线粒体自噬信号通路与神经退行性疾病

唐 悦 曾常茜

（大连大学医学院 辽宁大连 116622）

神经退行性疾病是神经元结构或功能逐渐丧失甚至死亡而导致功能障碍的一类疾病，其特征是渐进性和进行性的神经元丢失和神经功能衰退。随着时间的推移，神经退行性疾病逐渐恶化，出现认知和行为功能障碍，严重损害患者的生活质量[1]。神经退行性疾病主要包括帕金森病、阿尔兹海默病、脑缺血再灌注等，其神经元死亡机制尚未完全清楚，早期诊断困难，仍缺乏有效的治疗措施。线粒体功能障碍是神经退行性疾病的常见原因。近期研究表明，线粒体自噬（mitophagy）障碍可引起损伤线粒体的过度累积，造成神经元损伤，促进神经退行性疾病的发生和发展[2-4]。本文主要对Parkin/PINK1、NIX/BNIP3L、FUNDC1介导线粒体自噬途径在神经退行性疾病过程中的作用进行综述，以期阐明其在神经退行性疾病中的机制，为神经退行性疾病的诊断治疗奠定基础。

一、线粒体自噬概述

线粒体自噬即细胞经过自噬过程，靶向选择降解受损的或不需要的线粒体。适量的线粒体自噬会调节线粒体数量，维持细胞健康。若线粒体自噬机制出现障碍，会使线粒体的功能下降，导致细胞发生病变或引起某些疾病的发生[4]。在哺乳动物体内，线粒体自噬主要包括两种，一种是PTEN诱导假定激酶1（PINK1）-Parkin依赖性线粒体自噬；另一种是PINK1-Parkin非依赖性线粒体自噬，主要包括FUNDC1诱导的线粒体自噬和Bnip3L/NIX介导的线粒体自噬[5]。

二、线粒体自噬信号通路与神经退行性疾病

（一）PINK1和Parkin介导的线粒体自噬与神经退行性疾病

PINK1、Parkin及泛素在PINK1-Parkin依赖性线粒体自噬中具有重要作用。线粒体膜电位发生破坏，会导致PINK1在线粒体外膜上累积。正常情况下，Parkin通过自身机制处于抑制状态，当线粒体损伤后，其构象发生变化，转化为有活性的E3泛素连接酶。PINK1主要通过两种方式参与线粒体自噬，一种为PINK1介导Parkin的磷酸化，Parkin的Ubl氨基酸序列约有30%与泛素相同、50%与泛素相似，并且Ubl与泛素中的Ser65相同，PINK1磷酸化Ser65，产生pSer65-Parkin[6]；另一种，PINK1中的Ser202和Ser204可以自动磷酸化并形成插入构象，区别于其他的蛋白激酶，从而识别泛素。PINK1与泛素结合后，形成独特的C端回缩构象，使得Ser65更以磷酸化，产生pSer65-Ub[7]。pSer65-Parkin和pSer65-Ub结合增强泛素链的活性，使其能够迅速包围损伤线粒体，介导线粒体泛素化。综上，线粒体损伤后，PINK1在线粒体外膜上积累，介导Parkin以及泛素磷酸化。在正反馈作用下，线粒体发生泛素化，并募集自噬受体至线粒体外膜与溶酶体结合，导致自噬体内容物发生降解。

1.PINK1、Parkin介导的线粒体自噬与帕金森

帕金森（Parkinson's disease，PD），是人类第二常见的慢性神经退行性疾病，通常认为是由于多巴胺神经元的丢失、变性以及由α-突触核蛋白构成的路易小体在多巴胺神经元内聚集导致，主要表现为静止性震颤、僵硬、运动迟缓和特征性步态不稳。

Parkin是第一个被发现与少年型PD有关的基因，PINK1基因中有40多个突变体与PD常染色体隐性遗传关系密切。PINK1和Parkin基因表达产物均具有神经保护作用。Parkin可以调节多巴胺转运体（Dopamine transporter，DAT）在质膜中的表达[3]。由FBXO7和Parkin蛋白构成泛素蛋白酶体系统（Ubiquitin-proteasome system，UPS），其突变会影响多巴胺神经元的变性[8]。UPS可降解α-突触核蛋白（α-syn），UPS功能异常会导致错误或过量的α-syn在多巴胺神经元内聚集，造成多巴胺神经元坏死。α-syn的过度聚集也会损伤UPS的功能，PINK1的消耗也可以加剧α-syn的聚集。在以人神经母细胞瘤SH-SY5Y细胞建立的PD中，PINK1/Parkin介导的线粒体自噬激活后，自噬蛋白P62含量和转录因子TFEB表达增加，促进线粒体生物发生调节因子PGC-1αmRNA水平增加。因此，PINK1可保护SH-SY5Y细胞免受应激导致的线粒体功能障碍[9]。但也有研究发现，通过自噬机制激活Parkin和PINK1可以增强损伤线粒体上的泛素信号。不论是通过建立靶向线粒体泛素链还是化学引起线粒体泛素化，都足以诱导线粒体自噬。Parkin和PINK1对于损伤线粒体泛素化是必要的，但对线粒体自噬激活本身是不必要的[10]。

2.PINK1、Parkin介导的线粒体自噬与阿尔兹海默病

阿尔兹海默病（Alzheimer's disease，AD）是一种原因不明的不可逆的原发性退行性脑部病变，主要表现为进行性认知功能障碍和行为损害[11，12，13]。

线粒体自噬是AD发生的重要机制之一，其功能异常可引起Aβ和Tau的积累，导致AD的记忆障碍。缺乏PINK1基因的小鼠Aβ累积增加，PINK1基因治疗可恢复PINK1介导的线粒体自噬功能。在一种新被发现的机制中，PINK1依赖性信号可通过激活自噬受体OPTN或NDP52，修复Aβ介导的线粒体功能障碍[14]。在Aβ25-32诱导的AD大鼠中，敲除PINK1后，部分线粒体自噬受到抑制，Aβ25-35累积加重细胞损伤[15]。研究发现，2，3，5，4-四羟基二苯乙烯-2-osend-葡糖苷（TSG）可通过PINK1/Parkin依赖性增强线粒体自噬作用，抑制线粒体自噬诱导的炎症反应[16]。

3.PINK1、Parkin介导的线粒体自噬与其他神经退行性疾病

神经保护是减少脑缺血损伤的一种常见策略。当细胞处于缺血等应激状态下，自噬增强，强烈应激状态会导致过度自噬。Parkin介导线粒体自噬参与远端缺血后处理的脑保护作用，可及时清除受损的线粒体，降低脑损伤[17]。在脑缺血-再灌注（Cerebral ischemia-reperfusion，I/R）大鼠体中，PINK1/ parkin介导的线粒体自噬在低体温缓慢恢复的过程中激活，在快速恢复体温过程中被抑制。治疗性低温（TH）可以激活线粒体自噬，减少神经凋亡[2]。木偶素诱导PINK1/Parkin介导的线粒体自噬，改善氧化应激引起的线粒体功能障碍[18]。黄芩苷可调控Parkin/PINK1介导的线粒体自噬，减轻神经元细胞缺血缺氧再灌注损伤，显示出神经保护作用[19]。

（二）NIX（BNIP3L）介导的线粒体自噬与神经退行性疾病

线粒体蛋白Nix（又称BNIP3L）是一种选择性自噬受体，NIX/BNIP3L介导的线粒体自噬主要有三种形式：1.NIX参与由Parkin介导的线粒体自噬，如NIX的过高或过低表达均会引起线粒体膜电位的降低。NIX可以促进Parkin转运至线粒体，Parkin也可引起NIX泛素化，与PD的发生相关；2.作为一种自噬受体蛋白，NIX招募Atg8家族成员至损伤的线粒体处，诱导线粒体自噬；3.NIX作为Bcl-2家族成员，与自噬泡中参与蛋白与Beclin-1结合，诱导线粒体自噬。有研究证明NIX是网织红细胞终末分化过程中选择性去除线粒体所必需的，在红细胞生长发育过程中非常重要[4]。

1.NIX（BNIP3L）介导的线粒体自噬与缺血性脑损伤

线粒体蛋白Nix/BNIP3L又称为促凋亡蛋白，参与脑出血后神经元凋亡，对缺血性脑损伤有丝分裂有保护作用。在蛛网膜下腔出血（Subarachnoid hemorrhage，SAH）大鼠中，NIX在SAH神经元中的表达上调，其介导的线粒体自噬水平增加，减少凋亡神经元。

NIX/Bnip3l是缺氧诱导因子-1a（Hypoxia inducible factor-1a，HIF-1a）的靶基因[7]。在与Parkin共同作用时，BNIP3L通常形成二聚体具有较高的招募自噬体的能力。若BNIP3L关键跨膜残基氨基酸发生替换，则会导致二聚体消失，使LC3A-BNIP3L的识别率下降。再灌注造血损伤可抑制NIX的表达，HIF-1a可诱导BNIP3L和NIX的上调。HIF-1a可通过BNIP3和NIX依赖性，增加自噬细胞存活，减少细胞凋亡，改善IR的脑损伤。在山茱萸环烯醚萜苷（CIG）给药后可显著改善NIX蛋白的异常表达，CIG通过激活线粒体自噬，促进线粒体分裂融合，增加线粒体生物合成等过程，减轻线粒体损伤，保护神经元。

2.NIX（BNIP3L）介导的线粒体自噬与帕金森

线粒体功能障碍在PD中起重要作用。BNIP3L/Nix是一种线粒体外膜蛋白，其作用于PINK1/PARK2通路下游。BNIP3L是PARK2的底物，可驱动PARK2介导的线粒体自噬。PARK2对BNIP3L的泛素化作用可使NBR1（Neighbor of BRCA1 gene 1）重新进入线粒体，降解靶向线粒体。在PD果蝇中，BNIP3L可修复PINK1突变的果蝇线粒体缺陷，并且BNIP3L诱导的线粒体清除依赖于PARK2的存在。在MPTP诱导的PD小鼠中，灵芝提取物（Ganoderma lucidum extract，GLE）可抑制MPP+诱导的NIX/BNIP3L表达的下降。因此，Nix可作为PD神经保护的靶点。

（三）FUNDC1介导的线粒体自噬与神经退行性疾病

在哺乳动物细胞中，Fun14结构域蛋白1（FUNDC1）是缺氧诱导线粒体自噬的新受体，位于线粒体外膜上。FUNDC1通过其N端LC3相互作用区与LC3β相互作用，抑制自噬体膜的形成，减少线粒体自噬。FUNDC1磷酸化Ser17与LC3-Ⅱ侧链Lys49形成氢键和静电效应，导致线粒体自噬。FUNDC1与发动蛋白1样（Dynamin 1-like，DNM1L）/动力相关蛋白1（dynamic-related protein 1，DRP1）和视神经萎缩1（optic atrophy 1，OPA1）相互作用，协调线粒体的分裂、融合和自噬。在线粒体自噬过程中，FUNDC1与驻留蛋白钙结合蛋白（calnexin，CANX）解离，招募DNM1L/DRP1驱动线粒体产生对缺氧应激的裂变反应。这些发现表明FUNDC1是一个分子枢纽，具有整合线粒体的分裂和对缺氧的吞噬作用。

在缺氧诱导的缺血性脑梗死（Ischemic cerebral infarction，ICI）过程中，UNC-51样自噬激活激酶1（Ulk1）和FUNDC1参与调节细胞自噬。过表达Ulk1可促进FUNDC1的激活，促进线粒体自噬，抑制缺氧诱导的神经元凋亡。在氧糖剥夺/复氧复糖（Oxygen glucose deprivation/reoxygenation，OGD/R）处理的SH-SY5Y细胞中，过表达脑红蛋白（Neuroglobin，Ngb），仅自噬相关基因FUNDC1mRNA表达增加，因此Ngb仅对FUNDC1基因的表达有促进作用。

三、结束语

综上所述，线粒体自噬障碍，可引起损伤线粒体异常累积，损伤神经元，导致神经退行性疾病的发生。线粒体自噬可通过Parkin/PINK1、NIX/BNIP3L、FUNDC1途径对PD、AD、脑损伤再灌注等神经退行性疾病起着重要的作用，但其机制尚未完全清楚，相信随着进一步的深入和系统的研究，Parkin/PINK1、NIX/BNIP3L、FUNDC1介导的线粒体自噬在神经退行性疾病的治疗中可作为一个新的靶点，成为神经退行性疾病治疗具有突破意义的关键点。