线粒体自噬及其在肺脏疾病中的作用研究进展

宋文沁,黄亚医,夏中元

武汉大学人民医院麻醉科(武汉430060)

主题词 肺疾病 线粒体 @自噬

肺脏是气体交换的唯一场所，又是接受全部心输出量的唯一器官，是呼吸系统或循环系统有害物质作用的首要靶器官。线粒体是一个敏感又复杂的细胞器，它是合成ATP的主要场所，主要为细胞提供能量，除此之外，线粒体参与调控细胞的凋亡和自噬等。线粒体受损后细胞膜通透性变化，释放活性氧或者细胞凋亡因子，促使细胞损伤。因此，适时清除受损的线粒体，对细胞正常生长和代谢至关重要。线粒体自噬属于自噬的一部分，是一种选择性清除受损的线粒体的过程，对维持细胞正常的功能和形态有着重要的作用，是目前选择性细胞器自噬的研究热点。本文就线粒体自噬分子机制的研究进展及其在肺脏疾病中的作用做一综述。

1 自噬及线粒体自噬概述

自噬是将细胞内需要降解的细胞器、蛋白质等成分通过溶酶体进行降解，其降解的氨基酸及脂肪酸可以再循环利用产生ATP的过程，它被认为是真核生物进化高度保守的细胞自稳程序，一方面双膜结构的自噬囊泡能包绕隔绝失功能的细胞器、结构破坏的蛋白质和侵入的病原体等；另一方面自噬体与溶酶体结合后消化囊内物为细胞代谢提供底物，生理状态下细胞内一定水平的自噬对维持内环境的稳定起重要作用，而过度诱导的自噬能诱发细胞程序性死亡。自噬分为三种：大自噬、小自噬及分子伴侣介导的自噬，大自噬：由内质网来源的膜包绕待降解物形成自噬体，然后与溶酶体融合并降解其内容物；小自噬：溶酶体的膜直接包裹长寿命蛋白等，并在溶酶体内降解；分子伴侣介导的自噬：胞质内蛋白结合到分子伴侣后被转运到溶酶体腔中，然后被溶酶体酶消化。

尽管自噬被认为是一种非选择性的过程，但是目前也有越来越多的证据证明选择性自噬是存在的，受损的细胞器(线粒体、内质网、核糖体及过氧化物酶体)选择性的降解，此种选择性的自噬被称为特异性细胞器自噬,其中线粒体自噬最初在酵母中发现，之后其相关研究成为热点。而线粒体的自噬过程是：受损的线粒体膜通透性发生变化，进而使线粒体去极化并激活线粒体白噬相关蛋白，之后自噬小体包裹受损线粒体形成线粒体自噬体，线粒体自噬体与溶酶体融合，线粒体被线粒体自噬溶酶体内大量的溶解酶降解。

2 线粒体自噬的分子机制

2.1 PINK1和Parkin途径及其蛋白 PINK1是一种丝氨酸/苏氨酸激酶，它的N-端有线粒体靶向信号，它通过外膜转运酶和内膜转运酶进入线粒体并固定在线粒体内膜。在完整的线粒体中，基质加工肽酶和早老素相关菱形样物质持续降解PINK1，但在受损的线粒体内，PINK1禁止向线粒体内膜转运从而聚集在线粒体外膜，并与线粒体外膜转运酶形成一个700kDa的复合物[1]。Parkin是E3泛素连接酶，其主要结构包括1个N端泛素样结构域，紧邻富含4个半胱氨酸以及锌指结构域，它被激活的PINK1招募至受损的线粒体上，进而使线粒体泛素化、线粒体外膜Miro蛋白降解、线粒体起源促进线粒体降解[1]。

目前发现调节PINK1-Parkin介导的线粒体自噬的分子及机制有：位于线粒体外膜的去泛素化酶USP30通过移除泛素化的Parkin的负性调节PINK1-Parkin介导的线粒体自噬[2]；膜相关性蛋白Clec16a通过Nrdp1和E3泛素酶促进Parkin降解[2]；P53通过隔绝细胞液内Parkin抑制线粒体自噬[3]；Bcl-2家族蛋白包括Bcl-xL、MCL-1和Bcl-2通过抑制Parkin的易位从而抑制线粒体自噬[4]。

2.2 线粒体的融合和分裂蛋白 线粒体不断的在融合和分裂形态中变换，这个过程是通过线粒体融合、分裂蛋白精确调控。线粒体的融合是通过位于线粒体外膜的融合蛋白1/2(Mfn1和Mfn2)以及位于线粒体内膜的Opal调节的，线粒体的分裂是通过Drp1、Fis1和Miff[5]调节。Drp1是线粒体分裂必需的蛋白，其过度表达可促进线粒体的分裂，线粒体过度分裂促进及细胞色素的释放，Caspase酶激活，细胞凋亡。Drp1的下调及敲除Fisl可抑制线粒体自噬而导致功能紊乱的线粒体聚集[5]。Opa1或Mfn1/2缺乏的细胞可导致线粒体碎片聚集及线粒体自噬[5]。说明线粒体的融合和分裂和线粒体自噬有着密切的关系。

2.3 Nix/Bnip3L 和Bnip3 Nix/Bnip3L和Bnip3是线粒体外膜的蛋白，他们是BH3蛋白及促凋亡的Bcl-2蛋白家族。Nix/Bnip3L的缺失可以保护线粒体膜蛋白的丢失，避免线粒体自噬,Nix/Bnip3L调节Parkin的易位[6]，Bnip3通过抑制Opal蛋白、mPTP开放或Bax/Bak诱导线粒体自噬，也可通过自身磷酸化促进Bnip3和LC3B(自噬相关蛋白)的相互作用而诱导线粒体自噬[7]。

2.4 FUNDC1 FUNDC1是线粒体外膜的一种蛋白，在低氧的情况下通过LC3相互作用区域与LC3相互作用，诱导线粒体自噬[8]。FUNDC1同时也是ULK1(自噬激活激酶)的受体，ULK1可导致线粒体极化，使FUNDC1的17酪氨酸磷酸化，从而促进线粒体自噬[9]。低氧下线粒体上的PGAM5的磷酸化可直接去磷酸化FUNDC1，去磷酸化的FUNDC1与LC3的相互作用，促进线粒体自噬，但是CK2使FUNCD1磷酸化而抑制线粒体自噬[8]。

2.5 Cardiolipin Cardiolipin虽然是线粒体内膜的磷脂，但有研究发现在最初的皮质神经元细胞内，Cardiolipin如果移到线粒体外膜是因为线粒体损伤并且与LC3相互作用,Cardiopin合成减少可以减少线粒体向自噬小体的转移，LC3中与Cardiopin结合位点的变异可抑制线粒体自噬[10]。

2.6 GCN5L1 乙酰辅酶A是代谢途径中间产物，它负性调节自噬。饥饿下，乙酰辅酶A被认为被消耗。GCN5L1的下调可以减少线粒体蛋白的乙酰化，刺激线粒体自噬[11]。这种线粒体自噬是依赖Atg5及P62,而非依赖Parkin,因此GCN5L1调节的自噬是否具有线粒体选择性还未知。

3 线粒体自噬在肺脏疾病中的作用

3.1 慢性阻塞性肺疾病 慢性阻塞性肺疾病是一种具有气流阻塞特征的慢性支气管炎和(或)肺气肿，可进一步发展为肺心病和呼吸衰竭的常见慢性疾病，与有害气体及有害颗粒的异常炎症反应有关，致残率和病死率很高。线粒体自噬作为最近的研究热点，其在COPD中的研究也得到了关注。有害气体可导致肺上皮细胞线粒体功能障碍，表现为电镜下线粒体脊严重破裂，线粒体活性氧增加，ATP产生较少，线粒体氧耗下降；肺上皮细胞内的PINK1表达增加；促使线粒体内长Opa1分解变短促使线粒体裂解；肺上皮细胞内Drp1的616色氨酸磷酸化使线粒体聚集并使线粒体碎片增加；诱导肺上皮细胞PINK1依赖的线粒体自噬；依赖于PINK1的线粒体自噬影响线粒体膜电势及细胞死亡，从而调节的细胞死亡[12]。有趣的是CSE刺激可以导致PINK1的表达明显增加，但是Parkin的表达未见明显增加，PINK1基因敲除的小鼠在香烟烟雾暴露下气道损伤轻，并且在肺气肿模型中发现PINK1基因缺陷可以减少香烟烟雾刺激导致的气道扩张，但是Parkin基因敲除的小鼠和野生型小鼠一样香烟烟雾刺激导致了气道扩张[12]。但有研究有相反的发现：敲除PINK1基因可增加香烟刺激物导致的线粒体活性氧产生及支气管上皮细胞衰老，可减少线粒体内Parkin的水平，认为烟雾刺激诱导的支气管上皮细胞的衰老是通过PINK1-Parkin通路调节线粒体自噬及线粒体活性氧的产[13]。这些研究说明Pink1-Parkin介导的线粒体自噬参与了香烟刺激物导致的阻塞性肺通气功能障碍，但是具体的机制还有待于进一步研究。

3.2 肺纤维化 特发性肺纤维化(Idiopathic pulmonary fibrosis，IPF)是一种不明原因的弥漫性肺间质纤维化疾病，主要表现为干咳、进行性呼吸困难，并且逐渐恶化，有着很差的预后。年龄是肺纤维化的高危因素，肺纤维化病人的肺泡II型细胞(AECII)表现为线粒体功能障碍，电子显微镜发现线粒体肿胀变形，伴随着有丝分裂增加。微阵列分析显示肺纤维化病人ACEII细胞的PINK1表达下降，PINK1的低表达可以导致ACEII细胞内线粒体去极化及促纤维化因子表达。PINK1基因的敲除使大鼠肺细胞线粒体肿大，数量减少，但是线粒体DNA数量不变，给予肺纤维化诱导剂后PINK1基因敲除的小鼠更容易发生肺纤维化[ 14]。在肺上皮细胞内转化生长因子TGF-β1可刺激ROS的产生，导致线粒体去极化、线粒体活性氧产生及PINK1表达，线粒体活性氧的产生可改变膜电位导致线粒体自噬[14]。人类表面蛋白C基因(SFTPC)73密码子上苏氨酸突变成异亮氨酸与肺间质疾病有关，通过透视电镜发现此种变异的细胞内有大量的含有细胞器及蛋白碎片的异常吞噬液泡，线粒体自噬相关蛋白Parkin表达增加[15]。

3.3 肺动脉高压 肺动脉高压是无法治愈的肺血管病变，可导致右心衰及死亡。Ucp2广泛表达于中枢神经系统、胰腺、肝脏和肺脏，调节脂肪酸的代谢、线粒体内钙离子的摄取、线粒体内氧自由基的产生、线粒体自噬及细胞凋亡。有研究发现Ucp2基因敲除的小鼠在间断低氧时增加了右心室收缩压，肺内皮细胞的凋亡增加，肺内线粒体自噬标记物Parkin和PINK1增加，线粒体自噬及自噬流增加[16]。发现Ucp2可通过钙离子调节肺内皮细胞的线粒体及细胞凋亡，Ucp2沉默可增加肺内皮细胞内Atg5而增强自噬及凋亡；Ucp2基因敲除的小鼠的内皮细胞的PINK1的沉默进而抑制肺内皮细胞的高自噬活动从而预防间断低氧导致的肺动脉高压。

3.4 肺 癌 肺癌是一种发病病率死率都较高的恶性肿瘤，严重危及着人类的健康及生命。但是其复杂的发病机制尚未完全明了、治疗效果也不理想，因此有许多研究希望从线粒体自噬寻找肺癌相关研究的突破点。A549肺癌细胞是肺癌研究中常用的细胞，此类细胞发现中线粒体明显变长，线粒体质量增加，线粒体功能异常并促进PINK1在线粒体外膜的代谢，进而促进泛素连接酶E3 Parkin招募到线粒体上，激活线粒体自噬并移除受损的线粒体[16]。新城疫病毒(Newcastle disease virus，NDV)是一种具有溶瘤作用的无意义的副黏病毒，NDV导致细胞死亡的主要机制是凋亡，包括外在的或者内在的凋亡途径，以内在凋亡途径为主[17]，NDV的感染可以导致肺癌A549细胞自噬溶酶体的聚集并保存自噬潮，可以导致线粒体膜电位的改变，使得线粒体的呼吸链发生故障并释放细胞色素C进而使细胞死亡[17]。

3.5 急性肺损伤 急性肺损伤是各种直接和间接致伤因素导致的肺泡上皮细胞及毛细血管内皮细胞损伤，造成弥漫性肺间质及肺泡水肿，导致的急性低氧性呼吸功能不全[18]。线粒体功能异常可以产生大量的应激因子、凋亡调节因子、细胞因子及激发免疫反应，这在肺损伤的发生发展中有着重要的作用。高氧是导致急性肺损伤的一个因素，研究发现NLRP3-/- 的大鼠肺上皮细胞PINK1表达增加，PINK1和激活的蛋白酶可协同抵抗高氧损伤，具有肺保护作用，高氧则通过NLRP3-PINK1通路导致细胞和组织死亡，PINK1的静默表达可以加剧高氧诱导的线粒体氧自由基的产生并抑制自噬，从而导致凋亡，而PINK1的缺失则激活Caspase-3介导的细胞死亡。

综上所述，现有研究表明线粒体自噬及其调控分子机制参与了多种肺脏疾病的发生、发展，其相关研究已成为研究者的关注焦点。但是目前线粒体自噬在肺脏疾病中存在的多种调控机制及信号通路尚不清楚，其相关基因的功能也尚不清楚。相信随着线粒体自噬在肺脏领域研究的不断深入，将为认识肺脏疾病发病机制提供新的理论，并为其防治提供新的靶点。