线粒体质量控制在缺血性脑卒中的作用研究进展

谢晓云综述，刘竞丽审校

0 引 言

缺血性脑卒中(ischemic stroke，IS)是严重威胁着人类健康和生命的常见重大疾病之一，具有较高的发病率、致残率及病死率[1]。脑缺血及再灌注损伤涉及一连串复杂的病理生理机制，包括兴奋性氨基酸毒性、线粒体氧化应激、Ca2+超载、氧自由基释放等[2]。其中，线粒体功能障碍是导致缺血神经细胞死亡的重要机制。线粒体作为真核生物最重要的细胞器之一，在能量代谢、Ca2+信号传导、活性氧产生以及细胞死亡形式的调控等方面发挥关键作用[3-4]。在生理状态下，线粒体需要通过质量控制体系来及时合成新的线粒体、维持线粒体形态及清除损伤的线粒体，从而保持细胞内环境的稳定。脑缺血后，线粒体质量控制失衡会引起线粒体的结构和功能受到损害，表现为线粒体肿胀、膜电位下降、能量合成障碍及线粒体凋亡途径激活等，最终对细胞造成不可逆转的伤害而导致神经细胞死亡[3]。越来越多的研究表明，线粒体质量控制体系对于缺血神经元的存活和神经功能的改善至关重要[5-6]。通过启动与线粒体质量控制相关的内源性神经保护机制修复损伤线粒体，改善线粒体功能，是防治IS的重要方式。因此，本文主要就线粒体生物合成、线粒体动力学、线粒体自噬及线粒体转移等线粒体质量调控途径在IS的作用及其相关分子靶点的研究进展作一综述。

1 线粒体生物合成在IS的作用

1.1 线粒体生物合成线粒体的生物合成是由线粒体DNA(mitochondrial DNA，mtDNA)及其核DNA双重调控而完成线粒体增殖，随后产生新的线粒体来满足细胞的能量需求。线粒体通过线粒体生物合成进行的自我更新对于维持线粒体的完整性及细胞能量代谢非常重要[7]。其中，过氧化物酶体增殖激活受体共激活因子1(peroxisome proliferator-activated receptor-γ coactivator-1，PGC-1α)是线粒体生物合成的核心分子[8-9]。作为线粒体生物发生的主要调节者，PGC-1α可刺激一系列核因子以及线粒体蛋白的表达，进而促进mtDNA的复制、转录以及翻译机制[10]。

1.2线粒体生物合成与IS线粒体生物合成对于脑缺血后的神经功能恢复具有重要作用。在缺氧/缺血性脑损伤动物模型中，研究证实PGC-1α活性的增加与线粒体数目，mtDNA及线粒体蛋白的增加有关[11]，并且上调的PGC-1α能够保护神经元免受氧化应激所致的细胞凋亡[12]。既往研究也发现，短暂缺血的海马神经元PGC-1α蛋白增加，促进线粒体生物发生，沉默PGC-1α则可抑制线粒体相关解毒蛋白的表达，并导致氧化损伤及脑梗死体积增加[13]。体内外研究发现，PGC-1α激活剂ZLN005通过PGC-1α信号通路改善缺血引起的神经元损伤[14]。总之，上述研究表明线粒体的生物合成是细胞响应于缺血缺氧而启动的内源性神经保护机制，有望成为减少IS线粒体损伤的靶标。

2 线粒体动力学在IS的作用

线粒体作为动态的细胞器，通过分裂/融合，以维持线粒体的形态、功能及亚细胞分布，此动态过程称为线粒体动力学[15]。线粒体通过不断的分裂与融合是细胞内存在的频繁且普遍的自我保护机制。

2.1线粒体分裂线粒体动力蛋白(ynamin-related protein 1/2，Drp1/2)是细胞内重要的线粒体结合GTP酶，介导线粒体裂变。Drp1通过与多种受体蛋白作用而从胞质募集到线粒体外膜，进而与Drp2通过寡聚化修饰形成环状结构，并通过GTP水解和自组装分裂线粒体膜[16-17]。线粒体分裂能够分离受损线粒体，进而由线粒体自噬途径清除损伤的线粒体。线粒体在细胞凋亡前可裂变分解成多个小单位，抑制线粒体的分裂可减少细胞色素C释放并延缓细胞死亡[18]。

2.2线粒体融合线粒体融合也是一个精细调控的过程。功能障碍的线粒体与健康的线粒体融合可修复损伤的线粒体，从而整合内容物并通过互补促进细胞的存活[19]。线粒体的融合过程主要由三种不同的GTP酶参与，包括视神经萎缩蛋白1(optic atrophy 1，Opa1)、线粒体融合蛋白1(mitochondrial fusion protein 1，Mfn1)和Mfn2[20-22]。其中，Opa1是线粒体融合的关键分子，且其亚型(L-Opa1与S-Opa1)调控着线粒体裂变和融合的平衡[23]。线粒体融合需要这两种异构体的结合。研究发现Opa1缺失的细胞与只表达长Opa1或短Opa1的互补DNA重组时，几乎没有检测到线粒体融合[24]。在病理条件下，线粒体膜电位下降，线粒体水解酶Oma1被激活，并促进Opa1转变为S-Opa1异构体[25]。

2.3线粒体动力学与IS线粒体的分裂/融合控制着线粒体的大小、数量及功能。分裂增加或融合减少将导致更小、更多的短管或球状线粒体的形成。并且分裂与融合的速率随细胞类型的不同而变化[26]。线粒体动力学是调控神经元存亡的重要机制。脑缺血时，氧化应激所致的线粒体Ca2+超载、活性氧大量生成影响线粒体分裂/融合蛋白的表达并调控线粒体动力学变化[27]。抑制线粒体的分裂或促进其融合是治疗IS的关键所在。

越来越多的研究表明，下调Drp1可抑制线粒体裂变并减少脑梗死体积[28-30]。银杏内酯K是在银杏叶中发现的化合物，通过增加Drp1的Ser616 位点磷酸化并抑制Drp1募集来减弱OGD所致的神经元凋亡[31]。线粒体分裂抑制剂mdivi-1在氧糖剥夺/再灌注(oxygen-glucose deprivation /reperfusion，OGD/R)和大脑中动脉闭塞(middle cerebral artery occlusion,MCAO)模型中通过抑制活性氧的产生及降低细胞色素C的表达保护神经元[32]。P110是一种新型的选择性线粒体裂变抑制剂，可抑制Drp1酶活性并阻止Drp1/裂变蛋白1(Mitochondrial fission protein 1，Fis1)结合[33]。体内外研究均表明，脑缺血再灌注后L-Opa1与S-Opa1的交互可维持管状结构并促进线粒体内膜的融合[34]。有研究发现运动预处理可通过上调脑缺血后Opa1的表达而增强线粒体融合[35]。新近的研究显示，轻中度脑缺血所致的线粒体损伤及破碎是可逆的[36]，表明线粒体动力学是IS介入治疗的潜在目标。因此，线粒体动力学在缺血性神经元损伤和恢复中具有重要作用。

3 线粒体自噬在IS的作用

线粒体自噬是通过选择性清除受损或功能障碍的线粒体来维持细胞内稳态，是调控线粒体质量控制的关键环节[37]。脑缺血再灌注会对线粒体造成广泛及渐进性的损伤，而清除受损线粒体的主要机制是自噬。因此，深入了解IS线粒体稳态通路参与的精确分子机制对于开发治疗缺血性脑损伤的神经保护策略十分必要。

3.1与IS相关的线粒体自噬通路在哺乳动物细胞中，线粒体自噬相关通路主要包括泛素依赖型和受体依赖型通路，前者主要是PTEN诱导性激酶蛋白1( PTEN induced putative kinase 1，PINK1)/Parkin信号通路[38]，后者包括Bcl-2/腺病毒E1B 19kD蛋白相互作用蛋白3(Bcl-2/adenovirus E1B 19kDa interacting protein 3，BNIP3)/ Nip3样蛋白 X( NIP3-like protein X，NIX)[39]、FUN14结构域包含蛋白1(FUN14 domain containing 1，FUNDC1)[40]及抑制素 2(prohibitin2，PHB2)等通路[41]。其中，PINK1/Parkin信号通路是线粒体清除的主要方式。PINK1属于线粒体丝氨酸/苏氨酸激酶家族，在健康线粒体中含量较低，大部分被蛋白酶降解。然而当线粒体遭到破坏时，线粒体膜发生去极化，蛋白酶活性受到抑制，导致膜上的PINK1急剧增加，进而诱导E3泛素连接酶PARK1/2进入线粒体并使线粒体底物发生泛素化。后者可与微管相关蛋白1轻链 3(microtubule-associated protein 1 light chain 3，LC3)结合而促使自噬体形成[38]。而在受体介导的线粒体自噬途径中，NIX、BNIP3及FUNDC1核分裂吞噬受体可定位于线粒体内膜上，直接与 LC3结合而启动线粒体清除程序[39-41]。

脑缺血后PINK1/Parkin介导的线粒体自噬通路激活。研究发现Parkin分子因转位到损伤的线粒体而启动这一过程，并且线粒体分裂抑制剂(Mdivi-1)加重了缺血诱导的神经细胞损伤，表明促进线粒体自噬在脑缺血再灌注损伤中具有保护作用[42]。在缺血再灌注后，BNIP3L 通过S81位点的磷酸化介导受体依赖的线粒体自噬。进一步在体内和体外将 Parkin基因敲除后，BNIP3L仍能增强线粒体自噬，并且发现上调BNIP3L可减轻缺血性脑损伤[43]。由于神经元形态的特殊性，线粒体主要分布在细长的轴突和胞体中，而溶酶体则集中在胞体。研究发现脑缺血再灌注后轴突的线粒体通过逆向转运到胞体中，进而启动线粒体自噬并减轻了线粒体功能障碍和神经元损伤[44]。

3.2线粒体自噬在IS中的双重性越来越多的研究表明，线粒体自噬其实是一把“双刃剑”。Baek等[45]研究证实，在体内外脑缺血再灌注模型中，抑制线粒体自噬的激活可减轻脑损伤。另有研究发现，在永久闭塞脑缺血模型中使用自噬抑制剂可减轻脑梗死面积，而在脑缺血再灌注模型中给予自噬抑制剂 3-MA可致脑梗死体积明显增加，同时自噬相关蛋白Beclin1和自噬相关蛋白(autophagy related protein 7，ATG7)的表达降低，并且自噬小体和线粒体荧光重叠显著减少，表明线粒体自噬在缺血再灌注期间具有保护作用[46]。可见，线粒体自噬在脑缺血及随后的再灌注中发挥截然相反的作用。线粒体自噬在再灌注过程中的保护作用可能归因于与线粒体相关的线粒体清除及抗凋亡作用。由此可知，线粒体自噬在IS的作用可能与脑缺血的时间、程度及再灌注不同等过程密切相关，过度激活亦或抑制自噬均会破坏蛋白质及细胞器的稳态降解，从而促进神经元死亡。

4 线粒体转移与IS

长期以来，线粒体被认为仅存在于细胞内。然而近些年，细胞器通过隧道纳米管或微囊泡等结构的细胞间交换得到了证实[47-48]。许多研究表明，细胞间线粒体转移可以发生在体内外不同的细胞类型[49-50]。线粒体转移是一种保护机制，可修复损伤的线粒体功能，同时也是维持线粒体的数量及质量相对稳定的一种形式。Hayakawa等[51]研究证实，脑缺血后线粒体可以从星形胶质细胞向受损的神经元转移从而发挥神经保护作用;进一步体内研究发现，在小鼠MCAO 3天后，将星形胶质细胞源性线粒体直接注射到梗死周围皮层，通过增加磷酸化的AKT和BCL-XL的水平来促进神经元存活。因此，细胞外线粒体转移可能为IS的神经保护策略提供了新的途径。

然而，这种内源性线粒体转移是短暂的，不足以诱导强大而稳定的神经保护作用。如果无外源性干预措施，星形胶质细胞介导的线粒体转移不能有效阻止IS引起的继发性损害。因此，基于干细胞的线粒体转移方法或许可成为支持健康线粒体转移的有效策略[52]。研究表明，将外源性线粒体转移到脑缺血大鼠中可以恢复运动能力及减少脑梗塞面积[53-54]。肌源性线粒体自体移植到缺血大鼠的侧脑室导致脑梗死体积减少及神经功能恢复。此外，注入的线粒体扩散到边界和局部缺血半暗带，进而降低了细胞的氧化应激和细胞死亡，并减少了星形胶质细胞增生[55]。脑内或动脉注射外源线粒体可减轻MCAO大鼠及OGD神经元的死亡，并且改善脑缺血后动物的运动功能。通过线粒体示踪，发现注入的线粒体可被神经元、星形胶质细胞以及小胶质细胞内化[53]。可见，细胞器可像分子一样作为细胞外信号传导发挥作用，这为细胞间的联络提供了一个全新的视角。阐明线粒体转移的机制将有助开辟新的IS防治策略。

5 结语与展望

IS是全球成人致残致死的主要原因，至今对于这个破坏性疾病的治疗及干预措施仍十分有限。线粒体是真核生物脑缺血后神经细胞死亡的关键靶标。线粒体生物合成、线粒体的分裂/融合、线粒体自噬及线粒体转移是维持细胞内线粒体质量的不同机制，但三者间存在着复杂而精密的多层次调控作用，如何调节线粒体质量控制体系的动态平衡，维持线粒体数量及质量内稳态是当前防治IS的关键。此外，卒中后星形胶质细胞线粒体转移的证据为细胞间通讯开辟了一个全新的视角。这给我们一种启示，线粒体本身可以响应不同的细胞外刺激并招募相邻细胞来拯救受损细胞。清除受损的线粒体及补充健康的线粒体是治疗IS的有前途的治疗方法。在未来的研究中，对线粒体质量控制体系的作用机制进行更加深入的探究，为IS的治疗提供更充分和更可靠的证据。