线粒体功能障碍在急性肾损伤向慢性肾脏病转变中作用机制的研究进展

赵孝杰，王磊，陈志远，刘修恒

(武汉大学人民医院泌尿外科，武汉 430060)

急性肾损伤(acute kidney injury，AKI)是一种常见的以肾小球滤过率急剧下降为临床特征的综合征，主要病因包括肾缺血再灌注损伤、肾输尿管梗阻、脓毒血症以及肾毒性药物的使用等[1]。目前，AKI的发病率呈逐年上升趋势，危重患者比例及病死率居高不下，AKI后慢性肾脏病(chronic kidney disease，CKD)进展的风险增加，其中相当一部分患者最终发展为终末期肾病[2]。近年一项研究证实，住院期间发生AKI并恢复肾功能的患者在中位随访2.5年后发展为3期CKD的风险是未发生AKI患者的2倍[3]；而另一项荟萃分析显示，AKI患者发生CKD的风险较正常人高8.8倍，进展为终末期肾病的风险则高3.1倍[4]。AKI和CKD之间存在双向联系，CKD是AKI的病理结局，AKI是CKD发生和发展的危险因素，尽管研究人员已经发现了一些与AKI及其进展有关的分子和途径，主要包括肾单位丢失、细胞周期阻滞、炎性损伤、内皮细胞损伤和线粒体功能障碍，但尚无有效干预措施来阻止或逆转 AKI-CKD转变。作为参与生物能量代谢的主要细胞器，线粒体功能发生障碍在AKI向CKD进展的过程中起着不可或缺的作用，目前该领域的主要研究方向为靶向调控线粒体生理功能及维持其在生物体内的动态平衡，但迄今为止尚缺乏有效的调控靶点。因此，进一步探究线粒体功能障碍与AKI向CKD转变的相关发生机制对以此为靶点治疗干预此病理过程具有重要意义。现就线粒体功能障碍在AKI向CKD转变中的作用机制予以综述。

1 线粒体生物合成下调

线粒体生物合成是一个复杂的过程，涉及线粒体内外膜和线粒体编码蛋白的合成以及线粒体DNA的复制以适应增加的能量需求。几种调控因子已被确认参与线粒体生物合成，如过氧化物酶体增殖物激活受体γ辅刺激因子-1α(peroxisome proliferator-activated receptor γ coactivator-1α，PGC-1α)、AMP活化的蛋白激酶、核呼吸因子1和核呼吸因子2[5]。总的来说，应激行为(如饥饿或运动)会导致AMP活化的蛋白激酶介导的PGC-1α磷酸化，以及烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(nicotinamide adenine dinucleotide，NAD)水平升高并导致沉默信息调节因子1(slient information regulator 1，SIRT1)激活，SIRT1是一种依赖NAD的脱乙酰酶，可使PGC-1α去乙酰化，活化的PGC-1α转移到细胞核，激活核呼吸因子1和核呼吸因子2，随后转录编码呼吸链的核成分和线粒体转录因子A，从而促进线粒体蛋白的合成，线粒体DNA的复制和转录，以及新的线粒体的生物合成[6]。

线粒体生物合成功能受损可能有助于AKI后的不良适应性修复及随后的纤维化进展，而PGC-1α是其主要的调控因子。在叶酸诱导的AKI小鼠模型中，线粒体的DNA拷贝数持续下降并伴随肾脏早期纤维化快速进展，而线粒体生物合成的关键转录调节器在叶酸注射后也呈持续性下降[7]。另外，PGC-1α基因敲除的小鼠存在自发性的肾小管间质炎症，对脓毒血症诱导的AKI易感性增加，并使得随后的肾功能恢复情况恶化[8]。而在单侧输尿管梗阻的动物模型中，PGC-1α基因表达也被显著抑制，并与肾纤维化进程相关[9]。

此外，多种其他因素通过直接或间接调控PGC-1α参与线粒体生物合成。一种NAD的前体烟酰胺单核苷酸被证实可显著抑制肾小管细胞的DNA损伤、衰老和炎症，改善AKI后的线粒体生物合成功能障碍并延缓纤维化进程，而NAD是PGC-1α磷酸化的重要调节因子[10]。5-羟色胺1F受体被发现是线粒体生物合成的重要调控因子，在肾缺血再灌注损伤所诱导的AKI及随后的修复过程中起重要的保护作用[11]。肾脏作为人体重要的器官之一，需要大量的能量来维持新陈代谢、血流动力学稳定、酸碱和电解质平衡、营养重吸收和激素分泌，而线粒体作为细胞能量的主要供给来源，其生物合成的稳定至关重要。在AKI后线粒体生物合成功能受损，相关调控蛋白、酶及其受体合成受到抑制，导致能量供应障碍，并介导其后持续的细胞损伤及纤维化进展，所以靶向保护相关调控因子的功能将是未来的主要研究方向。

2 线粒体生物动力学改变

线粒体是一种动态变化的细胞器，通过保持分裂融合之间的动态平衡以适应各种应激条下生物体内能量代谢需求的变化。线粒体动力学包括线粒体融合和分裂两个步骤。其中，线粒体融合蛋白1、线粒体融合蛋白2和视神经萎缩蛋白1(optic atrophy 1，OPA1)是调控线粒体融合的关键分子。

线粒体融合由两个步骤驱动，外膜融合由线粒体融合蛋白1和线粒体融合蛋白2介导，内膜融合由OPA1介导[12]。线粒体分裂则主要由动力相关蛋白1(dynamic-related protein 1，DRP1)介导，通过在线粒体外膜募集相关受体并与之结合形成多聚体从而驱动分裂执行，这些受体包括线粒体动力蛋白49、线粒体动力蛋白51和线粒体裂变因子以及线粒体分裂蛋白1[13]。这一过程被多个磷酸化、泛素化、类泛素化的翻译位点修饰调控[14]。

Sirtuins(沉默信息调节蛋白)是调节细胞健康的蛋白质家族，在调节细胞稳态中起至关重要的作用。3种组蛋白去乙酰化酶SIRT3、SIRT4和SIRT5位于线粒体中，并以NAD+依赖的方式调控线粒体功能。其中，SIRT3被发现通过激活胞外信号调节激酶所调控的OPA1，促发线粒体融合并维持线粒体动态平衡以改善线粒体损伤以及肾小管上皮细胞凋亡[15]。DRP1介导的线粒体分裂促进肾脏成纤维细胞活化和纤维化形成，在纤维化肾脏中DRP1磷酸化以及组蛋白H3第27位赖氨酸残基的乙酰化水平显著升高，而DRP1抑制剂可改善转化生长因子-β诱导的组蛋白H3第27位赖氨酸残基的乙酰化，从而抑制成纤维细胞的活化和增殖[16]。近年研究发现，肾缺血再灌注损伤后近端肾小管DRP1特异性的缺失可改善进行性的肾脏损伤和纤维化，并促进上皮细胞的恢复[17]。线粒体通过维持分裂与融合两个对立的生理过程的动态平衡以保持其功能上的稳态，OPA1和DRP1分别作为线粒体分裂融合的重要功能蛋白，在这一过程中起重要作用，而维持AKI向CKD转变过程中线粒体生物动力学的稳定将有效改善和延缓AKI后的纤维化进展。

3 线粒体自噬

线粒体自噬是一种选择性的自噬形式，可以特异性地清除多余或受损的线粒体。目前主要有两种被广泛接受的线粒体自噬途径，包括泛素依赖机制和独立非泛素依赖机制。其中，泛素依赖机制由人第10号染色体缺失的磷酸酶及张力蛋白同源基因诱导激酶 1(phosphatase and tensin homologue deleted on chromosome ten-induced putative kinase 1，PINK1)和parkin E3泛素连接酶(parkin RBR E3 ubiquitin protein ligase，PRKN)共同调控，独立非泛素依赖机制主要由线粒体外膜上的有丝分裂受体调控，包括Bcl-2/腺病毒E1B相互作用蛋白3(Bcl-2/adenovirus E1B interacting protein 3，BNIP3)、NIX以及FUN14结构域包含蛋白1(FUN14 domain containing 1，FUNDC1)[18]。

PINK1是线粒体丝氨酸/苏氨酸激酶，PRKN是胞质E3泛素连接酶。在正常情况下，PINK1被组装后导入线粒体，线粒体加工肽酶去除PINK1的N端线粒体靶向信号后，由早老素相关菱形蛋白切割PINK1，产生含有激酶结构域的蛋白质片段，并将其释放到细胞质中，然后由PRKN介导该蛋白质片段的泛素化，最后通过蛋白酶降解泛素化产物。而在应激条件下，线粒体膜电位的丧失阻碍了PINK1进入线粒体，导致PINK1积聚在线粒体外膜并通过直接磷酸化PRKN，将PRKN从胞质招募到受损的线粒体上，并激活PRKN的活性。被激活的PRKN在线粒体外膜蛋白上构建泛素链。受泛素标记的线粒体随后被自噬受体蛋白识别，并最终导致线粒体自噬降解[19]。

BNIP3和NIX是定位于线粒体外膜的自噬调节蛋白，在缺氧条件下受缺氧诱导因子-1和叉头框转录因子O的激活，从而诱导受损线粒体自噬清除[20]。FUNDC1通过连接线粒体与自噬小体以诱导细胞应激状态下的线粒体自噬，磷酸化在其调控过程中起关键作用，而FUNDC1的过表达被证实可以促进线粒体自噬的发生[21]。

PINK1-PARK信号通路被证实在肾纤维化中起保护作用，在单侧输尿管梗阻模型成模后第3天开始观察到显著的线粒体自噬激活，而PINK1或PARK2的缺失导致了肾脏纤维化程度进一步加重[22]。另外，有研究证实BNIP3介导的线粒体自噬激活在AKI期间线粒体质量控制及肾小管细胞保护中起关键作用[23]。肾缺血预处理是延缓AKI后肾小管损伤及肾间质纤维化的有效途径，而FUNDC1介导的线粒体有丝分裂则被证实与缺血预处理所介导的AKI后肾保护作用呈正相关[24]。因此，自噬作为生物体内广泛存在的一种生物学现象，其作用的两面性让靶向调控这一过程以治疗肾脏疾病面临挑战。在AKI向CKD转变的过程中，线粒体自噬似乎对维持线粒体功能起着正向作用，但目前尚没有特定且有效的线粒体自噬激活剂，故进一步探讨线粒体自噬的分子机制及寻找线粒体自噬的调控因子是未来研究的主要方向。

4 线粒体生物能量学障碍

肾脏细胞主要以线粒体产生的ATP供能，而ATP主要依赖于氧化磷酸化通过耦合电子传递和质子泵转运而产生。氧化磷酸化的电子传递链由线粒体膜上的4个蛋白复合体以及2个电子移动载体构成。电子从糖酵解和三羧酸循环中的电子载体被转移到泛醌及细胞色素C，最终转移到O2并形成H2O。这一系列的氧化还原反应释放的能量导致跨线粒体膜的电化学质子梯度产生，并在ATP合成酶的作用下驱动ATP生成[25]。

当存在生物能量供应障碍的情况下，细胞氧化应激水平上升，虽然低水平的活性氧类是维持正常细胞功能必不可少，但病态高水平的活性氧类可以破坏脱氧核苷酸、蛋白质及脂质的活性，从而导致电子传递受阻，细胞内ATP水平下降，线粒体膜电位丧失并最终导致细胞死亡[26]。AKI后线粒体功能持续受损，线粒体生物能量供应发生障碍，其后肾脏的不良适应性修复导致CKD的发生。

顺铂导致的AKI是CKD已知的独立危险因素之一，在顺铂诱导的AKI小鼠模型中，线粒体功能障碍在AKI后的修复过程中持续存在，并伴随超氧化物歧化酶水平的持续升高，而一种小分子超氧化物歧化酶模拟物GC4419的预处理显著减少了小鼠肾脏细胞内线粒体氧化代谢障碍及肾纤维化，这进一步证实了超氧化物介导的线粒体氧化代谢障碍是AKI向CKD进展的重要因素[27]。然而，抗氧化剂N-乙酰半胱氨酸被证实可阻止肾缺血早期近端肾小管上皮细胞的凋亡，但在长期的修复过程中其可促进间质细胞的增生，增加转化生长因子-β的表达，并显著抑制核转录因子红系2相关因子2启动的细胞保护信号。从缺血后长期的适应性修复过程来看，N-乙酰半胱氨酸可能作为一种超氧化物歧化酶的激动剂通过抑制损伤初期的内源性细胞抗氧化反应加剧细胞线粒体氧化代谢功能障碍，从而导致持续性的肾脏损伤及纤维化进展[28]。该研究结果显示，单纯的抗氧化剂在AKI向CKD转变过程中的作用可能与阻止内源性细胞的保护反应启动相关。这表明影响线粒体生物代谢的途径可能是多样的，多元的调控通路及通路之间的串扰让靶向调控线粒体生物能量代谢面临困难，可能需进一步探究AKI向CKD转变中更具针对性的治疗靶点。

5 线粒体与内质网串扰

线粒体和内质网是两个互相影响的动态变化的细胞器。两者在多个接触位点具有结构连续性，该结构被称为线粒体内质网相关膜。线粒体内质网信号转导缺陷或线粒体内质网相关膜功能障碍对多种细胞内事件具有多效性，导致线粒体质量控制系统Ca2+受到干扰，线粒体稳态失衡，细胞凋亡，内质网应激和炎症小体激活，这些均有助于肾脏疾病的发生和发展[29]。

激活转录因子6α是内质网相关未折叠蛋白反应的转录因子以及脂肪酸代谢的上游调节剂，在AKI后被激活，继而导致过氧化物酶体增殖物激活受体α表达下调，脂肪酸β-氧化活性降低和脂质滴的胞质积累，从而诱导肾小管炎症和纤维化[30]。在顺铂诱导的AKI动物模型中，线粒体功能持续性受损，线粒体DNA通过线粒体外膜内小管中的Bcl-2样蛋白4泄漏到细胞质中，随后激活环鸟苷酸-腺苷酸合成酶-干扰素基因刺激因子信号通路并诱导肾小管炎症,从而促进AKI后不良适应性修复[31]。线粒体Ca2+摄入过量导致卵磷酸蛋白过滤功能受损是糖尿病肾病的一个关键特征，而辣椒素被证实可通过激活瞬时受体电位香草酸亚型1以缓解线粒体功能障碍，减少线粒体相关膜的形成及阻碍Ca2+从内质网相关膜传递到线粒体的过程，从而逆转了足细胞的线粒体功能障碍[32]。这些发现提示，线粒体-内质网串扰的改变有助于肾脏损伤的进展。线粒体及内质网在结构与功能上存在紧密联系，因此靶向调控线粒体-内质网的串扰可能是今后治疗AKI后CKD的一个新思路。

6 小 结

CKD已成为全球增长最快的死因之一，当CKD进展为终末期肾病时，患者通常需要血液透析及肾脏移植来替代肾脏功能，为患者及社会带来了极大的负担。因此，早期预防并治疗AKI-CKD转变对保护肾功能具有重要意义。阐明AKI向CKD转变的分子机制一直是肾脏研究的热点，越来越多的研究正在揭示线粒体功能障碍在AKI-CKD转变中的关键作用。线粒体的功能障碍主要由粒体生物合成下调，线粒体生物动力学改变，线粒体自噬，线粒体生物能量学改变以及线粒体-内质网串扰等构成，但这些过程的具体分子机制仍需进一步研究。在AKI-CKD转变中存在明显的线粒体功能障碍，并导致AKI后持续性的不良适应性修复以及CKD的发生。因此，修复线粒体功能障碍可能是改善肾损伤，延缓肾纤维化发展的一个极具潜力的治疗靶点，未来需进一步研究。