線粒體自噬在潰瘍性結(jié)腸炎中的研究進展

陳丹丹 鐘繼紅*

潰瘍性結(jié)腸炎（ulcerative colitis，UC）是一種慢性非特異性腸道疾病，其病變主要累及粘膜層和粘膜下層，呈彌漫性、連續(xù)性分布。臨床表現(xiàn)為腹瀉、黏液膿血便、腹痛以及不同程度的全身反應(yīng)和腸外表現(xiàn)，嚴重影響患者生活質(zhì)量。UC 發(fā)病可能與自身免疫、家族遺傳、環(huán)境和腸道微生物等因素有關(guān)［1］，但其機制尚不明確?，F(xiàn)代醫(yī)學治療UC 多使用5-氨基水楊酸制劑（5-ASA）、糖皮質(zhì)激素、免疫抑制劑以及生物制劑，雖能有效緩解癥狀，改善生活質(zhì)量，但均存在局限性。近年來，線粒體自噬已成為各個領(lǐng)域的研究熱點，不同通路介導的線粒體自噬參與不同種系、不同組織細胞內(nèi)的線粒體降解過程，在腫瘤、自身免疫性疾病和心臟病等常見疾病的發(fā)生發(fā)展中起關(guān)鍵調(diào)節(jié)作用［2-4］。研究表明，線粒體自噬可以對抗UC 的炎癥反應(yīng)，控制UC 發(fā)作［5］。探討線粒體自噬與UC 發(fā)生之間的關(guān)系，尋找介導UC 線粒體自噬信號通路的藥物來治療UC 是一個具有潛在價值的研究方向。

1 線粒體自噬概述

線粒體是細胞中非常重要的結(jié)構(gòu)，通過氧化磷酸化實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)化，為細胞新陳代謝提供能量，被稱為細胞的“動力工廠”。線粒體參與調(diào)控細胞內(nèi)電解質(zhì)的平衡、傳導細胞信號、控制ROS 生成、介導細胞凋亡等一系列重要的生理活動。線粒體結(jié)構(gòu)與功能的穩(wěn)定是細胞維持正常生理活動的前提。自噬是真核生物的一種自我保護機制，常在饑餓、炎癥、損傷、腫瘤等各種壓力下被激活，維持機體內(nèi)穩(wěn)態(tài)平衡［4］。線粒體自噬是一種專門針對線粒體的自噬反應(yīng)，有絲分裂的識別和吞噬能夠及時清除受損或過剩的線粒體［5］，維持線粒體質(zhì)量和數(shù)量的穩(wěn)態(tài)對保證人體健康具有重要作用。

2 線粒體自噬的分子機制

2.1 經(jīng)典的PINK1/Parkin 蛋白介導的線粒體自噬 PINK1 主要存在于線粒體外膜，是一種絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶。Parkin主要存在于細胞質(zhì)中，是一種E3 泛素酶。在正常線粒體中，PINK1 通過線粒體外膜轉(zhuǎn)位酶進入線粒體膜腔內(nèi)，之后與內(nèi)膜上的復(fù)合物相互作用，進一步轉(zhuǎn)移至線粒體內(nèi)膜，后迅速被PARL 蛋白降解，維持其低表達水平［6］。線粒體損傷時，內(nèi)膜電位消失，PINK1 由外向內(nèi)的轉(zhuǎn)移受到阻礙，使得PINK1選擇性在受損的線粒體外膜上不斷積聚［7］。膜電位降低的線粒體能夠選擇性募集Parkin，并介導線粒體被自噬體包裹［8］。因此，在PINK1 高表達的線粒體上，Parkin 由胞漿轉(zhuǎn)移至線粒體內(nèi)。YOULE 等［9］研究發(fā)現(xiàn)，PINK1 聚集在受損的線粒體外膜直接或間接磷酸化Parkin，激活的Parkin 可催化線粒體蛋白發(fā)生泛素化，而泛素化的線粒體可以被接頭蛋白P62或選擇性自噬受體識別，進而與自噬囊泡膜上的LC3（自噬相關(guān)蛋白）連接。該自噬體再與吞噬膜上酵母自噬蛋白8 家族同源蛋白連接，形成線粒體自噬體，與溶酶體融合，最終導致線粒體自噬的發(fā)生［10］。

2.2 BNIP3L（Nix）/BNIP3 介導的線粒體自噬 Nix 是一種線粒體膜表面結(jié)合蛋白，即BCL2 連接蛋白BNIP3L。BNIP3、BNIP3L 均屬于具有促凋亡活性的BCL2 家族，特定條件下可誘導細胞死亡，參與誘導自噬作用［11］。Nix 位于線粒體外膜，BNIP3L 降低與線粒體自噬降低存在潛在聯(lián)系［12］。NOVAK等［13］研究發(fā)現(xiàn)，網(wǎng)織紅細胞內(nèi)線粒體的降解受到 Nix 的介導與調(diào)控，Nix 可與LC3 蛋白結(jié)合，將LC3 募集到受損的線粒體表面，進而引起線粒體自噬。因此，推測Nix 可能作為直接蛋白受體參與自噬通路，介導線粒體自噬。另外，KANG等［14］發(fā)現(xiàn)在哺乳動物體中，Nix 還存在同源蛋白BNIP3，兩者在結(jié)構(gòu)上具有很高的同源性。有實驗證明BNIP3 也是線粒體自噬過程中的重要蛋白通路，但目前關(guān)于BNIP3 的研究并不多，其調(diào)控線粒體發(fā)生的機制仍尚不清楚。

2.3 FUNDC1 介導的線粒體自噬 FUNDC1 定位于線粒體外膜，是一種線粒體自噬受體，缺氧時可激活線粒體自噬，其中一段LIR 結(jié)構(gòu)域可與LC3 蛋白直接結(jié)合介導線粒體自噬［15］。研究表明，在缺氧條件下蛋白激酶Scr 失活，磷酸化LIR 結(jié)構(gòu)域的Thy18 位點的作用消失，可增強FUNDC1 與LC3 的結(jié)合，從而誘導線粒體自噬［16］。另外，還有AMPK 途徑、ULK1途徑、HMGB1 途徑等［17］，不同信號通路介導的線粒體自噬，共同參與維持線粒體結(jié)構(gòu)與功能的穩(wěn)態(tài)，對人體正常生理活動具有重要意義。

3 線粒體自噬與潰瘍性結(jié)腸炎

ATG-16L1 等多種自噬蛋白能夠影響UC 發(fā)生是UC 的易患基因。當ATG-16L1 低表達時，線粒體自噬現(xiàn)象減少，抑制炎癥體的活性能力降低，進而誘導IL-1β 和IL-18 表達增加，引發(fā)消化道慢性炎癥，最終導致UC 發(fā)生。綜前所述，線粒體自噬功能降低可能是UC 發(fā)生的重要機制之一，線粒體自噬活動的減少參與了UC 的發(fā)生和復(fù)發(fā)。在ATG-16L1 缺失的情況下，潰瘍性結(jié)腸炎感染的幾率增加，可能與線粒體的結(jié)構(gòu)與功能改變有關(guān)。另一項揭示SMURF1 基因的單核苷酸多態(tài)性與IBD 關(guān)系的研究發(fā)現(xiàn)，線粒體自噬涉及UC 的發(fā)病機制。

3.1 PINK1/Parkin 蛋白介導的線粒體自噬與UC 的發(fā)生 張盼等［18］研究發(fā)現(xiàn)，UC 患者結(jié)腸黏膜中線粒體的形態(tài)與結(jié)構(gòu)被破壞，利用透射電鏡檢測到了線粒體自噬現(xiàn)象，采用免疫組化技術(shù)和蛋白質(zhì)印跡法觀察不同分組患者的PINK1 及Parkin含量，結(jié)果顯示UC 各組PINK1 及Parkin 的表達均較對照組增加，表明線粒體自噬參與了UC 的發(fā)生，PINK1/Parkin 信號通路介導的線粒體自噬在UC 的發(fā)生發(fā)展過程中發(fā)揮著重要作用。因此，UC 患者增加PINK1、Parkin 的表達促進線粒體自噬，可能有利于疾病的治療和緩解期的維持，提供新的治療方向。MAI 等［19］研究證實，巴馬亭改善UC 的作用與抑制NLRP3 炎癥小體活化有關(guān)，后續(xù)實驗表明巴馬亭增強細胞中PINK1 與Parkin 蛋白的表達，促進PINK1 和Parkin 在線粒體中的集聚，并且誘導與溶酶體的結(jié)合從而發(fā)生自噬。說明在NLRP3 炎癥小體活化的前提下，巴馬亭能夠促進巨噬細胞PINK1/Parkin 信號通路介導的線粒體自噬。由此推測，巴馬亭促進PINK1/Parkin 信號通路介導的線粒體自噬與抑制NLRP3炎癥小體活化的作用有關(guān)。進一步實驗驗證，當線粒體自噬被CsA 抑制且PINK1 蛋白表達被沉默后，巴馬亭抑制NLRP3炎癥小體活化的作用也會相對性減弱，表明巴馬亭改善UC 是通過促進PINK1/Parkin 信號通路介導的線粒體自噬，并發(fā)揮抑制NLRP3 炎癥小體活化作用。

3.2 BNIP3L（Nix）/BNIP3 介導的線粒體自噬與UC 的發(fā)生 VINCENT 等［20］探討Nix 介導的有絲分裂吞噬在小鼠結(jié)腸炎過程中的機制時發(fā)現(xiàn)，結(jié)腸上皮線粒體變形非常接近自噬結(jié)構(gòu)，DSS 處理過的小鼠其Nix 基因的表達水平與對照組比較均有所增加，細胞裂解產(chǎn)物中自噬標記物LC3 也有增加，此外還在DSS 處理過小鼠的線粒體中發(fā)現(xiàn)Nix 和Drp1 蛋白（一個線粒體分裂的標準標記物）與對照組相比增加。上述發(fā)現(xiàn)表明，在小鼠結(jié)腸炎期間，腸上皮內(nèi)線粒體分裂和Nix 介導的有絲分裂均上調(diào)。利用免疫熒光技術(shù)，發(fā)現(xiàn)Nix 與線粒體細胞色素c 氧化酶、第四亞單位（Coxiv）蛋白共定位于腸上皮細胞，表明UC 小鼠腸上皮中Nix 介導的有絲分裂吞噬成分增加，并且以線粒體為靶點。此外，該實驗還證明了Nix 的表達部分由HIF1α 激活，MtROS 清除劑MitoTEMPO 可以改善小鼠直結(jié)腸炎期間HIF1α 和Nix 的表達，提示mtROS 可能對HIF1α 的穩(wěn)定和隨后的Nix 在腸道炎癥期間的轉(zhuǎn)錄起關(guān)鍵作用。筆者認為，MtROS 激活HIF1α 從而引起Nix 介導的線粒體自噬可能是人類IBD 的一個可能治療靶點，在未來的研究中幫助細胞去除功能障礙的線粒體可能為人類IBD 提供一種理想的策略。李一芳等［21］通過探討地馬煎劑對潰瘍性結(jié)腸炎大鼠腸上皮細胞 BNIP3 與mRNA 的影響，觀察到使用地馬煎劑后的UC 大鼠相較于空白組，腸上皮細胞BNIP3 的表達明顯提高，結(jié)腸上皮細胞線粒體自噬水平活躍，病理黏膜組織炎癥呈修復(fù)狀態(tài)，地馬煎劑中、高劑量組對 BNIP3 的調(diào)節(jié)水平相較于低劑量組更加顯著，結(jié)果表明BNIP3 蛋白有促進炎癥修復(fù)、保護腸上皮細胞的作用。而已有很多研究表明，BNIP3 是線粒體自噬激活通路中的關(guān)鍵蛋白。因此，BNIP3 對抗UC 炎癥的作用機制可能是通過激活蛋白通路、促進線粒體自噬實現(xiàn)的，且在促進自噬和提高腸上皮抗炎作用中發(fā)揮正向調(diào)節(jié)作用。

3.3 AMPK 途徑介導的線粒體自噬與UC 的發(fā)生 LIU 等［22］實驗證實，人參皂甙Rd 通過促進AMPK-ULK1-P62 軸誘發(fā)驅(qū)動吞噬細胞介導的NLRP3 炎癥體失活，RD 驅(qū)動的p62 介導的有絲分裂吞噬不僅能限制受損的線粒體，而且還能中和炎癥小體中的NLRP3，減少巨噬細胞分泌IL-1β，從而抑制右旋糖酐硫酸鈉誘導的小鼠實驗性結(jié)腸炎，提示AMPK-ULK1-P62路徑通過促進自噬的過程在Rd 誘導的NLRP3 炎性小體失活中起著至關(guān)重要的作用，Rd 誘導的AMPK 路徑可能與誘發(fā)線粒體自噬、改善潰瘍性結(jié)腸炎關(guān)系密切。DI FUSCO 等［23］探究二甲雙胍是否具有對抗腸道炎癥及其機制的實驗發(fā)現(xiàn)，二甲雙胍可有效減輕DSS 驅(qū)動的結(jié)腸炎，進一步實驗發(fā)現(xiàn)二甲雙胍組小鼠結(jié)腸樣本顯示IL-6RNA 表達降低，流式細胞儀分析顯示二甲雙胍降低了CD11c/IL-6 產(chǎn)生細胞的百分率，免疫組織化學分析證實了這些數(shù)據(jù)，并顯示二甲雙胍增加了上皮和固有板室內(nèi)活性AMPK 的表達。因此，該實驗明確二甲雙胍可以改善小鼠腸道炎癥，且AMPK 活化在二甲雙胍處理的細胞中發(fā)生磷酸化，被認為介導了二甲雙胍的生物學功能。EGAN 等［24］研究證實，二甲雙胍可通過激活A(yù)MPK 來誘發(fā)線粒體自噬。至于二甲雙胍介導的AMPK 改善潰瘍性結(jié)腸炎是否與線粒體自噬有關(guān)，還待進一步研究。

3.4 Nur77-TRAF2-p62/SQSTM1 途徑介導的線粒體自噬與UC 的發(fā)生 關(guān)于線粒體自噬信號通路的研究仍在繼續(xù)開展。HU 等［25］實驗發(fā)現(xiàn)了一條新的線粒體自噬通路，即Nur77 在雷公藤紅素的誘導下激活Nur77-TRAF2 通路。Nur77，又稱NR4A1 和TR3，是一種由立早基因NR4A1 編碼的蛋白，也是核受體家族的重要成員之一［26］，因其尚未在人體內(nèi)發(fā)現(xiàn)配對的受體，也被稱為“孤兒受體”。孤兒受體Nur77/NR4A1在TNF-α、脂多糖等刺激作用下可調(diào)節(jié)巨噬細胞的增殖、凋亡、炎癥和線粒體自噬［27］。HU 等［25］的實驗還證實了雷公藤紅素能誘導Nur77 與腫瘤壞死因子受體相關(guān)因子2（TRAF2）相互結(jié)合從而發(fā)生作用，并使Nur77 發(fā)生泛素化。泛素化的Nur77 被接頭蛋白P62/SQSTM1（一種與細胞信號轉(zhuǎn)導、氧化應(yīng)激和自噬有關(guān)的泛素結(jié)合蛋白）所識別，從而與自噬囊泡膜上的LC3 相連接，進一步與溶酶體融合，最終導致線粒體自噬的發(fā)生。目前有實驗證實，線粒體自噬可以導致mtROS的減少，抑制NLRP3 的增加，而NLRP3 是公認的介導炎癥的重要介質(zhì)，以此達到抗炎的目的。HU 等的實驗揭示了雷公藤紅素介導Nur77 誘導線粒體自噬來清除損傷的線粒體并抑制炎癥的發(fā)生，對于理解自噬與炎癥的關(guān)系具有重要意義，同時為研究自噬調(diào)控炎癥反應(yīng)提供了一種新的思路。筆者推想，Nur77 引發(fā)的線粒體自噬或許能夠抑制UC 的發(fā)生，但目前此途徑引起的線粒體自噬尚未在潰瘍性結(jié)腸炎相關(guān)研究中取得進展，有待進一步探索。

4 小結(jié)與展望

線粒體自噬是一種高度選擇性自噬，通過清除受損線粒體維持細胞功能穩(wěn)定，涉及多種疾病，但具體機制尚不明確，目前已成為生物細胞領(lǐng)域的研究熱點。線粒體自噬，是受損線粒體通過自噬小體在溶酶體內(nèi)降解，受損線粒體數(shù)量減少，mtROS 及mtDNA 的產(chǎn)生受到抑制，從而NLRP3 炎癥小體激活被抑制［28］，IL-1、IL-6 等炎癥因子的釋放減少［29］。部分IBD 患者結(jié)腸病理中可見線粒體形態(tài)改變、膜電位降低、ROS產(chǎn)生增加，線粒體自噬機制遭到破壞［30］。筆者推測，線粒體自噬抑制mtROS 和mtDNA 分泌，減少炎癥小體激活及炎性介質(zhì)的分泌，其功能異常在UC 發(fā)病中起重要作用。目前已知UC 中線粒體自噬介導的信號通路有PINK1/Parkin、BNIP3L/BNIP3、AMPK 和Nur77 等，這些信號通路之間是否還存在某種相互作用或關(guān)系尚不明確，下一步研究將致力于尋找線粒體自噬抑制腸道炎癥的理論依據(jù)及UC 的潛在治療靶點，為UC 的臨床干預(yù)提供精準方向。