线粒体自噬在心肌缺血再灌注损伤中作用的研究进展

温建麟，黄锋，曾志羽

(广西医科大学第一附属医院，南宁530021)

随着冠状动脉介入术、溶栓、冠状动脉旁路移植术等再灌注治疗的不断发展和广泛应用，挽救了大量冠心病尤其是急性心肌梗死患者的生命。然而在临床中，缺血心肌在梗死相关血管开通后可能导致比血管闭塞时更严重的急性损伤，患者出现恶性心律失常、无复流和心肌顿抑现象，致使心肌坏死面积扩大甚至死亡，即心肌缺血再灌注损伤(MIRI)[1]。MIRI减弱了缺血心肌再灌注的效益，成为了冠心病预防与治疗过程中亟待解决的关键问题。但是MIRI的确切机制尚未明确，目前认为与自由基的作用、细胞内钙超载、白细胞的激活及内质网应激等因素密切相关。而最新有研究表明，线粒体自噬与心肌缺血再灌注密切相关，线粒体自噬的相关分子通路被认为是一个潜在的缺血性心脏病再灌注治疗中的干预靶点。因此，本文将对线粒体自噬与MIRI的关系作一综述。

1 线粒体自噬

自噬是一种通过溶酶体降解长寿蛋白和细胞器的代谢途径[2]，以此途径机体可维持自身结构稳定和功能正常。自噬不单是细胞保守的防御机制，也是细胞程序性死亡的一种机制，与机体许多病理或生理进程密切相关。根据细胞内底物运送到溶酶体腔的方式不同，可以分为大自噬、小自噬等非选择性自噬；自噬也可以是选择性的，比如线粒体自噬、过氧化物酶体自噬、内质网自噬和核糖体自噬等[3]。不同的自噬途径又有着不同的调控网络，但是其具体的分子调控网络并没有完全阐明，线粒体自噬是研究得较多的一种自噬途径。

线粒体是真核细胞有氧呼吸的主要场所，通过氧化磷酸化的方式为细胞提供能量，有“能量工厂”之称。同时线粒体也是细胞凋亡的调控中心和活性氧产生的场所，因为在线粒体产生能量的同时，也会产生活性氧自由基(ROS)，ROS过度积累，可以攻击线粒体DNA，从而损伤线粒体，导致线粒体结构和功能紊乱。线粒体对缺血、缺氧等环境较为敏感，当心肌缺血时，三磷酸腺苷(ATP)的缺乏影响了Ca2+-ATP酶和Ca2+-Mg2+-ATP酶活性，线粒体内钙超载导致Ca2+依赖性离子通道开放，从而使得线粒体膜通透性改变，其膜间隙内的促凋亡蛋白会释放至胞浆，通过一系列复杂的机制，最终引起细胞发生凋亡。

线粒体自噬作为一种选择性自噬，是细胞内清除损伤或过多线粒体的过程[4]，指在缺血、缺氧、氧化应激和衰老等刺激下，细胞内的线粒体发生去极化损伤，从而激活自噬体-溶酶体途径，完成受损线粒体的降解，维持细胞内环境稳态的过程。因此，及时清除受损或过多的线粒体对机体细胞正常功能的维持至关重要，而真核生物主要通过激活线粒体自噬途径来清除积累或者损伤的线粒体。根据线粒体自噬过程的特征，将线粒体自噬分为前期、早期、中期和末期四个时期，各个时期都有不同的特点。前期：线粒体自噬相关蛋白的活化；早期：线粒体自噬小体形成；中期：形成线粒体自噬溶酶体；末期：线粒体被溶酶体降解。参与这个过程的蛋白主要有：编码线粒体外膜激酶(PINK1)、E3泛素连接酶(Parkin)、B细胞淋巴瘤/白血病-2(BCL2)和腺病毒相互作用蛋白3(BNIP3)、自噬相关基因(Atg)蛋白和Uthl蛋白。其中PINK1及Parkin蛋白：诱导线粒体自噬的发生，清除过多或损伤的线粒体，维持线粒体结构和功能的稳定；定位于线粒体外膜的BNIP3蛋白在发育过程中线粒体自噬的清除发挥了重要的作用；Atg蛋白系统主要作用是参与早期线粒体自噬体的形成；Uthl蛋白是线粒体内蛋白质，其基因突变或者缺失都会导致细胞不能清除受损伤或者衰老的线粒体。因此线粒体自噬过程中各个时期的协同作用，也需要相关的分子机制来调控。

2 MIRI激活线粒体自噬的分子机制

目前广泛认可的介导哺乳动物线粒体自噬的通路主要是由PINK1及Parkin介导的、BNIP3及其家族成员BNIP3a(又称Nix)、FUNDC1等线粒体自噬受体介导的线粒体自噬[5]。而MIRI介导线粒体自噬主要通过以下几条分子通路。

2.1 PINK1-Parkin经典途径 PINK1-Parkin介导的线粒体自噬是哺乳动物细胞线粒体自噬最常见的方式。正常状态下，PINK1进入线粒体后，被线粒体内膜蛋白酶剪切并最终被降解，在细胞内维持低水平的PINK1。MIRI时，ROS损伤线粒体，线粒体去极化可抑制PINK1向线粒体运输，完整的PINK1聚集在线粒体外膜，招募Parkin到受损的线粒体上，并通过对Parkin和泛素磷酸化激活Parkin E3连接酶活性。然后，Parkin泛素化线粒体外膜融合蛋白1和线粒体外膜融合蛋白2等使线粒体泛素化[6]。泛素结合蛋白p62识别泛素化线粒体基质蛋白，并通过与自噬相关蛋白微管相关蛋白1轻链3(LC3)结合，把线粒体输送到自噬泡，促进线粒体降解[7]。

2.2 线粒体自噬受体介导的线粒体自噬途径 线粒体自噬受体蛋白，具有与LC3反应的特征性氨基酸序列模体，受体蛋白通过模体募集、结合LC3，从而介导线粒体自噬的发生[8, 9]。目前发现的线粒体自噬相关受体包括BNIP3、Nix和FUNDC1，其在线粒体自噬的激活过程中发挥重要作用。BNIP3属于BCL2家族的一类非典型的、仅有BH3结构域的促凋亡蛋白家族成员，主要定位于线粒体外膜，可促进线粒体自噬与细胞凋亡的发生。Nix是线粒体膜表面的结合蛋白，与BNIP3同源。BNIP3、Nix在正常生理条件下低表达，但在心肌缺血过程中，细胞内BNIP3、Nix表达上调，诱导线粒体自噬发生，维持细胞正常的功能。BNIP3、Nix调控线粒体自噬主要有以下几个方面：Nix可调控Parkin向线粒体转移，激活PINK1-Parkin介导的线粒体自噬，与PINK1-Parkin途径共同作用激活线粒体自噬[10]。作为Bcl-2家族成员，Nix可能与参与自噬泡生成的重要蛋白Beclin-1竞争结合Bcl-2或Bcl-XL,导致细胞质中游离的Beclin-1增加,进而诱导自噬发生。同时Nix也可以作为自噬受体招募Atg8 蛋白家族启动线粒体自噬。FUNDC1是存在于线粒体外膜上的三次跨膜蛋白。FUNDC1主要参与低氧及线粒体膜电势降低引起的线粒体自噬，但是其介导线粒体自噬具体机制并未明确。有研究表明，在正常情况下，FUNDC1被第13位丝氨酸的激酶(CK2)和第18位酪氨酸的激酶(Src)磷酸化，磷酸化的FUNDC1与LC3 相互作用减弱，表现为对线粒体自噬起到抑制的作用；而在心肌缺血时，去磷酸化的FUNDC1和LC3 相互作用增强，介导线粒体自噬的发生[11]。同时Chen等[12]也发现FUNDC1与视神经萎缩蛋白和动力蛋白基因结合可以引起线粒体膜蛋白裂解，这也说明FUNDC1参与了线粒体自噬的发生。

3 线粒体自噬对心肌缺血再灌注的作用

在心肌缺血/再灌注损伤过程中，心肌细胞内的线粒体在缺氧等刺激下产生活性氧增多，启动氧化应激，进一步造成线粒体损伤，而损伤的线粒体又会产生更多ROS，形成恶性循环，并有可能启动线粒体相关凋亡通路，从而造成细胞凋亡与坏死，加重MIRI。研究表明，适当增强线粒体自噬功能可减轻MIRI，而损伤线粒体的数量超过线粒体自噬的清除能力，或者线粒体自噬发生缺陷，细胞则会启动死亡程序，加重MIRI损伤程度[13,14]。线粒体自噬在MIRI中是保护作用还是损伤作用，目前并没有一致的看法。

3.1 线粒体自噬在MIRI中的有利作用 心脏组织是高耗能组织，心肌缺血再灌注会损伤线粒体，线粒体功能障碍是导致心肌细胞死亡的主要原因。线粒体自噬能通过自噬-溶酶体降解途径特异性的降解受损伤的线粒体，维持线粒体内氧自由基水平，防止活性氧、线粒体膜蛋白等造成线粒体内容物的释放从而激活细胞凋亡和坏死途径。因此，线粒体自噬被认为在MIRI中起到重要的保护作用。Yan 等[15]对猪的慢性心肌缺血模型进行研究，发现自噬现象的增加与心肌细胞的凋亡率下降有关。Loos 等研究发现细胞自噬现象轻度缺血时增加，而线粒体自噬对细胞膜的完整性具有保护作用，同时也对保持线粒体正常膜电位起着重要作用，这可降低细胞不可逆损伤。有研究发现，在小鼠心肌梗死模型中，在急性期内，发现Parkin易位至损伤的线粒体，并介导线粒体蛋白进行泛素化降解。同时利用敲除Parkin基因的小鼠构建心肌梗死模型，发现缺乏Parkin能够抑制急慢性期心肌梗死后线粒体自噬的发生，导致线粒体功能障碍加重，心肌梗死范围大、病死率高。上述研究均提示Parkin介导的线粒体自噬在MIRI中起到保护心肌的作用。

3.2 线粒体自噬在MIRI中的有害作用 心肌细胞正常的代谢与功能与线粒体功能正常发挥密切相关，但如果缺血缺氧等刺激过度激活线粒体自噬则会导致细胞内线粒体的清除过度，线粒体结构和功能紊乱，加重心肌细胞损伤。心肌缺血再灌注过程中，过度激活的线粒体自噬-溶酶体蛋白降解系统使细胞内重要蛋白和细胞器降解，形成细胞的不可逆性损伤，甚至导致细胞死亡，但是其具体的发生机制并未明确。有实验证明，在心肌细胞缺血再灌注过程中，使用3-甲基腺嘌呤自噬抑制剂、下调或敲除Beclin-1等手段来抑制线粒体自噬，可使心肌细胞死亡率降低。此外研究发现， Beclin-1是再灌注阶段调节自噬的关键因子，Bcl-2下调会影响其活性，进而加剧激活细胞凋亡，加重MIRI。

以上研究结果提示，心肌缺血、缺氧过程中线粒体功能紊乱在MIRI中有着重要的作用，而线粒体自噬能清除损伤的线粒体，减轻心肌缺血再灌注过程中的氧化应激及自由基的产生，进而缓解MIRI，但是过度的线粒体自噬却可以激活细胞凋亡等途径加重MIRI，因此，推测适度增强线粒体自噬改善线粒体功能是防治MIRI有效途径之一。

综上所述，线粒体自噬与MIRI密切相关。心肌缺血再灌注时，主要通过介导PINK1-Parkin、Nix、BNIP3 和FUNDC1等分子通路激活线粒体自噬，适度的线粒体自噬对线粒体膜电位的维持以及细胞膜正常结构和功能具有保护作用，从而减轻MIRI；而线粒体功能障碍导致自噬功能受损清除不足或过度激活的线粒体自噬，可以加重MIRI。

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