运动介导线粒体自噬在心血管疾病中的作用

张沛文 张醒醒 梁伦敏

(广西师范大学体育与健康学院 广西桂林 541000)

心脏是机体高负荷运载的“血泵”，需要源源不断的动力维持心肌的舒张和收缩。心肌细胞中含有大量的线粒体，体积约占心肌细胞总体积的35%，以保证心肌细胞发挥正常的功能。线粒体作为心肌细胞的“动力车间”，对维持心脏的正常生理代谢和功能非常重要。线粒体自噬是线粒体维持生理活动的重要前提，线粒体自噬可以吞噬损伤或多余的线粒体，保障心肌完成每一次收缩和舒张。研究发现，心血管疾病的发生涉及线粒体多种异常动态反应，而运动可以提升线粒体数量和质量［1］，调节线粒体网络有序排列，诱导细胞内线粒体自噬清除损伤线粒体，适应性重塑心肌细胞，增强心肌收缩功能。因此，运动可作为干预和改善心血管疾病发展进程的有力工具。

1 线粒体自噬概述

1.1 线粒体和线粒体自噬

线粒体是双层膜结构的重要供能细胞器。它以三磷酸腺苷（ATP）的形式为多数细胞生理过程供能，参与细胞增殖、应激反应、凋亡和稳态等多种信号反应，被誉为真核细胞的“动力车间”。线粒体是不断进行分裂、融合、降解、生物合成的动态细胞器，这些过程的有序进行对维持心肌正常的电生理活动至关重要。

线粒体自噬是高度保守，选择性自我平衡的过程，受多种细胞因子调控［2］。细胞内环境处于稳态时，线粒体自噬及时完成异常线粒体的修复和清除，损伤的线粒体被自噬小体选择性包裹后与溶酶体融合完成降解。当胞内环境受到刺激发生氧化损伤时，线粒体自噬的功能稳态水平被打破，线粒体自噬无法清除和修复异常的线粒体，异常线粒体的累积终会导致细胞变性或死亡以及疾病的发生。研究表明，线粒体自噬过低将导致功能障碍的线粒体在胞内堆积，而线粒体自噬过度激活将导致线粒体数量过度减少。因此，线粒体自噬过低或过度激活都将导致能量供应失衡，影响细胞和器官功能。

1.2 线粒体动力学与线粒体自噬

线粒体在胞质中处于分裂和融合的动态变化中，时刻保证线粒体的排列能满足细胞的生理活动。融合蛋白（MFN1、MFN2）负责调节线粒体外膜的融合，而神经萎缩蛋白1负责调节线粒体内膜的融合。动力相关蛋白1、FIS1和线粒体分裂因子等主要调节线粒体的分裂过程［3］。线粒体生理的分裂调节将异常的线粒体分离后即被溶酶体包裹融解，避免其与功能正常的线粒体融合，保证功能正常的线粒体能顺利完成融合和分裂，有效保障线粒体内环境稳定。线粒体自噬还可以特异性识别并吞噬损伤或失调的线粒体，而线粒体动力学的动态平衡点则向着分裂和自噬增加的方向迁移。

2 线粒体自噬的调控机制

线粒体自噬的生理过程复杂多变，各通路之间绝非单一介导线粒体发生自噬。现阶段，介导线粒体自噬的通路依据是否泛素化划分为两类：一类是通过泛素化Parkin介导线粒体自噬的PINK1/Parkin信号通路；另一类是通过非泛素化（受体介导）途径介导线粒体自噬的FUNDC1通路和BNIP3/NIX通路。

2.1 PINK1/Parkin信号通路

PINK1/Parkin 是经典且重要的线粒体自噬调控途径。PINK1 由线粒体外膜上的PTEN 诱导的丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶。PINK1 是线粒体膜电位变化的感受器，能精准感知线粒体受到的外界刺激。Parkin 是E3泛素的连接酶，其主要功能是诱导MFN1和MFN2。

细胞内环境处于稳态时，PINK1 通过线粒体转移酶从线粒体外膜进入内膜，随即被早衰素相关菱形蛋白酶水解，故PINK1 在正常胞质中的含量保持相对降低的水平，并不会引发线粒体自噬。线粒体受到外界应激时会发生缺氧等线粒体功能异常，线粒体外膜去极化的电位消失，PINK1 快速识别异常的线粒体并大量汇聚于线粒体外膜，PINK1 即可召集存在胞质中的Parkin至损伤的线粒体外膜，促使线粒体启动自噬修复或溶解受损的线粒体［4］。与此同时，PINK1在线粒体外膜的Ser65 位点处磷酸化Parkin，激活的Parikn 迅速在外膜上形成泛素链促使线粒体内关键蛋白泛素化，被泛素化的蛋白底物与微管轻链蛋白3（LC3）、p62 连接后与自噬体结合，随即自噬体包裹的异常线粒体被溶酶体吞噬并降解。

2.2 FUNDC1通路

FUN14 结构域蛋白1（FUNDC1）定位于线粒体外膜上，其C 端位处线粒体外膜上，N 端位处细胞质中。N 端结构中的LIR 区域可与线粒体自噬标志蛋白LC3作用进而启动线粒体自噬吞噬功能障碍的线粒体［5］。Tyr18和Ser13是FUNDC1启动和抑制线粒体自噬的关键位点，在生理状态下，LIR 区域内的Tyr18 被活化的肉瘤家族基因激酶SRC 磷酸化，Ser13 则被肌酸激酶CK2 磷酸化，被磷酸化的FUNDC1 无法与LC3 结合，抑制线粒体自噬的发生。在细胞处于应激或缺氧的条件下，SRC 和CK2 失活变性导致Tyr18 和Ser13 迅速去磷酸化，FUNDC1 恢复与LC3 结合的功能，从而及时启动线粒体自噬，清楚胞内受损的线粒体，保证胞内环境的稳定状态［6］。除此之外，FUNDC1 可能参与PINK1/Parkin、BNIP3/NIX通路介导线粒体自噬的发生。

2.3 BNIP3/NIX通路

BNIP3 和NIX 是位于线粒体外膜上的B 细胞淋巴瘤家族同源蛋白，是促进细胞凋亡的重要调节蛋白，NIX又称BNIP3L，二者仅包含BH-3结构域。BNIP3和NIX 的氨基端位于LIR 区域，LIR 是与LC3 相互作用的关键靶点，BNIP3 和NIX 能和LC3 结合，从而介导线粒体自噬［7］。在已出现线粒体自噬的细胞中显示，BNIP3和NIX 出现高表达的现象，在低氧或缺氧的应激下低氧诱导因子1 可激活BNIP3 和NIX，从而使得Bcl-2 与Beclin-1结合降低，胞内游离的Beclin-1则可调节自噬相关蛋白5（ATG5），从而介导线粒体自噬保证线粒体完成细胞生理活动。除此之外，BNIP3 的高表达可抑制PINK1 的水解，而大量存留在线粒体外膜上的PINK1将诱导PINK1/Parkin通路启动线粒体自噬。

3 运动介导线粒体自噬与心血管疾病

心血管疾病好发群体广，发病率和致死率高，现已成为危害人类卫生健康的主要因素。常见心血管疾病如高血压、动脉粥样硬化、缺血性心脏病、心力衰竭的发生与发展均与线粒体功能异常密切相关。运动是一种无药物、无创伤的促进机体健康的手段，干预效果较医疗诊治更加便捷和持久。运动作为刺激方式可以短暂使心肌缺血缺氧，诱发心肌产生内源性的保护效应，减缓心血管疾病中出现的应激反应对心功能的不良影响。

3.1 高血压

高血压是以体循环动脉血压增高为主要特征的常见多发病，病因尚不明确，相比于原发性高血压，继发性高血压更多见且常伴有脑血管病、肾病等相关疾病。去乙酰化酶3（SIRT3）是线粒体中的蛋白去乙酰酶，它可清除活性氧，间接促进线粒体自噬，抑制细胞凋亡。SIRT3通过干预并调控线粒体自噬水平影响血管生成。高蓓蕾等人［8］发现，小鼠心内皮细胞中SIRT3高表达促进了PINK1/PARKIN 通过介导的线粒体自噬，改善线粒体功能障碍，恢复血管生成的能力。当前研究表明，运动可调节SIRT3，进而介导骨骼肌的线粒体自噬，推测运动可能通过SIRT3 介导心肌的线粒体自噬，改善血管生成环境，降低血管内皮损伤程度，减缓高血压病发展和恶化［9］。当前对线粒体自噬与高血压的研究较少，但线粒体动力学、质量控制系统如果出现障碍，心肌细胞缺乏能量供应，可能成为诱发高血压病发的因素之一。

3.2 动脉粥样硬化

动脉粥样硬化（AS）是慢性炎症疾病，其特征是心血管壁发生的病理生理变化，包括心血管内皮和平滑肌细胞功能障碍、脂质异常堆积等。许秋莲等人［10］研究表明，当细胞自噬抑制后，AS 生成的斑块中损伤的蛋白无法被及时溶解，这将促使炎症体活化、激活凋亡信号。核受体亚家族4A组成员1（NR4A1）通过诱导氧化低密度脂蛋白（ox-LDL）来激活线粒体外膜上的Parkin，这将导致线粒体过度自噬，大量的线粒体被异常清理，促使血管内皮细胞凋亡，加重AS 的发展。宋明萧［11］通过建立9周耐力训练的AS大鼠模型发现，主动脉血管内皮细胞中PHB2、Parkin、LC3 表达升高，从而启动线粒体自噬改善血管内皮细胞功能，减缓AS的发展。BNIP3/NIX通路介导的线粒体自噬可使ox-LDL诱导内皮细胞凋亡途径受到抑制，进而阻止内皮细胞的损伤［12］。因此，AS的发病机理与线粒体自噬关系极为密切，Parkin 的表达增加和ox-LDL 的表达抑制可减缓AS的发生和进展。

3.3 缺血性心脏病

缺血性心脏病是高发慢性疾病，其特征是心肌组织的供血不足时，心肌细胞缺血、缺氧，线粒体功能严重受损，心肌收缩所需的能量无法与冠状动脉血供保持生理平衡，最终引发心肌梗塞甚至梗死。现代临床医疗手段可及时为冠状动脉溶栓恢复血流供应，但恢复动脉血供后会诱发缺血再灌注（I/R）不可逆的损伤，缺血的心肌细胞将受到二次损伤。研究表明，运动能调节线粒体动力学失衡以及线粒体自噬功能异常状态，改善线粒体质量控制系统［13］。在小鼠I/R的模型研究中［14］，发现敲除PINK1 基因后的小鼠心肌梗死面积明显大于正常小鼠，这表明PINK1 基因可能介导线粒体自噬发挥心肌保护作用。ZHOU等人［15］研究发现，I/R 后，CK2 含量水平的升高导致FUNDC1 被过度磷酸化，迫使FUNDC1不能与LC3结合启动线粒体自噬，最终导致心肌细胞内的线粒体功能受损，无法发挥心肌的生理功能。李宏玉等人［16］通过4周中等强度的运动预处理干预I/R 模型SD 大鼠发现，运动预处理组中大鼠心肌缺血区自噬标志蛋白LC3-1 高表达，Beclin1、LC3-2低表达，诱导自噬减轻心肌损伤，产生缺血预处理的心肌保护作用。除此之外，BNIP3、Nix的高表达出现在缺血缺氧的心肌中，这也说明其介导线粒体自噬来减轻I/R对机体的损伤。

3.4 心力衰竭

心力衰竭（HF）是心脏的收缩和（或）舒张功能不能将回心血泵出心脏，导致静脉血液瘀滞和动脉系统供血不足，心血管循环系统紊乱引发心功能障碍的终末期。临床研究发现，HF患者的心脏活检中可观察到自噬标志蛋白Beclin-1和LC3显著高表达，心肌内的线粒体质量体积缩小、排列杂乱，线粒体体积含量百分数下降［17］。另有研究发现，HF 终末期的患者心肌中PINK1 含量显著降低，而通过左心室辅助装置减少心脏压力后，Beclin-1 和LC3 的表达量有所下降，PINK1含量有上调的趋势，故猜想HF可能与线粒体自噬或其他细胞器自噬相关联［18］。小鼠HF模型中，随着心脏压力负荷的增大，线粒体自噬程度高度活化，改善线粒体质量控制和动力学功能，为心肌补充损失的能量可适度延缓HF 的发展。Billia 等人［19］研究发现，PINK1 在维持心肌细胞的稳态中具有促进作用，沉默PINK1 的小鼠氧化应激增强，伴随着线粒体功能异常和HF的发展。线粒体自噬保护效应在HF早期被抑制，心肌细胞被大量破坏；HF终末期，线粒体自噬又被过度激活，线粒体大量流失导致心肌细胞功能失衡，加重HF病程的发展［20］。HF是各类心脏疾病发展的终晚期，临床中具有极高的病发率和病死率，运动改善HF的调控机制主要来源于线粒体自噬与高血压、动脉粥样硬化、缺血性心脏病等疾病，病程减缓过程中需要线粒体自噬关键因子和蛋白的平衡与相互协作。因此，运动探究线粒体在心脏供能和自噬的具体机制中于靶向治疗HF 具有现实指导意义。

4 结语

线粒体功能障碍致使心肌细胞内环境紊乱，器官发生功能性损伤，进一步加重心血管疾病的发展，而线粒体自噬在高血压、动脉粥样硬化、缺血性心脏病和HF等心血管疾病发病机制中存在潜在的作用机制，其标志蛋白和调节因子在泛素化通路和受体介导通路中发挥着促进或抑制作用，这些途径的调节方式揭示了临床中治疗心血管疾病的潜在通道或靶点，为开发新的诊疗方法和心肌保护策略提供了一定的科研基础。运动是预防和改善心血管疾病的有效手段，如果能够发掘运动介导线粒体自噬的关键靶点作用机制，以及何种运动强度能诱导线粒体适度自噬，这将为心血管疾病的干预手段提供新的研究思路和方法。