李忱菲 周新 李鋒

1上海交通大學(xué)附屬胸科醫(yī)院呼吸科200030;2上海交通大學(xué)附屬第一人民醫(yī)院呼吸科200080

COPD是一種以進(jìn)行性、不可逆氣流受限為特征的氣道炎癥性疾病,主要病理特征表現(xiàn)為肺泡破壞、氣道炎癥、黏液化生和細(xì)胞凋亡[1]。據(jù)統(tǒng)計,全球已有3.84億COPD患者[2],其中47%的患者會出現(xiàn)中至重度呼吸困難[3]。COPD的發(fā)病率和病死率居全球第5,病死率在呼吸系統(tǒng)疾病中占比最高,造成了巨大的社會和經(jīng)濟負(fù)擔(dān)[4]。自噬是一種降解受損細(xì)胞器和蛋白質(zhì)的細(xì)胞途徑,在這一過程中,內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜包裹異常的蛋白質(zhì)及細(xì)胞器等融合為自噬體,后與溶酶體融合為自噬溶酶體,從而降解內(nèi)容物,維持細(xì)胞穩(wěn)態(tài)[3]。激活的自噬在COPD的病理生理過程中發(fā)揮著重要作用,包括參與黏液分泌過多、氣道炎癥和肌功能障礙等病理過程[5]。

線粒體是細(xì)胞中最重要的細(xì)胞器,具有雙層膜結(jié)構(gòu),外膜參與脂質(zhì)交換、鈣離子信號轉(zhuǎn)導(dǎo)等過程,內(nèi)膜部分向內(nèi)折疊形成嵴,參與三磷酸腺苷的產(chǎn)生、氧化還原反應(yīng)和細(xì)胞死亡途徑的調(diào)控。事實上,線粒體的質(zhì)量控制對于肺部細(xì)胞的穩(wěn)態(tài)是至關(guān)重要的[6-7],以迅速消除廢物,并使其適應(yīng)呼吸功能對能量的高需求。線粒體質(zhì)量的控制主要依賴線粒體自噬,即選擇性降解受損線粒體的自噬過程。在這一過程中,受損線粒體膜去極化,被周圍的自噬體識別,并運輸至溶酶體消化降解[8]。越來越多的研究表明,線粒體自噬在COPD的病理生理過程中發(fā)揮著重要作用,故本文將線粒體自噬與COPD的關(guān)系進(jìn)行綜述。

1 COPD中的線粒體自噬

1.1 線粒體自噬的激活 有絲分裂作為選擇性的自噬,是COPD的一種主要的自噬類型。在COPD中,由一系列刺激觸發(fā)的受損線粒體可分為兩個功能不均勻的部分,隨后,膜電位下降的子代線粒體被自噬溶酶體清除[9]。這一機制對肺具有特別重要的意義,因為肺對能量供應(yīng)的需求很高,而且對線粒體功能的依賴性很強。多種信號通路和分子參與識別受損的線粒體以進(jìn)行選擇性降解[10]。線粒體外膜(outer mitochondrial membrane,OMM)的磷酸酶和張力素同源物誘導(dǎo)的激酶蛋白1(phosphatase and tensin homolog-induced putative kinase protein 1,PINK1)和帕金森病蛋白2(parkinson disease 2,PARK2)被認(rèn)為是2種主要的調(diào)節(jié)蛋白[9]。一旦線粒體膜電位急劇下降,OMM上的PINK1含量將趨于穩(wěn)定,同時招募胞漿中PARK2到去極化的線粒體啟動自噬。簡而言之,PINK1和PARK2能夠協(xié)同作用檢測線粒體的去極化、標(biāo)記受損的線粒體并觸發(fā)線粒體自噬[9]。受體通路是另一個啟動線粒體自噬的重要途徑。OMM上激活的受體包括B細(xì)胞淋巴瘤2(B-cell lymphoma-2,Bcl-2)/腺病毒E1B 19 000蛋白-交互蛋白3[11]、Nix(又稱BINP3樣蛋白,BINP3L)[12]和FUN14區(qū)包含1(FUN14 domain containing 1,FUNDC1)[13],此外,自噬和Beclin1調(diào)節(jié)者1和Bcl-2樣13。參與微管相關(guān)蛋白1A/1B輕鏈3B(Microtubule-associated proteins 1A/1B light chain 3B,MAP1LC3/LC3或稱LC3)的結(jié)合,并通過一系列調(diào)控機制觸發(fā)自噬體吞噬和溶酶體降解[14-15]。由此可見,線粒體自噬是一個由多種因素控制、多種途徑協(xié)同調(diào)控的復(fù)雜過程。研究發(fā)現(xiàn),香煙煙霧提取物(cigarette smoke extract,CSE)誘導(dǎo)COPD患者肺上皮細(xì)胞中線粒體膜電位降低,這一結(jié)果證明CSE能夠引起線粒體功能障礙。與此同時,損傷的線粒體通過激活線粒體動力相關(guān)蛋白1(dynamin-related protein 1,Drp1)磷酸化和增加CSE暴露后PINK1的表達(dá),觸發(fā)了PINK1依賴的線粒體自噬[16]。

1.2 線粒體自噬的保護(hù)作用 盡管線粒體自噬是維持肺部功能的重要生理過程,但是,其在COPD中的確切作用仍存在爭議。已有研究發(fā)現(xiàn),CSE暴露造成的線粒體損傷,能夠引起活性氧(reactive oxygen species,ROS)生成增加,進(jìn)而通過加速細(xì)胞衰老參與COPD的發(fā)病機制[17]。Ahmad等[18]發(fā)現(xiàn),PARK2介導(dǎo)的線粒體自噬是一種保護(hù)策略,能夠去除線粒體碎片,以防止線粒體損傷的擴散。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn),CSE能夠通過誘導(dǎo)p53積累并與PARK2相互作用,抑制PARK2異位觸發(fā)線粒體自噬,進(jìn)而導(dǎo)致細(xì)胞衰老,相反,若在一定程度上增加線粒體自噬將減緩細(xì)胞衰老。與此同時,Ito等[17]用低濃度CSE(1%)誘導(dǎo)COPD細(xì)胞模型,發(fā)現(xiàn)敲除PINK1和PARK2基因可以抑制線粒體自噬,導(dǎo)致細(xì)胞衰老加速。以上證據(jù)提示,線粒體自噬功能不足參與COPD發(fā)病機制,線粒體自噬在COPD中具有一定的保護(hù)作用。

最近的研究表明,有絲分裂也可以控制炎癥反應(yīng)。線粒體DNA不適當(dāng)?shù)挠薪z分裂能夠抑制通過識別Toll樣受體9(toll-like receptor 9,TLR9)和激活NOD樣受體蛋白3(NOD-like receptor protein 3,NLRP3)炎癥小體引起的炎癥反應(yīng)[19-20]。IL-1β為COPD發(fā)展過程中具有代表性的衰老相關(guān)分泌表型因子,就是通過TLR9信號轉(zhuǎn)導(dǎo)和NLRP3炎癥小體機制產(chǎn)生和激活的[21-22]。

1.3 線粒體自噬的損傷作用 盡管已經(jīng)證實,線粒體損傷和去極化能夠觸發(fā)線粒體自噬的激活,但是近來的一些研究發(fā)現(xiàn)激活的線粒體自噬也會加重線粒體的損傷和去極化。Mizumura等[16]為探討PINK1介導(dǎo)的線粒體自噬在體外CSE誘導(dǎo)的上皮細(xì)胞死亡中的作用,從PINK1-/-小鼠及其相應(yīng)的PINK1+/+小鼠分離出肺泡上皮細(xì)胞,經(jīng)CSE(20%)處理后,用乳酸脫氫酶測定細(xì)胞毒性,發(fā)現(xiàn)與PINK1+/+細(xì)胞相比,PINK1-/-細(xì)胞對CSE誘導(dǎo)的細(xì)胞毒性具有抵抗力。以上結(jié)果表明,PINK1介導(dǎo)的線粒體自噬對CSE誘導(dǎo)的細(xì)胞死亡具有促進(jìn)作用。另外,PINK1、受體交互蛋白激酶3和Drp1在COPD肺組織中的表達(dá)增加進(jìn)一步支持了線粒體自噬依賴的細(xì)胞凋亡是COPD發(fā)病的原因之一[16]。進(jìn)一步使用線粒體自噬抑制劑Mdivi-1作用于肺泡上皮細(xì)胞,發(fā)現(xiàn)細(xì)胞凋亡受到抑制,肺功能得到緩解[16]?？梢?在體外模型實驗中,線粒體自噬在COPD發(fā)病過程中既有保護(hù)作用,又有損傷作用,造成這一矛盾現(xiàn)象的原因可能與實驗時采用的CSE的濃度差異有關(guān)。

2 線粒體自噬的調(diào)控通路

2.1 PINK1-PARK2 PINK1-PARK2是膜去極化線粒體清除的主要通路。PINK1是線粒體絲氨酸/蘇氨酸激酶,在正常線粒體中,PINK1含量較低,多數(shù)被電壓依賴的蛋白酶降解,一旦線粒體受損,線粒體膜去極化,電壓依賴的蛋白酶活性受到抑制,膜上的PINK1迅速積累,后招募E3泛素連接酶PARK2進(jìn)入線粒體,同時介導(dǎo)線粒體底物泛素化,包括Bcl-2、線粒體融合蛋白,與受體蛋白p62/sequestosome-1結(jié)合,能夠識別噬菌體上泛素化的底物和LC3,最后,噬菌體在LC3介導(dǎo)下包裹受損線粒體,形成自噬體[17,23]。

PINK1是本通路的上游信號,其積累主要依賴線粒體損傷所致的膜電位降低[23],同樣,輕度升高的PINK1水平可能一定程度上反映了線粒體損傷[7,24]。Araya等[7]發(fā)現(xiàn)PARK2在COPD患者肺組織中表達(dá)降低,導(dǎo)致線粒體自噬不充分,這可能是COPD發(fā)病機制中的重要部分。PINK1的積累能夠招募PARK2,卻并不依賴于PARK2的表達(dá)。大量的體外實驗表明,在PINK1表達(dá)降低的情況下,PARK2過表達(dá)也足以誘導(dǎo)CSE暴露時的線粒體自噬,導(dǎo)致線粒體ROS產(chǎn)生增加和細(xì)胞衰老,相反,PINK1過表達(dá)卻不能恢復(fù)PARK2基因敲除引起的線粒體自噬功能受損[7]。因此,PARK2蛋白表達(dá)水平作為PINK1-PARK2通路的下游信號,是該通路介導(dǎo)的線粒體自噬的限速因子。以上結(jié)果表明,PINK1、PARK2作為線粒體自噬的關(guān)鍵調(diào)控點,在COPD發(fā)病中起關(guān)鍵作用,這一發(fā)現(xiàn)將成為COPD新的治療靶點。

2.2 Nix蛋白 Nix最初被認(rèn)為是Bcl-2家族中僅有BH3結(jié)構(gòu)域的促凋亡蛋白,作為PARK2的底物,可驅(qū)動PARK2介導(dǎo)的線粒體自噬,是線粒體選擇性清除所必需的[25]。事實上,Nix定位于線粒體外膜,通過調(diào)節(jié)線粒體外膜透性誘導(dǎo)線粒體自噬引發(fā)細(xì)胞死亡[26]。該蛋白主要通過驅(qū)動線粒體自噬和細(xì)胞死亡確保紅細(xì)胞成熟過程中的線粒體質(zhì)量。在視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞和巨噬細(xì)胞的分化中也存在Nix介導(dǎo)的線粒體自噬[26]。然而,人們對于Nix在COPD發(fā)展過程中氣道上皮細(xì)胞損傷中的作用依然知之甚少。有研究表明,CSE能增加氣道上皮細(xì)胞Nix蛋白的表達(dá),從而誘導(dǎo)線粒體自噬,引起細(xì)胞死亡[27]。當(dāng)氣道上皮細(xì)胞被7.5%的CSE刺激時,Nix的過表達(dá)誘導(dǎo)線粒體自噬,加重線粒體功能障礙和細(xì)胞損傷。相反,Nix-siRNA能夠明顯抑制7.5%的CSE刺激氣道上皮細(xì)胞引起的線粒體自噬,減輕線粒體功能障礙和細(xì)胞損傷[27]。然而,Nix介導(dǎo)的線粒體自噬的機制尚不清楚,主要有3種假說模型,(1)Nix觸發(fā)線粒體去極化,進(jìn)而導(dǎo)致線粒體自噬和清除;(2)Nix具有一種新的功能,即獨立于觸發(fā)線粒體去極化能力的自噬成分;(3)Nix可以與Beclin-1競爭結(jié)合Bcl-2或Bcl-XL,從而增加細(xì)胞液中的游離Beclin-1,進(jìn)一步促進(jìn)自噬通量[27]。Nix作為介導(dǎo)線粒體自噬的重要受體蛋白,與PINK1、PARK2一致,可以作為COPD治療的新的研究方向。

2.3 Drp1 線粒體是一個存在動態(tài)變化的細(xì)胞器,通過融合過程進(jìn)行結(jié)合,同時通過裂變過程進(jìn)行分裂。線粒體融合由外膜線粒體融合蛋白1、融合蛋白2和內(nèi)膜視神經(jīng)萎縮蛋白介導(dǎo),而Drp1、線粒體分離因子、線粒體分離蛋白1則通過與外膜蛋白結(jié)合參與線粒體的分裂[28]。線粒體分裂是線粒體自噬起始的必要條件,Drp1作為線粒體分裂的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子,對線粒體自噬的觸發(fā)至關(guān)重要。目前為止,Drp1在COPD中的作用尚不明確。有證據(jù)表明,Drp1依賴的線粒體自噬可以作為細(xì)胞凋亡的上游調(diào)節(jié)因子,抑制Drp1可部分阻止固有凋亡[29]。Zhao等[29]進(jìn)一步證實了這一理論,Drp1能夠刺激促凋亡蛋白Bax寡聚和細(xì)胞色素C釋放,這是線粒體外膜通透性增加和凋亡因子釋放的必要條件。以上結(jié)果表明,Drp1通過細(xì)胞凋亡和線粒體自噬參與COPD的發(fā)病過程,抑制Drp1有望作為治療COPD的新途徑。

2.4 其他重要蛋白 核纖層蛋白B1可以通過激活雷帕霉素靶點信號通路,觸發(fā)線粒體自噬,加速細(xì)胞衰老[30]。黏液蛋白5AC能夠通過介導(dǎo)自噬-JNK-AP-1級聯(lián)通路,參與CSE誘導(dǎo)的黏液產(chǎn)生[31]。FUNDC1是一種完整的線粒體外膜蛋白,是缺氧誘導(dǎo)的線粒體自噬的受體,該蛋白通過與LC3的相互作用觸發(fā)線粒體自噬[13]。

3 線粒體自噬抑制劑

3.1 線粒體分裂抑制劑-1(mitochondrial division inhibitor 1,Mdivi-1) Mdivi-1是喹唑啉酮的衍生物,是Drp1的選擇性抑制劑[32]。Xu等[33]的研究的結(jié)果發(fā)現(xiàn),Mdivi-1抑制促凋亡蛋白Bax的表達(dá),同時上調(diào)抗凋亡蛋白Bcl-2的表達(dá),提示Mdivi-1具有抗凋亡作用。Mdivi-1治療還可減輕氧化應(yīng)激損傷及肺部炎癥反應(yīng)[33]。Mizumura等[16]使用Mdivi-1干預(yù)CSE誘導(dǎo)的肺上皮細(xì)胞損傷模型和煙草暴露誘導(dǎo)的小鼠COPD模型,發(fā)現(xiàn)CSE誘導(dǎo)的線粒體分裂減少,線粒體泛素化和線粒體自噬均被抑制,線粒體外膜去極化也一定程度上有所逆轉(zhuǎn),這一發(fā)現(xiàn)證明Mdivi-1也是線粒體自噬的抑制劑。由于過度的線粒體自噬可以通過促進(jìn)線粒體損傷參與COPD的發(fā)病過程,Mdivi-1作為線粒體自噬抑制劑,可能成為COPD的一種潛在治療方式。

3.2 蓮心堿 蓮心堿是一種主要的異喹啉生物堿,具有廣泛的生物活性,包括抗心律失常、抗高血壓、抗肺纖維化、舒張血管平滑肌等。最新研究發(fā)現(xiàn),蓮心堿通過抑制Ras相關(guān)蛋白7A招募至溶酶體,阻斷線粒體自噬體與溶酶體的融合,有望發(fā)展為一種新型線粒體自噬抑制劑并應(yīng)用于多種疾病的治療[34]。已有證據(jù)表明,蓮心堿通過阻斷線粒體自噬體與溶酶體的融合,增加線粒體自噬體的積累,從而誘導(dǎo)Drp1的去磷酸化和線粒體易位,加速經(jīng)典化療藥物阿霉素介導(dǎo)的細(xì)胞凋亡,進(jìn)而增強對體內(nèi)癌細(xì)胞生長的抑制,具有一定的協(xié)同抗癌作用[34]。同樣是線粒體抑制劑,與蓮心堿誘導(dǎo)Drp1去磷酸化和線粒體易位的作用相反,Mdivi-1選擇性抑制Drp1,不僅能夠拮抗蓮心堿的協(xié)同抗癌作用,還能在一定程度上治療COPD。因此,蓮心堿的具體作用可能與細(xì)胞類型、劑量、時間以及協(xié)同藥物相關(guān),其在COPD中的作用仍需進(jìn)一步研究。

3.3 羅氟司特 臨床研究表明,磷酸二酯酶4(phosphodiesterase4,PDE4)抑制劑羅氟司特具有治療效益,特別是對晚期炎癥占優(yōu)勢的COPD患者[35]。PDE是環(huán)磷酸腺苷或環(huán)磷酸鳥苷的特異性酶,廣泛分布于人類細(xì)胞中[35]。最近的研究發(fā)現(xiàn),羅氟司特能夠降低線粒體自噬調(diào)節(jié)蛋白Drp1和PINK1的表達(dá),表明羅氟斯特對CSE誘導(dǎo)的線粒體自噬依賴的細(xì)胞凋亡具有潛在治療作用[35]。

3.4 QUE CSE誘導(dǎo)支氣管上皮細(xì)胞進(jìn)行有絲分裂,導(dǎo)致細(xì)胞死亡,該過程不僅引起PINK-1和Drp1表達(dá)增加,同時還促進(jìn)凋亡相關(guān)蛋白caspase-3、caspase-8和caspase-9的表達(dá)[36]。實驗結(jié)果顯示,經(jīng)CSE處理的Beas-2B細(xì)胞,caspase-3活性顯著升高,而Drp1-siRNA則可使caspase-3活性降低[29]。最新研究發(fā)現(xiàn),QUE通過降低PINK1和Drp1等促分裂蛋白的表達(dá),抑制CSE誘導(dǎo)的線粒體功能障礙和線粒體自噬,減少支氣管上皮細(xì)胞的凋亡[37]。為探討QUE對CSE誘導(dǎo)的Beas-2B細(xì)胞凋亡的保護(hù)作用,Son等[37]檢測細(xì)胞毒性和細(xì)胞形態(tài)等凋亡指標(biāo),發(fā)現(xiàn)5μmol/L的QUE作用于Beas-2B細(xì)胞,乳酸脫氫酶釋放量明顯降低,提示5μmol/L的QUE對細(xì)胞凋亡的抑制作用最為顯著。由此可見,QUE可能是CSE所致肺部疾病的一種潛在的治療方法。

4 線粒體自噬增強劑

4.1 Urolithin A Urolithin A是一種新型的線粒體自噬增強劑,主要通過降低線粒體膜電位觸發(fā)線粒體自噬,具體作用機制與ROS的產(chǎn)生和線粒體呼吸鏈抑制無關(guān),仍需進(jìn)一步研究[38]。已有證據(jù)表明,Urolithin A對線粒體自噬的增強作用可以通過維持線粒體功能延長生命,且在一定范圍內(nèi)具有劑量反應(yīng)效應(yīng)[38]。此外,最新的研究發(fā)現(xiàn),在肌肉與小腸組織中,Urolithin A的線粒體自噬增強作用是保護(hù)性[38]。然而,Urolithin A在COPD中的具體作用尚不明確,其與細(xì)胞凋亡之間的關(guān)系也有待進(jìn)一步研究。

4.2 苦味受體激動劑 氣道重塑是COPD的常見病理特征,表現(xiàn)為氣道平滑肌結(jié)構(gòu)和功能改變,常造成嚴(yán)重的支氣管收縮?？辔妒荏w激動劑是臨床使用的新型支氣管擴張劑,主要通過上調(diào)Nix的表達(dá)和誘導(dǎo)Drp1介導(dǎo)的線粒體斷裂和線粒體功能障礙引發(fā)自噬,抑制氣道平滑肌細(xì)胞的增殖[26]。Nix是苦味受體激動劑作用機制的靶點,發(fā)揮關(guān)鍵的作用,招募Drp1至線粒體,使線粒體分裂和融合之間的平衡發(fā)生變化,分裂增加[27],從而誘導(dǎo)線粒體自噬。Nix表達(dá)陰性或Drp1抑制劑Mdivi-1均可抑制苦味受體激動劑誘導(dǎo)的線粒體分裂,逆轉(zhuǎn)線粒體膜電位,促進(jìn)氣道平滑肌細(xì)胞的增生[26]。苦味受體激動劑對COPD的病程進(jìn)展具有一定的抑制作用,但具體的劑量-效應(yīng)關(guān)系仍有待研究。

綜上所述,在COPD的病理生理過程中,激活的線粒體自噬可以延緩細(xì)胞衰老,也能通過誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡、增加ROS、損傷線粒體加重COPD,具體作用結(jié)果可能與細(xì)胞類型、損傷程度等相關(guān)。線粒體自噬抑制劑或增強劑作用于線粒體自噬的重要調(diào)控靶點,一定程度上具有抑制炎癥、改善肺功能等作用,但是,藥物選擇與劑量、具體作用和機制仍需進(jìn)一步研究。

利益沖突所有作者均聲明不存在利益沖突