線粒體自噬在器官纖維化疾病中作用的研究進展*

高曉陽 金 蓉 趙曉璐 張春艷 顏羽昕 馬月宏

（內蒙古醫科大學基礎醫學院藥理學教研室，呼和浩特 010059）

纖維化是一個高度動態的過程，其本身不屬疾病，而是組織自我修復的過程[1]。纖維組織的形成是由細胞外基質（extracellular matrix，ECM）成分如膠原蛋白和纖維連接蛋白的過度積累所致[2]。纖維化后的癥狀取決于受損組織的類型：皮膚的纖維化即皮膚增厚、變形、疼痛等；臟器（肺、心、肝或腎等）的纖維化即器官功能衰竭[3]。目前臨床對纖維化疾病的干預措施有限，僅特發性肺纖維化（idiopathic pulmonary fibrosis，IPF）有有效的藥物治療，心肌纖維化、肝纖維化（hepatic fibrosis，HF）和腎纖維化等其他纖維化疾病的治療仍尚不明確。已知線粒體自噬能選擇性地識別和清除過量活性氧（reactive oxygen species，ROS），通過釋放細胞色素C等促凋亡因子誘導細胞凋亡，最終導致ATP合成中斷，影響多種疾病的發生發展[4]。筆者對線粒體自噬與纖維化疾病間的作用機制研究綜述如下。

1 細胞自噬

1.1 細胞自噬的分類

細胞自噬是在不同生理和病理條件下降解和回收細胞內蛋白質和細胞器的主要細胞機制。在哺乳動物中已鑒定出3種不同類型的自噬：分子伴侶介導的自噬（chaperonemediated autophagy，CMA）、微自噬和巨自噬[5]。CMA是第一個被發現的選擇性自噬過程，其特征是通過熱休克蛋白家族A成員8（HSPA8）識別含有Hsc70復合物的識別位點的胞質蛋白，或直接通過含有溶酶體相關膜蛋白2a（LAMP2A）的蛋白復合物，將細胞中的蛋白質、核酸和脂質等遞送到溶酶體降解，但不能降解細胞器[6]。微自噬是一種溶酶體膜動力學，能直接包裹和運輸細胞溶質成分進入溶解細胞器的內腔進行降解[7]。巨自噬又稱大自噬，存在于所有真核細胞中，由雙層膜囊泡形成的自噬體不斷吞噬待降解的細胞，然后自噬體外膜與溶酶體結合形成自噬溶酶體，最后被溶酶體酶降解[8]。上述3種自噬形式中，巨自噬是細胞自噬研究的熱點，故下文中的自噬即指巨自噬。

1.2 細胞自噬的分子機制

自噬主要由自噬體介導，細胞質的一部分被隔離膜或噬菌體的薄膜池包圍，形成自噬體與溶酶體融合，包裹物被自溶酶體中的溶酶體酶降解[9]。哺乳動物細胞中自噬體的形成由包含UNC-51樣激酶1或2（Unc-51 like autophagy activating kinase 1/2，ULK1/2）、自噬相關基因13（autophagy-related genes-13，ATG13）、ATG101和視網膜母細胞瘤RB1-誘導卷曲蛋白1（RB1-inducible coiledcoil 1，RB1CC1）的蛋白激酶復合物啟動[10]。這個起始復合體接收2類信號：第一類是主要集中在雷帕霉素復合物1（mTORC1）上的各種營養和應激信號，mTORC1被激活后抑制ULK1/2，導致起始復合物移位至內質網膜上。同時，也可以在低能量狀態下通過AMP激活蛋白激酶（AMPK）激活ULK1/2。第二類信號涉及自噬貨物，如受損的線粒體，通過與RB1CC1直接作用來激活起始復合體。為了使自噬體膜成核，ULK1/2磷酸化Ⅲ類磷脂酰肌醇3-激酶（PI3K）復合物，在自噬前體膜上產生磷脂酰肌醇3-磷酸（PI3P）[11]。磷酸肌醇相互作用蛋白2（WIPI2）募集由ATG12-ATG5和ATG16L1組成的復合物，促進ATG8家族蛋白與磷脂酰乙醇胺（PE）間的結合。ATG8家族蛋白也被認為是膜伸長和自噬體閉合的重要因子[12]。自噬體封閉后會獲得可溶性NSF附著蛋白受體（SNARE）蛋白，與溶酶體融合并形成自噬溶酶體，在溶酶體水解酶的作用下降解產物[13]。

2 線粒體自噬

2.1 自噬與線粒體自噬

自噬一直被認為是一種非選擇性受損和衰老細胞的降解途徑[14]。當一個特定的細胞器被專門遞送到自噬體中，并經自噬體將該細胞器運送到溶酶體中降解，該細胞器為線粒體時，即被稱為“線粒體自噬”，這意味著線粒體可以通過自噬過程而降解[15]。已知在營養豐富的狀態下，可誘導線粒體自噬，而饑餓時線粒體自噬并未得到相應地增加[16]。所以線粒體自噬屬特異性自噬現象。

2.2 線粒體自噬的介導途徑

線粒體自噬涉及PINK1/Parkin途徑、NIX和BNIP3、FUNDC1等多種途徑。

2.2.1 PINK1/Parkin途徑 磷酸酶及張力蛋白同源基因誘導的激酶1（PTEN induced putative kinase 1，PINK1）/Parkin途徑通常調節泛素依賴型的線粒體自噬。正常情況下，Parkin定位于細胞質內，當PINK1被運輸到膜間隙時，誘導蛋白質降解[17]。而PINK1激酶活性與線粒體損傷時Parkin間的關系，依賴PINK1磷酸化可改變Parkin構象，以促進其與線粒體表面的結合。

2.2.2 NIX和BNIP3 NIP3樣蛋白X（NIP3-liked protein X，NIX）和Bcl-2相互作用蛋白3（BCL -2 interacting protein 3，BNIP3）是參與線粒體膜去極化引起缺氧或有絲分裂發生的重要分子介質。其中NIX是一種線粒體外膜蛋白，能與吞噬細胞中的LC3相關分子相互作用，誘導線粒體自噬[18]。而BNIP3是Bcl-2家族的成員，在抑制自噬體與溶酶體融合的同時還可促進線粒體分裂。

2.2.3 FUNDC1 FUN14結構域包含蛋白1（FUN14 domaincontaining protein 1，FUNDC1）位于線粒體外膜上，N端多暴露在對缺氧/缺血刺激有選擇性反應的胞漿中，上游磷酸化酶通過改變FUNDC1位點，影響其與LC3的結合親和力，促進或抑制線粒體自噬[19]。在常氧條件下，抗凋亡分子Bcl-xL與磷酸甘油酸變位酶5（PGAM5）結合后可抑制其活性，而缺氧時可降低Bcl-xL蛋白水平，釋放更多的PGAM5與FUNDC1結合，導致FUNDC1去磷酸化和線粒體自噬作用增強[20]。

3 線粒體自噬與纖維化疾病的關系

3.1 線粒體自噬與IPF

IPF是間質性肺炎的常見形式，是一種由Ⅱ型肺泡上皮細胞（Ⅱ alveolar epithelial cells，AECⅡs）反復損傷而導致肺大面積纖維化的慢性疾病[21]。雖然目前市場上經批準的治療IPF的藥物有2種（吡非尼酮和尼達尼布），但這些藥物只能緩解IPF的進展。已知AECⅡs可利用自噬功能選擇性地靶向移除單個亞細胞成分，包括入侵的病原體、脂類和功能失調的細胞器[22]。在IPF發病機制研究中已證明線粒體吞噬功能與肺纖維化的發生有關。IPF中AECⅡs線粒體異常堆積，ROS生成增加，PINK1表達降低。同時，形成的肌成纖維細胞中的Parkin表達水平也降低，Parkin缺乏引起的線粒體吞噬功能不足將誘導大量的ROS產生，并伴隨著血小板衍生生長因子受體（PDGFR）/mTOR信號的激活，導致肌成纖維細胞分化和增殖[23]。Kim等首次探索了線粒體自噬在減輕AECⅡs的PINK1缺乏和細胞凋亡中的作用，顯示PINK1敲除后小鼠更容易被石棉誘導致纖維化，并且增加了AECⅡs的線粒體DNA損傷和凋亡。而線粒體自噬可減少ROS誘導的線粒體DNA損傷，從而驅動內在細胞凋亡，延緩肺纖維化的進程[24]。Xiao等研究表明IL-17A可通過擾亂線粒體動力學、減少PINK1的表達，以及抑制線粒體吞噬均可導致AECⅡs線粒體積累和功能障礙，使AECⅡs凋亡并最終促進肺纖維化[25]。所以線粒體自噬調節有望成為IPF治療的新靶點。

3.2 線粒體自噬與心肌纖維化

心肌纖維化是心肌間質中膠原纖維的彌漫性積聚，可導致左心室功能不全，心肌僵硬度增加、心結構重構等，易發展為心力衰竭和心肌梗死[26]。因此ECM改變在心力衰竭演變的病理性心肌重構發展中起著重要作用[27]。Tre-2/Bub2/Cdc16（TBC）結構域蛋白家族具有GTP酶激活活性，參與促進線粒體-溶酶體接觸，以及調節溶酶體運輸、融合和成熟。其中TBC域家族成員15（TBC1D15）在心功能和線粒體質量的調控作用研究顯示[28]，當心肌細胞缺血再灌注后，TBC1D15表達水平下降，收縮功能降低，心肌纖維化明顯，線粒體損傷也大大增加。TBC1D15的上調可通過與重組人線粒體分裂蛋白1（recombinant human mitochondrial fission 1 protein，FIS1）位點結合，激活RAS癌基因家族成員7（RAB7）GTP水解，恢復線粒體自噬的降解功能，改善缺血再灌注引發的心肌形態改變。過度的ROS會使線粒體抗氧化能力下降，損傷線粒體DNA和蛋白氧化功能，引起心肌纖維化，甚至導致心力衰竭[29]。AMPK/PINK2主要通過磷酸化以提高心臟線粒體吞噬水平，從而減輕心力衰竭。其機制為AMPK與磷酸化的PINK1在Ser495位發生特異性相互作用，激活PINK1/Parkin/SQSTM1通路增加線粒體自噬，挽救線粒體吞噬功能的受損[30]。因此，避免線粒體自噬過度激活，可延緩心肌纖維化發展是未來研究的熱點。

3.3 線粒體自噬與肝纖維化

通常肝星形細胞（hepatic stellate cells，HSCs）多處于靜止狀態，當肝損傷時HSCs被激活，并轉化為具有分泌、增殖、收縮功能的肌成纖維細胞，破壞ECM沉積與降解的平衡，導致膠原纖維沉積形成瘢痕[31]。肝是第一個發現線粒體自噬的器官。在不同刺激下（洗滌劑曲拉通、饑餓狀態、氨基酸缺乏等）均可觀察到大鼠肝組織的線粒體自噬，大部分功能失調的線粒體被自噬空泡吞噬，再經溶酶體酸性蛋白酶降解[32]。研究表明，動態線粒體活動調節肝線粒體穩態，有助于維持肝功能，并通過去除線粒體治療溶酶體降解，可保護肝免受組織損傷。反之，對線粒體吞噬的不當調節會導致涉及ROS的細胞損傷和肝纖維化的出現[33]。干擾庫普弗細胞（Kupffer cells，KCs）中的T細胞免疫球蛋白結構域和黏蛋白結構域-4（T-cell immunoglobulin and mucin domain 4，TIM-4）可能會抑制PINK1/Parkin依賴的線粒體自噬，減輕CCl4誘導的小鼠肝纖維化[34]。而通過增加ROS的產生不僅可促進PM2.5誘導的HSCs活化和肝纖維化，還能誘導線粒體自噬。PM2.5誘導的過量ROS通過激活PINK1/Parkin途徑促進線粒體分裂來調節線粒體動態，而抑制PM2.5誘導的線粒體自噬可減輕纖維化[35]。PINK1/Parkin介導的線粒體自噬在活化HSCs和肝纖維化發展過程中被明顯下調，而線粒體靶向泛醌（MitoQ）能降低ROS水平，上調線粒體自噬相關基因表達，使HSCs失活并延緩肝纖維化[36]。故分析線粒體自噬對肝疾病的影響對探討HF的進展具有重要意義。

3.4 線粒體自噬與腎纖維化

腎纖維化是許多進行性腎病的共同途徑，可導致正常腎結構破壞和腎功能喪失，其中有一系列復雜的信號事件參與[37]。已知巨噬細胞的線粒體自噬通過PINK1/線粒體融合蛋白2（mitofusin 2，Mfn2）/Parkin介導途徑對腎纖維化起保護作用。在腎纖維化中，當巨噬細胞的線粒體吞噬功能受損時，PINK1、Mfn2、Parkin等有絲分裂調節因子均表達下調，并促進腎ECM的積聚和促纖維化/M2巨噬細胞的出現，進一步加劇腎纖維化[38]。在糖尿病腎病中，AMPK激動劑二甲雙胍可以通過AMPK/PINK1/Parkin通路激活線粒體自噬，減少線粒體損傷和ROS生成，減輕糖尿病大鼠腎小管間質纖維化[39]。Jin等探討了誘導線粒體吞噬化合物UMI-77對體內輸尿管梗阻和體外腎小管上皮細胞（renal tubular epithelial cells，TECs）的影響，結果表明線粒體損傷、ROS產生以及轉化生長因子-β（transforming growth factor-β，TGF-β）/Smad通路激活與腎纖維化間的變化關系。使用UMI-77可通過改善線粒體適應性、下調TGF-β1/Smad信號傳導以及緩解TECs損傷和腎炎癥浸潤，防止腎纖維化[40]。目前，線粒體自噬與腎纖維化關系的具體作用機制仍需進一步研究。

線粒體自噬可清除受損的線粒體，緩解線粒體功能障礙，從而抑制纖維化發展。目前線粒體自噬治療的具體方案有待完善，可概括為：①減少線粒體結構的氧化損傷；②通過外源性ROS清除劑抑制氧化應激；③增強線粒體的自我修復能力。隨著對線粒體自噬的深入了解，許多纖維化疾病的診斷和治療有望取得突破性進展。