线粒体自噬在糖尿病眼病中作用的研究进展△
2023-02-12任若昕管怀进
任若昕 管怀进 季 敏
线粒体是真核细胞三磷酸腺苷(ATP)合成的主要部位,参与机体多种代谢活动。正常情况下线粒体通过一系列抗氧化应激机制能够清除活性氧(ROS)。因此,正常的线粒体结构和功能对机体稳态的维持至关重要。线粒体自噬是生物体维持线粒体稳态的重要机制,具体是指细胞通过自噬的机制选择性地清除受损或功能不全的线粒体过程[1]。该过程可通过控制线粒体的数量和质量来调节线粒体能量代谢,当线粒体自噬出现损伤时,线粒体功能往往会出现异常,可导致细胞死亡。有研究表明,糖尿病等代谢性疾病可影响线粒体自噬。当细胞组织持续处于高血糖环境下时会产生过量ROS,打破ROS与线粒体抗氧化酶之间的平衡,发生氧化应激损伤、促炎因子大量释放等,影响线粒体自噬水平,最终导致线粒体功能障碍[2-4]。
目前已有研究表明,线粒体自噬与糖尿病并发症有紧密联系,有研究发现,糖尿病患者的心房中出现线粒体结构紊乱,线粒体自噬功能障碍,最终可引起心肌损伤[5-6]。有关糖尿病肾病(DN)的研究表明,线粒体功能障碍是DN发生发展中的重要环节,线粒体自噬对维持线粒体稳态至关重要[7]。糖尿病眼病是常见的糖尿病并发症,主要包括糖尿病视网膜病变(DR)、糖尿病性白内障(DC)、糖尿病性角膜病变(DK)和糖尿病性视神经病变等,严重者可致盲,影响糖尿病患者生活质量[8-9]。近年来研究发现,糖尿病眼病中存在线粒体自噬损伤,且靶向治疗线粒体自噬可以改善或延缓糖尿病眼病的发生。然而,糖尿病眼病中线粒体自噬损伤的具体机制尚未明确,本文就线粒体自噬调控途径、糖尿病眼病以及线粒体自噬在糖尿病眼病中作用的研究进展进行综述。
1 线粒体自噬
线粒体自噬是指细胞通过自噬机制选择性包裹和降解细胞内受损的线粒体,是保证线粒体数量和质量平衡、维持细胞生存的重要调控机制[10]。线粒体自噬过程是在病理条件下线粒体去极化,出现线粒体损伤,接着,通过自噬体识别受损线粒体,并与溶酶体融合完成降解的过程[11]。线粒体自噬可受多种受体介导,其中经Parkin/PINK1经典途径介导的线粒体自噬和B细胞白血病/淋巴瘤2(BCL2)/腺病毒E1B19kD相互作用蛋白3(BNIP3)、BNIP3样蛋白(Nix/BNIP3L)介导的线粒体自噬等已被广泛研究[1]。
1.1 Parkin/PINK1信号通路
PTEN诱导假定激酶1(PINK1) 是一种在细胞质中合成的蛋白激酶,在正常情况下,PINK1在线粒体外膜转移酶(TOM)和线粒体内膜转位酶 (TIM)作用下进入线粒体,被内膜上相关蛋白酶水解;而当线粒体受损时,线粒体膜电位发生改变,PINK1水解受到抑制,导致其堆积在线粒体外膜(OMM)上,并招募细胞质内的Parkin到受损的线粒体膜上。Parkin是一种细胞质的 E3 连接酶,PINK1可磷酸化 Parkin增加其E3连接酶活性,最终导致线粒体发生泛素化[12-13]。发生泛素化的线粒体则可以被泛素结合蛋白P62结合,继而P62与微管相关蛋白1轻链3(LC3)结合,使损伤的线粒体被自噬体吞噬并被溶酶体降解。
1.2 线粒体自噬相关受体
BNIP3与Nix/BNIP3L有50%的同源性,并与自噬相关,特别是与由缺氧引起的线粒体自噬有关[14]。当机体处于缺氧状态下,Nix和BNIP3可通过缺氧诱导因子1α(HIF-1α)调控使其表达上调[15]。有研究发现,Nix/BNIP3L的结构中包含一个单通道羧基端跨膜结构域,其靶向OMM,且存在LC3相互作用区(LIR)[16]。因此,Nix/BNIP3L能通过该区直接与LC3/γ-氨基丁酸受体相关蛋白(GABARAP)作用,引起特异性线粒体自噬的发生。
Fun14结构相关蛋白1(FUNDC1)是一种存在于OMM的蛋白,与Nix/BNIP3相似,在低氧环境下可以通过LIR与LC3结合引起线粒体自噬的发生。与之不同的是,FUNDC1还可以影响线粒体分裂,由此介导线粒体自噬发生[17]。
1.3 线粒体动力学对线粒体自噬的影响
在正常情况下,线粒体处于分裂与融合的动态平衡中。有研究表明,线粒体分裂和融合相关因子降解是线粒体自噬发生所必须的[18]。当线粒体出现损伤时,线粒体受损部位的膜电位下降,引起视神经萎缩1蛋白(OPA1)水解,并诱导线粒体融合蛋白1/2(Mfn1/2)被 Parkin泛素化,经蛋白酶降解,继而减少线粒体的融合,有利于受损线粒体的分裂,使线粒体自噬形成更容易。线粒体动力蛋白1(Drp1)是一种线粒体裂变蛋白,有研究报道,FUNDC1和BNIP3介导的线粒体自噬需要Drp1的参与,但也有研究显示,发生线粒体自噬时并没有线粒体裂变现象[19-20]。因此,Drp1在线粒体自噬中的作用有待进一步研究。
2 线粒体自噬与糖尿病眼病
近年来,有研究提出,高糖环境下线粒体氧化呼吸链产生过量的ROS是糖尿病并发症发生的启动因子[21]。ROS可以激活多种生物化学途径,而这些途径也可进一步促进机体ROS的积累并形成“恶性循环”,最终导致线粒体功能损害。线粒体自噬作为机体清除损伤线粒体的主要方式,在维持线粒体质量和数量稳态中具有重要作用[10]。因此,了解线粒体自噬在糖尿病眼病发生发展中的作用至关重要,靶向改善线粒体自噬可延缓糖尿病眼病的发生发展,有望为患者带来新的治疗方向。
2.1 糖尿病眼病的种类
糖尿病可引起的眼部并发症较多,以DR、DC、DK较为常见,另外,还有屈光不正、虹膜睫状体炎、青光眼、眼球运动神经麻痹以及视神经病变等。
DR是糖尿病常见的视网膜病变,是发达国家工作人群首位致盲因素[22],其最重要的病理特征是视网膜缺血缺氧,使血-视网膜屏障发生损伤,最终可致DR患者视力损害,严重者可失明。白内障是世界范围内人群致盲和视力损害的主要原因[23]。影响和导致白内障的因素较多,如长期户外紫外线作用、激素和药物作用、外伤、高血糖等。DC是一类由糖尿病引起或加重的眼部并发症,其既可以由于血糖大范围波动导致晶状体迅速混浊,也可能是年龄相关性白内障发生加重所致,其发生发展很大程度上受糖尿病的影响[24]。DK可分为原发性DK和继发性DK[25],原发性DK是指糖尿病患者本身引起的角膜病变,继发性DK是指糖尿病患者行眼部手术后引起的角膜并发症;原发性DK一般表现为角膜上皮损伤,如角膜上皮再生迟缓,角膜知觉减退和角膜水肿等[26-27]。
2.2 DR与线粒体自噬
视网膜结构复杂,细胞种类繁多,如视网膜色素上皮细胞(RPE)、Müller细胞、视网膜神经节细胞(RGCs)、视网膜毛细血管内皮细胞(HRCECs)等。有研究发现,在DR模型中上述视网膜细胞可因线粒体自噬障碍,最终出现细胞凋亡[28-30]。还有研究发现,线粒体自噬可抵抗高糖诱导的过量ROS,在高糖诱导视网膜细胞凋亡过程中具有保护作用[31]。RGCs受到损害是DR的第一个变化[32-33]。Zhou等[34]研究发现,RGCs可通过上调PINK1/Parkin介导的线粒体自噬来抵抗高糖诱导的ROS增加所造成的线粒体损伤。在RPE中也发现了线粒体自噬具有类似的保护作用[35-36]。由此可见,靶向治疗线粒体自噬有望改善高糖诱导的细胞凋亡,这将成为DR的潜在治疗靶点。
Zhou等[37]通过向糖尿病模型小鼠的玻璃体内注射三七皂苷(NGR1)发现,NGR1可通过靶向上调Parkin/PINK1通路介导的线粒体自噬减少DR中Müller细胞的凋亡,延缓了DR进展。此外,有研究报道,靶向调节Drp1可改善高糖诱导的HRCECs中线粒体自噬损伤以减少细胞凋亡[38]。进一步研究发现,Drp1对线粒体自噬调节过程与葡萄糖代谢关键酶己糖激酶2有关[39]。以上研究均表明,靶向治疗或改善线粒体自噬在防治DR和延缓DR进展中具有积极作用。
总之,线粒体自噬在DR病程中具有着重要作用,可以抵抗高糖诱导的ROS进而保护视网膜细胞,但当其出现障碍时可导致细胞死亡,目前其受损的具体机制尚不清楚,有待进一步研究。以上研究表明,靶向调节线粒体自噬可以阻止或减缓DR进展,有望成为DR治疗的潜在靶点,为其防治提供了更多的方向。
2.3 DC与线粒体自噬
既往研究表明,晶状体的透明性与晶状体上皮细胞(LECs)中线粒体正常的代谢功能密切相关,若晶状体出现线粒体自噬损伤,晶状体稳态将受到破坏,最终形成白内障[40-41]。已有研究表明,高糖环境可导致LECs的ATP合成减少、线粒体电位下降,线粒体自噬通量改变,最终导致LECs凋亡[42-43]。体外实验发现,线粒体自噬通量变化与高糖环境刺激的时间长短有关,即早期增加,后期减弱[43]。此外,还有研究发现,二甲双胍、达格列净等口服降糖药和白藜芦醇等天然抗氧化剂可以减弱高糖诱导的LECs中ROS的产成,改善线粒体自噬,减少LECs凋亡[44]。
总之,线粒体自噬与晶状体的透明性紧密相关,当线粒体自噬出现障碍后,可导致白内障的发生,严重影响患者视力。然而,目前DC的发病机制仍不明确,也未有相关的有效治疗药物。以上研究还提示,高糖环境下诱导线粒体自噬损伤对DC的病程发展尤为重要,但具体机制还待进一步研究。
2.4 DK与线粒体自噬
由于直接暴露于环境中,角膜容易受到氧化应激损伤,因此,人角膜内皮细胞(HCEnCs)中的线粒体活性和质量尤为重要[45]。Aldrich等[46]研究发现,糖尿病患者HCEnCs中存在线粒体自噬损伤,线粒体整体外观肿胀,甚至出现黑色包涵体,这提示线粒体自噬障碍。Hu等[47]研究发现,高糖可诱导小鼠角膜上皮细胞TKE2中Sirt3表达水平下调,使Parkin/PINK1介导的线粒体自噬通量减低;而过表达Sirt3可以激活Parkin/PINK1途径增强线粒体自噬,从而促进角膜上皮伤口愈合。这表明,上调线粒体自噬可能是促进DK患者创面愈合的有效靶点。
此外,三叉神经节作为角膜主要的神经来源,在角膜上皮创面愈合中发挥重要作用[48]。有研究表明,糖尿病患者的HCEnCs中出现线粒体自噬受损,导致功能失调线粒体在细胞内积累,靶向上调线粒体自噬可以促进DK患者角膜上皮创面愈合,可能是促进DK患者创面愈合的有效靶点[49]。但高糖诱导的HCEnCs中线粒体自噬损伤的具体机制尚不清楚,需要更深入的研究。然而,有研究认为,糖尿病患者的线粒体功能失调与线粒体裂变过度有关,导致线粒体体积变大,继而功能减低而非线粒体自噬受损[50]。此观点需要进一步研究HCEnCs中线粒体裂变过程是否受糖尿病影响来证实。
3 结束语
糖尿病是一个全球性公共健康问题,且发病率不断增加。本文针对线粒体自噬与糖尿病眼病进行综述,糖尿病眼病中也存在线粒体自噬通量的降低,可导致细胞死亡。在高糖环境中线粒体自噬对眼部具有保护作用,适当调节线粒体自噬可以改善或延缓糖尿病眼病的进展,但糖尿病患者眼部中线粒体损伤机制尚不清楚,因此,线粒体自噬与糖尿病眼病之间的关系仍需进一步探索研究。