中医药调控线粒体自噬治疗代谢性疾病机制研究进展

唐斯斯，康徐瑞，冯馨瑶，罗盈，黄晓颖，杨霄旭，陈伶利，成细华

湖南中医药大学医学院，湖南 长沙 410208

代谢性疾病主要包括肥胖、2型糖尿病、心脑血管疾病等，这类疾病严重影响患者身体健康。线粒体自噬在疾病发生机制中具有重要作用，适度的线粒体自噬有助于维持线粒体的膜电位及细胞膜的正常结构和功能；而过度的线粒体自噬导致细胞的稳定性及调控能力下降，引发细胞凋亡[1-3]。线粒体自噬调控途径中的关键蛋白有望成为治疗代谢性疾病新靶点，中医药通过调控线粒体自噬相关信号途径，可改善代谢性疾病的发展，兹就其机制研究进展综述如下。

1 线粒体自噬概述

线粒体自噬指线粒体在氧化应激、能量限制及衰老等刺激下发生去极化损伤，细胞通过吞噬作用选择性清除老化或损伤线粒体，保持线粒体数目和质量的平衡，维护细胞内环境稳定。线粒体是细胞产生活性氧（ROS）的主要部位，ROS蓄积导致线粒体发生氧化应激损伤，而线粒体自噬可选择性清除受损线粒体，维护细胞的正常生理功能。与代谢性疾病有较强相关性的线粒体自噬通路主要有PINK1/Parkin、NIX/BNIP 3和FUNDC1等[1-4]，线粒体自噬发生障碍或过度激活均可导致线粒体功能紊乱，进而引发一系列代谢性疾病，如肥胖、糖尿病和心血管疾病等[2]。

1.1 PINK1/Parkin介导

PINK1/Parkin介导的线粒体自噬为线粒体自噬调控的关键途径。PINK1是分布在线粒体的丝氨酸/苏氨酸激酶，Parkin是分布在胞浆中的一种新型的环间环E3泛素连接酶。正常情况下，Parkin在细胞质中处于无活性状态，以稳定的自抑制酶构象存在；病理条件下，PINK1与Parkin位于同一通路上，且Parkin位于PINK1下游。若线粒体发生损伤，PINK1招募并聚集于线粒体外膜，发出线粒体自噬的起始信号，调控其下游Parkin分子转位至外膜，同时使线粒体蛋白泛素化，形成线粒体自噬小体。Parkin 的存在可以放大PINK1介导的线粒体自噬，自噬小体通过线粒体内膜和外膜自噬受体蛋白对受损线粒体进行双重识别，进而减少清除的错误率，最后由溶酶体降解并清除受损的线粒体[1]。

1.2 NIX/BNIP3介导

NIX（又称BNIP3L）是从人胎盘cDNA文库中克隆出来的蛋白质，与BNIP3具有56%同源性，分布在人的各个组织，大多定位于线粒体外层，是线粒体外膜蛋白。NIX可通过自身结构域（LIR）与微管相关蛋白1轻链3（LC3）蛋白结合，招募自噬小体包裹线粒体，诱导线粒体自噬发生。BNIP3需要进行同源二聚化才可与LC3相互作用。NIX/BNIP3与LC3的相互作用均受磷酸化调控。位于BNIP3 LIR模体上的Ser17和Ser24的磷酸化增强了BNIP3与LC3的相互作用。同样，位于NIX LIR模体的Ser34和Ser35的磷酸化也可增强NIX与LC3的相互作用[2]。

1.3 FUNDC1介导

FUNDC1是一种线粒体自噬受体蛋白，位于线粒体外膜，其氨基末端具有相同LIR结构，活性受磷酸化调控。正常情况下，线粒体外膜上的FUNDC1稳定存在；在低氧刺激及解偶联剂诱导下，FUNDC1的LIR与LC3相互作用诱导自噬膜泡包裹线粒体，激活线粒体自噬。该通路受Ser13和Tyr18位点磷酸化状态调控。正常状态下，FUNDC1 保持高度磷酸化状态有赖于Ser13和Tyr18的磷酸化修饰；而发生低氧应激或用解偶联剂处理时，Ser13去磷酸化，Tyr18也随之去磷酸化，进而诱发线粒体自噬[3]。

2 线粒体自噬与代谢性疾病相关性

2.1 肥胖

线粒体自噬可能与肥胖个体的代谢异常有关，长期高脂饮食导致脂质堆积，从而抑制线粒体自噬，加重线粒体损伤[4]。高脂饮食诱导的C57BL/6J小鼠肥胖的脂肪组织和炎症条件培养基诱导的脂肪细胞线粒体自噬及相关蛋白（LC3B-Ⅱ/Ⅰ、Beclin1、Atg5、PINK1 和Parkin）表达下降[4]。线粒体自噬受体FUNDC1敲除小鼠在喂食高脂饮食时会出现更严重的肥胖和胰岛素抵抗[3]。

2.2 2型糖尿病

肥胖、骨骼肌中的胰岛素抵抗和胰岛β细胞产生的胰岛素减少是糖尿病发生的主要原因。肌肉胰岛素抵抗和胰岛β细胞功能障碍在很大程度上取决于线粒体的代谢超负荷，导致胰岛β细胞氧化不完全、氧化应激、有毒脂质中间体的积累和线粒体损伤。线粒体自噬消除了这种氧化应激和线粒体损伤的恶性循环，从而抵消了致病过程[5-7]。炎症损伤导致1型和2型糖尿病中的胰岛β细胞衰竭。线粒体自噬缺陷的胰岛β细胞对炎症应激敏感，导致功能失调的线粒体碎片的积累、胰岛β细胞死亡增加和高血糖症。C型凝集素家族16成员A基因（CLEC16A）为一种线粒体自噬调节剂，在胰岛中的表达对糖尿病具有保护作用，其过表达可改善细胞因子诱导的人胰岛β细胞凋亡，因此，线粒体自噬可通过对抗炎症损伤促进胰岛β细胞存活并预防糖尿病[5]。糖尿病小鼠心脏中含溴域蛋白4 的上调抑制PINK1/Parkin介导的线粒体自噬，导致受损线粒体的积累和随后的心脏结构和功能受损[6]。糖尿病肾病与线粒体自噬密切相关，高脂饮食和链脲佐菌素（STZ）诱导的2 型糖尿病小鼠模型肾组织p-AMPK、PINK1、Parkin、LC3Ⅱ和Atg5表达明显降低，线粒体自噬减少导致了肾损伤[7]。

2.3 心血管疾病

研究认为，线粒体自噬参与代谢性心血管疾病的发生进程，线粒体自噬的激活与心脏和脉管系统的精细功能有关，如高血压、心脏疾病、动脉粥样硬化等。代谢性心血管疾病的特征之一是线粒体功能障碍、活性氧物质的大量产生、炎症反应增加和ATP 水平低[8-10]。Chen等[8]研究发现，自发性高血压大鼠和血管紧张素Ⅱ诱导的血管平滑肌细胞模型中，PINK、Parkin、mtDNA、线粒体转录因子A（mtTFA）和转录辅助活化因子（PGC）-1α的表达降低，减少了线粒体自噬和线粒体生物合成，损伤血管重塑水平而致高血压。研究表明，心肌细胞线粒体自噬主要受人第10号染色体缺失的磷酸酶及张力蛋白同源的基因诱导的PINK1/Parkin途径调节，也受FUNDC1或Bcl2相互作用蛋白BNIP3L/NIX途径调节，线粒体自噬失调导致心脏功能障碍[9]。过度激活PINK1/Parkin介导的线粒体自噬在缺血再灌注过程中也可能是有害的。Luo等[10]研究发现，在缺氧/复氧的H9C2细胞中存在过度激活的线粒体自噬，阿魏酸通过抑制PINK1/Parkin依赖性线粒体自噬，保护H9C2细胞免受缺血/再灌注损伤。线粒体功能障碍可能与动脉老化和内侧变性有关，而通过线粒体自噬消除功能失调的线粒体可以延缓动脉衰老，防治动脉粥样硬化。

3 中医药调控机制

3.1 调控线粒体自噬治疗肥胖

中医学认为，肥胖最重要的病机是肝郁脾虚。血糖为水谷精微，依靠脾的运化功能进行代谢；胰岛素是人体内唯一降血糖的激素，是“脾气散精”的物质基础，促进细胞对葡萄糖的摄取和利用。血糖摄入细胞后，进入线粒体内氧化供能。郑敏麟[11]认为，中医“脾”的微观物质基础为线粒体，是细胞之“脾”，线粒体功能的维持与线粒体自噬密切相关，提出线粒体与脾的运化相关。线粒体自噬在米色脂肪到白色脂肪的过程中起着至关重要的作用，线粒体自噬缺乏会增加NOD样受体热蛋白结构域相关蛋白3的表达，诱导小鼠棕色脂肪功能障碍，因此，激活线粒体自噬可能是治疗肥胖的一种新方法[12]。化瘀祛痰方可降低动脉粥样硬化家兔肝脏线粒体自噬相关蛋白LC3、FUNDC1表达，通过调控线粒体自噬相关基因改善动脉粥样硬化家兔肝脏脂质沉积[13-14]。脂肝方可改善非酒精性脂肪性肝炎大鼠肝脏脂质代谢和脂肪变性，其机制可能与促进线粒体选择性自噬相关[15]。姜黄素降低了非酒精性脂肪性肝病大鼠肝组织Bax、p62、Caspase-3、Caspase-9 蛋白表达，而增加了mCytc、Bcl-2、Beclin-1、LC3Ⅱ/LC3Ⅰ蛋白表达，说明姜黄素的抗凋亡作用与诱导自噬有关[16]。中药单体菊苣酸通过激活核因子E2 相关因子2 通路，增加PINK 和Parkin表达，调节LC3、SQSTM1、线粒体融合蛋白2（Mfn2）、线粒体分裂蛋白1（FIS1）表达，改善线粒体自噬以减轻肥胖相关性肾病的肾小管损伤[17]。白藜芦醇可上调高脂饮食C57BL/6J 雄性小鼠睾丸LC3Ⅱ/LC3Ⅰ、Beclin1和Atg7表达，改善线粒体功能障碍，促进类固醇生成[18]。天然酚类脂质5-十七烷基间苯二酚，可上调高脂饮食诱导的C57BL/6J小鼠肥胖的脂肪组织和炎症条件培养基诱导的脂肪细胞中线粒体自噬及相关蛋白（LC3B-Ⅱ/Ⅰ、Beclin1、Atg5、PINK1和Parkin）表达，促进线粒体自噬，减轻脂肪细胞线粒体功能障碍[4]。

3.2 调控线粒体自噬治疗2型糖尿病

糖尿病属中医学“消渴”范畴。《临证指南医案》曰：“三消一证，虽有上、中、下之分，其实不越阴亏阳亢，津涸热淫而已。”可见，糖尿病病机以阴虚为本，燥热为标。素体禀赋亏虚、情志失调、饮食不节、劳欲太过等是其主要病因。糖尿病目前尚无治愈方法，西医主要以调节饮食结合药物治疗，延缓糖尿病并发症的发展。近年发现线粒体自噬中存在中医药防治糖尿病的关键靶点。网络药理学分析发现，线粒体自噬是参芪降糖颗粒治疗2型糖尿病的主要机制[19]。益气解毒方显著降低糖尿病肾病大鼠肾组织肾小管上皮LC3-Ⅱ、p62、NIX 蛋白表达，同时降低NIX mRNA表达，调节线粒体过度自噬，保护糖尿病肾损伤[20]。黄芪丹参汤由黄芪和丹参组成，具有益气活血功效。Liu等[21]用黄芪丹参汤治疗2型糖尿病db/db小鼠，发现可以激活足细胞PINK1/Parkin 介导的线粒体自噬，改善糖尿病导致的肾小球肥大、系膜细胞和系膜基质增加、足细胞足突融合。左归降糖解郁方有效抑制糖尿病并发抑郁症大鼠海马神经元线粒体自噬流、线粒体ROS 释放及海马神经元凋亡，调控GluR2-Parkin-Cyt-C信号通路，保护海马神经元[22-23]。中药单体白藜芦醇、姜黄素、黄芪甲苷、小檗碱、三七皂苷R1、灯盏花素及人参提取物调控线粒体自噬参与糖尿病及其并发症的治疗。给STZ诱导的糖尿病小鼠饮食白藜芦醇8周，可改善糖尿病小鼠肌肉萎缩和肌肉功能，减弱泛素和肌肉环指蛋白-1的增加，同时减弱LC3-Ⅱ和裂解的Caspase-3，抑制了线粒体自噬，促进线粒体生物合成[24]；白藜芦醇也能增加糖尿病心肌线粒体自噬，改善心脏功能。小鼠尾静脉多次注射STZ及摘除右肾法诱导建立糖尿病肾病小鼠模型，经姜黄素治疗后降低了过氧化氢酶、锰超氧化物歧化酶、NADH脱氢酶、CoQH2-细胞色素c还原酶复合物的活性，增加了Beclin1、LC3 表达，改善了肾功能[25]。黄芪皂苷Ⅱ可部分恢复线粒体动力学相关和自噬相关蛋白的肾脏表达，包括Mfn2、FIS1、p62 和LC3，增加线粒体自噬相关的PINK1 和Parkin 表达，改善糖尿病大鼠足细胞损伤和线粒体功能障碍[26]。小檗碱治疗db/db小鼠疗后，肝组织中线粒体自噬相关蛋白PINK1和Parkin表达明显下调，小檗碱降低氧化应激损伤，保护线粒体功能，减少线粒体自噬的发生[27]。人参提取物可减少他克莫司诱导的糖尿病小鼠胰岛β细胞自噬，这种作用与线粒体功能的改善密切相关[28]。

3.3 调控线粒体自噬治疗心血管疾病

正常情况下，适度线粒体自噬可保护心脏免受氧化应激损伤，中药可以通过调节线粒体自噬治疗心肌损伤所致心血管疾病，因而在线粒体自噬机制中寻找治疗心血管疾病的中药是现在中医学研究的热点。

栝楼薤白半夏汤作用于心肌缺血再灌注损伤大鼠，大鼠血清肌酸激酶同工酶、乳酸脱氢酶含量及心肌组织Beclin-1、p62、PINK1、Parkin 蛋白表达均显著高于模型组，栝楼薤白半夏汤可通过抑制PINK1/Parkin通路活化，减轻线粒体自噬而发挥心肌保护作用[29]。健脾祛痰化瘀方药可激活AMPK，AMPK直接或间接提高自噬相关蛋白1抗体（ULK1）磷酸化水平，从而提高大鼠心肌线粒体自噬能力[30]。采用腹主动脉缩窄法制备慢性心力衰竭大鼠模型，与模型组比较，参葵通脉颗粒组大鼠心肌组织核呼吸因子-1（NRF-1）、mtTFA蛋白表达显著增加；参葵通脉颗粒可使模型大鼠心肌p-AMPKα/AMPKα、PINK1、p-Parkin/Parkin增加，通过调控AMPK-mtTFA-PINK1信号轴，改善心肌细胞线粒体自噬，保护心脏[31]。当归补血汤能升高慢性间歇性低氧C57BL/6N雄性模型小鼠心肌组织pro-Caspase-3/Caspase-3、Bcl-2/Bax、LC3 Ⅱ/LC3 Ⅰ及Parkin表达，降低p62、Cytc表达，通过促进线粒体自噬减少心肌细胞凋亡而保护心脏[32]。益气温阳活血利水方干预戊巴比妥钠损伤的H9C2细胞，H9C2细胞Beclin1表达明显降低，线粒体边界较清晰，肿胀缓解，空泡明显减少，自噬小体数量减少，抑制线粒体自噬可能是其治疗心力衰竭的重要机制之一[33]。白金方通过PINK1/Parkin通路，适度上调线粒体自噬水平发挥心肌保护作用[34]。白藜芦醇、黄芪甲苷、小檗碱、香芹酚、延龄草总皂苷、丹参酮、人参皂苷、淫羊藿苷、川芎嗪、槲皮素、鸢尾素、丹酚酸B、丹皮酚、麦冬皂苷D、荭草苷、五味子乙素、迭香酸等调控线粒体自噬，参与心血管疾病治疗。白藜芦醇调控在缺氧/复氧诱导的新生大鼠心肌细胞Parkin、Mfn2和PGC-1α表达，实现线粒体质量控制，预防心肌缺血/再灌注损伤[35]。通过可逆性左冠状动脉前降支结扎法建立心肌缺血再灌注模型，经黄芪甲苷或人参皂苷Rg1治疗后，HIF1-d表达增强，NRF-1、PINK1、Parkin蛋白表达下调，说明二者可抑制线粒体过度自噬而保护心脏[36]。丹参酮ⅡA能显著下调急性心肌梗死大鼠心脏LC3Ⅱ/LC3Ⅰ比值和Beclin1表达水平，促进p62表达，抑制心肌线粒体自噬，促进心肌梗死大鼠心肌功能恢复[37]。荭草苷可抑制心肌缺血/再灌注损伤大鼠心肌细胞内凋亡及线粒体自噬相关蛋白表达水平，减弱Parkin与p62的结合程度，抑制心肌细胞内线粒体自噬过度激活而保护心脏[38]。延龄草总皂苷显著升高D-半乳糖诱导的大鼠心肌组织LC3Ⅱ/LC3Ⅰ比值、Beclin1、PINK1、Parkin、FUNDC1和NIX蛋白表达，激活线粒体自噬，保护心脏[39]。线粒体自噬对心肌细胞是双刃剑，因此今后研究应确定不同环境刺激下线粒体自噬对心血管疾病的影响，有利于寻求最佳的治疗方法和药物。

4 展望

近年来线粒体自噬机制研究逐渐深入，但诸多线粒体蛋白单体介导线粒体自噬发生的机制尚不清楚，或许成为新的研究热点。自噬过度或自噬过少都会损伤细胞，成为调控线粒体自噬、维持线粒体动态平衡的难点；另外，在单一时间点评估线粒体自噬的作用及机制均会产生偏倚。线粒体自噬目前尚未研发出临床相关诊断指标，鲜见临床报道；现有中医药-线粒体自噬-代谢性疾病三者相关性的研究大多为基础研究，其相关性和作用机制的阐明尚需临床研究验证。中医药治疗代谢性疾病一直是中医药研究热点，线粒体自噬相关蛋白作为中药成分发挥作用的关键靶点，目前研究处于起步阶段，进一步深入研究中药治疗代谢性疾病的线粒体自噬机制具有重要临床意义；另外，针灸治疗肥胖、2型糖尿病和心血管疾病具有临床优势，然而，其治疗机制尚未阐明。Xiao等[40]用电针预处理，可缩小缺血再灌注大鼠的心肌梗死面积和危险面积，减轻缺血再灌注诱导的细胞凋亡和线粒体自噬，并伴有mTORC1表达升高、ULK1和FUNDC1水平下降，说明电针预处理可通过抑制mTORC1-ULK1-FUNDC1通路介导的线粒体自噬保护缺血再灌注心肌抵抗损伤。总之，中医药调控线粒体自噬是治疗肥胖、2型糖尿病和心血管疾病等代谢性疾病的重要机制之一，可为其临床应用提供新依据，值得深入研究。