謝丹，李婧媛，裴琴，萬雪，葉婷

西南醫(yī)科大學(xué)附屬醫(yī)院醫(yī)學(xué)檢驗部，四川瀘州 646000

線粒體自噬是一種選擇性清除功能異?；蚨嘤嗑€粒體的自噬分子機制。在細(xì)胞分化、線粒體活性氧(ROS)積累及低氧環(huán)境等刺激因素的作用下，細(xì)胞內(nèi)的線粒體可出現(xiàn)損傷或功能異常，導(dǎo)致線粒體發(fā)生去極化，被特異性地包裹進雙層膜結(jié)構(gòu)的自噬體中，通過與溶酶體融合將隔離起來的線粒體降解，從而維持細(xì)胞內(nèi)線粒體的質(zhì)量及功能穩(wěn)定，這對細(xì)胞的健康及穩(wěn)態(tài)至關(guān)重要[1-2]。線粒體自噬在細(xì)胞衰老、代謝性疾病、神經(jīng)變性疾病及惡性腫瘤中均表現(xiàn)出異常的功能狀態(tài)[3]。干細(xì)胞具有自我更新、多能性及分化能力，在生物體的整個成年過程中持續(xù)存在并可分化為體內(nèi)各種細(xì)胞，在個體發(fā)育、組織更新及疾病過程中均發(fā)揮重要作用[4-5]。線粒體自噬與干細(xì)胞的生物學(xué)特征密切相關(guān)。本文對線粒體自噬在多種正常干細(xì)胞[多能干細(xì)胞、造血干細(xì)胞(hematopoietic stem cells，HSCs)、間充質(zhì)干細(xì)胞(mesenchymal stem cells，MSCs)、神經(jīng)干細(xì)胞(neural stem cells，NSCs)、心臟干細(xì)胞]及腫瘤干細(xì)胞(cancer stem cells，CSCs)中的重要作用進行綜述，以期為進一步闡明干細(xì)胞的調(diào)控機制提供新的見解。

1 線粒體自噬的分子機制

線粒體自噬最初是由Kim等[6]通過電鏡觀察在哺乳動物細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)，線粒體被帶有自噬標(biāo)記物微管相關(guān)蛋白輕鏈3(LC3)的囊泡包裹，形成自噬體后被降解。在不同的內(nèi)外界因素刺激下，線粒體自噬存在不同的分子機制，主要包括PTEN誘導(dǎo)激酶1(PINK1)/帕金森幼年病蛋白2(Parkin)通路介導(dǎo)的泛素相關(guān)的線粒體自噬，以及低氧誘導(dǎo)的線粒體自噬受體蛋白BCL2/B腺病毒E1B相互作用蛋白3(BNIP3)、NIP3樣蛋白X(NIP3-like protein X，NIX，又稱BNIP3L)及含F(xiàn)UN14域蛋白1(FUNDC1)介導(dǎo)的線粒體自噬[7](圖1)。

圖1 線粒體自噬的分子機制Fig.1 The molecular mechanism of mitophagy

1.1 PINK1/Parkin通路介導(dǎo)的線粒體自噬 PINK1/Parkin通路介導(dǎo)的線粒體自噬是受損線粒體清除的主要機制，為通過泛素化標(biāo)記線粒體外膜蛋白，使受損線粒體被自噬體識別并吞噬的過程[7]。研究顯示，PINK1是一種絲氨酸/蘇氨酸激酶，通過激活E3泛素連接酶Parkin發(fā)揮作用[8]。在正常的線粒體中，PINK1通過易位至線粒體內(nèi)膜而被降解，因此無法啟動線粒體自噬；當(dāng)線粒體受損、膜電位下降時，PINK1特異性聚集在去極化的線粒體外膜上，隨后發(fā)生磷酸化，激活Parkin的E3連接酶，并招募泛素(Ub)至線粒體外膜上，以泛素化的形式標(biāo)記受損線粒體，并被自噬銜接蛋白(如SQSTM1/p62、OPTN及NDP52)所識別[7-9]。自噬銜接蛋白靶向受損的線粒體后，通過與LC3/GABARAP家族成員結(jié)合將線粒體包裹入自噬體，隨后自噬體與溶酶體融合降解受損線粒體，最終完成線粒體的自噬過程[9]。

1.2 低氧誘導(dǎo)的線粒體自噬 低氧誘導(dǎo)的線粒體自噬包括BNIP3、NIX/BNIP3L 及FUNDC1介導(dǎo)的線粒體自噬。BNIP3與NIX/BNIP3L有56%的同源序列，是含有非典型BH3結(jié)構(gòu)域的B淋巴細(xì)胞瘤-2(Bcl-2)家族促凋亡蛋白，可作為LC3的受體蛋白[10]。BNIP3與NIX/BNIP3L在C端均具有跨膜結(jié)構(gòu)域，可靶向線粒體外膜，而N端包含LC3相互作用區(qū)(LIR)，可與LC3/GABARAP結(jié)合，將線粒體連接到自噬體上，從而啟動線粒體自噬[7,10]。有研究表明，BNIP3及NIX/BNIP3L是低氧誘導(dǎo)因子-1α(HIF-1α)的下游靶點[11]，在低氧環(huán)境下，HIF-1α被激活并在轉(zhuǎn)錄水平上調(diào)BNIP3及NIX/BNIP3L的表達(dá)，增多的BNIP3及NIX/BNIP3L蛋白可誘導(dǎo)線粒體自噬的發(fā)生[11]。FUNDC1是一種新型的線粒體外膜蛋白，其N端的保守LIR序列可與LC3相結(jié)合，從而介導(dǎo)缺氧誘導(dǎo)的線粒體自噬[12]。研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)UNDC1的多位點磷酸化及去磷酸化是其作為線粒體自噬受體被特異識別的關(guān)鍵[13]。在低氧時，F(xiàn)UNDC1的Tyr18、Ser13及Ser17位點從磷酸化變?yōu)槿チ姿峄癄顟B(tài)，可促進FUNDC1與LC3的相互作用，從而誘導(dǎo)線粒體自噬的發(fā)生[13-14]。

2 線粒體自噬在干細(xì)胞中的作用

線粒體自噬在多能干細(xì)胞、各種組織干細(xì)胞及CSCs中均發(fā)揮重要作用，除了能維持干細(xì)胞多能性及自我更新的特性外，還涉及多種干細(xì)胞的分化調(diào)控及干細(xì)胞樣特征的獲得；此外，在神經(jīng)性疾病的干細(xì)胞中，線粒體自噬也表現(xiàn)出功能異常(圖2)。

圖2 線粒體自噬在干細(xì)胞中的調(diào)控機制Fig.2 The regulatory mechanism of mitophagy in stem cells

2.1 線粒體自噬與多能干細(xì)胞 多能干細(xì)胞包括胚胎干細(xì)胞(embryonic stem cells，ESCs)及誘導(dǎo)性多能干細(xì)胞(induced pluripotent stem cells，iPSCs)。ESCs是存在于早期胚胎中的多能干細(xì)胞，具有自我更新、多能性及分化潛力[15-16]。研究發(fā)現(xiàn)，線粒體自噬通過清除多余及異常的線粒體以保證ESCs中的線粒體數(shù)量及功能穩(wěn)定，有利于ESCs的自我更新[15]。在自噬相關(guān)蛋白3(Atg3)缺失的小鼠胚胎干細(xì)胞(mESCs)中，線粒體清除受到抑制，導(dǎo)致mESCs中線粒體積累，并伴隨ROS產(chǎn)生增多及ATP生成減少，從而抑制mESC的自我更新[17]。此外，在ESCs分化過程中，Atg3介導(dǎo)的線粒體自噬參與了線粒體質(zhì)量重塑，以及ESCs多能性及分化的調(diào)節(jié)。Liu等[17]利用Atg3缺失的ESCs進行胚胎體分化測定發(fā)現(xiàn)，在胚胎體分化過程中，Atg3缺失降低了線粒體質(zhì)量及多能性基因的表達(dá)，導(dǎo)致ESCs的多能性受損及胚胎體分化異常。還有研究表明，來自大腦和肌肉ARNT樣1(BMAL1)缺陷的人ESCs通過抑制BNIP3介導(dǎo)的線粒體自噬導(dǎo)致線粒體功能障礙，從而造成ESCs分化的心肌細(xì)胞功能受損，即線粒體自噬的缺失可以導(dǎo)致ESCs分化障礙[18]。此外，在ESCs發(fā)育過程中，NIX介導(dǎo)的線粒體自噬是ESCs正常分化為成熟紅細(xì)胞所必需的[19]。在mESCs中敲除NIX后，由mESCs發(fā)育而來的小鼠表現(xiàn)為網(wǎng)織紅細(xì)胞線粒體清除率較低及成熟紅細(xì)胞減少，造成NIX缺失小鼠貧血。

分化成熟的體細(xì)胞可重編程為iPSCs，在獲得多能性的過程中，必須進行特定的線粒體重塑，以滿足多能態(tài)的能量及代謝合成要求[20]。而線粒體自噬可通過降解iPSCs生成過程中的多余線粒體，調(diào)節(jié)線粒體的能量代謝轉(zhuǎn)變，最終促進成熟體細(xì)胞重編程為iPSCs。研究表明，PINK1-/-iPSCs的糖酵解作用及胚胎干細(xì)胞樣代謝能力明顯低于PINK1+/+iPSCs，表明PINK1介導(dǎo)的線粒體自噬在iPSCs的能量代謝中發(fā)揮重要作用[21]。PINK1介導(dǎo)的線粒體自噬缺失可損害iPSC衍生過程中從成熟體細(xì)胞向多能干細(xì)胞能量代謝轉(zhuǎn)化的能力，從而明顯降低了成熟體細(xì)胞重編程為iPSCs的速度及效率[21]。此外，在SKP/SKO(Sox2、Klf4、Pou5f1/Oct4)誘導(dǎo)的成熟體細(xì)胞重編程過程中，BNIP3L介導(dǎo)的線粒體自噬上調(diào)導(dǎo)致線粒體質(zhì)量降低，從而促進了iPSCs多能性的獲得[22]。以上研究結(jié)果表明，在成熟體細(xì)胞重編程為iPSCs的過程中，線粒體自噬對線粒體能量代謝及質(zhì)量的控制是調(diào)節(jié)成熟體細(xì)胞重編程的效率及iPSCs多能性獲得的關(guān)鍵機制之一。

線粒體自噬在多能干細(xì)胞中發(fā)揮著不可或缺的作用[18]，可通過重塑線粒體網(wǎng)絡(luò)(包括減少線粒體數(shù)量、調(diào)節(jié)線粒體質(zhì)量及功能、改變線粒體能量代謝)使線粒體處于低活性及相對不成熟的狀態(tài)，從而有利于多能干細(xì)胞的自我更新、分化潛能以及多能性的維持及獲得。但PINK1/Parkin及FUNDC1介導(dǎo)的線粒體自噬在ESCs中的作用機制尚未見相關(guān)研究，因此，要明確地將線粒體自噬定義為多能干細(xì)胞生物學(xué)特征的調(diào)節(jié)機制，尚需要更多的證據(jù)，以證實線粒體自噬是維持及獲得多能干細(xì)胞生物學(xué)特性所必需的。

2.2 線粒體自噬與HSCs 線粒體自噬與HSCs的自我更新及分化密切相關(guān)。生理狀態(tài)下，大多數(shù)HSCs的能量代謝以糖酵解為主，這對于維持HSCs的自我更新至關(guān)重要[23]。Ho等[24]發(fā)現(xiàn)，HSCs中自噬的喪失會導(dǎo)致線粒體積累及氧化代謝激活，從而損害HSCs的自我更新及再生潛力。而線粒體自噬通過減少線粒體質(zhì)量限制了氧化代謝，使HSCs處于低水平的氧化代謝及高糖酵解狀態(tài)，從而維持HSCs的自我更新[23-24]。HSCs的自我更新依賴于線粒體清除，在TEK受體酪氨酸激酶(Tie2+)HSCs中，PINK1表達(dá)上調(diào)增加了線粒體自噬，使受損的線粒體更容易被清除，從而促進了Tie2+HSCs的自我更新[25]。此外，在具有長期自我更新能力的HSCs中，線粒體的活性及質(zhì)量均較低，用解偶聯(lián)劑誘導(dǎo)線粒體自噬后，可促進HSCs的自我更新[26]。其他研究還發(fā)現(xiàn)，O-連接的N-乙酰氨基葡萄糖轉(zhuǎn)移酶(OGT)可通過PINK1依賴性線粒體自噬確保線粒體質(zhì)量穩(wěn)定，從而嚴(yán)格調(diào)節(jié)HSCs的自我更新及應(yīng)激反應(yīng)[27]。轉(zhuǎn)化生長因子-β1(TGF-β1)可通過增強NIX/BNIP3L介導(dǎo)的線粒體自噬加速并增強HSCs在體外分化為紅細(xì)胞[28]。上述研究提示，在HSCs中，PINK1介導(dǎo)的線粒體自噬可通過清除多余的線粒體而降低線粒體的質(zhì)量及活性，并將細(xì)胞代謝重編程為糖酵解，從而促進HSCs的自我更新，而NIX/BNIP3L介導(dǎo)的線粒體自噬增強可能有助于HSCs的分化。目前，關(guān)于FUNDC1介導(dǎo)的線粒體自噬在HSCs中的潛在作用尚未明確，這也是未來研究的方向之一。

2.3 線粒體自噬與MSCs MSCs是最初從人類骨髓中分離出來的一類多樣化的多能前體細(xì)胞，能夠分化為間充質(zhì)細(xì)胞譜系，包括脂肪、骨骼、軟骨及肌肉[29]。有研究發(fā)現(xiàn)，線粒體自噬可促進骨髓來源間充質(zhì)干細(xì)胞(bone marrow-derived mesenchymal stem cells，BMSCs)的干性特征，大鼠BMSCs中的線粒體裂變可誘導(dǎo)線粒體自噬增強，從而上調(diào)干細(xì)胞標(biāo)志物Oct4及Sox2的表達(dá)，促進BMSCs的干性[30]。此外，誘導(dǎo)線粒體自噬增強可能在保護BMSCs免受氧化應(yīng)激引起的凋亡中起關(guān)鍵作用。據(jù)報道，BMSCs在受到H2O2刺激的后期，其線粒體自噬能力降低，而細(xì)胞凋亡增加，這表明H2O2處理通過抑制線粒體自噬促進了細(xì)胞凋亡[31]。目前BMSCs移植已被用于治療多種疾病，而線粒體自噬則有利于移植治療過程中BMSCs的存活。例如，在BMSCs移植治療股骨頭壞死后，受到氧化應(yīng)激的刺激，BMSCs中P53表達(dá)上調(diào)并與Parkin相互作用，抑制Parkin的線粒體易位及E3泛素連接酶的激活，導(dǎo)致線粒體自噬減少，線粒體清除受阻，從而增加了氧化應(yīng)激誘導(dǎo)的BMSCs凋亡及衰老[32]。以上研究表明，線粒體自噬在促進MSCs干性及MSCs免受氧化應(yīng)激損傷中均發(fā)揮了重要作用，有利于提高MSCs移植治療的效率。但目前的研究較少，不足以確定線粒體自噬對MSCs移植治療有明顯益處，因此尚需進一步深入研究，以為臨床輔助MSCs移植治療提供新策略。

2.4 線粒體自噬與NSCs 有研究證實，PINK及PARK2(編碼Parkin)基因在早發(fā)性遺傳性帕金森病中發(fā)生了突變[33]，因此，PINK1/Parkin介導(dǎo)的線粒體自噬在NSCs的正常發(fā)育中尤為重要。最近的研究發(fā)現(xiàn)，攜帶LRRK2-G2019S突變的帕金森病患者特定的人類神經(jīng)上皮干細(xì)胞(neuroepithelial stem cells，NESCs)中表現(xiàn)出異常的線粒體形態(tài)及功能，如線粒體易碎、更易釋放ROS、膜電位降低及線粒體清除率降低，最終可導(dǎo)致帕金森患者后期惡性進展[34]。另一方面，線粒體自噬增強可促進海馬NSCs的自噬依賴性細(xì)胞死亡。在成年大鼠海馬神經(jīng)干細(xì)胞中，通過無胰島素培養(yǎng)增加去極化線粒體的數(shù)量后，可上調(diào)Parkin的表達(dá)水平，導(dǎo)致線粒體過度自噬，最終在海馬神經(jīng)干細(xì)胞中誘導(dǎo)了自噬依賴性細(xì)胞死亡[35]。此外，胰島素信號受損導(dǎo)致的過度線粒體自噬可能與海馬區(qū)缺陷引起的各種神經(jīng)退行性疾病有關(guān)[35]。上述研究結(jié)果提示，神經(jīng)系統(tǒng)疾病中的NSCs表現(xiàn)出線粒體自噬功能異常，可使疾病向惡性發(fā)展，而線粒體自噬對調(diào)節(jié)NSCs的自我更新及向其他神經(jīng)元的分化有潛在促進作用，但目前少有相關(guān)研究，值得進一步深入探討。

2.5 線粒體自噬與心臟干細(xì)胞 線粒體自噬可通過調(diào)節(jié)線粒體的數(shù)量及形態(tài)變化，促進心臟干細(xì)胞的分化。在心臟祖細(xì)胞分化過程中，BNIP3L及FUNDC1明顯上調(diào)，并迅速誘導(dǎo)線粒體自噬，促進分化過程中的功能性線粒體增多[36]。破壞BNIP3L及FUNDC1介導(dǎo)的線粒體自噬可引起線粒體裂變，形成“甜甜圈樣”線粒體，其功能明顯降低，導(dǎo)致心臟祖細(xì)胞對死亡信號的敏感性增加[36]。已有研究顯示，線粒體的氧化代謝是心臟干細(xì)胞分化所必需的[37]。由此可見，在心臟干細(xì)胞分化過程中，線粒體自噬可調(diào)控線粒體的數(shù)量、形態(tài)及能量代謝，有助于分化的細(xì)胞形成數(shù)量多、形態(tài)穩(wěn)定及功能成熟的線粒體，以適應(yīng)終末分化細(xì)胞的需求。但目前仍不清楚心臟干細(xì)胞分化時線粒體自噬是如何調(diào)節(jié)線粒體代謝變化的。

2.6 線粒體自噬與CSCs CSCs又叫腫瘤起始細(xì)胞，是具有自我更新及分化潛能的一小部分腫瘤細(xì)胞，并在腫瘤進展過程中表現(xiàn)出高度侵襲性及耐藥性[38-39]。最新研究發(fā)現(xiàn)，缺氧觸發(fā)的線粒體自噬可能是CSCs在低氧環(huán)境中存活的機制。Jung等[40]對膠質(zhì)母細(xì)胞瘤干細(xì)胞(GSCs)的研究發(fā)現(xiàn)，膠質(zhì)母細(xì)胞瘤缺氧區(qū)域中線粒體NIX表達(dá)增強，并優(yōu)先在GSCs中表達(dá)。NIX介導(dǎo)的線粒體自噬被HIF/低氧應(yīng)激反應(yīng)及NFE2L2/氧化應(yīng)激激活，增強了GSCs在低氧環(huán)境下的存活能力，而沉默NIX可破壞線粒體自噬，導(dǎo)致GSCs在體內(nèi)外的存活受到抑制，從而抑制腫瘤的發(fā)生[40]。此研究還提出一種新見解，即靶向NIX可優(yōu)先消除GSCs，NIX可能提供一種靶向治療缺氧性膠質(zhì)母細(xì)胞瘤的新策略[40]。已有研究表明，缺氧反應(yīng)性的miR-137可通過靶向FUNDC1及NIX而明顯抑制缺氧誘導(dǎo)的線粒體自噬[41]。在低氧條件下，乳腺癌干細(xì)胞(BCSCs)中miR-137表達(dá)下調(diào)，可明顯降低miR-137對FUNDC1的靶向作用，導(dǎo)致線粒體自噬增強，從而降解異常線粒體，避免了ROS的積累，最終抑制了細(xì)胞凋亡，并促進了BCSCs的存活[41-42]。值得注意的是，實體瘤通常在低氧環(huán)境中生長，這有助于線粒體自噬增強及CSCs的存活。因此，有必要進一步研究線粒體自噬對不同CSCs在低氧條件下生存的影響，為根治腫瘤提供新的策略。

CSCs具有高度的可塑性，在癌癥進展中，普通的腫瘤細(xì)胞可以去分化獲得干性特征，從而轉(zhuǎn)變?yōu)镃SCs[43]。線粒體自噬可促進腫瘤細(xì)胞干性的獲得。在肝癌中，乙肝病毒x蛋白(HBx)表達(dá)增加了BNIP3L依賴性線粒體自噬，導(dǎo)致糖酵解代謝重編程，從而促進肝癌細(xì)胞的干性，因此，BNIP3L可作為肝癌CSCs相關(guān)的潛在治療靶標(biāo)[44]。同樣在肝癌中，線粒體自噬增強還可通過激活Nanog同源盒(NANOG)的表達(dá)促進肝癌CSCs的生成。NANOG是維持CSCs干性及自我更新能力至關(guān)重要的轉(zhuǎn)錄因子，當(dāng)PINK1介導(dǎo)的線粒體自噬被抑制時，在線粒體膜上的PINK1使p53絲氨酸392磷酸化，p53易位至細(xì)胞核，從而抑制NANOG啟動子的激活，導(dǎo)致肝癌CSCs種群減少[45]。還有研究發(fā)現(xiàn)，Parkin介導(dǎo)的線粒體自噬可通過促進上皮間質(zhì)轉(zhuǎn)化(EMT)而促進CSCs樣特征的獲得[46]。在EMT介導(dǎo)的CD44+食管鱗狀細(xì)胞癌細(xì)胞中，可檢測到線粒體片段化、Parkin向線粒體易位及線粒體含量降低，反過來，Parkin依賴性線粒體自噬的抑制可導(dǎo)致干細(xì)胞標(biāo)記CD44表達(dá)的喪失[46]。

線粒體自噬在CSCs耐藥中也發(fā)揮著重要作用。耐順鉑的口腔癌FaDu細(xì)胞具有干細(xì)胞樣特征，并表現(xiàn)出線粒體自噬增強，CD44及相關(guān)耐藥蛋白ABCB1、ADAM17的表達(dá)水平升高，而抑制線粒體自噬，降低CD44、ABCB1及ADAM17的表達(dá)，則可導(dǎo)致細(xì)胞耐藥性喪失[47]。另一項研究也報道了類似的結(jié)果，BNIP3L介導(dǎo)的線粒體自噬可賦予CSCs耐藥性，在CD133+/CD44+的HCT8結(jié)直腸癌干細(xì)胞中，BNIP3L沉默明顯降低了線粒體自噬，并增強了CSC對阿霉素的敏感性[48]。

以上研究結(jié)果表明，線粒體自噬在CSCs的存活、干性獲得及維持、代謝轉(zhuǎn)變及耐藥性中均發(fā)揮著積極作用，提示線粒體自噬相關(guān)蛋白可作為干擾CSCs的潛在治療靶標(biāo)。

3 總結(jié)及展望

線粒體自噬能調(diào)節(jié)干細(xì)胞的線粒體質(zhì)量、功能、形態(tài)及代謝重編程，從而在維持干細(xì)胞自我更新、分化、多能性及干性獲得中發(fā)揮重要作用。目前，線粒體自噬在干細(xì)胞中的作用研究已取得突破性進展，但仍有很多機制尚未完全闡明，如：干細(xì)胞是否必須激活線粒體自噬機制以確保自我更新及分化功能；線粒體自噬是否通過賦予某些組織干細(xì)胞自我更新能力，從而有利于干細(xì)胞的治療策略；線粒體自噬是否能成為CSCs治療的潛在目標(biāo)等。未來的研究應(yīng)致力于線粒體自噬在干細(xì)胞治療策略中的作用，及其作為CSCs治療的潛在靶標(biāo)，以期為開發(fā)針對血液疾病、骨骼疾病、神經(jīng)疾病及某些癌癥的新治療措施提供依據(jù)。