线粒体自噬相关调控通路在慢性阻塞性肺疾病发病机制中的作用研究进展*

吴仰聪，张鹏飞，潘玲，叶欣鑫，刘茂华，刘振威，李晓雯，黄茹妍

（1.广西中医药大学，广西 南宁 530200；2.柳州市中医医院，广西 柳州 545001；3.广西中医药大学附属瑞康医院，广西 南宁 530011；4.右江民族医学院附属医院,广西 百色 533600）

慢性阻塞性肺疾病（chronic obstructive pulmonary disease,COPD）是一种以持续存在的呼吸系统症状和气流受限为特征的常见慢性疾病，进一步可能发展为肺源性心脏病或呼吸衰竭[1]。长期暴露于含有毒颗粒和香烟烟雾等有害气体的环境中是COPD发病的常见危险因素，可导致肺部发生炎症、气道和肺实质重塑，以及炎症和免疫过程的激活，最终诱发肺大泡、肺气肿、间质性改变等典型COPD症状[2-3]。COPD的致残率和病死率很高，据统计，全球40岁以上患者发病率已高达9%～10%，在世界十大致死疾病中居第4位，严重威胁到人类身体健康[4]。目前主要的治疗手段包括抗炎、解痉平喘、祛痰、氧疗等方式，但难以阻止COPD的进展，同时在预防早期疾病发生与控制稳定期病情等方面效果欠佳。COPD的发病机制复杂多样，目前认为主要涉及上皮样改变、蛋白水解-抗蛋白水解失衡、遗传因素、炎症改变、氧化应激、自噬、线粒体功能障碍等[5]。近年来，通过调控相关信号通路干预线粒体自噬在COPD防治中的作用引起了广泛关注，成为国内外学者的研究热点，本文就此进行综述。

1 线粒体自噬与COPD

1.1 线粒体自噬

自噬是通过将某些细胞内可溶性大分子或细胞器等物质运送至溶酶体进行降解，从而维持细胞及代谢的稳态[6]。细胞自噬既有包括线粒体自噬、内质网自噬等方式的选择性自噬，也有例如巨自噬和微自噬等非选择性自噬。非选择性自噬是指在外界刺激下随机包裹细胞质形成的自噬体，在细胞饥饿的时候能为其提供氨基酸等来满足营养需求[7]。选择性自噬是通过降解受损或多余的细胞器等细胞质物质以维持细胞内稳态,自噬受体能否正确地识别和隔离待分解物质是维系选择性自噬功能的重要条件。选择性自噬运行的实质正如在正常的大环境下扮演‘大扫除’的角色[8]。

线粒体是一种存在于大多数细胞中的由2层膜包裹的细胞器，参与的细胞功能有细胞呼吸、三磷酸腺苷的产生、脂质代谢、钙信号转导和活性氧（reactive oxygen species,ROS）的生成等[9]。因此维持线粒体内稳定对细胞发育、代谢及生理适应和应激条件的反应等有极其重要的作用，其功能障碍和损伤与心、脑、肺等相关疾病的发生息息相关[10]。通常在ROS、细胞衰老、营养缺乏等因素的作用下，细胞内的一部分线粒体会在去极化后出现损伤。损伤的线粒体通过特异性的包裹从而进入自噬体形成双膜自噬体吞噬线粒体（见图1），并与溶酶体融合，从而完成线粒体的回收和降解，最终维持细胞内环境的稳态，这个过程被称为线粒体自噬[10-13]。

图1 线粒体自噬过程

线粒体自噬是人体极其重要的清理机制，在线粒体不断老化和功能受损后，产生的氧化压力不断增大，从而导致细胞衰老和疾病发生。因此，当这些问题出现时，线粒体自噬便必须要启动，通过降解和回收线粒体使线粒体得以更新[14]。研究证实，线粒体自噬一般通过2种方式进行调节，包括张力素同源物诱导的激酶蛋白1（phosphatase and tensin homolog-induced putative kinase protein1,PINK1）/RBR结构域的E3泛素连接酶（parkin RBR E3 ubiquitin protein ligase,Parkin）介导的线粒体自噬和受体介导的线粒体自噬[15]。目前发现的线粒体自噬相关受体包括NIP3样蛋白X（nip3-like protein x,NIX/BNIP3L）和FUN14结构域蛋白1（fun14 domaincontaining protein 1,FUNDC1）等大部分是直接通过与微管相关蛋白轻链3（microtuble-associated protein light chain 3,LC3）相互作用，从而在线粒体自噬过程中发挥重要作用。

线粒体自噬作为一种选择性的自噬过程，可以通过清除受损的线粒体来维持线粒体的稳定。如果线粒体自噬出现异常，可能就会影响到一些慢性炎症疾病，其中最典型的就是COPD。然而，线粒体自噬与COPD的关系并不简单，既有保护作用，也有损伤作用。

1.2 线粒体自噬在COPD中的保护作用

正如上文所说，COPD的特征是气道和肺部慢性炎症增强，导致小气道重塑，以及由气体或有毒颗粒引发的肺实质破坏。吸烟作为COPD的主要病因之一，其机制正是通过吸烟引发ROS生成，从而加速肺泡壁破坏和气道管壁增厚。ARAYA等[16]发现线粒体自噬的关键调节因子Parkin在小鼠中缺乏会导致线粒体功能受损，暴露于香烟烟雾后，气道壁增厚，肺气肿增加，表明线粒体自噬缺陷可能影响到COPD的进程。

近期研究表明，线粒体自噬减弱了气道上皮细胞中ROS的产生和细胞衰老，表明充分的线粒体自噬有助于减轻香烟诱导的肺部病理中的氧化应激，从而缓解COPD等相关慢性气道炎症的进程[17]。另外在BARNES等[18]研究的COPD模型中，香烟烟雾会导致线粒体相关蛋白稳态失衡，从而激活线粒体自噬，使肺上皮细胞的线粒体质量发生改变，也提示香烟烟雾致COPD与线粒体自噬的保护作用相关。

1.3 线粒体自噬在COPD中的损伤作用

尽管如此，过度的线粒体自噬也可能是有害的，线粒体自噬也会加重线粒体的损伤和去极化从而加剧COPD进程，这可能与线粒体自噬的过度激活有关。有报道指出，香烟烟雾提取物（cigarette smoke extract,CSE）中的亲脂性部分促进了线粒体活性氧（mitochondrial reactive oxygen species,mtROS）的产生和线粒体膜电位的降低。过量的mtROS产生以及线粒体功能和结构完整性的改变与COPD病变过程中细胞凋亡、衰老及线粒体自噬增加相关[19]。SANG等[20]研究表明，抗氧化剂米托醌可以缓解脂多糖诱导的小鼠肺损伤，其中机制可能是通过减少线粒体自噬和保护线粒体实现的，说明了线粒体自噬的过度激活可能加重COPD。

2 相关通路与线粒体自噬及COPD的机制探讨

2.1 PINK1/Parkin信号通路

最近研究表明，PINK1/Parkin是介导线粒体自噬的最常见信号通路[21]。PINK1是Park6基因编码由581个氨基酸构成的丝氨酸/苏氨酸激酶，主要位于线粒体内膜上[13-14，22]。线粒体自噬一般需要区分受损和健康线粒体，而区分两者的依据是，受损的线粒体膜去极化后，PINK1含量会增加。PINK1在细胞功能正常时，会被线粒体加工蛋白酶（mitochondrial processing protease,MPP）和蛋白裂解PINK1蛋白（presenilin-associated rhomboid-like,PARL）快速切割和降解，在线粒体中含量极低[23]。当线粒体发生损伤引起线粒体膜去极化时，电压依赖的MPP和PARL等相关蛋白酶会被抑制，原本含量较少的PINK1开始积累，并招募细胞质中的Parkin转位至线粒体外膜（outer mitochondrial membrane,OMM）上，同时促进自噬相关蛋白p62聚集，并介导线粒体底物泛素化与之结合，最后通过与LC3连接，从而促进泛素化蛋白质的自噬降解，进而引起线粒体自噬[24-25]。见图1。

PINK1/Parkin信号通路介导的线粒体自噬在COPD疾病进展中发挥着重要作用。一方面，该通路的过度激活会引起线粒体自噬的过度激活从而加剧COPD的疾病进展。KYUNG等[26]发现，在CSE诱导的线粒体功能障碍的肺支气管上皮细胞中，PINK1的表达水平上调；而罗氟司特通过抑制PINK1表达水平来保护肺支气管上皮细胞免受死亡并提高细胞活力。提示通过PINK1的过表达来过度激活线粒体自噬可能是COPD患者病情恶化的潜在因素[27]。其内在机制可能是PINK1/Parkin信号通路被过度激活后会促进程序性细胞死亡（programmed cell death,PCD），从而导致肺泡上皮细胞凋亡和肺泡壁破坏[16，28]。PCD作为一种有序的、可控的细胞自杀过程，在COPD中主要影响到Ⅱ型肺泡上皮细胞（type Ⅱ alveolar epithelial cell，AEC Ⅱ）。而AEC Ⅱ是一种具有合成表面活性物质、参与免疫防御和促进肺部再生等功能的细胞类型，其凋亡会导致肺泡壁变薄和肺气肿形成[29]。正如上文所述，一旦线粒体出现受损，PINK1会不断累积并招募细胞质中的Parkin到OMM上进行泛素化修饰。这些修饰通过标记受损线粒体，引发了线粒体自噬。一般来说，线粒体自噬可以清除异常线粒体，从而保护AEC Ⅱ免受氧化应激和凋亡信号的刺激[30]。但由于吸烟或其他持续的刺激，COPD中的线粒体遭受了持续性损伤，这可能导致PINK1/Parkin信号通路过度激活。过度激活的PINK1/Parkin信号通路会引起线粒体自噬过度激活，导致正常线粒体的丢失和能量代谢紊乱，最终导致AEC Ⅱ凋亡[31]。

另一方面，PINK1/Parkin信号通路不足或缺陷也参与了COPD的进展。LIN等[31]研究发现，在COPD患者的支气管上皮细胞中，PINK1的增加和Parkin的减少提示线粒体不断损伤积累，导致线粒体自噬不足，进一步降低了清除氧化应激损伤的蛋白质或细胞器能力，加速COPD的进程。同时PINK1过表达未能恢复由Parkin减少引起的受损线粒体自噬，提示Parkin蛋白水平可能是CSE暴露期间PINK1/Parkin介导的线粒体自噬的主要速率限制因子，说明Parkin水平可能通过调控线粒体自噬在COPD发病机制中发挥关键作用。AHMAD等[32]通过CSE暴露下的小鼠肺和COPD患者的肺部观察到受损线粒体和Parkin受损易位，这表明Parkin受损导致线粒体自噬不足而引起细胞衰老，最终影响COPD的进展。因此通过线粒体自噬，PINK1/Parkin信号通路能够清理有损或过剩的线粒体，维护线粒体质量和细胞活力[33]。但是在COPD中，PINK1/Parkin信号通路可能存在缺陷或不足，导致线粒体自噬功能降低，无法及时去除异常的线粒体。这些异常的线粒体会在AEC Ⅱ中堆积，并产生过氧化物、ROS等毒性物质，通过激发氧化应激、炎症反应及细胞凋亡加剧COPD的进展[16]。

基于PINK1/Parkin信号通路在COPD疾病进展中的重要作用，可能是激活过度引起过量的线粒体自噬和AECII凋亡，也可能是由于PINK1/Parkin信号通路不足或缺陷导致线粒体自噬不足，从而使得异常线粒体不断在AEC Ⅱ中堆积，最后加速COPD的进程。这可能成为治疗COPD的新靶点。

2.2 FUNDC1信号通路

除了PINK1/Parkin通路外，线粒体受体相关蛋白也在线粒体自噬中发挥着重要作用，主要是通过直接与LC3相互作用，从而调节线粒体清除。FUNDC1作为一种存在于哺乳动物细胞中线粒体外膜的新型受体蛋白，包含一段与LC3结合的区域（lc3-interacting region,LIR）：Y（18）xxL（21）序列。有报道指出，当LIR缺失或其结构受到改变便会影响到FUNDC1与LC3的相互作用，从而改变其介导线粒体自噬的功能[34]。除此之外，FUNDC1介导的线粒体自噬活性受到去磷酸化调节，一旦出现缺氧应激和线粒体膜电位丢失，FUNDC1的第13位丝氨酸（Ser13）和第18位酪氨酸（Tyr18）2个位点都被去磷酸化（见图1），与LC3的亲和力便会显著提高，这导致两者之间的相互作用增加，进而激活线粒体自噬[35-37]。WANG等[38]研究发现，FUNDC1基因敲除的小鼠抵消了银杏酸诱导的线粒体质量损失和线粒体膜电位损失的变化，最终影响了线粒体自噬的进程。

尽管COPD的发病机制复杂，对其尚不完全清楚，但是越来越多的证据表明，COPD的发病机制与FUNDC1介导的线粒体自噬密切相关。WEN等[39]发现，FUNDC1在CSE诱导的COPD小鼠中表达升高，通过沉默CSE引起的COPD小鼠中的FUNDC1基因抑制了CSE诱导的线粒体自噬和凋亡，最终缓解了COPD的进展。FUNDC1的去磷酸化是激活线粒体自噬的重要方式，为了验证抑制FUNDC1的去磷酸化能否阻止线粒体自噬，从而改善COPD进程，WANG等[40]研究发现，葛根素可通过激活PI3K/AKT/mTOR信号通路抑制FUNDC1介导的线粒体自噬，从而抑制了支气管上皮细胞凋亡，达到细胞保护作用，为COPD的治疗提供新的思路。上述研究表明COPD模型中FUNDC1的表达升高，导致线粒体自噬过度激活，进而引起支气管上皮细胞凋亡和肺组织损伤。同时WEN等[39]还揭示了FUNDC1的沉默对COPD的保护作用，通过这种机制，FUNDC1的沉默可以与线粒体动力相关蛋白（dynamin-related protein,DRP1）相互作用来抑制线粒体过度自噬，从而保护肺组织免受氧化应激和炎症损伤，最后减少细胞凋亡，虽然FUNDC1介导的线粒体自噬在COPD中的具体作用机制仍需要进一步研究，但是该研究为缓解COPD的进展提供了一个新的思路。

2.3 Nix信号通路

Nix是一种位于外膜上的线粒体蛋白，又被称为BCL2相互作用蛋白3样蛋白（bcl2 Interacting Protein 3 Like,BNIP3L），最开始被认为是一种促凋亡蛋白。后来随着研究的深入，Nix磷酸化和泛素化可以很好地调控Nix介导的线粒体自噬，揭示了通过和LC3的相互作用与线粒体自噬存在着不可分割的关系。线粒体自噬过程：自噬体作为吞噬体初始产生，并经过伸长，最终与溶酶体融合降解。与此同时，线粒体在各种线粒体吞噬相关蛋白的帮助下被识别。通过PINK1/Parkin线粒体膜电位下降介导的线粒体自噬和FUNDC1、NIX等受体介导的线粒体自噬等方式确保多余和/或受损的线粒体可以被溶酶体清除（见图1）[41]。通过对Nix同源蛋白BNIP3的研究，ZHU等[42]发现BNIP3的第17位丝氨酸（Ser17）磷酸化在BNIP3和Atg8家族蛋白结合中发挥着重要作用，而第24位丝氨酸（Ser24）磷酸化可以增强BNIP3与LC3的相互作用，提示磷酸化在调控BNIP3对LC3亲和力中的重要作用。因此，损伤线粒体上Nix的磷酸化可能在加快线粒体自噬进而清除损伤线粒体中扮演关键角色。

基于线粒体自噬与COPD的密切关系，人们发现暴露在CSE会增加气道上皮细胞中Nix蛋白的表达，通过沉默Nix基因可以抑制了CSE诱导的线粒体自噬，而过表达Nix则促进了线粒体自噬[43]。其中Nix的敲除显著增加了MMP和细胞内ATP的水平，通过抑制线粒体自噬来减少了线粒体和细胞内ROS的产生，并减轻香烟烟雾诱导的气道上皮细胞损伤和气道纤维化。这表明了过表达Nix会引起线粒体自噬的过度激活从而加重COPD。现在针对Nix与COPD的相关文献较少，但通过抑制Nix减少线粒体过度激活对于治疗COPD可能是下一个研究方向。

2.4 其他信号通路

除了上述提及的相关通路外，还有许多非典型的线粒体自噬途径，例如DRP1、核纤层蛋白B1（Lamin B1）、抗增殖蛋白2（Prohibitin2,PHB2）等。正如上文所说DRP1作为一种重要的线粒体分裂蛋白，可通过与FUNDC1相互作用抑制线粒体自噬和凋亡，从而实现减缓COPD的进程。而Lamin B1可以通过激活雷帕霉素（MTOR）信号通路加速了气道上皮细胞的衰老，特别在COPD进展过程中尤为明显，其中可能是通过线粒体自噬的过度激活实现的[44]。与其他LC3受体蛋白不同，PHB2是一种位于线粒体内膜蛋白。当PINK1/Parkin介导的线粒体外膜受到损伤时，会导致线粒体内膜蛋白PHB2的暴露，从而与LC3结合，诱导线粒体自噬[45]。

3 小结

近年来线粒体自噬在COPD中发挥的作用越来越受到关注。当线粒体不断老化和功能受损导致细胞衰伤的时候，线粒体自噬可以通过降解和回收线粒体，为细胞的正常运作提供重要保证。在COPD中线粒体自噬的调控主要有2种途径：一方面是PINK1/Parkin介导的线粒体膜电位降低引发的线粒体自噬，包括PINK1/Parkin激活过度引起过量的线粒体自噬和AECII凋亡，也可能是由于PINK1/Parkin不足或缺陷导致线粒体自噬不足；另一方面是FUNDC1、Nix等受体参与的线粒体自噬，可能是通过抑制FUNDC1或Nix来减少线粒体过度激活从而治疗COPD。本文阐述了相关通路通过调控线粒体自噬在COPD进程中发挥的作用，以及近几年取得的重要研究进展。但鉴于线粒体自噬在COPD进展中具有双重作用，同时部分相关通路参与其调控过程的具体机制仍未清楚，例如过度激活的PINK1/Parkin对线粒体自噬过度激活的具体机制、沉默FUNDC1如何调节线粒体自噬的状态，未来需要进一步深入研究，以更好地了解COPD的病理过程，从而为治疗COPD提供新的理念和思路。