线粒体自噬对急性肾损伤的保护作用

沈瑞华 综述 乔 晞 审校

急性肾损伤(AKI)指各种原因引起的短期内肾功能急剧下降的临床综合征,全球平均死亡率为23%,在需要肾脏替代治疗的AKI患者中高达49.4%[1]。严重创伤导致低血容量、器官移植手术、脓毒症、应用肾毒性药物等事件的发生越来越频繁,AKI的发病率、死亡率逐年增加,由此带来的经济负担甚至远远超过乳腺癌、心力衰竭、糖尿病等疾病[1]。因此,如何改善AKI患者预后是重要的全球医疗卫生问题。

线粒体功能异常参与了许多疾病的发生、进展过程。有选择地清除受损和功能障碍的线粒体,称为线粒体自噬[2]。线粒体自噬对于维持线粒体的正常功能非常重要。近年来的研究显示,线粒体自噬异常是导致AKI的重要机制,靶向干预线粒体自噬有望改善AKI预后。本文就线粒体自噬在AKI中的保护作用及机制、干预线粒体自噬在AKI治疗中的前景做一综述。

线粒体自噬在AKI中的作用

自噬是由一组自噬相关基因介导,由溶酶体的水解酶降解细胞内细胞器、蛋白质和其他大分子的一个进化保守的多步骤过程,在AKI中通过清除和回收受损的细胞内物质,减轻氧化应激、细胞凋亡、炎症反应,促进肾小管上皮细胞增殖和修复[2-3]。线粒体自噬需要协调激活自噬和启动线粒体两个过程。研究发现主要有两种线粒体启动机制,第一种途径由PTEN诱导的假定激酶1(PINK1)/E3泛素连接酶Parkin(PARK2)介导[4-5],第二种途径由两种Bcl-2家族蛋白:Bcl-2/腺病毒E1B相互作用蛋白3(BNIP3)和Nip3样蛋白X介导[6-8]。FUN14结构域蛋白1(Fundc1)是一种新型线粒体自噬受体,通过与微管相关蛋白1轻链3的直接结合激活线粒体自噬[9]。

肾小管上皮细胞富含线粒体,维持线粒体正常功能对肾脏功能至关重要。AKI时,肾小管上皮细胞是细胞损伤和死亡的主要部位,细胞中线粒体出现碎裂、肿胀、基质空泡形成、线粒体嵴消失等受损表现[4-5,10]。当线粒体自噬缺陷时,受损的线粒体不仅导致细胞能量代谢障碍,而且是活性氧(ROS)的主要来源[11]。ROS介导氧化应激,破坏线粒体DNA(mtDNA)的稳定性[12],并与mtDNA一起作为损伤相关分子模式(DAMPs)释放至细胞质中,激活炎症反应[5,13]。线粒体自噬通过清除受损线粒体,减少线粒体来源的ROS(mtROS)介导的氧化应激和抑制后续细胞凋亡的激活,减少mtROS、mtDNA介导的炎症反应。与自噬相比,线粒体自噬还清除mtROS来促进维持细胞能量代谢[12],抑制过度激活的线粒体分裂[9],从而调节线粒体质量控制。如表1所示,在肾脏缺血再灌注损伤(IRI)、顺铂、对比剂、脓毒症诱导的AKI中,线粒体自噬的激活机制略有差异,但都对AKI具有重要的保护作用。

表1 不同因素诱导的AKI中线粒体自噬的激活机制及其保护作用

线粒体自噬减轻AKI组织损伤的机制

减少ROS蓄积线粒体产生ATP的过程依赖于线粒体内膜上的一系列电子转移,又称为线粒体电子传递链或呼吸链,一些高能电子从呼吸链中泄漏出来,与氧气反应形成ROS。在损伤应激条件下,在功能障碍的线粒体中,由于呼吸链的电子传递中断,超氧阴离子自由基等ROS的产生增加[11]。在IRI诱导的AKI模型中,电镜下可见PINK1或PARK2基因敲除小鼠的肾小管上皮细胞中线粒体损伤加重,mtROS生成进一步增加[4],说明线粒体自噬与ROS的产生相关。在肾脏IRI后,BNIP3基因敲除小鼠肾组织中的ROS水平显著高于野生型小鼠[6],且BNIP3过表达能逆转缺氧诱导因子1α敲除引起的线粒体自噬抑制、ROS生成增加、肾脏损伤加重现象[8]。因此,IRI诱导的AKI可导致线粒体损伤和肾小管上皮细胞ROS生成增加,并且当线粒体自噬受抑制时,组织的氧化损伤加重。在顺铂[15]、对比剂[5]、脓毒症[10]诱导的AKI中,也观察到相似的现象。转录因子过氧化物酶体增殖物激活受体γ辅活化子1α(PGC-1α)是促进线粒体生物合成的关键因子,可以促进清除ROS,顺铂抑制其表达,可能也是AKI诱导mtROS增加的原因之一[16]。mtROS还促进细胞凋亡,在肾脏IRI、顺铂、对比剂诱导的AKI中,线粒体自噬基因敲除小鼠肾皮质中的促凋亡蛋白,即caspase-3活性片断和Bax表达增加,而抗凋亡蛋白Bcl-2的表达下降,肾小管上皮细胞凋亡明显增加[4-9,15]。在生理条件下,细胞色素c以游离态存在于线粒体内外膜间隙中,或与心磷脂结合固定在线粒体内膜。mtROS诱导心磷脂过氧化,将细胞色素c转化为过氧化物酶,从而进一步氧化心磷脂,促进线粒体外膜通透性增加,并随后将细胞色素c释放至胞浆中,导致caspases激活和细胞凋亡[17]。细胞死亡时释放mtROS也会进一步增加中性粒细胞和巨噬细胞浸润,激活炎症反应[4]。

恢复能量代谢mtDNA编码了线粒体电子传递链中的13种蛋白质,是能量代谢中的重要组成部分[18]。当线粒体自噬受抑制时,mtROS易导致mtDNA氧化损伤[5]。线粒体转录因子A(Tfam)是调节mtDNA拷贝数和激活mtDNA转录的重要因子,参与线粒体生物合成, 并通过和mtDNA相互结合,维持mtDNA的稳定性[18]。线粒体自噬缺陷诱导mtROS生成增加,抑制Tfam功能,导致mtDNA拷贝数下降、能量代谢障碍[12]。此外,缺氧损伤诱导能量代谢转换为糖酵解,通过降低氧化磷酸化和减少mtROS的生成来降低氧耗,并增强细胞抵御氧化损伤的能力[19]。与此类似,在顺铂诱导的AKI中,线粒体能量代谢的基础水平、最大水平下降[20],由于ATP生成减少,随后可能激活AMP活化的蛋白激酶(AMPK)。AMPK通过激活去乙酰化酶Sirtuin1[21],继而通过翻译后修饰激活PGC-1α[22],促进线粒体的生物合成,从而增加ATP合成,弥补能量代谢的缺口。因此,线粒体自噬通过减少mtROS生成,维持mtDNA的稳定性。同时,损伤使线粒体能量代谢转向生存所需,激活AMPK重新调整能量消耗,并最终通过促进线粒体生物合成,维持能量代谢平衡。

减轻炎症反应NOD样受体家族pyrin结构域-3(NLRP3)炎症小体主要由受体蛋白NLRP3、凋亡相关斑点样蛋白和下游的caspase-1组成。NLRP3可触发caspase-1的自我裂解和成熟,促进包括白细胞介素(IL)-1β和IL-18在内的各种炎性细胞因子的合成和分泌,促进炎症形式的程序性细胞溶解死亡,即细胞焦亡[13]。PINK1或PARK2基因敲除增加对比剂激活的NLRP3炎症小体的表达,加重肾损伤,而应用自噬激活剂3-甲基腺嘌呤后则与此相反[5],说明线粒体自噬通过减少NLRP3炎症小体的激活和下游细胞因子的产生和成熟来抑制炎症反应,从而在AKI中发挥肾脏保护作用。此外,NLRP3或caspase-1基因敲除小鼠体内线粒体自噬小体增多,减轻线粒体结构、功能障碍[7],表明NLRP3炎症小体受抑制时能促进线粒体自噬。与此同时,在应激条件下抑制线粒体自噬会导致受损线粒体释放的mtROS增加,进而激活NLRP3炎症小体,增加炎性细胞因子的释放[5,13]。

维持线粒体动力学稳态在生理条件下,线粒体通过线粒体外膜上的融合促进蛋白1(Mfn1)和Mfn2融合在一起,该过程还需激活线粒体内膜上视神经萎缩1(OPA1)蛋白,从而促进线粒体之间的代谢物和底物的交换,对受损的线粒体成分进行补充,维持线粒体网络的最佳功能;同时通过激活线粒体外膜上的动力相关蛋白1(Drp1)促进线粒体分裂,分离出受损或功能障碍的线粒体部分,随后该部分被线粒体自噬降解[23]。在肾脏IRI诱导的AKI中,线粒体中Drp1和Drp1受体表达增加,Mfn1和OPA1表达减少[24]。顺铂也导致相似的线粒体动力学失衡,通过诱导Drp1的637位[25]、656位[26]丝氨酸的磷酸化,促进Drp1向线粒体募集,导致线粒体过度分裂,使mtROS、mtDNA释放增加,肾小管损伤、肾功能下降更显著。当线粒体自噬受抑制时,线粒体分裂被过度激活,通过敲除Drp1基因或应用线粒体分裂抑制因子1则可以逆转该现象[9, 14],说明线粒体自噬通过抑制过度激活的线粒体分裂,维持线粒体动力学稳态。

此外,Drp1通过调节线粒体能量代谢相关分子进一步促进线粒体功能失调。近端肾小管特异性缺失Drp1使细胞基础耗氧率、ATP产生和储备能力增加[27],说明维持线粒体动力学稳态促进能量代谢的恢复。烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD)是线粒体能量代谢的核心成分之一,PGC-1α介导NAD的从头合成,同时烟酰胺可以通过烟酰胺磷酸核糖转移酶(Nampt)补救途径合成NAD[28]。肾脏IRI抑制Nampt、PGC-1α表达[16],近端肾小管特异性敲除Drp1增加了肾组织中Nampt的转录水平,血浆肌酐水平、急性肾小管坏死和肾损伤标志物的表达下降[27],表明Drp1通过抑制Nampt途径,导致线粒体能量代谢受损。总之,AKI诱导Drp1表达增加,不仅促进线粒体分裂,而且破坏线粒体能量代谢。线粒体自噬通过维持线粒体动力学稳态,可以改善细胞能量代谢。

针对线粒体自噬治疗AKI的潜在靶点

减轻氧化应激研究发现[29],在体外心肌细胞IRI模型中,右旋普拉克索可通过上调PINK1和PARK2的表达,减少ROS产生和细胞凋亡。缺血诱导OPA1表达下降,当OPA1过表达时,缺血心肌细胞中线粒体自噬水平上调,抗氧化防御系统成分的表达增加。研究发现鸢尾素通过增加OPA1表达,激活线粒体自噬,从而减轻氧化应激[30]。IRI是引起AKI最常见的原因,基于上述药物激活线粒体自噬从而发挥器官保护作用的机制,有望通过激活IRI诱导的AKI中的线粒体自噬,减轻氧化应激,作为治疗AKI的靶点。

改善能量代谢研究发现[31],恩格列净促进心脏微血管内皮细胞中线粒体自噬。内皮细胞特异性AMPK敲除或Fundc1敲除小鼠更易受到IRI损伤。当敲减心脏微血管内皮细胞AMPK的表达后,Fundc1的表达随之下降,说明恩格列净通过诱导AMPK的表达,激活Fundc1介导的线粒体自噬。如前所述,AMPK与线粒体生物合成、改善能量代谢密切相关,因此恩格列净可能通过激活线粒体自噬、改善线粒体能量代谢,成为AKI潜在的治疗靶点。

减轻炎症反应研究发现[32],右美托咪定通过上调PINK、PARK2的转录水平,抑制脓毒症诱导的炎性细胞因子的表达,从而改善AKI大鼠肾脏结构和功能。在盲肠结扎穿孔诱导的大鼠脓毒症模型中,尾静脉注射骨髓间充质干细胞(BMSC)能有效抑制脓毒症对NLRP3炎症小体的激活作用,且敲除PARK2基因后,逆转了BMSC对细胞焦亡的抑制作用[33]。如前所述,PINK/PARK2途径介导的线粒体自噬负向调节NLRP3炎症小体的表达,从而抑制细胞焦亡、炎症反应。所以,右美托咪定、BMSC有望通过激活线粒体自噬、抑制炎症反应,成为治疗脓毒症AKI和改善预后的靶点。

调节线粒体动力学稳态解偶联蛋白2(UCP2)是一种线粒体内膜蛋白,研究发现UCP2缺失加剧了缺氧诱导的肾小管上皮细胞中线粒体分裂[24],用共轭亚油酸喂养IRI小鼠能上调UCP2的表达,抑制线粒体分裂、减轻肾小管上皮细胞损伤。在急性缺血心肌细胞中,UCP2过表达显著增强了IRI诱导的线粒体自噬[34]。所以,UCP2可能通过激活线粒体自噬、调节线粒体动力学稳态,有望治疗肾脏IRI诱导的AKI。

小结:随着缺血、脓毒症和肾毒性药物等诱发AKI的因素越来越普遍，AKI的发病率、死亡率也随之增加。线粒体是细胞能量代谢中心，线粒体功能障碍介导AKI中的氧化应激、肾小管上皮细胞能量代谢受损、炎症反应等发病机制。如图1所示，线粒体自噬通过减少mtROS、改善能量代谢、减轻炎症反应、维持线粒体动力学稳态，从而减少AKI中肾小管上皮细胞死亡，改善器官功能，促进损伤修复，调控线粒体自噬的上下游机制和相关途径有望得到进一步研究，从而可将靶向线粒体自噬的相关药物向延缓AKI进展、改善AKI患者预后的临床应用进行转化。

图1 线粒体自噬在AKI中的保护作用AKI:急性肾损伤;BNIP3:Bcl-2/腺病毒E1B相互作用蛋白3;caspase:含半胱氨酸的天冬氨酸蛋白水解酶;Drp1:动力相关蛋白1;Fundc1:FUN14结构域蛋白1;mtDNA:线粒体DNA;mtROS:线粒体活性氧;Nampt:烟酰胺磷酸核糖转移酶;NLRP3:NOD样受体家族pyrin结构域-3; PARK2:E3泛素连接酶Parkin;PINK:PTEN诱导的假定激酶1;PGC-1α:转录因子过氧化物酶体增殖物激活受体γ辅活化子-1α;Tfam:线粒体转录因子A