線粒體自噬調控腦缺血再灌注損傷及天然產物研究進展

陳 璐 李 瑞 沈志強

腦卒中是全世界引起殘疾或死亡的主要因素之一。其中,以缺血性腦卒中最為常見,約占全部腦卒中的80%,臨床主要通過天然產物溶栓使缺血性腦組織的血供迅速恢復。但隨著血流的快速恢復,代償會加劇腦組織損傷,即產生腦缺血再灌注損傷(cerebral ischemia reperfusion injury, CIRI)。研究發現,線粒體自噬參與了CIRI的發展進程,適度的線粒體自噬激活可減輕腦缺血后的線粒體功能障礙,但過度的線粒體自噬會加劇氧化應激損傷腦組織[1]。因此,通過調控線粒體自噬維持線粒體功能正常可能是治療CIRI的關鍵。本文討論了線粒體自噬介導CIRI的主要通路以及作用機制,總結歸納了靶向線粒體自噬治療CIRI的天然產物的研究進展,以期為CIRI治療提供理論基礎和新的思路。

一、線粒體自噬與腦缺血再灌注損傷

2005年首次提出了線粒體自噬的概念,線粒體自噬作為一種選擇性自噬,目的是去除多余或功能失調的線粒體,是線粒體穩態不可或缺的過程。在CIRI發生、發展過程中,大量產生的活性氧(reactive oxygen species,ROS)、活性氮和Ca2+富集,會導致細胞毒性水腫,引起線粒體通透性轉換孔異常開放,加速線粒體外膜破裂和內膜腫脹,促進細胞色素C等促凋亡因子的釋放和炎性反應,最終破壞DNA和結構蛋白導致細胞死亡。線粒體自噬具有雙刃劍效應,其具體的影響與CIRI的過程密切相關。

二、參與CIRI的經典線粒體自噬信號通路

1.PINK1/Parkin信號通路:線粒體自噬有多種信號通路參與調控其自噬過程。其中,研究最多、最具特征性的線粒體自噬途徑涉及人第10號染色體缺失的磷酸酶及張力蛋白同源的基因誘導假定激酶1/E3泛素連接酶(PTEN induced putative kinase 1/Parkin,PINK1/Parkin)通路。在該通路中,線粒體膜去極化后導致PINK1的積累,其將泛素磷酸化后激活Parkin,并磷酸化其他細胞質受體蛋白,募集微管相關蛋白輕鏈3(microtubule-associated protein1 light chain3,LC3)并與之結合,最終被溶酶體識別、吞噬和降解。Wen等[2]研究發現,再灌注逆轉了腦缺血引起的線粒體清除障礙,促進了PINK1和Parkin的表達,改善了短暫性腦缺血后海馬神經元損傷。之后,有研究發現在大鼠腦皮質缺血半影區檢測到受損線粒體中PINK1的積累,Parkin和p62向線粒體易位,證實了PINK1/Parkin信號通路參與了CIRI后的病理生理過程。

2.NIX/Bnip3信號通路:凋亡蛋白Bcl-2腺病毒E1B 19kDa蛋白相互作用蛋白3類似物(Nip3-like protein X,NIX)/Bcl-2腺病毒E1B 19kDa蛋白相互作用蛋白3(Bcl-2/adenovirus E1B-19kD-interacting protein,Bnip3)信號通路也參與了CIRI的發生和發展。NIX 和Bnip3定位于線粒體外膜,可通過LC3直接與自噬小體結合。研究發現,Bnip3或NIX能與Bcl-2(或相關蛋白)結合,并從Bcl-2復合物中釋放Beclin1,激活自噬發生。另外,NIX/Bnip3和缺氧誘導因子-1α的相互影響可介導線粒體自噬,阻止ROS 水平的增加[3]。還在Bnip3-KO小鼠中發現減少Bnip3與LC3的相互作用可以抑制線粒體自噬,腦梗死體積減少,提示Bnip3基因沉默有利于腦卒中后的神經保護。

4.其他信號通路:除此之外,磷脂酰肌醇激酶/磷酸化蛋白激酶B(phosphatidylinositol-3-kinase/ protein kinase B,PI3K/Akt)信號通路和AMP依賴的蛋白激酶/哺乳動物雷帕霉素靶蛋白[adenosine 5′-monophosphate (AMP)-activated protein kinase/ mammalian rapamycin target protein,AMPK/mTOR]通路等也參與調控線粒體自噬,并且與先前提到的經典通路可能存在著些許聯系,協同影響著CIRI的過程,但他們之間的具體影響機制尚需深入研究(圖1)。

圖1 CIRI的分子級聯反應和相關線粒體自噬通路圖

三、以線粒體自噬為關鍵干預環節治療CIRI的天然產物

越來越多的證據表明,天然產物可以通過調控線粒體自噬,發揮清除受損線粒體作用的同時不易因過度線粒體自噬而產生腦組織持續性損傷。以下歸納了部分靶向線粒體自噬治療CIRI的天然產物,以期為治療CIRI提供實驗基礎和理論數據。

1.苷類

(1)人參皂苷:人參皂苷(ginsenoside)是一種皂苷類化合物,是傳統中藥人參的主要活性成分之一。研究發現,人參皂苷通過抑制mTOR表達,減少中動脈栓塞/再灌注(middle cerebral artery occlusion/ Reperfusion,MCAO/R)大鼠的線粒體DNA損傷和凋亡因子胱天蛋白酶的裂解,還可以增加線粒體呼吸鏈復合體的活性,促進ATP產生[5]。另外,人參皂苷還可以激活AMPK信號通路啟動線粒體自噬,保護神經元細胞免受損傷。線粒體自噬的保護作用可能與CIRI的不同時期以及腦缺血程度有關[6]。

(2)松果菊苷:松果菊苷(echinacoside,ECH)是肉蓯蓉總苷中濃度最高的苯乙醇苷。報道發現,ECH通過抑制線粒體自噬保護神經元免受損傷,從而在預防和治療CIRI過程中發揮重要作用[7]。另外,ECH能夠增強線粒體融合蛋白2的表達,有效改善了線粒體形態和功能,減少了腦損傷,這些研究均表明與抑制過度線粒體自噬有關[8]。

(3)地黃苦苷:熟地黃是一種藥用植物,作為中風方劑的重要組成部分,在傳統中醫中已使用了數百年。地黃苦苷(rehmapicroside)是熟地黃的主要活性成分,其能通過Drp1/PINK1/Parkin信號通路,升高線粒體膜電位,抑制線粒體自噬激活,減少氧化應激,減輕腦梗塞面積并改善神經功能,提示地黃苦苷可能是一種潛在的抗CIRI的候選單體天然產物[9]。

2.黃酮類

在俠世界·中州之上，有這樣一群豪杰，他們不從屬于任何一方勢力，他們行走江湖，只為以武會友、快意恩仇，時人慕其風采，稱其為“游俠”。

(1)木犀草素:木犀草素(luteolin)是一種天然四羥基黃酮化合物,具有多種藥理活性,廣泛存在于不同植物物種中。在MCAO/R小鼠和氧糖剝奪/再灌注(oxygen and glucose deprivation/reperfusion,OGD/R)誘導的人神經母細胞瘤細胞模型分別發現了木犀草素的保護效果,它可以改善自噬流過程,促進線粒體自噬小體的降解,加速ROS的清除效率,還可以通過抑制Drp1活性保護線粒體形態,恢復線粒體活力和功能[10,11]。

(2)葛根素:葛根素(puerarin)是從中藥葛根中分離得到的具有擴血管作用的異黃酮衍生物。研究表明,葛根素可以減少自噬小體的形成,減少Beclin1的表達,以及降低LC3-Ⅱ的表達,抑制線粒體自噬介導的線粒體質量下降,保護了大鼠皮質神經元免受神經毒性。而這些作用大多依賴于AMPK/mTOR/ULK1通路,推測該通路抑制過度線粒體自噬是葛根素減輕CIRI的主要機制[12]。雖然線粒體自噬在CIRI中所起的作用一直存在爭議,但能夠確定,受損線粒體的過度清除和清除不足均將導致細胞死亡。

(3)柚皮苷:柚皮苷(naringin)是一種天然存在于葡萄柚和其他柑橘類水果中的類黃酮,Feng等[13]研究發現,柚皮苷可以抑制過氧亞硝基陰離子和一氧化氮的產生,降低了線粒體LC3-Ⅱ/LC3-Ⅰ的比例,并抑制了PINK1的聚集和Parkin向線粒體的易位。另外,柚皮苷可以激活線粒體大電導鈣調節鉀通道,減少細胞線粒體損傷和凋亡[14]。但其具體機制還有待于深入研究。

(4)黃芩苷:黃芩苷(baicalin)是從黃芩中提取的具有神經保護活性的天然生物活性類黃酮。主要以依賴于AMPK的方式調節線粒體自噬功能來減輕CIRI。研究發現,黃芩苷能夠激活AMPK通路,增加Drp1 Ser637磷酸化,從而減少線粒體分裂,并抑制ROS 的富集。不僅如此,林筱潔等[15]研究還發現,黃芩苷處理后能有效調控線粒體自噬小體,并發現線粒體自噬相關Bnip3、Parkin、FUNDC1蛋白均可能參與了CIRI的發生與發展。提示,黃芩苷治療CIRI的相關機制與線粒體自噬有重要聯系,同時也發現黃芩苷抑制線粒體自噬的作用可能是多條信號通路交聯的結果。

(5)葒草苷:葒草苷(orientin)是中藥金蓮花中的主要生物活性類黃酮化合物。據報道,葒草苷可以激活PI3K/Akt信號通路,減少LC3和Bnip3蛋白表達,并且能夠呈劑量依賴性逆轉細胞凋亡,提示抑制大鼠腦組織線粒體自噬過度激活可能是葒草苷發揮腦保護作用的重要機制[16]。

表1 靶向線粒體自噬治療CIRI的天然活性成分

3.酚類

(1)白藜蘆醇:白藜蘆醇(resveratrol,RSV)是一種天然的多酚化合物,存在于葡萄、藍莓和紅酒等食物中。研究發現,RSV上調PINK1,招募Parkin蛋白,促進了LC3和線粒體外膜轉位酶的共定位,減輕了OGD/R誘導的氧化應激[17]。另外,Kang等[18]研究發現,RSV促進了AMPK磷酸化對腦缺血谷氨酸興奮性毒性的消除作用。不止如此,RSV還可以通過SIRT-1、AMPK/PGC-1α、AMPK/ULK1和AMPK/ERK等途徑上調線粒體自噬,表明RSV在CIRI治療中有豐富的機制研究,由此也可以發現線粒體自噬是RSV防治CIRI的關鍵靶點,為RSV在未來抗CIRI天然產物開發中的潛在應用提供了有價值的信息[19,20]。

(2)姜黃素:姜黃素(curcumin)是從姜黃的根莖中提取的亮黃色多酚活性復合物,在許多研究中都發現其能夠誘導線粒體自噬,主要通過調控Akt/mTOR通路,增強LC3和線粒體標記線粒體外膜蛋白孔蛋白1的共定位,減輕CIRI[21]。同時,姜黃素還促進LC3與NIX的相互作用,改善了小鼠腦內皮細胞的線粒體重塑,可以開發作為提示姜黃素可能成為一種線粒體功能障礙的潛在治療劑[22]。

(3)芹菜甲素:芹菜甲素,又稱丁苯酞(n-butylphthalide,NBP)是一種缺血性腦卒中的治療天然產物,可通過抑制線粒體自噬起到神經保護作用。研究發現,NBP可減少缺血側海馬CA1區Bnip3表達,抑制Bcl-2家族相關凋亡因子表達[23]。另外研究發現NBP還可通過PINK1/Parkin通路,上調p62和線粒體外膜轉位酶的表達,抑制了再灌注后線粒體自噬水平的升高,保護腦組織免受損傷,以上研究表明,NBP均以抑制過度線粒體自噬發揮作用[24]。

4.其他

(1)大黃酚:大黃酚(chrysophanol)是從植物大黃中提取的蒽醌類天然化學物質。Cui等[25]研究發現,大黃酚給藥后減少了氧化應激發生,NIX和LC3蛋白表達降低,提示大黃酚可能通過下調NIX蛋白調節線粒體自噬,減輕小鼠海馬體的損傷。然而NIX作為一種線粒體自噬相關蛋白的貢獻似乎在CIRI等病理過程中被忽視了。因此,進一步鑒定NIX引起線粒體自噬的分子機制有望為挖掘腦缺血療法以調控線粒體自噬過程建立生物學基礎。

(2)蝦青素:蝦青素(astaxanthin)是一種存在于許多海洋微藻、真菌、魚蝦等微生物中的天然類胡蘿卜素,被認為是自然界中最有效的抗氧化劑之一。研究發現,蝦青素調控PI3K/Akt通路,升高膜電位,通過調節Bcl-2家族和線粒體通透性轉換孔的開放,有效阻斷了線粒體功能障礙,抑制OGD/R誘導的神經元凋亡[26]。因此,蝦青素表現出的強抗氧化生物活性,為其開發成為防治CIRI引起的神經元損傷的新藥提供理論依據。

(3)銀杏內酯K:銀杏內酯K(ginkgolide K)是一種萜類化合物,作為天然血小板活化因子受體拮抗劑,在腦缺血再灌注損傷中發揮著重要作用。研究表明,銀杏內酯K可以上調AMPK/mTOR/ULK1信號通路促進線粒體自噬,減少Drp1轉位到線粒體和阻止線粒體滲透性轉換孔開放,并激活JAK2/STAT3通路促進神經再生,從而減輕CIRI[27,28]。

四、展 望

諸如苷類、黃酮類、酚類和內酯類等代表性天然產物,多數呈中性或酸性,其含有的多個不飽和共價鍵和酚羥基使其發揮極強的抗氧化作用,大基團的空間位阻有利于過氧自由基特異性結合,終止自由基鏈式反應,最終抑制DNA的氧化,保護細胞的生長。

通過PINK1/Parkin、NIX/Bnip3、FUNDC1、PI3K/Akt和AMPK等多種途徑介導的線粒體自噬去除受損或功能失調的線粒體已被證明是一種重要的線粒體質量控制機制。雖然線粒體自噬在腦缺血中作用的尚無統一,但關于線粒體自噬在腦缺血中的作用研究已經取得了很大進展。本文總結了從體內、體外、多角度、多途徑深入探究天然產物可以通過調控線粒體自噬相關機制對CIRI的神經保護作用,這些發現將進一步促進臨床中CIRI候選天然產物的開發和應用。然而,現在仍然有大多數天然產物與CIRI相關的研究停留在細胞和器官組織水平,很少有深度研究線粒體等細胞器。未來憑借線粒體在CIRI中的重要地位,調控線粒體自噬的天然產物可能為臨床應用提供新的思路和方向。

利益沖突聲明：所有作者均聲明不存在利益沖突。