线粒体自噬与心力衰竭*

周 爽， 蒋智渊， 钟国强

（广西医科大学第一附属医院心血管内科，广西南宁530021）

心力衰竭（简称心衰）是指由于心脏功能障碍导致心室充盈或射血能力受损的一种复杂的综合征。目前，我国35岁以上人群慢性心衰的患病率约为0.9%［1］。随着人口老龄化，冠心病、高血压、糖尿病等慢性病的发病率增加，以及对急性心血管疾病治疗手段的提高，心衰的患病率必然进一步增加。尽管肾素-血管紧张素-醛固酮系统拮抗剂和β受体阻滞剂的应用大大改善了心衰的预后，但心衰患者5年生存率仅为26%～52%［2］。因此，更好地理解心衰的发病机制、寻找潜在的干预靶点，将为慢性心衰提供更多的治疗手段。心脏是机体耗能最多的器官之一，线粒体是机体最主要的功能场所，线粒体功能异常与心衰的发生密切相关。而线粒体自噬对于及时清除受损线粒体，维持线粒体正常功能起着重要的作用。为了寻找心衰干预的潜在靶点，本文就线粒体自噬异常在心衰发病中的作用进行阐述。

1 线粒体功能障碍与心衰

线粒体产生心脏最主要的能源物质——三磷酸腺苷（adenosine triphosphate，ATP），这对于维持心脏正常功能至关重要［3］。研究表明，无论是心脏瓣膜病、冠心病、高血压，还是心肌病所致的心衰患者，均观察到了线粒体功能异常导致的心肌能量代谢障碍［4］。线粒体功能异常，除了导致心肌能量代谢障碍外，还可以产生大量的活性氧簇（reactive oxygen species，ROS）。ROS可从下述几个方面促进心肌负性重构，导致心衰：（1）激活兰尼碱受体2，并抑制肌浆网钙转运ATP酶活性，引起心肌细胞钙超载，肌丝对钙的敏感性下降，导致心肌收缩功能障碍［5］。（2）促进心肌纤维化：ROS可增加组织金属蛋白酶抑制剂表达，减少基质金属蛋白酶表达，促进心肌纤维化；同时，ROS是血管紧张素II介导的心肌肥厚与心肌纤维化的重要下游信号因子［5-6］。（3）激活NOD样受体蛋白 3（NOD-like receptor protein 3，NLRP3）炎症小体和Toll样受体9，增加白细胞介素1β和白细胞介素18等的表达水平，导致心肌炎症，心肌细胞变性、坏死［7-8］。（4）破坏心肌细胞电稳定性，ROS逆转Na+-Ca2+交换体功能，导致 Ca2+和 Na+外流；ROS 增加ATP敏感K+内流，缩短心肌细胞动作电位时程；此外，ROS也可以减少KV+内流，增加晚 Na+电流，延长动作电位时程［5］。上述改变破坏心肌细胞电稳定性，与心衰时恶性心律失常及心源性猝死发生密切相关［9］。由此可见，线粒体功能障碍与心衰发生密切相关。

2 线粒体自噬的调控

线粒体自噬是一种选择性的细胞自噬，是指利用细胞自噬清除细胞内功能异常线粒体的过程。线粒体自噬的调控分为泛素依赖性和非泛素依赖性2种方式。泛素依赖性线粒体自噬包括PTEN诱导激酶1（PTEN-induced kinase 1，PINK1）/E3泛素连接酶parkin介导的线粒体自噬和非parkin依赖性线粒体自噬；而非泛素依赖性线粒体自噬则是指线粒体自噬受体介导的线粒体自噬（图1）。

Figure 1.Regulation of mitophagy.图1 线粒体自噬的调控

2.1 泛素依赖性线粒体自噬

2.1.1 PINK1/parkin介导的线粒体自噬 PINK1/parkin介导的线粒体自噬是哺乳动物细胞最常见的线粒体自噬。在正常的线粒体中，PINK1被转运至线粒体内膜，并被泛素-蛋白酶系统剪切及降解。当线粒体受损伤时，PINK1转运至线粒体内的过程受阻，在线粒体外膜累积，发生自身磷酸化而被激活。激活的PINK1将parkin招募至线粒体表面并将其磷酸化，磷酸化的parkin将线粒体膜上底物蛋白［如电压依赖性阴离子通道1（voltage-dependent anion channel-1，VDAC1）、线粒体融合蛋白1（mitofusin 1，MFN-1）、线粒体融合蛋白 2（mitofusin 2，MFN-2）和 mitochondrial Rho（Miro）］多聚泛素化，多聚泛素化的底物被微管相关蛋白1轻链3（microtubule-associated protein 1 light chain 3，LC3）适配体蛋白识别，与LC3结合进入自噬体，再与溶酶体结合，形成自噬-溶酶体，最终将受损的线粒体降解［10］。但目前parkin的底物蛋白仍未完全明确。

在介导受损线粒体进入自噬体的过程中，LC3适配体蛋白起着关键作用。目前已证实的LC3适配体蛋白有选择性自噬接头蛋白p62/sequestosome-1（SQSTM1）、光神经素（optineurin，OPTN）、核点蛋白52（nuclear dot protein 52，NDP52）、TAX1结合蛋白1（TAX1 binding protein 1，TAX1BP1）和BRCA1近邻基因1（neighbor of BRCA1 gene 1，NBR1）。这些适配体蛋白均有一个LC3结合区域，它们识别线粒体膜上多聚泛素化的底物后，与LC3结合，介导线粒体进入自噬体［10］。

2.1.2 非parkin依赖性的线粒体自噬 除了parkin外，其他E3泛素连接酶，如Gp78、Smad泛素化调节因 子 1（Smad ubiquitination regulatory factor-1，SMURF1）、seven in absentia homolog-1（SIAH1）、线粒体E3泛素蛋白连接酶1（mitochondrial E3 ubiquitin protein ligase 1，MUL1）和 ariadne homologue 1（ARIH1），也可以将线粒体膜上的蛋白底物多聚泛素化，而被p62、OPTN和NDP52识别，从而与LC3结合，进入自噬体。此外，PINK1通过磷酸-泛素化线粒体外膜蛋白，不依赖parkin，直接招募OPTN和NDP52［11］。OPTN和NDP52则进一步招募Unc-51样激酶1（Unc-51-like kinase 1，ULK1）、含双FYVE结构域蛋白1（double FYVE domain-containing protein 1，DFCP1）和WD重复结构域磷酸肌醇相互作用蛋白 2（WD repeat domain，phosphoinositide interacting protein 2，WIPI2），介导线粒体进入自噬体［12］。

2.2 非泛素依赖性的线粒体自噬 与依赖线粒体膜泛素化蛋白底物的LC3适配体蛋白不同，有一类线粒体蛋白通过直接与LC3结合，介导受损的线粒体进入自噬体，称之为线粒体自噬受体。目前发现的自噬受体有Nip3样蛋白X（Nip3-like protein X，NIX）、BCL2/腺病毒E1B 19 kD相互作用蛋白3（BCL2/adenovirus E1B 19kD-interacting protein 3，BNIP3）、含 FUN14结构域蛋白 1（FUN14 domaincontaining protein 1，FUNDC1）、BCL2样 蛋白 13（BCL2-like protein 13，BCL2L13）、FK506结合蛋白8（FK506-binding protein 8，FKBP8）、抑制素 2（prohibitin 2，PHB2）和 心 磷 脂（cardiolipin）。 NIX、BNIP3、FUNDC1、BCL2L13和FKBP8位于线粒体外膜，而PHB2和cardiolipin则位于线粒体内膜［10］。

2.3 线粒体动力代谢与线粒体自噬 线粒体通过不断融合与分裂维持代谢平衡。轻度能量缺乏时，线粒体融合成管状网络使产能最大化，满足机体需要。而当持续、严重的应激时，线粒体发生分裂，产生大量的线粒体碎片与ROS，对蛋白、脂质和线粒体DNA造成损害，造成能量供应障碍。线粒体自噬通过清除线粒体碎片，维持细胞稳态。在线粒体动力代谢中，MFN-1和MFN-2介导线粒体外膜的融合，视神经萎缩蛋白1（optic atrophy 1，OPA1）介导线粒体内膜的融合；而发动蛋白相关蛋白1（dynaminrelated protein 1，Drp1）则介导线粒体分裂。研究表明，上述调控线粒体动力学的关键蛋白均与线粒体自噬密切相关。MFN-1和MFN-2经parkin泛素化后，可明显促进PINK1/parkin介导的线粒体自噬。PINK1可间接激活Drp1，促进线粒体分裂，从而更加易于进入自噬体，加速线粒体自噬的进程，抑制Drp1可减弱PINK1介导的线粒体自噬。在FUNDC1和BNIP3介导的线粒体自噬中，OPA1被从线粒体膜中解离，Drp1被招募至线粒体表面并被激活，从而抑制线粒体融合，促进线粒体分裂与自噬。由此可见，线粒体自噬与线粒体动力代谢相互影响，共同维持细胞能量代谢稳态［10］。

3 线粒体自噬与心衰

线粒体自噬能够及时清除受损的线粒体，避免ROS对细胞的毒性作用，对于维持心肌细胞的稳态起着重要作用。近期，Wang等［13］发现心衰患者心肌细胞线粒体自噬明显下降。Shirakabe等［14］发现，横向主动脉缩窄（transverse aortic constriction，TAC）小鼠心衰的发生与线粒体自噬障碍密切相关。Durga等［15］发现，线粒体自噬障碍加速2型糖尿病小鼠心梗后心衰的发生。上述研究提示，线粒体自噬障碍是导致心衰发生的重要原因。线粒体自噬障碍明显增加ROS水平，损伤线粒体DNA，导致心肌细胞钙超载、炎症损伤、坏死和凋亡，以及心肌纤维化，促使心衰的发生［5-8］。但是，心衰时线粒体自噬障碍如何发生？近期的研究证据将为我们提供一些重要的线索。

3.1 线粒体自噬障碍与心衰

3.1.1 PINK1/parkin信号通路与心衰 Wang等［13］发现，心衰患者与TAC心衰小鼠中均存在腺苷酸活化蛋白激酶（AMP-activated protein kinase，AMPK）α2向AMPKα1转化，同时伴随线粒体自噬障碍和功能异常。过表达AMPKα2可通过磷酸化PINK1，恢复PINK1/parkin介导的线粒体自噬，从而清除受损线粒体和ROS，减少心肌细胞凋亡，阻止TAC小鼠慢性心衰的发生。Dadson等［16］发现，终末期心衰患者左心室E3泛素连接酶Mule的表达明显下降。敲除小鼠Mule使得原癌基因c-myc累积，导致PINK1表达下调、线粒体功能异常、ROS生成增多，小鼠出现自发性的心室肥厚、左心室功能障碍。敲除c-myc，可以减少Mule缺失导致的PINK1下调、线粒体功能障碍和心肌损害。Liu等［17］发现，在甲状腺功能亢进性心脏病中，溶酶体心磷脂酰基转移酶ALCAT1表达上调，心肌细胞处于氧化应激状态，出现脂质过氧化、线粒体功能障碍；敲除ALCAT1可上调PINK1，增强线粒体自噬，从而减轻氧化应激、胰岛素抵抗，减少甲状腺素T4造成的心肌损害。此外，Xiong等［18］还发现，过表达PINK1可通过增加线粒体自噬，减少血管紧张素II所致的心肌肥厚效应。

Bhandari等［19］发现，敲除parkin导致果蝇心肌细胞线粒体功能异常、ROS增多和扩张型心肌病的发生。赵佳［20］发现，WDR26过表达可促进parkin向线粒体表面聚集，诱导线粒体自噬，在心肌缺血中起着内源性保护作用。Hoshino等［21］发现，p53与增龄和阿霉素导致的心衰密切相关。p53通过与parkin结合，干扰parkin迁移至受损线粒体的表面，从而抑制线粒体自噬，导致心功能损害。敲除p53，可明显减少增龄小鼠和阿霉素干预小鼠的心功能损害。Leach等［22］发现，心衰时阻止心肌细胞增生与再生的Hippo信号通路表达上调，通过阻断Hippo通路中的信号因子Salvador，可以明显改善心肌梗死小鼠心脏泵功能，而这种作用与增加parkin的表达密切相关。Wang等［23］发现，Hippo通路中的另一信号因子——哺乳动物不育系20样激酶1（mammalian sterile 20-like kinase 1，Mst1），通过抑制parkin介导的线粒体自噬参与糖尿病心肌病的发生。敲除Mst1增加parkin的表达和心肌细胞清除受损线粒体的能力，减少糖尿病心肌病的发生。

上述研究表明，PINK1/parkin信号通路下调，是导致线粒体自噬障碍和心衰的重要原因，以上调PINK1/parkin信号通路为靶点，改善心肌线粒体自噬有望为心衰的治疗提供新的手段。

3.1.2 LC3适配体蛋白/线粒体自噬受体与心衰TAX1BP1是泛素依赖性LC3适配体蛋白，研究表明糖尿病小鼠中，过表达TAX1BP1可通过提高心肌细胞的自噬水平，减少心肌细胞氧化应激、炎症和凋亡，减轻心肌纤维化和心功能损害，从而减少糖尿病心肌病的发生［24］。

FUNDC1是一种线粒体自噬受体，可直接与LC3结合，启动线粒体自噬。Zhang等［25］发现，低氧环境可以诱导FUNDC1介导的线粒体自噬，从而抑制血小板活性，减少心肌缺血再灌注损伤；敲除小鼠FUNDC1，导致线粒体自噬障碍，血小板持续性激活，加重心肌缺血再灌注损伤。Wu等［26］发现，心衰患者FUNDC1表达明显下调；敲除小鼠心肌细胞FUNDC1可导致心肌细胞线粒体扩大和功能异常。Yu等［27］发现，Mst1可通过抑制FUNDC1介导的线粒体自噬，促进心肌细胞缺血再灌注损伤，敲除小鼠Mst1可以明显减少心肌梗死的扩张区域。另有研究报道，色素上皮衍生因子在缺氧条件下对于心肌细胞的保护作用，与它促进FUNDC1介导的线粒体自噬有关［28］。可见，FUNDC1是重要的心脏保护因子，可通过介导线粒体自噬，维持心肌细胞正常功能，有望成为心衰的干预靶点。

BNIP3也是一种线粒体自噬受体，但与FUNDC1不同的是，目前的研究均提示BNIP3激活与心衰的发生有关。Dhingra等［29］和Du等［30］均发现，BNIP3表达上调与阿霉素诱导的心肌线粒体功能异常及心肌肥厚有关，敲除BNIP3可以减轻心肌线粒体功能障碍和心肌肥厚。Chaanine等［31］发现，BNIP3的表达从大鼠主动脉结扎的第1周开始逐渐增加，发展到心衰阶段后到达峰值，并且线粒体数量与BNIP3的表达成反比。阻断c-Jun氨基末端激酶（c-jun N-terminal kinase，JNK）信号通路，可下调BNIP3表达，减轻心脏压力负荷增加导致的线粒体丢失和心肌肥厚。BNIP3具有LC3结合区域，当此区域第17和24位丝氨酸残基磷酸化，促进其与LC3结合，增强线粒体自噬，具有抗凋亡作用。但BNIP3又属于Bcl-2蛋白家族中的一员，介导细胞和线粒体凋亡，这可能是导致BNIP3激活促进心衰的原因之一［32］。BNIP3的促进线粒体自噬与促凋亡作用如何调控，有待进一步明确，也将是其能否作为心衰干预潜在靶点的关键。

3.1.3 线粒体动力代谢、线粒体自噬与心衰 研究表明，线粒体自噬需要Drp1介导的线粒体分裂，分裂的线粒体更加易于进入自噬囊泡，形成自噬体［33］。Shirakabe等［14］发现，抑制Drp1后TAC小鼠线粒体自噬障碍加剧，更早出现心衰。Cahill等［34］也发现，Drp1的功能缺失，导致线粒体自噬障碍，促使心肌炎症和心衰的发生。可见，Drp1介导的线粒体分裂是维持细胞正常线粒体自噬、预防心衰发的重要调控因素。Bhandari［19］等的发现也验证上述观点。他们发现，敲除parkin导致果蝇线粒体自噬障碍和扩张型心肌病的发生，但通过抑制线粒体融合，可以纠正线粒体功能障碍，避免扩张型心肌病的发生，提示在自噬障碍的情况下抑制线粒体融合有可能成为心衰干预的靶点。

但也有研究显示了相反的结果，Song等［35-36］研究了抑制线粒体分裂对线粒体自噬和心脏的影响。他们发现，敲除小鼠Drp1导致线粒体融合增加，线粒体增大，并出现线粒体过度自噬和线粒体的丢失，最终导致扩张型心肌病的发生。但通过敲除parkin抑制线粒体自噬水平，可以减少心肌坏死、心肌纤维化，纠正心室射血功能。这些研究结果表明，线粒体自噬是一个动态的过程。敲除Drp1的直接作用表现为线粒体自噬抑制，这是早期变化，随着线粒体不断融合，体积巨大的异常线粒体必将导致线粒体自噬持续激活、线粒体的过度清除，从而造成心肌能量供应障碍［37］。这也提示，在心衰的不同阶段，线粒体自噬所扮演的角色不同，如何精准的调控线粒体自噬是目前亟待解决的问题（图2）。

Figure 2.Mitophagy and heart failure.图2 线粒体自噬与心力衰竭

4 总结

线粒体自噬在心衰发生中作用的阐明，将有利于更好的理解心衰的发病机制，也为心衰治疗提供了更多的潜在靶点，具有广阔的应用前景。但仍有下述问题亟待解决：（1）目前大部分研究均提示线粒体自噬障碍与心衰发生有关，提高线粒体自噬水平可作为治疗靶点，但过度自噬也会导致线粒体流失，造成心肌坏死，如何恰当把控线粒体自噬的程度？（2）在疾病的不同阶段，线粒体自噬的状态不同，如何精确调控不同阶段的线粒体自噬？（3）目前心衰中线粒体自噬调控的研究，多集中在PINK1/parkin信号通路与个别线粒体自噬受体上，还有较多的LC3适配体蛋白、线粒体自噬受体在心衰中作用有待说明，尤其OPTN和NDP52这两个最主要的适配体蛋白。（4）线粒体调控是一个十分复杂的网络，线粒体自噬受体途径、PINK1/parkin途径以及线粒体动力代谢之间均存在着交互作用，它们之间的具体关系仍有待进一步研究明确。