胞器膜靠近但不融合。研究表明，含有ACBD2/ECI2栓系結構的過氧化物酶體-線粒體MCS在小鼠間充質腫瘤細胞中參與類固醇生物合成相關代謝物的轉運[19]。

Esposito等[20]近期在酵母中發現過氧化物酶體Pex11（生物發生相關）與線粒體Mdm34蛋白相互作用，形成過氧化物酶體-線粒體MCS。其中Pex11直接與二者共同的分裂蛋白FIS1作用，推測其可能通過調節細胞器動力學在ROS動態平衡中發揮作用。酵母中Fzo1（人線粒體融合蛋白同源物）與Pex34（哺乳動物Pex16同源物）過表達增加線粒體與過氧化物酶體之間MCS的數量[21]。Fzo1同時定位于線粒體與過氧化物酶體，可作為栓系結構促進細胞器之間β-氧化產物的轉運[22]。Pex34是一種在MCS處富集的過氧化物酶體膜蛋白，可促進乙酰輔酶A從過氧化物酶體向線粒體轉運[23]。然而，盡管Fzo1與Pex34參與潛在信使分子在過氧化物酶體與線粒體間的交流，但其對細胞器間氧化還原調控的影響仍不明確。

5.3 囊泡運輸

近年來，研究發現線粒體與過氧化物酶體間的新聯系——線粒體衍生囊泡（mitochondrial-derived vesicles，MDV）。MDV是由線粒體分泌的直徑70～100nm的囊泡，可選擇性攜帶貨物，并部分與過氧化物酶體融合[24]。線粒體可通過MDV將嵌入性膜脂質和可溶性膜蛋白運輸到過氧化物酶體。研究表明，MDV是氧化應激的早期反應[25]。ROS誘導含線粒體錨定蛋白連接酶的MDV生成，后者被運輸到過氧化物酶體中，可通過調節過氧化物酶體的形態影響其生理功能[26]。

線粒體和過氧化物酶體共享細胞器膜分裂的關鍵蛋白。有學者推測，MDV可能將這些蛋白（如FIS1和MFF）從線粒體轉運至過氧化物酶體，調節過氧化物酶體形態和功能，但此假說存在爭議[27]。由于線粒體可能參與過氧化物酶體的起源，也有學者推測線粒體與過氧化物酶體之間通過MDV的物質轉運在過氧化物酶體的形成中發揮重要作用[28]。過氧化物酶體也可能產生囊泡，并將其靶向至線粒體，但支持該現象的實驗證據尚不存在。

綜上，過氧化物酶體與線粒體氧化還原相互作用的信使分子及作用機制可歸納如圖2。盡管已有一定認識，但二者氧化還原相互作用的機制仍有待深入探究。

圖2 過氧化物酶體與線粒體相互作用的機制

6 過氧化物酶體與線粒體氧化還原相互作用在疾病中的作用

過氧化物酶體和線粒體的氧化還原相互作用紊亂可促進氧化應激相關病理狀態，與細胞器生物發生缺陷相關疾病和衰老的發生發展相關。二者還共同參與病毒感染的免疫反應。

6.1 細胞器生物發生缺陷相關疾病

過氧化物酶體或線粒體生物發生缺陷和（或）細胞器內功能蛋白質突變會導致嚴重甚至致命的遺傳性疾病[29-30]。過氧化物酶體生物發生缺陷病指過氧化物酶體生物發生出現異常，細胞內功能性過氧化物酶體缺乏，主要由關鍵調控基因PEX突變引起。該病患者大多數代謝途徑受到影響，代謝功能和神經系統發育嚴重障礙[31]。某些過氧化物酶體疾病中可發現線粒體超微結構改變和功能障礙，如在過氧化物酶體相關神經退行性變患者中發現線粒體氧化呼吸鏈障礙、氧化磷酸化異常、ROS增加，導致線粒體肌病。其中，腦肝腎綜合征是一種典型過氧化物酶體生物發生缺陷病，通常導致線粒體繼發性功能障礙，患兒多系統受累，伴有黃疸、肝功能障礙、嚴重的肌張力減退、頻繁癲癇發作和顱面畸形，通常在出生第1年內死亡[32]。線粒體生物發生缺陷對過氧化物酶體的影響仍有待研究。

6.2 衰老

傳統觀點認為，衰老是線粒體功能障礙導致氧化還原失衡、ROS堆積造成損傷的結果，且多種衰老相關疾病（糖尿病、帕金森病、特發性肺纖維化等）中均發現線粒體功能紊亂[33-35]。事實上，過氧化物酶體也發生衰老相關改變。在衰老細胞中，受損過氧化物酶體堆積，酶活性特別是CAT活性明顯降低，氧化還原失衡，ROS增加，進一步促進衰老。

在衰老及其相關疾病中，過氧化物酶體也可作為線粒體的上游調控后者。在傳代晚期的人二倍體成纖維細胞中恢復CAT向過氧化物酶體的輸入，可逆轉線粒體去極化并延遲衰老相關標志物β-半乳糖苷酶的出現[36]。增加過氧化物酶體增殖及過氧化物酶體抗氧化活性可恢復海馬神經元受β-淀粉樣蛋白誘導的線粒體功能障礙和神經毒性[37]。

6.3 病毒感染

過氧化物酶體和線粒體在宿主細胞的先天免疫反應中協同對抗病毒感染。哺乳動物免疫細胞表面表達模式識別受體，可識別病毒進入生物體后產生的病原相關分子模式，繼而誘導干擾素等產生，形成抗病毒感染的第一道防線。隨后，病毒蛋白和線粒體膜間相互作用促進ROS產生，觸發宿主抗病毒的先天免疫反應。線粒體抗病毒信號蛋白（mitochondria antiviral signaling protein，MAVS）最初在線粒體中被發現，它的CARD結構域可與RIG-1（一種模式識別受體）N端的caspase招募結構域相互作用，激活干擾素調節因子3和NF-κB通路，誘導Ⅰ型干擾素（type 1 interferon，IFN-1）表達[38]。MAVS也定位于過氧化物酶體中，在病毒感染時誘導快速短暫的依賴于IFN-1的免疫反應[39]。在人類免疫缺陷病毒、仙臺病毒、登革熱病毒和胞質細菌感染中，過氧化物酶體還可誘導IFN-3型反應，作為IFN-1型反應的補充[40]。因此，過氧化物酶體和線粒體協作在病毒感染及其誘導的氧化應激中發揮作用。

7 總結與展望

過氧化物酶體和線粒體是細胞內氧化還原調控的關鍵細胞器，過氧化物酶體可影響線粒體氧化還原狀態，二者在ROS相關疾病中協同加重氧化應激損傷。然而，目前學術界對過氧化物酶體與線粒體氧化還原的相互作用仍知之甚少，探究線粒體氧化還原失衡對過氧化物酶體的影響、二者氧化還原相互作用的機制及如何恢復二者間的氧化還原代謝紊亂，對未來相關疾病的防治具有重要意義。

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R363

A

10.3969/j.issn.1673-9701.2023.07.024

第66批中國博士后基金面上項目（2019M663893XB）

高翔，電子信箱：xiangg@hospital.cqmu.edu.cn

（2022–08–17）

（2023–02–11）