PINK1/parkin信号通路介导的线粒体自噬在心力衰竭中的作用*

吴雁泽， 熊文俊

（1南昌大学，江西南昌 330006；2江西省高血压研究所，南昌大学第一附属医院心血管内科，江西南昌 330006）

心力衰竭（heart failure，HF）简称心衰，是心脏功能发生障碍导致心室泵血功能受损引起的循环障碍症候群。心衰是各种心血管病程的终末期阶段，具有发病率高、住院率高和死亡率高的特点［1］。随着人口老龄化加快，各种常见心血管病发病率增高，心衰的患病率也在逐渐上升。目前，我国35 岁以上的成年人心衰的患病率为1.3%，较2000 年增加了44%［2］。因此，理解心衰的发病机制对治疗心衰有重要意义。心肌高度依赖能量，线粒体通过氧化磷酸化过程产生心脏的主要能源物质三磷酸腺苷（adenosine triphosphate，ATP），因此被成为心肌细胞的“能量供应站”［3］。研究表明线粒体自噬（mitophagy）与心衰有密切联系，而PTEN 诱导假定激酶1（PTENinduced putative kinase 1，PINK1）/parkin 信号通路介导的线粒体自噬作为主要的通路之一对维持心肌细胞能量代谢发挥重要作用［4］。心衰时，心肌内细胞线粒体发生损伤，作为线粒体质量控制系统“哨兵”的PINK1 在线粒体外膜累积，募集并磷酸化parkin。激活的parkin 泛素化受损的线粒体，随后受损线粒体与溶酶体融合完成降解。Shires 等［5］发现，增强PINK1/parkin 信号通路介导的线粒体自噬可以维持心肌细胞线粒体稳态和减缓心衰的进程。因此深入研究PINK1/parkin 信号通路介导的线粒体自噬对靶向线粒体治疗心衰有重要意义。

1 线粒体自噬与心力衰竭

1.1 线粒体自噬 线粒体在氧化磷酸化过程中会伴随活性氧簇（reactive oxygen species，ROS）的产生，因此线粒体高度暴露于氧化应激损伤［6］。正常生理状态下，ROS 可以作为细胞内信号分子，通过氧化还原反应激活氧化还原信号分子，并参与调控细胞内信号传导［7］。过度积累的ROS 会攻击蛋白质和核苷酸，由于线粒体DNA 比核DNA 更容易突变，线粒体更容易受到损伤［8］。受损的线粒体产生的ROS是健康线粒体的10 倍以上，大量累积的ROS 可损伤线粒体，加重线粒体功能障碍，因此及时清除受损的线粒体对维护细胞稳态有重要作用［9］。

Lemasters［8］最早提出“线粒体自噬”，并表明线粒体自噬是通过细胞自噬靶向清除体内功能异常的线粒体的过程，具有选择性。线粒体自噬与线粒体的融合分裂密切相关［10］。线粒体并不是孤立的，它们之间形成了高度动态的网络，根据细胞代谢需求，通过线粒体动力学（融合和分裂）来调整线粒体网络结构。线粒体分裂是线粒体自噬的先决条件，细长的线粒体通过分裂成为易于包裹的片段，而后线粒体自噬可以选择性分离并降解受损的线粒体物质［11］。有相关研究者提出了线粒体自噬的“两步模型”［12］：第一步是受损的线粒体被parkin 泛素化后与自噬相关基因（autophagy-related gene，ATG）上游蛋白在自噬小体形成位点聚集。该过程不依赖自噬微管相关蛋白1 轻链3（microtubule-associated protein 1 light chain 3，LC3），也不形成隔离膜。第二步是受损线粒体和上游ATGs进行联系，形成隔离膜包裹损伤的线粒体，然后整合到自噬小体中，并与溶酶体融合，最终降解受损线粒体。这一过程需要LC3 以及连接线粒体与LC3 的衔接蛋白p62、NBR1（neighbor ofBRCA1gene 1）和OPTN（optineurin）参与。通过线粒体自噬的选择性降解受损的线粒体，在维持能量稳态和减少ROS的产生具有重要作用［13］。

目前提出的线粒体自噬机制分为两种：泛素依赖型和非泛素依赖型。泛素依赖型线粒体自噬包括PINK1/parkin 信号通路介导的线粒体自噬和非parkin 依赖型线粒体自噬；而非泛素依赖型线粒体自噬则是直接由线粒体自噬受体介导的线粒体自噬［9，14］。其中最受广泛研究的是PINK1/parkin 介导的调控途径。PINK1/parkin 信号通路介导线粒体自噬是指在受损线粒体中，PINK1 聚集于线粒体外膜，募集parkin 至线粒体磷酸化，并进一步介导与LC3 的结合，降解受损的线粒体，这一过程依赖parkin 的存在。而非parkin依赖型通路，可以通过除parkin以外的其他E3 泛素连接酶，如SIAH1（seven in absentia homolog-1）、ARIH1（ariadne homolog-1）将线粒体外膜底物蛋白泛素化，而后与LC3结合进入自噬体［15-16］。此外，PINK1 也可直接磷酸-泛素化线粒体外膜自噬受体并诱导线粒体自噬［17］。非泛素依赖型线粒体自噬主要通过在线粒体膜表达自噬受体蛋白，如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 19 kDinteracting protein 3，BNIP3）和含FUN14 结构域蛋白1（FUN14 domain-containing protein 1，FUNDC1）介导LC3的招募，使自噬体能吞噬受损线粒体［18］。

线粒体内稳态是细胞生存的基础。线粒体对心肌功能的重要性远远强于对其他非肌肉组织，通过小分子选择性激活心肌细胞内特异性线粒体自噬通路而维持线粒体稳态对心肌具有保护作用。目前，没有可用的分子干预手段允许对哺乳动物的心肌细胞自噬进行纯粹的特异性修饰［19］。近年来的诸多研究亦表明哺乳动物细胞线粒体自噬途径在体内组织普遍存在［20-23］。而心肌内特异性线粒体自噬通路有待进一步研究发现，寻找心肌特异性通路靶向治疗心肌病将是线粒体自噬的下一个前沿领域。

1.2 线粒体自噬在心力衰竭中的作用 线粒体约占心肌细胞体积的30%～40%，线粒体状态与心肌细胞功能联系紧密［24］。线粒体功能障碍是心衰发病机制中一个重要的病理生理学特征。正常情况下，线粒体自噬对心肌细胞具有保护作用，心衰时上调线粒体自噬可以维持心肌细胞稳态和心脏的功能，而线粒体自噬不足会加重心衰的发展［9］。然而，线粒体自噬在疾病中的作用仍存在争议。在病程早期，激活线粒体自噬降解非健康线粒体以防止受损线粒体引起细胞内环境紊乱，对机体有益；而在病程晚期，大量受损线粒体被降解，导致线粒体质量和数量急剧下降，引起严重的能量损耗，加重细胞损伤，最终诱导细胞启动死亡程序。Liu 等［25］在研究中发现异丙肾上腺素可激活自噬而诱导大鼠心肌肥大，而姜黄素则通过降低beclin-1的表达抑制自噬，从而减轻由异丙肾上腺素诱导的心肌肥大。在压力负荷诱导的心肌肥大发病机制中，心肌细胞自噬是必要条件，且心肌细胞自噬是心肌重塑的标志性特征之一。心肌细胞自噬途径在细胞稳态中降解非正常细胞器和异常蛋白质，而过多自噬通量的激活靶向过度消耗关键因子，从而促进疾病发展。自噬相关基因Atg5缺陷的小鼠由于不能诱导心肌细胞自噬会导致泛素化蛋白质累积、应激增加和心肌细胞的凋亡，最终导致心衰的发生发展［26］。MSTN基因（编码myostatin）敲除的小鼠对心肌肥大刺激更敏感，并发展为更严重的病理性心肌肥大；而过表达MSTN可以通过阻断AMPK/mTOR 和miR-128/PPARγ/NF-κB 信号通路抑制心肌过度自噬，从而减轻心肌肥大效应［27］。事实上，自噬发挥的综合效应取决于病程所处的阶段，自噬活动在不同阶段执行不同的生物学效应，因而需要更多的研究来充分了解自噬的调控机制。

心脏应激适度诱导线粒体自噬有助于清除受损和功能失调的线粒体，可以防止细胞凋亡的启动而最终导致的心衰氧化损伤［28］。心衰条件下线粒体自噬的上调是一种保护心脏免受血液动力学应激的适应性反应［29］。Wang 等［30］在主动脉弓缩窄（transverse aortic constriction，TAC）诱导的小鼠衰竭心脏模型中观察到AMP 活化蛋白激酶α2（AMP-activated protein kinase α2，AMPKα2）在小鼠心脏中过度表达可以增强线粒体自噬，促进线粒体功能，并且阻止TAC 诱导心衰的发展。当自噬被抑制时，心脏功能障碍加重，并且增加了对缺血再灌注损伤的敏感性。Zhou等［31］发现，抑制FUNDC1 依赖性线粒体自噬破坏了线粒体稳态并促进了缺血再灌注损伤的发展。事实上，心肌细胞自噬增强是把双刃剑，既可保护心肌细胞，又可加重心衰［6］。长期或高水平的心脏应激可引起心肌细胞内线粒体的损伤和功能障碍，从而加重心衰。Givvmani 等［32］发现，在升主动脉结扎诱导的心衰模型中，持续的超负荷应激可导致线粒体自噬过度增强，引起细胞异常凋亡；用线粒体自噬抑制剂处理后，心功能得到改善。因此，适当诱导或抑制心肌线粒体自噬的策略对于心衰的治疗至关重要。

2 PINK1/parkin介导的线粒体自噬与心力衰竭

众所周知，在线粒体自噬途径研究中，PINK1/parkin 介导的自噬是最受广泛关注的。Kitada 等［33］报道，编码PINK1 和parkin 的两个基因突变会导致常染色体隐性遗传早发性帕金森病。后来的研究表明，这两种蛋白质是细胞器质量控制系统的重要成分，有助于维持细胞中线粒体的正常功能［34］。突变的PINK1 被证明与线粒体功能障碍有关［35］。正常的PINK1 和E3 泛素连接酶parkin 存在直接的功能联系，PINK1 是parkin 的上游蛋白，可以募集parkin 而发挥功能［36］。然而，也有研究证明在心肌细胞敲除PINK1后，parkin 仍然能够被募集并激活，但parkin的易位和激活会延迟，说明除了PINK1 外，还存在其他能够激活parkin从而激活线粒体自噬的通路［37］。

2.1 PINK1/parkin 介导的线粒体自噬 PINK1 是一种丝氨酸/苏氨酸激酶，由581个氨基酸组成，包含由34 个氨基酸组成的N 端线粒体靶向序列、一个α 螺旋跨膜片段和一个高度保守的丝氨酸/苏氨酸激酶结构域。编码PINK1的基因PARK6在细胞中普遍表达，但在正常细胞中通常无法被检测到［38］。PINK1转位至线粒体内膜依赖线粒体膜电位的正常［38］。在正常线粒体中，线粒体膜电位水平较高，PINK1 通过外膜转位酶（translocase of the outermembrane）转入线粒体内，被早老素相关菱形样蛋白（presenilin-associated rhomboid-like protein，PARL）所酶解，随后被释放到细胞质中，与其中的parkin 相互作用并抑制parkin 向线粒体外膜转位［39］。当线粒体功能发生障碍时，线粒体膜电位降低，PINK1 聚集在外膜上进行自身磷酸化，并募集具有E3 连接酶活性的parkin 到线粒体外膜将其磷酸化。PINK1 通过N 端线粒体靶向序列感知线粒体膜电位，可作为正常线粒体的活性指标，也成为受损线粒体的“感受器”。

parkin是由PARK2基因编码的一种E3泛素连接酶，由465个氨基酸组成，其包含N 端泛素样（ubiquitin-like，UBL）结构域、RING0、RING1 和RING2 以及分隔RING1 和RING2 的环间结构域（in-between-RING，IBR）［40］。parkin 在脑、心脏和骨骼肌组织中显著表达，提示parkin 表达具有广泛生理意义。一般情况下，parkin 位于细胞质中，其泛素连接酶活性受到抑制。在细胞应激后，PINK1募集parkin至受损线粒体并磷酸化激活parkin。磷酸化的parkin 将线粒体膜上的底物蛋白［如线粒体融合蛋白1（mitofusin 1，MFN1）、MFN2 和电压依赖性阴离子通道1（voltage-dependent anion channel 1，VDAC1）］泛素化。微管相关蛋白1 轻链3（microtubule-associated protein 1 light chain 3，LC3）适配体蛋白识别泛素化底物蛋白，结合LC3 进入自噬体后再与溶酶体结合，最终降解受损线粒体［41］。

综上所述，正常生理状态下，PINK1 被转运至线粒体内部，并被蛋白酶降解。当线粒体发生损伤时，线粒体外膜电位降低，PINK1 聚集于线粒体外膜，通过自身磷酸化完成激活。激活后的PINK1 募集parkin 至线粒体外膜并将其磷酸化，磷酸化的parkin 泛素化线粒体膜上底物蛋白，泛素化的受损线粒体与自噬体结合，随后与溶酶体融合被裂解［42］。

2.2 PINK1/parkin介导的线粒体自噬在心力衰竭中的作用 心肌细胞内线粒体产生的ROS可参与心血管疾病的发生发展。在正常生理条件下的ROS激活线粒体自噬，发挥维护心脏和血管稳态的功能。而过度应激下，ROS 逐渐积累导致线粒体功能障碍，心肌细胞和血管内皮细胞受到氧化损伤，是引起心衰的主要原因。近年来研究表明，PINK1 在线粒体膜外聚集可以反映线粒体的损伤。由PINK1 介导的线粒体自噬将受损线粒体作为降解靶点，并不针对健康的线粒体，并且PINK1 介导囊泡形成，维持线粒体池平衡，不完全清除线粒体，这对机体有益。所以PINK1/parkin 介导的线粒体自噬是线粒体自噬的重要类别，对维持心肌细胞内稳态、促进心肌细胞存活有重要作用，可以作为治疗心衰的潜在靶点［18］。

Song等［43］发现，MFN2基因变异小鼠的心肌细胞中，parkin 介导的线粒体自噬减少，诱发心肌肥大和心衰。PINK1基因或parkin基因敲除小鼠心肌细胞的线粒体功能受损，心肌梗死面积增大，心脏收缩功能下降，对心肌缺血性损伤的敏感性更高，而PINK1和parkin 过表达可以减轻心肌细胞损伤［44］。Wang等［30］的实验结果显示AMPKα2 与磷酸化的PINK1 相互作用，增强PINK1/parkin 介导的线粒体自噬，阻止了心衰进展。赵佳［45］发现过表达WDR26 可以促进parkin向线粒体转位，诱导缺氧心肌细胞的线粒体自噬，在心肌缺血时起内源性保护作用。Dadson 等［46］发现E3 泛素连接酶Mule 在终末期的心衰患者左心室的表达显著下降。通过构建Mule基因敲除小鼠模型发现小鼠心肌内c-Myc多聚泛素化被阻止，导致c-Myc 聚集并减少了PINK1 和线粒体复合蛋白的表达，因此这些小鼠出现了心肌肥厚和左心室功能障碍。当Mule 和c-Myc 共同缺失时，减缓了由于Mule敲除导致的PINK1 表达水平下降，减缓了心衰和心肌肥厚的发生。此外，临床上发现晚期心衰患者的PINK1 蛋白水平显著降低，且晚期心衰患者线粒体自噬效率低下，而PINK1 和parkin 的正常表达可以减轻心肌细胞的损伤，延缓心衰的发展，延长患者生命［47］。

综上所述，这些研究表明PINK1/parkin 信号通路在心脏体内稳态的维持发挥重要作用，对心肌细胞具有一定的保护作用。PINK1/parkin 水平的下调是导致线粒体自噬障碍和加重心衰的重要原因。线粒体自噬的失调导致异常线粒体积累、心肌细胞凋亡及心脏收缩功能障碍，最终引起心衰。

2.3 PINK1/parkin介导的线粒体自噬靶向治疗心力衰竭 随着药物治疗、介入治疗和外科治疗等一系列疗法的发展，心衰的治疗工作取得了显著进展，但对心衰的预后仍不完全满意，因此，需要做更多的工作来进一步寻找新的治疗靶点。近年来诸多研究发现PINK1/parkin 介导的线粒体自噬通路可以作为治疗心衰的潜在靶点。

在关于黄连素的研究中，敲除PINK1基因后，parkin介导的线粒体泛素化被显著抑制，抵消了黄连素对心衰的有益作用［48］，表明黄连素可促进PINK1/parkin 信号通路介导的线粒体自噬，用于心衰的治疗。Qiu 等［49］在采用结扎左前降支8 周建立的晚期心衰小鼠模型中，心肌中PINK1 和parkin 蛋白水平降低；用心复康口服液灌胃可以显著纠正PINK1 和parkin 蛋白的表达降低，从而通过PINK1/parkin 信号通路的调控作用而改善心功能。

在TAC 诱导小鼠的心衰模型中，通过重组9 型腺相关病毒介导在心肌细胞中高表达AMPKα2，能够激活PINK1 上Ser284 和Ser495 位点的磷酸化作用，从而增加PINK1/parkin 信号通路在线粒体自噬方面的作用而缓解心衰［30］。在Yu 等［50］采用TAC 法构建小鼠心衰模型中，线粒体钙单向转运体（mitochondrial calcium uniporter，MCU）抑制剂钌红给药7周可显著改善心功能，MCU 的抑制维持了线粒体的稳态并上调了PINK1 和parkin 的表达水平。同样在小鼠心衰模型中，在心肌细胞中ASB14（ankyrin repeat and SOCS box-containing 14）高表达能够促进PINK1/parkin 信号通路的表达，激活E3 泛素连接酶活性，通过泛素化介导线粒体自噬，从而发挥改善心功能的作用［51］。在血管紧张素II 介导的小鼠心衰模型中，使用辛伐他汀后的小鼠PINK1 和parkin 蛋白表达显著增加，促进线粒体自噬以对抗血管紧张素II 诱导的线粒体损伤，防止心肌线粒体继续损伤，改善心功能［52］。此外，Xiong 等［44］发现，在血管紧张素II 诱导的小鼠心衰模型中，过表达PINK1 可以促进parkin转位至受损线粒体外膜并磷酸化，维持心肌细胞稳态，减轻心肌损伤。

综上所述，PINK1和parkin表达上调可以减轻线粒体损伤和缓解心衰。PINK1/parkin 信号通路作为目前最成熟的哺乳动物线粒体自噬机制，具有广泛的应用前景，靶向调控该信号通路以改善线粒体自噬在未来可以成为治疗心衰患者的新手段。

3 结语

在心衰条件下，PINK1和parkin上调了线粒体自噬水平，对维持心肌细胞稳态和功能结构发挥了重要的作用。心衰常发生在老年人群，随着全球人口老龄化加速，对心衰治疗的要求越来越高。根据目前的研究，靶向调控线粒体自噬以治疗心衰变得更为现实。PINK1/parkin 信号通路上存在许多潜在的治疗靶点，可以通过靶向控制通路达到治疗心衰的目的。但是，在运用该信号通路作为治疗靶点时仍存在以下障碍：（1）线粒体自噬水平过度上调是有害的，如何适当适时地调控线粒体自噬水平显得尤为重要；（2）线粒体动力学代谢与线粒体自噬在维持线粒体质量时相互影响，因此调控PINK1/parkin 信号通路可能对线粒体动力学代谢产生不利影响；（3）线粒体自噬状态在疾病中是动态变化的，需要在不同疾病状态准确调控线粒体自噬。因此，目前需要更多的研究来理解线粒体自噬水平的调节机制及过度应激对线粒体自噬的影响，进一步揭示在人体内线粒体自噬与心衰的关系，为心肌保护提供新思路。