線粒體自噬對缺血性腦卒中的作用及其機制研究進展

李婷婷， 王欽鵬， 劉曉慶， 蔡 珂， 魏陽陽綜述， 梁 成審校

腦卒中是一種常見的急危腦血管疾病，在美國心臟協(xié)會2019 年發(fā)布的死亡原因中排名第五，這種疾病已經(jīng)成為殘疾和死亡的主要原因之一［1］。腦卒中類型包括缺血性腦卒中和出血性腦卒中，其中缺血性腦卒中是最常見的腦卒中類型，約占總數(shù)的70%～80%［2］。目前，恢復(fù)腦血流灌注、挽救缺血半暗帶仍是治療缺血性腦卒中唯一有效的方法，主要包括組織纖溶酶原激活劑（tissue plasminogen activator，tPA）靜脈溶栓和血管內(nèi)機械取栓［3］。缺血性腦卒中的發(fā)病機制尤為復(fù)雜，主要與興奮性毒性、線粒體功能障礙、氧化應(yīng)激、炎癥反應(yīng)、細胞凋亡等病理過程密切相關(guān)［4］。近期研究表明，線粒體功能障礙是導(dǎo)致缺血腦組織神經(jīng)細胞損傷的重要病理基礎(chǔ)［5］。同時研究發(fā)現(xiàn)，改善線粒體的功能有助于缺血神經(jīng)元的存活和神經(jīng)功能的維持［6］。

線粒體是一種存在于大多數(shù)細胞中的雙膜細胞器，它在細胞的能量產(chǎn)生、鈣平衡調(diào)節(jié)、程序性死亡調(diào)控、細胞增殖與代謝等方面發(fā)揮著重要作用［7］。然而，線粒體也會產(chǎn)生可能損害細胞的有害物質(zhì)，如磷酸化的有毒副產(chǎn)物活性氧（reactive oxygen species，ROS），ROS 包括超氧陰離子、過氧化氫和羥基自由基等，進一步激活相關(guān)的炎癥小體，加速促炎細胞因子的釋放［8］。同時線粒體損傷后會向細胞膜釋放高水平的Ca2+和細胞色素C（cytochrome C，Cyt C），從而引發(fā)細胞凋亡［9］。因此，線粒體損傷是缺血后神經(jīng)元細胞死亡的原因之一。線粒體自噬是專門針對受損線粒體的一種選擇性自噬，這種反應(yīng)不僅可以清除受損的線粒體，而且還可以防止缺血神經(jīng)元中的線粒體依賴性細胞凋亡［10］。因此，有研究者提出增強線粒體自噬可以作為保護缺血神經(jīng)元的一種新型治療策略［11，12］。本文就線粒體自噬的發(fā)生機制及其在缺血腦組織中的作用進行綜述，以期為缺血性腦卒中的治療提供新的思路。

1 自噬及線粒體自噬的概述

自噬（autophagy）是受損的蛋白質(zhì)或細胞器被自噬囊泡包裹，再與溶酶體融合形成自噬溶酶體，從而降解其內(nèi)容物并循環(huán)利用的調(diào)節(jié)過程，最終維持細胞內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)定［13］。在哺乳動物細胞中，有3 種主要類型的自噬：巨自噬（macroautophagy）［14］、微自噬（microautophagy）［15］和分子伴侶介導(dǎo)的自噬（chaperone mediated autophagy，CMA）［16］。其中，巨自噬是自噬的主要類型，根據(jù)其降解底物有無特異性可分為兩種：一種是非選擇性自噬，主要在饑餓狀態(tài)下為細胞提供營養(yǎng)，以維持細胞最基本的能量物質(zhì)代謝；另一種為選擇性自噬（底物特異性自噬），主要是清除部分受損細胞器或細胞結(jié)構(gòu)，防止其對細胞產(chǎn)生進一步損傷，在維持體內(nèi)平衡方面至關(guān)重要［17］。在生理狀態(tài)時，細胞中的自噬通常保持在基礎(chǔ)水平以維持體內(nèi)平衡；當超出自我修復(fù)的范圍時，自噬會被誘導(dǎo)激活，腺苷酸單磷酸活化蛋白酶（AMP-activated protein kinase，AMPK）能夠感受能量水平的降低，通過抑制哺乳動物雷帕霉素靶蛋白（mammalian target of rapamycin，mTOR）或磷酸化UNC-51樣激酶1（unc-51-like kinase 1，ULK1）來激活自噬［18］。

線粒體自噬是專門針對受損線粒體的一種巨自噬反應(yīng)，這也是目前已知的唯一一種可以選擇性地清除功能障礙線粒體的途徑。同時，線粒體自噬是保護線粒體質(zhì)量和功能、調(diào)控細胞命運的關(guān)鍵過程［19］。許多研究表明，線粒體自噬缺陷在不同疾病中發(fā)揮作用，如阿爾茨海默病、帕金森病及亨廷頓病等［20-22］。目前，線粒體自噬的調(diào)控機制主要有兩類：泛素依賴型途徑和受體依賴型途徑。泛素依賴型途徑主要包括PTEN 誘導(dǎo)的推定激酶蛋白1-E3 泛素連接酶（PINK1-Parkin）信號通路，這是目前線粒體自噬調(diào)控機制中研究最廣泛的通路［23］；而受體依賴型是由線粒體自噬受體蛋白介導(dǎo)，包括Bcl-2/腺病毒E1B 19 kDa 相互作用蛋白3（BCL2-interacting protein 3，BNIP3）、Nip3 樣蛋白X（NIP3-like protein X，NIX）和含F(xiàn)UN14 結(jié)構(gòu)域蛋白-1（FUN14 domaincontaining protein-1，F(xiàn)UNDC1）等［24］。

2 腦缺血缺氧誘導(dǎo)線粒體自噬的激活

線粒體自噬的主要通路是PINK1-Parkin 信號通路。PINK1 是一種絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶，存在于線粒體外膜上。在生理狀態(tài)時，線粒體中PINK1 被基質(zhì)加工肽酶（mitochondrial processing peptidase，MPP）［25］和早老素菱形蛋白（presenilin-associated rhomboid-like protease，PARL）［26］等蛋白酶快速降解，因此在線粒體中PINK1的含量較低。而當腦組織缺血缺氧時，線粒體功能發(fā)生障礙，ROS 釋放增加及ATP 產(chǎn)生減少，同時MPP 及PARL 等蛋白酶的活性也會受到抑制，這使得線粒體外膜上的PINK1 逐漸積累，并誘導(dǎo)E3 泛素連接酶Parkin 的募集，進而加速線粒體外膜蛋白的泛素化，最終促進線粒體自噬的激活［27］。

線粒體自噬受體蛋白BNIP3/NIX［10］和FUNDC1［28］在缺血缺氧誘導(dǎo)的線粒體自噬過程中也發(fā)揮重要的作用。Liu 等［29］研究發(fā)現(xiàn)，BNIP3/NIX 是缺氧誘導(dǎo)因子-1α（hypoxia-inducible factor-1α，HIF-1α）的靶基因，在腦組織缺血缺氧時，HIF-1α 被激活并進入細胞核內(nèi)與BNIP3/NIX 中的缺氧反應(yīng)元件結(jié)合，進而促進BNIP3/NIX 蛋白的高表達，最終直接與微管相關(guān)蛋白1的輕鏈3（microtubule-associated-proteinlightchain-3，LC3）結(jié)合介導(dǎo)線粒體自噬的激活。同樣，Wu 等［30］研究發(fā)現(xiàn)，BNIP3/NIX 被蛋白酶體降解后會引起缺血神經(jīng)元中線粒體自噬的缺陷。在常氧條件下，F(xiàn)UNDC1 在線粒體外膜上高度保守且穩(wěn)定，其Ser13 和Tyr18 分別被酪蛋白激酶2（casein kinase-2，CK2）和Src 磷酸化，從而抑制FUNDC1 與LC3 的結(jié)合，進而減弱線粒體自噬［31，32］；然而，在腦組織缺血缺氧時，線粒體磷酸甘油酸變位酶會促進FUNDC1的去磷酸化，導(dǎo)致CK2 和Src 脫離FUNDC1，從而增強FUNDC1 與LC3 的相互作用，進而促進線粒體自噬［33］。

3 線粒體自噬在缺血性腦卒中的分子作用機制

3.1 線粒體自噬與炎癥反應(yīng) 炎癥反應(yīng)是缺血后腦組織損傷的主要原因之一，其中NLRP3 炎癥小體在其炎癥反應(yīng)中發(fā)揮至關(guān)重要的作用［34］。NLRP3 炎癥小體是細胞質(zhì)中多蛋白復(fù)合體，缺血腦組織線粒體功能障礙會導(dǎo)致線粒體ROS（mitochondrial ROS，mtROS）產(chǎn)生與線粒體DNA（mitochondrial DNA，mtDNA）釋放，從而激活NLRP3 炎癥小體［8，35］，然后募集并激活A(yù)SC（apoptoticspot-like protein，ASC），促進Pro-Caspase-1 的成熟，最終激活下游的促炎細胞因子，加劇缺血腦組織的損傷［36］。線粒體自噬的誘導(dǎo)通過促進細胞內(nèi)功能障礙線粒體的選擇性清除調(diào)控NLRP3 炎癥小體的活性，抑制小膠質(zhì)細胞釋放促炎因子，從而減輕缺血性腦卒中后神經(jīng)細胞的炎癥反應(yīng)［37-39］。越來越多的證據(jù)表明，線粒體自噬相關(guān)調(diào)節(jié)因子（PINK1/Parkin、P62/SQSTM1）缺陷可通過提高NLRP3 炎癥小體的活性增加IL-1β、IL-18 依賴的炎癥反應(yīng)。Qi 等［40］在大腦中動脈閉塞（MCAO）模型中發(fā)現(xiàn)，利用轉(zhuǎn)錄因子ATF4（activating transcription factor，ATF4）顯著上調(diào)Parkin 蛋白的表達，增加線粒體自噬的活性，同時NLRP3 炎癥小體、IL-1β、IL-18 等炎癥因子明顯減少，該結(jié)果表明線粒體自噬可以減輕腦缺血缺氧介導(dǎo)的神經(jīng)炎癥反應(yīng)。該研究［40］進一步用SiRNA 敲除Parkin 蛋白，發(fā)現(xiàn)線粒體自噬的作用減弱且NLRP3 炎癥小體的作用增強，同時促進腦缺血組織神經(jīng)元的炎癥反應(yīng)，最終加重腦組織損傷。此研究證實了線粒體自噬活性同炎癥反應(yīng)的強度存在負相關(guān)，也證實了PINK1-Parkin信號通路是線粒體自噬的重要通路。由上述可知，激活線粒體自噬可減輕缺血性腦卒中的炎癥反應(yīng)，從而改善缺血腦組織中的神經(jīng)元損傷，這可能是未來治療缺血性腦卒中的新靶點。

3.2 線粒體自噬與細胞凋亡 細胞凋亡是一種程序性細胞死亡過程，在各種生物事件中扮演著重要的作用［41］。在細胞凋亡的信號通路中，線粒體凋亡通路是觸發(fā)細胞凋亡最重要的信號通路之一，其由B 細胞淋巴瘤2（B cell lymphoma/leukemia 2 gene，Bcl-2）家族中的促凋亡和抗凋亡成員介導(dǎo)［42］。在細胞凋亡過程中，Bcl-2 家族蛋白調(diào)節(jié)線粒體外膜通透性，細胞色素C 和其他促凋亡分子從線粒體釋放到細胞質(zhì)中，并與凋亡蛋白水解酶激活因子-1（apoptotic protease activating factor-1，Apaf-1）結(jié)合，形成一個復(fù)合體激活Caspase-9，繼而激活Caspase-3，最終促進細胞的凋亡［43］。腦缺血可引起神經(jīng)細胞的線粒體功能障礙，同時激活線粒體凋亡信號通路［44］。因此，及時清除功能障礙線粒體可以減輕腦缺血誘導(dǎo)的細胞凋亡，對腦組織缺血部位神經(jīng)元功能的恢復(fù)至關(guān)重要。Li 等［45］研究發(fā)現(xiàn)，二苯乙烯苷通過促進線粒體自噬，抑制神經(jīng)細胞凋亡來改善氧糖剝奪/復(fù)氧（oxygen-glucose deprivation/reperfusion，OGD/R）損傷，其具體機制可能是通過上調(diào)細胞中線粒體去乙酰化蛋白（sirtuin-3，SIRT3）和AMPK 蛋白的表達，SIRT3脫乙酰化后可以激活下游的AMPK信號通路，促進線粒體自噬相關(guān)蛋白PINK1 及Parkin 的表達，同時細胞凋亡相關(guān)因子Caspase-3和Bax的表達隨之下降。因此，本研究表明，促進線粒體自噬的激活會抑制缺血腦組織神經(jīng)元細胞的凋亡。林筱潔等［46］在體外缺血模型中發(fā)現(xiàn)，黃芩苷能夠劑量依賴性地促進線粒體自噬受體蛋白FUNDC1 的mRNA 表達，減少缺氧后的凋亡及壞死細胞數(shù)量，從而減輕缺血腦組織的神經(jīng)元細胞的凋亡。綜上所述，線粒體自噬在缺血損傷中發(fā)揮重要的保護作用，具有抑制缺血腦組織神經(jīng)元細胞凋亡并改善神經(jīng)功能的作用。

3.3 線粒體自噬與氧化應(yīng)激 當腦組織的氧糖供應(yīng)驟然減少或中斷時，會導(dǎo)致ROS 水平迅速升高。由于腦組織的抗氧化酶水平較低，因此在短時間內(nèi)出現(xiàn)嚴重的氧化應(yīng)激損傷［47］。生理狀態(tài)下，細胞內(nèi)ROS 保持在恒定的低水平，而持續(xù)高水平的ROS 會破壞細胞內(nèi)的生物大分子，包括核酸（DNA/RNA）、蛋白質(zhì)和脂類，最終導(dǎo)致細胞功能障礙［48］。研究表明，缺血損傷產(chǎn)生的mtROS 通過各種信號通路誘導(dǎo)線粒體自噬的激活，而線粒體自噬也可以通過多種途徑減輕腦缺血中的氧化應(yīng)激損傷［49］。Di 等［50］在短暫性大腦中動脈閉塞（transient middle cerebral artery occlusion，tMCAO）模型小鼠的研究中發(fā)現(xiàn)，亞加藍能夠顯著增加線粒體自噬的分子標志物Beclin-1 及LC3，同時皮質(zhì)神經(jīng)元中出現(xiàn)線粒體自噬的典型形態(tài)特征，其通過增加線粒體自噬的誘導(dǎo)，降低ROS的產(chǎn)生來減緩腦梗死的體積并改善神經(jīng)功能。有趣的是，使用自噬抑制劑3-甲基腺嘌呤（3-methyladenosine，3-MA）抑制線粒體自噬時，亞加藍對ROS 水平的抑制也被破壞。同樣，在海馬神經(jīng)元OGD/R 模型中［51］，細胞ROS 水平及細胞凋亡顯著增加，予以雷帕霉素（一種自噬激活劑）后能夠促進LC3、PINK1 及Parkin 蛋白表達，并顯著抑制細胞內(nèi)ROS水平及細胞凋亡的升高。而予以自噬抑制劑時效果相反，缺血組織神經(jīng)細胞損傷加重。綜上所述，促進線粒體自噬可以降低ROS 水平的升高，減少神經(jīng)元的氧化應(yīng)激損傷，同時利于縮小腦梗死的體積并改善患者的神經(jīng)功能。

3.4 線粒體自噬與壞死性凋亡 壞死性凋亡是一種經(jīng)典的程序性細胞死亡，主要通過受體相互作用蛋白激酶1（receptor interacting protein kinase-1，RIPK1）、受體相互作用蛋白激酶3（receptor interacting protein kinase-3，RIPK3）和混合譜系激酶結(jié)構(gòu)域樣蛋白（mix lineage kinase domain-like protein，MLKL）調(diào)節(jié)［52-54］。在腦缺血性損傷時，RIPK1 及其下游分子RIPK3 被磷酸化，促使MLKL 被激活并轉(zhuǎn)位至細胞膜，改變細胞通透性并釋放胞質(zhì)內(nèi)容物，最終導(dǎo)致細胞壞死性凋亡［55，56］。PGAM5 是一種絲氨酸/蘇氨酸蛋白磷酸酶，其在壞死性凋亡的機制中發(fā)揮至關(guān)重要的作用。線粒體自噬和細胞壞死性凋亡之間存在著密切的聯(lián)系。最新研究報道，PGAM5 通過促進線粒體自噬以補償輕微受損線粒體的不利刺激，從而發(fā)揮細胞保護作用。而在嚴重受損線粒體中，PGAM5 介導(dǎo)的線粒體過度分裂最終導(dǎo)致壞死性凋亡的形成［57］。其中研究最廣泛的是線粒體自噬受體蛋白FUNDC1，在生理條件下，F(xiàn)UNDC1 在線粒體外膜上高度保守且穩(wěn)定，其Ser13 和Tyr18 分別被酪蛋白激酶2（CK2）和酪氨酸專一性蛋白激酶（Src 激酶）磷酸化，從而影響其與LC3 的結(jié)合并抑制線粒體自噬［31，32］。然而，在病理條件下，磷酸甘油酸變位酶（PGAM5）可被RIPK1/RIPK3/MLKL 復(fù)合體激活，從而促進FUNDC1 的去磷酸化，增強其與LC3 的相互作用促進線粒體自噬，同時也抑制了線粒體自噬通量，使得受損的線粒體不能運送到酸性溶酶體中進行循環(huán)再利用，線粒體ROS 持續(xù)過量產(chǎn)生導(dǎo)致壞死性凋亡［33，57］。如在慢性阻塞性肺疾病（chronic obstructive lung disease，COPD）的發(fā)展過程中，抑制線粒體自噬被證明可以減少煙霧病暴露而發(fā)生壞死性凋亡的肺動脈內(nèi)皮細胞的數(shù)量，PINK1 基因缺陷可以保護線粒體的功能，并降低磷酸化MLKL 的水平，抑制細胞壞死性凋亡的形成［58，59］。因此，線粒體自噬與壞死性凋亡之間的關(guān)系十分復(fù)雜，還需要進行深入的研究。

3.5 線粒體自噬與鐵死亡 鐵死亡是一種新型程序性細胞死亡方式，主要特征是細胞內(nèi)過量的鐵沉積誘導(dǎo)活性氧（ROS）增加、細胞內(nèi)抗氧化劑谷胱甘肽（glutathione，GSH）耗竭［60］以及清除脂質(zhì)ROS的谷胱甘肽過氧化物酶-4（glutathione peroxidase-4，GPX4）表達下降［61］。近期，大量研究表明，線粒體自噬與鐵死亡之間存在著密切的聯(lián)系。在腦缺血缺氧條件下，線粒體自噬蛋白FUNDC1 的表達顯著上調(diào)［62］，并與鐵死亡的負向調(diào)節(jié)因子GPX4 相互作用，通過線粒體蛋白輸入系統(tǒng)TOM/TIM 復(fù)合體進入線粒體，被線粒體自噬（主要由PINK1/Parkin 介導(dǎo)）降解，從而誘導(dǎo)細胞鐵死亡的發(fā)生［63］。GPX4是維持細胞氧化還原穩(wěn)態(tài)所需的抗氧化酶，利用GSH 作為輔因子，將脂質(zhì)過氧化物轉(zhuǎn)化為無毒的脂質(zhì)醇類，從而減輕鐵死亡［64］。同時，研究還表明，線粒體自噬可能通過降解神經(jīng)元中鐵蛋白，導(dǎo)致神經(jīng)元內(nèi)游離鐵含量增加，促進神經(jīng)元的鐵死亡［65，66］。其主要的機制可能是FUNDC1 抑制JNK 磷酸化［67］，而JNK 的磷酸化被認為抑制核受體輔激活因子-4（nuclear receptor coactivator-4，NCOA4）的轉(zhuǎn)錄［68］，導(dǎo)致胞漿內(nèi)鐵蛋白的降解增加，游離Fe2+的釋放增加，從而促進鐵死亡的誘導(dǎo)［69］。線粒體自噬促進鐵死亡的機制還有很多，具體的機制還需要進一步的深入研究。

4 結(jié) 論

線粒體在缺血腦組織的病理過程中起著重要作用。當腦組織缺血缺氧時，受損神經(jīng)細胞將通過PINK1-Parkin 信號通路、線粒體自噬受體蛋白（BNIP3、NIX 及FUNDC1）介導(dǎo)的通路激活線粒體自噬，線粒體自噬選擇性降解受損的線粒體或細胞器對保護神經(jīng)細胞維持正常神經(jīng)功能至關(guān)重要。神經(jīng)元存活的關(guān)鍵取決于線粒體的結(jié)構(gòu)及其功能，維持線粒體完整性是抑制炎癥反應(yīng)、氧化應(yīng)激、細胞死亡的重要途徑。但是，線粒體自噬在缺血性腦卒中的作用十分復(fù)雜，其具體的機制還需要深入地研究。我們相信，對線粒體自噬分子生物學(xué)機制的深入研究將會為缺血性腦卒中提供了新的視角和潛在的治療靶點。

利益沖突聲明：所有作者均聲明不存在利益沖突。

作者貢獻聲明：李婷婷負責(zé)論文設(shè)計、文獻檢索、論文撰寫；王欽鵬、劉曉慶負責(zé)內(nèi)容審閱；蔡珂、魏陽陽負責(zé)相關(guān)文獻檢索、整理；梁成負責(zé)指導(dǎo)、修改論文并最終定稿。