線粒體功能障礙與衰老相互影響的研究進展

王燕秋,寇京莉,王毅,韓斌如

(首都醫科大學宣武醫院:1護理部,3老年病(綜合)科,4泌尿外科,北京100053;2首都醫科大學護理學院,北京100069)

線粒體的主要功能是為細胞提供能量[1],充當代謝中樞,并參與包括信號轉導、細胞周期調節、生熱作用、細胞凋亡、鈣緩沖、氧化應激和鐵硫簇生物合成[2,3]等基本細胞過程。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],線粒體隨著年齡經歷形態和功能的變化,以及持續暴露在不同的壓力下,增加了其功能失調的可能性。線粒體對衰老的發生表現出關鍵的調控作用,是2023年Cell雜志總結的生物體衰老標志之一[5]。衰老通常伴隨著線粒體質量和功能的下降[6],在神經系統、心臟、肌肉和其他組織的嚴重的退行性疾病中表現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)為細胞供能,這個過程主要由呼吸鏈[又稱電子傳遞鏈(electron transport chain,ETC),包括四大復合體(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ)]和ATP酶實現;研究發現,OXPHOS功能障礙與衰老相關,例如,復合體Ⅰ缺陷會導致帕金森病患者腦中大部分神經元變性[8];復合物Ⅲ缺陷的小鼠表現出細胞衰老[9],瞬時受體電位通道TRPC3蛋白通過重塑內質網-線粒體Ca2+轉移,導致線粒體功能障礙,促進了衰老的促腫瘤作用[10],線粒體功能障礙和衰老之間呈現出互為因果的關系。為此,本文對線粒體在衰老中的自適應機制,線粒體功能障礙和衰老之間的相互關系的機制做一綜述,以期為衰老機制及抗衰老研究提供思路。

1 衰老進程中線粒體功能的自我適應機制

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

1.1 線粒體未折疊蛋白反應

UPRmt是一種由攜帶線粒體靶向序列(mitochondria targeting sequence,MTS)的應激相關激活轉錄因子1(activating transcription factor associated with stress-1, ATFS-1)介導的信號通路[12],在應激狀態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折疊和降解正?；瘉矸乐咕€粒體內的異常蛋白質積累。線粒體相關降解(mitochondria-associated degradation,MAD)和泛素-蛋白酶體系統(ubiquitination,Ub)介導異?；蝈e誤折疊的蛋白質的靶向降解[13]:胞質線粒體前體蛋白質在輸入至線粒體之前,會在Hsp70和Hsp90胞質伴侶家族的作用下保持未折疊狀態,如若在易位過程中過早折疊或停滯,導致其在線粒體外膜(mitochondrial outer membrane,OMM)或其他地方蓄積,便可進入MAD系統,被伴侶蛋白識別并促進其重新折疊以恢復正確的構象和穩定性,如若無法修復,Ub使之泛素化,作為結合位點被識別,啟動蛋白酶體降解[14]。且有研究發現,UPRmt與線粒體自噬協作,共同維持了線粒體功能并有助于減輕炎癥相關的心肌損傷,另外發現番茄紅素通過調控線粒體未折疊蛋白反應預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-分裂平衡調控機制

線粒體在細胞內是動態變化的,由兩對互相對立的程序調節實現[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量平衡,分裂和融合決定線粒體網絡化的程度,并稱為線粒體動力學。線粒體分裂有利于消除去極化的線粒體,最核心的蛋白質是動力相關蛋白1(dynamin related protein 1,Drp1)[17]。Nature雜志2021年發表的研究發現,線粒體分裂分為中區分裂和外周分裂兩種類型,其中中區分裂主要發生在細胞生長和分裂的活躍期,以滿足細胞增殖及高能量需求;而外周分裂主要發生在活性氧(reactive oxygen species, ROS)和Ca2+增加之后,ΔΨm降低等線粒體受損和應激信號,線粒體分裂為一大一小,較小的線粒體表現出不健康跡象并被自噬清除[18]。而線粒體融合通過將兩個或多個小線粒體整合成一個相互關聯的表型,在壓力下保留線粒體網絡,實現線粒體內物質交換和功能優化,可以抵消隨衰老而積累的線粒體突變,使得細胞能夠耐受高水平的致病性線粒體DNA(mitochondrial DNA, mtDNA)[19]。線粒體融合需要內外膜上的三磷酸鳥苷(guamosine triphosphate, GTP)酶觸發,在人類中包括視神經萎縮(optic atrophy 1, OPA1)和線粒體融合蛋白1和2(mitochondrial fusion protein1,MFN1;mitochondrial fusion protein2,MFN2),當ΔΨm異常時,OPA1被應激敏感蛋白酶OMA1切割為短的、融合不活躍的亞型,導致線粒體網絡碎片化,介導線粒體凋亡[20]。線粒體分裂和融合蛋白酶缺陷會導致能量產生受損,即產生線粒體動力學障礙[21],如MFN2異?？梢鸲喾N肌萎縮性神經病[22],OPA1功能障礙可導致視神經萎縮及綜合征[22]。線粒體分裂和融合的速率下降對理解衰老非常重要,探索線粒體分裂如何被調控,對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,是維持線粒體質量和數量的基本機制[23],在ROS增加、ΔΨm下降時能確保線粒體完整性和數量,還能清除線粒體隨著年齡增加表現出的線粒體腫脹等形態和功能變化的不健康線粒體,以保護線粒體免受衰老影響。較多研究揭示年齡相關疾病與線粒體自噬缺陷相關[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誘導激酶1)不斷被轉移至內膜(mitochondrial inner membrane,IMM)被切割并清除,當線粒體受損時,PINK1介導磷酸化,并將Parkin募集至線粒體并活化,對線粒體蛋白質進行泛素化放大自噬信號,誘發自噬[26]。PINK1/Parkin通路的調控受多種因素的影響,抑癌基因PTEN抑制劑抑制了PINK1/Parkin通路介導的線粒體自噬[27],以及其亞型PTEN-L通過調節線粒體呼吸鏈中的限速酶的活性對PINK1/Parkin通路有負調控作用[28]。衰老與PINK1/Parkin途徑的實質性惡化相關,并且該機制是逆轉年齡相關的線粒體功能障礙所必需的[29]。

2 線粒體功能障礙對衰老表型的影響

2.1 線粒體基因組異質性對衰老的影響

MtDNA損傷或復制錯誤會導致點突變或重排,發生率在1∶5000和1∶500000之間,影響線粒體編碼的蛋白質、tRNA、rRNA,最終影響ATP的產生[30],mtDNA的損傷和基因組完整性的喪失被認為與重癥疾病和慢性增齡疾病[31]有關。隨著年齡的增長,mtDNA異質性變得更加常見[32],某些mtDNA突變或單核苷酸多態性(single nucleotide polymorphisms,SNPs)的積累可引起OXPHOS呼吸復合物的氨基酸和功能變化,而其他突變可引起mtDNA復制和轉錄速率的變化[33]。Science雜志發表研究發現,小鼠中表達線粒體的DNA聚合酶催化亞基g(DNA polymerase g, POLG)突變表達加速了mtDNA突變,并且表現出衰老加速,他們認為,mtDNA突變積累促進的細胞凋亡可能是驅動哺乳動物衰老的中心機制[34]。人類mtDNA包括蛋白質編碼基因、非編碼RNA(non-coding RNA,ncRNA)和控制區,除線粒體控制區的突變與骨骼肌[35]、皮膚成纖維細胞等的衰老有關[36]外,ncRNA是mtDNA中最具多態性的位點[37],在調節細胞生長、轉移、細胞代謝和線粒體穩態中發揮著重要作用[38],因此,ncRNA抑制劑在腫瘤抑制研究中表現出較好效果[39]。NcRNA中,微小RNA(microRNA, miRNA)和長鏈非編碼RNA(long noncoding RNAs, LncRNA)在各種細胞和組織中的線粒體內存在,通過影響細胞質中編碼線粒體蛋白質的轉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對三羧酸循環(tricarboxylic acid cycle,TCA循環)代謝區室起著重要調控功能,進一步證明了線粒體在腫瘤發生中的重要作用,為腫瘤臨床診斷提供了新的潛在分子靶標GAS5[41]。

2.2 線粒體在細胞死亡中的調控作用

線粒體在多種細胞死亡途徑中表現出核心作用,細胞凋亡是程序性死亡中的主要形式,線粒體深度參與了細胞凋亡,細胞衰老誘導線粒體產生ROS并破壞ETC,ETC的破壞被認為是細胞凋亡的早期特征[25]?？刂频鞍准易?主要是Bcl-2的促凋亡和抗凋亡成員)調節了線粒體外膜通透性(mitochondrial outer membrane permeabilization,MOMP)水平,多種細胞刺激引起的MOMP增加會引起細胞色素C釋放,與銜接分子凋亡蛋白酶激活因子結合形成凋亡小體[42],激活半胱氨酸蛋白酶家族(caspases)執行細胞凋亡程序。促進線粒體分裂的Drp1,通過激活Bax/Bak介導的MOMP改變,引起細胞凋亡[43];同時MOMP還參與各種促炎信號的傳導[44]。因此,靶向MOMP以及Bcl-2家族以操縱細胞凋亡具有較大治療潛力,包括在神經退行性疾病和癌癥等方向,通過程序性細胞死亡是目前臨床和科研上消除癌細胞等的主要方法和目標[45]。除了細胞凋亡,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,但是不同形式的細胞死亡通過線粒體表現出彼此串擾[44]。Science雜志2022年有關銅死亡的新發現揭示[46],細胞內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循環中的脂?；煞种苯咏Y合,造成脂?；鞍踪|聚集和鐵硫簇蛋白丟失,誘導蛋白質毒性應激,最終導致細胞死亡。如線粒體調節機制異常,細胞死亡加快或減慢,都會促進衰老相關疾病發生。

2.3 線粒體功能障礙激活免疫應答

炎癥是衰老的標志之一,mtDNA含有大量與細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)、核苷酸結合寡聚化結構域樣受體蛋白(nucleotide-binding oligomerization domain receptor protein,NLRP)等感受器結合參與炎癥反應(mtDNA-TLR9-NFκB軸、mtDNA-NLRP3-caspase1途徑和mtDNA-STING-IRF3),引起多種先天免疫反應[48],這些免疫應答在衰老中也被激活。TLR9與mtDNA的識別可激活核因子-κB信號通路,增加如腫瘤壞死因子-α、白細胞介素-6、白細胞介素-1β[47]等表達;在動物實驗中發現,注射mtDNA可以誘導小鼠肺部嚴重炎癥[49],持續性的炎癥刺激可激活先天免疫應答,炎癥細胞釋放的細胞因子、趨化因子、一氧化氮和ROS可以進一步誘導線粒體損傷,從而形成惡性循環。作為DAMPs的來源之一,mtDNA調節免疫應答并促進炎癥進展是先天免疫系統的關鍵角色,已被認為是線粒體損傷和全身炎癥之間功能性聯系的標志物[50]。

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