陳紅光，謝克亮，于泳浩

細胞自噬是一種自我降解的過程，對平衡能量來源和應對營養(yǎng)壓力是非常重要的。自噬通過再利用或降解錯誤折疊或聚集蛋白、清除受損細胞器以及細胞內(nèi)病原體等對細胞維持自身穩(wěn)態(tài)起到了重要的作用[1]，因此，自噬通常被認為是一種生存機制，盡管自噬在非選擇性的或選擇性清除特定細胞器，核糖體和蛋白質(zhì)聚集體等方面的機制尚未完全解決。除了消除細胞內(nèi)聚集體和受損細胞器之外，自噬還促進細胞衰老和細胞表面抗原呈遞，防止基因組不穩(wěn)定并防止壞死，同時也在多種疾病中發(fā)揮關(guān)鍵作用[2]。而線粒體自噬是一種選擇性自噬，通過清除受損和/或功能異常的線粒體，對線粒體的進行質(zhì)量控制，維持線粒體網(wǎng)絡(luò)的正常功能，為細胞提供穩(wěn)定的能量供應[3]。近年來的研究發(fā)現(xiàn)，線粒體自噬在紅血球分化、神經(jīng)退行性病變、炎癥和凋亡、缺血再灌注損傷和代謝相關(guān)疾病等多種生命過程中起到了一定的作用[4]。本文就線粒體自噬的研究進展做一個簡要的介紹。

1 線粒體自噬

“自噬（autophagy）”一詞源于希臘語意思是“自己吃自己（eating of self）”，最初是由Christian de Duve在40年前提出的，主要基于用胰高血糖素灌注的大鼠肝臟時，觀察到線粒體和其他細胞內(nèi)結(jié)構(gòu)在溶酶體內(nèi)降解[5]，在當時人們并不理解這種現(xiàn)象，近年來，由于對我們對各種分子的理解以及對來自眾多實驗室的這一過程的生理意義的重視，科學界重新認識了自噬，并且通過分子生物學在酵母中描述了自噬是如何被調(diào)節(jié)和執(zhí)行的具體機制。自噬始于一種隔離膜結(jié)構(gòu)，也稱為吞噬泡，可能來源于由內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和/或轉(zhuǎn)運高爾基體和內(nèi)涵體所形成的雙層脂質(zhì)膜，這種吞噬泡擴展吞噬細胞內(nèi)的物質(zhì)，如蛋白質(zhì)聚集體，細胞器和核糖體，從而將要清除隔離在雙層膜自噬體中，自噬體通過與溶酶體融合而成熟，促使溶酶體酸性蛋白酶降解自噬體內(nèi)容物。溶酶體通透酶和轉(zhuǎn)運蛋白將氨基酸和其他降解副產(chǎn)物輸出回細胞質(zhì)，重新用于構(gòu)建大分子和新陳代謝。因此，自噬可以被認為是一種細胞“回收工廠”，它通過ATP產(chǎn)生促進能量效率，并通過清除非功能性蛋白質(zhì)和細胞器來維持細胞穩(wěn)定[2]。而對于選擇性自噬了解最多的是線粒體自噬，其介導選擇性清除受損線粒體。通過早期電子顯微鏡研究首次在哺乳動物細胞中觀察到線粒體自噬，其在用胰高血糖素刺激肝細胞分解代謝后在溶酶體中鑒定增加的線粒體。Lemasters和他的同事[6]利用這個模型以及饑餓和光損傷引起的自噬，首次使用線粒體自噬這個術(shù)語來描述線粒體吞噬到被自噬體標記MAP1輕鏈3（LC3；酵母Atg8的同源物）包被的囊泡中，這一過程發(fā)生極快，可能在5分鐘內(nèi)發(fā)生。LC3（和Atg8）是一種泛素樣蛋白質(zhì)，在自噬體生物合成過程中與磷脂酰乙醇胺共價連接，從而使其能夠整合到自噬囊泡膜并參與貨物招募。另一項研究發(fā)現(xiàn)，在用半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶抑制劑培養(yǎng)以防止細胞溶解的神經(jīng)元中，細胞凋亡誘導后通過線粒體自噬完全去除線粒體[7]。由于線粒體外膜透化發(fā)生在細胞凋亡期間胱天蛋白酶活化的上游，這些結(jié)果表明線粒體損傷可誘導線粒體自噬。這些早期研究表明，線粒體自噬調(diào)節(jié)線粒體數(shù)量以符合代謝需求，也可能是一種去除受損線粒體的質(zhì)量控制形式[8]。在酵母和哺乳動物細胞中，線粒體自噬先于線粒體分裂[9]，將細長的線粒體分割成可管理的大小以進行包封，并通過線粒體自噬選擇性清除受損線粒體以進行質(zhì)量控制， 除了質(zhì)量控制之外，線粒體自噬已被證明是穩(wěn)定狀態(tài)線粒體更新所必需的[10]，通過調(diào)節(jié)線粒體數(shù)量以改變代謝需要[11]。

2 線粒體自噬的重要調(diào)控分子

在哺乳動物線粒體自噬過程中中，有多種不同的線粒體自噬效應分子，包括線粒體自噬受體NIX/BNIP3和FUDNC1以及PINK1/Parkin途徑，這三種通路已被確定參與線粒體的選擇性清除。 自噬受體的一個共同特征是它們具有與LC3相互作用的LC3結(jié)合位點，從而促進線粒體被包裹進入到自噬囊泡中，從而發(fā)生線粒體自噬。

2.1 PINK1/Parkin介導的線粒體自噬 PINK1和Parkin突變已被認為是隱性家族性帕金森病的最常見原因[12]。PINK1是一種核編碼的線粒體絲氨酸/蘇氨酸激酶[13]，Parkin是一種胞質(zhì)E3泛素化連接酶[14]。遺傳研究表明，PINK1和Parkin在同一途徑中起作用，并且PINK1在Parkin上游起作用[15]。過去幾年的大量工作極大地促進了PINK1和Parkin協(xié)同作用介導哺乳動物細胞線粒體自噬的分子機制。

PINK1作為線粒體應激感應器，其作用依賴于線粒體膜電位。在健康線粒體中，PINK1被導入線粒體，然后在線粒體內(nèi)膜迅速發(fā)生降解。然而，當線粒體膜電位降低時，PINK1穩(wěn)定結(jié)合于外線粒體膜，募集Parkin至受損線粒體，啟動線粒體自噬[15]。最近，有關(guān)PINK1-Parkin相互作用和Parkin激活的更多細節(jié)已經(jīng)被揭示。發(fā)現(xiàn)PINK1在線粒體去極化后激活并在多個位點發(fā)生磷酸化，包括Thr257，其使得PINK1在Ser65上磷酸化Parkin并導致Parkin的E3連接酶活性的激活[16]。據(jù)研究推測，在Parkin招募到線粒體并隨后被激活后，它泛素化不同的線粒體外膜蛋白，這可能通過與接頭蛋白（如p62和NRB1）相互作用介導線粒體隨后隔離到自噬囊泡中。迄今為止，研究人員已經(jīng)確定了Parkin的一些潛在底物，如mitofusins（Mfn1/2）[17]，Drp1[18]和PARIS（ZNF746）[19]，這些更加證明了Parkin在線粒體動力學，線粒體運輸和調(diào)控線粒體生物發(fā)生等方面發(fā)揮了廣泛作用。此外，研究表明p62是與Parkin一起募集至受損線粒體的[20]，通過其UBA（泛素化結(jié)合位點）和LIR（LC3結(jié)合序列）結(jié)構(gòu)域?qū)⑹軗p線粒體與自噬囊泡結(jié)合，然后轉(zhuǎn)移至自噬溶酶體進行降解。

2.2 NIX/BINP3通路 BCL2和腺病毒E1B 19-kDa-相互作用蛋白3（BNIP3）和BNIP3樣（BNIP3L，也稱為NIX）線粒體定位蛋白，其與BH3-only家族有關(guān)。除了它們在細胞凋亡中的作用之外，發(fā)現(xiàn)BNIP3和NIX通過其LIR序列與LC3家族蛋白相互作用，從而介導線粒體的清除[21-22]。使用NIX敲除型小鼠的研究顯示NIX參與網(wǎng)織細胞成熟過程[23]。線粒體的Nix依賴性清除與凋亡途徑不同，因為它不需要其他Bcl2蛋白，如Bak，Bax，Bcl-xl，Bim或Puma[23]。那么Nix是如何參與線粒體自噬？ 關(guān)于網(wǎng)織紅細胞成熟的研究表明，在誘導階段不需要Nix， 相反，在晚期Nix需要將線粒體攜帶進入到自噬小體中，Nix含有稱為LIR（LC3-相互作用區(qū)域）的保守LC3結(jié)合序列，因此可以將線粒體靶向輸送至自噬小體[24]。Nix的功能可能不限于紅細胞成熟，Nix也可能參與去極化誘導的線粒體自噬，因為CCCP處理HeLa細胞可以增強細胞中的Nix和LC3相互作用[21]，與Nix在紅細胞成熟過程中作用不同的是，用解偶聯(lián)劑FCCP處理網(wǎng)織紅細胞可以在Nix不存在的情況下的誘導線粒體自噬的發(fā)生[25]，因此，我們Nix在去極化誘導的線粒體自噬中至多可能是具有促進作用但并非是完全依賴性的。 Nix和另一種BH3-only蛋白質(zhì)Bnip3也參與缺氧誘導的哺乳動物成纖維細胞[24]和缺血再灌注的小鼠大腦神經(jīng)元細胞[26]的線粒體自噬。在缺氧期間清除線粒體對于減少ROS產(chǎn)生和維持氧穩(wěn)態(tài)是重要的。低氧條件下低氧誘導因子的激活誘導Nix和Bnip3的表達，其在高水平表達時可以破壞Bcl2和Beclin1之間的相互作用。而Beclin 1一旦釋放，可誘導ATG5依賴性自噬的發(fā)生[27]?，F(xiàn)在認為，NIX/ BNIP3的上調(diào)可能是促進它們在線粒體自噬中的活性的關(guān)鍵事件，但是其具體的作用機制還未明確[23]。

2.3 FUNDC1介導的線粒體自噬 最近，科研工作者已將FUN14結(jié)構(gòu)域蛋白1（FUNDC1）鑒定為一種新的線粒體自噬受體[28]。FUNDC1是一種外線粒體膜蛋白，含有三個跨膜結(jié)構(gòu)域，其N端和C端分別暴露于胞質(zhì)溶膠和膜間隙[28]。 在FUNDC1沉默的細胞中，與對照細胞相比，缺氧處理不能誘導線粒體自噬，并且通過重新表達野生型FUNDC1可以挽救線粒體自噬[28]。 這些結(jié)果表明FUNDC1在缺氧誘導的線粒體自噬過程中作為特定的線粒體自噬受體起作用。研究發(fā)現(xiàn)FUNDC1在它的胞質(zhì)溶膠暴露的N-末端含有LIR序列，并且LIR基序?qū)τ贔UNDC1-LC3相互作用是必需的[28]。 FUNDC1的LIR突變顯著地使線粒體自噬受損，其LIR的缺失將阻斷線粒體自噬的誘導。 這些發(fā)現(xiàn)表明FUNDC1-LC3相互作用是FUNDC1誘導的線粒體自噬所必需的。

FUNDC1介導的線粒體自噬的調(diào)控機制最近已被揭示，研究發(fā)現(xiàn)FUNDC1的多位點磷酸化在調(diào)節(jié)FUNDC1-LC3相互作用中起關(guān)鍵作用[29]。在常氧環(huán)境下FUNDC1發(fā)生磷酸化。 Src和CK2分別是負責FUNDC1在Tyr18和Ser13處磷酸化的激酶，并且這兩個位點的磷酸化可以抑制FUNDC1與LC3的相互作用。 在缺氧或線粒體解偶聯(lián)劑處理期間，Src和CK2失活，并且線粒體磷酸酶PGAM5與FUNDC1的Ser30相互作用發(fā)生去磷酸化，這種修飾增強了FUNDC1-LC3相互作用，從而誘導線粒體被自噬囊泡包裹發(fā)生線粒體自噬[28,30]。有研究發(fā)現(xiàn)，敲除FUNDC1基因?qū)p害血小板中線粒體的質(zhì)量，并且增加線粒體的數(shù)量，使得血小板對缺氧刺激不敏感[31]。

3 線粒體自噬在疾病中的作用

在這一部分，我們將主要介紹線粒體自噬在不同病理過程中的作用。

3.1 線粒體自噬神經(jīng)退行性疾病的作用 帕金森?。≒D）已經(jīng)被證實與線粒體功能障礙密切相關(guān)[32]，特別是PD患者的黑質(zhì)中復合體I活性降低和線粒體DNA的積累與PD的發(fā)生有特異性[33]。 PARK6和PARK2突變分別編碼PINK1和PARKIN蛋白，導致常染色體隱性PD，PD患者黑質(zhì)中中受損線粒體的清除缺陷可能是該疾病的重要病因。Sterky等人在Mito Park小鼠中使用線粒體熒光標記（mito-YFP）研究了體內(nèi)多巴胺神經(jīng)元的線粒體動力學。由于線粒體轉(zhuǎn)錄因子A（TFAM）的特異性敲除，Mito Park小鼠顯示PD特征，作者使用這些小鼠，發(fā)現(xiàn)呼吸鏈缺陷導致線粒體網(wǎng)絡(luò)碎片化，并形成來自線粒體的大細胞質(zhì)體。線粒體的順行軸突運輸也在呼吸鏈缺陷的小鼠神經(jīng)元中受損，導致線粒體向軸突末端的供應減少。有趣的是，Sterky等人發(fā)現(xiàn)功能失調(diào)的線粒體并未在體內(nèi)招募PARKIN，并且PARKIN的缺失也并未影響功能受損線粒體的清除和神經(jīng)退化表型[34]。這些數(shù)據(jù)表明線粒體功能障礙不足以招募PARKIN并誘導線粒體自噬。然而，最近的一項研究表明，在對局部損傷的反應中，在遠端軸突中出現(xiàn)了Parkin依賴的線粒體自噬[35]。近年來，許多研究討論了線粒體自噬和PARKIN介導的線粒體自噬在神經(jīng)退行性疾病如肌萎縮側(cè)索硬化[36]，亨廷頓病[37]和阿爾茨海默病[38]中的意義。比如，最近的研究結(jié)果表明線粒體自噬在唐氏綜合征（DS）中可能存在一定意義，唐氏綜合征患者的大腦表現(xiàn)出ROS平衡異常，并且ROS積聚增加，這表明線粒體受損[39]。但需要進一步的研究來闡明線粒體自噬在這些疾病中的確切作用。

3.2 線粒體自噬在糖尿病中的作用 激素可以促進或抑制線粒體的降解。例如，甲狀腺激素可以調(diào)控線粒體的代謝[40]，而禁食和胰高血糖素通過線粒體自噬和肝細胞中的非選擇性自噬促進線粒體降解[41-42]。由于這些激素控制體內(nèi)能量穩(wěn)態(tài)，并在各種代謝紊亂中發(fā)揮重要作用，因此人們對線粒體自噬在肥胖癥，1型糖尿病和2型糖尿病中的作用越來越感興趣。先前已報道腫瘤蛋白p53誘導型核蛋白1和2（TP53INP1和TP53INP2）是2型糖尿病的易感基因。這兩種蛋白質(zhì)含有LIR結(jié)構(gòu)域，因此可能在自噬中發(fā)揮作用[43]。缺乏TP53INP1的小鼠顯示易于發(fā)生氧化還原驅(qū)動的肥胖和胰島素抵抗。TP53INP1-KO小鼠存在線粒體自噬缺陷，導致受損線粒體增加[44]。線粒體自噬缺陷導致氧耗率下降和線粒體ROS產(chǎn)生增加。并且TP53INP1也存在于線粒體中，與PINK1和PARKIN相互作用，但與NIX和BNIP3不相關(guān)[44]。像TP53INP1一樣，TP53INP2也可以調(diào)節(jié)自噬并且是自噬體形成和加工所必需的[45]，TP53INP2表達在來自2型糖尿病患者的肌肉組織和糖尿病小鼠模型中被抑制[46]。這種蛋白質(zhì)在線粒體自噬中的作用尚待確定。另外在基礎(chǔ)狀態(tài)下，胰腺β細胞功能需要自噬，ATG7敲除小鼠中自噬機制的遺傳失活導致葡萄糖刺激的胰島素分泌減少。同時在基礎(chǔ)狀態(tài)下敲除PINK1，對于胰腺外分泌腺的線粒體自噬小體的數(shù)量沒有影響，但是可以明顯增加內(nèi)分泌腺線粒體自噬小體的數(shù)量[16]，說明PINK1對于胰腺外分泌腺的線粒體功能的穩(wěn)定具有一定作用。

3.3 線粒體自噬在細胞死亡、炎癥和缺血再灌注損傷的作用 關(guān)于自噬是促進死亡還是抑制死亡的問題，是一直存在爭議的。凋亡（self-killing）被描述為細胞的程序性死亡，也被成為I型細胞死亡；而自噬（self-eating）在某些情況下，是一種可以避免細胞死亡（并可抑制細胞凋亡）的應激適應，而在其他環(huán)境中，自噬成為了細胞死亡的替代途徑， 被稱為自噬性細胞死亡（或II型細胞死亡），所以自噬和細胞死亡之間的關(guān)系是復雜的[47]。當線粒體功能受損時，線粒體會釋放出凋亡相關(guān)信號，激活線粒體凋亡通路，引起細胞死亡，而同時功能受損的線粒體會被線粒體自噬相關(guān)蛋白識別以清除受損線粒體，減少凋亡信號的釋放，起到保護細胞的作用。有相關(guān)研究表明，用IL-1b處理人軟骨細胞以模擬骨關(guān)節(jié)炎，SiRNA干擾Parkin表達抑制線粒體自噬會使得細胞內(nèi)ROS含量升高，加重細胞凋亡[48]，因此認為線粒體自噬對細胞死亡是有保護作用的。但是過度的自噬將會引起各種溶酶體酶從自噬溶酶體釋放出來，從而使得細胞發(fā)生凋亡和/或壞死[49]。對于細胞炎癥，相關(guān)研究表明，缺失自噬相關(guān)蛋白Atg16L1可以增強內(nèi)毒素誘導的IL-1b的產(chǎn)生[50]，而在膿毒癥晚期，有學者認為自噬是被耗竭的[51]，也有研究發(fā)現(xiàn)在巨噬細胞中通過線粒體自噬清除受損線粒體可以抑制炎癥小體的活化，減輕炎癥反應[20]。而線粒體自噬對缺血再灌注損傷中也起到了保護性作用，研究發(fā)現(xiàn)腎缺血/再灌注誘導的線粒體自噬通過Drp1依賴性途徑可以防止腎功能障礙[52]，而BINP3L/NIX介導的線粒體自噬在腦缺血再灌注損傷中具有保護作用，且不依賴PARK2[26]。

4 小結(jié)

通過線粒體自噬清除線粒體，調(diào)節(jié)線粒體的數(shù)量以滿足能量代謝的需要，同時清除受損線粒體以對線粒體網(wǎng)絡(luò)維持質(zhì)量控制。線粒體自噬通過幾個特殊的步驟，將多余的或功能受損的線粒體靶向輸送到自噬小體。在酵母菌中，通過Atg32向自噬體募集多余和/或受損的線粒體；在哺乳動物中，NIX介導紅細胞成熟過程中線粒體的發(fā)育性去除，并且parkin/PINK1和FUNDC1可調(diào)節(jié)許多細胞類型中受損線粒體的選擇性自噬。但是現(xiàn)在很難對線粒體自噬進行精確而定量的檢測，所以就無法準確地評估線粒體自噬發(fā)生的多少快慢，這是我們所面臨的一個問題。另外線粒體做為細胞的能量工廠，其生物能量學主要包括ΔΨ，ATP產(chǎn)生，氧氣消耗和ROS等，其中任意一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，均會引起線粒體功能障礙，而線粒體自噬通過控制線粒體的數(shù)量和效率來調(diào)節(jié)線粒體能量代謝。線粒體的數(shù)量和效率也受線粒體生物合成的控制，但線粒體生物合成和線粒體自噬之間的協(xié)調(diào)仍然是一個懸而未決的問題。圍繞線粒體生物能量學、線粒體動力學和周轉(zhuǎn)效率的協(xié)調(diào)的這些問題將有望為線粒體能量代謝和線粒體自噬的研究提供未來的方向。