线粒体自噬在感音神经性耳聋中的研究进展

李采霓,徐晓翔,陈 雄,贺祖宏

(武汉大学中南医院耳鼻咽喉头颈外科,湖北 武汉 430071)

随着人口老龄化以及致聋因素的广泛暴露,听力损失已成为全球人残疾的最主要原因之一。听力损失可分为传导性聋(conductive hearing loss)、感音神经性聋(Sensorineural hearing loss,SNHL)和混合性聋,以SNHL最为常见。SNHL是由耳蜗螺旋器(柯蒂氏器、Corti′s organ)、听觉神经传导通路及各级听觉中枢的病变导致的听觉感受和传导功能障碍。引起SNHL的主要因素包括发育、衰老、噪声、耳毒性药物以及一些慢性应激过程等[1],其中毛细胞损伤是造成获得性SNHL的最主要机制[1]。毛细胞因其不可再生的特性,损伤后往往会导致永久性的听力损失。

研究表明,线粒体功能障碍、活性氧物质(reactive oxygen species,ROS)和炎症介质与毛细胞损伤密切相关,而线粒体在上述过程中均扮演着重要角色。线粒体自噬作为重要的线粒体功能调控机制[2],已被证实在神经退行性疾病、代谢疾病、衰老等多项病理过程中表现异常[3],在SNHL小鼠模型中也观察到下调的线粒体自噬。因此探索更多线粒体自噬与毛细胞损伤之间的联系,对认识SNHL病理机制具有重要意义。

1 感音神经性聋及其主要机制

毛细胞的损伤和丢失是SNHL最常见的组织学异常。毛细胞作为人体内唯一的听觉感受器,是内耳耳蜗基底膜上螺旋器的主要组成成分,主要由1排内毛细胞和3～4排外毛细胞及其支持细胞共同组成,其中毛细胞直接与螺旋神经节通过突触连接,将听觉信息传至听觉中枢[4]。当声音经传导链由外耳传入内耳引起基底膜的震动后,毛细胞上的纤毛与覆盖其上的盖膜发生相对运动,导致毛细胞电位的变化,从而将听觉由机械能传导转化为电能传导[5]。之前关于毛细胞损伤的分子机制研究多集中于动物模型,已知相关机制如抗氧化系统的失衡导致活性氧或活性氮类物质累积的细胞毒性、释放促炎因子诱导炎症反应、多种方式启动细胞凋亡/坏死途径等[1, 4, 6]。

2 线粒体自噬的主要机制

2.1 细胞自噬细胞自噬即细胞的自我吞噬,是指胞质内大分子物质或细胞器在膜包囊泡中被包裹降解的过程,是维持细胞稳态的一种生理机制,通常将囊泡与其内被包裹的内容物称为自噬体或自噬泡。随后自噬体与溶酶体结合形成自噬溶酶体,完成降解,这一过程依赖于自噬相关蛋白的募集[7]。自噬在生物体内表现出双重作用,即在正常生理条件下自噬可以清除体内受损伤的物质或细胞器,维持细胞的稳态平衡;在某些病理条件下或是衰老过程中,自噬也有可能直接导致健康细胞的非正常死亡。根据自噬对于底物的选择性,自噬又可分为非选择性自噬和选择性自噬。前者将生物大分子或细胞器随机的与溶酶体结合降解;而选择性自噬一般具有专一的底物,主要是受损的细胞器,线粒体自噬即通过自噬机制选择性降解胞内受损的线粒体,以维持线粒体功能稳态[8]。

2.2 线粒体结构及功能线粒体是具有双层膜结构并在进化上相对保守的一类细胞器。其存在于大多数真核细胞内,具有独立于细胞核的一套遗传体系,参与能量和物质代谢、离子储存、神经调节等多种关键基础生命活动,对于生命维持至关重要。线粒体的功能完整性受各种刺激的影响,如氧化应激、疾病和衰老。损伤线粒体如果没有得到及时清除,会进一步对机体产生不良影响,其中最常见的后果便是产生过量活性氧类物质并释放到胞质中,发挥细胞毒性,诱导凋亡和炎症的发生。此外,线粒体膜通透性的改变可以向胞质内释放细胞色素c,激活cleaved-CASP9(caspase9)及下游通路,诱导细胞凋亡[9]。上述机制均已经在SNHL小鼠模型中得到证实,说明异常的线粒体功能与SNHL中的毛细胞损伤存在相关性[10]。

2.3 线粒体自噬及相关机制线粒体数量和功能稳态的维持依赖于线粒体质量控制机制,包括线粒体生物发生和线粒体自噬等多种线粒体调节机制,对于生理和病理活动都具有重要意义。生理状态下线粒体自噬以清除损伤或衰老的线粒体为主,另外,在某些特殊细胞发育过程中(红细胞分化等)线粒体自噬执行对红细胞内部线粒体的清除,当细胞周围微环境改变或部分应激条件存在时(比如缺氧)也可以诱导线粒体自噬的发生[9]。线粒体自噬主要由线粒体外膜蛋白介导,包括酵母Atg32以及哺乳动物系统中的NIX/BNIP3L、BNIP3和FUNDC1等。酵母中线粒体外膜上的Atg32与Atg8、Atg11形成复合体,启动线粒体自噬,而在哺乳动物体内的PINK1/PRKN途径以及由受体介导的NIX/BNIP3L(NIP3样蛋白X)、BNIP3和FUNDC1线粒体自噬,则通过LC3互作区域(LIR)直接结合LC3来启动自噬体的形成。研究报道,在红细胞的成熟过程中依赖NIX介导的线粒体自噬完成自身线粒体的清除,哺乳动物体内参与调控损伤线粒体自噬的经典机制以线粒体蛋白激酶PINK1/PRKN为主[9～11]。在线粒体自噬发生前先出现动力相关蛋白1 (dynamin-related protein 1, DRP1) 介导的线粒体分裂[12],受损线粒体膜电位的变化引起线粒体外膜PINK积累和磷酸化,招募PRKN结合在受损线粒体外膜表面,引起线粒体膜蛋白的泛素化,进而激活泛素-蛋白酶体系统,促进自噬体形成和线粒体自噬[9]。

目前线粒体自噬逐渐成为神经退行性疾病领域的热点问题,已有研究证明在阿尔兹海默症受损神经元中存在线粒体功能障碍,病原性的Aβ淀粉样蛋白和Tau样蛋白可以通过抑制线粒体自噬引起受损线粒体的积累[13]。虽然其具体影响机制尚不明确,但该结果表明线粒体自噬或许可以作为阿尔兹海默症潜在的治疗靶点。已有研究证实了在部分SNHL患者中也观察到了线粒体自噬功能的失调,且线粒体自噬激活剂干预后可以有效逆转耳毒性药物诱导的毛细胞损伤[10],提示线粒体自噬可能是未来干预治疗因毛细胞损伤导致的感音神经性聋的新靶点。

3 线粒体自噬在感音神经性聋中的研究进展

研究表明,SNHL相关因素(噪声、耳毒性药物、衰老等)均可以通过损伤线粒体诱导毛细胞死亡(损伤的线粒体积聚大量的活性氧组分和氧化应激损伤等诱导凋亡或坏死发生),进而造成听力损失。线粒体自噬作为线粒体质控机制中清除受损线粒体的主要方式,可能作为干预SNHL中毛细胞损伤的潜在途径。

3.1 线粒体自噬与药物相关性听力损失目前临床常见的耳毒性药物包括氨基糖苷类抗生素、铂类抗肿瘤药、袢利尿剂等,其中以氨基糖苷类抗生素和铂类药物对听觉损害最为严重(多为不可逆的伤害),造成双侧、永久性的感音神经性聋,故研究主要集中在二者诱导的耳毒性相关机制上,大部分以动物实验为主,临床试验相对受限[14]。铂类作为最常用的细胞毒性抗癌药物之一,以顺铂的使用率最高且耳毒性最强,与氨基糖苷类抗生素类似,其耳毒性多被认为与耳蜗毛细胞的损伤相关,且损伤均以耳蜗基底部毛细胞为始,逐步进展到顶端毛细胞,在临床上表现为由高频区向低频区进展的永久性的听力损失[14, 15]。

氨基糖苷损害内耳的确切机制尚未完全阐明,但多数证据证明耳蜗内活性氧物质的过度积累和细胞凋亡是氨基糖苷类药物诱导听力损失的关键因素之一[16]。氨基糖苷类药物通过机械电转导(MET)通道进入内耳毛细胞,与核糖体亚基结合,干扰翻译过程阻止蛋白质合成,因线粒体核酸表达体系更加薄弱,因此线粒体蛋白受到的影响更大,继而损伤线粒体正常功能。此外,氨基糖苷类药物还可影响内质网和线粒体完整性[14, 16]。已有研究发现,在新霉素——氨基糖苷类药物诱导的毛细胞损伤模型中观察到了PINK1/PRKN通路为主的线粒体自噬功能受损,此外还观察到线粒体自噬激动剂可在一定程度上逆转毛细胞损伤[7, 10]。但仍缺乏有效证据证明药物对毛细胞造成的损伤是由线粒体自噬失调直接导致。

现有的动物实验中关于顺铂耳毒性的机制研究表明,顺铂对于毛细胞的损伤主要通过转运蛋白(CTR1、OCT2)介导入胞后结合并损伤细胞DNA、激活NADPH(nicotinamide adenine dinucleotide phosphate)氧化酶亚基的合成并催化ROS产生、释放促炎因子,激活炎症级联反应[15, 17]。线粒体作为细胞氧化代谢中心,ROS是其代谢氧的主要副产物。另外,相较于有组蛋白结合的细胞核DNA,裸露的线粒体DNA更容易与顺铂结合并受到损伤且缺乏完善的核酸修复机制,线粒体功能异常也会加剧ROS的产生,同时损伤线粒体的积累会进一步加重细胞损伤[18, 19]。因此,及时有效的清除损伤线粒体显得尤为重要。此外,还有研究发现存在线粒体基因12SrRNA、A1555G与C1494T突变的个体对氨基糖苷类药物的耐受性更低,更容易出现药物相关性耳聋。A1555G还可能导致蛋白质合成过程中mRNA的翻译错误,直接导致毛细胞的死亡[20]。

3.2 线粒体自噬与年龄相关性听力损失年龄相关听力损失(aging-related hearing loss,AHL)指由于年龄增长引起的细胞老化或退行性变,多表现为听力下降及认知能力的下降。衰老是影响成人听力的最主要原因之一,除此之外,随着年龄增长其他危险因素的作用累加,也是造成老年人群听力损失的原因之一[21]。

部分学者认为在SNHL领域线粒体功能障碍和活性氧物质的累积加剧了患者听力损失的程度。已有研究表明,线粒体功能障碍是细胞衰老的特征之一[22],同时在衰老耳蜗细胞和老年小鼠内观察到了线粒体自噬发生蛋白DRP-1表达水平和线粒体吞噬水平的下降,提示线粒体自噬在毛细胞老化过程扮演着重要角色[12]。衰老小鼠模型中观察到线粒体自噬相关基因(PINK1、Parkin、BNIP3等)在听觉皮层中的表达下降,线粒体自噬功能下调,ABR检测结果显示听力阈值显著升高,这也说明线粒体自噬可能与老年性耳聋的发生有关[23]。另外,部分研究发现在AHL小鼠模型中miRNA(长度约为22nt的非编码RNA)也发挥了调控作用,miR-34a/SIRT1信号可能与AHL及线粒体自噬相关,但具体机制尚未完全阐明[24]。

另一方面,与细胞核DNA完善的修复机制相比,衰老细胞中的线粒体DNA更容易积累基因突变,造成线粒体功能结构的损伤,影响线粒体自噬,导致细胞能量代谢、氧化应激等多方面受到影响。在AHL的相关研究中,存在线粒体突变的小鼠更容易出现毛细胞、血管纹和螺旋神经节的损伤,表现出更早的听力损失[24]。目前已经发现100多个听力损失相关的基因突变,以及部分与其它易感因素相关的基因突变,均可能使SNHL的患病概率大大增加。以甲状腺激素受体α1(thyroid hormone receptor α,TRα1)为例,TRα1可能参与到耳蜗毛细胞的发育和成熟,TRα1突变型小鼠表现出毛细胞和骨骼发育异常以及在青年期即表现出听力异常,老年性聋也会更早出现[25]。

3.3 线粒体自噬与噪声相关性听力损失长期暴露于噪声环境中会对听力系统造成永久性的损伤,尤其是耳蜗毛细胞。噪声相关的听力损失程度与噪声音量大小及暴露时间相关,根据损伤程度不同可分为暂时性听阈偏移和永久性听阈偏移。长时间持续的噪音损伤将会引起永久性的听力损失[26]。

大量的数据表明噪声暴露引起的毛细胞损伤主要是通过氧化损伤介导的,并且使用抗氧化剂可干预NIHL引起的毛细胞损伤。噪声暴露不但可以直接引起毛细胞形态结构的机械性破坏或听觉皮层完整性的破坏,同时也可以通过生理化学途径损伤毛细胞,其中一个关键途径即通过钙超载和ROS累积诱导毛细胞氧化损伤,此外还有研究发现噪声会直接破坏线粒体的功能及线粒体DNA的稳定性。在噪声暴露后早期,pejvakin介导的过氧化物酶体自噬受到激活[27]。因此,研究线粒体自噬可能对于调控线粒体稳态、减少噪声损害具有重要意义,然而目前并没有研究直接探讨NIHL与线粒体自噬之间的关系。近年来有研究发现在NIHL模型中观察到了线粒体自噬的上调,当使用抗氧化剂减少细胞氧化损伤的同时也一定程度激活了线粒体自噬[28]。

4 结语与展望

目前随着研究的深入,人们逐渐认识到自噬在SNHL中的作用,已有证据表明自噬机制在SNHL的病理过程中发挥着关键作用。线粒体自噬作为选择性清除线粒体的主要途径,对于维持线粒体功能稳态具有重要意义。在药物相关性、衰老相关性和某些遗传性相关的SNHL中,已有证据表明线粒体自噬也参与其中,但其究竟扮演什么样的角色仍不清楚。线粒体自身功能的复杂性以及耳蜗特有的血迷路屏障结构,都是线粒体相关研究在内耳领域需面对的挑战。以线粒体自噬作为切入点,或许可为听觉系统的损伤保护提供潜在的干预方案。