線粒體自噬相關調控通路在慢性阻塞性肺疾病發病機制中的作用研究進展*

吳仰聰，張鵬飛，潘玲，葉欣鑫，劉茂華，劉振威，李曉雯，黃茹妍

（1.廣西中醫藥大學，廣西 南寧 530200；2.柳州市中醫醫院，廣西 柳州 545001；3.廣西中醫藥大學附屬瑞康醫院，廣西 南寧 530011；4.右江民族醫學院附屬醫院,廣西 百色 533600）

慢性阻塞性肺疾病（chronic obstructive pulmonary disease,COPD）是一種以持續存在的呼吸系統癥狀和氣流受限為特征的常見慢性疾病，進一步可能發展為肺源性心臟病或呼吸衰竭[1]。長期暴露于含有毒顆粒和香煙煙霧等有害氣體的環境中是COPD發病的常見危險因素，可導致肺部發生炎癥、氣道和肺實質重塑，以及炎癥和免疫過程的激活，最終誘發肺大泡、肺氣腫、間質性改變等典型COPD癥狀[2-3]。COPD的致殘率和病死率很高，據統計，全球40歲以上患者發病率已高達9%～10%，在世界十大致死疾病中居第4位，嚴重威脅到人類身體健康[4]。目前主要的治療手段包括抗炎、解痙平喘、祛痰、氧療等方式，但難以阻止COPD的進展，同時在預防早期疾病發生與控制穩定期病情等方面效果欠佳。COPD的發病機制復雜多樣，目前認為主要涉及上皮樣改變、蛋白水解-抗蛋白水解失衡、遺傳因素、炎癥改變、氧化應激、自噬、線粒體功能障礙等[5]。近年來，通過調控相關信號通路干預線粒體自噬在COPD防治中的作用引起了廣泛關注，成為國內外學者的研究熱點，本文就此進行綜述。

1 線粒體自噬與COPD

1.1 線粒體自噬

自噬是通過將某些細胞內可溶性大分子或細胞器等物質運送至溶酶體進行降解，從而維持細胞及代謝的穩態[6]。細胞自噬既有包括線粒體自噬、內質網自噬等方式的選擇性自噬，也有例如巨自噬和微自噬等非選擇性自噬。非選擇性自噬是指在外界刺激下隨機包裹細胞質形成的自噬體，在細胞饑餓的時候能為其提供氨基酸等來滿足營養需求[7]。選擇性自噬是通過降解受損或多余的細胞器等細胞質物質以維持細胞內穩態,自噬受體能否正確地識別和隔離待分解物質是維系選擇性自噬功能的重要條件。選擇性自噬運行的實質正如在正常的大環境下扮演‘大掃除’的角色[8]。

線粒體是一種存在于大多數細胞中的由2層膜包裹的細胞器，參與的細胞功能有細胞呼吸、三磷酸腺苷的產生、脂質代謝、鈣信號轉導和活性氧（reactive oxygen species,ROS）的生成等[9]。因此維持線粒體內穩定對細胞發育、代謝及生理適應和應激條件的反應等有極其重要的作用，其功能障礙和損傷與心、腦、肺等相關疾病的發生息息相關[10]。通常在ROS、細胞衰老、營養缺乏等因素的作用下，細胞內的一部分線粒體會在去極化后出現損傷。損傷的線粒體通過特異性的包裹從而進入自噬體形成雙膜自噬體吞噬線粒體（見圖1），并與溶酶體融合，從而完成線粒體的回收和降解，最終維持細胞內環境的穩態，這個過程被稱為線粒體自噬[10-13]。

圖1 線粒體自噬過程

線粒體自噬是人體極其重要的清理機制，在線粒體不斷老化和功能受損后，產生的氧化壓力不斷增大，從而導致細胞衰老和疾病發生。因此，當這些問題出現時，線粒體自噬便必須要啟動，通過降解和回收線粒體使線粒體得以更新[14]。研究證實，線粒體自噬一般通過2種方式進行調節，包括張力素同源物誘導的激酶蛋白1（phosphatase and tensin homolog-induced putative kinase protein1,PINK1）/RBR結構域的E3泛素連接酶（parkin RBR E3 ubiquitin protein ligase,Parkin）介導的線粒體自噬和受體介導的線粒體自噬[15]。目前發現的線粒體自噬相關受體包括NIP3樣蛋白X（nip3-like protein x,NIX/BNIP3L）和FUN14結構域蛋白1（fun14 domaincontaining protein 1,FUNDC1）等大部分是直接通過與微管相關蛋白輕鏈3（microtuble-associated protein light chain 3,LC3）相互作用，從而在線粒體自噬過程中發揮重要作用。

線粒體自噬作為一種選擇性的自噬過程，可以通過清除受損的線粒體來維持線粒體的穩定。如果線粒體自噬出現異常，可能就會影響到一些慢性炎癥疾病，其中最典型的就是COPD。然而，線粒體自噬與COPD的關系并不簡單，既有保護作用，也有損傷作用。

1.2 線粒體自噬在COPD中的保護作用

正如上文所說，COPD的特征是氣道和肺部慢性炎癥增強，導致小氣道重塑，以及由氣體或有毒顆粒引發的肺實質破壞。吸煙作為COPD的主要病因之一，其機制正是通過吸煙引發ROS生成，從而加速肺泡壁破壞和氣道管壁增厚。ARAYA等[16]發現線粒體自噬的關鍵調節因子Parkin在小鼠中缺乏會導致線粒體功能受損，暴露于香煙煙霧后，氣道壁增厚，肺氣腫增加，表明線粒體自噬缺陷可能影響到COPD的進程。

近期研究表明，線粒體自噬減弱了氣道上皮細胞中ROS的產生和細胞衰老，表明充分的線粒體自噬有助于減輕香煙誘導的肺部病理中的氧化應激，從而緩解COPD等相關慢性氣道炎癥的進程[17]。另外在BARNES等[18]研究的COPD模型中，香煙煙霧會導致線粒體相關蛋白穩態失衡，從而激活線粒體自噬，使肺上皮細胞的線粒體質量發生改變，也提示香煙煙霧致COPD與線粒體自噬的保護作用相關。

1.3 線粒體自噬在COPD中的損傷作用

盡管如此，過度的線粒體自噬也可能是有害的，線粒體自噬也會加重線粒體的損傷和去極化從而加劇COPD進程，這可能與線粒體自噬的過度激活有關。有報道指出，香煙煙霧提取物（cigarette smoke extract,CSE）中的親脂性部分促進了線粒體活性氧（mitochondrial reactive oxygen species,mtROS）的產生和線粒體膜電位的降低。過量的mtROS產生以及線粒體功能和結構完整性的改變與COPD病變過程中細胞凋亡、衰老及線粒體自噬增加相關[19]。SANG等[20]研究表明，抗氧化劑米托醌可以緩解脂多糖誘導的小鼠肺損傷，其中機制可能是通過減少線粒體自噬和保護線粒體實現的，說明了線粒體自噬的過度激活可能加重COPD。

2 相關通路與線粒體自噬及COPD的機制探討

2.1 PINK1/Parkin信號通路

最近研究表明，PINK1/Parkin是介導線粒體自噬的最常見信號通路[21]。PINK1是Park6基因編碼由581個氨基酸構成的絲氨酸/蘇氨酸激酶，主要位于線粒體內膜上[13-14，22]。線粒體自噬一般需要區分受損和健康線粒體，而區分兩者的依據是，受損的線粒體膜去極化后，PINK1含量會增加。PINK1在細胞功能正常時，會被線粒體加工蛋白酶（mitochondrial processing protease,MPP）和蛋白裂解PINK1蛋白（presenilin-associated rhomboid-like,PARL）快速切割和降解，在線粒體中含量極低[23]。當線粒體發生損傷引起線粒體膜去極化時，電壓依賴的MPP和PARL等相關蛋白酶會被抑制，原本含量較少的PINK1開始積累，并招募細胞質中的Parkin轉位至線粒體外膜（outer mitochondrial membrane,OMM）上，同時促進自噬相關蛋白p62聚集，并介導線粒體底物泛素化與之結合，最后通過與LC3連接，從而促進泛素化蛋白質的自噬降解，進而引起線粒體自噬[24-25]。見圖1。

PINK1/Parkin信號通路介導的線粒體自噬在COPD疾病進展中發揮著重要作用。一方面，該通路的過度激活會引起線粒體自噬的過度激活從而加劇COPD的疾病進展。KYUNG等[26]發現，在CSE誘導的線粒體功能障礙的肺支氣管上皮細胞中，PINK1的表達水平上調；而羅氟司特通過抑制PINK1表達水平來保護肺支氣管上皮細胞免受死亡并提高細胞活力。提示通過PINK1的過表達來過度激活線粒體自噬可能是COPD患者病情惡化的潛在因素[27]。其內在機制可能是PINK1/Parkin信號通路被過度激活后會促進程序性細胞死亡（programmed cell death,PCD），從而導致肺泡上皮細胞凋亡和肺泡壁破壞[16，28]。PCD作為一種有序的、可控的細胞自殺過程，在COPD中主要影響到Ⅱ型肺泡上皮細胞（type Ⅱ alveolar epithelial cell，AEC Ⅱ）。而AEC Ⅱ是一種具有合成表面活性物質、參與免疫防御和促進肺部再生等功能的細胞類型，其凋亡會導致肺泡壁變薄和肺氣腫形成[29]。正如上文所述，一旦線粒體出現受損，PINK1會不斷累積并招募細胞質中的Parkin到OMM上進行泛素化修飾。這些修飾通過標記受損線粒體，引發了線粒體自噬。一般來說，線粒體自噬可以清除異常線粒體，從而保護AEC Ⅱ免受氧化應激和凋亡信號的刺激[30]。但由于吸煙或其他持續的刺激，COPD中的線粒體遭受了持續性損傷，這可能導致PINK1/Parkin信號通路過度激活。過度激活的PINK1/Parkin信號通路會引起線粒體自噬過度激活，導致正常線粒體的丟失和能量代謝紊亂，最終導致AEC Ⅱ凋亡[31]。

另一方面，PINK1/Parkin信號通路不足或缺陷也參與了COPD的進展。LIN等[31]研究發現，在COPD患者的支氣管上皮細胞中，PINK1的增加和Parkin的減少提示線粒體不斷損傷積累，導致線粒體自噬不足，進一步降低了清除氧化應激損傷的蛋白質或細胞器能力，加速COPD的進程。同時PINK1過表達未能恢復由Parkin減少引起的受損線粒體自噬，提示Parkin蛋白水平可能是CSE暴露期間PINK1/Parkin介導的線粒體自噬的主要速率限制因子，說明Parkin水平可能通過調控線粒體自噬在COPD發病機制中發揮關鍵作用。AHMAD等[32]通過CSE暴露下的小鼠肺和COPD患者的肺部觀察到受損線粒體和Parkin受損易位，這表明Parkin受損導致線粒體自噬不足而引起細胞衰老，最終影響COPD的進展。因此通過線粒體自噬，PINK1/Parkin信號通路能夠清理有損或過剩的線粒體，維護線粒體質量和細胞活力[33]。但是在COPD中，PINK1/Parkin信號通路可能存在缺陷或不足，導致線粒體自噬功能降低，無法及時去除異常的線粒體。這些異常的線粒體會在AEC Ⅱ中堆積，并產生過氧化物、ROS等毒性物質，通過激發氧化應激、炎癥反應及細胞凋亡加劇COPD的進展[16]。

基于PINK1/Parkin信號通路在COPD疾病進展中的重要作用，可能是激活過度引起過量的線粒體自噬和AECII凋亡，也可能是由于PINK1/Parkin信號通路不足或缺陷導致線粒體自噬不足，從而使得異常線粒體不斷在AEC Ⅱ中堆積，最后加速COPD的進程。這可能成為治療COPD的新靶點。

2.2 FUNDC1信號通路

除了PINK1/Parkin通路外，線粒體受體相關蛋白也在線粒體自噬中發揮著重要作用，主要是通過直接與LC3相互作用，從而調節線粒體清除。FUNDC1作為一種存在于哺乳動物細胞中線粒體外膜的新型受體蛋白，包含一段與LC3結合的區域（lc3-interacting region,LIR）：Y（18）xxL（21）序列。有報道指出，當LIR缺失或其結構受到改變便會影響到FUNDC1與LC3的相互作用，從而改變其介導線粒體自噬的功能[34]。除此之外，FUNDC1介導的線粒體自噬活性受到去磷酸化調節，一旦出現缺氧應激和線粒體膜電位丟失，FUNDC1的第13位絲氨酸（Ser13）和第18位酪氨酸（Tyr18）2個位點都被去磷酸化（見圖1），與LC3的親和力便會顯著提高，這導致兩者之間的相互作用增加，進而激活線粒體自噬[35-37]。WANG等[38]研究發現，FUNDC1基因敲除的小鼠抵消了銀杏酸誘導的線粒體質量損失和線粒體膜電位損失的變化，最終影響了線粒體自噬的進程。

盡管COPD的發病機制復雜，對其尚不完全清楚，但是越來越多的證據表明，COPD的發病機制與FUNDC1介導的線粒體自噬密切相關。WEN等[39]發現，FUNDC1在CSE誘導的COPD小鼠中表達升高，通過沉默CSE引起的COPD小鼠中的FUNDC1基因抑制了CSE誘導的線粒體自噬和凋亡，最終緩解了COPD的進展。FUNDC1的去磷酸化是激活線粒體自噬的重要方式，為了驗證抑制FUNDC1的去磷酸化能否阻止線粒體自噬，從而改善COPD進程，WANG等[40]研究發現，葛根素可通過激活PI3K/AKT/mTOR信號通路抑制FUNDC1介導的線粒體自噬，從而抑制了支氣管上皮細胞凋亡，達到細胞保護作用，為COPD的治療提供新的思路。上述研究表明COPD模型中FUNDC1的表達升高，導致線粒體自噬過度激活，進而引起支氣管上皮細胞凋亡和肺組織損傷。同時WEN等[39]還揭示了FUNDC1的沉默對COPD的保護作用，通過這種機制，FUNDC1的沉默可以與線粒體動力相關蛋白（dynamin-related protein,DRP1）相互作用來抑制線粒體過度自噬，從而保護肺組織免受氧化應激和炎癥損傷，最后減少細胞凋亡，雖然FUNDC1介導的線粒體自噬在COPD中的具體作用機制仍需要進一步研究，但是該研究為緩解COPD的進展提供了一個新的思路。

2.3 Nix信號通路

Nix是一種位于外膜上的線粒體蛋白，又被稱為BCL2相互作用蛋白3樣蛋白（bcl2 Interacting Protein 3 Like,BNIP3L），最開始被認為是一種促凋亡蛋白。后來隨著研究的深入，Nix磷酸化和泛素化可以很好地調控Nix介導的線粒體自噬，揭示了通過和LC3的相互作用與線粒體自噬存在著不可分割的關系。線粒體自噬過程：自噬體作為吞噬體初始產生，并經過伸長，最終與溶酶體融合降解。與此同時，線粒體在各種線粒體吞噬相關蛋白的幫助下被識別。通過PINK1/Parkin線粒體膜電位下降介導的線粒體自噬和FUNDC1、NIX等受體介導的線粒體自噬等方式確保多余和/或受損的線粒體可以被溶酶體清除（見圖1）[41]。通過對Nix同源蛋白BNIP3的研究，ZHU等[42]發現BNIP3的第17位絲氨酸（Ser17）磷酸化在BNIP3和Atg8家族蛋白結合中發揮著重要作用，而第24位絲氨酸（Ser24）磷酸化可以增強BNIP3與LC3的相互作用，提示磷酸化在調控BNIP3對LC3親和力中的重要作用。因此，損傷線粒體上Nix的磷酸化可能在加快線粒體自噬進而清除損傷線粒體中扮演關鍵角色。

基于線粒體自噬與COPD的密切關系，人們發現暴露在CSE會增加氣道上皮細胞中Nix蛋白的表達，通過沉默Nix基因可以抑制了CSE誘導的線粒體自噬，而過表達Nix則促進了線粒體自噬[43]。其中Nix的敲除顯著增加了MMP和細胞內ATP的水平，通過抑制線粒體自噬來減少了線粒體和細胞內ROS的產生，并減輕香煙煙霧誘導的氣道上皮細胞損傷和氣道纖維化。這表明了過表達Nix會引起線粒體自噬的過度激活從而加重COPD。現在針對Nix與COPD的相關文獻較少，但通過抑制Nix減少線粒體過度激活對于治療COPD可能是下一個研究方向。

2.4 其他信號通路

除了上述提及的相關通路外，還有許多非典型的線粒體自噬途徑，例如DRP1、核纖層蛋白B1（Lamin B1）、抗增殖蛋白2（Prohibitin2,PHB2）等。正如上文所說DRP1作為一種重要的線粒體分裂蛋白，可通過與FUNDC1相互作用抑制線粒體自噬和凋亡，從而實現減緩COPD的進程。而Lamin B1可以通過激活雷帕霉素（MTOR）信號通路加速了氣道上皮細胞的衰老，特別在COPD進展過程中尤為明顯，其中可能是通過線粒體自噬的過度激活實現的[44]。與其他LC3受體蛋白不同，PHB2是一種位于線粒體內膜蛋白。當PINK1/Parkin介導的線粒體外膜受到損傷時，會導致線粒體內膜蛋白PHB2的暴露，從而與LC3結合，誘導線粒體自噬[45]。

3 小結

近年來線粒體自噬在COPD中發揮的作用越來越受到關注。當線粒體不斷老化和功能受損導致細胞衰傷的時候，線粒體自噬可以通過降解和回收線粒體，為細胞的正常運作提供重要保證。在COPD中線粒體自噬的調控主要有2種途徑：一方面是PINK1/Parkin介導的線粒體膜電位降低引發的線粒體自噬，包括PINK1/Parkin激活過度引起過量的線粒體自噬和AECII凋亡，也可能是由于PINK1/Parkin不足或缺陷導致線粒體自噬不足；另一方面是FUNDC1、Nix等受體參與的線粒體自噬，可能是通過抑制FUNDC1或Nix來減少線粒體過度激活從而治療COPD。本文闡述了相關通路通過調控線粒體自噬在COPD進程中發揮的作用，以及近幾年取得的重要研究進展。但鑒于線粒體自噬在COPD進展中具有雙重作用，同時部分相關通路參與其調控過程的具體機制仍未清楚，例如過度激活的PINK1/Parkin對線粒體自噬過度激活的具體機制、沉默FUNDC1如何調節線粒體自噬的狀態，未來需要進一步深入研究，以更好地了解COPD的病理過程，從而為治療COPD提供新的理念和思路。