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线粒体自噬在细胞病理生理过程中的作用
发布时间:2018-07-10
  线粒体是哺乳动物细胞内重要的“发动机”, 由4种蛋白酶复合体组成的氧化呼吸链是生物转化和能量供应过程中重要的细胞器。线粒体自噬在细胞生长发育中具有重要作用, 线粒体自噬基因缺失[1]、溶酶体功能破坏[2]、活性氧簇 (reactive oxygen species, ROS) [3]和线粒体通透性转换孔 (mitochondrial permeability transition pore, mPTP) [4]等均参与线粒体自噬过程。线粒体自噬发生异常与人类各种疾病有直接或间接联系。
线粒体自噬在细胞病理生理过程中的作用
 
  1、自噬的分类

  自噬是一种高度保守的自我消化降解过程, 能够维持细胞内环境的稳定, 是细胞生存的重要生理过程, 广泛存在于真核细胞内[5]。研究表明, 在心肌缺血过程中, 自噬水平明显升高[6], 内质网膜包裹异常的蛋白质及细胞器等融合为自噬体, 与溶酶体结合形成自噬溶酶体, 降解其内容物, 维持心肌细胞内环境稳态。

  由内质网膜包裹变性坏死的细胞质和可溶性蛋白等待降解的物质形成自噬体, 进而与溶酶体融合并降解其内容物的过程称为巨自噬。微自噬是指细胞内的液泡内膜或溶酶体以内陷、分隔和突出等方式降解底物的过程。分子伴侣介导的自噬不需底物自噬体的形成且具有高度的选择性, 在其介导下, 底物转移到溶酶体腔内进行降解。分子伴侣介导的自噬只能清除可溶性蛋白, 能使未折叠蛋白直接跨膜易位而不涉及膜重排。研究表明, 自噬参与细胞氧化应激和缺血/再灌注等过程[7]。

  2、线粒体自噬

  损伤线粒体利用自噬机制选择性清除受损的蛋白质和细胞器, 维持细胞内环境稳定, 该过程被称为线粒体自噬。线粒体自噬可以维持线粒体数目和质量的平衡, 在营养不良或外界刺激时维持细胞的正常生理功能[8]。线粒体DNA比细胞核DNA更容易发生突变, 故线粒体较容易受损伤, 线粒体自噬在机体发挥正常生理功能和提供能量等方面发挥重要作用。

  有学者将线粒体自噬分为2个阶段, 提出“两步走模型”[9]。第一步, 在自噬小体形成位点处, 损伤的线粒体与自噬相关基因蛋白聚集, 此过程与微管相关卵白1轻链3-Ⅱ型 (microtubuleassociatedprotein1lightchain3-Ⅱ, LC3-Ⅱ) 无关。第二步, 损伤的线粒体被粗面内质网双层膜包裹, 形成自噬溶酶体消化并降解。研究表明, LC3-Ⅱ、Sequestosome1、Nix/BNIP3L[10]、X三体综合征相关蛋白[11]、泛素连接酶[12]等在此过程中发挥重要作用。

  3、线粒体自噬与疾病

  3.1、线粒体自噬与神经变性疾病

  基础细胞自噬可以维持组织细胞和神经元细胞的正常功能。基础自噬发挥细胞保护作用, 阻止蛋白堆积, 阻止ROS生成, 清除细胞内衰老损伤的线粒体。自噬基因Beclin 1在人类大脑中发挥重要的作用, 可以使神经变性疾病发病率上升。线粒体自噬与神经变性疾病有很大的关系, 介入多种神经变性疾病。神经变性疾病是由于神经元凋亡、损伤及变性导致的退行性神经系统疾病。这类疾病大多进程缓慢, 可持续数年, 目前并无成熟有效的治疗方法。

  3.1.1、线粒体自噬与帕金森病 (Parkinson′s disease, PD)

  PD又名震颤麻痹, 随着年龄的增长, 发病率逐年增长。只有黑质多巴胺使神经元缺失50%以上时, PD患者才会出现明显的临床症状[13]。最初研究显示, 在PD中Parkin突变导致的Parkin功能丧失, 引起线粒体自噬缺陷, 进而导致PD的发展。进一步研究显示, 线粒体自噬与自噬相似, 存在着稳态, 线粒体自噬的过度活化或缺失都会损害中枢神经系统[14]。线粒体内膜复合酶Ⅰ参与细胞能量的生成和氧化磷酸化过程, 其功能受损可以明显增加黑质细胞对活性氧的敏感性, 减少ATP生成, 增加活性氧的生成。过量的ROS可以直接损伤神经元, 造成mPTP丢失。5-羟色胺、抑制性γ-氨基丁酸和6-羟多巴胺诱导的大鼠对抗氧化应激介导的神经损伤[15]。γ-氨基丁酸B受体激动剂巴氯芬通过调节γ-氨基丁酸通路抑制神经炎症和氧化应激, 防止mPTP诱导的神经毒性[16]。

  3.1.2、线粒体自噬与阿尔茨海默病 (Alzheimer′s disease, AD)

  AD又称老年痴呆症, 是全球最常见的一种神经退行性疾病, 主要的病理表现为神经细胞外出现聚集的老年斑β淀粉样蛋白 (amyloidβ-protein, Aβ) 、神经元和突触丢失、神经细胞内微管相关蛋白Tau蛋白异常堆积形成的神经原纤维缠结等[17]。该疾病发病进程缓慢, 在多种内部和外界环境刺激 (生物因素和社会因素) 作用下才发病, 常见于65岁及以上的老年人发病, 家族史是该疾病最危险的因素。最初研究证明, AD病理的广泛特性是自噬成熟缺陷[18]。堆积的衔接蛋白导致线粒体功能异常, 而长春花碱和溶酶体蛋白酶抑制剂可以阻止衔接蛋白的成熟, 使不成熟自噬泡堆积, 衔接蛋白的堆积可能与自噬流阻滞相关[19]。也有研究显示, 大鼠脑内出现的自噬体早于Aβ, 并不是由Aβ诱导的早期变化[20]。最近研究显示, 雷帕霉素靶体蛋白 (mammalian target of rapamycin, mTOR) 抑制剂、神经保护剂、钙通道阻滞剂、抗氧化剂, 抗癫痫药都可以调节自噬, 减少异常蛋白沉积, 延缓AD进展。最新研究显示, 黄芩素通过抑制mTOR通路激活自噬促进神经细胞过量聚集的α-syn清除[21]。

  3.1.3、线粒体自噬与亨廷顿病 (Huntington′sdisease, HD)

  HD是一种影响大脑皮质和纹状体的家族遗传疾病。HD与突变亨延顿蛋白 (mutation Huntington protein, mHtt) 有关, mHtt过度激发导致神经元的功能障碍。mHtt聚集抑制自噬, 增加磷酸化Htt的水平。最近研究动物模型显示, 雷帕霉素及其类似物使Htt的堆积减少, 减缓神经变性速度。增加自噬的总水平或有效增加自噬的识别可成为HD的治疗新靶点。同时发现HD患者脑内Drp1、FIS1蛋白的表达增加, 线粒体融合蛋白2蛋白的表达降低[22], 这种蛋白的变化与AD患者蛋白变化一致。更为重要的是应用RNA干扰可以减少Drp1蛋白的表达, 进而减少亨廷顿病模型的运动缺陷。

  3.2、线粒体自噬与缺氧缺血脑损伤 (hypoxic-ischemic brain damage, HIBD)

  最初研究显示, HIBD诱导线粒体自噬, 抑制线粒体自噬会加重新生大鼠HIBD的损伤[23]。进一步研究显示, 自噬在脑缺血/再灌注前后发挥的作用相反, 再灌注前给予3-甲基腺嘌呤 (3-methyladenine, 3-MA) , 抑制自噬起到神经保护的作用, 而再灌注后给予3-MA会加重脑损伤[23]。3-MA是一种有效的自噬抑制剂, 通过抑制PI3K的活性阻断自噬, 对Vps34的半抑制率 (half maximal inhibitory concentration, IC50) 值为25μmol/L, 对PI3Kγ的IC50值为60μmol/L。本实验室近期在研究3-MA对心肌细胞自噬的影响, 通过应用内质网应激诱导剂2-脱氧-D-葡萄糖诱导自噬模型, 进一步探讨3-MA影响心肌细胞自噬可能的信号通路。而Nix/BNIP3 L可以通过非Parkin依赖途径调控线粒体自噬, 抑制脑缺血/再灌注损伤[23]。此外, 也有研究证明, 自噬诱导剂雷帕霉素因促进线粒体分裂发挥神经保护作用[24]。雷帕霉素可溶于乙醇、丙酮、氯仿及甲醇等有机溶剂, 临床上雷帕霉素作为受体阻断剂可以通过不同的细胞因子阻断信号传导, 阻断淋巴细胞的G1期至S期的增殖分裂进程。

  3.3、线粒体自噬与胰岛素抵抗疾病

  胰岛素抵抗是指葡萄糖摄取和利用效率下降, 表现为靶组织 (肝脏、脂肪和骨骼肌) 和靶器官对胰岛素反应性及敏感性降低。胰岛素抵抗与代谢综合征是多种机体代谢紊乱性疾病同时出现在同一机体的病症, 包括高血糖、高血脂、高体重、高尿酸、高血黏等常见的代谢性疾病。最初研究显示, 5-氨基咪唑-4-甲酰胺-1-β-D-呋喃核糖苷诱导AMP依赖的蛋白激酶[adenosine5′-monophosphate (AMP) -activated protein kinase, AMPK]磷酸化能够使高糖诱导人脐静脉内皮细胞自噬反应增强, AMPK抑制剂Dorsomorphin (Compound C) 抑制高糖诱导AMPK磷酸化后, 自噬反应明显下降[25]。Compound C是一种可逆性有效的AMPK抑制剂, 在肝细胞和HT-29细胞中均可以发挥其抑制作用。胰岛素抵抗的主要原因是氧化损伤导致的线粒体功能混乱[26], 目前对于线粒体自噬调控胰岛素抵抗的分子学机制并未进行深入探索。也有实验证明, 肌管中Parkin基因特异性敲除, 胰岛素传导信号也明显被抑制, 该研究首次在细胞水平验证了线粒体自噬关键基因的缺失可引发肌管的胰岛素抵抗[27]。近期有研究显示, 线粒体自噬相关信号Nix/BNIP3L、PINK1/Prakin在转录和翻译上均存在不同程度的异常[28]。

  3.4、线粒体自噬与自身免疫病

  机体自身抗体的存在与自身免疫性疾病并不一样, 自身抗体可以存在于正常人体内, 而自身免疫性疾病则是由于自身抗体的存在对机体组织器官等造成损失。线粒体自噬与免疫系统关系密切, 包括淋巴细胞的发育及效应功能、病原的识别和降解、抗原提呈、炎症的调节等, 参与T细胞发育、分化等多个阶段, 自噬在维持线粒体正常生理功能和T细胞的增殖分化中起关键作用[29]。线粒体自噬参与克罗恩病、多发性硬化、系统性红斑狼疮和系统性硬化症的发病过程。

  3.5、线粒体自噬与心脏疾病

  心肌细胞富含线粒体, 线粒体自噬与心肌缺血、心脏衰竭和心肌梗死等多种心血管疾病的发生与发展过程密切相关, 目前研究较多的是Parkin和BNIP3的变化。缺氧复氧处理的H9c2心肌细胞的线粒体蛋白Parkin和PINK1水平下降, 自噬水平下降[30]。实验表明, 在心肌缺血/再灌注过程中, 自噬的相关蛋白mTOR和AMPK起重要的作用, mTOR抑制自噬而AMPK可以促进自噬, 通过诱导自噬可以保护损伤的心肌细胞[31]。此外, 也有研究表明, 心肌缺血/再灌注过程中激活过度自噬, 导致细胞死亡和细胞功能障碍, 用自噬抑制剂3-MA可以抑制过度自噬, 减轻自噬对心肌细胞的损伤[32]。

  最初研究显示, 大鼠缺失线粒体分裂蛋白Drp1会表现出致死性的心脏缺陷, 抑制Drp1蛋白的表达会加重心肌缺血损伤[33]。Drp1为线粒体动态分裂蛋白, 可以调节线粒体分裂。Drp1是一种较大的GTP酶, 主要以多聚体 (四聚体) 的形式存在于细胞浆。其N端含有进化较为保守的GTP酶结构域, C端为效应结构域。抑制Parkin蛋白表达可以增加缺氧/复氧诱导的心肌细胞损伤, Parkin的缺失能阻止线粒体自噬[34]。研究证实Parkin可以介导的线粒体外膜蛋白泛素化, 使泛素、LC3与p62结合, 诱导线粒体自噬[35]。线粒体外膜蛋白、泛素特异肽酶30和泛素特异肽酶15能负性调节Parkin介导的线粒体自噬[36]。

  进一步研究显示, 限制小鼠的饮食或进行耐力训练均能提高小鼠心肌细胞的自噬水平, 加强耐力训练可以增强Pink1蛋白的表达;限制饮食能增加Drp-1的表达, 诱导心肌线粒体自噬;Drp-1和Pink1表达增高是发生高水平线粒体自噬的重要表现[37]。此外, Kubli等[38]的研究表明, p53抑制线粒体自噬, 使受损线粒体大量聚集, 促进心肌梗死区的重塑。研究证实, 慢性缺氧通过激活AMPK参与心肌细胞线粒体自噬, AMPK信号通路在心肌细胞慢性缺氧时发挥保护重要的作用[39]。最近研究显示, 心肌在急慢性缺血情况下产生促凋亡因子, 心肌线粒体动学失衡, 产生较多功能障碍的线粒体, 过量ROS攻击线粒体蛋白和DNA, 形成恶性循环, 这些信号激活线粒体自噬而保护心肌细胞[40]。

  本实验室前期研究也显示, 在离体大鼠心脏模型中, 心肌缺血/再灌注损伤可以诱发细胞发生自噬, 吗啡可以抑制自噬并减轻缺血/再灌注损伤, 从而发挥心肌保护作用[41]。黄芪甲苷通过一氧化氮合酶产生一氧化氮, 激活cGMP/PKG, 抑制mPTP的开放而发挥心肌线粒体保护作用, 黄芪甲苷是否通过调控线粒体自噬而发挥保护心脏的作用, 有待于进一步研究证实[42]。

  4、展望

  线粒体自噬在细胞病理生理过程中具有重要的作用, 细胞内环境的稳定、线粒体自噬异常与多种疾病密切相关。在机体正常情况下, 细胞可以通过清除受损线粒体, 维持细胞的正常生理功能。当机体受到氧化应激、内质网应激、缺血缺氧、营养物质缺乏等损伤时, 过度的线粒体自噬会导致各种疾病的发生发展。随着线粒体研究的深入, 线粒体自噬近年来也已成为研究自噬的热点, 线粒体自噬的研究将为临床治疗提供新的思路。

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