線粒體質(zhì)量控制體系在慢性阻塞性肺疾病發(fā)病機(jī)制中的作用

王素文 王炯 李鋒

1安徽醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院老年呼吸科,合肥230022;2上海市胸科醫(yī)院 上海交通大學(xué)附屬胸科醫(yī)院呼吸與危重醫(yī)學(xué)科200030

COPD是一種慢性炎癥性氣道疾病,以呼出氣流受限為特征,具有高發(fā)病率和高病死率。吸煙是COPD最重要的危險因素,其他的危險因素包括空氣污染、生物燃料、社會經(jīng)濟(jì)狀況、基因遺傳等。目前我國約有1億COPD患者,約占全世界病例總數(shù)的25%[1]。當(dāng)前,COPD的治療方法主要是對癥治療,缺乏有效的根本性治療措施[2]。線粒體是細(xì)胞內(nèi)具有雙層膜結(jié)構(gòu)的細(xì)胞器,其功能包括合成能量即三磷酸腺苷、產(chǎn)生活性氧(reactive oxygen species,ROS),以及調(diào)控鈣信號轉(zhuǎn)導(dǎo)、程序性細(xì)胞死亡等。線粒體功能障礙影響氣道收縮、基因表達(dá)、氧化應(yīng)激、細(xì)胞增殖、凋亡和代謝,以及免疫和炎癥反應(yīng),這些都與氣道疾病的發(fā)病機(jī)制有關(guān)[3]。線粒體質(zhì)量系統(tǒng)包括線粒體生成、線粒體動力學(xué)(融合/分裂)、線粒體自噬等。越來越多的研究表明,線粒體質(zhì)量控制與COPD的發(fā)生、發(fā)展密切相關(guān)。本文針對線粒體質(zhì)量控制在COPD發(fā)病機(jī)制中的作用以及相關(guān)治療靶點(diǎn)在COPD治療中的作用進(jìn)行概述。

1 線粒體質(zhì)量控制體系

上世紀(jì)70年代Jaime Miquel提出線粒體衰老理論,人們開始認(rèn)識到線粒體是機(jī)體衰老的最重要的細(xì)胞器,因為線粒體既是細(xì)胞內(nèi)自由基的靶標(biāo)又是自由基的來源[4]。線粒體穩(wěn)態(tài)(指數(shù)量、質(zhì)量和功能等的穩(wěn)態(tài))的維持依賴于線粒體質(zhì)量控制系統(tǒng)。線粒體生成(或稱線粒體生物發(fā)生)是指新的線粒體的產(chǎn)生,主要是受過氧化物酶體增殖物激活受體-γ共激活因子1α(peroxisome proliferator-activated receptorγcoactivator-1α,PGC-1α)控制的高度調(diào)控的細(xì)胞過程[5]。同時,線粒體是一個動態(tài)細(xì)胞器,通過不斷的融合/分裂來改變其形狀。當(dāng)線粒體受到刺激時,線粒體可以通過諸如線粒體融合蛋白(mitofusin 1/2,MFN1/2)和視神經(jīng)萎縮蛋白1(optic atrophy 1,OPA1)等線粒體融合蛋白進(jìn)行融合(通過與其他線粒體結(jié)合而擴(kuò)大),或者通過諸如發(fā)動蛋白相關(guān)蛋白1(dynamin-related protein 1,DRP1)、線粒體分離蛋白1(fission1,FIS1)、線粒體分離因子(mitochondrial fission factor,MFF)等線粒體分裂蛋白進(jìn)行分裂,即線粒體一分為二。另外,線粒體還通過線粒體自噬在溶酶體中選擇性地降解受損的線粒體[6]。如果外界應(yīng)激刺激嚴(yán)重且持續(xù)時間較長,或者線粒體質(zhì)量控制系統(tǒng)失調(diào),那么,這些適應(yīng)性反應(yīng)會失去作用,影響線粒體的穩(wěn)態(tài),進(jìn)而影響細(xì)胞命運(yùn)[7]。

1.1 線粒體生成 在線粒體生成過程中最主要調(diào)節(jié)蛋白是PGC-1α,其表達(dá)和活性受到多種途徑進(jìn)行調(diào)節(jié),包括酪氨酸激酶受體、G蛋白耦聯(lián)受體、利鈉肽受體和一氧化氮合酶,這些途徑均通過環(huán)磷酸鳥苷、AMP激活的蛋白激酶的激活和沉默信息調(diào)節(jié)因子2配對型同源酶1(silent mating type information regulation 2 homolog 1,sirtuin1,SIRT1)

介導(dǎo)的脫乙酰作用[6]。核呼吸因子1(nuclar respiratory factor-1,NRF1)和NRF2可調(diào)節(jié)由核基因組編碼的電子轉(zhuǎn)移鏈亞基的表達(dá),并可與線粒體DNA(mitochondrial DNA,mtDNA)轉(zhuǎn)錄有關(guān)基因的啟動子進(jìn)行結(jié)合。其中,NRF1調(diào)節(jié)線粒體轉(zhuǎn)錄因子A(mitochondrial transcription factor A,TFAM)的表達(dá),NRF2調(diào)節(jié)線粒體酶表達(dá),如線粒體外膜轉(zhuǎn)位酶。當(dāng)線粒體生成時,PGC-1α活化,導(dǎo)致線粒體NRF1的激活以及隨后TFAM合成的增加,mtDNA復(fù)制增加,線粒體數(shù)量增加。近年來,關(guān)于NRF2/抗氧化反應(yīng)元件(antioxidant response element,ARE)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)在調(diào)節(jié)線粒體生成的相關(guān)研究日益增多。NRF2定位于細(xì)胞質(zhì),在無活化時與Kelch樣環(huán)氧氯丙烷相關(guān)蛋白1結(jié)合并被26S蛋白酶體降解。在受到ROS尤其是過氧化氫的刺激時,NRF2被激活,隨即與Kelch樣環(huán)氧氯丙烷相關(guān)蛋白1解離,游離的NRF2易位至細(xì)胞核,與小蛋白Maf形成異源二聚體,隨之與ARE結(jié)合,或者激活NRF1,進(jìn)而激活TFAM,介導(dǎo)mtDNA復(fù)制[8]。

1.2 線粒體動力學(xué) 線粒體融合借助于動力蛋白超家族的三磷酸鳥苷水解酶,即MFN1/2和OPA1,前者促進(jìn)線粒體外膜融合,后者促進(jìn)線粒體內(nèi)膜的融合。近期有研究表明,線粒體磷脂酶D和米托菲林也具有促線粒體融合的活性[9]。當(dāng)線粒體融合蛋白缺失時,線粒體呈片段化[10]。線粒體分裂由DRP1、FIS1、MFF等蛋白介導(dǎo)。其中,DRP1屬于三磷酸鳥苷水解酶,DRP1通過磷酸化、泛素化和S-亞硝基化進(jìn)行翻譯后調(diào)控。蛋白激酶C同工型δ在DRP1的Ser616位點(diǎn)的磷酸化具有激活DRP1的功能,而蛋白激酶A在DRP1的Ser637位點(diǎn)的磷酸化具有抑制DRP1的功能[11]。DRP1從胞質(zhì)轉(zhuǎn)移到線粒體是線粒體分裂的關(guān)鍵,DRP1缺失導(dǎo)致線粒體呈過度融合狀[7]。DRP1活化后在靶點(diǎn)部位形成螺旋式多聚物,在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、肌動蛋白絲協(xié)同作用下,將線粒體一分為二[12-13]。在輕度刺激下,線粒體通過融合而整合部分受損的線粒體,以維持線粒體DNA完整、維持能量代謝;在劇烈刺激下,線粒體通過分裂將受損的線粒體經(jīng)后續(xù)的線粒體自噬過程給予清除。

1.3 線粒體自噬 線粒體自噬是一種高度保守的機(jī)制,可以選擇性地將線粒體在溶酶體內(nèi)進(jìn)行降解,在線粒體質(zhì)量控制中占有重要作用。已知的線粒體自噬有兩種機(jī)制:一種是PTEN誘導(dǎo)的激酶1(PTEN induced putative kinase 1,PINK1)-Parkin介導(dǎo)的線粒體自噬,另一種是受體介導(dǎo)的線粒體自噬。PINK1是位于線粒體的絲氨酸/蘇氨酸激酶,Parkin是一種E3泛素連接酶,由PARK2基因編碼,位于細(xì)胞質(zhì)中。正常情況下,PINK1會被線粒體蛋白酶早老素相關(guān)菱形樣蛋白處理并降解。線粒體外膜轉(zhuǎn)位酶7和PGAM家族成員5,可使線粒體外膜上PINK1蛋白免受降解[14]。在應(yīng)激狀態(tài)下,線粒體膜去極化導(dǎo)致PINK1在線粒體外膜上穩(wěn)定,將胞質(zhì)中Parkin募集到線粒體介導(dǎo)線粒體自噬。Parkin介導(dǎo)線粒體底物的泛素化,包括MFNs、B淋巴細(xì)胞瘤2和電壓依賴性陰離子通道,而平臺蛋白如sequestosome 1(SQSTM1/p62)等介導(dǎo)泛素化的線粒體底物與微管相關(guān)蛋白1輕鏈3(microtubule associated protein 1 light chain 3,LC3)相結(jié)合從而形成自噬體,最終被自噬溶酶體吞噬、降解[15]。在哺乳動物中LC3-Ⅰ(未結(jié)合的胞質(zhì)形式)到LC3-Ⅱ(自噬體膜相關(guān)的磷脂酰乙醇胺結(jié)合形式)的轉(zhuǎn)化是自噬體形成的標(biāo)志[16]。位于線粒體外膜上的蛋白質(zhì)包括Nix和FUN14區(qū)包含1(FUN14 domain containing 1,FUNDC1)是介導(dǎo)線粒體自噬的受體,直接與LC3結(jié)合,將受損的線粒體形成自噬體進(jìn)而降解。其中,Nix是B淋巴細(xì)胞瘤2家族蛋白僅有的BH3結(jié)構(gòu)域子家族的成員,參與線粒體自噬和細(xì)胞死亡。Nix參與程序化的線粒體清除,以確保紅細(xì)胞成熟期間的線粒體質(zhì)量。也有報道稱依賴Nix的線粒體自噬對于視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞和促炎性巨噬細(xì)胞的分化至關(guān)重要[17]。

2 線粒體質(zhì)量控制體系與COPD的發(fā)生

線粒體質(zhì)量控制是復(fù)雜精細(xì)的過程,在線粒體生成、線粒體分裂/融合、線粒體自噬任何過程中出現(xiàn)異常均會導(dǎo)致COPD的發(fā)生、發(fā)展。

2.1 線粒體生成與COPD 與對照組相比,COPD患者的成纖維細(xì)胞非衰老表型中NRF1和PGC-1α的m RNA表達(dá)明顯升高,而在衰老表型中這種差異并不明顯[18]。與健康對照組相比,終末期COPD患者PGC-1α的m RNA水平下降,TNF-α升高[19]。與健康吸煙者組和健康無吸煙者組相比,COPD患者外周血白細(xì)胞mtDNA顯著減少[20]。在COPD患者隨訪中,肺功能逐漸下降,NRF2的表達(dá)與肺功能呈正相關(guān),對照組在隨訪過程中NRF2水平無明顯變化[21]?？梢?COPD患者的線粒體生成存在不同的研究結(jié)果。在一定程度的損傷時,線粒體生成適應(yīng)性增加以緩解細(xì)胞損傷程度,而在長時間或嚴(yán)重?fù)p傷時,線粒體生成下降。

2.2 線粒體動力學(xué)與COPD 低濃度的煙草提取物(cigarette smoke extract,CSE)介導(dǎo)小鼠肺上皮細(xì)胞、小鼠肺泡上皮細(xì)胞出現(xiàn)線粒體延長、過度融合,MFN2蛋白表達(dá)增加,線粒體活性增加[22]。與對照組相比,COPD患者的原代支氣管上皮細(xì)胞的線粒體腫脹,且呈片段化。有研究表明,DRP1敲低可抑制CSE暴露的平滑肌細(xì)胞中線粒體ROS的產(chǎn)生,而MFN2敲低可促進(jìn)線粒體ROS水平升高[23]。敲除線粒體融合蛋白MFN1、MFN2、OPA1,導(dǎo)致線粒體片段化、細(xì)胞衰老增加。線粒體抗氧化劑Mito-TEMPO減少線粒體碎片化和細(xì)胞衰老[24]。當(dāng)CSE與氣道上皮細(xì)胞長期(3個月)共培養(yǎng)時,低濃度CSE介導(dǎo)Beas-2B細(xì)胞的線粒體延長、融合,高濃度CSE引起線粒體片段化,OPA1 m RNA表達(dá)增加,線粒體OXPHOS能力增加[25]。低濃度CSE與原代肺上皮細(xì)胞(SAEC、NHBE)共培養(yǎng)時,誘導(dǎo)DRP1表達(dá)增加,MFN2表達(dá)降低[26]。本課題組既往利用10%CSE與氣道上皮細(xì)胞共培養(yǎng)建立氣道上皮細(xì)胞損傷模型,我們發(fā)現(xiàn),CSE暴露增加DRP1、MFF的蛋白表達(dá),同時降低OPA1和MFN2的蛋白表達(dá)[27]。這一研究結(jié)果與他人的研究結(jié)果相類似[28]。采用反復(fù)、間斷臭氧暴露6周(濃度2.5 ppm,3 h/次,每周2次)建立小鼠COPD模型,結(jié)果發(fā)現(xiàn),臭氧暴露小鼠的肺組織內(nèi)DRP1和MFF的蛋白表達(dá)增加,OPA1和MFN2的蛋白表達(dá)降低[29]?？梢?氣道上皮細(xì)胞的線粒體動力學(xué)(融合/分裂)失平衡在COPD的發(fā)病過程中具有一定的作用。

2.3 線粒體自噬與COPD 當(dāng)CSE與肺成纖維細(xì)胞、小氣道上皮細(xì)胞共培養(yǎng)時,CSE介導(dǎo)線粒體自噬受損,Parkin轉(zhuǎn)位到受損的線粒體降低,導(dǎo)致受損的線粒體增多,線粒體ROS增加,細(xì)胞衰老[30]。CSE可誘導(dǎo)人支氣管上皮細(xì)胞的ROS生成增多,細(xì)胞衰老,線粒體自噬增多,敲低PARK2基因,會導(dǎo)致線粒體ROS增多,細(xì)胞衰老加重。同時,COPD患者的肺組織內(nèi)PARK2下降且與肺功能下降有關(guān),這說明,PARK2介導(dǎo)的線粒體自噬不足在COPD的發(fā)病過程中具有重要的作用。增強(qiáng)或恢復(fù)PARK2介導(dǎo)的線粒體自噬可以延緩衰老,抑制COPD的發(fā)生、發(fā)展[15,31]。相反的是,也有研究認(rèn)為,CSE誘導(dǎo)氣道上皮細(xì)胞的DRP1發(fā)生磷酸化,同時PINK1蛋白表達(dá)增加。COPD患者肺組織的DRP1、PINK1表達(dá)增加。PINK1-/-小鼠在受到煙草暴露時,不出現(xiàn)肺氣腫及線粒體功能異常。這說明,PINK1介導(dǎo)的線粒體自噬是有害的[32]。煙草暴露小鼠模型中LC3B或PINK1基因缺陷可降低上皮細(xì)胞凋亡及壞死,減輕肺氣腫及氣道功能障礙[33]。除了經(jīng)典的PINK1/PARK2途徑之外,其他途徑如Nix/BINP3L也參與CSE誘導(dǎo)的氣道上皮損傷[34]。在COPD患者中,Nix/BINP3L表達(dá)水平隨著疾病嚴(yán)重程度的增加而增加[35]。FUNDC1在CSE刺激的Beas2b細(xì)胞中表達(dá)增加,敲除FUNDC1基因,肺上皮細(xì)胞中炎癥減弱,COPD模型小鼠的肺功能也得到改善[36]。這些不同的研究結(jié)果可能與不同的細(xì)胞類型、缺乏理想的線粒體自噬增強(qiáng)劑/抑制劑等有關(guān)。同時,這些研究結(jié)果也表明,線粒體自噬可能是一把雙刃劍,可能處于動態(tài)調(diào)控,在COPD的不同發(fā)病階段具有不同的作用。

3 調(diào)控線粒體質(zhì)量控制體系與COPD的治療

3.1 調(diào)控線粒體生成與COPD的治療 氨茶堿是COPD的常用治療藥物,在人肺支氣管上皮細(xì)胞中給予氨茶堿可增加線粒體呼吸速率和三磷酸腺苷的產(chǎn)生,同時可增加PGC-1α、NRF1和TFAM的表達(dá)水平[37]。白藜蘆醇是多酚類抗氧化素的一種,主要存在于葡萄、莓果、花生等果實(shí)中,是植物分泌的抗病毒素,具有抗氧化和抗炎特性。白藜蘆醇可通過多種途徑發(fā)揮其作用,最主要的是可直接激活SIRT1,或通過AMP激活的蛋白激酶間接激活SIRT1,SIRT1可以激活PGC-1α促進(jìn)線粒體生成,其次,白藜蘆醇通過調(diào)節(jié)NRF2發(fā)揮抗氧化作用[38]。當(dāng)白藜蘆醇應(yīng)用于COPD大鼠模型時,小氣道炎癥和氣道重塑減弱,炎癥因子IL-6和IL-8下降,超氧化物歧化酶增高,同時,大鼠肺組織中SIRT1和PGC-1α升高[39]。另一種抗氧化劑姜黃素應(yīng)用于COPD小鼠模型時,氣道炎癥、肺氣腫癥狀緩解,骨骼肌細(xì)胞中線粒體損傷緩解,炎癥因子IL-6和TNF-α下降,PGC-1α和SIRT3的m RNA和蛋白水平上調(diào)[40]。在細(xì)胞模型中,新型復(fù)合抗氧化藥物(React-On)作用于CSE誘導(dǎo)的人支氣管上皮細(xì)胞,炎癥因子IL-1β、IL-6、TNF-α水平下降,PGC-1α水平增高[41]。以上研究表明抗氧化型藥物無論是在體外還是體內(nèi)實(shí)驗在COPD模型中都提高線粒體生成,以及恢復(fù)肺功能減輕氣道炎癥。此外,ZLN005,一種新型的選擇性PGC-1α轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)物,可保護(hù)視網(wǎng)膜色素上皮細(xì)胞免受氧化應(yīng)激損傷,可使PGC-1α以及相關(guān)的轉(zhuǎn)錄因子、抗氧化酶和線粒體基因上調(diào),提高線粒體功能和細(xì)胞活性。而在PGC-1α沉默時,ZLN005對細(xì)胞的保護(hù)作用消失[42]。ZLN005對細(xì)胞的保護(hù)作用對COPD的治療提供新思路。

3.2 調(diào)控線粒體動力學(xué)與COPD的治療 Mdivi-1是DRP1最常用的抑制劑,可降低炎癥因子水平,提高細(xì)胞活力[43]。在CSE誘導(dǎo)的Beas2b細(xì)胞損傷模型中,Mdivi-1抑制線粒體碎片化、提高線粒體膜電位、抑制線粒體自噬,而且,Mdivi-1可以在一定程度上保護(hù)煙草暴露誘導(dǎo)的小鼠氣道上皮黏膜清除功能障礙[31]。肺上皮細(xì)胞組織蛋白酶E(Cat E)過度表達(dá)的小鼠(iCat E Tg+小鼠)自發(fā)產(chǎn)生肺氣腫,Drp-1表達(dá)增加,而應(yīng)用Drp-1抑制劑Mdivi-1可以抑制肺氣腫的形成[44]。如前所述,胞質(zhì)DRP1需要配體MFF和FIS1才能發(fā)揮線粒體分裂的作用,新型的選擇性肽抑制劑P110可通過此過程抑制線粒體分裂,降低DRP1酶的活性,并能夠阻止DRP1/FIS1在神經(jīng)元中的相互作用[45]。

3.3 調(diào)控線粒體自噬與COPD的治療 抗氧化物槲皮素可抑制CSE誘導(dǎo)的Beas2b細(xì)胞pDRP-1和PINK1表達(dá),抑制線粒體功能障礙和線粒體自噬,抑制細(xì)胞凋亡相關(guān)蛋白caspase-3、caspase-8和caspase-9的表達(dá)[28]。新型COPD治療藥物羅氟司特是磷酸二酯酶4抑制劑,通過抑制CSE誘導(dǎo)的Beas2b細(xì)胞p-DRP1和PINK1的表達(dá)水平以抑制線粒體功能障礙和線粒體自噬,提高細(xì)胞活力。

綜上所述,線粒體質(zhì)量控制體系參與COPD的病理生理過程,如氣道炎癥、氧化應(yīng)激、肺功能損傷等。越來越多的研究揭示出線粒體質(zhì)量控制體系在COPD發(fā)病機(jī)制中的重要作用。研究表明,現(xiàn)有的COPD治療藥物有一定的促進(jìn)線粒體生成、維持線粒體動力學(xué)平衡、調(diào)控線粒體自噬,從而維持線粒體穩(wěn)態(tài)。一些調(diào)控線粒體質(zhì)量控制的靶點(diǎn)藥物在體外和體內(nèi)實(shí)驗均表現(xiàn)出一定的抗炎、抗氧化作用,這為COPD的預(yù)防、治療提供了新的思路與靶點(diǎn)?？紤]到肺部眾多的結(jié)構(gòu)細(xì)胞和炎癥細(xì)胞,生物學(xué)特性差異巨大,在COPD病理生理過程中的作用迥異。因此,需要首先確定特異性的靶向細(xì)胞類型(目前研究最多的是氣道上皮細(xì)胞),再針對性地采用靶點(diǎn)藥物調(diào)控線粒體質(zhì)量控制系統(tǒng)才能更好地發(fā)揮作用。

利益沖突 所有作者均聲明不存在利益沖突