李開(kāi) 饒莉

(四川大學(xué)華西醫(yī)院心臟內(nèi)科，四川 成都 610041)

線粒體作為細(xì)胞的供能細(xì)胞器，以三磷酸腺苷(ATP)的形式為機(jī)體提供約90%的能量。線粒體自噬作為線粒體質(zhì)量控制的重要機(jī)制，在維持線粒體穩(wěn)態(tài)中發(fā)揮了重要作用。目前，許多疾病的發(fā)生和發(fā)展涉及到異常的線粒體自噬，而在心臟疾病中線粒體的作用則顯得更加重要。一方面，心肌細(xì)胞需要線粒體產(chǎn)生的能量來(lái)滿足其收縮功能；另一方面，線粒體自噬可吞噬異常線粒體，從而維持心肌細(xì)胞的正常功能。根據(jù)目前的研究報(bào)道，線粒體自噬參與了多種心臟疾病的發(fā)生和發(fā)展過(guò)程。現(xiàn)總結(jié)線粒體自噬的分子生物學(xué)過(guò)程及其參與心臟疾病的可能機(jī)制，以期為發(fā)現(xiàn)相關(guān)心臟疾病的發(fā)病機(jī)制及診療手段提供新思路。

1 自噬及線粒體自噬的概述

1.1 自噬

自噬是普遍存在于真核生物中的分子生物學(xué)過(guò)程。通過(guò)自噬，細(xì)胞可將胞質(zhì)中的代謝廢物及受損細(xì)胞器等轉(zhuǎn)運(yùn)至溶酶體或液泡消化水解，以維持細(xì)胞穩(wěn)態(tài)[1-3]。當(dāng)細(xì)胞處于如饑餓、生長(zhǎng)因子缺失及感染等應(yīng)激狀態(tài)時(shí)，自噬水平將會(huì)上調(diào)以維持細(xì)胞穩(wěn)態(tài)，若自噬過(guò)程受到干擾，則可能會(huì)導(dǎo)致炎癥、腫瘤、老化、神經(jīng)系統(tǒng)疾病、免疫系統(tǒng)疾病、骨骼肌以及心肌病變等疾病的發(fā)生[4]。

1.2 線粒體自噬

線粒體作為細(xì)胞的能量“供應(yīng)站”，通過(guò)電子傳遞鏈產(chǎn)生ATP的同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生活性氧，大量的活性氧可對(duì)線粒體DNA、線粒體膜以及線粒體蛋白造成氧化損傷[5]。當(dāng)異常線粒體不斷累積時(shí)可導(dǎo)致細(xì)胞死亡和多種疾病的發(fā)生。因此，線粒體質(zhì)量控制顯得尤為重要。線粒體自噬是指自噬小體選擇性地將受損線粒體包裹并運(yùn)輸至溶酶體水解的過(guò)程，該概念是在2005年首次由Lemasters提出[6-7]。線粒體自噬是線粒體質(zhì)量控制過(guò)程的重要環(huán)節(jié)，目前研究已發(fā)現(xiàn)多種蛋白及通路參與其中。

2 線粒體自噬在哺乳動(dòng)物中的分子生物學(xué)過(guò)程

2.1 PINK1-Parkin通路

線粒體自噬在哺乳動(dòng)物中的一個(gè)主要調(diào)控機(jī)制是PINK1-Parkin信號(hào)通路。PINK1是一種絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶，生理情況下，PINK1蛋白被線粒體轉(zhuǎn)位膜復(fù)合物轉(zhuǎn)運(yùn)至線粒體內(nèi)膜，隨后被基質(zhì)加工肽酶和早老素相關(guān)的菱形樣蛋白降解[8-9]。然而，當(dāng)線粒體膜電位發(fā)生去極化或其內(nèi)有錯(cuò)誤折疊蛋白堆積時(shí)，PINK1轉(zhuǎn)位過(guò)程被阻斷，PINK1在線粒體外膜自身磷酸化并募集胞質(zhì)中的Parkin蛋白至線粒體激活[9-10]。活化的Parkin蛋白通過(guò)泛素化線粒體外膜的蛋白從而募集自噬因子p62，p62可結(jié)合自噬小體膜上的微管相關(guān)蛋白1輕鏈3(LC3)，促進(jìn)線粒體包裹進(jìn)自噬小體并水解，完成線粒體自噬[8，11]。

2.2 NIX蛋白在線粒體自噬中的作用

NIX蛋白(又稱Bcl-2/腺病毒E1B 19 000相互作用蛋白3類似物)位于線粒體外膜，含有Bcl-2同源結(jié)構(gòu)域3，與細(xì)胞凋亡相關(guān)[12]。有研究[13]顯示在紅細(xì)胞成熟分化過(guò)程中，網(wǎng)織紅細(xì)胞會(huì)選擇性地清除某些細(xì)胞器，如線粒體和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)等。然而，在NIX基因敲除小鼠模型中，網(wǎng)織紅細(xì)胞中線粒體清除過(guò)程受阻，而對(duì)NIX基因缺失的紅細(xì)胞模型應(yīng)用線粒體解偶聯(lián)劑或Bcl-2同源結(jié)構(gòu)域3類似物時(shí)，可引起線粒體膜電位去極化并促進(jìn)線粒體自噬，說(shuō)明NIX蛋白可能通過(guò)影響線粒體膜電位而介導(dǎo)線粒體自噬的發(fā)生[14]。此外，NIX蛋白還可能通過(guò)與LC3結(jié)合或促進(jìn)活性氧產(chǎn)生來(lái)誘導(dǎo)線粒體自噬的發(fā)生[15-16]。

2.3 FUN14結(jié)構(gòu)域包含蛋白-1在線粒體自噬中的作用

FUN14結(jié)構(gòu)域包含蛋白-1(FUNDC1)位于線粒體外膜，過(guò)表達(dá)FUNDC1可在多種細(xì)胞中誘導(dǎo)線粒體自噬[17]。研究顯示，生理?xiàng)l件下，F(xiàn)UNDC1正常表達(dá)并且持續(xù)地被Src酪氨酸蛋白激酶磷酸化，而缺氧條件下Src酪氨酸蛋白激酶的活性被抑制，導(dǎo)致磷酸化的FUNDC1的酪氨酸殘基18去磷酸化[18]。除此之外，位于線粒體的磷酸甘油酸變位酶5也可直接去磷酸化FUNDC1的絲氨酸殘基(Ser)13[19]。酪氨酸殘基18和Ser13去磷酸化可促進(jìn)FUNDC1與LC3穩(wěn)定結(jié)合，從而啟動(dòng)線粒體自噬。

2.4 其他機(jī)制

除了上述機(jī)制外，位于線粒體內(nèi)膜上的心磷脂易位至線粒體外膜并與LC3結(jié)合的過(guò)程被認(rèn)為是啟動(dòng)線粒體自噬的信號(hào)[20]。此外，Unc-51樣激酶1蛋白、Smad泛素調(diào)節(jié)因子1以及高遷移率族蛋白B1等分子也被報(bào)道參與線粒體自噬[21-23]。

3 線粒體自噬在心臟疾病中的作用

心肌細(xì)胞中含有豐富的線粒體(約占細(xì)胞體積的35%)為心臟供能。維持線粒體的正常穩(wěn)態(tài)對(duì)心肌發(fā)揮正常收縮功能尤為重要。目前，越來(lái)越多的研究表明線粒體自噬異?？赡軈⑴c多種心臟疾病的發(fā)生和發(fā)展過(guò)程。

3.1 線粒體自噬在心肌病中的作用

PINK1-Parkin通路作為線粒體自噬中的重要環(huán)節(jié)，在心肌病的發(fā)生和發(fā)展中具有一定作用。Billia等[24]的研究表明，條件性PINK1基因敲除在2月齡小鼠中出現(xiàn)了左室功能障礙及心肌肥厚的表現(xiàn)。與PINK1基因敲低及正常對(duì)照小鼠相比，PINK1基因敲除小鼠心肌細(xì)胞氧化應(yīng)激程度、線粒體受損程度及心肌纖維化程度均更嚴(yán)重，心肌細(xì)胞凋亡率增高，且毛細(xì)血管密度減低。該研究結(jié)果表明PINK1對(duì)于出生后的心肌發(fā)育可能具有重要作用。線粒體融合蛋白2(mitofusion 2，MFN2)位于線粒體外膜，參與線粒體融合過(guò)程。作為Parkin蛋白的泛素化底物，MFN2也參與了調(diào)節(jié)Parkin轉(zhuǎn)運(yùn)至受損線粒體的過(guò)程。在小鼠心肌細(xì)胞中抑制MFN2基因表達(dá)可阻止Parkin轉(zhuǎn)位至去極化的線粒體，從而阻止線粒體自噬。形態(tài)和功能異常的線粒體不斷累積可導(dǎo)致MFN2缺失的心肌細(xì)胞呼吸鏈?zhǔn)軗p，最終導(dǎo)致小鼠心臟出現(xiàn)擴(kuò)張型心肌病樣表現(xiàn)[25]。早期研究[26]發(fā)現(xiàn)，心肌肥厚時(shí)NIX蛋白表達(dá)上調(diào)，因此，Dorn[27]首先使用α-肌球蛋白重鏈轉(zhuǎn)基因啟動(dòng)子使小鼠在出生后不久便特異性地在心臟中過(guò)表達(dá)NIX基因，然而，所有小鼠在出生后第7～8天均死亡。出生后第6天的超聲心動(dòng)圖顯示小鼠心臟左室出現(xiàn)擴(kuò)張型心肌病樣表現(xiàn)，并且TUNEL染色顯示心肌細(xì)胞大量凋亡。隨后該研究者又在成年小鼠中條件性地過(guò)表達(dá)NIX基因，結(jié)果顯示新生兒小鼠心肌凋亡率更高且擴(kuò)張型心肌病樣表現(xiàn)更嚴(yán)重。因此，該研究表明小鼠心臟中過(guò)表達(dá)NIX基因可能引起快速進(jìn)展性凋亡性心肌病和機(jī)體過(guò)早死亡。

3.2 線粒體自噬在心肌缺血/梗死中的作用

盡管PINK1基因缺失在2月齡小鼠中表現(xiàn)出了心臟結(jié)構(gòu)和功能障礙，Kubli等[28]卻發(fā)現(xiàn)Parkin基因敲除在12月齡小鼠的心肌細(xì)胞中，線粒體排列紊亂和體積縮小，但線粒體功能及心臟功能仍正常。進(jìn)一步研究表明，Parkin基因敲除小鼠與正常對(duì)照小鼠相比，其對(duì)于心肌梗死的變化更為敏感。在誘導(dǎo)心肌梗死后，Parkin基因敲除小鼠心肌梗死面積更大，生存期更短；而Parkin蛋白和線粒體自噬在對(duì)照小鼠的心肌梗死邊界區(qū)域迅速增加。進(jìn)一步電鏡觀察發(fā)現(xiàn)，Parkin基因敲除小鼠其心肌梗死邊界區(qū)線粒體自噬明顯減少，并且在心肌細(xì)胞中堆積了大量腫脹和功能異常的線粒體。

酪蛋白激酶2α(casein kinase 2α，CK2α)是一種絲氨酸/蘇氨酸激酶[29]。早期研究[19]表明，CK2α可通過(guò)磷酸化FUNDC1的Ser13位點(diǎn)來(lái)抑制FUNDC1的活性。Zhou等[30]在心臟缺血再灌注小鼠模型中發(fā)現(xiàn)，與野生型小鼠相比，CK2α基因敲除小鼠中心肌缺血再灌注損傷減少。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，該保護(hù)作用可能是通過(guò)上調(diào)FUNDC1介導(dǎo)的線粒體自噬產(chǎn)生，而 CK2α-FUNDC1雙缺失小鼠與CK2α基因敲除小鼠相比，前者則表現(xiàn)出范圍更廣的梗死灶、更低的心功能和更多的心肌細(xì)胞死亡。

3.3 線粒體自噬在心力衰竭中的作用

線粒體自噬除了參與上述心臟疾病的發(fā)生和發(fā)展外，在心力衰竭的發(fā)生中同樣發(fā)揮了重要作用。在Guzmán Mentesana等[31]的研究中發(fā)現(xiàn)，與正常對(duì)照組相比，心力衰竭患者心肌組織中的線粒體嵴排列紊亂，基質(zhì)增加，線粒體腫脹且體積縮小，線粒體所占心肌細(xì)胞體積也明顯減少。通過(guò)檢測(cè)呼吸鏈中的線粒體呼吸復(fù)合物Ⅲ的活性發(fā)現(xiàn)，其在心力衰竭患者中的活性明顯低于正常對(duì)照者，說(shuō)明心力衰竭患者心肌中的線粒體功能可能降低[31]。Wang等[32]通過(guò)檢測(cè)心力衰竭患者心肌組織中線粒體DNA和ATP的含量也得出了相似結(jié)論。此外該團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)，主動(dòng)脈弓結(jié)扎誘導(dǎo)的心力衰竭小鼠模型中，心肌組織中腺苷酸活化蛋白激酶(AMP-activated protein kinase，AMPK)α2 向AMPKα1轉(zhuǎn)換，且該過(guò)程與PINK1-Parkin介導(dǎo)的線粒體自噬減少相關(guān)，而當(dāng)AMPKα2含量增加時(shí)則可磷酸化PINK1 Ser495位點(diǎn)，啟動(dòng)PINK1-Parkin介導(dǎo)的線粒體自噬。

4 展望

綜上所述，線粒體自噬過(guò)程涉及多種蛋白和信號(hào)通路，其在心臟疾病的發(fā)生和發(fā)展中發(fā)揮重要作用。由于大多數(shù)心臟疾病對(duì)心肌細(xì)胞的損害不可逆，進(jìn)一步闡明線粒體自噬在心臟疾病中的作用有利于為心臟疾病的診療提供更多的選擇。