线粒体自噬在器官纤维化疾病中作用的研究进展*

高晓阳 金 蓉 赵晓璐 张春艳 颜羽昕 马月宏

（内蒙古医科大学基础医学院药理学教研室，呼和浩特 010059）

纤维化是一个高度动态的过程，其本身不属疾病，而是组织自我修复的过程[1]。纤维组织的形成是由细胞外基质（extracellular matrix，ECM）成分如胶原蛋白和纤维连接蛋白的过度积累所致[2]。纤维化后的症状取决于受损组织的类型：皮肤的纤维化即皮肤增厚、变形、疼痛等；脏器（肺、心、肝或肾等）的纤维化即器官功能衰竭[3]。目前临床对纤维化疾病的干预措施有限，仅特发性肺纤维化（idiopathic pulmonary fibrosis，IPF）有有效的药物治疗，心肌纤维化、肝纤维化（hepatic fibrosis，HF）和肾纤维化等其他纤维化疾病的治疗仍尚不明确。已知线粒体自噬能选择性地识别和清除过量活性氧（reactive oxygen species，ROS），通过释放细胞色素C等促凋亡因子诱导细胞凋亡，最终导致ATP合成中断，影响多种疾病的发生发展[4]。笔者对线粒体自噬与纤维化疾病间的作用机制研究综述如下。

1 细胞自噬

1.1 细胞自噬的分类

细胞自噬是在不同生理和病理条件下降解和回收细胞内蛋白质和细胞器的主要细胞机制。在哺乳动物中已鉴定出3种不同类型的自噬：分子伴侣介导的自噬（chaperonemediated autophagy，CMA）、微自噬和巨自噬[5]。CMA是第一个被发现的选择性自噬过程，其特征是通过热休克蛋白家族A成员8（HSPA8）识别含有Hsc70复合物的识别位点的胞质蛋白，或直接通过含有溶酶体相关膜蛋白2a（LAMP2A）的蛋白复合物，将细胞中的蛋白质、核酸和脂质等递送到溶酶体降解，但不能降解细胞器[6]。微自噬是一种溶酶体膜动力学，能直接包裹和运输细胞溶质成分进入溶解细胞器的内腔进行降解[7]。巨自噬又称大自噬，存在于所有真核细胞中，由双层膜囊泡形成的自噬体不断吞噬待降解的细胞，然后自噬体外膜与溶酶体结合形成自噬溶酶体，最后被溶酶体酶降解[8]。上述3种自噬形式中，巨自噬是细胞自噬研究的热点，故下文中的自噬即指巨自噬。

1.2 细胞自噬的分子机制

自噬主要由自噬体介导，细胞质的一部分被隔离膜或噬菌体的薄膜池包围，形成自噬体与溶酶体融合，包裹物被自溶酶体中的溶酶体酶降解[9]。哺乳动物细胞中自噬体的形成由包含UNC-51样激酶1或2（Unc-51 like autophagy activating kinase 1/2，ULK1/2）、自噬相关基因13（autophagy-related genes-13，ATG13）、ATG101和视网膜母细胞瘤RB1-诱导卷曲蛋白1（RB1-inducible coiledcoil 1，RB1CC1）的蛋白激酶复合物启动[10]。这个起始复合体接收2类信号：第一类是主要集中在雷帕霉素复合物1（mTORC1）上的各种营养和应激信号，mTORC1被激活后抑制ULK1/2，导致起始复合物移位至内质网膜上。同时，也可以在低能量状态下通过AMP激活蛋白激酶（AMPK）激活ULK1/2。第二类信号涉及自噬货物，如受损的线粒体，通过与RB1CC1直接作用来激活起始复合体。为了使自噬体膜成核，ULK1/2磷酸化Ⅲ类磷脂酰肌醇3-激酶（PI3K）复合物，在自噬前体膜上产生磷脂酰肌醇3-磷酸（PI3P）[11]。磷酸肌醇相互作用蛋白2（WIPI2）募集由ATG12-ATG5和ATG16L1组成的复合物，促进ATG8家族蛋白与磷脂酰乙醇胺（PE）间的结合。ATG8家族蛋白也被认为是膜伸长和自噬体闭合的重要因子[12]。自噬体封闭后会获得可溶性NSF附着蛋白受体（SNARE）蛋白，与溶酶体融合并形成自噬溶酶体，在溶酶体水解酶的作用下降解产物[13]。

2 线粒体自噬

2.1 自噬与线粒体自噬

自噬一直被认为是一种非选择性受损和衰老细胞的降解途径[14]。当一个特定的细胞器被专门递送到自噬体中，并经自噬体将该细胞器运送到溶酶体中降解，该细胞器为线粒体时，即被称为“线粒体自噬”，这意味着线粒体可以通过自噬过程而降解[15]。已知在营养丰富的状态下，可诱导线粒体自噬，而饥饿时线粒体自噬并未得到相应地增加[16]。所以线粒体自噬属特异性自噬现象。

2.2 线粒体自噬的介导途径

线粒体自噬涉及PINK1/Parkin途径、NIX和BNIP3、FUNDC1等多种途径。

2.2.1 PINK1/Parkin途径 磷酸酶及张力蛋白同源基因诱导的激酶1（PTEN induced putative kinase 1，PINK1）/Parkin途径通常调节泛素依赖型的线粒体自噬。正常情况下，Parkin定位于细胞质内，当PINK1被运输到膜间隙时，诱导蛋白质降解[17]。而PINK1激酶活性与线粒体损伤时Parkin间的关系，依赖PINK1磷酸化可改变Parkin构象，以促进其与线粒体表面的结合。

2.2.2 NIX和BNIP3 NIP3样蛋白X（NIP3-liked protein X，NIX）和Bcl-2相互作用蛋白3（BCL -2 interacting protein 3，BNIP3）是参与线粒体膜去极化引起缺氧或有丝分裂发生的重要分子介质。其中NIX是一种线粒体外膜蛋白，能与吞噬细胞中的LC3相关分子相互作用，诱导线粒体自噬[18]。而BNIP3是Bcl-2家族的成员，在抑制自噬体与溶酶体融合的同时还可促进线粒体分裂。

2.2.3 FUNDC1 FUN14结构域包含蛋白1（FUN14 domaincontaining protein 1，FUNDC1）位于线粒体外膜上，N端多暴露在对缺氧/缺血刺激有选择性反应的胞浆中，上游磷酸化酶通过改变FUNDC1位点，影响其与LC3的结合亲和力，促进或抑制线粒体自噬[19]。在常氧条件下，抗凋亡分子Bcl-xL与磷酸甘油酸变位酶5（PGAM5）结合后可抑制其活性，而缺氧时可降低Bcl-xL蛋白水平，释放更多的PGAM5与FUNDC1结合，导致FUNDC1去磷酸化和线粒体自噬作用增强[20]。

3 线粒体自噬与纤维化疾病的关系

3.1 线粒体自噬与IPF

IPF是间质性肺炎的常见形式，是一种由Ⅱ型肺泡上皮细胞（Ⅱ alveolar epithelial cells，AECⅡs）反复损伤而导致肺大面积纤维化的慢性疾病[21]。虽然目前市场上经批准的治疗IPF的药物有2种（吡非尼酮和尼达尼布），但这些药物只能缓解IPF的进展。已知AECⅡs可利用自噬功能选择性地靶向移除单个亚细胞成分，包括入侵的病原体、脂类和功能失调的细胞器[22]。在IPF发病机制研究中已证明线粒体吞噬功能与肺纤维化的发生有关。IPF中AECⅡs线粒体异常堆积，ROS生成增加，PINK1表达降低。同时，形成的肌成纤维细胞中的Parkin表达水平也降低，Parkin缺乏引起的线粒体吞噬功能不足将诱导大量的ROS产生，并伴随着血小板衍生生长因子受体（PDGFR）/mTOR信号的激活，导致肌成纤维细胞分化和增殖[23]。Kim等首次探索了线粒体自噬在减轻AECⅡs的PINK1缺乏和细胞凋亡中的作用，显示PINK1敲除后小鼠更容易被石棉诱导致纤维化，并且增加了AECⅡs的线粒体DNA损伤和凋亡。而线粒体自噬可减少ROS诱导的线粒体DNA损伤，从而驱动内在细胞凋亡，延缓肺纤维化的进程[24]。Xiao等研究表明IL-17A可通过扰乱线粒体动力学、减少PINK1的表达，以及抑制线粒体吞噬均可导致AECⅡs线粒体积累和功能障碍，使AECⅡs凋亡并最终促进肺纤维化[25]。所以线粒体自噬调节有望成为IPF治疗的新靶点。

3.2 线粒体自噬与心肌纤维化

心肌纤维化是心肌间质中胶原纤维的弥漫性积聚，可导致左心室功能不全，心肌僵硬度增加、心结构重构等，易发展为心力衰竭和心肌梗死[26]。因此ECM改变在心力衰竭演变的病理性心肌重构发展中起着重要作用[27]。Tre-2/Bub2/Cdc16（TBC）结构域蛋白家族具有GTP酶激活活性，参与促进线粒体-溶酶体接触，以及调节溶酶体运输、融合和成熟。其中TBC域家族成员15（TBC1D15）在心功能和线粒体质量的调控作用研究显示[28]，当心肌细胞缺血再灌注后，TBC1D15表达水平下降，收缩功能降低，心肌纤维化明显，线粒体损伤也大大增加。TBC1D15的上调可通过与重组人线粒体分裂蛋白1（recombinant human mitochondrial fission 1 protein，FIS1）位点结合，激活RAS癌基因家族成员7（RAB7）GTP水解，恢复线粒体自噬的降解功能，改善缺血再灌注引发的心肌形态改变。过度的ROS会使线粒体抗氧化能力下降，损伤线粒体DNA和蛋白氧化功能，引起心肌纤维化，甚至导致心力衰竭[29]。AMPK/PINK2主要通过磷酸化以提高心脏线粒体吞噬水平，从而减轻心力衰竭。其机制为AMPK与磷酸化的PINK1在Ser495位发生特异性相互作用，激活PINK1/Parkin/SQSTM1通路增加线粒体自噬，挽救线粒体吞噬功能的受损[30]。因此，避免线粒体自噬过度激活，可延缓心肌纤维化发展是未来研究的热点。

3.3 线粒体自噬与肝纤维化

通常肝星形细胞（hepatic stellate cells，HSCs）多处于静止状态，当肝损伤时HSCs被激活，并转化为具有分泌、增殖、收缩功能的肌成纤维细胞，破坏ECM沉积与降解的平衡，导致胶原纤维沉积形成瘢痕[31]。肝是第一个发现线粒体自噬的器官。在不同刺激下（洗涤剂曲拉通、饥饿状态、氨基酸缺乏等）均可观察到大鼠肝组织的线粒体自噬，大部分功能失调的线粒体被自噬空泡吞噬，再经溶酶体酸性蛋白酶降解[32]。研究表明，动态线粒体活动调节肝线粒体稳态，有助于维持肝功能，并通过去除线粒体治疗溶酶体降解，可保护肝免受组织损伤。反之，对线粒体吞噬的不当调节会导致涉及ROS的细胞损伤和肝纤维化的出现[33]。干扰库普弗细胞（Kupffer cells，KCs）中的T细胞免疫球蛋白结构域和黏蛋白结构域-4（T-cell immunoglobulin and mucin domain 4，TIM-4）可能会抑制PINK1/Parkin依赖的线粒体自噬，减轻CCl4诱导的小鼠肝纤维化[34]。而通过增加ROS的产生不仅可促进PM2.5诱导的HSCs活化和肝纤维化，还能诱导线粒体自噬。PM2.5诱导的过量ROS通过激活PINK1/Parkin途径促进线粒体分裂来调节线粒体动态，而抑制PM2.5诱导的线粒体自噬可减轻纤维化[35]。PINK1/Parkin介导的线粒体自噬在活化HSCs和肝纤维化发展过程中被明显下调，而线粒体靶向泛醌（MitoQ）能降低ROS水平，上调线粒体自噬相关基因表达，使HSCs失活并延缓肝纤维化[36]。故分析线粒体自噬对肝疾病的影响对探讨HF的进展具有重要意义。

3.4 线粒体自噬与肾纤维化

肾纤维化是许多进行性肾病的共同途径，可导致正常肾结构破坏和肾功能丧失，其中有一系列复杂的信号事件参与[37]。已知巨噬细胞的线粒体自噬通过PINK1/线粒体融合蛋白2（mitofusin 2，Mfn2）/Parkin介导途径对肾纤维化起保护作用。在肾纤维化中，当巨噬细胞的线粒体吞噬功能受损时，PINK1、Mfn2、Parkin等有丝分裂调节因子均表达下调，并促进肾ECM的积聚和促纤维化/M2巨噬细胞的出现，进一步加剧肾纤维化[38]。在糖尿病肾病中，AMPK激动剂二甲双胍可以通过AMPK/PINK1/Parkin通路激活线粒体自噬，减少线粒体损伤和ROS生成，减轻糖尿病大鼠肾小管间质纤维化[39]。Jin等探讨了诱导线粒体吞噬化合物UMI-77对体内输尿管梗阻和体外肾小管上皮细胞（renal tubular epithelial cells，TECs）的影响，结果表明线粒体损伤、ROS产生以及转化生长因子-β（transforming growth factor-β，TGF-β）/Smad通路激活与肾纤维化间的变化关系。使用UMI-77可通过改善线粒体适应性、下调TGF-β1/Smad信号传导以及缓解TECs损伤和肾炎症浸润，防止肾纤维化[40]。目前，线粒体自噬与肾纤维化关系的具体作用机制仍需进一步研究。

线粒体自噬可清除受损的线粒体，缓解线粒体功能障碍，从而抑制纤维化发展。目前线粒体自噬治疗的具体方案有待完善，可概括为：①减少线粒体结构的氧化损伤；②通过外源性ROS清除剂抑制氧化应激；③增强线粒体的自我修复能力。随着对线粒体自噬的深入了解，许多纤维化疾病的诊断和治疗有望取得突破性进展。