线粒体自噬与自身免疫性疾病的研究进展

王娜，卢祖能，王云甫，袁江

线粒体自噬与自身免疫性疾病的研究进展

王娜1，卢祖能1，王云甫2，袁江2

线粒体作为代谢活动供能的细胞器被大家所熟知，在免疫系统更是扮演不可或缺的角色。因线粒体功能缺陷而产生大量细胞内活性氧（Reactive oxygen species，ROS），引起细胞功能障碍，从而也决定了细胞生存能力下降和免疫系统功能异常等结局。线粒体自噬作为目前研究比较热门的一种选择性自噬，其发生机制及所涉人类疾病也是目前研究热点。本文对线粒体自噬与免疫系统的研究进展进行综述，从而了解线粒体自噬与自身免疫系统疾病所存在的关系。

线粒体自噬；免疫系统；自身免疫性疾病

1 自噬及线粒体自噬

自噬（autophagy）是涉及到降解细胞浆内物质，包括整个细胞器的一种泛素化分解代谢过程。与蛋白酶体降解[1,2]等其他降解途径有区别的是，它是通过被称为自噬小泡的双层膜结构直接包裹细胞内物质（如细胞器等）与溶酶体膜融合后，被一系列溶酶体水解酶所降解。主要包括大自噬（macroautophagy）、小自噬（microautophagy）、分子伴侣介导的自噬（chaperone-mediated autophagy，CMA）。通常，自噬是使细胞能适应各种内外界环境压力变化，如营养缺乏、氧化应激、慢性刺激、细胞内损伤蛋白及细胞器的堆积等的一种细胞保护性程序。

线粒体自噬（mitophagy）是一种选择性自噬方式，主要为了清除老化、过剩或受损的线粒体，从而构成一个“质量检查站”来阻止年龄相关的紊乱和衰老，是细胞清除体内异常线粒体、维持其正常功能和基因组稳定、维持自身稳态的重要调节机制。当线粒体数量及质量下降时，线粒体DNA及蛋白水平均发生改变。目前尚不清楚的是因为老化细胞更易受压力影响而导致疾病发生，或就是再生细胞的一种存活机制[3]。但越来越多证据证明线粒体损伤产生的ROS是各类疾病发生的重要机制。当细胞内存在线粒体损伤时，有2种重要的质控方式有助于监控线粒体功能：未折叠蛋白反应和线粒体自噬。首先，未折叠蛋白诱导分子伴侣和蛋白质酶的协调活性，抑制细胞损伤[4]。但当损伤不能有效地修复或继续积累，将导致呼吸链的断裂和膜蛋白的丢失。在这种情况下，线粒体被识别并通过第二种方式，即线粒体自噬的方式来进行清除。假如不能成功地清除无功能的线粒体，将引起ROS的堆积和线粒体毒性物质等释放从而引发细胞死亡。

2 线粒体自噬与免疫系统

线粒体自噬与免疫系统密不可分，包括病原菌的识别和降解、抗原提呈、淋巴细胞的发育及效应功能、炎症的调节等[5]。线粒体自噬参与T细胞发育、分化等各个阶段[6]：当多能造血干细胞在向普通淋巴前体细胞（common lymphoid precursor，CLP）转化时，自噬通过降解线粒体和保持较低的ROS水平以维持造血干细胞的静态和自我更新能力，从而也保障了CLP的补充；当CLP迁移至胸腺发展为成熟T淋巴细胞时，自噬可能涉及到淋巴细胞的存活、调节淋巴细胞的阳性和阴性选择、选择性促进Treg和iNKT细胞的分化、同时参与抗原提呈过程；在发展至效应性T细胞时，自噬能调节未致敏T细胞的细胞器代谢，为T细胞的活化和增殖通过代谢中间产物起了很重要的作用，并能调节T细胞的存活；在记忆性T细胞中，自噬可能主要通过噬脂来维持CD8+记忆性T细胞的存活。

Pua等[7]在研究成熟T细胞自噬对线粒体清除中发现，从胸腺细胞向外周成熟T细胞转移过程中，线粒体含量在减少；并且在线粒体绿色荧光探针（MitoFracker Green）标记线粒体后通过荧光激活细胞分选系统（fluorescence-activated cell sorter，FACS）检测线粒体含量、通过透射电镜直接观察线粒体表面区域、定量检测线粒体DNA及线粒体相关各种蛋白的表达水平等各种方法发现，在成熟T细胞中清除这种过剩的线粒体关键还是依赖于自噬；与线粒体含量改变一致的是，自噬缺乏的T细胞ROS产生明显增加、线粒体的形态学也发生改变；Stephenson等[8]研究发现，在缺乏自噬相关蛋白5（autophagy protein 5，Atg5）的外周血T细胞中线粒体量异常增加，提示自噬在线粒体的维持和T细胞存活中起关键作用。

T细胞发育过程中过剩、受损或老化的线粒体能否及时有效地予以清除，很大程度上需依赖于自噬，而这种自噬其实就是线粒体自噬，选择性清除线粒体，从而维持免疫系统的稳态及正常功能。当自噬发生异常时，免疫平衡被打破、免疫细胞功能发生异常，从而引发各种自身免疫性疾病。

3 线粒体自噬与自身免疫系统疾病

3.1 克罗恩病（Crohn’sdisease，CD）

CD是一种与自身免疫相关的慢性、复发缓解的复杂性胃肠道炎症性疾病，也是炎症性肠病（inflammatory bowel disease，IBD）之一。全基因组关联研究（Genome-wide association study，GWAS）分析发现，自噬蛋白ATG-16L1、NOD2和IRGM是CD易患基因[9]，也有很多研究报道ULK1也是CD的易感基因[10]。上述易感基因的研究提示自噬在CD发病机制中起重要作用。当ATG-16L1低表达时，自噬现象减少，不能有效抑制炎症体的活性，从而使IL-1β和IL-18表达增加[11]，引发消化道慢性炎症，导致CD发生。故胃肠道细胞自噬功能降低可能是CD发生的重要机制之一。

Novak等[12]认为线粒体功能障碍在IBD的发生与复发中均起很重要的作用。缺乏ATG-16L1使肠炎易感性增加，同时也导致潘氏细胞的异常出现和分布、及线粒体发生改变[13]。也有研究显示IRGM1缺陷的小鼠管状和肿胀的线粒体增加，并且LC3阳性的自噬囊泡也增加[14]，这也与认为人类IRGM位于线粒体上、且在线粒体自噬中起到重要作用的报道[15]是相符合的。一项揭示SMURF1基因（SMAD特定的E3泛素蛋白连接酶1）的单核苷酸多态性与IBD关系的研究中提示，线粒体自噬也涉及IBD的发病机制[16]。均提示自噬、线粒体功能障碍与CD等IBD密切相关。

3.2 多发性硬化（multiple sclerosis，MS）

MS是一种免疫介导的中枢神经系统慢性炎性脱髓鞘疾病。在自身免疫应答过程中，自噬与固有和适应性免疫系统均存在明显的联系。而目前也有很多研究提示自噬直接参与MS的发生发展过程[17]。MS发生时，在T细胞炎症浸润点，ATG5蛋白上调，而自噬相关基因ATG5的高表达与实验性自身免疫性脑脊髓炎（experimental autoimmune encephalomyelitis，EAE）中免疫介导的髓鞘损伤是密切关联的[18]。而持续性T细胞存活和T细胞增殖的增加均促进MS的复发和进展，提示过度表达的ATG5引发适应性免疫应答的异常，从而引起MS。

线粒体功能障碍也涉及MS和EAE病理机制的重要因素。而自噬能够维持线粒体的结构、修复其功能并阻止其发生功能障碍，是细胞存活及MS病理的关键[19]。在MS中，细胞色素C氧化酶亚基5b的低表达可能损伤线粒体的功能[20]。线粒体功能障碍后产生大量ROS而引发脱髓鞘和轴突缺失[21]。线粒体自噬通过增加Beclin1或者调节ATG4活性来清除去极化的线粒体，减少ROS过度的产生，从而在MS发生中起到保护性作用[22]。

3.3 系统性红斑狼疮（systemic lupus erythematosus，SLE）

SLE是一种与大量自身抗体的产生、免疫复合物的形成、持续性炎症存在于各个器官的全身性自身免疫性疾病。而目前推测自噬是导致SLE异常免疫损伤的一种病理机制。这种免疫损伤包括固有和适应性免疫[23]：在固有性免疫应答中，当ATG5缺乏以及mTOR增加时，自噬不足，不能及时清除死亡细胞、促进了细胞质核酸及自身抗原提呈，从而产生过多的IFN-1，引发T细胞过度激活；在适应性免疫应答时，过高表达LC3和自噬囊泡的堆积，引发自噬增加，促进了T、B细胞的存活，从而导致T细胞激活及B细胞过度活化。上述过程最后均引起大量自身抗体的产生，是SLE发病的重要机制。据推测，无效的自噬也导致线粒体的损伤而引发细胞死亡，从而也提示线粒体、自噬及SLE所存的相关性，但具体目前仍不太清楚[24]。

3.4 系统性硬化症（systemic sclerosis，SSc）

SSc是一种累及多种全身器官，包括皮肤、心脏、脉管系统及肺部等处纤维化的系统性自身免疫疾病，且以肺部纤维化最突出。线粒体自噬的发生机制目前研究较多，最经典的莫过于PINK1/Pakin介导的线粒体大自噬途径发生机制。Parkin是一种E3泛素蛋白连接酶，可由PINK1激酶活化，活化的Parkin能够使受损线粒体的阴离子电位通道蛋白VDAC1泛素化，并被信号接头蛋白p62/SQSTM1识别，后者再与吞噬泡膜表面的Atg8家族同源蛋白连接进而启动线粒体的降解过程。最新证据表明，PINK1和线粒体功能障碍是免疫相关类疾病肺纤维的发生机制。Bueno等[25]证明特发性肺纤维化（idiopathic pulmonary fibrosis，IPF）患者Ⅱ型肺上皮细胞存在无功能线粒体的堆积和线粒体自噬的损伤，这与PINK1水平的下降有关，PINK1沉默可引起一种促纤维化表型。同样在相关的研究中，Patel等[26]报道PINK敲除的小鼠更易于诱导肺纤维化，进一步提示PINK1、线粒体自噬、自身免疫性疾病之间的相关性。

4 展望

线粒体自噬与机体免疫系统稳态的维持非常重要，但线粒体自噬与自身免疫性疾病之间的研究却相对甚少，目前认为，很多因素均能诱导细胞发生自噬，如饥饿、生长因子缺乏、微生物感染、细胞器损伤、蛋白质折叠错误或聚集、DNA损伤、刺激信号如何传递、自噬信号如何执行线粒体自噬以及与疾病发生的关系等，尚待深入的研究，进一步探索线粒体自噬的发生机制，了解自身免疫性疾病的发病过程，从而为自身免疫性疾病的临床干预提供一个新的方向。

[1]Mizushima N.Autophagy in protein and organelle turnover[J].Cold Spring Harb Symp Quant Biol,2011,76:397-402.

[2]Feng Y,He D,Yao Z,et al.The machinery of macroautophagy[J].Cell Res,2014,24:24-41.

[3]Thannickal VJ,Murthy M,Balch WE,et al.Blue journal conference. Aging and susceptibility to lung disease[J].Am J Respir Crit Care Med, 2015,191:261-269.

[4]Rugarli EI,Langer T.Mitochondrial quality control:a matter of life and death for neurons[J].EMBO J,2012,31:1336-1349.

[5]Yang Z,Goronzy JJ,Weyand CM.Autophagy in autoimmune disease [J].J Mol Med(Berl),2015,93:707-717.

[6]Bronietzki AW,Schuster M,Schmitz I.Autophagy in T-cell development,activation and differentiation[J].Immunol Cell Biol,2015,93:25-34.

[7]Pua HH,Guo J,Komatsu M,et al.Autophagy is essential for mitochondrial clearance in mature T lymphocytes[J].J Immunol,2009,182: 4046-4055.

[8]Stephenson LM,Miller BC,Ng A,et al.Identification of Atg5-dependent transcriptional changes and increases in mitochondrial mass in Atg5-deficient T lymphocytes[J].Autophagy,2009,5:625-635.

[9]Ogura Y,Bonen D K,Inohara N,et al.A frameshift mutation in NOD2 associated with susceptibility to Crohn's disease[J].Nature,2001,411: 603-606.

[10]Henckaerts L,Cleynen I,Brinar M,et al.Genetic variation in the au-tophagy gene ULK1 and risk of Crohn's disease[J].Inflamm Bowel Dis, 2011,17:1392-1397.

[11]Saitoh T,Fujita N,Jang MH,et al.Loss of the autophagy protein Atg16L1 enhances endotoxin-induced IL-1beta production[J].Nature, 2008,456:264-268.

[12]Novak EA,Mollen KP.Mitochondrial dysfunction in inflammatory bowel disease[J].Front Cell Dev Biol,2015,3:62.

[13]Cadwell K,Liu JY,Brown SL,et al.A key role for autophagy and the autophagy gene Atg16l1 in mouse and human intestinal Paneth cells[J].Nature,2008,456:259-263.

[14]Liu B,Gulati AS,Cantillana V,et al.Irgm1-deficient mice exhibit Paneth cell abnormalities and increased susceptibility to acute intestinal inflammation[J].Am J PhysiolGastrointestLiverPhysiol,2013,305: G573-G584.

[15]Singh SB,Ornatowski W,Vergne I,et al.Human IRGM regulates autophagy and cell-autonomous immunity functions through mitochondria[J]. Nat Cell Biol,2010,12:1154-1165.

[16]Franke A,Balschun T,Sina C,et al.Genome-wide association study for ulcerative colitis identifies risk loci at 7q22 and 22q13(IL17REL)[J]. Nat Genet,2010,42:292-294.

[17]Liang P,Le W.Role of autophagy in the pathogenesis of multiple sclerosis[J].Neurosci Bull,2015,31:435-444.

[18]Alirezaei M,Fox HS,Flynn CT,et al.Elevated ATG5 expression in autoimmune demyelination and multiple sclerosis[J].Autophagy,2009,5: 152-158.

[19]Motori E,Puyal J,Toni N,et al.Inflammation-induced alteration of astrocyte mitochondrial dynamics requires autophagy for mitochondrial network maintenance[J].Cell Metab,2013,18:844-859.

[20]Broadwater L,Pandit A,Clements R,et al.Analysis of the mitochondrial proteome in multiple sclerosis cortex[J].Biochim Biophys Acta, 2011,1812:630-641.

[21]van Horssen J,Witte ME,Schreibelt G,et al.Radical changes in multiple sclerosis pathogenesis[J].Biochim BiophysActa,2011,1812:141-150.

[22]Rogers NJ,Lees MJ,Gabriel L,et al.A defect in Marco expression contributes to systemic lupus erythematosus development via failure to clear apoptotic cells[J].J Immunol,2009,182:1982-1990.

[23]Han JW,Zheng HF,Cui Y,et al.Genome-wide association study in a Chinese Han population identifies nine new susceptibility loci for systemic lupus erythematosus[J].Nat Genet,2009,41:1234-1237.

[24]Rogers NJ,Lees MJ,Gabriel L,et al.A defect in Marco expression contributes to systemic lupus erythematosus development via failure to clear apoptotic cells[J].J Immunol,2009,182:1982-1990.

[25]Bueno M,Lai YC,Romero Y,et al.PINK1 deficiency impairs mitochondrial homeostasis and promotes lung fibrosis[J].J Clin Invest,2015, 125:521-538.

[26]Patel AS,Song JW,Chu SG,et al.Epithelial cell mitochondrial dysfunction and PINK1 are induced by transforming growth factor-beta1 in pulmonary fibrosis[J].PLoS One,2015,10:e121246.

（本文编辑：王晶）

R741;R593.2

A DOI 10.16780/j.cnki.sjssgncj.2016.06.023

1.武汉大学人民医院神经内科武汉 430060

2.湖北医药学院附属十堰市太和医院神经内科湖北 十堰442000

湖北省科技厅自然科学基金（No.2010CDB0910 3）；湖北省教育厅重点项目（No.D20122403）；2014年湖北医药学院优秀中青年科技创新团队资助计划项目（No.2014CXX01）

2016-04-11

王云甫wyfymc@163.com