線粒體質量控制在腎臟缺血再灌注損傷中作用機制的研究進展

張博英，喬玉峰，劉紅艷

1 山西醫(yī)科大學第二醫(yī)院，太原030001；2 山西省人民醫(yī)院

線粒體是真核細胞重要的細胞器，不僅通過氧化磷酸化產(chǎn)生ATP 為細胞提供能量，同時也參與三羧酸循環(huán)、脂肪酸氧化、血紅素合成及鈣穩(wěn)態(tài)等代謝過程，對維持細胞內環(huán)境穩(wěn)態(tài)及機體生命活動具有重要意義。線粒體質量控制是通過調控線粒體形態(tài)、數(shù)量和質量的相對穩(wěn)定來維持細胞和生物體內穩(wěn)態(tài)，是細胞內一種重要的防御機制。線粒體質量控制機制分為分子水平和細胞器水平兩個方面，前者包括線粒體蛋白酶和分子伴侶的調控，后者包括線粒體生物合成、線粒體動力學（融合/分裂）、線粒體自噬和線粒體衍生囊泡等重要生物學過程［1］。生理狀態(tài)下，線粒體需要通過質量控制來及時合成新的線粒體、維持線粒體形態(tài)及清除受損線粒體，從而維持細胞內穩(wěn)態(tài)，而在應激、缺氧環(huán)境等病理條件下，線粒體質量控制發(fā)生失調，將引起線粒體結構損傷和功能障礙，表現(xiàn)為線粒體腫脹和嵴消失、膜電位下降、線粒體通透性轉化孔開放、ATP 合成障礙、活性氧自由基過度產(chǎn)生、促凋亡因子釋放增多等，最終導致細胞凋亡和組織損傷［2］。腎臟缺血再灌注損傷（IRI）是缺血腎臟組織重新恢復血供或氧供后所產(chǎn)生的二次損傷，其發(fā)病機制復雜，涉及氧化應激、鈣超載、內質網(wǎng)應激以及細胞凋亡等多個方面［3］。研究顯示，線粒體質量控制失調與腎臟IRI 的發(fā)生發(fā)展密切相關。現(xiàn)從線粒體生物合成、線粒體動力學及線粒體自噬三個方面對線粒體質量控制在腎臟IRI中作用機制的研究進展綜述如下。

1 線粒體生物合成在腎臟IRI中的作用機制

線粒體生物合成是線粒體通過增殖產(chǎn)生新的線粒體來滿足細胞的能量需求，受線粒體DNA 和核DNA 的雙重調控。過氧化物酶體增殖激活受體共激活因子1（PGC-1α）是線粒體生物合成的關鍵調節(jié)因子，研究發(fā)現(xiàn)，與腎臟線粒體生物合成有關的通路包括腺苷酸活化蛋白激酶（AMPK）/沉默信息調節(jié)因子1（Sirt1）/PGC-1α/核呼吸因子1/2（Nrf1/2）通路、可溶性鳥苷酸環(huán)化酶（sGC）/環(huán)磷酸鳥苷（cGMP）/Ⅱ型cGMP 依賴性蛋白激酶G（PKG）/p38/PGC-1α 通路、細胞外調節(jié)蛋白激酶1/2（ERK1/2）/miR-34a/煙酰胺磷酸核糖轉移酶（NAMPT）/PGC-1α通路等。

1.1 AMPK/Sirt1/PGC-1α/Nrf1/2 通路 目前線粒體生物合成信號通路研究最成熟的是AMPK/Sirt1/PGC-1α/Nrf1/2 通 路，當PGC-1α 被 上 游AMPK 或Sirt1 通過翻譯后修飾激活后，便與下游轉錄因子靶標Nrf1/2 相互結合并輔助激活，從而促進線粒體DNA 的轉錄和線粒體蛋白質的合成，最后形成新生線粒體［4-5］。研究顯示，Sirt1 激動劑SRT1720［6］、白藜蘆醇［7］以及AMPK 激動劑AICAR［8］均可通過增加PGC-1α 表達促進腎臟線粒體生成，提高抗氧化能力，從而減輕IRI。另外，彭鈞渤等［9］發(fā)現(xiàn)，在缺氧復氧誘導的HK 細胞中，肝再生增強因子高表達可激活SIRT1/PGC-1α/NRF1 信號通路，誘導線粒體生成，最終減輕線粒體及腎小管細胞損傷。

1.2 sGC/cGMP/PKG/p38/PGC-1α通路 sGC/cGMP/PKG/p38/PGC-1α 通路是參與調節(jié)腎臟線粒體生物合成的另一信號轉導通路。BHARGAVA 等［10］在近端腎小管上皮細胞中觀察到，激活sGC 可使cGMP表達顯著增加，進而激活PKG，而PKG 的活化又促使p38 磷酸化，后者可直接使胞質中的PGC-1α 磷酸化，促進其轉位至細胞核，從而啟動線粒體生物合成。給予sGC 激動劑riociguat 預處理可通過激活此通路促進腎小管細胞中線粒體生物合成，此外，β2腎上腺素受體激動劑formoterol 或5-HT1F 受體激動劑LY344864可增加p38磷酸化水平，進而提高PGC-1α表達，最終促進線粒體生物合成。上述研究表明，sGC/cGMP/PKG/p38/PGC-1α 通路可能為腎臟IRI 的防治提供新的靶點。

1.3 ERK1/2/miR-34a/NAMPT/PGC-1α 通路 研究顯示，在腎臟IRI 中激活ERK1/2，可通過下調PGC-1α 及其下游靶基因的表達來抑制線粒體生物合成［11］，但其具體機制仍不明確。近期研究證實，miR-34a/NAMPT 途徑在調節(jié)ERK1/2 通路介導的線粒體生物合成中發(fā)揮重要作用。COLLIER 等［12］在動物實驗中發(fā)現(xiàn)，腎臟IRI 后ERK1/2 磷酸化水平顯著升高，而PGC-1α 表達和煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD+）含量均顯著降低，給予ERK1/2 磷酸化抑制劑trametinib 預處理抑制ERK1/2 磷酸化后，腎皮質miR-34a 的表達下調。因miR-34a 是調節(jié)NAMPT 和Sirt1 蛋白表達的關鍵因子，且NAMPT 是NAD+補救合成途徑的重要限速酶，因此miR-34a 下調可增加Sirt1 和NAMPT 蛋白表達，進而NAD+含量增多，PGC-1α 表達水平也相應升高，促進線粒體生物合成，從而降低血肌酐水平，改善腎組織損傷。并且該研究顯示，trametinib 的腎臟保護作用可被miR-34a模擬物或NAMPT 抑制劑FK866 所阻斷。因此，ERK1/2 可通過調節(jié)miR-34a/NAMPT 途徑來影響腎臟線粒體生物合成，為治療腎臟IRI提供新的思路。

2 線粒體動力學與腎臟IRI

線粒體是一種高度動態(tài)的細胞器，通過不斷分裂/融合來維持正常的線粒體網(wǎng)絡。線粒體動力學是調節(jié)線粒體質量動態(tài)控制的重要生理機制。

2.1 線粒體分裂與腎臟IRI 線粒體分裂的相關蛋白包括動力相關蛋白1（Drp1）、線粒體分裂蛋白1（Fis1）和線粒體分裂因子（MFF）等。

Drp1 最常見的翻譯后修飾是磷酸化/去磷酸化修飾，而激活或抑制Drp1 活性則取決于其磷酸化位點，Drp1 的Ser616 位點磷酸化可增強其活性，而Ser637 位點磷酸化減弱其活性［13］。近期研究證實，在腎臟近端腎小管細胞中，大麻素1 受體（CB1R）可通過調節(jié)Drp1 不同位點的磷酸化水平來影響線粒體動力學。在正常情況下，蛋白激酶A（PKA）可刺激Drp1 的Ser637 位點磷酸化進而抑制線粒體分裂，而激活CB1R 可抑制PKA 活性，并提高ERK1/2 磷酸化水平，導致Drp1 的Ser616 位點磷酸化增加，進而促進線粒體分裂和加劇線粒體功能障礙，最終引起腎小管損傷加重［14］。PERRY 等［15］研究發(fā)現(xiàn)，在近端腎小管細胞中，Drp1 特異性缺失可減輕IRI 誘導的炎癥反應和細胞凋亡，表明抑制線粒體分裂可改善缺血AKI。然而LI 等［16］研究認為Drp1 基因敲除可加劇腎功能不全。因此其具體機制仍有待進一步研究。

MFF 是協(xié)助胞質中的Drp1 易位至線粒體的關鍵蛋白。MFF mRNA 轉錄受RNA結合蛋白Pumilio2（Pum2）的負調控。WANG 等［17］發(fā)現(xiàn)，小鼠腎臟IRI模型中Pum2 表達下調，MFF 升高，線粒體長度變短；當Pum2 過表達時可逆轉腎臟IRI介導的MFF 上調，進而抑制腎小管細胞中線粒體分裂，導致炎癥因子IL-6、TNF-α 釋放減少，并改善線粒體結構和功能，最終減輕缺血性AKI。提示Pum2/MFF可作為防治腎IRI的潛在靶點。

近期研究發(fā)現(xiàn)，線粒體裂變蛋白18（MTP18）也參與線粒體分裂。WEI 等［18］發(fā)現(xiàn)，在小鼠缺血性AKI模型中，缺氧誘導因子-1α（HIF-1α）可誘導近端腎小管細胞中miR-668表達，進而降低MTP18表達，抑制線粒體碎片化和細胞凋亡，從而減輕腎臟IRI。

2.2 線粒體融合與腎臟IRI 線粒體融合的相關蛋白包括介導外膜融合的線粒體融合蛋白1/2（Mfn1/2）和介導內膜融合的光萎縮蛋白1（OPA1）。YAN等［19］發(fā)現(xiàn)，在體內外腎臟IRI模型中miR-214表達上調，而抑制miR-214 表達可上調Mfn2 的表達，促進線粒體融合，并抑制線粒體片段化和細胞凋亡，從而減輕腎臟結構和功能損傷。因此，miR-214/Mfn2 軸有望成為腎臟IRI 的治療靶點。另有研究顯示，在缺氧復氧誘導的近端腎小管細胞中，沉默Sirt3 的過表達可增加融合蛋白OPA1、Mfn1/2 的表達，降低分裂蛋白Drp1、MFF、Fis1 的表達，從而抑制氧化應激損傷和炎癥反應，最終促進腎臟功能恢復［20］。綜上，促進線粒體融合可為改善腎臟IRI 提供新的治療途徑。

3 線粒體自噬與腎臟IRI

線粒體自噬是通過選擇性清除受損或功能障礙的線粒體來維持細胞內環(huán)境穩(wěn)定，是調控線粒體質量控制的核心。

3.1 與腎臟IRI 相關的線粒體自噬通路 線粒體自噬通路主要包括泛素依賴型和受體依賴型通路，前者包括PTEN 誘導的假定激酶1（PINK1）-PARKIN通路，后者包括腺病毒E1B 相互作用蛋白3（BNIP3）/NIX、FUN14結構域包含蛋白1（FUNDC1）、抑制素2（PHB2）、BCI2-Like 13（BCL2L13）、NLR 家族成員X1（NLRX1）等通路［2］。已有研究證實，PINK1-PARKIN 及BNIP3 通路介導的線粒體自噬在腎臟IRI 的線粒體質量控制中起著關鍵作用。TANG 等［21-22］在腎臟IRI 模型中發(fā)現(xiàn)，PINK1 和PARKIN 基因單敲除或雙敲除、BNIP3 基因敲除均可抑制線粒體自噬，增加線粒體損傷，從而加重缺血性AKI。

PHB2 是近年新發(fā)現(xiàn)的一種位于線粒體內膜的線粒體自噬受體。PARKIN 的泛素化及蛋白酶體作用使線粒體外膜蛋白降解，促使外膜斷裂并暴露出內膜，進而PHB2 的微管相關蛋白1 輕鏈3（LC3）結構連接域與自噬體上的LC3 結合，激活線粒體自噬［23］。WANG 等［24］在AKI模型中發(fā)現(xiàn)，Bax-1抑制劑（BI1）可通過促進PHB2 的線粒體定位來維持線粒體穩(wěn)態(tài)。BI1 的C 末端與胞質中PHB2 的PHB 結構域相互結合，促使PHB2 易位至線粒體外膜，之后在線粒體內膜轉移酶協(xié)助下再易位至線粒體內膜，從而抑制線粒體分裂和提高線粒體自噬能力，最終減輕腎損傷。提示BI1-PHB2 軸有望成為臨床上防治AKI 的新靶點。XU 等［25］證實，在AngⅡ誘導的人腎小管上皮細胞HK2 中，PHB2 可通過改善線粒體功能障礙和抑制炎癥小體NLRP3 激活來介導線粒體自噬，從而減輕腎小管細胞損傷。然而，另有研究證實PHB2 可通過調節(jié)早老素相關菱形樣蛋白/PGAM5軸來增加PINK1在線粒體的積累及PARKIN的募集，繼而促進PINK1/PARKIN 通路介導的線粒體自噬，而這些并不依賴與LC3 的結合［26］。因此推測，PHB2可能通過多種途徑來調節(jié)線粒體自噬。

3.2 腎臟缺血預處理通過線粒體自噬減輕IRI 缺血預處理是對器官進行短暫缺血預刺激來增強其對隨后長時間缺血損傷的耐受性，從而減輕IRI。研究證實，缺血預處理可激活PINK1/PARKIN 通路介導的線粒體自噬，加速損傷線粒體的清除，對腎臟具有保護作用［27］。WANG 等［28］在IRI 誘導的AKI 小鼠中證實，缺血預處理也可誘導UNC-51 樣激酶表達，進而刺激FUNDC1的Ser17處磷酸化，激活其介導的線粒體自噬，同時抑制Drp1 介導的線粒體分裂，從而發(fā)揮腎臟保護作用。綜上，缺血預處理可通過激活線粒體自噬來發(fā)揮抗IRI的腎臟保護作用。

3.3 線粒體自噬的雙重性 線粒體自噬是一把雙刃劍，適度的線粒體自噬可清除受損的線粒體，減少細胞死亡和組織損傷；而線粒體自噬失調或過度會引起細胞能量代謝紊亂，加劇細胞凋亡。研究發(fā)現(xiàn)，腎臟缺血再灌注后，線粒體自噬過度激活致使線粒體數(shù)目和線粒體RNA 拷貝數(shù)減少，給予前列腺素E2受體4 激動劑CAY10598 預處理可抑制過度的線粒體自噬，提高抗氧化能力，從而改善腎損傷；其機制可能與cAMP/PKA 信號通路有關［29］。另外，WANG等［30］報道，給予腎IRI小鼠叉頭框轉錄因子O亞家族蛋白1 抑制劑AS1842856 干預可使腎臟PINK1、PARKIN 表達水平下調，抑制線粒體自噬，進而降低血肌酐和尿素氮水平，減輕腎臟病理損傷，最終提高小鼠存活率。因此，對于線粒體自噬在腎臟IRI 中所起的作用仍存在爭議，但可以明確的是，適度的線粒體自噬可減輕腎臟IRI。

線粒體生物合成、線粒體動力學及線粒體自噬是腎小管細胞調節(jié)線粒體質量控制的關鍵機制，并且多途徑的線粒體質量控制對于維持腎小管細胞生理穩(wěn)態(tài)和減輕腎臟IRI 有著重要意義，為后續(xù)研究開發(fā)新型線粒體特異性靶向藥物提供了理論支撐。但目前大量研究處于細胞及動物模型階段，對于具體應用到臨床上仍需要大量的實驗研究證據(jù)。此外，我們仍需進一步探究分子水平的線粒體質量控制與腎臟IRI 之間的作用機制，為治療或延緩腎臟IRI的發(fā)生發(fā)展提供新的理論依據(jù)。