線粒體DNA在急性肺損傷發生、發展中的作用

顧曉凌 宋 勇

急性肺損傷(acute lung injury，ALI)是指由嚴重感染、休克、創傷以及燒傷等各種非心源性的肺內外致病因素所導致的急性、進行性、低氧性呼吸功能不全或衰竭。其病理特征表現為以肺泡上皮細胞和肺毛細血管內皮細胞損傷、彌漫性肺間質以及肺泡水腫，臨床表現為頑固性低氧血癥、呼吸窘迫和非心源性肺水腫。ALI是常見的呼吸危重癥，也是危重癥患者死亡的主要原因之一，多年來一直是呼吸及危重病醫學界研究的熱點和難點。ALI的發病機制及相應的治療手段雖然已經取得了一些進展，但其發病率和病死率仍較高，病死率高達35% ～40%［1］。此外，ALI的發病機理十分復雜，涉及多個環節，具體發病機制尚未完全闡明。目前認為過度失調的炎癥反應是ALI發生、發展的最為重要的因素之一。亦有研究顯示細胞凋亡特別是肺泡上皮細胞和肺微血管內皮細胞的凋亡增加也參與了ALI的發病過程［2］。繼往的研究表明線粒體DNA(mitochondrial DNA，mtDNA)是介導線粒體及細胞代謝功能的重要構件［3-4］。氧化應激誘導的mtDNA損傷能夠觸發線粒體功能障礙、肺動脈內皮細胞凋亡，破壞肺泡—血管內皮屏障。此外，近年來研究發現mtDNA尚具有獨立于線粒體本身的內源性致炎作用［5-6］。組織、細胞在創傷、休克等多種病理生理條件下釋放mtDNA，mtDNA與模式識別受體(pattern recognition receptor，PRR)結合，經細胞信號轉導機制激活炎癥反應級聯，導致組織、器官損傷。可見mtDNA在ALI的發生、發展中可能扮演重要角色，現就mtDNA與ALI發生、發展的潛在關系進行綜述。

一、mtDNA的結構與功能

線粒體是除細胞核之外唯一含有DNA的細胞器，每個線粒體中含有多拷貝數的mtDNA［7-8］。人mtDNA為一條超螺旋、雙鏈環狀DNA分子，含16 569bp，共有37個結構基因，分別編碼2種rRNA(16S rRNA、12S rRNA)、22種tRNA和13種蛋白質亞基。mtDNA編碼的13種多肽鏈分別為:復合物Ⅰ中的7個亞基，復合物Ⅲ中的1個亞基，復合物Ⅳ中的3個亞基以及F0中的2個亞基。這些均為參與線粒體氧化磷酸化過程的重要蛋白質，因此mtDNA結構和功能的完整性是維持線粒體及細胞正常生命活動的基礎。

mtDNA雖與多種蛋白質緊密結合形成一種被稱之為“擬核”的復合體，但是缺乏染色質結構，不與組蛋白結合，不為核膜所包被。另一方面，線粒體電子傳遞鏈的氧化磷酸化反應在進行能量轉化、生成ATP的同時，伴隨著副產物—活性氧類(reactive oxygen species，ROS)的產生，形成一種高度氧化的環境。此外，mtDNA本身又缺乏有效的DNA氧化損傷修復系統，因此，與核DNA相比，mtDNA對各種氧化應激所導致的DNA損傷極為敏感［9］。

Margulis在1970年提出了“線粒體形成的內共生學說”:真核細胞進化過程中，細菌被原始真核細胞吞噬，在長期互利共生中逐漸演化形成了現在哺乳動物細胞中廣泛存在的線粒體，而被吞噬細菌的DNA則演化成了現在的mtDNA。mtDNA序列中廣泛存在著非甲基化的以胞嘧啶、鳥嘌呤核苷酸為核心的CpG基元(CpG motifs)，在核苷酸組成上與細菌DNA類似［5］。近年來的研究還顯示:與細菌DNA的免疫刺激活性類似，mtDNA具有能夠被機體固有免疫系統的PRR識別，激活炎癥反應［10-11］。因此，mtDNA本身即具有獨立于線粒體代謝的內源性致炎作用。

二、mtDNA在ALI發生、發展中的作用

1．mtDNA的致炎性質在ALI發生、發展中的潛在作用:Hajizadeh等［12］于2003年首次報道在小鼠關節腔內注射純化的mtDNA能夠誘導發生關節炎，提示mtDNA具有免疫刺激活性。進一步的研究提示mtDNA通過作用于固有免疫細胞，包括單核/巨噬細胞、中性粒細胞等，誘導核轉錄因子NF-κB的活化，促進促炎細胞因子的產生，從而誘導關節炎的發生［13］。最近的研究則進一步闡述了mtDNA內源性致炎作用的相關機制［5-6］。鑒于mtDNA起源于細菌DNA的內共生學說，目前認為mtDNA是一個可以被機體固有免疫系統的PRR所識別的，與損傷相關分子模式(damage associated molecular pattern，DAMP)。mtDNA通過與中性粒細胞表達的TLR9(toll-like receptor 9，TLR9)結合，誘導 p38MAPK激酶磷酸化，激活中性粒細胞釋放基質金屬蛋白酶(matrix metalloproteinases，MMP)MMP-8、MMP-9，產生多種促炎癥介質，始動炎癥級聯反應，進而誘導全身炎癥反應綜合征(systemic inflammatory response syndrome，SIRS)。因此，mtDNA不僅具有局部致炎作用，而且還能始動全身炎癥反應。

研究顯示與ALI相關的多種致病因素包括嚴重創傷、失血性休克、急性缺血性卒中、重癥感染等都可能伴有組織和細胞的嚴重損傷或壞死，進而導致mtDNA被大量釋放進入血液循環，使得血漿mtDNA水平顯著升高［5-6，14-15］。根據現有的文獻，目前雖然尚無法直接證實mtDNA能夠促進ALI的發生、發展，但是Zhang等［6］研究顯示接受含有mtDNA的線粒體碎片(mitochondrial debris，MTD)靜脈注射的大鼠，表現出明顯的系統性炎癥反應特征以及肺損傷的病理改變。因此，我們可以推測循環中的mtDNA可誘導器官損傷，在始動或促進ALI的發生、發展中可能發揮重要作用。

2．mtDNA的氧化損傷在ALI的發生、發展中的潛在作用:ROS是導致ALI發生、發展的一個重要因素［16］。研究顯示DNA是ROS作用的靶分子之一，mtDNA對ROS所致的氧化損傷極為敏感［8，11］。與mtDNA類似，氧化損傷的mtDNA亦具有免疫原性，能夠激活機體固有免疫系統，始動炎癥級聯反應導致多種組織、器官的炎癥性損傷［17］。但其相關的確切機制目前尚不甚清楚。

此外，氧化損傷的mtDNA尚具有激活內源性細胞凋亡通路的特性。Ricci等［18］的研究提示mtDNA的氧化損傷會抑制mtDNA的轉錄，降低mtDNA編碼的呼吸鏈中相關亞基蛋白的表達水平，導致線粒體氧化磷酸化過程中電子傳遞鏈的中斷。而線粒體呼吸鏈功能障礙則又會反過來導致ROS產生的增加，加重mtDNA的氧化損傷，致使惡性循環形成，最終激活內源性細胞凋亡通路，導致細胞死亡。新近的研究還提示mtDNA的氧化損傷會影響線粒體擬核復合物中mtDNA與其結合蛋白結合的穩定性，可能與后續細胞凋亡通路的激活相關［19］。

基于肺血管內皮細胞的基礎研究提示:ROS能夠誘導肺血管內皮細胞mtDNA氧化性損傷，而氧化損傷的mtDNA觸發線粒體功能障礙，并與后續細胞凋亡通路的激活相關，最終導致肺血管內皮屏障功能障礙［3-4，20］。因此，基于氧化損傷的mtDNA在誘導炎癥反應、調節肺血管內皮細胞凋亡方面的雙重作用，可以推測氧化損傷的mtDNA在始動或者是促進ALI的發生、發展中扮演重要角色。

三、結語

mtDNA不僅具有與細菌DNA類似的免疫原性，激活炎癥級聯反應，始動組織、器官炎癥性損傷，而且mtDNA對氧化應激極為敏感，氧化損傷的mtDNA除了保持原本的免疫刺激活性，更能激活內源性細胞凋亡通路。目前認為過度失調的炎癥反應、細胞凋亡(特別是肺血管內皮細胞的凋亡增加)是ALI發生、發展的重要因素。因此，mtDNA具有潛在的始動或促進ALI發生、發展的作用。深入研究mtDNA在ALI發病機制中的具體作用，不僅可以為尋找新的治療靶點奠定理論基礎，而且也有望在疾病的始動環節上控制ALI的發生。

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