线粒体质量控制在肾脏缺血再灌注损伤中作用机制的研究进展

张博英，乔玉峰，刘红艳

1 山西医科大学第二医院，太原030001；2 山西省人民医院

线粒体是真核细胞重要的细胞器，不仅通过氧化磷酸化产生ATP 为细胞提供能量，同时也参与三羧酸循环、脂肪酸氧化、血红素合成及钙稳态等代谢过程，对维持细胞内环境稳态及机体生命活动具有重要意义。线粒体质量控制是通过调控线粒体形态、数量和质量的相对稳定来维持细胞和生物体内稳态，是细胞内一种重要的防御机制。线粒体质量控制机制分为分子水平和细胞器水平两个方面，前者包括线粒体蛋白酶和分子伴侣的调控，后者包括线粒体生物合成、线粒体动力学（融合/分裂）、线粒体自噬和线粒体衍生囊泡等重要生物学过程［1］。生理状态下，线粒体需要通过质量控制来及时合成新的线粒体、维持线粒体形态及清除受损线粒体，从而维持细胞内稳态，而在应激、缺氧环境等病理条件下，线粒体质量控制发生失调，将引起线粒体结构损伤和功能障碍，表现为线粒体肿胀和嵴消失、膜电位下降、线粒体通透性转化孔开放、ATP 合成障碍、活性氧自由基过度产生、促凋亡因子释放增多等，最终导致细胞凋亡和组织损伤［2］。肾脏缺血再灌注损伤（IRI）是缺血肾脏组织重新恢复血供或氧供后所产生的二次损伤，其发病机制复杂，涉及氧化应激、钙超载、内质网应激以及细胞凋亡等多个方面［3］。研究显示，线粒体质量控制失调与肾脏IRI 的发生发展密切相关。现从线粒体生物合成、线粒体动力学及线粒体自噬三个方面对线粒体质量控制在肾脏IRI中作用机制的研究进展综述如下。

1 线粒体生物合成在肾脏IRI中的作用机制

线粒体生物合成是线粒体通过增殖产生新的线粒体来满足细胞的能量需求，受线粒体DNA 和核DNA 的双重调控。过氧化物酶体增殖激活受体共激活因子1（PGC-1α）是线粒体生物合成的关键调节因子，研究发现，与肾脏线粒体生物合成有关的通路包括腺苷酸活化蛋白激酶（AMPK）/沉默信息调节因子1（Sirt1）/PGC-1α/核呼吸因子1/2（Nrf1/2）通路、可溶性鸟苷酸环化酶（sGC）/环磷酸鸟苷（cGMP）/Ⅱ型cGMP 依赖性蛋白激酶G（PKG）/p38/PGC-1α 通路、细胞外调节蛋白激酶1/2（ERK1/2）/miR-34a/烟酰胺磷酸核糖转移酶（NAMPT）/PGC-1α通路等。

1.1 AMPK/Sirt1/PGC-1α/Nrf1/2 通路 目前线粒体生物合成信号通路研究最成熟的是AMPK/Sirt1/PGC-1α/Nrf1/2 通 路，当PGC-1α 被 上 游AMPK 或Sirt1 通过翻译后修饰激活后，便与下游转录因子靶标Nrf1/2 相互结合并辅助激活，从而促进线粒体DNA 的转录和线粒体蛋白质的合成，最后形成新生线粒体［4-5］。研究显示，Sirt1 激动剂SRT1720［6］、白藜芦醇［7］以及AMPK 激动剂AICAR［8］均可通过增加PGC-1α 表达促进肾脏线粒体生成，提高抗氧化能力，从而减轻IRI。另外，彭钧渤等［9］发现，在缺氧复氧诱导的HK 细胞中，肝再生增强因子高表达可激活SIRT1/PGC-1α/NRF1 信号通路，诱导线粒体生成，最终减轻线粒体及肾小管细胞损伤。

1.2 sGC/cGMP/PKG/p38/PGC-1α通路 sGC/cGMP/PKG/p38/PGC-1α 通路是参与调节肾脏线粒体生物合成的另一信号转导通路。BHARGAVA 等［10］在近端肾小管上皮细胞中观察到，激活sGC 可使cGMP表达显著增加，进而激活PKG，而PKG 的活化又促使p38 磷酸化，后者可直接使胞质中的PGC-1α 磷酸化，促进其转位至细胞核，从而启动线粒体生物合成。给予sGC 激动剂riociguat 预处理可通过激活此通路促进肾小管细胞中线粒体生物合成，此外，β2肾上腺素受体激动剂formoterol 或5-HT1F 受体激动剂LY344864可增加p38磷酸化水平，进而提高PGC-1α表达，最终促进线粒体生物合成。上述研究表明，sGC/cGMP/PKG/p38/PGC-1α 通路可能为肾脏IRI 的防治提供新的靶点。

1.3 ERK1/2/miR-34a/NAMPT/PGC-1α 通路 研究显示，在肾脏IRI 中激活ERK1/2，可通过下调PGC-1α 及其下游靶基因的表达来抑制线粒体生物合成［11］，但其具体机制仍不明确。近期研究证实，miR-34a/NAMPT 途径在调节ERK1/2 通路介导的线粒体生物合成中发挥重要作用。COLLIER 等［12］在动物实验中发现，肾脏IRI 后ERK1/2 磷酸化水平显著升高，而PGC-1α 表达和烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD+）含量均显著降低，给予ERK1/2 磷酸化抑制剂trametinib 预处理抑制ERK1/2 磷酸化后，肾皮质miR-34a 的表达下调。因miR-34a 是调节NAMPT 和Sirt1 蛋白表达的关键因子，且NAMPT 是NAD+补救合成途径的重要限速酶，因此miR-34a 下调可增加Sirt1 和NAMPT 蛋白表达，进而NAD+含量增多，PGC-1α 表达水平也相应升高，促进线粒体生物合成，从而降低血肌酐水平，改善肾组织损伤。并且该研究显示，trametinib 的肾脏保护作用可被miR-34a模拟物或NAMPT 抑制剂FK866 所阻断。因此，ERK1/2 可通过调节miR-34a/NAMPT 途径来影响肾脏线粒体生物合成，为治疗肾脏IRI提供新的思路。

2 线粒体动力学与肾脏IRI

线粒体是一种高度动态的细胞器，通过不断分裂/融合来维持正常的线粒体网络。线粒体动力学是调节线粒体质量动态控制的重要生理机制。

2.1 线粒体分裂与肾脏IRI 线粒体分裂的相关蛋白包括动力相关蛋白1（Drp1）、线粒体分裂蛋白1（Fis1）和线粒体分裂因子（MFF）等。

Drp1 最常见的翻译后修饰是磷酸化/去磷酸化修饰，而激活或抑制Drp1 活性则取决于其磷酸化位点，Drp1 的Ser616 位点磷酸化可增强其活性，而Ser637 位点磷酸化减弱其活性［13］。近期研究证实，在肾脏近端肾小管细胞中，大麻素1 受体（CB1R）可通过调节Drp1 不同位点的磷酸化水平来影响线粒体动力学。在正常情况下，蛋白激酶A（PKA）可刺激Drp1 的Ser637 位点磷酸化进而抑制线粒体分裂，而激活CB1R 可抑制PKA 活性，并提高ERK1/2 磷酸化水平，导致Drp1 的Ser616 位点磷酸化增加，进而促进线粒体分裂和加剧线粒体功能障碍，最终引起肾小管损伤加重［14］。PERRY 等［15］研究发现，在近端肾小管细胞中，Drp1 特异性缺失可减轻IRI 诱导的炎症反应和细胞凋亡，表明抑制线粒体分裂可改善缺血AKI。然而LI 等［16］研究认为Drp1 基因敲除可加剧肾功能不全。因此其具体机制仍有待进一步研究。

MFF 是协助胞质中的Drp1 易位至线粒体的关键蛋白。MFF mRNA 转录受RNA结合蛋白Pumilio2（Pum2）的负调控。WANG 等［17］发现，小鼠肾脏IRI模型中Pum2 表达下调，MFF 升高，线粒体长度变短；当Pum2 过表达时可逆转肾脏IRI介导的MFF 上调，进而抑制肾小管细胞中线粒体分裂，导致炎症因子IL-6、TNF-α 释放减少，并改善线粒体结构和功能，最终减轻缺血性AKI。提示Pum2/MFF可作为防治肾IRI的潜在靶点。

近期研究发现，线粒体裂变蛋白18（MTP18）也参与线粒体分裂。WEI 等［18］发现，在小鼠缺血性AKI模型中，缺氧诱导因子-1α（HIF-1α）可诱导近端肾小管细胞中miR-668表达，进而降低MTP18表达，抑制线粒体碎片化和细胞凋亡，从而减轻肾脏IRI。

2.2 线粒体融合与肾脏IRI 线粒体融合的相关蛋白包括介导外膜融合的线粒体融合蛋白1/2（Mfn1/2）和介导内膜融合的光萎缩蛋白1（OPA1）。YAN等［19］发现，在体内外肾脏IRI模型中miR-214表达上调，而抑制miR-214 表达可上调Mfn2 的表达，促进线粒体融合，并抑制线粒体片段化和细胞凋亡，从而减轻肾脏结构和功能损伤。因此，miR-214/Mfn2 轴有望成为肾脏IRI 的治疗靶点。另有研究显示，在缺氧复氧诱导的近端肾小管细胞中，沉默Sirt3 的过表达可增加融合蛋白OPA1、Mfn1/2 的表达，降低分裂蛋白Drp1、MFF、Fis1 的表达，从而抑制氧化应激损伤和炎症反应，最终促进肾脏功能恢复［20］。综上，促进线粒体融合可为改善肾脏IRI 提供新的治疗途径。

3 线粒体自噬与肾脏IRI

线粒体自噬是通过选择性清除受损或功能障碍的线粒体来维持细胞内环境稳定，是调控线粒体质量控制的核心。

3.1 与肾脏IRI 相关的线粒体自噬通路 线粒体自噬通路主要包括泛素依赖型和受体依赖型通路，前者包括PTEN 诱导的假定激酶1（PINK1）-PARKIN通路，后者包括腺病毒E1B 相互作用蛋白3（BNIP3）/NIX、FUN14结构域包含蛋白1（FUNDC1）、抑制素2（PHB2）、BCI2-Like 13（BCL2L13）、NLR 家族成员X1（NLRX1）等通路［2］。已有研究证实，PINK1-PARKIN 及BNIP3 通路介导的线粒体自噬在肾脏IRI 的线粒体质量控制中起着关键作用。TANG 等［21-22］在肾脏IRI 模型中发现，PINK1 和PARKIN 基因单敲除或双敲除、BNIP3 基因敲除均可抑制线粒体自噬，增加线粒体损伤，从而加重缺血性AKI。

PHB2 是近年新发现的一种位于线粒体内膜的线粒体自噬受体。PARKIN 的泛素化及蛋白酶体作用使线粒体外膜蛋白降解，促使外膜断裂并暴露出内膜，进而PHB2 的微管相关蛋白1 轻链3（LC3）结构连接域与自噬体上的LC3 结合，激活线粒体自噬［23］。WANG 等［24］在AKI模型中发现，Bax-1抑制剂（BI1）可通过促进PHB2 的线粒体定位来维持线粒体稳态。BI1 的C 末端与胞质中PHB2 的PHB 结构域相互结合，促使PHB2 易位至线粒体外膜，之后在线粒体内膜转移酶协助下再易位至线粒体内膜，从而抑制线粒体分裂和提高线粒体自噬能力，最终减轻肾损伤。提示BI1-PHB2 轴有望成为临床上防治AKI 的新靶点。XU 等［25］证实，在AngⅡ诱导的人肾小管上皮细胞HK2 中，PHB2 可通过改善线粒体功能障碍和抑制炎症小体NLRP3 激活来介导线粒体自噬，从而减轻肾小管细胞损伤。然而，另有研究证实PHB2 可通过调节早老素相关菱形样蛋白/PGAM5轴来增加PINK1在线粒体的积累及PARKIN的募集，继而促进PINK1/PARKIN 通路介导的线粒体自噬，而这些并不依赖与LC3 的结合［26］。因此推测，PHB2可能通过多种途径来调节线粒体自噬。

3.2 肾脏缺血预处理通过线粒体自噬减轻IRI 缺血预处理是对器官进行短暂缺血预刺激来增强其对随后长时间缺血损伤的耐受性，从而减轻IRI。研究证实，缺血预处理可激活PINK1/PARKIN 通路介导的线粒体自噬，加速损伤线粒体的清除，对肾脏具有保护作用［27］。WANG 等［28］在IRI 诱导的AKI 小鼠中证实，缺血预处理也可诱导UNC-51 样激酶表达，进而刺激FUNDC1的Ser17处磷酸化，激活其介导的线粒体自噬，同时抑制Drp1 介导的线粒体分裂，从而发挥肾脏保护作用。综上，缺血预处理可通过激活线粒体自噬来发挥抗IRI的肾脏保护作用。

3.3 线粒体自噬的双重性 线粒体自噬是一把双刃剑，适度的线粒体自噬可清除受损的线粒体，减少细胞死亡和组织损伤；而线粒体自噬失调或过度会引起细胞能量代谢紊乱，加剧细胞凋亡。研究发现，肾脏缺血再灌注后，线粒体自噬过度激活致使线粒体数目和线粒体RNA 拷贝数减少，给予前列腺素E2受体4 激动剂CAY10598 预处理可抑制过度的线粒体自噬，提高抗氧化能力，从而改善肾损伤；其机制可能与cAMP/PKA 信号通路有关［29］。另外，WANG等［30］报道，给予肾IRI小鼠叉头框转录因子O亚家族蛋白1 抑制剂AS1842856 干预可使肾脏PINK1、PARKIN 表达水平下调，抑制线粒体自噬，进而降低血肌酐和尿素氮水平，减轻肾脏病理损伤，最终提高小鼠存活率。因此，对于线粒体自噬在肾脏IRI 中所起的作用仍存在争议，但可以明确的是，适度的线粒体自噬可减轻肾脏IRI。

线粒体生物合成、线粒体动力学及线粒体自噬是肾小管细胞调节线粒体质量控制的关键机制，并且多途径的线粒体质量控制对于维持肾小管细胞生理稳态和减轻肾脏IRI 有着重要意义，为后续研究开发新型线粒体特异性靶向药物提供了理论支撑。但目前大量研究处于细胞及动物模型阶段，对于具体应用到临床上仍需要大量的实验研究证据。此外，我们仍需进一步探究分子水平的线粒体质量控制与肾脏IRI 之间的作用机制，为治疗或延缓肾脏IRI的发生发展提供新的理论依据。