線粒體自噬與心血管疾病的研究進展

劉天宇，王志維

(武漢大學人民醫院心血管外科，武漢 430060)

自噬是真核細胞吞噬自身細胞質蛋白或細胞器，通過溶酶體降解，借此實現細胞本身的代謝需要和某些細胞器的更新。自噬有多種途徑，其中最重要的是選擇性自噬中的線粒體自噬[1]。在活性氧類(reactive oxygen species，ROS)、營養缺乏、細胞衰老、缺氧和缺血等刺激下，細胞內線粒體受損，線粒體形態和功能發生改變，因此被自噬蛋白特異性包裹并被溶酶體降解。在心臟缺血缺氧性疾病、高血壓及大血管疾病中，線粒體自噬可以修復因缺氧、缺血及損傷等所致的線粒體結構和功能的改變[2]。心肌細胞的正常工作需要線粒體的氧化功能，適當的線粒體自噬對心肌細胞具有保護作用，然而過度的線粒體自噬則會導致細胞內線粒體過度清除，影響線粒體的氧化功能，從而導致心肌細胞無法正常工作，進而加重心肌細胞損害。因此，探究線粒體自噬在心血管疾病發生發展過程中維持線粒體數量和功能穩定的機制具有重要意義。監測線粒體自噬強度的變化在一定程度上也可反映疾病的進展情況。現就線粒體自噬的機制及其在常見心血管疾病中的作用予以綜述。

1 線粒體自噬概述

線粒體是真核動物細胞內能量轉換和生物氧化的主要場所。有氧呼吸時，線粒體在氧化磷酸化的同時會伴隨生成一系列活性物質(包括·O2-、H2O2、HO2·、·OH)，在細胞損傷和老化時這些活性物質生成增加。這些強氧化性離子和自由基可損傷線粒體，從而影響細胞能量供給。因此，適時清除細胞內衰老、損傷的線粒體對細胞正常生命活動至關重要。

2005年，Lemaster[3]首次提出線粒體自噬的概念：細胞利用自噬活動的選擇性，通過自噬溶酶體清除細胞內衰老、損傷或功能障礙的線粒體，維持細胞內線粒體質量和數量的穩定。線粒體自噬是一種選擇性自噬現象，參與調節細胞內穩態，與細胞發揮正常功能密切相關。近年來，線粒體自噬在肝臟疾病、糖尿病、心血管疾病、帕金森綜合征等疾病中的研究取得了突破性進展[4]。

2 線粒體自噬調控途徑

線粒體自噬是復雜的生理過程，在不同細胞中有多種誘導和調控機制，如酵母中的自噬相關基因(autopahgy related genes，Atg)家族蛋白誘導的調控機制及網織紅細胞中NIX(Nip3-like protein X)介導的線粒體自噬機制等。此外，PTEN誘導激酶蛋白1(PTEN-induced putative kinase protein 1，PINK1)/Parkin及FUNDC1(FUN14 domain containing 1)等也在調控線粒體自噬中發揮重要作用[5]。

2.1PINK1/Parkin介導的線粒體自噬 PINK1/Parkin介導的線粒體自噬在帕金森綜合征的發病中起重要作用。PINK1是一種絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶，廣泛表達于各組織細胞，尤其是心臟、腦、肌肉等耗能高的器官或組織，由581個氨基酸組成，包含4個結構域：N端的線粒體定位序列(1～84)、跨膜序列(85～110)、絲氨酸/蘇氨酸激酶結構域(156～509)以及C端結構域(510～581)[6]。Parkin是由park2基因編碼的一種蛋白，具有E3泛素-蛋白連接酶活性。Parkin蛋白包含465個氨基酸，由三部分構成：N端的泛素樣結構域(1～76)、C端的環指結構域(226～465)以及鏈接區(141～225)。環指結構域是發揮泛素蛋白連接酶活性的關鍵[7-8]。

生理條件下，PINK1前體在內質網中合成后，憑借N端的線粒體定位序列被線粒體外膜轉運酶識別并轉入線粒體基質。當PINK1進入線粒體基質后，其N端信號肽被降解為成熟的PINK1，成熟的PINK1進入線粒體基質后被蛋白酶體識別清除，從而維持基礎水平[6]。而線粒體受損時，線粒體膜電位發生變化，線粒體外膜去極化，阻礙PINK1進入線粒體，同時對PINK1的降解能力下降。因此，有活性的PINK1可以穩定聚集在線粒體外膜蛋白上，從而募集并激活Parkin，使其磷酸化[9]。磷酸化的Parkin可以泛素化線粒體受體蛋白，后者泛素化后可與自噬受體調節蛋白等結合，形成泛素化的線粒體，從而激活泛素相關的蛋白酶體途徑，實現線粒體降解[10]。線粒體受體蛋白包括電壓依賴性陰離子通道蛋白1、Mfn1與Mfn2等[11]；自噬受體調節蛋白包括視神經蛋白、核點蛋白52等。自噬受體蛋白通過泛素結合結構域可與微管相關蛋白輕鏈3(microtubule associated protein light chain 3，LC3)相互作用。LC3通過其LC3相互作用區域的作用定位于泛素化的線粒體上，使泛素化的線粒體被吞噬泡膜所識別，吞噬泡擴張，將線粒體完全包裹，形成線粒體自噬體，最后被溶酶體識別吞噬，啟動線粒體降解程序，完成線粒體自噬[12]。

2.2NIX介導的線粒體自噬 NIX又被稱為Bnip3L，是Bcl-2蛋白家族的一員。最初對于NIX的研究源于其可以改變線粒體膜通透性，引起細胞色素C的釋放，從而導致細胞凋亡。Mclelland和Paulsen[13]研究發現，網織紅細胞中存在NIX是發育成熟的關鍵，NIX-/-小鼠中網織紅細胞線粒體無法降解。

NIX/Bnip3發揮功能的結構基礎是BH3結構域和C端結構域，可與Bcl-2和Bcl-XL相互作用，誘導細胞凋亡，研究發現，BH3結構域和Bcl-2的結合與NIX/Bnip3介導的線粒體自噬相關[14]。目前對于NIX引起線粒體自噬的具體分子機制尚不清楚，有以下3種假說。①NIX與Parkin相互作用介導線粒體自噬：有研究發現，生理條件下，NIX表達正常，線粒體去偶聯試劑羰基氰化物間氯苯腙可以誘導線粒體去極化，降低線粒體膜電位[15]。過表達NIX可以進一步引起線粒體膜電位降低[16]。如前所述，線粒體去極化是Parkin介導線粒體自噬的必要條件，故缺氧、過表達的NIX可以募集Parkin。NIX作為底物首先發生泛素化后被LC3相互作用區域識別，進而引發線粒體自噬[15]。然而，NIX調節線粒體膜電位變化的具體機制尚不清楚，亟待進一步研究。②NIX招募Atg8蛋白家族啟動線粒體自噬：NIX/Bnip3可以通過其N端的WXXL序列與Atg8蛋白家族成員相結合誘導線粒體自噬[17]。與Parkin類似，NIX/Bnip3也存在正反饋調節。NIX氨基結構域上的Leu17與Bnip3蛋白的Ser17和Ser24磷酸化[18]，可以促進NIX/Bnip3與LC3的相互作用[19]，但磷酸化的具體機制目前尚未闡明。③NIX/Bnip3競爭性結合Bcl-2介導線粒體自噬：NIX/Bnip3含有BH3結構域，可與Bcl-2/Bcl-xL結合。當細胞缺氧時，NIX/Bnip3大量表達，可以與Beclin競爭性結合Bcl-2/Bcl-xL，從而導致Beclin游離。游離的Beclin與多種蛋白質形成Ⅲ型磷脂酰肌醇-3-激酶復合體，該復合體蛋白可以激活Atg5，從而激活線粒體自噬[20]。

2.3FUNDC1介導的線粒體自噬 FUNDC1是線粒體外膜上的一種3次跨膜蛋白，由155個氨基酸構成[21]。FUNDC1發揮功能的基礎是位于N端的一段典型的LC3相互作用區域：Y(18)xxL(21)序列。FUNDC1憑借LC3相互作用區域序列的疏水作用與LC3結合，在FUNDC1介導線粒體自噬過程中起關鍵作用[22]。

生理條件下，FUNDC1的Tyr18和Ser13分別被肉瘤基因家族的酪氨酸激酶和肌酸激酶2磷酸化，抑制其與LC3-Ⅱ和Atg10的相互作用，從而抑制線粒體自噬，維持線粒體穩態[23]。當缺氧或線粒體解偶聯時，Tyr18、Ser13去磷酸化，Ser17磷酸化，促進FUNDC1與LC3-Ⅱ相互作用，啟動線粒體自噬[24]。缺氧條件下，酪氨酸激酶失活，Tyr18和FUNDC1去磷酸化，FUNDC1與LC3-Ⅱ相互作用增強而促進線粒體自噬[25]；同時，由于酪氨酸激酶能夠抑制unc-51樣激酶1與線粒體的結合，當酪氨酸激酶失活，unc-51樣激酶1激酶可以磷酸化Ser17，促進其與LC3的作用，進而促進線粒體自噬[26]。此外，磷酸甘油變位酶家族蛋白5(phosphoglycerate mutase family member 5，PGAM5)激活可使Ser13去磷酸化，促進其與LC3的作用[27]。有研究表明，PGAM5的作用受Bcl-2L1/Bcl-xL調控。生理條件下Bcl-2L1/Bcl-xL通過BH3結構域抑制PGAM5的激酶活性，提高Ser13在FUNDC1上的磷酸化水平，從而抑制線粒體自噬。低氧時，Bcl-2L1降解，釋放PGAM5，PGAM5去磷酸化Ser13，激活線粒體自噬[28]。

綜上所述，Tyr18、Ser13、Ser17聯合調節FUNDC1介導的線粒體自噬途徑。有研究證實，miR-137 也可以通過抑制FUNDC1的表達而負性調節該通路[27]。另有相關報道，PGAM5-FUNDC1可能與PINK1-Parkin途徑有相互作用，且PGAM5和FUNDC1的缺失可抑制Parkin介導的線粒體自噬[29]。

3 線粒體自噬與心血管疾病

生理條件下，細胞中衰老、損傷或功能障礙的線粒體可通過線粒體自噬降解，維持線粒體數量和功能以滿足正常能量的代謝需求。線粒體自噬受到精確調控。一方面，如果損傷超過線粒體自噬能力，將會導致受損線粒體聚集、壞死，產生大量ROS，導致細胞自噬，從而影響細胞功能[30]。另一方面，線粒體自噬的調控出現障礙時，細胞內衰老、損傷或功能障礙的線粒體會大量堆積，導致細胞能量供給不足或引起凋亡[31]。

3.1線粒體自噬與心肌缺血再灌注損傷 心肌缺血再灌注損傷指冠狀動脈部分或完全阻塞后，在一定時間內再通，恢復血供，但缺血心肌損傷加重。近年來，經皮冠狀動脈介入治療、冠狀動脈旁路移植術等再灌注療法在臨床上的應用，可以及時恢復心肌供血，降低患者死亡率，但不可避免地發生缺血再灌注損傷[32]。目前，心肌缺血再灌注損傷已成為缺血性心肌病治療的主要臨床問題。目前心肌缺血再灌注損傷的主要機制主要包括ROS、鈣超載、血管內皮功能障礙、線粒體代謝障礙和細胞自噬等，導致缺血心肌細胞凋亡或壞死。

心肌缺血再灌注損傷與線粒體自噬的關系可能存在以下幾種機制：①發生心肌缺血再灌注損傷時，溶酶體膜蛋白2的表達受抑制，因此會阻礙線粒體自噬體與溶酶體的融合，從而抑制線粒體自噬；②心肌缺血再灌注損傷產生的ROS可促進Beclin表達，其與NIX/Bnips競爭性結合Bcl-2/Bcl-xL，從而抑制NIX/Bnip3介導的線粒體自噬，而在缺血梗死的心肌組織中，主要由NIX/Bnip3介導完成線粒體自噬。上述兩種情況均會導致線粒體自噬水平降低，受損或功能障礙的線粒體堆積，影響細胞功能，進而導致細胞死亡[33]。

另有研究表明，在缺血、缺氧的心肌細胞中，NIX/Bnip3大量表達，從而激活線粒體自噬。適度的線粒體自噬有助于清除細胞內受損或功能障礙的線粒體，然而NIX/Bnip3過表達可導致線粒體過量清除，影響細胞能量供應，反而加重心肌細胞負擔，造成或加重心肌缺血再灌注損傷[34]。然而，心肌缺血再灌注損傷各階段的進展與線粒體自噬強度的關系尚不明確，無法通過有效手段評估線粒體自噬的具體強度以及界定線粒體自噬是否過表達，未來可以通過調控線粒體自噬的強度來緩解缺血再灌注損傷，改善患者預后。

3.2線粒體自噬與心力衰竭 在心力衰竭早期，線粒體自噬往往被抑制，此時如果適當提高線粒體自噬水平，可以延緩心力衰竭的進展[32]；而在心力衰竭晚期，線粒體自噬往往被過度激活，導致心肌細胞功能障礙，心力衰竭加重，此時應適當抑制線粒體自噬水平[35]。

Milonas等[36]研究發現，心力衰竭患者的心肌細胞中Beclin-1和LC3表達增加，而隨著心臟負荷減輕，Beclin-1和LC3表達亦隨之降低，提示線粒體自噬與心力衰竭有關。同樣，Givvimani等[37]在構建壓力負荷誘導的心力衰竭模型的實驗中發現，隨著線粒體自噬水平異常增強，細胞凋亡也異常增加。目前線粒體自噬與心力衰竭的關系引起廣泛關注。一方面，線粒體自噬水平降低可以引起或加重心力衰竭。Shires和Gustafsson[38]通過構建不同的心力衰竭模型，證實了線粒體自噬水平降低可加重心臟損傷。另有研究表明，PINK1沉默或敲除的小鼠易受到再灌注損傷及壓力負荷過載的影響而導致心力衰竭[39]。另一方面，線粒體自噬水平適度增強有助于心力衰竭患者心肌細胞功能的恢復。He等[40]研究發現，小鼠心肌細胞中Parkin表達上調可促進線粒體自噬并抑制衰老所致的心臟功能障礙，延長壽命。然而，線粒體自噬水平過度增強可導致線粒體大量凋亡，影響細胞能量供給，加速細胞死亡，從而加重心力衰竭。因此，線粒體自噬與心力衰竭的關系取決于線粒體自噬的程度。

3.3線粒體自噬與糖尿病心肌病 糖尿病心肌病的發病機制主要是人體糖代謝紊亂，血糖持續異常升高引起的心肌細胞結構發生改變[41]。適當清除受損線粒體可以減少心肌損傷，對于糖尿病心肌病具有保護作用。有研究顯示，高血糖可以促進Bcl-2與Beclin-1的相互作用，而降糖藥物二甲雙胍可以抑制Bcl-2與Beclin-1的結合[42]。高血糖可促進Bcl-2與Beclin的結合，相當于抑制了NIX介導的線粒體自噬途徑，從而抑制線粒體自噬[40]。PINK1/Parkin介導的線粒體自噬在糖尿病心肌病發病過程中發揮保護作用。研究發現PINK1/Parkin在糖尿病動物模型中含量降低，線粒體自噬被抑制，導致受損線粒體堆積、細胞凋亡、心肌受損[43]。可見，NIX-Beclin/PINK1-Parkin可能成為糖尿病心肌病治療的潛在作用靶點。

3.4線粒體自噬與高血壓 高血壓是一種常見、多發的全身性疾病，與心腦血管疾病、腎臟疾病等密切相關。目前認為線粒體能量供給不足、ROS、線粒體動力學失衡以及遺傳相關的線粒體功能障礙是高血壓的危險因素[44]，且與高血壓并發癥(如動脈粥樣硬化、心肌缺血再損傷以及心力衰竭)密切相關[45]。

目前對于高血壓與線粒體自噬的研究集中于高血壓導致的心臟重構與線粒體自噬的關系。血管生成受損是高血壓引起心臟重構的重要因素，其中，煙酰胺腺嘌呤二核苷酸依賴性脫乙酰酶SIRT3(Sirtuin 3)起關鍵作用[41]。SIRT3可以通過調節線粒體自噬水平影響血管生成。在小鼠的心臟微血管內皮細胞中，SIRT3表達增強，激活PINK1/Parkin介導的線粒體自噬調控途徑，從而促進血管萌芽和血管生成，起到抑制心臟重構的作用[46]。然而，目前對于線粒體自噬導致高血壓的具體機制仍不清楚，需要進一步研究。

3.5線粒體自噬與動脈粥樣硬化 動脈粥樣硬化是心血管系統中的常見病、多發病，以血管內膜形成粥樣斑塊或纖維斑塊為特征，是冠心病、腦梗死、心肌梗死等的主要病因。目前動脈粥樣硬化的發病機制尚未闡明，但多種假說認為血管內皮損傷和脂質代謝障礙是動脈粥樣硬化病變的基礎。其中，氧化型低密度脂蛋白在動脈粥樣硬化的發病過程中扮演重要角色。在細胞器水平，氧化型低密度脂蛋白可以阻礙線粒體氧化磷酸化，導致線粒體功能障礙，釋放 ROS，從而導致凋亡。而在血管平滑肌細胞中，PINK/Parkin表達增加，由此介導的線粒體自噬水平增強，從而減緩動脈粥樣硬化的進展，是動脈粥樣硬化發病的保護因素[47]。

有研究報道，在人和小鼠的動脈粥樣硬化模型中p62和LC3-Ⅱ水平降低，與穩定斑塊相比，不穩定斑塊中p62與LC3-Ⅱ的表達顯著降低[48]。有研究證明，在動脈粥樣硬化模型的血管平滑肌細胞中線粒體自噬水平降低，對功能障礙的線粒體清除減少，導致細胞供能減少，細胞凋亡增加，提示可以通過抑制PTEN-PINK1/Parkin介導的線粒體自噬促進細胞凋亡[49]。同時，高蛋白飲食可以通過抑制NIX介導的線粒體自噬途徑加速巨噬細胞凋亡，從而促進線粒體自噬；真核起始因子2α通過抑制Parkin誘導的線粒體自噬途徑加重高脂血癥引起的動脈粥樣硬化炎癥[50]；在主動脈內皮細胞中，氧化型低密度脂蛋白可以導致核受體NR4A1過表達，從而引起Parkin介導的線粒體自噬過度激活，導致內皮細胞因線粒體數量過度減少、細胞能量供給不足而凋亡，從而加重動脈粥樣硬化[51]。綜上所述，在動脈粥樣硬化的發病過程中，線粒體自噬扮演關鍵角色，有望通過調節線粒體自噬來減緩甚至逆轉動脈粥樣硬化的進展，可能成為治療動脈粥樣硬化的新靶點。

4 小 結

越來越多的證據表明，線粒體自噬在維持心肌細胞和大血管細胞的存活和正常功能方面起著不可替代的作用，在心血管疾病的發病、進展和預后中扮演重要角色。盡管目前已經對線粒體自噬的機制及其在疾病中的作用有了一定認識，但具體機制還需要進一步研究。同時，線粒體自噬作為近年來的研究熱點，其調控機制中的關鍵蛋白PINK1/Parkin、NIX/Bnip3、FUNDC1等有望成為心血管疾病分子治療的靶點。因此，從分子水平研究線粒體自噬在心血管疾病中的作用機制具有重要的臨床意義。