線粒體自噬在感音神經性耳聾中的研究進展

李采霓,徐曉翔,陳 雄,賀祖宏

(武漢大學中南醫院耳鼻咽喉頭頸外科,湖北 武漢 430071)

隨著人口老齡化以及致聾因素的廣泛暴露,聽力損失已成為全球人殘疾的最主要原因之一。聽力損失可分為傳導性聾(conductive hearing loss)、感音神經性聾(Sensorineural hearing loss,SNHL)和混合性聾,以SNHL最為常見。SNHL是由耳蝸螺旋器(柯蒂氏器、Corti′s organ)、聽覺神經傳導通路及各級聽覺中樞的病變導致的聽覺感受和傳導功能障礙。引起SNHL的主要因素包括發育、衰老、噪聲、耳毒性藥物以及一些慢性應激過程等[1],其中毛細胞損傷是造成獲得性SNHL的最主要機制[1]。毛細胞因其不可再生的特性,損傷后往往會導致永久性的聽力損失。

研究表明,線粒體功能障礙、活性氧物質(reactive oxygen species,ROS)和炎癥介質與毛細胞損傷密切相關,而線粒體在上述過程中均扮演著重要角色。線粒體自噬作為重要的線粒體功能調控機制[2],已被證實在神經退行性疾病、代謝疾病、衰老等多項病理過程中表現異常[3],在SNHL小鼠模型中也觀察到下調的線粒體自噬。因此探索更多線粒體自噬與毛細胞損傷之間的聯系,對認識SNHL病理機制具有重要意義。

1 感音神經性聾及其主要機制

毛細胞的損傷和丟失是SNHL最常見的組織學異常。毛細胞作為人體內唯一的聽覺感受器,是內耳耳蝸基底膜上螺旋器的主要組成成分,主要由1排內毛細胞和3～4排外毛細胞及其支持細胞共同組成,其中毛細胞直接與螺旋神經節通過突觸連接,將聽覺信息傳至聽覺中樞[4]。當聲音經傳導鏈由外耳傳入內耳引起基底膜的震動后,毛細胞上的纖毛與覆蓋其上的蓋膜發生相對運動,導致毛細胞電位的變化,從而將聽覺由機械能傳導轉化為電能傳導[5]。之前關于毛細胞損傷的分子機制研究多集中于動物模型,已知相關機制如抗氧化系統的失衡導致活性氧或活性氮類物質累積的細胞毒性、釋放促炎因子誘導炎癥反應、多種方式啟動細胞凋亡/壞死途徑等[1, 4, 6]。

2 線粒體自噬的主要機制

2.1 細胞自噬細胞自噬即細胞的自我吞噬,是指胞質內大分子物質或細胞器在膜包囊泡中被包裹降解的過程,是維持細胞穩態的一種生理機制,通常將囊泡與其內被包裹的內容物稱為自噬體或自噬泡。隨后自噬體與溶酶體結合形成自噬溶酶體,完成降解,這一過程依賴于自噬相關蛋白的募集[7]。自噬在生物體內表現出雙重作用,即在正常生理條件下自噬可以清除體內受損傷的物質或細胞器,維持細胞的穩態平衡;在某些病理條件下或是衰老過程中,自噬也有可能直接導致健康細胞的非正常死亡。根據自噬對于底物的選擇性,自噬又可分為非選擇性自噬和選擇性自噬。前者將生物大分子或細胞器隨機的與溶酶體結合降解;而選擇性自噬一般具有專一的底物,主要是受損的細胞器,線粒體自噬即通過自噬機制選擇性降解胞內受損的線粒體,以維持線粒體功能穩態[8]。

2.2 線粒體結構及功能線粒體是具有雙層膜結構并在進化上相對保守的一類細胞器。其存在于大多數真核細胞內,具有獨立于細胞核的一套遺傳體系,參與能量和物質代謝、離子儲存、神經調節等多種關鍵基礎生命活動,對于生命維持至關重要。線粒體的功能完整性受各種刺激的影響,如氧化應激、疾病和衰老。損傷線粒體如果沒有得到及時清除,會進一步對機體產生不良影響,其中最常見的后果便是產生過量活性氧類物質并釋放到胞質中,發揮細胞毒性,誘導凋亡和炎癥的發生。此外,線粒體膜通透性的改變可以向胞質內釋放細胞色素c,激活cleaved-CASP9(caspase9)及下游通路,誘導細胞凋亡[9]。上述機制均已經在SNHL小鼠模型中得到證實,說明異常的線粒體功能與SNHL中的毛細胞損傷存在相關性[10]。

2.3 線粒體自噬及相關機制線粒體數量和功能穩態的維持依賴于線粒體質量控制機制,包括線粒體生物發生和線粒體自噬等多種線粒體調節機制,對于生理和病理活動都具有重要意義。生理狀態下線粒體自噬以清除損傷或衰老的線粒體為主,另外,在某些特殊細胞發育過程中(紅細胞分化等)線粒體自噬執行對紅細胞內部線粒體的清除,當細胞周圍微環境改變或部分應激條件存在時(比如缺氧)也可以誘導線粒體自噬的發生[9]。線粒體自噬主要由線粒體外膜蛋白介導,包括酵母Atg32以及哺乳動物系統中的NIX/BNIP3L、BNIP3和FUNDC1等。酵母中線粒體外膜上的Atg32與Atg8、Atg11形成復合體,啟動線粒體自噬,而在哺乳動物體內的PINK1/PRKN途徑以及由受體介導的NIX/BNIP3L(NIP3樣蛋白X)、BNIP3和FUNDC1線粒體自噬,則通過LC3互作區域(LIR)直接結合LC3來啟動自噬體的形成。研究報道,在紅細胞的成熟過程中依賴NIX介導的線粒體自噬完成自身線粒體的清除,哺乳動物體內參與調控損傷線粒體自噬的經典機制以線粒體蛋白激酶PINK1/PRKN為主[9～11]。在線粒體自噬發生前先出現動力相關蛋白1 (dynamin-related protein 1, DRP1) 介導的線粒體分裂[12],受損線粒體膜電位的變化引起線粒體外膜PINK積累和磷酸化,招募PRKN結合在受損線粒體外膜表面,引起線粒體膜蛋白的泛素化,進而激活泛素-蛋白酶體系統,促進自噬體形成和線粒體自噬[9]。

目前線粒體自噬逐漸成為神經退行性疾病領域的熱點問題,已有研究證明在阿爾茲海默癥受損神經元中存在線粒體功能障礙,病原性的Aβ淀粉樣蛋白和Tau樣蛋白可以通過抑制線粒體自噬引起受損線粒體的積累[13]。雖然其具體影響機制尚不明確,但該結果表明線粒體自噬或許可以作為阿爾茲海默癥潛在的治療靶點。已有研究證實了在部分SNHL患者中也觀察到了線粒體自噬功能的失調,且線粒體自噬激活劑干預后可以有效逆轉耳毒性藥物誘導的毛細胞損傷[10],提示線粒體自噬可能是未來干預治療因毛細胞損傷導致的感音神經性聾的新靶點。

3 線粒體自噬在感音神經性聾中的研究進展

研究表明,SNHL相關因素(噪聲、耳毒性藥物、衰老等)均可以通過損傷線粒體誘導毛細胞死亡(損傷的線粒體積聚大量的活性氧組分和氧化應激損傷等誘導凋亡或壞死發生),進而造成聽力損失。線粒體自噬作為線粒體質控機制中清除受損線粒體的主要方式,可能作為干預SNHL中毛細胞損傷的潛在途徑。

3.1 線粒體自噬與藥物相關性聽力損失目前臨床常見的耳毒性藥物包括氨基糖苷類抗生素、鉑類抗腫瘤藥、袢利尿劑等,其中以氨基糖苷類抗生素和鉑類藥物對聽覺損害最為嚴重(多為不可逆的傷害),造成雙側、永久性的感音神經性聾,故研究主要集中在二者誘導的耳毒性相關機制上,大部分以動物實驗為主,臨床試驗相對受限[14]。鉑類作為最常用的細胞毒性抗癌藥物之一,以順鉑的使用率最高且耳毒性最強,與氨基糖苷類抗生素類似,其耳毒性多被認為與耳蝸毛細胞的損傷相關,且損傷均以耳蝸基底部毛細胞為始,逐步進展到頂端毛細胞,在臨床上表現為由高頻區向低頻區進展的永久性的聽力損失[14, 15]。

氨基糖苷損害內耳的確切機制尚未完全闡明,但多數證據證明耳蝸內活性氧物質的過度積累和細胞凋亡是氨基糖苷類藥物誘導聽力損失的關鍵因素之一[16]。氨基糖苷類藥物通過機械電轉導(MET)通道進入內耳毛細胞,與核糖體亞基結合,干擾翻譯過程阻止蛋白質合成,因線粒體核酸表達體系更加薄弱,因此線粒體蛋白受到的影響更大,繼而損傷線粒體正常功能。此外,氨基糖苷類藥物還可影響內質網和線粒體完整性[14, 16]。已有研究發現,在新霉素——氨基糖苷類藥物誘導的毛細胞損傷模型中觀察到了PINK1/PRKN通路為主的線粒體自噬功能受損,此外還觀察到線粒體自噬激動劑可在一定程度上逆轉毛細胞損傷[7, 10]。但仍缺乏有效證據證明藥物對毛細胞造成的損傷是由線粒體自噬失調直接導致。

現有的動物實驗中關于順鉑耳毒性的機制研究表明,順鉑對于毛細胞的損傷主要通過轉運蛋白(CTR1、OCT2)介導入胞后結合并損傷細胞DNA、激活NADPH(nicotinamide adenine dinucleotide phosphate)氧化酶亞基的合成并催化ROS產生、釋放促炎因子,激活炎癥級聯反應[15, 17]。線粒體作為細胞氧化代謝中心,ROS是其代謝氧的主要副產物。另外,相較于有組蛋白結合的細胞核DNA,裸露的線粒體DNA更容易與順鉑結合并受到損傷且缺乏完善的核酸修復機制,線粒體功能異常也會加劇ROS的產生,同時損傷線粒體的積累會進一步加重細胞損傷[18, 19]。因此,及時有效的清除損傷線粒體顯得尤為重要。此外,還有研究發現存在線粒體基因12SrRNA、A1555G與C1494T突變的個體對氨基糖苷類藥物的耐受性更低,更容易出現藥物相關性耳聾。A1555G還可能導致蛋白質合成過程中mRNA的翻譯錯誤,直接導致毛細胞的死亡[20]。

3.2 線粒體自噬與年齡相關性聽力損失年齡相關聽力損失(aging-related hearing loss,AHL)指由于年齡增長引起的細胞老化或退行性變,多表現為聽力下降及認知能力的下降。衰老是影響成人聽力的最主要原因之一,除此之外,隨著年齡增長其他危險因素的作用累加,也是造成老年人群聽力損失的原因之一[21]。

部分學者認為在SNHL領域線粒體功能障礙和活性氧物質的累積加劇了患者聽力損失的程度。已有研究表明,線粒體功能障礙是細胞衰老的特征之一[22],同時在衰老耳蝸細胞和老年小鼠內觀察到了線粒體自噬發生蛋白DRP-1表達水平和線粒體吞噬水平的下降,提示線粒體自噬在毛細胞老化過程扮演著重要角色[12]。衰老小鼠模型中觀察到線粒體自噬相關基因(PINK1、Parkin、BNIP3等)在聽覺皮層中的表達下降,線粒體自噬功能下調,ABR檢測結果顯示聽力閾值顯著升高,這也說明線粒體自噬可能與老年性耳聾的發生有關[23]。另外,部分研究發現在AHL小鼠模型中miRNA(長度約為22nt的非編碼RNA)也發揮了調控作用,miR-34a/SIRT1信號可能與AHL及線粒體自噬相關,但具體機制尚未完全闡明[24]。

另一方面,與細胞核DNA完善的修復機制相比,衰老細胞中的線粒體DNA更容易積累基因突變,造成線粒體功能結構的損傷,影響線粒體自噬,導致細胞能量代謝、氧化應激等多方面受到影響。在AHL的相關研究中,存在線粒體突變的小鼠更容易出現毛細胞、血管紋和螺旋神經節的損傷,表現出更早的聽力損失[24]。目前已經發現100多個聽力損失相關的基因突變,以及部分與其它易感因素相關的基因突變,均可能使SNHL的患病概率大大增加。以甲狀腺激素受體α1(thyroid hormone receptor α,TRα1)為例,TRα1可能參與到耳蝸毛細胞的發育和成熟,TRα1突變型小鼠表現出毛細胞和骨骼發育異常以及在青年期即表現出聽力異常,老年性聾也會更早出現[25]。

3.3 線粒體自噬與噪聲相關性聽力損失長期暴露于噪聲環境中會對聽力系統造成永久性的損傷,尤其是耳蝸毛細胞。噪聲相關的聽力損失程度與噪聲音量大小及暴露時間相關,根據損傷程度不同可分為暫時性聽閾偏移和永久性聽閾偏移。長時間持續的噪音損傷將會引起永久性的聽力損失[26]。

大量的數據表明噪聲暴露引起的毛細胞損傷主要是通過氧化損傷介導的,并且使用抗氧化劑可干預NIHL引起的毛細胞損傷。噪聲暴露不但可以直接引起毛細胞形態結構的機械性破壞或聽覺皮層完整性的破壞,同時也可以通過生理化學途徑損傷毛細胞,其中一個關鍵途徑即通過鈣超載和ROS累積誘導毛細胞氧化損傷,此外還有研究發現噪聲會直接破壞線粒體的功能及線粒體DNA的穩定性。在噪聲暴露后早期,pejvakin介導的過氧化物酶體自噬受到激活[27]。因此,研究線粒體自噬可能對于調控線粒體穩態、減少噪聲損害具有重要意義,然而目前并沒有研究直接探討NIHL與線粒體自噬之間的關系。近年來有研究發現在NIHL模型中觀察到了線粒體自噬的上調,當使用抗氧化劑減少細胞氧化損傷的同時也一定程度激活了線粒體自噬[28]。

4 結語與展望

目前隨著研究的深入,人們逐漸認識到自噬在SNHL中的作用,已有證據表明自噬機制在SNHL的病理過程中發揮著關鍵作用。線粒體自噬作為選擇性清除線粒體的主要途徑,對于維持線粒體功能穩態具有重要意義。在藥物相關性、衰老相關性和某些遺傳性相關的SNHL中,已有證據表明線粒體自噬也參與其中,但其究竟扮演什么樣的角色仍不清楚。線粒體自身功能的復雜性以及耳蝸特有的血迷路屏障結構,都是線粒體相關研究在內耳領域需面對的挑戰。以線粒體自噬作為切入點,或許可為聽覺系統的損傷保護提供潛在的干預方案。