張沛文 張醒醒 梁倫敏

(廣西師范大學體育與健康學院 廣西桂林 541000)

心臟是機體高負荷運載的“血泵”，需要源源不斷的動力維持心肌的舒張和收縮。心肌細胞中含有大量的線粒體，體積約占心肌細胞總體積的35%，以保證心肌細胞發(fā)揮正常的功能。線粒體作為心肌細胞的“動力車間”，對維持心臟的正常生理代謝和功能非常重要。線粒體自噬是線粒體維持生理活動的重要前提，線粒體自噬可以吞噬損傷或多余的線粒體，保障心肌完成每一次收縮和舒張。研究發(fā)現(xiàn)，心血管疾病的發(fā)生涉及線粒體多種異常動態(tài)反應，而運動可以提升線粒體數(shù)量和質(zhì)量［1］，調(diào)節(jié)線粒體網(wǎng)絡有序排列，誘導細胞內(nèi)線粒體自噬清除損傷線粒體，適應性重塑心肌細胞，增強心肌收縮功能。因此，運動可作為干預和改善心血管疾病發(fā)展進程的有力工具。

1 線粒體自噬概述

1.1 線粒體和線粒體自噬

線粒體是雙層膜結(jié)構(gòu)的重要供能細胞器。它以三磷酸腺苷（ATP）的形式為多數(shù)細胞生理過程供能，參與細胞增殖、應激反應、凋亡和穩(wěn)態(tài)等多種信號反應，被譽為真核細胞的“動力車間”。線粒體是不斷進行分裂、融合、降解、生物合成的動態(tài)細胞器，這些過程的有序進行對維持心肌正常的電生理活動至關(guān)重要。

線粒體自噬是高度保守，選擇性自我平衡的過程，受多種細胞因子調(diào)控［2］。細胞內(nèi)環(huán)境處于穩(wěn)態(tài)時，線粒體自噬及時完成異常線粒體的修復和清除，損傷的線粒體被自噬小體選擇性包裹后與溶酶體融合完成降解。當胞內(nèi)環(huán)境受到刺激發(fā)生氧化損傷時，線粒體自噬的功能穩(wěn)態(tài)水平被打破，線粒體自噬無法清除和修復異常的線粒體，異常線粒體的累積終會導致細胞變性或死亡以及疾病的發(fā)生。研究表明，線粒體自噬過低將導致功能障礙的線粒體在胞內(nèi)堆積，而線粒體自噬過度激活將導致線粒體數(shù)量過度減少。因此，線粒體自噬過低或過度激活都將導致能量供應失衡，影響細胞和器官功能。

1.2 線粒體動力學與線粒體自噬

線粒體在胞質(zhì)中處于分裂和融合的動態(tài)變化中，時刻保證線粒體的排列能滿足細胞的生理活動。融合蛋白（MFN1、MFN2）負責調(diào)節(jié)線粒體外膜的融合，而神經(jīng)萎縮蛋白1負責調(diào)節(jié)線粒體內(nèi)膜的融合。動力相關(guān)蛋白1、FIS1和線粒體分裂因子等主要調(diào)節(jié)線粒體的分裂過程［3］。線粒體生理的分裂調(diào)節(jié)將異常的線粒體分離后即被溶酶體包裹融解，避免其與功能正常的線粒體融合，保證功能正常的線粒體能順利完成融合和分裂，有效保障線粒體內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定。線粒體自噬還可以特異性識別并吞噬損傷或失調(diào)的線粒體，而線粒體動力學的動態(tài)平衡點則向著分裂和自噬增加的方向遷移。

2 線粒體自噬的調(diào)控機制

線粒體自噬的生理過程復雜多變，各通路之間絕非單一介導線粒體發(fā)生自噬?，F(xiàn)階段，介導線粒體自噬的通路依據(jù)是否泛素化劃分為兩類：一類是通過泛素化Parkin介導線粒體自噬的PINK1/Parkin信號通路；另一類是通過非泛素化（受體介導）途徑介導線粒體自噬的FUNDC1通路和BNIP3/NIX通路。

2.1 PINK1/Parkin信號通路

PINK1/Parkin 是經(jīng)典且重要的線粒體自噬調(diào)控途徑。PINK1 由線粒體外膜上的PTEN 誘導的絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶。PINK1 是線粒體膜電位變化的感受器，能精準感知線粒體受到的外界刺激。Parkin 是E3泛素的連接酶，其主要功能是誘導MFN1和MFN2。

細胞內(nèi)環(huán)境處于穩(wěn)態(tài)時，PINK1 通過線粒體轉(zhuǎn)移酶從線粒體外膜進入內(nèi)膜，隨即被早衰素相關(guān)菱形蛋白酶水解，故PINK1 在正常胞質(zhì)中的含量保持相對降低的水平，并不會引發(fā)線粒體自噬。線粒體受到外界應激時會發(fā)生缺氧等線粒體功能異常，線粒體外膜去極化的電位消失，PINK1 快速識別異常的線粒體并大量匯聚于線粒體外膜，PINK1 即可召集存在胞質(zhì)中的Parkin至損傷的線粒體外膜，促使線粒體啟動自噬修復或溶解受損的線粒體［4］。與此同時，PINK1在線粒體外膜的Ser65 位點處磷酸化Parkin，激活的Parikn 迅速在外膜上形成泛素鏈促使線粒體內(nèi)關(guān)鍵蛋白泛素化，被泛素化的蛋白底物與微管輕鏈蛋白3（LC3）、p62 連接后與自噬體結(jié)合，隨即自噬體包裹的異常線粒體被溶酶體吞噬并降解。

2.2 FUNDC1通路

FUN14 結(jié)構(gòu)域蛋白1（FUNDC1）定位于線粒體外膜上，其C 端位處線粒體外膜上，N 端位處細胞質(zhì)中。N 端結(jié)構(gòu)中的LIR 區(qū)域可與線粒體自噬標志蛋白LC3作用進而啟動線粒體自噬吞噬功能障礙的線粒體［5］。Tyr18和Ser13是FUNDC1啟動和抑制線粒體自噬的關(guān)鍵位點，在生理狀態(tài)下，LIR 區(qū)域內(nèi)的Tyr18 被活化的肉瘤家族基因激酶SRC 磷酸化，Ser13 則被肌酸激酶CK2 磷酸化，被磷酸化的FUNDC1 無法與LC3 結(jié)合，抑制線粒體自噬的發(fā)生。在細胞處于應激或缺氧的條件下，SRC 和CK2 失活變性導致Tyr18 和Ser13 迅速去磷酸化，F(xiàn)UNDC1 恢復與LC3 結(jié)合的功能，從而及時啟動線粒體自噬，清楚胞內(nèi)受損的線粒體，保證胞內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)定狀態(tài)［6］。除此之外，F(xiàn)UNDC1 可能參與PINK1/Parkin、BNIP3/NIX通路介導線粒體自噬的發(fā)生。

2.3 BNIP3/NIX通路

BNIP3 和NIX 是位于線粒體外膜上的B 細胞淋巴瘤家族同源蛋白，是促進細胞凋亡的重要調(diào)節(jié)蛋白，NIX又稱BNIP3L，二者僅包含BH-3結(jié)構(gòu)域。BNIP3和NIX 的氨基端位于LIR 區(qū)域，LIR 是與LC3 相互作用的關(guān)鍵靶點，BNIP3 和NIX 能和LC3 結(jié)合，從而介導線粒體自噬［7］。在已出現(xiàn)線粒體自噬的細胞中顯示，BNIP3和NIX 出現(xiàn)高表達的現(xiàn)象，在低氧或缺氧的應激下低氧誘導因子1 可激活BNIP3 和NIX，從而使得Bcl-2 與Beclin-1結(jié)合降低，胞內(nèi)游離的Beclin-1則可調(diào)節(jié)自噬相關(guān)蛋白5（ATG5），從而介導線粒體自噬保證線粒體完成細胞生理活動。除此之外，BNIP3 的高表達可抑制PINK1 的水解，而大量存留在線粒體外膜上的PINK1將誘導PINK1/Parkin通路啟動線粒體自噬。

3 運動介導線粒體自噬與心血管疾病

心血管疾病好發(fā)群體廣，發(fā)病率和致死率高，現(xiàn)已成為危害人類衛(wèi)生健康的主要因素。常見心血管疾病如高血壓、動脈粥樣硬化、缺血性心臟病、心力衰竭的發(fā)生與發(fā)展均與線粒體功能異常密切相關(guān)。運動是一種無藥物、無創(chuàng)傷的促進機體健康的手段，干預效果較醫(yī)療診治更加便捷和持久。運動作為刺激方式可以短暫使心肌缺血缺氧，誘發(fā)心肌產(chǎn)生內(nèi)源性的保護效應，減緩心血管疾病中出現(xiàn)的應激反應對心功能的不良影響。

3.1 高血壓

高血壓是以體循環(huán)動脈血壓增高為主要特征的常見多發(fā)病，病因尚不明確，相比于原發(fā)性高血壓，繼發(fā)性高血壓更多見且常伴有腦血管病、腎病等相關(guān)疾病。去乙?；?（SIRT3）是線粒體中的蛋白去乙酰酶，它可清除活性氧，間接促進線粒體自噬，抑制細胞凋亡。SIRT3通過干預并調(diào)控線粒體自噬水平影響血管生成。高蓓蕾等人［8］發(fā)現(xiàn)，小鼠心內(nèi)皮細胞中SIRT3高表達促進了PINK1/PARKIN 通過介導的線粒體自噬，改善線粒體功能障礙，恢復血管生成的能力。當前研究表明，運動可調(diào)節(jié)SIRT3，進而介導骨骼肌的線粒體自噬，推測運動可能通過SIRT3 介導心肌的線粒體自噬，改善血管生成環(huán)境，降低血管內(nèi)皮損傷程度，減緩高血壓病發(fā)展和惡化［9］。當前對線粒體自噬與高血壓的研究較少，但線粒體動力學、質(zhì)量控制系統(tǒng)如果出現(xiàn)障礙，心肌細胞缺乏能量供應，可能成為誘發(fā)高血壓病發(fā)的因素之一。

3.2 動脈粥樣硬化

動脈粥樣硬化（AS）是慢性炎癥疾病，其特征是心血管壁發(fā)生的病理生理變化，包括心血管內(nèi)皮和平滑肌細胞功能障礙、脂質(zhì)異常堆積等。許秋蓮等人［10］研究表明，當細胞自噬抑制后，AS 生成的斑塊中損傷的蛋白無法被及時溶解，這將促使炎癥體活化、激活凋亡信號。核受體亞家族4A組成員1（NR4A1）通過誘導氧化低密度脂蛋白（ox-LDL）來激活線粒體外膜上的Parkin，這將導致線粒體過度自噬，大量的線粒體被異常清理，促使血管內(nèi)皮細胞凋亡，加重AS 的發(fā)展。宋明蕭［11］通過建立9周耐力訓練的AS大鼠模型發(fā)現(xiàn)，主動脈血管內(nèi)皮細胞中PHB2、Parkin、LC3 表達升高，從而啟動線粒體自噬改善血管內(nèi)皮細胞功能，減緩AS的發(fā)展。BNIP3/NIX通路介導的線粒體自噬可使ox-LDL誘導內(nèi)皮細胞凋亡途徑受到抑制，進而阻止內(nèi)皮細胞的損傷［12］。因此，AS的發(fā)病機理與線粒體自噬關(guān)系極為密切，Parkin 的表達增加和ox-LDL 的表達抑制可減緩AS的發(fā)生和進展。

3.3 缺血性心臟病

缺血性心臟病是高發(fā)慢性疾病，其特征是心肌組織的供血不足時，心肌細胞缺血、缺氧，線粒體功能嚴重受損，心肌收縮所需的能量無法與冠狀動脈血供保持生理平衡，最終引發(fā)心肌梗塞甚至梗死?，F(xiàn)代臨床醫(yī)療手段可及時為冠狀動脈溶栓恢復血流供應，但恢復動脈血供后會誘發(fā)缺血再灌注（I/R）不可逆的損傷，缺血的心肌細胞將受到二次損傷。研究表明，運動能調(diào)節(jié)線粒體動力學失衡以及線粒體自噬功能異常狀態(tài)，改善線粒體質(zhì)量控制系統(tǒng)［13］。在小鼠I/R的模型研究中［14］，發(fā)現(xiàn)敲除PINK1 基因后的小鼠心肌梗死面積明顯大于正常小鼠，這表明PINK1 基因可能介導線粒體自噬發(fā)揮心肌保護作用。ZHOU等人［15］研究發(fā)現(xiàn)，I/R 后，CK2 含量水平的升高導致FUNDC1 被過度磷酸化，迫使FUNDC1不能與LC3結(jié)合啟動線粒體自噬，最終導致心肌細胞內(nèi)的線粒體功能受損，無法發(fā)揮心肌的生理功能。李宏玉等人［16］通過4周中等強度的運動預處理干預I/R 模型SD 大鼠發(fā)現(xiàn)，運動預處理組中大鼠心肌缺血區(qū)自噬標志蛋白LC3-1 高表達，Beclin1、LC3-2低表達，誘導自噬減輕心肌損傷，產(chǎn)生缺血預處理的心肌保護作用。除此之外，BNIP3、Nix的高表達出現(xiàn)在缺血缺氧的心肌中，這也說明其介導線粒體自噬來減輕I/R對機體的損傷。

3.4 心力衰竭

心力衰竭（HF）是心臟的收縮和（或）舒張功能不能將回心血泵出心臟，導致靜脈血液瘀滯和動脈系統(tǒng)供血不足，心血管循環(huán)系統(tǒng)紊亂引發(fā)心功能障礙的終末期。臨床研究發(fā)現(xiàn)，HF患者的心臟活檢中可觀察到自噬標志蛋白Beclin-1和LC3顯著高表達，心肌內(nèi)的線粒體質(zhì)量體積縮小、排列雜亂，線粒體體積含量百分數(shù)下降［17］。另有研究發(fā)現(xiàn)，HF 終末期的患者心肌中PINK1 含量顯著降低，而通過左心室輔助裝置減少心臟壓力后，Beclin-1 和LC3 的表達量有所下降，PINK1含量有上調(diào)的趨勢，故猜想HF可能與線粒體自噬或其他細胞器自噬相關(guān)聯(lián)［18］。小鼠HF模型中，隨著心臟壓力負荷的增大，線粒體自噬程度高度活化，改善線粒體質(zhì)量控制和動力學功能，為心肌補充損失的能量可適度延緩HF 的發(fā)展。Billia 等人［19］研究發(fā)現(xiàn)，PINK1 在維持心肌細胞的穩(wěn)態(tài)中具有促進作用，沉默PINK1 的小鼠氧化應激增強，伴隨著線粒體功能異常和HF的發(fā)展。線粒體自噬保護效應在HF早期被抑制，心肌細胞被大量破壞；HF終末期，線粒體自噬又被過度激活，線粒體大量流失導致心肌細胞功能失衡，加重HF病程的發(fā)展［20］。HF是各類心臟疾病發(fā)展的終晚期，臨床中具有極高的病發(fā)率和病死率，運動改善HF的調(diào)控機制主要來源于線粒體自噬與高血壓、動脈粥樣硬化、缺血性心臟病等疾病，病程減緩過程中需要線粒體自噬關(guān)鍵因子和蛋白的平衡與相互協(xié)作。因此，運動探究線粒體在心臟供能和自噬的具體機制中于靶向治療HF 具有現(xiàn)實指導意義。

4 結(jié)語

線粒體功能障礙致使心肌細胞內(nèi)環(huán)境紊亂，器官發(fā)生功能性損傷，進一步加重心血管疾病的發(fā)展，而線粒體自噬在高血壓、動脈粥樣硬化、缺血性心臟病和HF等心血管疾病發(fā)病機制中存在潛在的作用機制，其標志蛋白和調(diào)節(jié)因子在泛素化通路和受體介導通路中發(fā)揮著促進或抑制作用，這些途徑的調(diào)節(jié)方式揭示了臨床中治療心血管疾病的潛在通道或靶點，為開發(fā)新的診療方法和心肌保護策略提供了一定的科研基礎。運動是預防和改善心血管疾病的有效手段，如果能夠發(fā)掘運動介導線粒體自噬的關(guān)鍵靶點作用機制，以及何種運動強度能誘導線粒體適度自噬，這將為心血管疾病的干預手段提供新的研究思路和方法。