王燕秋,寇京莉,王毅,韓斌如

(首都醫(yī)科大學(xué)宣武醫(yī)院:1護(hù)理部,3老年病(綜合)科,4泌尿外科,北京100053;2首都醫(yī)科大學(xué)護(hù)理學(xué)院,北京100069)

線粒體的主要功能是為細(xì)胞提供能量[1],充當(dāng)代謝中樞,并參與包括信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、細(xì)胞周期調(diào)節(jié)、生熱作用、細(xì)胞凋亡、鈣緩沖、氧化應(yīng)激和鐵硫簇生物合成[2,3]等基本細(xì)胞過程。線粒體功能障礙在操作性定義上是指線粒體呼吸能力及膜電位(ΔΨm)降低[4],線粒體隨著年齡經(jīng)歷形態(tài)和功能的變化,以及持續(xù)暴露在不同的壓力下,增加了其功能失調(diào)的可能性。線粒體對(duì)衰老的發(fā)生表現(xiàn)出關(guān)鍵的調(diào)控作用,是2023年Cell雜志總結(jié)的生物體衰老標(biāo)志之一[5]。衰老通常伴隨著線粒體質(zhì)量和功能的下降[6],在神經(jīng)系統(tǒng)、心臟、肌肉和其他組織的嚴(yán)重的退行性疾病中表現(xiàn)出不同程度的線粒體功能障礙[7]。線粒體通過氧化磷酸化(oxidative phosphorylation,OXPHOS)合成三磷酸腺苷(adenosine triphosphate,ATP)為細(xì)胞供能,這個(gè)過程主要由呼吸鏈[又稱電子傳遞鏈(electron transport chain,ETC),包括四大復(fù)合體(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ)]和ATP酶實(shí)現(xiàn);研究發(fā)現(xiàn),OXPHOS功能障礙與衰老相關(guān),例如,復(fù)合體Ⅰ缺陷會(huì)導(dǎo)致帕金森病患者腦中大部分神經(jīng)元變性[8];復(fù)合物Ⅲ缺陷的小鼠表現(xiàn)出細(xì)胞衰老[9],瞬時(shí)受體電位通道TRPC3蛋白通過重塑內(nèi)質(zhì)網(wǎng)-線粒體Ca2+轉(zhuǎn)移,導(dǎo)致線粒體功能障礙,促進(jìn)了衰老的促腫瘤作用[10],線粒體功能障礙和衰老之間呈現(xiàn)出互為因果的關(guān)系。為此,本文對(duì)線粒體在衰老中的自適應(yīng)機(jī)制,線粒體功能障礙和衰老之間的相互關(guān)系的機(jī)制做一綜述,以期為衰老機(jī)制及抗衰老研究提供思路。

1 衰老進(jìn)程中線粒體功能的自我適應(yīng)機(jī)制

線粒體具有復(fù)雜的質(zhì)量控制體系,隨著衰老發(fā)生,損傷累積的線粒體可以通過一系列機(jī)制實(shí)現(xiàn)自我修復(fù),包括線粒體未折疊蛋白效應(yīng)(mitochondrial unfolded protein response, UPRmt)、分裂-融合、線粒體生物發(fā)生和線粒體自噬等適應(yīng)性反應(yīng)[11]。

1.1 線粒體未折疊蛋白反應(yīng)

UPRmt是一種由攜帶線粒體靶向序列(mitochondria targeting sequence,MTS)的應(yīng)激相關(guān)激活轉(zhuǎn)錄因子1(activating transcription factor associated with stress-1, ATFS-1)介導(dǎo)的信號(hào)通路[12],在應(yīng)激狀態(tài)下可有效清除未折疊蛋白或異常折疊蛋白,并通過使線粒體蛋白質(zhì)折疊和降解正常化來防止線粒體內(nèi)的異常蛋白質(zhì)積累。線粒體相關(guān)降解(mitochondria-associated degradation,MAD)和泛素-蛋白酶體系統(tǒng)(ubiquitination,Ub)介導(dǎo)異常或錯(cuò)誤折疊的蛋白質(zhì)的靶向降解[13]:胞質(zhì)線粒體前體蛋白質(zhì)在輸入至線粒體之前,會(huì)在Hsp70和Hsp90胞質(zhì)伴侶家族的作用下保持未折疊狀態(tài),如若在易位過程中過早折疊或停滯,導(dǎo)致其在線粒體外膜(mitochondrial outer membrane,OMM)或其他地方蓄積,便可進(jìn)入MAD系統(tǒng),被伴侶蛋白識(shí)別并促進(jìn)其重新折疊以恢復(fù)正確的構(gòu)象和穩(wěn)定性,如若無法修復(fù),Ub使之泛素化,作為結(jié)合位點(diǎn)被識(shí)別,啟動(dòng)蛋白酶體降解[14]。且有研究發(fā)現(xiàn),UPRmt與線粒體自噬協(xié)作,共同維持了線粒體功能并有助于減輕炎癥相關(guān)的心肌損傷,另外發(fā)現(xiàn)番茄紅素通過調(diào)控線粒體未折疊蛋白反應(yīng)預(yù)防增塑劑鄰苯二甲酸二(2-乙基己基)酯(di-2-ethylhexyl phthalate, DEHP)致小鼠心肌線粒體損傷[15]。

1.2 線粒體融合-分裂平衡調(diào)控機(jī)制

線粒體在細(xì)胞內(nèi)是動(dòng)態(tài)變化的,由兩對(duì)互相對(duì)立的程序調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)[16],包括線粒體合成和降解、融合和分裂,其中合成和降解維持線粒體數(shù)量平衡,分裂和融合決定線粒體網(wǎng)絡(luò)化的程度,并稱為線粒體動(dòng)力學(xué)。線粒體分裂有利于消除去極化的線粒體,最核心的蛋白質(zhì)是動(dòng)力相關(guān)蛋白1(dynamin related protein 1,Drp1)[17]。Nature雜志2021年發(fā)表的研究發(fā)現(xiàn),線粒體分裂分為中區(qū)分裂和外周分裂兩種類型,其中中區(qū)分裂主要發(fā)生在細(xì)胞生長和分裂的活躍期,以滿足細(xì)胞增殖及高能量需求;而外周分裂主要發(fā)生在活性氧(reactive oxygen species, ROS)和Ca2+增加之后,ΔΨm降低等線粒體受損和應(yīng)激信號(hào),線粒體分裂為一大一小,較小的線粒體表現(xiàn)出不健康跡象并被自噬清除[18]。而線粒體融合通過將兩個(gè)或多個(gè)小線粒體整合成一個(gè)相互關(guān)聯(lián)的表型,在壓力下保留線粒體網(wǎng)絡(luò),實(shí)現(xiàn)線粒體內(nèi)物質(zhì)交換和功能優(yōu)化,可以抵消隨衰老而積累的線粒體突變,使得細(xì)胞能夠耐受高水平的致病性線粒體DNA(mitochondrial DNA, mtDNA)[19]。線粒體融合需要內(nèi)外膜上的三磷酸鳥苷(guamosine triphosphate, GTP)酶觸發(fā),在人類中包括視神經(jīng)萎縮(optic atrophy 1, OPA1)和線粒體融合蛋白1和2(mitochondrial fusion protein1,MFN1;mitochondrial fusion protein2,MFN2),當(dāng)ΔΨm異常時(shí),OPA1被應(yīng)激敏感蛋白酶OMA1切割為短的、融合不活躍的亞型,導(dǎo)致線粒體網(wǎng)絡(luò)碎片化,介導(dǎo)線粒體凋亡[20]。線粒體分裂和融合蛋白酶缺陷會(huì)導(dǎo)致能量產(chǎn)生受損,即產(chǎn)生線粒體動(dòng)力學(xué)障礙[21],如MFN2異?？梢鸲喾N肌萎縮性神經(jīng)病[22],OPA1功能障礙可導(dǎo)致視神經(jīng)萎縮及綜合征[22]。線粒體分裂和融合的速率下降對(duì)理解衰老非常重要,探索線粒體分裂如何被調(diào)控,對(duì)線粒體靶向治療意義重大。

1.3 線粒體自噬

線粒體自噬(mitophagy)可以靶向清除功能障礙線粒體,是維持線粒體質(zhì)量和數(shù)量的基本機(jī)制[23],在ROS增加、ΔΨm下降時(shí)能確保線粒體完整性和數(shù)量,還能清除線粒體隨著年齡增加表現(xiàn)出的線粒體腫脹等形態(tài)和功能變化的不健康線粒體,以保護(hù)線粒體免受衰老影響。較多研究揭示年齡相關(guān)疾病與線粒體自噬缺陷相關(guān)[24],包括阿爾茨海默病、帕金森病等[25]。線粒體自噬最具特征的是PINK1/Parkin途徑,正常情況下,外膜蛋白PINK1(PTEN誘導(dǎo)激酶1)不斷被轉(zhuǎn)移至內(nèi)膜(mitochondrial inner membrane,IMM)被切割并清除,當(dāng)線粒體受損時(shí),PINK1介導(dǎo)磷酸化,并將Parkin募集至線粒體并活化,對(duì)線粒體蛋白質(zhì)進(jìn)行泛素化放大自噬信號(hào),誘發(fā)自噬[26]。PINK1/Parkin通路的調(diào)控受多種因素的影響,抑癌基因PTEN抑制劑抑制了PINK1/Parkin通路介導(dǎo)的線粒體自噬[27],以及其亞型PTEN-L通過調(diào)節(jié)線粒體呼吸鏈中的限速酶的活性對(duì)PINK1/Parkin通路有負(fù)調(diào)控作用[28]。衰老與PINK1/Parkin途徑的實(shí)質(zhì)性惡化相關(guān),并且該機(jī)制是逆轉(zhuǎn)年齡相關(guān)的線粒體功能障礙所必需的[29]。

2 線粒體功能障礙對(duì)衰老表型的影響

2.1 線粒體基因組異質(zhì)性對(duì)衰老的影響

MtDNA損傷或復(fù)制錯(cuò)誤會(huì)導(dǎo)致點(diǎn)突變或重排,發(fā)生率在1∶5000和1∶500000之間,影響線粒體編碼的蛋白質(zhì)、tRNA、rRNA,最終影響ATP的產(chǎn)生[30],mtDNA的損傷和基因組完整性的喪失被認(rèn)為與重癥疾病和慢性增齡疾病[31]有關(guān)。隨著年齡的增長,mtDNA異質(zhì)性變得更加常見[32],某些mtDNA突變或單核苷酸多態(tài)性(single nucleotide polymorphisms,SNPs)的積累可引起OXPHOS呼吸復(fù)合物的氨基酸和功能變化,而其他突變可引起mtDNA復(fù)制和轉(zhuǎn)錄速率的變化[33]。Science雜志發(fā)表研究發(fā)現(xiàn),小鼠中表達(dá)線粒體的DNA聚合酶催化亞基g(DNA polymerase g, POLG)突變表達(dá)加速了mtDNA突變,并且表現(xiàn)出衰老加速,他們認(rèn)為,mtDNA突變積累促進(jìn)的細(xì)胞凋亡可能是驅(qū)動(dòng)哺乳動(dòng)物衰老的中心機(jī)制[34]。人類mtDNA包括蛋白質(zhì)編碼基因、非編碼RNA(non-coding RNA,ncRNA)和控制區(qū),除線粒體控制區(qū)的突變與骨骼肌[35]、皮膚成纖維細(xì)胞等的衰老有關(guān)[36]外,ncRNA是mtDNA中最具多態(tài)性的位點(diǎn)[37],在調(diào)節(jié)細(xì)胞生長、轉(zhuǎn)移、細(xì)胞代謝和線粒體穩(wěn)態(tài)中發(fā)揮著重要作用[38],因此,ncRNA抑制劑在腫瘤抑制研究中表現(xiàn)出較好效果[39]。NcRNA中,微小RNA(microRNA, miRNA)和長鏈非編碼RNA(long noncoding RNAs, LncRNA)在各種細(xì)胞和組織中的線粒體內(nèi)存在,通過影響細(xì)胞質(zhì)中編碼線粒體蛋白質(zhì)的轉(zhuǎn)錄物來間接影響線粒體[40],林愛福課題組揭示了線粒體LncRNA GAS5對(duì)三羧酸循環(huán)(tricarboxylic acid cycle,TCA循環(huán))代謝區(qū)室起著重要調(diào)控功能,進(jìn)一步證明了線粒體在腫瘤發(fā)生中的重要作用,為腫瘤臨床診斷提供了新的潛在分子靶標(biāo)GAS5[41]。

2.2 線粒體在細(xì)胞死亡中的調(diào)控作用

線粒體在多種細(xì)胞死亡途徑中表現(xiàn)出核心作用,細(xì)胞凋亡是程序性死亡中的主要形式,線粒體深度參與了細(xì)胞凋亡,細(xì)胞衰老誘導(dǎo)線粒體產(chǎn)生ROS并破壞ETC,ETC的破壞被認(rèn)為是細(xì)胞凋亡的早期特征[25]。控制蛋白家族(主要是Bcl-2的促凋亡和抗凋亡成員)調(diào)節(jié)了線粒體外膜通透性(mitochondrial outer membrane permeabilization,MOMP)水平,多種細(xì)胞刺激引起的MOMP增加會(huì)引起細(xì)胞色素C釋放,與銜接分子凋亡蛋白酶激活因子結(jié)合形成凋亡小體[42],激活半胱氨酸蛋白酶家族(caspases)執(zhí)行細(xì)胞凋亡程序。促進(jìn)線粒體分裂的Drp1,通過激活Bax/Bak介導(dǎo)的MOMP改變,引起細(xì)胞凋亡[43];同時(shí)MOMP還參與各種促炎信號(hào)的傳導(dǎo)[44]。因此,靶向MOMP以及Bcl-2家族以操縱細(xì)胞凋亡具有較大治療潛力,包括在神經(jīng)退行性疾病和癌癥等方向,通過程序性細(xì)胞死亡是目前臨床和科研上消除癌細(xì)胞等的主要方法和目標(biāo)[45]。除了細(xì)胞凋亡,線粒體可能也參與了壞死性凋亡、焦亡和鐵死亡,雖然作用不突出,但是不同形式的細(xì)胞死亡通過線粒體表現(xiàn)出彼此串?dāng)_[44]。Science雜志2022年有關(guān)銅死亡的新發(fā)現(xiàn)揭示[46],細(xì)胞內(nèi)過量的銅可通過離子載體輸送到線粒體,并與線粒體呼吸TCA循環(huán)中的脂?；煞种苯咏Y(jié)合,造成脂?；鞍踪|(zhì)聚集和鐵硫簇蛋白丟失,誘導(dǎo)蛋白質(zhì)毒性應(yīng)激,最終導(dǎo)致細(xì)胞死亡。如線粒體調(diào)節(jié)機(jī)制異常,細(xì)胞死亡加快或減慢,都會(huì)促進(jìn)衰老相關(guān)疾病發(fā)生。

2.3 線粒體功能障礙激活免疫應(yīng)答

炎癥是衰老的標(biāo)志之一,mtDNA含有大量與細(xì)菌基因組相似的非甲基化的DNA作為CpG島(CpG island)[47],是損傷相關(guān)分子模式(damage-associated molecular pattern, DAMPs)的一種,其可通過與toll樣受體(toll-like receptor, TLR)、核苷酸結(jié)合寡聚化結(jié)構(gòu)域樣受體蛋白(nucleotide-binding oligomerization domain receptor protein,NLRP)等感受器結(jié)合參與炎癥反應(yīng)(mtDNA-TLR9-NFκB軸、mtDNA-NLRP3-caspase1途徑和mtDNA-STING-IRF3),引起多種先天免疫反應(yīng)[48],這些免疫應(yīng)答在衰老中也被激活。TLR9與mtDNA的識(shí)別可激活核因子-κB信號(hào)通路,增加如腫瘤壞死因子-α、白細(xì)胞介素-6、白細(xì)胞介素-1β[47]等表達(dá);在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),注射mtDNA可以誘導(dǎo)小鼠肺部嚴(yán)重炎癥[49],持續(xù)性的炎癥刺激可激活先天免疫應(yīng)答,炎癥細(xì)胞釋放的細(xì)胞因子、趨化因子、一氧化氮和ROS可以進(jìn)一步誘導(dǎo)線粒體損傷,從而形成惡性循環(huán)。作為DAMPs的來源之一,mtDNA調(diào)節(jié)免疫應(yīng)答并促進(jìn)炎癥進(jìn)展是先天免疫系統(tǒng)的關(guān)鍵角色,已被認(rèn)為是線粒體損傷和全身炎癥之間功能性聯(lián)系的標(biāo)志物[50]。

綜上,線粒體功能障礙是衰老表型的重要組成部分,并通過多種機(jī)制調(diào)控與衰老之間的關(guān)系;近幾年雖有了較多發(fā)現(xiàn),但仍有許多機(jī)制未探索清晰,未來衰老與線粒體功能障礙之間的影響可為抗衰老干預(yù)提供潛力靶點(diǎn)。