線粒體質(zhì)量控制失調(diào)與特發(fā)性肺纖維化的關(guān)系研究進(jìn)展

馮同，高瑕，王波，李萬成*

1成都醫(yī)學(xué)院，成都 610500；2成都醫(yī)學(xué)院第一附屬醫(yī)院呼吸與危重癥醫(yī)學(xué)科，成都 610500

特發(fā)性肺纖維化(idiopathic pulmonary fibrosis，IPF)是一種嚴(yán)重影響肺通氣與換氣功能的慢性下呼吸道疾病，表現(xiàn)為異常的肺間質(zhì)纖維化及炎癥，包括肺泡結(jié)構(gòu)的破壞。IPF多發(fā)生于中年及老年人，平均診斷年齡為66歲，中位生存期為確診后3～5年。IPF年發(fā)病率為(4.6～16.3)/10萬，且呈上升趨勢；患病率為(13～20)/10萬，男性患者比例較高(男:女=1.5～1.7:1)。關(guān)于IPF的發(fā)病機(jī)制，目前被較多學(xué)者支持的是上皮-間充質(zhì)轉(zhuǎn)化(epithelial-tomesenchymal transition，EMT)。IPF被認(rèn)為是肺泡上皮細(xì)胞功能異常及凋亡的結(jié)果，該損傷引起間充質(zhì)細(xì)胞的遷移、增殖、活化，并形成了成纖維細(xì)胞及肌成纖維細(xì)胞病灶。激活的肌成纖維細(xì)胞分泌過多的細(xì)胞外基質(zhì)，破壞了肺部結(jié)構(gòu)[1]。目前，美國食品藥品管理局(Food and Drug Administration，F(xiàn)DA)批準(zhǔn)用于治療IPF的藥物有吡非尼酮及尼達(dá)尼布，但這兩種藥物的療效有限，僅能適度緩解疾病的癥狀，不能改善IPF患者的生活質(zhì)量及降低死亡率[2]。

線粒體除了具有能量供給的功能外，還在信號傳導(dǎo)、新陳代謝及細(xì)胞死亡的調(diào)控中起重要作用[3]。線粒體質(zhì)量控制通常通過三種不同的機(jī)制來維持：(1)線粒體生物合成；(2)線粒體動力學(xué)(融合與分裂)；(3)線粒體自噬。廣義的線粒體質(zhì)量控制還包括線粒體內(nèi)活性氧水平的調(diào)控，線粒體基質(zhì)的蛋白酶、泛素蛋白酶體系統(tǒng)及線粒體衍生的囊泡。機(jī)體通過這些機(jī)制生成新的線粒體，限制損傷與衰老的線粒體過度積累，減少活性氧(reactive oxygen species，ROS)的產(chǎn)生，從而維持線粒體的動態(tài)平衡。本文探討了包括線粒體ROS調(diào)控在內(nèi)的線粒體質(zhì)量控制失調(diào)與IPF的相關(guān)性，并針對線粒體質(zhì)量控制提出IPF的防治策略。

1 線粒體質(zhì)量控制

線粒體通過線粒體質(zhì)量控制，即通過融合/分裂改變其形狀及大小，通過線粒體自噬包裹受損的線粒體并將其傳遞至溶酶體進(jìn)行清除，通過生物合成新生線粒體以補(bǔ)充線粒體池，通過線粒體內(nèi)抗氧化系統(tǒng)降低ROS對細(xì)胞造成的氧化損傷，這些過程相互協(xié)調(diào)作用以適應(yīng)不同條件下細(xì)胞新陳代謝的變化。

1.1 ROS水平的線粒體質(zhì)量控制 ROS是一類含活性氧原子的反應(yīng)性化學(xué)物質(zhì)，包括超氧陰離子、羥基自由基、過氧化氫、臭氧及單線態(tài)氧等[4]。過多的ROS累積可造成線粒體的氧化破壞，同時，ROS作為信號分子參與了線粒體質(zhì)量控制的調(diào)節(jié)，激活抗氧化系統(tǒng)。細(xì)胞內(nèi)含有的抗氧化系統(tǒng)負(fù)責(zé)清除過多的ROS，維持氧化還原狀態(tài)的穩(wěn)定，阻止ROS誘導(dǎo)的氧化應(yīng)激對線粒體DNA(mtDNA)及蛋白質(zhì)的破壞。

1.2 線粒體動力學(xué)對線粒體質(zhì)量控制的調(diào)控

線粒體分裂通過胞質(zhì)動力相關(guān)蛋白1(dynamin relatedprotein 1，DRP1)、分裂蛋白1(fission protein 1，F(xiàn)IS1)、線粒體分裂因子(mitochondria fission factor，MFF)及線粒體動力蛋白49/51(mitochondrial dynamics proteins of 49 and 51，MID49/51)的作用完成。當(dāng)位于細(xì)胞質(zhì)或內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中的DRP1被募集到線粒體外膜上時，DRP1與線粒體外膜上的受體FIS、MFF、MID49/51相互作用形成復(fù)合物，與DRP1結(jié)合的GTP的水解會收縮DRP1，使線粒體膜分裂，導(dǎo)致兩個獨(dú)立的子代線粒體形成，從而發(fā)生裂變[5]。線粒體外膜融合是通過線粒體融合蛋白(mitofusin 1/2，MFN1/2)及視神經(jīng)萎縮相關(guān)蛋白1(optic atrophy 1，OPA1)進(jìn)行的。OPA1在YME1樣ATP酶(YME1-like 1 ATPase，YME1L1)的調(diào)控下，形成長式及短式的寡聚體，它們之間保持平衡，維持線粒體內(nèi)膜的融合[6-7]。

1.3 線粒體自噬對線粒體質(zhì)量控制的調(diào)控 線粒體自噬相關(guān)蛋白可分為E3泛素連接酶PARKIN依賴型及非PARKIN依賴型。其中最經(jīng)典的途徑為E3泛素連接酶PARKIN依賴型，需要磷酸酶及張力蛋白同源物誘導(dǎo)的蛋白激酶1(PTEN induced putative kinase 1，PINK1)的參與。正常情況下，PINK1位于線粒體內(nèi)膜，由線粒體特異性蛋白酶線粒體內(nèi)膜早老素相關(guān)菱形樣蛋白(presenilin associated rhomboid like protein，PARL)及加工肽酶(mitochondrial processing peptidase，MPP)降解[8-9]。在線粒體損傷的情況下，PARL及MPP失活，抑制了PINK1由線粒體外膜轉(zhuǎn)運(yùn)至線粒體內(nèi)膜的進(jìn)程，導(dǎo)致PINK1在線粒體外膜上累積。位于線粒體外膜的PINK1的激酶結(jié)構(gòu)域不僅可磷酸化線粒體外膜蛋白，還可募集及激活E3-泛素連接酶PARKIN[10]。激活的PARKIN將泛素化線粒體外膜及細(xì)胞質(zhì)蛋白，泛素化蛋白與銜接子蛋白SQSTM1/p62及微管相關(guān)蛋白1輕鏈3(MAP1LC3/LC3)結(jié)合形成自噬體，啟動自噬機(jī)制降解損傷嚴(yán)重的線粒體。

1.4 線粒體生物合成對線粒體質(zhì)量控制的調(diào)控線粒體生物合成是一個高度協(xié)調(diào)的過程，利用線粒體及核編碼基因來改變線粒體的大小及質(zhì)量。它需要線粒體、細(xì)胞核、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)及其他細(xì)胞器的協(xié)同作用。線粒體生物合成中關(guān)鍵的調(diào)控分子是過氧化物酶體增殖物激活受體-γ共激活因子-1α(PGC-1α)，但其他轉(zhuǎn)錄因子，包括5＇腺苷單磷酸激活蛋白激酶(5＇-AMP activated protein kinase，AMPK)及核呼吸因子1/2(nuclear respiratory factor 1/2，NRF1/2)也參與其中[11]。PGC-1α作為共轉(zhuǎn)錄因子，轉(zhuǎn)位至細(xì)胞核與NRF1/2結(jié)合，轉(zhuǎn)錄激活線粒體轉(zhuǎn)錄因子A(mitochondrial transcription factor A，TFAM)的表達(dá)，從而驅(qū)動mtDNA的轉(zhuǎn)錄及復(fù)制。

2 線粒體質(zhì)量控制失調(diào)與IPF發(fā)病的相關(guān)性

目前，已有研究證據(jù)表明IPF與線粒體質(zhì)量控制失調(diào)密切相關(guān)。人們已經(jīng)認(rèn)識到線粒體功能障礙是IPF及其他肺部疾病如慢性阻塞性肺疾病、哮喘發(fā)病機(jī)制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[12-14]。

2.1 線粒體氧化應(yīng)激在IPF發(fā)病中的作用 ROS是參與細(xì)胞正常分化、增殖等過程的反應(yīng)性物質(zhì)，在病理狀態(tài)下，線粒體內(nèi)產(chǎn)生過多的ROS，不能被抗氧化系統(tǒng)及時清除，就會引發(fā)一系列反應(yīng)，如mtDNA損傷、通透性轉(zhuǎn)換孔開放及膜通透性改變，導(dǎo)致肺纖維化的發(fā)生[15]。研究發(fā)現(xiàn)，過量的線粒體ROS(mtROS)產(chǎn)生及蛋白酶復(fù)合體Ⅰ、蛋白酶復(fù)合體Ⅳ活性下降與纖維化小鼠模型中Ⅱ型肺泡上皮細(xì)胞(alveolar epithelial cells，AEC)的線粒體功能障礙有關(guān)[16-17]。與野生型小鼠相比，線粒體過氧化氫酶高表達(dá)轉(zhuǎn)基因小鼠接觸石棉、博萊霉素后肺纖維化的程度降低，小鼠Ⅱ型AEC中的mtROS水平也降低[17]。NRF2是一種氧化劑敏感的轉(zhuǎn)錄因子，可通過激活抗氧化系統(tǒng)，調(diào)節(jié)谷胱甘肽、硫氧還蛋白和還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(nicotinamide adenine dinucleotide phosphate，NADPH)的生物合成、利用及再生，并能控制線粒體及NADPH氧化酶的ROS生成，在維持細(xì)胞氧化還原穩(wěn)態(tài)中起著至關(guān)重要的作用[18]。NRF2基因敲除小鼠肺部多種抗氧化酶表達(dá)降低，從而易發(fā)生ROS誘導(dǎo)的肺纖維化損傷[19]。同時，mtDNA損傷與氧化損傷及肺纖維化有關(guān)。IPF患者中mtDNA活性氧水平上升[20]。DNA堿基切除修復(fù)酶8-氧鳥嘌呤DNA糖基化酶1(8-oxoguanine DNA glycosylase 1，Ogg1)對修復(fù)Ⅱ型AEC氧化損傷起重要作用[21]。與野生型小鼠相比，Ogg1基因敲除小鼠石棉暴露后的肺纖維化程度、Ⅱ型AEC mtDNA損傷及氧化劑誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡增加[22]。線粒體哺乳動物的沉默信息調(diào)節(jié)因子3(silent information regulator 3，SIRT3)是煙酰胺腺嘌呤二核苷酸(nicotinamide adenine dinucleotide，NAD)依賴的sirtuin家族的成員，參與肺纖維化的調(diào)節(jié)。Sirt3基因敲除衰老小鼠會發(fā)生多個器官的組織纖維化，包括心臟、肝臟、腎臟及肺部，且IPF患者肺內(nèi)SIRT3的活性下降[23]。SIRT3通過Ogg1及錳超氧化物歧化酶(Mn superoxide dismutase，MnSOD)調(diào)節(jié)蛋白脫乙?；瘉頊p少mtDNA損傷，SIRT3缺乏可導(dǎo)致線粒體蛋白的乙?；笆Щ睿鰪?qiáng)ROS引起的mtDNA損傷及細(xì)胞凋亡，促進(jìn)肺纖維化[23]。因此，線粒體ROS增多是肺纖維化病理改變的機(jī)制之一。

2.2 線粒體動力學(xué)在IPF發(fā)病中的作用 線粒體是動態(tài)的細(xì)胞器，通過不斷的融合與分裂，交換損傷的蛋白質(zhì)及mtDNA，保持著動態(tài)平衡。小鼠Ⅱ型AEC中缺乏MFN1及MFN2會導(dǎo)致自發(fā)性肺纖維化的發(fā)生率及病死率增高。MFN1缺失導(dǎo)致線粒體破碎，MFN2缺失導(dǎo)致線粒體腫脹。在暴露于博來霉素的小鼠中，Ⅱ型AEC細(xì)胞的MFN1、MFN2及DRP1的表達(dá)水平增高，以減輕肺纖維化損傷[24]。G蛋白偶聯(lián)受體C族5型A組(G protein-coupled receptor C group 5 type group A，GPRC5A)是G蛋白偶聯(lián)受體家族的一個成員。在IPF損傷AEC中，GPRC5A的減少會導(dǎo)致線粒體融合蛋白MFN2及OPA1缺失，從而增加博來霉素所致肺纖維化的膠原蛋白沉積，刺激成纖維細(xì)胞的增殖與激活[25]。線粒體的融合及分裂參與了細(xì)胞凋亡的調(diào)節(jié)，線粒體融合可抑制細(xì)胞凋亡，而線粒體分裂可促進(jìn)細(xì)胞凋亡。Ⅱ型AEC的凋亡是肺纖維化發(fā)生發(fā)展的關(guān)鍵因素。研究表明，miR-30a表達(dá)上調(diào)可減少Ⅱ型AEC的凋亡，抑制線粒體分裂，并降低DRP1的表達(dá)及轉(zhuǎn)運(yùn)，減輕肺纖維化的程度[26]。上述研究提示，線粒體動力學(xué)與肺纖維化之間存在密切關(guān)系，線粒體動力學(xué)改變可能通過影響線粒體活性氧生成、mtDNA分布、細(xì)胞內(nèi)鈣離子穩(wěn)態(tài)及細(xì)胞凋亡等影響細(xì)胞能量供給及信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，從而促進(jìn)肺纖維化的發(fā)生發(fā)展。

2.3 線粒體自噬在IPF發(fā)病中的作用 線粒體自噬是降解大分子蛋白質(zhì)或細(xì)胞器的過程。當(dāng)線粒體受損時，自噬體可將其包裹分隔，并遞送至溶酶體進(jìn)行清除及再回收[27]。PINK1缺乏會導(dǎo)致線粒體腫脹、功能障礙，并促進(jìn)衰老相關(guān)的肺纖維化[12]。博萊霉素誘導(dǎo)的PARKIN基因敲除小鼠的線粒體自噬不足，無法清除受損線粒體，肺纖維化程度增加[28]。在IPF成纖維細(xì)胞灶的肌成纖維細(xì)胞和肺成纖維細(xì)胞中，PARKIN表達(dá)水平降低[29]。轉(zhuǎn)錄激活因子3(activating transcription factor 3，ATF3)是PINK1基因表達(dá)的負(fù)調(diào)控因子，其過表達(dá)可抑制PINK1啟動子的活性，導(dǎo)致去極化線粒體的積累，線粒體ROS的產(chǎn)生增加。在ATF3缺失小鼠中，博來霉素誘導(dǎo)的肺纖維化程度減輕[30]。總之，目前動物實驗及人體研究結(jié)果都表明促進(jìn)自噬可以預(yù)防肺纖維化。

2.4 線粒體生物合成在IPF發(fā)病中的作用 線粒體生物合成是一個調(diào)控新生線粒體形成的生物學(xué)過程，主要涉及mtDNA的復(fù)制、mtDNA編碼蛋白的合成以及協(xié)調(diào)線粒體動力學(xué)等作用。

線粒體生物合成能力下降與IPF的發(fā)病機(jī)制有關(guān)。在IPF患者與博萊霉素誘導(dǎo)的肺纖維化模型中，PGC-1α表達(dá)水平降低，此外，PGC-1α基因敲除小鼠經(jīng)博萊霉素誘導(dǎo)后肺纖維化程度加重[31]。甲狀腺激素(thyroid hormone，TH)可通過改善線粒體功能及形態(tài)、恢復(fù)線粒體膜電位來減輕博來霉素誘導(dǎo)的肺纖維化。IPF患者肺組織中碘甲腺原氨酸脫碘酶Ⅱ(recombinant deiodinase iodothyronine typeⅡ，DIO2，一種激活TH的酶)的活性及表達(dá)水平高于對照組，且與疾病嚴(yán)重程度相關(guān)。DIO2基因敲除小鼠經(jīng)博來霉素誘導(dǎo)后肺纖維化程度加重。在博來霉素暴露后，TH促進(jìn)了體內(nèi)及體外AEC中的線粒體生物合成，改善了線粒體生物能，并減少了線粒體調(diào)節(jié)的細(xì)胞凋亡。在PGC-1α或PINK1基因敲除小鼠中，TH不能抑制肺纖維化，提示TH的作用是依賴于PGC-1α和PINK1而實現(xiàn)的[32]。AMPK是細(xì)胞生物能的關(guān)鍵傳感器，可控制生物體內(nèi)合成代謝的轉(zhuǎn)換。在IPF患者及IPF小鼠模型中，AMPK活性在代謝活躍且凋亡抵抗的成纖維細(xì)胞相關(guān)的纖維化區(qū)域較低。AMPK激活物AICAR可上調(diào)TFAM并增加線粒體電子傳遞鏈復(fù)合物主要成分NADH泛醌脫氫酶1β亞復(fù)合物8的表達(dá)，增強(qiáng)線粒體的生物合成[33]。目前認(rèn)為線粒體生物合成受損導(dǎo)致線粒體質(zhì)量降低是肺纖維化線粒體功能障礙的另一重要內(nèi)在機(jī)制。

3 以線粒體質(zhì)量控制為靶點(diǎn)的IPF干預(yù)策略

恢復(fù)線粒體質(zhì)量控制的干預(yù)措施可能是IPF的保護(hù)策略，如MitoQ作為線粒體靶向抗氧化劑，可減弱IPF肺成纖維細(xì)胞中TGF-β1及NOX4的表達(dá)[34]。研究表明，17β-雌二醇通過細(xì)胞核或線粒體雌激素受體對線粒體功能的調(diào)節(jié)可誘導(dǎo)抗氧化反應(yīng)以及NRF1/2、PGC-1α的激活，從而促進(jìn)線粒體的生物合成[35]。眾所周知，IPF的AEC中PINK1缺乏是引發(fā)線粒體功能障礙的主要因素。因此，增強(qiáng)PINK1活性的藥物可作為IPF的一種治療選擇。三磷酸激動素(kinetin triphosphate，KTP)可增強(qiáng)PINK1、PARKIN的活性并降低細(xì)胞凋亡標(biāo)志物的表達(dá)，是抗肺纖維化的潛在藥物[36]。同樣，線粒體蛋白SIRT3對纖維化也有保護(hù)作用。Hexafluoro可在博來霉素暴露的小鼠中誘導(dǎo)SIRT3的表達(dá)，通過抑制TGF-β1降低膠原蛋白、纖連蛋白及α-平滑肌肌動蛋白(α-SMA)的表達(dá)，從而減輕肺纖維化[37]。此外，線粒體質(zhì)量控制還依賴于酶泛素化的存在來清除受損的線粒體蛋白，該過程受到去泛素化酶(deubiquitinase，DUBs)的負(fù)調(diào)控，后者通過去除PARKIN添加的泛素標(biāo)簽來抑制線粒體自噬。USP30(ubiquitin-specific protease 30)是去泛素化酶家族中的一員，去泛素化USP30可以增強(qiáng)線粒體自噬，代表一種新的治療靶點(diǎn)[38-39]。綜上所述，針對線粒體質(zhì)量控制的藥理學(xué)調(diào)控以生物合成、線粒體自噬及分裂/融合為目標(biāo)，從而恢復(fù)線粒體功能，最終預(yù)防肺纖維化的發(fā)生(表1)。

表1 線粒體質(zhì)量控制干預(yù)IPF的現(xiàn)有潛在靶點(diǎn)Fig.1 Current potential targets for mitochondrial quality control in IPF intervention

4 總結(jié)與展望

在IPF背景下，線粒體質(zhì)量控制失調(diào)導(dǎo)致線粒體功能障礙，ROS產(chǎn)生增加，誘發(fā)細(xì)胞凋亡。線粒體質(zhì)量控制系統(tǒng)(線粒體自噬、線粒體生物合成及線粒體動力學(xué))在IPF中起著不同的作用。IPF中線粒體自噬減少，受損的線粒體降解減少，功能障礙的線粒體聚積。IPF中線粒體的生物合成減少，無法補(bǔ)充新的線粒體成分，因而難以維持及恢復(fù)線粒體的數(shù)量與功能。TH對PGC-1α的上調(diào)作用逆轉(zhuǎn)了博來霉素誘導(dǎo)的肺纖維化，這歸因于線粒體生物合成增加，從而恢復(fù)了線粒體的功能。因此，在IPF中促進(jìn)線粒體自噬及生物合成可能具有抗纖維化作用。線粒體融合及分裂不是兩個獨(dú)立的過程，而是兩個相互依賴的過程。不同的壓力應(yīng)激環(huán)境能夠決定線粒體動力學(xué)響應(yīng)的方式。在輕度到中度應(yīng)激環(huán)境下，線粒體融合將受損的線粒體與正常的線粒體結(jié)合起來以防止損傷，將多個線粒體融合為一個線粒體，使線粒體免于自噬。在嚴(yán)重的應(yīng)激環(huán)境下，線粒體分裂將受損的線粒體區(qū)域與正常的線粒體分開，從而防止了進(jìn)一步的損傷，受損的線粒體最終通過線粒體自噬去除。IPF中增強(qiáng)的線粒體動力學(xué)通過不斷的融合與分裂，交換損傷的蛋白質(zhì)及mtDNA，保持線粒體的動態(tài)平衡。

對于進(jìn)行性發(fā)展的纖維化性肺疾病患者而言，目前僅有少量有限的有效治療可供選擇，需要進(jìn)一步開展機(jī)制及轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)等方面的研究。線粒體功能障礙引發(fā)纖維化反應(yīng)的證據(jù)在IPF中尤為明顯，但是將線粒體質(zhì)量控制與肺纖維化異常修復(fù)聯(lián)系起來的機(jī)制仍需進(jìn)一步探索。