线粒体与青光眼关系的研究进展

石晶博，马林慧，李彬，石荣先

青光眼作为全球首位不可逆致盲眼病，严重威胁着人类的视觉健康。原发性青光眼病机制尚未阐明，是具有遗传倾向的复杂眼病，有研究[1]发现，线粒体相关基因在青光眼的遗传中扮演重要角色。青光眼视神经损害是青光眼的核心问题，目前，主流学说包括机械压力学说和血管缺血学说[2]；此外，王宁利等[3-4]提出跨筛板压力学说也被国际所公认。本文对青光眼遗传相关的线粒体基因、人眼小梁网细胞（human trabecular meshwork cell，HTMC）和视网膜神经节细胞（retinal ganglion cell，RGC）中线粒体介导的氧化应激损伤机制、线粒体自噬进行综述，现报道如下。

1 青光眼患者线粒体基因的改变

原发性开角型青光眼（primary open angle glaucoma，POAG）根据其基础眼压是否高于21 mm Hg分为正常眼压性青光眼（normal tension glaucoma，NTG）和高眼压性青光眼（high tension glaucoma，HTG）。线粒体蛋白组由1,000 多种蛋白质组成，仅有13 种蛋白质由线粒体基因编码，其余均为核基因编码。有研究[5]对编码线粒体蛋白的核基因进行分析，结果发现，3-羟基丁酸脱氢酶1（3-hydroxybutyrate Dehydrogenase 1，BDH1）、烯脂酰辅酶A 水合酶短链1（enoyl coenzyme A hydratase short chain 1，ECHS1）、乙酰辅酶A酰基转移酶2（acetyl-coenzyme A acyltransferase 2，ACAA2）等基因与NTG 和POAG 显著相关。线粒体DNA（mitochondrial DNA，mtDNA）是染色体外环状双链DNA 分子，因其缺乏组蛋白的保护和修复机制，易发生复制错误，因此，mtDNA 具有高度的多态性。有研究[6]对剥脱综合征性青光眼（exfoliation syndrome，XFG）患者的mtDNA 非同义单核苷酸多态性（non-synonymous single nucleotide polymorphisms，nsSNPs）变异进行鉴定，结果发现，5个致病性的nsSNPs位于线粒体编码的还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸脱氢酶4（mitochondrially encoded NADH dehydrogenase 4，MT-ND4）基因，2个致病性的nsSNPs位于线粒体腺苷三磷酸合成酶亚基6（mitochondrial ATPase subunit 6，MT-ATP6）基因。类似的研究[7]也发现，POAG 与线粒体基因MT-ND4 等位基因A、线粒体编码的细胞色素b（mitochondrially encoded cytochrome b，MTCYB）等位基因T 和单倍群K 存在相关性显著。CUI QN 等[8]发现，非裔美国人的青光眼患者中的mtDNAL1c2 单倍群相较mtDNAL1b 在眼压无明显差异的情况下，视神经损伤更为严重。GUDISEVA HV 等[9]发现，非裔美国人的男性青光眼患者中，mtDNA 非L 单倍群组患POAG的风险显著增高，不区分性别和只分析女性时POAG 患病没有这种差异；但BANERJEE D 等[10]在对印度人的一项mtDNA全基因组测序研究中，却并没有发现任何标记的单倍群和POAG 的发病相关。男性青光眼患者与线粒体细胞色素c氧化酶亚基1（mitochondrial cytochrome c oxidase subunit 1，MTCO1）V83I 的多态性显著相关，但是在女性患者中没有这样的发现[11]。RGC暴露于30 mmHg的静水压力中，相对高压可以直接损伤mtDNA，通过阻断mtDNA 修复/复制酶，最终导致线粒体功能障碍和RGC 凋亡[12]。针对印度人的mtRNA 的全基因组的测序研究[1,10]中，POAG患者的群体突变率明显高于对照组的突变率，而且突变大多集中在复合体I；BANERJEE D 等[10]进一步诠释了复合体I的ND5区域变异最大，ND5 可能在POAG 的发病中发挥关键作用。视神经萎缩蛋白1（optic atrophy 1，OPA1）是线粒体的正常代谢所必须的，有研究[13]发现，POAG 患者OPA1 基因的表达与正常人相比显著下调，因此，OPA1基因可能通过介导线粒体的功能影响POAG的发生与发展。

2 青光眼中HTMC和RGC线粒体介导的氧化应激机制

2.1 线粒体介导的氧化应激与青光眼

线粒体是存在于大多数细胞中的细胞器，是进行有氧呼吸的主要场所；细胞内90% 的活性氧（reactive oxygen species，ROS）由线粒体内膜的电子传递链产生，ROS 由H2O2、超氧化物（O2-）和羟基自由基（OH-）组成[14]；细胞内也存在抗氧化体系，如超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD）、过氧化氢酶和谷胱甘肽（glutathione GSH），以维持细胞内的氧化还原平衡。ROS对细胞是有益还是有害，取决于其浓度和位置。ROS在生理水平下作为信号分子，参与细胞的多个过程；而过量产生的ROS 会导致细胞成分的氧化损伤，从而导致细胞死亡[15]。RGC 的轴突在眼内没有髓鞘包裹，无髓鞘的神经纤维传导神经冲动需要耗费大量的能量，RGC 的轴突中含有大量的线粒体是维持神经传导功能的必要条件。因此，RGC 对缺血缺氧状态也更加敏感，更易产生氧化应激，产生过量的ROS，逐渐导致细胞损伤，最终导致细胞凋亡。POAG 患者的眼压升高，与抗氧化能力降低有关[16-17]。眼压升高导致氧化损伤相关基因的表达水平升高，因此，氧化损伤与青光眼的发病有关[18]。血清8-羟基-2′-脱氧鸟苷是DNA 氧化损伤的标志物，研究[19-20]表明，血清8-羟基-2′-脱氧鸟苷升高与POAG 和假性剥脱性青光眼（pseudoexfoliation glaucoma，PXG）之间存在明显的相关性，说明了系统氧化应激引起的DNA 损伤可能在POAG 和PXG的发病中发挥作用。

2.2 青光眼中HTMC的氧化应激机制

氧化应激诱导的HTMC 死亡是POAG 患者眼压升高的主要原因之一[21]。有研究[22]表明，氧化应激可以抑制磷脂酰肌醇-3-激酶（phosphatidylinositol-3-kinase，PI3K）/蛋白激酶B（protein kinase B，Akt）通路。前B 淋巴细胞白血病转录因子在H2O2诱导的HTMC 中显著上调，通过激活PI3K/Akt 信号通路，促进胚胎干细胞转录因子同源框（Nanog homeobox，NANOG）的转录，进而促进SOD 和GSH 的产生[23]。转化生长因子（transforming growth factor，TGF）β2 诱导细胞外基质（extracellular matrix，ECM）蛋白的合成，导致小梁网处房水流出阻力的增加[24]；TGF-β2 通过选择性增加还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶4 的表达促进人HTMC 原代细胞氧化应激，可能通过氧化应激介导病理纤维化反应，包括ECM 重塑等[25-26]，HTMC 经过TGF-β2 处理以后PI3K/Akt 信号通路被激活[26]。但是，CHEN HY 等[27-28]却发现，TGF-β1/2基因分别敲除后，在H2O2诱导HTMC 氧化应激的情况下，TGF-β1/TGF-β2 组细胞内ROS 较对照组仍增加。在POAG小梁网组织中，腺苷A3 受体（adenosine A3 receptor，ADORA3）在转录和转录后水平上过表达。过表达ADORA3上调了ECM 的表达，ADORA3 可加重正常HTMC 的氧化应激损伤[29]。1 项关于在氧化应激下HTMC 内源性RNA 网络的研究[30]显示，氧化应激条件下HTMC 中70 个长链非编码RNA （long non-coding RNA，LncRNA）和558 个mRNA 被鉴定为显著失调，这说明HTMC 内氧化应激调节机制非常复杂。

2.3 青光眼中RGC的线粒体氧化应激机制

研究[31]表明，线粒体介导的氧化应激对RGC的凋亡起重要作用。PI3K/Akt 通路在眼压升高引起的RGC 损伤中发挥神经保护作用[23,32]。在青光眼模型小鼠中，下调微小RNA（microRNA，miR）-149 通过上调β 细胞调节素也可以激活PI3K/Akt 信号通路，促进RGC 的活性，抑制RGC 的凋亡，从而对RGC 提供保护[33]。TGF-β1/2 基因分别敲除后，体外H2O2处理RGC 后ROS 积累较对照组增加，细胞凋亡增多，提示TGF-β1 对RGC 抗氧化应激有保护作用，TGF-β1/2 基因敲除可加重RGC的氧化损伤。TGF-β1/2基因通过核因子相关因子2（nuclear factor-E2-related factor 2，Nrf2）/血红素氧合酶1（heme oxygenase-1，HO-1）通路保护RGC 免受H2O2诱导的氧化应激的影响[27]，其他研究[34-35]也证明了Nrf2 因子可在氧化应激状态下保护RGC 损伤。PI3K/Akt 通路磷酸化Nrf2，Nrf2/抗氧化反应元件通路在眼高压早期被内源性激活，进而发挥抗氧化作用[36]。层粘连蛋白α4（laminin，LAMA4）基因下调可抑制LAMA4、细胞外调节蛋白激酶、B淋巴细胞瘤-2（B-cell lymphoma-2，Bcl-2）相关X 蛋白、半胱天冬酶-9 和p53 的mRNA 和蛋白表达，提高Bcl-2 的表达和RGC 的活力，说明通过抑制丝裂原活化蛋白激酶（mitogenactivated protein kinase，MAPK）信号通路的激活，可以抑制RGC 的凋亡和ROS 的生成[37]。线粒体解偶联蛋白2（uncoupling protein 2，UCP2）缺失会增强氧化应激，但UCP2缺失可增加RGC的有丝分裂水平，从而发挥保护作用[38]。酪氨酸酶相关蛋白-1 与前黑素小体蛋白基因相互作用，上调酪氨酸酶相关蛋白-1 可降低慢性高眼压大鼠的眼压、RGC凋亡和氧化应激，而下调前黑素小体蛋白基因可逆转这一变化[39]。升高的眼内压降低了RGC 中的载脂蛋白A-I 结合蛋白，A-I结合蛋白可以保护RGC 免受青光眼性神经炎症和线粒体功能障碍的侵害[40]。氧化应激诱发的miR-211 上调，miR-211 通过抑制细胞外调节蛋白激酶活化和增强p38 活化来诱导的RGC 死亡，这种效应是通过成纤维细胞生长因子受体底物2 信号通路下调介导的[41]。瞬时受体电位锚蛋白1 促进氧化应激负荷和炎症导致小鼠RGC 死亡[42]。下调miR-187通过嘌呤配体P2X门控离子通道型受体7促进氧化应激诱导的视网膜细胞凋亡，miR-187的过表达逆转了RGC细胞中的氧化应激水平[43]。环状RNA cWDR37 在缺血再灌注损伤的视网膜中显著上调，cWDR37 沉默对氧化应激诱导的RGC损伤有保护作用[44]。

3 传统民族医药通过氧化应激途径治疗青光眼疾病的机制

大量研究表明中药或其提取物能通过氧化应激途径治疗青光眼，研究[45]表明PI3K/Akt 信号负向调控氧化应激反应，中药黄芩苷激活PI3K/Akt 信号通路抑制N-甲基-D-天冬氨酸诱导的RGC 细胞凋亡、自噬和氧化应激;黄芩苷可能通过调节体内外PI3K/Akt信号通路来抑制青光眼的发病[46]；红景天苷通过增强miR-27a 激活PI3K/Akt 和Wnt/β-连环蛋白通路，保护HTMC 免受H2O2诱导的氧化损伤[47]。传统蒙方古日古木-13丸对青光眼小鼠模型RGC 有明显的保护作用，通过抑制氧化应激和内质网应激增加RGC 和轴突数量[48]。肉苁蓉的提取物苯乙醇苷通过激活抗氧化酶和抑制炎症来保护缺血再灌注损伤诱导的视网膜损伤[49]。橘皮素激活Nrf2/HO-1 通路、降低含半胱氨酸的天冬氨酸蛋白水解酶（cysteinyl aspartate specific proteinase，Caspase）水平、降低Bcl-2 相关X 蛋白和保留Bcl-2 表达来保护视网膜免受氧化应激的损伤[50]。

4 线粒体自噬与青光眼

研究[51]发现，线粒体自噬保护RGC 免受高眼压的损伤，第10 号染色体缺失的磷酸酶及张力蛋白同源基因诱导假定激酶1（PTEN-induced putative kinase 1，PINK1）/E3-泛素连接酶（Parkin）信号通路是线粒体自噬的经典调控途径；非PINK1/Parkin 依赖的线粒体自噬也发挥着作用[52]，Parkin 也可通过抑制谷氨酸兴奋性毒性进而保护RGC[53]。在青光眼大鼠模型中，过表达Parkin基因后，线粒体自噬增加、RCG 死亡率降低，是线粒体自噬参与青光眼性RCG 保护作用的证据[54]。HU X 等[55]发现，OPA1 通过增强PINK1/Parkin 介导的线粒体自噬来保护RGC。CHERNYSHOVA K 等[56]发现，青光眼的视神经蛋白基因突变独立于线粒体自噬缺陷的机制。UCP2 缺失可以通过增强线粒体自噬，减少了小鼠的RGC 死亡[38]。去泛素化酶可以抵消Parkin 介导的线粒体泛素化，并能作为线粒体自噬的关键负调节因子[57]，2,6-二氨基-3,5-二硫氰基吡啶是一种广谱去泛素化酶抑制，其对RGC 发挥保护作用并促进Parkin 介导的线粒体自噬[58]。青光安颗粒剂通过加强线粒体自噬的信号，减少自噬体的堆积，从而降低小鼠的RGC 凋亡[59]。从绣线菊中提取的二萜类化合物S3 通过增强Parkin介导的线粒体自噬保护RGC[60]。

5 小结

线粒体是细胞能量代谢的主要场所，细胞代谢所需的能量大部分产生自线粒体。RGC 对能量依赖性高，mtDNA 缺乏组蛋白保护，更易受到ROS 的损伤，青光眼RCG 死亡可能是由于线粒体能量短缺或氧化代谢失衡导致。目前，青光眼的治疗依赖于降低眼压，而在未来，增强线粒体活性以及抗氧化治疗可能成为治疗青光眼新的治疗靶点。PI3K/Akt 通路、Nrf2/HO-1 通路、Wnt/β-连环蛋白通路的激活对于RGC的起保护作用，以及MAPK信号通路的激活介导ROS的生成和促进RGC 的凋亡，激活其保护通路或抑制凋亡通路均有可能成为治疗青光眼的靶点。氧化应激可能通过诱导HTMC 凋亡、ECM 生成、纤维化反应，从而使房水流出通道阻力增加，抑制HTMC 氧化应激可能降低青光眼患者的眼压，也是治疗青光眼的潜在靶点之一。