特发性肺纤维化中的线粒体质量控制

熊梦清 赵杨 胡克

特发性肺纤维化(Idiopathic pulmonary fibrosis, IPF)是一种侵袭性、不可逆性的肺部疾病，好发于50岁以上的人群，确诊后中位生存期仅3年，病因不明，治疗选择有限[1]。有效治疗方法的开发，需要对疾病分子发病机制有深入的了解。研究表明线粒体功能障碍参与IPF组织细胞的凋亡与衰老，被认为是衰老时易发生纤维化的一个主要标志[2]。线粒体质量控制(Mitochondrial quality control, MQC)系统，调节线粒体功能参与疾病的发病机制，那么调控MQC系统也可能提供治疗靶点。

线粒体在细胞中发挥多种作用，不仅通过氧化磷酸化参与能量的产生，而且在各种重要的代谢过程中维持着细胞内稳态[3]。因此，线粒体功能障碍可导致细胞功能失调甚至死亡[4-5]。为阻止线粒体损伤的累积，胞内有几种机制[6]。线粒体动力学[4]和线粒体特异性自噬(简称线粒体自噬)，是减少线粒体损伤和维持细胞内稳态的两种主要机制[7]。如果线粒体持续暴露于一些环境及细胞内的压力，包括环境毒素，如香烟烟雾及活性氧(ROS)——可引起线粒体DNA损伤、氨基酸消耗和蛋白质解折叠。为了克服这些压力，线粒体动力学和线粒体自噬有着协同作用。然而，当那些压力超出这些质量控制系统时，线粒体功能失调，三磷酸腺苷(ATP)产生减少，ROS产生累积增加。功能失调线粒体的积累，可破坏细胞内稳态，改变细胞命运，促成疾病的发生发展[8]。

线粒体功能随着年龄的增长而下降，而线粒体DNA突变，随着年龄的增长而增加[9]。过量的ROS导致干细胞功能障碍，使小鼠出现早衰表现，而这其中的关键是一些线粒体DNA突变导致线粒体功能障碍[10]。这些研究表明线粒体功能障碍在衰老表型的发展中起着关键作用。因此，MQC系统也可能通过调节线粒体功能，在衰老表型和年龄相关疾病的发生发展中发挥重要作用。诸多证据表明，MQC中断以及随之而来的线粒体功能障碍，与一些年龄相关性疾病密切相关，如在神经退行性病变中，其致病机制已被深入研究，且已在很大程度上被阐明[8]。近来，多项证据表明MQC系统的失调，也参与了年龄相关性肺疾病的发病机制，如特发性肺纤维化(IPF)[11-12]。本综述将概述线粒体质量控制系统在IPF中的作用，并介绍新的潜在治疗靶点。

线粒体质量控制系统

一、 线粒体动力学

线粒体是动态的细胞器，通过融合和分裂不断改变其形状[5]。线粒体动力学，受裂变和融合蛋白表达水平的调节。融合是由膜锚定蛋白、丝裂蛋白(MFN)-1,2和视神经萎缩 (OPA)1介导的。MFNs和OPA-1分别促进线粒体外膜和内膜融合，而融合蛋白的缺乏可导致线粒体分裂，这些融合蛋白通常协同工作[13]。裂变是由胞浆动力蛋白、动力相关蛋白1(Drp1)、裂变1蛋白(Fis-1)、线粒体分裂因子(MFF)等蛋白介导。在裂变过程，Drp-1从细胞质中被招募到线粒体，起着重要作用，其缺乏可引起线粒体过度融合[14]。

当细胞暴露于轻度应激时，线粒体为促进融合(应激诱导的线粒体过度融合，简称SIMH)而变得细长[5]。SIMH需要非裂解形式的OPA-1(L-OPA-1)、MFN1和线粒体内膜蛋白SLP-2，其中SLP-2可保持OPA-1的非裂解形式[15]。由轻度应激诱导的线粒体融合，通过增加ATP的产生来提高代谢效率，并使功能正常的线粒体在细胞器之间扩散和共享，来代偿功能失调的线粒体，从而使细胞损伤最小化。因此，线粒体过度融合是一种生理条件下的适应性反应，与提高存活率和凋亡抵抗相关。相反，在严重的应激条件下，严重受损的线粒体会损害其他线粒体，如果它们被允许重新加入网络，就会破坏一个健康的线粒体网络。为阻止这些发生，有几种机制[16]：线粒体功能障碍通过金属蛋白酶诱导OAP-1加工，泛素-蛋白酶体系统诱导MFN降解，使线粒体碎片化，从而容易被清除[17]。

在严重或长时间应激下，线粒体形态不一定反映线粒体的功能。线粒体的功能取决于应激类型、应激严重程度以及其他MQC系统(即线粒体自噬)的水平，而不是简单的形态变化。事实上，适应性延长的线粒体表明线粒体功能增强，而香烟诱导的线粒体延长，伴随线粒体自噬减少，ROS产生增加，证明线粒体功能低下[18]。无论线粒体是延长还是裂变，来自受损线粒体的ROS决定了细胞的命运[18]，这表明线粒体功能，在决定细胞命运方面比形态更关键。

二、 线粒体自噬

自噬是溶酶体自我降解的过程，有助于维持细胞蛋白质和细胞器合成、降解及循环之间的平衡，可分为非选择性自噬和选择性自噬[19]。选择性自噬降解受损的线粒体被称为线粒体自噬[20]，在MQC中起着重要作用，与细胞命运密切相关，包括衰老、凋亡和坏死。

线粒体自噬降解的主要过程如下[20]：PTEN-诱导假定激酶1(PINK1)是一种在健康线粒体中不断地被剪切和降解的丝氨酸/苏氨酸激酶。当线粒体被严重的应激破坏时，应激诱导膜去极化，使PINK1稳定，而PINK1将E3-泛素连接酶PARK2招募到线粒体。PARK2使线粒体蛋白(包括MFNs)泛素化，泛素化蛋白通过适配器蛋白SQSTM1/p62连接到噬细胞上的微管相关蛋白1轻链3(MAP1LC3/LC3)，促使自噬体形成。MFN降解促进分裂，导致线粒体和随后的线粒体分裂，自噬降解。

线粒体自噬的发生并不依赖于PARK2。其他E3泛素连接酶Smurf1和Mul1可使与SQSTM1/p62相互作用的线粒体蛋白泛素化，促进自噬体形成和线粒体自噬[6]。蛋白质泛素化对线粒体自噬并非必不可少，线粒体中的BNIP3、NIX、FUDC1或心磷脂与LC3可直接结合并在受损线粒体上形成自噬体，而不是适配器蛋白p62[6]。然而，独立于PARK2的线粒体自噬在细胞中的作用仍有待研究。

线粒体自噬与线粒体形态有关[5]，可诱导分离线粒体碎片，而大的融合线粒体则不能通过线粒体自噬降解。的确，在饥饿期间，尽管细胞整体的自噬水平上调，但为保护其免受自噬体降解及最大程度地产生能量，线粒体是延长的[21]。

三、 线粒体生物合成

线粒体的生物合成与线粒体自噬之间的协调是维持线粒体稳态的必要条件，两者的不平衡可导致细胞功能恶化甚至死亡[22]。

细胞可以通过增加线粒体的生物合成来增加能量产生，以应答内外部的应激。线粒体生物合成是一个复杂的过程，受到过氧化物酶体增殖物激活受体γ-辅助激活因子1-α(PGC-1α)的调控。一般来说，线粒体的生物合成是对能量需求增加的一种适应性反应，然而，增加线粒体生物合成可能导致依赖于线粒体功能的细胞产生两种相反的结果[23]。随着线粒体生物合成的增加，能量产生增加有利于细胞内稳态和细胞生存[24]，但是功能下降或产生过量ROS的线粒体生物合成会破坏细胞内稳态，导致细胞死亡或细胞衰老[25]。增加“健康线粒体”[正常耗氧量(OCR)和膜电位]对细胞有益，而功能失调线粒体的增加对细胞有害。

IPF

一、 IPF线粒体质量控制

IPF是一种慢性进行性肺纤维化疾病[1]。肺上皮细胞暴露于细胞内、外的应激。慢性应激，包括表面活性剂异常积累、吸烟、病毒感染和衰老，可导致IPF上皮细胞内质网(ER)应激[26]，而内质网应激诱导上皮细胞死亡和衰老，导致IPF。

ER与线粒体密切相关。线粒体相关内质网膜(MAM)是内质网膜的一个亚结构域，调节ER-线粒体通信。MAM在钙信号转导、磷脂生物合成、蛋白质折叠和膜栓连中发挥重要作用[27]。ROS诱导钙从内质网释放到细胞质中，细胞内钙离子增加促进线粒体ROS的产生，形成一个自我永续循环。活性氧的增加和内质网钙稳态的干扰可破坏蛋白质折叠过程，引起内质网应激。由于损伤的线粒体增加ROS产生和内质网应激，那么MQC系统在IPF发病机制中可能起到了一定的作用。事实上，越来越多的证据表明线粒体功能障碍在IPF的发病机制中起着重要作用[11-12]。

二、 IPF线粒体动力学

如上所述，内质网应激在IPF的上皮细胞中上调，衰老是IPF的主要危险因素，而肺上皮细胞也是衰老的。因此，内质网应激和衰老，在IPF发病机制中起着关键作用。研究显示，病毒感染老龄小鼠的肺泡上皮细胞，可诱导肺内质网应激，加速肺纤维化，伴随线粒体异常增大[11]。失活的DRP1及OPA1和MFN1/2在这些细胞中的表达增强，表明线粒体融合在该IPF小鼠模型中占主导地位。实际上，IPF肺泡上皮细胞中的线粒体增大、形态异常及线粒体面积显著增加，也说明IPF上皮细胞中线粒体融合占优势。与应激诱导的线粒体过度融合相比，这些线粒体功能下降。

目前尚无关于IPF中其他类型细胞线粒体形态的报道。然而，在敲除PARK2的肺成纤维细胞(模拟IPF成纤维细胞)中发现延长的线粒体，伴随着ATP生成和增殖增加[12]。这与IPF中激活的成纤维细胞是一致的。

三、 IPF线粒体自噬

1. 肺上皮细胞线粒体自噬

在IPF中，PINK1和PARK2均有异常调节的报道。Bueno等[11]证实PINK1在IPF肺泡上皮细胞中的表达下调。在IPF上皮细胞除PINK1表达降低以外，ATP合成酶(线粒体蛋白)和LC3的共定位降低，且在这些细胞中聚集了功能失调且嵴紊乱的大线粒体，提示IPF上皮细胞的线粒体自噬减少。在由病毒感染诱导内质网应激增加的小鼠模型中，PINK1缺陷导致受损线粒体累积，增加细胞凋亡和肺纤维化的易感性。甲状腺激素上调PINK1可逆转博莱霉素诱导的肺纤维化，可能是通过线粒体自噬恢复线粒体功能的结果[24]。表明PINK1对肺纤维化有保护作用，PINK1缺乏导致的线粒体自噬减少在IPF发病机制中发挥重要作用。上皮细胞内质网应激升高可能是PINK1缺乏的一个原因。内质网应激诱导ATF3表达，并与PINK1结合以抑制PINK1转录，导致功能失调线粒体增多和线粒体产生ROS增加[28]。

与之相反，促纤维化因子—TGF-β在IPF患者肺泡灌洗液中表达增加，在支气管细胞系中PINK1与LC3的共定位表达增加，这说明PINK的表达增加[29]。在TGF-β作用下，沉默PINK1增加了细胞死亡，提示PINK1升高可能是应答TGF-β的一种保护反应。IPF中TGF-β对PINK1的诱导作用可能不足。

线粒体自噬通过抑制线粒体产生过量的ROS，减轻内质网应激诱导的细胞死亡或衰老；而上皮细胞线粒体自噬不足，加速了IPF的纤维化发展。

2. 肺成纤维细胞中的线粒体自噬

Kobayashi等[12]报道，与IPF上皮细胞相比，成纤维细胞中的PARK2表达降低。PARK2降低导致线粒体自噬减少，产生ROS增加。ROS激活PDGF受体和下游Akt和mTOR，导致成纤维细胞增殖和肌成纤维细胞分化增加。mTOR的激活抑制了线粒体自噬，形成了一个自我延续的循环。

在IPF肺成纤维细胞中，不仅PARK2表达降低，PINK1表达也降低，且在纤维化灶中检测不到PINK1的表达[30]，这表明IPF成纤维细胞中，线粒体自噬减少。小鼠模型及体外实验均表明，在肺纤维化形成过程中，TGF-β抑制肺成纤维细胞中线粒体自噬和PINK1表达。

在IPF，上皮细胞和成纤维细胞的线粒体自噬可能均受到抑制，并在IPF的发病机制中起关键作用。

3 IPF的线粒体合成

尽管诸多证据表明IPF中受损线粒体的自噬降解减少，功能失调的线粒体聚集，但对IPF线粒体生物合成的水平仍有待了解。最近，Yu等[24]证实IPF患者的PGC1α减少，表明线粒体生物合成在IPF是下降的。他们尚证明，甲状腺激素可上调PGC1并逆转博莱霉素诱导的肺纤维化，这归因于线粒体合成的增加并恢复了线粒体功能。

线粒体质量控制作为IPF的治疗靶点

线粒体在IPF发展中的作用，为制定针对该细胞器的更替和动力学的治疗策略提供了新的靶点。研究发现，激素可调节线粒体功能。17β-雌二醇(E2)通过细胞核或线粒体雌激素受体(ER)诱导抗氧化反应，激活NRF1/2、Tfam和PGC-1α，促进线粒体合成[31-32]。同样，IPF肺组织中ER-α受体表达上调，以药物对该受体进行阻断，可减轻纤维化程度，这可能是通过下调SMAD2介导的促纤维化通路而实现的[33-34]。IPF患者脱氢表雄酮(DHEA)的合成不成比例地减少。DHEA是一种具有抗纤维化特性的前体激素，可减少成纤维细胞增殖、TGF-β1胶原生成及促进成纤维细胞凋亡。DHEA促进线粒体细胞色素C释放到胞浆中并最终激活Caspase9，从而促进成纤维细胞死亡[35]。此外，活化的甲状腺激素T3，被认为是肺纤维化的潜在治疗方法。对肺纤维化小鼠模型予以雾化T3处理，通过诱导PGC-1α和PINK1提供再生特性，可增加线粒体生物合成，恢复线粒体功能，减弱凋亡[24]。

线粒体靶向抗氧化剂，如MitoQ可能是一种潜在的治疗方法。MitoQ作为线粒体内ROS清道夫，可下调IPF患者成纤维细胞中TGF-β1和NOX4的表达，减轻炎症和胶原沉积[36-37]。众所周知，IPF肺AEC中PINK1缺失是触发这些细胞线粒体功能障碍的主要因素，因此，增强PINK1活性的药物可以作为一种治疗选择。新底物激动素、三磷酸(KTP)可提高PINK1、Parkin的活性，降低细胞凋亡，为此类患者提供了一种潜在的药物[38]。诱导线粒体蛋白SIRT3由于对损伤和纤维化具有保护作用，也成为一种有吸引力的治疗策略。一种被称为六氟的化合药物可以诱导博莱霉素小鼠SIRT3的表达，抑制TGF-β1，减少胶原1、α-SMA和纤维连接蛋白的表达，从而减轻肺纤维化的发展[39]。

综上所述，以生物合成、线粒体自噬和分裂/融合为目标的线粒体质量控制的药理学调控，可预防线粒体功能障碍并最终防治纤维化。不同药物具有各自作用机制，然而，需要更多的研究来阐明药物发挥作用的具体分子机制，以实现高质量治疗和达到改善患者生存的目标。

总 结

目前，对于IPF患者的治疗选择很有限。线粒体质量控制系统失调在IPF的发展中起着重要作用，未来的研究需进一步阐明其参与IPF的确切机制，以促进对该疾病的认识和形成新的治疗方法。