线粒体自噬在高原缺氧脑损伤中的作用机制研究※

黄雅倩,洒玉萍,李永平

(1.青海大学,青海 西宁810001；2.青海大学医学院,青海 西宁810001)

大脑是人体高耗氧的器官,对缺氧极为敏感。缺氧是高原环境的一大特点,高原缺氧尤其是急性缺氧会引起脑组织发生一系列的病理生理改变,最终引起大脑不可逆性损伤[1]。目前,国内外学者研究证实,缺氧与自噬关系密切,缺氧会诱导自噬的发生,尤其是引发线粒体自噬的发生[2-4]。神经元是高耗能及高代谢细胞,大脑及神经组织中的兴奋性氨基酸和神经递质代谢后可不断产生活性氧簇(ROS),ROS的过度累积易引起线粒体自噬,因此,线粒体自噬的发生对维持正常神经元功能起着重要的作用。本文主要对线粒体自噬在高原缺氧性脑损伤中的作用机制研究进行综述,以期为相关领域的研究提供参考。

1 缺氧信号和线粒体

目前,缺氧诱导因子1(HIF-1)被认为是适应缺氧最重要的调节因子。HIF-1是一种由受缺氧诱导的亚基HIF-1α和组成性表达的亚基HIF-1β组成的异质二聚体复合体。HIF-1β亚基不受氧浓度的影响,可在细胞中稳定表达；HIF-1α亚基因其含有一个氧依赖降解区,故受到氧的严格调控[5]。常氧条件下,HIF-1α蛋白被迅速降解,HIF-1复合物的转录活性极低；低氧条件下,HIF-1α蛋白稳定表达,并在细胞核内与HIF-1β相互作用以促进转录活性,通过调节促红细胞生成素、血管内皮生长因子等在内的下游靶基因的转录,从而应对氧化应激。线粒体作为细胞内的关键细胞器,决定细胞的生存和死亡,一方面,其是细胞的“能量工厂”,通过电子传递链与线粒体内膜的氧化磷酸化的偶联作用产生三磷酸腺苷(ATP)；另一方面,其可启动细胞凋亡,使其更好地适应生存环境。因此,及时清除受损、衰老或过量产生的ROS线粒体对维持正常的细胞活动状态至关重要。在缺氧条件下,线粒体是激活HIF-1α的氧传感器,生成的ROS可影响HIF-1α及缺氧基因的生成和活性,并通过HIF-1信号途径诱导线粒体自噬的发生[2]。

2 线粒体自噬的概念

2005年,LEMASTERS J J等[6]为了强调线粒体发生自噬具有选择性这一特点,首次提出“线粒体自噬”的概念,其是利用自噬活动选择性清除受损线粒体的机制,线粒体自噬的发生是对自身质量的把控。

3 缺氧诱导线粒体自噬

3.1 线粒体自噬在高原缺氧脑损伤中的激活 低氧条件会导致细胞内的能量大量消耗,而线粒体作为机体的主要供能场所,在缺氧性脑损伤的生理病理过程中起着重要的作用。缺氧会引发一系列缺血级联反应,它们同时发生并相互作用,线粒体的变化在神经元应对缺氧的反应中起着关键的作用[7]。缺氧会诱导线粒体自噬的发生,从而选择性清除功能障碍及不必要的线粒体,对维持自身稳态及提高细胞存活率至关重要[8]。高原低压缺氧易引起高原脑水肿,严重时可导致不可逆性的脑组织损伤[9]。研究发现,氧化应激损伤及炎症反应可能是高原脑水肿发生的最主要的两个因素[10]。

(1)氧化应激过度激活 氧化应激是引发细胞凋亡的有力机制,而线粒体是氧化应激的重要靶点,缺氧会导致线粒体功能降低[11]。研究发现,脑神经元对氧化应激反应十分敏感,是导致脑神经元死亡的重要因素[12]。大脑缺氧后,线粒体氧化磷酸化发生障碍,ATP生成减少,无法达到维持离子泵活性的水平,依赖ATP的Na＋-K＋-ATP酶功能障碍,导致细胞膜的离子梯度被破坏并发生去极化,刺激Ca2＋相关通道开放,Ca2＋内流增多；线粒体及内质网对Ca2＋的阻滞作用降低、谷氨酸受体的启动增加等影响均使Ca2＋内流增多,上述过程均可导致细胞内Ca2＋超载损伤[13]。此外,通过线粒体膜通透性转换孔的电子流减少,大量ROS生成,ROS与生物分子相互作用并损伤细胞内的各种成分,如脱氧核糖核酸(DNA)、核糖核酸(RNA)、蛋白质及脂质等,改变细胞结构和功能,引起神经元的氧化应激损伤、凋亡及坏死[14]。研究表明,氧化应激及线粒体自噬在维护机体稳态中存在相互作用关系,白藜芦醇通过激活SIRT3/AMPK信号通路可增强线粒体自噬水平,从而减轻单核巨噬细胞(RAW 264.7)受氧化应激诱导的细胞毒性的影响[15]。在氧化应激下,活性氧通过激活PINK1/Parkin通路介导的线粒体自噬可清除受损线粒体,并减缓细胞衰老[16]。由此可见,机体氧化应激与线粒体自噬的调节是相互的,机体遭受氧化应激损伤后可增强线粒体自噬程度,相反,线粒体自噬又可在一定程度上调节抗氧化水平,共同起到维护细胞内稳态的作用。

(2)炎症反应 炎症反应是一种非特异性的免疫反应,是高原缺氧性脑损伤病理进程中的重要环节。缺氧后,全身炎症通过破坏血脑屏障的通透性、激活小胶质细胞及增强水通道蛋白4的表达,从而加重脑损伤[17]。脑组织长时间暴露在低压低氧环境下,促炎因子上调,肿瘤坏死因子-α(TNF-α)、干扰素-γ(IFN-γ)、白细胞介素-1β(IL-1β)及白细胞介素-6(IL-6)等刺激炎症细胞释放更多的炎症因子及潜在的细胞毒性物质,进一步破坏血脑屏障和细胞外基质,加重脑组织损伤[18-19]。研究表明,调节线粒体的结构及功能可影响机体炎症的发展进程。氧化应激是炎症反应的重要机制,而线粒体是氧化应激的重要靶点,因此线粒体与机体炎症反应关系密切。

3.2 与缺氧有关的线粒体自噬相关蛋白 缺氧激活的线粒体自噬多是以一种保护机制而存在,这一过程的发生依赖自噬蛋白。目前的研究发现,哺乳动物中,BNIP3(Bcl-2/adenovirus E1B-19 k Da-interacting protein 3)、BNIP3L(BNIP3-like)及FUNDC1蛋白与低氧诱导的线粒体自噬关系密切[20]。

(1)BNIP3/BNIP3L BNIP3及其同源物BNIP3L/Nix是仅含BH3结构域的Bcl-2亚家族中的成员,定位于线粒体和内质网内,两者氨基酸序列同源性为56%,在线粒体中,BNIP3及Nix的BH3结构域可抑制抗凋亡Bcl-2蛋白的功能[21]。BNIP3及Nix是直接受HIF-1转录调节的一组靶基因,HIF-1激活下游基因转录的自噬信号,促进线粒体自噬清除受损线粒体。在缺氧条件下,BNIP3及Nix表达增加并与Beclin-1竞争结合Bcl-2,提高自由Beclin-1水平,触发线粒体自噬,减少ROS产生及促凋亡因子的释放,防止细胞死亡,以此适应缺氧[22]。此外,BNIP3及Nix都包含相同的N端LIR(LC3相互作用域),丝氨酸残基17和24的磷酸化作用促进BNIP3和哺乳动物的微管相关蛋白1轻链3(LC3)的相互作用,加快线粒体降解和自噬[23]。目前,BNIP3及Nix在缺氧条件下激活的线粒体自噬对细胞的保护作用仍有待进一步研究。

(2)FUNDC1 FUNDC1是缺氧诱导的一种线粒体自噬受体,可通过N端的LIR序与LC3结合,募集自噬体并诱发线粒体自噬[24]。正常情况下,FUNDC1的LIR序列中的18位酪氨酸(Tyr18)被SRC激酶磷酸化,丝氨酸13(Ser13)被酪蛋白激酶2(CK2)磷酸化,FUNDC1的活性因此被控制。在缺氧或线粒体解偶联反应中,SRC被灭活,Ser13被磷酸甘油酸变位酶5(PGAM5)去磷酸化,激活LIR序与LC3结合[25]。因此,PGAM5可使FUNDC1去磷酸化,转化缺氧信号,诱导FUNDC1介导的线粒体自噬。研究发现,线粒体自噬在高原缺氧性脑损伤过程中受LC3及Beclin 1的调节[26]。

4 讨论

缺氧致脑组织损伤是一个复杂的过程,涉及的损伤机制较为广泛。目前,缺氧诱导的线粒体自噬机制主要包括：HIF-1激活BNIP3/NIX介导的通路诱导线粒体自噬、线粒体自噬受体FUNDC1的可逆性磷酸化激活的自噬、ROS导致的氧化应激诱导的线粒体自噬。这些机制之间是否还存在某种相互作用或关系,仍有待进一步研究。目前,相关学者对缺氧致脑组织损伤的相关病理过程研究已比较深入,但相关的损伤机制、相关的信号通路、损伤机制及相关信号通路之间的关系仍不是很明确,仍需要进行大量研究,这将有助于为高原缺氧性脑损伤的治疗提供更为明确的思路和方向。