線粒體自噬在高原缺氧腦損傷中的作用機(jī)制研究※

黃雅倩,灑玉萍,李永平

(1.青海大學(xué),青海 西寧810001；2.青海大學(xué)醫(yī)學(xué)院,青海 西寧810001)

大腦是人體高耗氧的器官,對(duì)缺氧極為敏感。缺氧是高原環(huán)境的一大特點(diǎn),高原缺氧尤其是急性缺氧會(huì)引起腦組織發(fā)生一系列的病理生理改變,最終引起大腦不可逆性損傷[1]。目前,國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究證實(shí),缺氧與自噬關(guān)系密切,缺氧會(huì)誘導(dǎo)自噬的發(fā)生,尤其是引發(fā)線粒體自噬的發(fā)生[2-4]。神經(jīng)元是高耗能及高代謝細(xì)胞,大腦及神經(jīng)組織中的興奮性氨基酸和神經(jīng)遞質(zhì)代謝后可不斷產(chǎn)生活性氧簇(ROS),ROS的過(guò)度累積易引起線粒體自噬,因此,線粒體自噬的發(fā)生對(duì)維持正常神經(jīng)元功能起著重要的作用。本文主要對(duì)線粒體自噬在高原缺氧性腦損傷中的作用機(jī)制研究進(jìn)行綜述,以期為相關(guān)領(lǐng)域的研究提供參考。

1 缺氧信號(hào)和線粒體

目前,缺氧誘導(dǎo)因子1(HIF-1)被認(rèn)為是適應(yīng)缺氧最重要的調(diào)節(jié)因子。HIF-1是一種由受缺氧誘導(dǎo)的亞基HIF-1α和組成性表達(dá)的亞基HIF-1β組成的異質(zhì)二聚體復(fù)合體。HIF-1β亞基不受氧濃度的影響,可在細(xì)胞中穩(wěn)定表達(dá)；HIF-1α亞基因其含有一個(gè)氧依賴(lài)降解區(qū),故受到氧的嚴(yán)格調(diào)控[5]。常氧條件下,HIF-1α蛋白被迅速降解,HIF-1復(fù)合物的轉(zhuǎn)錄活性極低；低氧條件下,HIF-1α蛋白穩(wěn)定表達(dá),并在細(xì)胞核內(nèi)與HIF-1β相互作用以促進(jìn)轉(zhuǎn)錄活性,通過(guò)調(diào)節(jié)促紅細(xì)胞生成素、血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子等在內(nèi)的下游靶基因的轉(zhuǎn)錄,從而應(yīng)對(duì)氧化應(yīng)激。線粒體作為細(xì)胞內(nèi)的關(guān)鍵細(xì)胞器,決定細(xì)胞的生存和死亡,一方面,其是細(xì)胞的“能量工廠”,通過(guò)電子傳遞鏈與線粒體內(nèi)膜的氧化磷酸化的偶聯(lián)作用產(chǎn)生三磷酸腺苷(ATP)；另一方面,其可啟動(dòng)細(xì)胞凋亡,使其更好地適應(yīng)生存環(huán)境。因此,及時(shí)清除受損、衰老或過(guò)量產(chǎn)生的ROS線粒體對(duì)維持正常的細(xì)胞活動(dòng)狀態(tài)至關(guān)重要。在缺氧條件下,線粒體是激活HIF-1α的氧傳感器,生成的ROS可影響HIF-1α及缺氧基因的生成和活性,并通過(guò)HIF-1信號(hào)途徑誘導(dǎo)線粒體自噬的發(fā)生[2]。

2 線粒體自噬的概念

2005年,LEMASTERS J J等[6]為了強(qiáng)調(diào)線粒體發(fā)生自噬具有選擇性這一特點(diǎn),首次提出“線粒體自噬”的概念,其是利用自噬活動(dòng)選擇性清除受損線粒體的機(jī)制,線粒體自噬的發(fā)生是對(duì)自身質(zhì)量的把控。

3 缺氧誘導(dǎo)線粒體自噬

3.1 線粒體自噬在高原缺氧腦損傷中的激活 低氧條件會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)的能量大量消耗,而線粒體作為機(jī)體的主要供能場(chǎng)所,在缺氧性腦損傷的生理病理過(guò)程中起著重要的作用。缺氧會(huì)引發(fā)一系列缺血級(jí)聯(lián)反應(yīng),它們同時(shí)發(fā)生并相互作用,線粒體的變化在神經(jīng)元應(yīng)對(duì)缺氧的反應(yīng)中起著關(guān)鍵的作用[7]。缺氧會(huì)誘導(dǎo)線粒體自噬的發(fā)生,從而選擇性清除功能障礙及不必要的線粒體,對(duì)維持自身穩(wěn)態(tài)及提高細(xì)胞存活率至關(guān)重要[8]。高原低壓缺氧易引起高原腦水腫,嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致不可逆性的腦組織損傷[9]。研究發(fā)現(xiàn),氧化應(yīng)激損傷及炎癥反應(yīng)可能是高原腦水腫發(fā)生的最主要的兩個(gè)因素[10]。

(1)氧化應(yīng)激過(guò)度激活 氧化應(yīng)激是引發(fā)細(xì)胞凋亡的有力機(jī)制,而線粒體是氧化應(yīng)激的重要靶點(diǎn),缺氧會(huì)導(dǎo)致線粒體功能降低[11]。研究發(fā)現(xiàn),腦神經(jīng)元對(duì)氧化應(yīng)激反應(yīng)十分敏感,是導(dǎo)致腦神經(jīng)元死亡的重要因素[12]。大腦缺氧后,線粒體氧化磷酸化發(fā)生障礙,ATP生成減少,無(wú)法達(dá)到維持離子泵活性的水平,依賴(lài)ATP的Na＋-K＋-ATP酶功能障礙,導(dǎo)致細(xì)胞膜的離子梯度被破壞并發(fā)生去極化,刺激Ca2＋相關(guān)通道開(kāi)放,Ca2＋內(nèi)流增多；線粒體及內(nèi)質(zhì)網(wǎng)對(duì)Ca2＋的阻滯作用降低、谷氨酸受體的啟動(dòng)增加等影響均使Ca2＋內(nèi)流增多,上述過(guò)程均可導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)Ca2＋超載損傷[13]。此外,通過(guò)線粒體膜通透性轉(zhuǎn)換孔的電子流減少,大量ROS生成,ROS與生物分子相互作用并損傷細(xì)胞內(nèi)的各種成分,如脫氧核糖核酸(DNA)、核糖核酸(RNA)、蛋白質(zhì)及脂質(zhì)等,改變細(xì)胞結(jié)構(gòu)和功能,引起神經(jīng)元的氧化應(yīng)激損傷、凋亡及壞死[14]。研究表明,氧化應(yīng)激及線粒體自噬在維護(hù)機(jī)體穩(wěn)態(tài)中存在相互作用關(guān)系,白藜蘆醇通過(guò)激活SIRT3/AMPK信號(hào)通路可增強(qiáng)線粒體自噬水平,從而減輕單核巨噬細(xì)胞(RAW 264.7)受氧化應(yīng)激誘導(dǎo)的細(xì)胞毒性的影響[15]。在氧化應(yīng)激下,活性氧通過(guò)激活PINK1/Parkin通路介導(dǎo)的線粒體自噬可清除受損線粒體,并減緩細(xì)胞衰老[16]。由此可見(jiàn),機(jī)體氧化應(yīng)激與線粒體自噬的調(diào)節(jié)是相互的,機(jī)體遭受氧化應(yīng)激損傷后可增強(qiáng)線粒體自噬程度,相反,線粒體自噬又可在一定程度上調(diào)節(jié)抗氧化水平,共同起到維護(hù)細(xì)胞內(nèi)穩(wěn)態(tài)的作用。

(2)炎癥反應(yīng) 炎癥反應(yīng)是一種非特異性的免疫反應(yīng),是高原缺氧性腦損傷病理進(jìn)程中的重要環(huán)節(jié)。缺氧后,全身炎癥通過(guò)破壞血腦屏障的通透性、激活小膠質(zhì)細(xì)胞及增強(qiáng)水通道蛋白4的表達(dá),從而加重腦損傷[17]。腦組織長(zhǎng)時(shí)間暴露在低壓低氧環(huán)境下,促炎因子上調(diào),腫瘤壞死因子-α(TNF-α)、干擾素-γ(IFN-γ)、白細(xì)胞介素-1β(IL-1β)及白細(xì)胞介素-6(IL-6)等刺激炎癥細(xì)胞釋放更多的炎癥因子及潛在的細(xì)胞毒性物質(zhì),進(jìn)一步破壞血腦屏障和細(xì)胞外基質(zhì),加重腦組織損傷[18-19]。研究表明,調(diào)節(jié)線粒體的結(jié)構(gòu)及功能可影響機(jī)體炎癥的發(fā)展進(jìn)程。氧化應(yīng)激是炎癥反應(yīng)的重要機(jī)制,而線粒體是氧化應(yīng)激的重要靶點(diǎn),因此線粒體與機(jī)體炎癥反應(yīng)關(guān)系密切。

3.2 與缺氧有關(guān)的線粒體自噬相關(guān)蛋白 缺氧激活的線粒體自噬多是以一種保護(hù)機(jī)制而存在,這一過(guò)程的發(fā)生依賴(lài)自噬蛋白。目前的研究發(fā)現(xiàn),哺乳動(dòng)物中,BNIP3(Bcl-2/adenovirus E1B-19 k Da-interacting protein 3)、BNIP3L(BNIP3-like)及FUNDC1蛋白與低氧誘導(dǎo)的線粒體自噬關(guān)系密切[20]。

(1)BNIP3/BNIP3L BNIP3及其同源物BNIP3L/Nix是僅含BH3結(jié)構(gòu)域的Bcl-2亞家族中的成員,定位于線粒體和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)內(nèi),兩者氨基酸序列同源性為56%,在線粒體中,BNIP3及Nix的BH3結(jié)構(gòu)域可抑制抗凋亡Bcl-2蛋白的功能[21]。BNIP3及Nix是直接受HIF-1轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)的一組靶基因,HIF-1激活下游基因轉(zhuǎn)錄的自噬信號(hào),促進(jìn)線粒體自噬清除受損線粒體。在缺氧條件下,BNIP3及Nix表達(dá)增加并與Beclin-1競(jìng)爭(zhēng)結(jié)合Bcl-2,提高自由Beclin-1水平,觸發(fā)線粒體自噬,減少ROS產(chǎn)生及促凋亡因子的釋放,防止細(xì)胞死亡,以此適應(yīng)缺氧[22]。此外,BNIP3及Nix都包含相同的N端LIR(LC3相互作用域),絲氨酸殘基17和24的磷酸化作用促進(jìn)BNIP3和哺乳動(dòng)物的微管相關(guān)蛋白1輕鏈3(LC3)的相互作用,加快線粒體降解和自噬[23]。目前,BNIP3及Nix在缺氧條件下激活的線粒體自噬對(duì)細(xì)胞的保護(hù)作用仍有待進(jìn)一步研究。

(2)FUNDC1 FUNDC1是缺氧誘導(dǎo)的一種線粒體自噬受體,可通過(guò)N端的LIR序與LC3結(jié)合,募集自噬體并誘發(fā)線粒體自噬[24]。正常情況下,FUNDC1的LIR序列中的18位酪氨酸(Tyr18)被SRC激酶磷酸化,絲氨酸13(Ser13)被酪蛋白激酶2(CK2)磷酸化,FUNDC1的活性因此被控制。在缺氧或線粒體解偶聯(lián)反應(yīng)中,SRC被滅活,Ser13被磷酸甘油酸變位酶5(PGAM5)去磷酸化,激活LIR序與LC3結(jié)合[25]。因此,PGAM5可使FUNDC1去磷酸化,轉(zhuǎn)化缺氧信號(hào),誘導(dǎo)FUNDC1介導(dǎo)的線粒體自噬。研究發(fā)現(xiàn),線粒體自噬在高原缺氧性腦損傷過(guò)程中受LC3及Beclin 1的調(diào)節(jié)[26]。

4 討論

缺氧致腦組織損傷是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程,涉及的損傷機(jī)制較為廣泛。目前,缺氧誘導(dǎo)的線粒體自噬機(jī)制主要包括：HIF-1激活BNIP3/NIX介導(dǎo)的通路誘導(dǎo)線粒體自噬、線粒體自噬受體FUNDC1的可逆性磷酸化激活的自噬、ROS導(dǎo)致的氧化應(yīng)激誘導(dǎo)的線粒體自噬。這些機(jī)制之間是否還存在某種相互作用或關(guān)系,仍有待進(jìn)一步研究。目前,相關(guān)學(xué)者對(duì)缺氧致腦組織損傷的相關(guān)病理過(guò)程研究已比較深入,但相關(guān)的損傷機(jī)制、相關(guān)的信號(hào)通路、損傷機(jī)制及相關(guān)信號(hào)通路之間的關(guān)系仍不是很明確,仍需要進(jìn)行大量研究,這將有助于為高原缺氧性腦損傷的治療提供更為明確的思路和方向。