线粒体自噬的分子生物学过程及其在心脏疾病中的作用

2022-11-28李开饶莉

心血管病学进展 2022年3期

李开饶莉

(四川大学华西医院心脏内科，四川成都 610041)

线粒体作为细胞的供能细胞器，以三磷酸腺苷(ATP)的形式为机体提供约90%的能量。线粒体自噬作为线粒体质量控制的重要机制，在维持线粒体稳态中发挥了重要作用。目前，许多疾病的发生和发展涉及到异常的线粒体自噬，而在心脏疾病中线粒体的作用则显得更加重要。一方面，心肌细胞需要线粒体产生的能量来满足其收缩功能；另一方面，线粒体自噬可吞噬异常线粒体，从而维持心肌细胞的正常功能。根据目前的研究报道，线粒体自噬参与了多种心脏疾病的发生和发展过程。现总结线粒体自噬的分子生物学过程及其参与心脏疾病的可能机制，以期为发现相关心脏疾病的发病机制及诊疗手段提供新思路。

1 自噬及线粒体自噬的概述

1.1 自噬

自噬是普遍存在于真核生物中的分子生物学过程。通过自噬，细胞可将胞质中的代谢废物及受损细胞器等转运至溶酶体或液泡消化水解，以维持细胞稳态[1-3]。当细胞处于如饥饿、生长因子缺失及感染等应激状态时，自噬水平将会上调以维持细胞稳态，若自噬过程受到干扰，则可能会导致炎症、肿瘤、老化、神经系统疾病、免疫系统疾病、骨骼肌以及心肌病变等疾病的发生[4]。

1.2 线粒体自噬

线粒体作为细胞的能量“供应站”，通过电子传递链产生ATP的同时也会产生活性氧，大量的活性氧可对线粒体DNA、线粒体膜以及线粒体蛋白造成氧化损伤[5]。当异常线粒体不断累积时可导致细胞死亡和多种疾病的发生。因此，线粒体质量控制显得尤为重要。线粒体自噬是指自噬小体选择性地将受损线粒体包裹并运输至溶酶体水解的过程，该概念是在2005年首次由Lemasters提出[6-7]。线粒体自噬是线粒体质量控制过程的重要环节，目前研究已发现多种蛋白及通路参与其中。

2 线粒体自噬在哺乳动物中的分子生物学过程

2.1 PINK1-Parkin通路

线粒体自噬在哺乳动物中的一个主要调控机制是PINK1-Parkin信号通路。PINK1是一种丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶，生理情况下，PINK1蛋白被线粒体转位膜复合物转运至线粒体内膜，随后被基质加工肽酶和早老素相关的菱形样蛋白降解[8-9]。然而，当线粒体膜电位发生去极化或其内有错误折叠蛋白堆积时，PINK1转位过程被阻断，PINK1在线粒体外膜自身磷酸化并募集胞质中的Parkin蛋白至线粒体激活[9-10]。活化的Parkin蛋白通过泛素化线粒体外膜的蛋白从而募集自噬因子p62，p62可结合自噬小体膜上的微管相关蛋白1轻链3(LC3)，促进线粒体包裹进自噬小体并水解，完成线粒体自噬[8，11]。

2.2 NIX蛋白在线粒体自噬中的作用

NIX蛋白(又称Bcl-2/腺病毒E1B 19 000相互作用蛋白3类似物)位于线粒体外膜，含有Bcl-2同源结构域3，与细胞凋亡相关[12]。有研究[13]显示在红细胞成熟分化过程中，网织红细胞会选择性地清除某些细胞器，如线粒体和内质网等。然而，在NIX基因敲除小鼠模型中，网织红细胞中线粒体清除过程受阻，而对NIX基因缺失的红细胞模型应用线粒体解偶联剂或Bcl-2同源结构域3类似物时，可引起线粒体膜电位去极化并促进线粒体自噬，说明NIX蛋白可能通过影响线粒体膜电位而介导线粒体自噬的发生[14]。此外，NIX蛋白还可能通过与LC3结合或促进活性氧产生来诱导线粒体自噬的发生[15-16]。

2.3 FUN14结构域包含蛋白-1在线粒体自噬中的作用

FUN14结构域包含蛋白-1(FUNDC1)位于线粒体外膜，过表达FUNDC1可在多种细胞中诱导线粒体自噬[17]。研究显示，生理条件下，FUNDC1正常表达并且持续地被Src酪氨酸蛋白激酶磷酸化，而缺氧条件下Src酪氨酸蛋白激酶的活性被抑制，导致磷酸化的FUNDC1的酪氨酸残基18去磷酸化[18]。除此之外，位于线粒体的磷酸甘油酸变位酶5也可直接去磷酸化FUNDC1的丝氨酸残基(Ser)13[19]。酪氨酸残基18和Ser13去磷酸化可促进FUNDC1与LC3稳定结合，从而启动线粒体自噬。

2.4 其他机制

除了上述机制外，位于线粒体内膜上的心磷脂易位至线粒体外膜并与LC3结合的过程被认为是启动线粒体自噬的信号[20]。此外，Unc-51样激酶1蛋白、Smad泛素调节因子1以及高迁移率族蛋白B1等分子也被报道参与线粒体自噬[21-23]。

3 线粒体自噬在心脏疾病中的作用

心肌细胞中含有丰富的线粒体(约占细胞体积的35%)为心脏供能。维持线粒体的正常稳态对心肌发挥正常收缩功能尤为重要。目前，越来越多的研究表明线粒体自噬异常可能参与多种心脏疾病的发生和发展过程。

3.1 线粒体自噬在心肌病中的作用

PINK1-Parkin通路作为线粒体自噬中的重要环节，在心肌病的发生和发展中具有一定作用。Billia等[24]的研究表明，条件性PINK1基因敲除在2月龄小鼠中出现了左室功能障碍及心肌肥厚的表现。与PINK1基因敲低及正常对照小鼠相比，PINK1基因敲除小鼠心肌细胞氧化应激程度、线粒体受损程度及心肌纤维化程度均更严重，心肌细胞凋亡率增高，且毛细血管密度减低。该研究结果表明PINK1对于出生后的心肌发育可能具有重要作用。线粒体融合蛋白2(mitofusion 2，MFN2)位于线粒体外膜，参与线粒体融合过程。作为Parkin蛋白的泛素化底物，MFN2也参与了调节Parkin转运至受损线粒体的过程。在小鼠心肌细胞中抑制MFN2基因表达可阻止Parkin转位至去极化的线粒体，从而阻止线粒体自噬。形态和功能异常的线粒体不断累积可导致MFN2缺失的心肌细胞呼吸链受损，最终导致小鼠心脏出现扩张型心肌病样表现[25]。早期研究[26]发现，心肌肥厚时NIX蛋白表达上调，因此，Dorn[27]首先使用α-肌球蛋白重链转基因启动子使小鼠在出生后不久便特异性地在心脏中过表达NIX基因，然而，所有小鼠在出生后第7～8天均死亡。出生后第6天的超声心动图显示小鼠心脏左室出现扩张型心肌病样表现，并且TUNEL染色显示心肌细胞大量凋亡。随后该研究者又在成年小鼠中条件性地过表达NIX基因，结果显示新生儿小鼠心肌凋亡率更高且扩张型心肌病样表现更严重。因此，该研究表明小鼠心脏中过表达NIX基因可能引起快速进展性凋亡性心肌病和机体过早死亡。

3.2 线粒体自噬在心肌缺血/梗死中的作用

尽管PINK1基因缺失在2月龄小鼠中表现出了心脏结构和功能障碍，Kubli等[28]却发现Parkin基因敲除在12月龄小鼠的心肌细胞中，线粒体排列紊乱和体积缩小，但线粒体功能及心脏功能仍正常。进一步研究表明，Parkin基因敲除小鼠与正常对照小鼠相比，其对于心肌梗死的变化更为敏感。在诱导心肌梗死后，Parkin基因敲除小鼠心肌梗死面积更大，生存期更短；而Parkin蛋白和线粒体自噬在对照小鼠的心肌梗死边界区域迅速增加。进一步电镜观察发现，Parkin基因敲除小鼠其心肌梗死边界区线粒体自噬明显减少，并且在心肌细胞中堆积了大量肿胀和功能异常的线粒体。

酪蛋白激酶2α(casein kinase 2α，CK2α)是一种丝氨酸/苏氨酸激酶[29]。早期研究[19]表明，CK2α可通过磷酸化FUNDC1的Ser13位点来抑制FUNDC1的活性。Zhou等[30]在心脏缺血再灌注小鼠模型中发现，与野生型小鼠相比，CK2α基因敲除小鼠中心肌缺血再灌注损伤减少。进一步研究发现，该保护作用可能是通过上调FUNDC1介导的线粒体自噬产生，而 CK2α-FUNDC1双缺失小鼠与CK2α基因敲除小鼠相比，前者则表现出范围更广的梗死灶、更低的心功能和更多的心肌细胞死亡。

3.3 线粒体自噬在心力衰竭中的作用

线粒体自噬除了参与上述心脏疾病的发生和发展外，在心力衰竭的发生中同样发挥了重要作用。在Guzmán Mentesana等[31]的研究中发现，与正常对照组相比，心力衰竭患者心肌组织中的线粒体嵴排列紊乱，基质增加，线粒体肿胀且体积缩小，线粒体所占心肌细胞体积也明显减少。通过检测呼吸链中的线粒体呼吸复合物Ⅲ的活性发现，其在心力衰竭患者中的活性明显低于正常对照者，说明心力衰竭患者心肌中的线粒体功能可能降低[31]。Wang等[32]通过检测心力衰竭患者心肌组织中线粒体DNA和ATP的含量也得出了相似结论。此外该团队还发现，主动脉弓结扎诱导的心力衰竭小鼠模型中，心肌组织中腺苷酸活化蛋白激酶(AMP-activated protein kinase，AMPK)α2 向AMPKα1转换，且该过程与PINK1-Parkin介导的线粒体自噬减少相关，而当AMPKα2含量增加时则可磷酸化PINK1 Ser495位点，启动PINK1-Parkin介导的线粒体自噬。