线粒体DNA在急性肺损伤发生、发展中的作用

顾晓凌 宋 勇

急性肺损伤(acute lung injury，ALI)是指由严重感染、休克、创伤以及烧伤等各种非心源性的肺内外致病因素所导致的急性、进行性、低氧性呼吸功能不全或衰竭。其病理特征表现为以肺泡上皮细胞和肺毛细血管内皮细胞损伤、弥漫性肺间质以及肺泡水肿，临床表现为顽固性低氧血症、呼吸窘迫和非心源性肺水肿。ALI是常见的呼吸危重症，也是危重症患者死亡的主要原因之一，多年来一直是呼吸及危重病医学界研究的热点和难点。ALI的发病机制及相应的治疗手段虽然已经取得了一些进展，但其发病率和病死率仍较高，病死率高达35% ～40%［1］。此外，ALI的发病机理十分复杂，涉及多个环节，具体发病机制尚未完全阐明。目前认为过度失调的炎症反应是ALI发生、发展的最为重要的因素之一。亦有研究显示细胞凋亡特别是肺泡上皮细胞和肺微血管内皮细胞的凋亡增加也参与了ALI的发病过程［2］。继往的研究表明线粒体DNA(mitochondrial DNA，mtDNA)是介导线粒体及细胞代谢功能的重要构件［3-4］。氧化应激诱导的mtDNA损伤能够触发线粒体功能障碍、肺动脉内皮细胞凋亡，破坏肺泡—血管内皮屏障。此外，近年来研究发现mtDNA尚具有独立于线粒体本身的内源性致炎作用［5-6］。组织、细胞在创伤、休克等多种病理生理条件下释放mtDNA，mtDNA与模式识别受体(pattern recognition receptor，PRR)结合，经细胞信号转导机制激活炎症反应级联，导致组织、器官损伤。可见mtDNA在ALI的发生、发展中可能扮演重要角色，现就mtDNA与ALI发生、发展的潜在关系进行综述。

一、mtDNA的结构与功能

线粒体是除细胞核之外唯一含有DNA的细胞器，每个线粒体中含有多拷贝数的mtDNA［7-8］。人mtDNA为一条超螺旋、双链环状DNA分子，含16 569bp，共有37个结构基因，分别编码2种rRNA(16S rRNA、12S rRNA)、22种tRNA和13种蛋白质亚基。mtDNA编码的13种多肽链分别为:复合物Ⅰ中的7个亚基，复合物Ⅲ中的1个亚基，复合物Ⅳ中的3个亚基以及F0中的2个亚基。这些均为参与线粒体氧化磷酸化过程的重要蛋白质，因此mtDNA结构和功能的完整性是维持线粒体及细胞正常生命活动的基础。

mtDNA虽与多种蛋白质紧密结合形成一种被称之为“拟核”的复合体，但是缺乏染色质结构，不与组蛋白结合，不为核膜所包被。另一方面，线粒体电子传递链的氧化磷酸化反应在进行能量转化、生成ATP的同时，伴随着副产物—活性氧类(reactive oxygen species，ROS)的产生，形成一种高度氧化的环境。此外，mtDNA本身又缺乏有效的DNA氧化损伤修复系统，因此，与核DNA相比，mtDNA对各种氧化应激所导致的DNA损伤极为敏感［9］。

Margulis在1970年提出了“线粒体形成的内共生学说”:真核细胞进化过程中，细菌被原始真核细胞吞噬，在长期互利共生中逐渐演化形成了现在哺乳动物细胞中广泛存在的线粒体，而被吞噬细菌的DNA则演化成了现在的mtDNA。mtDNA序列中广泛存在着非甲基化的以胞嘧啶、鸟嘌呤核苷酸为核心的CpG基元(CpG motifs)，在核苷酸组成上与细菌DNA类似［5］。近年来的研究还显示:与细菌DNA的免疫刺激活性类似，mtDNA具有能够被机体固有免疫系统的PRR识别，激活炎症反应［10-11］。因此，mtDNA本身即具有独立于线粒体代谢的内源性致炎作用。

二、mtDNA在ALI发生、发展中的作用

1．mtDNA的致炎性质在ALI发生、发展中的潜在作用:Hajizadeh等［12］于2003年首次报道在小鼠关节腔内注射纯化的mtDNA能够诱导发生关节炎，提示mtDNA具有免疫刺激活性。进一步的研究提示mtDNA通过作用于固有免疫细胞，包括单核/巨噬细胞、中性粒细胞等，诱导核转录因子NF-κB的活化，促进促炎细胞因子的产生，从而诱导关节炎的发生［13］。最近的研究则进一步阐述了mtDNA内源性致炎作用的相关机制［5-6］。鉴于mtDNA起源于细菌DNA的内共生学说，目前认为mtDNA是一个可以被机体固有免疫系统的PRR所识别的，与损伤相关分子模式(damage associated molecular pattern，DAMP)。mtDNA通过与中性粒细胞表达的TLR9(toll-like receptor 9，TLR9)结合，诱导 p38MAPK激酶磷酸化，激活中性粒细胞释放基质金属蛋白酶(matrix metalloproteinases，MMP)MMP-8、MMP-9，产生多种促炎症介质，始动炎症级联反应，进而诱导全身炎症反应综合征(systemic inflammatory response syndrome，SIRS)。因此，mtDNA不仅具有局部致炎作用，而且还能始动全身炎症反应。

研究显示与ALI相关的多种致病因素包括严重创伤、失血性休克、急性缺血性卒中、重症感染等都可能伴有组织和细胞的严重损伤或坏死，进而导致mtDNA被大量释放进入血液循环，使得血浆mtDNA水平显著升高［5-6，14-15］。根据现有的文献，目前虽然尚无法直接证实mtDNA能够促进ALI的发生、发展，但是Zhang等［6］研究显示接受含有mtDNA的线粒体碎片(mitochondrial debris，MTD)静脉注射的大鼠，表现出明显的系统性炎症反应特征以及肺损伤的病理改变。因此，我们可以推测循环中的mtDNA可诱导器官损伤，在始动或促进ALI的发生、发展中可能发挥重要作用。

2．mtDNA的氧化损伤在ALI的发生、发展中的潜在作用:ROS是导致ALI发生、发展的一个重要因素［16］。研究显示DNA是ROS作用的靶分子之一，mtDNA对ROS所致的氧化损伤极为敏感［8，11］。与mtDNA类似，氧化损伤的mtDNA亦具有免疫原性，能够激活机体固有免疫系统，始动炎症级联反应导致多种组织、器官的炎症性损伤［17］。但其相关的确切机制目前尚不甚清楚。

此外，氧化损伤的mtDNA尚具有激活内源性细胞凋亡通路的特性。Ricci等［18］的研究提示mtDNA的氧化损伤会抑制mtDNA的转录，降低mtDNA编码的呼吸链中相关亚基蛋白的表达水平，导致线粒体氧化磷酸化过程中电子传递链的中断。而线粒体呼吸链功能障碍则又会反过来导致ROS产生的增加，加重mtDNA的氧化损伤，致使恶性循环形成，最终激活内源性细胞凋亡通路，导致细胞死亡。新近的研究还提示mtDNA的氧化损伤会影响线粒体拟核复合物中mtDNA与其结合蛋白结合的稳定性，可能与后续细胞凋亡通路的激活相关［19］。

基于肺血管内皮细胞的基础研究提示:ROS能够诱导肺血管内皮细胞mtDNA氧化性损伤，而氧化损伤的mtDNA触发线粒体功能障碍，并与后续细胞凋亡通路的激活相关，最终导致肺血管内皮屏障功能障碍［3-4，20］。因此，基于氧化损伤的mtDNA在诱导炎症反应、调节肺血管内皮细胞凋亡方面的双重作用，可以推测氧化损伤的mtDNA在始动或者是促进ALI的发生、发展中扮演重要角色。

三、结语

mtDNA不仅具有与细菌DNA类似的免疫原性，激活炎症级联反应，始动组织、器官炎症性损伤，而且mtDNA对氧化应激极为敏感，氧化损伤的mtDNA除了保持原本的免疫刺激活性，更能激活内源性细胞凋亡通路。目前认为过度失调的炎症反应、细胞凋亡(特别是肺血管内皮细胞的凋亡增加)是ALI发生、发展的重要因素。因此，mtDNA具有潜在的始动或促进ALI发生、发展的作用。深入研究mtDNA在ALI发病机制中的具体作用，不仅可以为寻找新的治疗靶点奠定理论基础，而且也有望在疾病的始动环节上控制ALI的发生。

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