線粒體自噬紊亂在糖尿病腎病發病機制中的作用研究進展

易鑫堯，郭婷莉，張 萌，郁 葉，顏文慧，陳莉娜

（西安交通大學醫學部基礎醫學院藥理學系，陜西 西安 710061）

自噬是依賴于溶酶體的細胞降解過程，對維持細胞結構穩定和功能的平衡至關重要，自噬紊亂和人類許多疾病包括癌癥、神經退行性疾病以及糖尿病腎病（diabetic nephropathy，DN）等密切相關。自噬可分為巨自噬、微自噬和分子伴侶介導自噬［1］。線粒體自噬屬于巨自噬，通過自噬途徑將受損的線粒體清除以維持細胞內的穩態。根據自噬受體的分類可將哺乳動物中的線粒體自噬大致分為3類，分別是以P62、BRCA1鄰近基因1蛋白（neighbor of BRCA1 gene 1，NBR1）和視神經蛋白（optineurin，OPTN）為自噬受體的PTEN誘導激酶1（PTEN-induced putative kinase1，PINK1）/帕金森病蛋白2（parkinson protein2，parkin）介導的線粒體自噬、以Bcl2/腺病毒E1B相互作用蛋白（recombinant Bcl2/adenovirus E1B 19 ku interacting protein，BNIP)為自噬受體的線粒體自噬以及以FUN14結構域包含蛋白1（FUN14 domain-containing 1，FUNDC1）為自噬受體的線粒體自噬［2］。哺乳動物中主要以PINK1/Parkin介導的線粒體自噬為主，其步驟包括自噬前體的形成、自噬體的形成、自噬溶酶體的形成以及線粒體的降解，詳細過程分述如下：①線粒體自噬信號引發自噬激活激酶1（unc-51 like autophagy activating kinase 1，ULK1）復合物形成，ULK1復合物激活Ⅲ型磷脂酰肌醇3激酶（classⅢphosphatidylinositol 3-kinase，PI3KC3）/Vps34復合物并產生3-磷酸磷脂酰肌醇〔phosphatidylinositol 3-phosphate，PI3P〕，PI3P標記一個特定的內質網形成自噬前體［3］并招募效應蛋白WD重復結構域磷酸肌醇相互作用蛋白2（WD repeat domain phosphoinositideinteracting protein 2，WIPI2）和雙重FYVE結構域包含蛋白 1（double FYVE-containing protein 1，DFCP1）［4］；② 微管相關蛋白輕鏈 3-Ⅰ（microtubule-associated protein light chain 3-Ⅰ，LC3-Ⅰ）［5］與磷脂酰乙醇胺（phosphatidyl ethanolamine，PE）結合生成LC3-Ⅱ并通過WIPI2和DFCP1定位于吞噬泡上［6］。線粒體膜電位去極化使PINK1（PTEN-induced putative kinase 1，PINK1）在線粒體外膜聚集并從胞漿中招募Parkin。Parkin將大量的線粒體外膜蛋白泛素化，使自噬受體定位于線粒體外膜［7-9］。自噬受體通過其特異性的LC3相互作用序列（LC3-interacting region，LIR）與LC3相結合并將線粒體轉移到吞噬泡中，吞噬泡不斷延伸最終封閉形成自噬體；③自噬體和內溶酶體融合形成自噬溶酶體，然后自噬溶酶體中的酸性水解酶將線粒體降解從而將損壞的線粒體清除。

糖尿病是全球常見的一種慢性內分泌代謝疾病，可引發多種并發癥。糖尿病血管病是最嚴重的并發癥之一，其在臨床上表現為微血管和大血管并發癥。DN屬于微血管并發癥，它能引起40%～50%的終期腎疾病［10］，并且是糖尿病患者的主要死亡原因之一。DN的發病機制十分復雜，包括糖基化終產物的增多、氧化應激增強、己糖通路及戊二醇通路的激活等［11］。自噬功能異常也在DN進程中發揮重要作用。DN的病理過程十分復雜，其不僅是由腎組織內單一細胞的病變而引發的，而是腎組織中的各個細胞都可能存在線粒體自噬障礙。本文將分別敘述腎足細胞、腎小球內皮細胞、系膜細胞以及腎小管上皮細胞中的線粒體自噬紊亂。

1 糖尿病腎病中腎足細胞的線粒體自噬紊亂

足細胞又稱為腎小球臟層細胞，它是構成腎小球濾過系統的最后一道屏障，其損傷在糖尿病腎病的發展進程中起重要作用［12］。足細胞富含線粒體，在很大程度上依靠氧化磷酸化來供能，所以足細胞中線粒體功能紊亂也在DN進程中起重要的作用。很多研究表明，組蛋白去乙酰酶6（histone deacetylase Sirtuin 6，Sirt6）在一些疾病中能影響線粒體的形態和功能，使線粒體發生腫脹、空泡化和線粒體嵴消失，并且線粒體膜電位降低以及凋亡引起數量減少［13-14］。Sirt6在DN病理過程中起重要作用，能通過激活腺苷酸激酶（AMP kinase，AMPK）調控線粒體的生物合成和降解從而對線粒體起到保護作用。當Sirt6過表達時，高糖處理過的足細胞的p-AMPK表達增加，足細胞線粒體形態異常顯著改善，活性氧（reactive oxygen species，ROS）產生降低，足細胞受損得到改善。鑒于Sirt6和AMPK在調控自噬活性中起重要作用，高糖環境下Sirt6和AMPK受抑制則會引起線粒體形態異常并最終引起線粒體自噬受抑制，從而在DN發病機制中起重要作用［15］。

高糖環境下及DN模型中，足細胞的PINK1，Parkin和LC3表達顯著下降，而P62的表達顯著升高，表明足細胞的線粒體自噬受到抑制［16-18］。研究發現，在足細胞核中叉頭盒O1（forkhead-box class O1，FoxO1）能與PINK1基因的啟動子結合，從而激活PINK1基因的轉錄，促進足細胞線粒體自噬。在高糖環境下，FoxO1被磷酸化而轉移到胞漿中，喪失其轉錄活性，線粒體自噬從而受到抑制，線粒體ROS生成增加，線粒體膜電位降低，ATP水平降低。當足細胞中過表達FoxO1時，FoxO1能與PINK1基因的啟動子相結合并激活PINK1的轉錄，使PINK1表達增加，從而激活PINK1和Parkin介導的線粒體自噬。一旦線粒體自噬被激活，則可恢復線粒體功能并改善足細胞內的氧化應激狀態，從而改善DN的病理狀態［19］。

2 糖尿病腎病中腎小球內皮細胞的線粒體自噬紊亂

高糖環境下，腎小球內皮細胞發生過度氧化應激、細胞內鈣離子含量過高以及細胞骨架破壞等，從而導致腎小球內皮細胞選擇透過性降低，引發蛋白尿的發生［20-21］。腎小球內皮細胞是腎小球濾過膜系統的內層，其損壞會引發炎癥和蛋白尿的發生，故在DN的發生進程中起重要作用［22］。研究表明，在DN小鼠模型和高糖損傷腎小球內皮細胞模型中，線粒體形態和功能發生異常，ROS生成增加、線粒體膜電位降低。此外，PINK1和Parkin的表達降低，線粒體自噬受抑制并且細胞凋亡增加。而輔酶Q10（coenzyme Q10，CoQ10）能在一定程度上升高腎小球內皮細胞PINK1和Parkin的表達，激活線粒體自噬，從而在一定程度上改善DN。當采用線粒體自噬抑制劑Mdiv或siPINK1作用時，CoQ10的改善作用消失；并且當采用核轉錄因子E2相關因子2（nuclear factor E2-related factor 2，Nrf2）抑制劑ML385作用時，CoQ10的改善作用同樣消失。表明CoQ10是通過Nrf2/抗氧化反應元件通路激活線粒體自噬，減少ROS生成，緩解線粒體形態異常，從而改善DN［23］。

3 糖尿病腎病中腎小球系膜細胞的線粒體自噬紊亂

腎小球系膜細胞是腎小球固有的細胞，腎小球系膜由系膜細胞和細胞外基質構成，細胞外基質包圍細胞，細胞外基質數量增多以及發生肥大在DN進程中起重要作用。高糖可誘導腎小球系膜細胞中細胞外基質合成［24］，使腎小球系膜細胞缺血受損而發展成腎小球硬化［25］，腎小球硬化在DN進程中起重要作用。在以臨床樣本為對象的研究中發現，DN患者腎小球系膜細胞的PINK1和Parkin的mRNA含量相對正常腎小球系膜細胞顯著降低，線粒體自噬水平也下降［26］。

在DN模型小鼠和高糖損傷腎小球系膜細胞模型中，腎小球系膜細胞線粒體過度分裂碎片化，ROS過度產生，線粒體通透性轉換孔道開放從而使得線粒體依賴性細胞凋亡被激活［27］。同時，Parkin和LC3Ⅱ/LC3Ⅰ的表達降低，而P62的表達增加，線粒體自噬受抑制。研究表明，上述變化是由核受體NR4A1（nuclear receptor subfamily 4 group A member 1，NR4A1）通過激活線粒體分裂和抑制PINK1/Parkin介導的線粒體自噬引起的。在高糖環境下，系膜細胞中NR4A1表達增加從而激活P53的表達，而P53則會上調線粒體分裂因子的表達，從而激活線粒體分裂并下調Parkin的表達，進而抑制線粒體自噬。當敲除NR4A1基因時，線粒體分裂下降，氧化應激水平得以改善，線粒體通透性轉換孔道開放受抑制，促凋亡蛋白進入胞漿減少，從而凋亡受到抑制。此外，PINK1/Parkin介導的線粒體自噬被激活使受損線粒體得以清除，細胞穩態得以維持，DN得以改善［28］。

在DN患者中晚期糖基化終末產物（advancedglycation endproducts，AGE）增多且清除降低。研究表明，AGE和高糖能促進腎小球系膜細胞線粒體膜電位去極化，使ROS產生增多，并且膜電位降低激活胱天蛋白酶9，而胱天蛋白酶9反過來激活胱天蛋白酶3從而引發系膜細胞凋亡［29］。ROS的過度產生及線粒體膜電位的去極化也會激活自噬及線粒體自噬，從而清除受損的線粒體，降低ROS水平，減少腎小球系膜細胞凋亡。而線粒體自噬受阻礙會引起系膜細胞凋亡增加，從而引起系膜細胞丟失，導致腎小球硬化［25，30］。

4 糖尿病腎病中腎小管上皮細胞的線粒體自噬紊亂

腎小管上皮細胞損傷會引起腎間充質炎癥和纖維化，從而在DN進程中起重要作用。OPTN是線粒體自噬中重要的線粒體自噬受體，它包含泛素結合序列，能將具有多聚泛素鏈的線粒體和LIR結合，從而形成自噬體。核苷酸結合寡聚化結構域樣受體3（nucleotide-binding oligomerization domainlike receptor family pyrin domain-containing 3，NLRP3）炎癥小體能促進腎間充質炎癥，從而在DN發展中起重要作用［31］。在DN中，線粒體碎片化產生過多的ROS，激活NF-κB信號通路，從而使NLRP3，白介素 1β前體（pro-interleukin-1 beta，pro-IL1β）和白細胞介素18（interleukin-18，IL-18）轉錄增加，NLRP3炎癥小體被激活［32-33］。NLRP3炎癥小體的激活在DN的發病機制中起重要的作用。研究表明，在高糖存在下，腎小管上皮細胞中動態相關蛋白1（dynamin-related protein-1，Drp-1）表達增加而線粒體融合蛋白2（mitofusin2，Mfn2）的表達降低，線粒體碎片化加劇，且線粒體膜電位降低。此外，高糖環境下，腎小管上皮細胞的NLRP3炎癥小體表達增加，PINK1，Parkin和OPTN的表達下降，P62表達增加，線粒體自噬受到抑制。當過表達OPTN時，NF-κB信號通路受到抑制，且NLRP3炎癥小體的激活受到抑制，線粒體自噬顯著增加，線粒體ROS顯著減少，受損的線粒體得以清除，DN從而得到改善［34-35］。

損壞的線粒體會產生過量ROS，造成線粒體氧化應激，并引起促凋亡因子釋放而造成細胞凋亡，同樣過量ROS和高糖環境也會抑制線粒體自噬途徑，使細胞不能清除受損的線粒體，從而產生更多的ROS［36］。MitoQ是靶向線粒體的抗氧化劑，研究發現，其能增強高糖引起的腎小管上皮細胞的線粒體自噬缺陷，從而發揮對腎小管上皮細胞的保護作用，并且這種作用是通過Nrf/PINK1途徑調控的［37-38］。在高糖環境下，腎小管上皮細胞中的Drp-1表達顯著升高，而Mfn2的表達顯著降低，此外線粒體的膜電位和ATP的活性也都降低，這表明線粒體受損，線粒體過度分裂，并且線粒體融合受到抑制。同時腎小管上皮細胞中LC3Ⅱ，PINK1，Parkin和Nrf2的表達顯著下降，P62和Kelch樣環氧氯丙烷相關蛋白1（Kelch-like ECH-associated protein，Keap1）表達顯著升高，而細胞內和線粒體中的ROS顯著增加，表明線粒體自噬受到抑制。當MitoQ處理高糖環境中的腎小管上皮細胞時，PINK1和Parkin表達升高，線粒體自噬水平升高，細胞損傷得到改善。而當沉默Keap1時，線粒體自噬水平升高作用增強；當沉默Nrf2時，線粒體自噬水平升高作用減弱，表明MitoQ是通過Nrf/PINK1途徑調控PIN1/Parkin介導的線粒體自噬，從而增強線粒體自噬水平，改善腎小管上皮細胞損傷［39］。

5 結語

本綜述從線粒體自噬在DN發病機制中的重要作用出發，介紹了哺乳動物中主要由PINK1和Parkin介導的線粒體自噬的具體機制。此外，還介紹了DN中腎組織各細胞中所發生的線粒體自噬紊亂，造成細胞損傷甚至死亡，最終促進DN的發生發展（圖1）。雖已確定線粒體自噬在DN發病機制中起重要作用，但其在腎組織各細胞中的具體機制仍不明確，有待進一步探究。

圖1 腎組織中足細胞、腎小球內皮細胞、系膜細胞和腎小管上皮細胞4種細胞線粒體自噬紊亂.

DN發病早期難以診斷。目前，診斷DN的標志物是蛋白尿，但由于有些DN患者并未出現蛋白尿，使DN的診斷變得更加困難。目前，臨床上用于治療DN的藥物主要包括降低心血管風險、控制血糖、控制血壓及抑制腎素-血管緊張素系統的藥物，但它們只能延緩DN的進展，并不能逆轉DN所引起的病理變化。所以，現在迫切需要發現治療DN的新靶點，旨在根治DN，降低DN的高發生率和死亡率。

線粒體為細胞提供生命所必需的能量，線粒體自噬紊亂會引起損傷的線粒體清除障礙，造成線粒體的形態異常和功能紊亂，從而引發機體疾病。增強線粒體自噬可恢復線粒體正常的形態和功能，并改善腎細胞的功能形態。所以，將線粒體自噬作為治療DN的新靶點可能為治療DN帶來新的曙光。但當前由于線粒體自噬中的具體信號通路及作用機制還未闡明，所以目前通過改善線粒體自噬來治療DN還有待繼續研究。