线粒体自噬在溃疡性结肠炎中的研究进展

陈丹丹 钟继红*

溃疡性结肠炎（ulcerative colitis，UC）是一种慢性非特异性肠道疾病，其病变主要累及粘膜层和粘膜下层，呈弥漫性、连续性分布。临床表现为腹泻、黏液脓血便、腹痛以及不同程度的全身反应和肠外表现，严重影响患者生活质量。UC 发病可能与自身免疫、家族遗传、环境和肠道微生物等因素有关［1］，但其机制尚不明确。现代医学治疗UC 多使用5-氨基水杨酸制剂（5-ASA）、糖皮质激素、免疫抑制剂以及生物制剂，虽能有效缓解症状，改善生活质量，但均存在局限性。近年来，线粒体自噬已成为各个领域的研究热点，不同通路介导的线粒体自噬参与不同种系、不同组织细胞内的线粒体降解过程，在肿瘤、自身免疫性疾病和心脏病等常见疾病的发生发展中起关键调节作用［2-4］。研究表明，线粒体自噬可以对抗UC 的炎症反应，控制UC 发作［5］。探讨线粒体自噬与UC 发生之间的关系，寻找介导UC 线粒体自噬信号通路的药物来治疗UC 是一个具有潜在价值的研究方向。

1 线粒体自噬概述

线粒体是细胞中非常重要的结构，通过氧化磷酸化实现能量转化，为细胞新陈代谢提供能量，被称为细胞的“动力工厂”。线粒体参与调控细胞内电解质的平衡、传导细胞信号、控制ROS 生成、介导细胞凋亡等一系列重要的生理活动。线粒体结构与功能的稳定是细胞维持正常生理活动的前提。自噬是真核生物的一种自我保护机制，常在饥饿、炎症、损伤、肿瘤等各种压力下被激活，维持机体内稳态平衡［4］。线粒体自噬是一种专门针对线粒体的自噬反应，有丝分裂的识别和吞噬能够及时清除受损或过剩的线粒体［5］，维持线粒体质量和数量的稳态对保证人体健康具有重要作用。

2 线粒体自噬的分子机制

2.1 经典的PINK1/Parkin 蛋白介导的线粒体自噬 PINK1 主要存在于线粒体外膜，是一种丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶。Parkin主要存在于细胞质中，是一种E3 泛素酶。在正常线粒体中，PINK1 通过线粒体外膜转位酶进入线粒体膜腔内，之后与内膜上的复合物相互作用，进一步转移至线粒体内膜，后迅速被PARL 蛋白降解，维持其低表达水平［6］。线粒体损伤时，内膜电位消失，PINK1 由外向内的转移受到阻碍，使得PINK1选择性在受损的线粒体外膜上不断积聚［7］。膜电位降低的线粒体能够选择性募集Parkin，并介导线粒体被自噬体包裹［8］。因此，在PINK1 高表达的线粒体上，Parkin 由胞浆转移至线粒体内。YOULE 等［9］研究发现，PINK1 聚集在受损的线粒体外膜直接或间接磷酸化Parkin，激活的Parkin 可催化线粒体蛋白发生泛素化，而泛素化的线粒体可以被接头蛋白P62或选择性自噬受体识别，进而与自噬囊泡膜上的LC3（自噬相关蛋白）连接。该自噬体再与吞噬膜上酵母自噬蛋白8 家族同源蛋白连接，形成线粒体自噬体，与溶酶体融合，最终导致线粒体自噬的发生［10］。

2.2 BNIP3L（Nix）/BNIP3 介导的线粒体自噬 Nix 是一种线粒体膜表面结合蛋白，即BCL2 连接蛋白BNIP3L。BNIP3、BNIP3L 均属于具有促凋亡活性的BCL2 家族，特定条件下可诱导细胞死亡，参与诱导自噬作用［11］。Nix 位于线粒体外膜，BNIP3L 降低与线粒体自噬降低存在潜在联系［12］。NOVAK等［13］研究发现，网织红细胞内线粒体的降解受到 Nix 的介导与调控，Nix 可与LC3 蛋白结合，将LC3 募集到受损的线粒体表面，进而引起线粒体自噬。因此，推测Nix 可能作为直接蛋白受体参与自噬通路，介导线粒体自噬。另外，KANG等［14］发现在哺乳动物体中，Nix 还存在同源蛋白BNIP3，两者在结构上具有很高的同源性。有实验证明BNIP3 也是线粒体自噬过程中的重要蛋白通路，但目前关于BNIP3 的研究并不多，其调控线粒体发生的机制仍尚不清楚。

2.3 FUNDC1 介导的线粒体自噬 FUNDC1 定位于线粒体外膜，是一种线粒体自噬受体，缺氧时可激活线粒体自噬，其中一段LIR 结构域可与LC3 蛋白直接结合介导线粒体自噬［15］。研究表明，在缺氧条件下蛋白激酶Scr 失活，磷酸化LIR 结构域的Thy18 位点的作用消失，可增强FUNDC1 与LC3 的结合，从而诱导线粒体自噬［16］。另外，还有AMPK 途径、ULK1途径、HMGB1 途径等［17］，不同信号通路介导的线粒体自噬，共同参与维持线粒体结构与功能的稳态，对人体正常生理活动具有重要意义。

3 线粒体自噬与溃疡性结肠炎

ATG-16L1 等多种自噬蛋白能够影响UC 发生是UC 的易患基因。当ATG-16L1 低表达时，线粒体自噬现象减少，抑制炎症体的活性能力降低，进而诱导IL-1β 和IL-18 表达增加，引发消化道慢性炎症，最终导致UC 发生。综前所述，线粒体自噬功能降低可能是UC 发生的重要机制之一，线粒体自噬活动的减少参与了UC 的发生和复发。在ATG-16L1 缺失的情况下，溃疡性结肠炎感染的几率增加，可能与线粒体的结构与功能改变有关。另一项揭示SMURF1 基因的单核苷酸多态性与IBD 关系的研究发现，线粒体自噬涉及UC 的发病机制。

3.1 PINK1/Parkin 蛋白介导的线粒体自噬与UC 的发生 张盼等［18］研究发现，UC 患者结肠黏膜中线粒体的形态与结构被破坏，利用透射电镜检测到了线粒体自噬现象，采用免疫组化技术和蛋白质印迹法观察不同分组患者的PINK1 及Parkin含量，结果显示UC 各组PINK1 及Parkin 的表达均较对照组增加，表明线粒体自噬参与了UC 的发生，PINK1/Parkin 信号通路介导的线粒体自噬在UC 的发生发展过程中发挥着重要作用。因此，UC 患者增加PINK1、Parkin 的表达促进线粒体自噬，可能有利于疾病的治疗和缓解期的维持，提供新的治疗方向。MAI 等［19］研究证实，巴马亭改善UC 的作用与抑制NLRP3 炎症小体活化有关，后续实验表明巴马亭增强细胞中PINK1 与Parkin 蛋白的表达，促进PINK1 和Parkin 在线粒体中的集聚，并且诱导与溶酶体的结合从而发生自噬。说明在NLRP3 炎症小体活化的前提下，巴马亭能够促进巨噬细胞PINK1/Parkin 信号通路介导的线粒体自噬。由此推测，巴马亭促进PINK1/Parkin 信号通路介导的线粒体自噬与抑制NLRP3炎症小体活化的作用有关。进一步实验验证，当线粒体自噬被CsA 抑制且PINK1 蛋白表达被沉默后，巴马亭抑制NLRP3炎症小体活化的作用也会相对性减弱，表明巴马亭改善UC 是通过促进PINK1/Parkin 信号通路介导的线粒体自噬，并发挥抑制NLRP3 炎症小体活化作用。

3.2 BNIP3L（Nix）/BNIP3 介导的线粒体自噬与UC 的发生 VINCENT 等［20］探讨Nix 介导的有丝分裂吞噬在小鼠结肠炎过程中的机制时发现，结肠上皮线粒体变形非常接近自噬结构，DSS 处理过的小鼠其Nix 基因的表达水平与对照组比较均有所增加，细胞裂解产物中自噬标记物LC3 也有增加，此外还在DSS 处理过小鼠的线粒体中发现Nix 和Drp1 蛋白（一个线粒体分裂的标准标记物）与对照组相比增加。上述发现表明，在小鼠结肠炎期间，肠上皮内线粒体分裂和Nix 介导的有丝分裂均上调。利用免疫荧光技术，发现Nix 与线粒体细胞色素c 氧化酶、第四亚单位（Coxiv）蛋白共定位于肠上皮细胞，表明UC 小鼠肠上皮中Nix 介导的有丝分裂吞噬成分增加，并且以线粒体为靶点。此外，该实验还证明了Nix 的表达部分由HIF1α 激活，MtROS 清除剂MitoTEMPO 可以改善小鼠直结肠炎期间HIF1α 和Nix 的表达，提示mtROS 可能对HIF1α 的稳定和随后的Nix 在肠道炎症期间的转录起关键作用。笔者认为，MtROS 激活HIF1α 从而引起Nix 介导的线粒体自噬可能是人类IBD 的一个可能治疗靶点，在未来的研究中帮助细胞去除功能障碍的线粒体可能为人类IBD 提供一种理想的策略。李一芳等［21］通过探讨地马煎剂对溃疡性结肠炎大鼠肠上皮细胞 BNIP3 与mRNA 的影响，观察到使用地马煎剂后的UC 大鼠相较于空白组，肠上皮细胞BNIP3 的表达明显提高，结肠上皮细胞线粒体自噬水平活跃，病理黏膜组织炎症呈修复状态，地马煎剂中、高剂量组对 BNIP3 的调节水平相较于低剂量组更加显著，结果表明BNIP3 蛋白有促进炎症修复、保护肠上皮细胞的作用。而已有很多研究表明，BNIP3 是线粒体自噬激活通路中的关键蛋白。因此，BNIP3 对抗UC 炎症的作用机制可能是通过激活蛋白通路、促进线粒体自噬实现的，且在促进自噬和提高肠上皮抗炎作用中发挥正向调节作用。

3.3 AMPK 途径介导的线粒体自噬与UC 的发生 LIU 等［22］实验证实，人参皂甙Rd 通过促进AMPK-ULK1-P62 轴诱发驱动吞噬细胞介导的NLRP3 炎症体失活，RD 驱动的p62 介导的有丝分裂吞噬不仅能限制受损的线粒体，而且还能中和炎症小体中的NLRP3，减少巨噬细胞分泌IL-1β，从而抑制右旋糖酐硫酸钠诱导的小鼠实验性结肠炎，提示AMPK-ULK1-P62路径通过促进自噬的过程在Rd 诱导的NLRP3 炎性小体失活中起着至关重要的作用，Rd 诱导的AMPK 路径可能与诱发线粒体自噬、改善溃疡性结肠炎关系密切。DI FUSCO 等［23］探究二甲双胍是否具有对抗肠道炎症及其机制的实验发现，二甲双胍可有效减轻DSS 驱动的结肠炎，进一步实验发现二甲双胍组小鼠结肠样本显示IL-6RNA 表达降低，流式细胞仪分析显示二甲双胍降低了CD11c/IL-6 产生细胞的百分率，免疫组织化学分析证实了这些数据，并显示二甲双胍增加了上皮和固有板室内活性AMPK 的表达。因此，该实验明确二甲双胍可以改善小鼠肠道炎症，且AMPK 活化在二甲双胍处理的细胞中发生磷酸化，被认为介导了二甲双胍的生物学功能。EGAN 等［24］研究证实，二甲双胍可通过激活AMPK 来诱发线粒体自噬。至于二甲双胍介导的AMPK 改善溃疡性结肠炎是否与线粒体自噬有关，还待进一步研究。

3.4 Nur77-TRAF2-p62/SQSTM1 途径介导的线粒体自噬与UC 的发生 关于线粒体自噬信号通路的研究仍在继续开展。HU 等［25］实验发现了一条新的线粒体自噬通路，即Nur77 在雷公藤红素的诱导下激活Nur77-TRAF2 通路。Nur77，又称NR4A1 和TR3，是一种由立早基因NR4A1 编码的蛋白，也是核受体家族的重要成员之一［26］，因其尚未在人体内发现配对的受体，也被称为“孤儿受体”。孤儿受体Nur77/NR4A1在TNF-α、脂多糖等刺激作用下可调节巨噬细胞的增殖、凋亡、炎症和线粒体自噬［27］。HU 等［25］的实验还证实了雷公藤红素能诱导Nur77 与肿瘤坏死因子受体相关因子2（TRAF2）相互结合从而发生作用，并使Nur77 发生泛素化。泛素化的Nur77 被接头蛋白P62/SQSTM1（一种与细胞信号转导、氧化应激和自噬有关的泛素结合蛋白）所识别，从而与自噬囊泡膜上的LC3 相连接，进一步与溶酶体融合，最终导致线粒体自噬的发生。目前有实验证实，线粒体自噬可以导致mtROS的减少，抑制NLRP3 的增加，而NLRP3 是公认的介导炎症的重要介质，以此达到抗炎的目的。HU 等的实验揭示了雷公藤红素介导Nur77 诱导线粒体自噬来清除损伤的线粒体并抑制炎症的发生，对于理解自噬与炎症的关系具有重要意义，同时为研究自噬调控炎症反应提供了一种新的思路。笔者推想，Nur77 引发的线粒体自噬或许能够抑制UC 的发生，但目前此途径引起的线粒体自噬尚未在溃疡性结肠炎相关研究中取得进展，有待进一步探索。

4 小结与展望

线粒体自噬是一种高度选择性自噬，通过清除受损线粒体维持细胞功能稳定，涉及多种疾病，但具体机制尚不明确，目前已成为生物细胞领域的研究热点。线粒体自噬，是受损线粒体通过自噬小体在溶酶体内降解，受损线粒体数量减少，mtROS 及mtDNA 的产生受到抑制，从而NLRP3 炎症小体激活被抑制［28］，IL-1、IL-6 等炎症因子的释放减少［29］。部分IBD 患者结肠病理中可见线粒体形态改变、膜电位降低、ROS产生增加，线粒体自噬机制遭到破坏［30］。笔者推测，线粒体自噬抑制mtROS 和mtDNA 分泌，减少炎症小体激活及炎性介质的分泌，其功能异常在UC 发病中起重要作用。目前已知UC 中线粒体自噬介导的信号通路有PINK1/Parkin、BNIP3L/BNIP3、AMPK 和Nur77 等，这些信号通路之间是否还存在某种相互作用或关系尚不明确，下一步研究将致力于寻找线粒体自噬抑制肠道炎症的理论依据及UC 的潜在治疗靶点，为UC 的临床干预提供精准方向。