線粒體自噬在心肌缺血/再灌注損傷中的作用研究進展

馬聰聰，劉 洋，呂 洋，王海萍

河北北方學院 干細胞與生殖生物學實驗室，河北 張家口 075000

中國的心血管病患病率逐年上升,其中冠心病患病人數(shù)居前位。目前,冠心病的治療主要通過冠狀動脈血管重建、溶栓及經(jīng)皮冠狀動脈介入等[1],恢復心肌的血液供應,可以修復受損的心肌組織,但同時也可導致心肌缺血/再灌注損傷(myocardial ischemia-reperfusion injury,MI/RI)[2-3]。

當心肌細胞由于缺血導致?lián)p傷時,線粒體選擇性自噬降解,能夠清理損傷堆積的線粒體,使細胞內(nèi)環(huán)境維持穩(wěn)態(tài)并保障心肌細胞功能的正常[4]。因此,與線粒體自噬有關(guān)的分子途徑被認為是臨床治療缺血性心臟病等疾病的重要研究方向和靶點。本文綜述線粒體自噬在心肌缺血/再灌注損傷中的作用及研究進展。

1 線粒體自噬簡介

線粒體自噬是一種選擇性自噬,通過選擇性自噬來減少受損線粒體的堆積,從而維持線粒體內(nèi)穩(wěn)態(tài)[5]。與其他細胞自噬不同的是,在蛋白質(zhì)調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)中,線粒體自噬具有高度的選擇性[6]。

線粒體自噬發(fā)生時,受損的線粒體會被選擇性清除,細胞內(nèi)功能異常的線粒體數(shù)量大大減少;線粒體自噬會參與到線粒體的分裂過程和融合循環(huán),在線粒體質(zhì)量和數(shù)量控制、維持細胞的穩(wěn)態(tài)、提高細胞的生存率中起著積極作用。相反,線粒體自噬的調(diào)節(jié)紊亂會導致許多疾病[7-8]。

2 MI/RI中線粒體自噬的分子機制

介導哺乳動物線粒體自噬的通路主要有PTEN介導的蛋白激酶1(PTEN-induced putative kinase 1,PINK1)及E3泛素連接酶(Parkin)介導的分子通路、腺病毒相互作用蛋白3(adenovirus interaction protein 3,BNIP3,又稱NIX,NIP3-like protein X)介導的分子通路以及FUN14域蛋白1(FUN14 domain-containing 1,FUNDC1)等分子通路。

2.1 PINK1-Parkin經(jīng)典途徑

哺乳動物細胞中已被發(fā)現(xiàn)和研究的線粒體自噬形式較多,但最為常見的形式是PINK1-Parkin介導的線粒體自噬。通常情況下,PINK1在進入線粒體后被剪切掉,最終被線粒體內(nèi)膜上的蛋白酶降解,因此會造成PINK1在細胞內(nèi)的含量較低[9]。MI/RI時,活性氧 (reactive oxide species,ROS)對線粒體功能造成一定傷害,造成線粒體去極化,引起PINK1向線粒體運輸受到抑制。由于完整的PINK1在線粒體外膜聚集,因此當Parkin被募集至受損的線粒體上,PINK1可以與其結(jié)合,導致線粒體泛素化[10]。泛素結(jié)合蛋白p62通過與微管相關(guān)蛋白1輕鏈3(microtubule associated protein 1 light chain 3,LC3)相互作用,識別線粒體的泛素化修飾,其通過與自噬泡結(jié)合,將線粒體運輸?shù)阶允膳葜?促進線粒體的降解[11]。

2.2 線粒體自噬受體介導線粒體自噬途徑

線粒體自噬受體蛋白是一種在一定條件下能夠與LC3產(chǎn)生結(jié)合,能夠募集并激活線粒體自噬的氨基酸序列模體。BNIP3、NIX和FUNDC1是近年來被廣泛關(guān)注的3種線粒體自噬受體,是調(diào)控線粒體自噬的重要分子。

BNIP3是B細胞淋巴瘤/白血病-2(B-cell lymphoma/leukemia-2,BCL2)家族中的一類非經(jīng)典的促凋亡蛋白,它主要分布在線粒體外膜上,能夠促進線粒體自噬和細胞凋亡的發(fā)生[12-13]。在正常的生理狀態(tài)下,BNIP3、NIX在正常生理條件下表達下降,然而,當出現(xiàn)心肌缺血時,它們會在細胞中表達增加,并啟動線粒體的自噬,從而維持細胞的正常功能。

NIX是一個與BNIP3同源的線粒體膜結(jié)合蛋白。NIX在一定水平上可以調(diào)控Parkin向線粒體發(fā)生轉(zhuǎn)位,而其激活線粒體自噬的方式在前期研究中被證實是通過PINK1-Parkin通路實現(xiàn)的[14]。

FUNDC1是存在于線粒體外膜上的3次跨膜蛋白。FUNDC1在缺氧誘導的線粒體自噬和膜電位下降中發(fā)揮重要作用,但FUNDC1對線粒體的自噬調(diào)節(jié)作用尚不清楚。前期研究發(fā)現(xiàn),正常情況下,第十三位絲氨酸、第十八位酪氨酸的激酶能夠使得FUNDC1發(fā)生磷酸化,FUNDC1磷酸化后,與LC3的結(jié)合會在一定程度上減弱,從而抑制線粒體的自噬;在心肌缺血時,FUNDC1的磷酸化程度減弱,與LC3相互作用則會增強,加重線粒體自噬[15]。

3 線粒體自噬在心肌缺血/再灌注損傷中的作用

當心肌出現(xiàn)缺血時,線粒體損傷會引起氧化磷酸化功能障礙,降低ATP的生成,對心肌細胞機能造成損傷,從而導致嚴重的能量危機;線粒體內(nèi)的鈣超載會促進Ca2+依賴性離子通道的開放,這些離子通道在細胞內(nèi)分布廣泛,主要作用是調(diào)節(jié)細胞內(nèi)外的鈣離子濃度,從而影響線粒體膜的通透性,導致線粒體膜的通透性會在此影響下發(fā)生一定改變,使膜結(jié)構(gòu)被破壞,從而促進凋亡蛋白因子釋放到胞漿,引起心肌細胞損傷,促使心肌細胞出現(xiàn)凋亡和壞死[16]。

線粒體自噬具有雙向性[17],一方面,在正常的范圍內(nèi),線粒體自噬能夠保持細胞的正常生理機能;另一方面,線粒體自噬水平偏高或偏低均可誘發(fā)相關(guān)疾病。

3.1 適度線粒體自噬在心肌缺血/再灌注損傷中的作用

線粒體是介導能量生成、氧化應激和細胞凋亡的主要細胞器[18],在各種細胞過程中起著各種調(diào)節(jié)作用[19]。

在心肌缺血/再灌注損傷過程中,活性氧會大量產(chǎn)生,氧化應激發(fā)生,加重了線粒體損傷,受損的線粒體進一步促進活性氧的產(chǎn)生和累積,這一疊加效應嚴重時,線粒體相關(guān)凋亡通道會被激活,直接誘發(fā)細胞死亡。由此可知,保持一定的線粒體自噬水平,及時清除受損的線粒體,可以起到保護心肌細胞的作用[20]。

甲狀腺激素缺血后處理可通過提高線粒體自噬水平,保護心臟免受I/R損傷[21]。電針預處理通過抑制mTORC1-ULK1-FUNDC1(mTOR complex 1-unc-51-like autophagy-activating kinase 1-FUN14 domain-containing 1,mTORC1-ULK1-FUNDC1)通路介導的線粒體自噬,減小MI/R1大鼠的梗死面積,降低血清中肌酸激酶同工酶(creatine kinase-MB,CK-MB)、乳酸脫氫酶(lactate dehydrogenase,LDH)的含量,減輕心肌I/R損傷,從而起到心肌保護作用。五味子乙素能夠顯著降低MI/R小鼠血清LDH含量和心肌損傷標志物肌酸激酶(creatine kinase,CK)水平,MI/R小鼠梗死面積顯著減小,其可能通過誘導線粒體自噬減輕心肌I/R損傷。白金方能夠通過適度上調(diào)PINK/Parkin介導的線粒體自噬水平,清除受損的細胞,減輕MI/RI,從而起到心肌保護作用[22]。

運動預處理可能通過調(diào)控Beclin-1、LC3Ⅱ等自噬相關(guān)蛋白的表達,誘導心肌細胞產(chǎn)生適度的自噬,使 Bcl-2、Bcl-XL的表達升高,與此同時,也在一定程度上抑制Bax、caspase-9的表達,心肌細胞凋亡的程度得到一定緩解,可見其在心肌細胞的保護方面起到了積極作用[23]。

3.2 過度線粒體自噬在心肌缺血/再灌注損傷中的作用

心肌細胞主要依靠線粒體所提供的能量,以維持機體的新陳代謝和機能。一般認為,在基本水平上,自噬是一種對壓力的保護性反應。其機制在于它通過清除受損的蛋白質(zhì)及衰老的細胞器,從而保持細胞內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)。但在MI/RI過程中,自噬并非始終起到保護作用。

線粒體過度自噬通常表現(xiàn)為細胞內(nèi)線粒體被過度清理,從而導致細胞功能顯著降低,進一步加重了心肌細胞受損程度。當線粒體自噬過度激活而得不到有效控制時,會造成自噬體大量堆積,關(guān)鍵蛋白質(zhì)和細胞器異常降解,導致心肌細胞內(nèi)線粒體數(shù)量減少、心肌細胞能量供應出現(xiàn)障礙。

紫蘇醛對大鼠MI/RI誘導的自噬探究實驗中顯示大鼠血清中的LDH、心肌肌鈣蛋白I(cardiac troponin Ⅰ,cTnⅠ)水平明顯升高,提示心肌缺血/再灌注后的過度自噬加劇了心肌細胞的損傷[24]。烏頭赤石脂丸能夠降低心肌損傷標志物CK的水平,減輕心肌組織病理性損傷,并使自噬相關(guān)蛋白Beclin-1、LC3Ⅱ表達降低,PI3K、p-Akt表達水平上調(diào),這可能通過抑制細胞過度自噬,對PI3K/Akt/GSK-3β信號通路進行調(diào)控從而發(fā)揮對MI/RI大鼠的保護作用[25]。

3.3 線粒體自噬不足在心肌缺血/再灌注損傷中的作用

另一方面,當線粒體自噬減少時,損傷的線粒體在細胞內(nèi)的清除發(fā)生障礙,并在心肌細胞中堆積,從而造成嚴重的氧化應激,最終造成心肌細胞的凋亡。在MI/RI的人成年心肌細胞中,miR-410表達下降,線粒體自噬減少,高遷移率蛋白-1(high mobility group box-1,HMGB)表達下調(diào),細胞活力明顯下降,加重MI/RI[26]。

在對血管平滑肌細胞動脈粥樣硬化模型進行研究的過程中,實驗研究發(fā)現(xiàn)存在線粒體自噬水平降低的現(xiàn)象,功能障礙的線粒體大量堆積,造成細胞功能減少,增加細胞凋亡[27]。

4 問題與展望

線粒體自噬參與了多條信號途徑的調(diào)節(jié),對心肌缺血/再灌注損傷具有雙重作用。當前大部分的研究成果均證明,線粒體自噬障礙與MI/RI具有緊密聯(lián)系,維持線粒體適度自噬水平可作為MI/RI治療的重要靶點,值得注意的是線粒體過度自噬會造成線粒體流失,從而引起心肌壞死;線粒體自噬水平過低也會增加細胞凋亡。因此維持線粒體適度自噬水平是目前MI/RI治療過程中的一個重要課題。

同時,線粒體自噬在MI/RI發(fā)展的不同時期發(fā)揮的作用并不相同,如何有效調(diào)控線粒體適度自噬,成為MI/RI治療面臨的重大挑戰(zhàn)。

本文旨在闡明線粒體自噬在MI/RI過程中的作用機制,為深層次了解和研究線粒體自噬與MI/RI及多種疾病之間的聯(lián)系提供一定參考,從而為今后的臨床治療開辟出更為廣闊的思路。