趙孝杰，王磊，陳志遠(yuǎn)，劉修恒

(武漢大學(xué)人民醫(yī)院泌尿外科，武漢 430060)

急性腎損傷(acute kidney injury，AKI)是一種常見的以腎小球?yàn)V過率急劇下降為臨床特征的綜合征，主要病因包括腎缺血再灌注損傷、腎輸尿管梗阻、膿毒血癥以及腎毒性藥物的使用等[1]。目前，AKI的發(fā)病率呈逐年上升趨勢，危重患者比例及病死率居高不下，AKI后慢性腎臟病(chronic kidney disease，CKD)進(jìn)展的風(fēng)險增加，其中相當(dāng)一部分患者最終發(fā)展為終末期腎病[2]。近年一項(xiàng)研究證實(shí)，住院期間發(fā)生AKI并恢復(fù)腎功能的患者在中位隨訪2.5年后發(fā)展為3期CKD的風(fēng)險是未發(fā)生AKI患者的2倍[3]；而另一項(xiàng)薈萃分析顯示，AKI患者發(fā)生CKD的風(fēng)險較正常人高8.8倍，進(jìn)展為終末期腎病的風(fēng)險則高3.1倍[4]。AKI和CKD之間存在雙向聯(lián)系，CKD是AKI的病理結(jié)局，AKI是CKD發(fā)生和發(fā)展的危險因素，盡管研究人員已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了一些與AKI及其進(jìn)展有關(guān)的分子和途徑，主要包括腎單位丟失、細(xì)胞周期阻滯、炎性損傷、內(nèi)皮細(xì)胞損傷和線粒體功能障礙，但尚無有效干預(yù)措施來阻止或逆轉(zhuǎn) AKI-CKD轉(zhuǎn)變。作為參與生物能量代謝的主要細(xì)胞器，線粒體功能發(fā)生障礙在AKI向CKD進(jìn)展的過程中起著不可或缺的作用，目前該領(lǐng)域的主要研究方向?yàn)榘邢蛘{(diào)控線粒體生理功能及維持其在生物體內(nèi)的動態(tài)平衡，但迄今為止尚缺乏有效的調(diào)控靶點(diǎn)。因此，進(jìn)一步探究線粒體功能障礙與AKI向CKD轉(zhuǎn)變的相關(guān)發(fā)生機(jī)制對以此為靶點(diǎn)治療干預(yù)此病理過程具有重要意義?，F(xiàn)就線粒體功能障礙在AKI向CKD轉(zhuǎn)變中的作用機(jī)制予以綜述。

1 線粒體生物合成下調(diào)

線粒體生物合成是一個復(fù)雜的過程，涉及線粒體內(nèi)外膜和線粒體編碼蛋白的合成以及線粒體DNA的復(fù)制以適應(yīng)增加的能量需求。幾種調(diào)控因子已被確認(rèn)參與線粒體生物合成，如過氧化物酶體增殖物激活受體γ輔刺激因子-1α(peroxisome proliferator-activated receptor γ coactivator-1α，PGC-1α)、AMP活化的蛋白激酶、核呼吸因子1和核呼吸因子2[5]?？偟膩碚f，應(yīng)激行為(如饑餓或運(yùn)動)會導(dǎo)致AMP活化的蛋白激酶介導(dǎo)的PGC-1α磷酸化，以及煙酰胺腺嘌呤二核苷酸(nicotinamide adenine dinucleotide，NAD)水平升高并導(dǎo)致沉默信息調(diào)節(jié)因子1(slient information regulator 1，SIRT1)激活，SIRT1是一種依賴NAD的脫乙酰酶，可使PGC-1α去乙酰化，活化的PGC-1α轉(zhuǎn)移到細(xì)胞核，激活核呼吸因子1和核呼吸因子2，隨后轉(zhuǎn)錄編碼呼吸鏈的核成分和線粒體轉(zhuǎn)錄因子A，從而促進(jìn)線粒體蛋白的合成，線粒體DNA的復(fù)制和轉(zhuǎn)錄，以及新的線粒體的生物合成[6]。

線粒體生物合成功能受損可能有助于AKI后的不良適應(yīng)性修復(fù)及隨后的纖維化進(jìn)展，而PGC-1α是其主要的調(diào)控因子。在葉酸誘導(dǎo)的AKI小鼠模型中，線粒體的DNA拷貝數(shù)持續(xù)下降并伴隨腎臟早期纖維化快速進(jìn)展，而線粒體生物合成的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)器在葉酸注射后也呈持續(xù)性下降[7]。另外，PGC-1α基因敲除的小鼠存在自發(fā)性的腎小管間質(zhì)炎癥，對膿毒血癥誘導(dǎo)的AKI易感性增加，并使得隨后的腎功能恢復(fù)情況惡化[8]。而在單側(cè)輸尿管梗阻的動物模型中，PGC-1α基因表達(dá)也被顯著抑制，并與腎纖維化進(jìn)程相關(guān)[9]。

此外，多種其他因素通過直接或間接調(diào)控PGC-1α參與線粒體生物合成。一種NAD的前體煙酰胺單核苷酸被證實(shí)可顯著抑制腎小管細(xì)胞的DNA損傷、衰老和炎癥，改善AKI后的線粒體生物合成功能障礙并延緩纖維化進(jìn)程，而NAD是PGC-1α磷酸化的重要調(diào)節(jié)因子[10]。5-羥色胺1F受體被發(fā)現(xiàn)是線粒體生物合成的重要調(diào)控因子，在腎缺血再灌注損傷所誘導(dǎo)的AKI及隨后的修復(fù)過程中起重要的保護(hù)作用[11]。腎臟作為人體重要的器官之一，需要大量的能量來維持新陳代謝、血流動力學(xué)穩(wěn)定、酸堿和電解質(zhì)平衡、營養(yǎng)重吸收和激素分泌，而線粒體作為細(xì)胞能量的主要供給來源，其生物合成的穩(wěn)定至關(guān)重要。在AKI后線粒體生物合成功能受損，相關(guān)調(diào)控蛋白、酶及其受體合成受到抑制，導(dǎo)致能量供應(yīng)障礙，并介導(dǎo)其后持續(xù)的細(xì)胞損傷及纖維化進(jìn)展，所以靶向保護(hù)相關(guān)調(diào)控因子的功能將是未來的主要研究方向。

2 線粒體生物動力學(xué)改變

線粒體是一種動態(tài)變化的細(xì)胞器，通過保持分裂融合之間的動態(tài)平衡以適應(yīng)各種應(yīng)激條下生物體內(nèi)能量代謝需求的變化。線粒體動力學(xué)包括線粒體融合和分裂兩個步驟。其中，線粒體融合蛋白1、線粒體融合蛋白2和視神經(jīng)萎縮蛋白1(optic atrophy 1，OPA1)是調(diào)控線粒體融合的關(guān)鍵分子。

線粒體融合由兩個步驟驅(qū)動，外膜融合由線粒體融合蛋白1和線粒體融合蛋白2介導(dǎo)，內(nèi)膜融合由OPA1介導(dǎo)[12]。線粒體分裂則主要由動力相關(guān)蛋白1(dynamic-related protein 1，DRP1)介導(dǎo)，通過在線粒體外膜募集相關(guān)受體并與之結(jié)合形成多聚體從而驅(qū)動分裂執(zhí)行，這些受體包括線粒體動力蛋白49、線粒體動力蛋白51和線粒體裂變因子以及線粒體分裂蛋白1[13]。這一過程被多個磷酸化、泛素化、類泛素化的翻譯位點(diǎn)修飾調(diào)控[14]。

Sirtuins(沉默信息調(diào)節(jié)蛋白)是調(diào)節(jié)細(xì)胞健康的蛋白質(zhì)家族，在調(diào)節(jié)細(xì)胞穩(wěn)態(tài)中起至關(guān)重要的作用。3種組蛋白去乙?；窼IRT3、SIRT4和SIRT5位于線粒體中，并以NAD+依賴的方式調(diào)控線粒體功能。其中，SIRT3被發(fā)現(xiàn)通過激活胞外信號調(diào)節(jié)激酶所調(diào)控的OPA1，促發(fā)線粒體融合并維持線粒體動態(tài)平衡以改善線粒體損傷以及腎小管上皮細(xì)胞凋亡[15]。DRP1介導(dǎo)的線粒體分裂促進(jìn)腎臟成纖維細(xì)胞活化和纖維化形成，在纖維化腎臟中DRP1磷酸化以及組蛋白H3第27位賴氨酸殘基的乙?；斤@著升高，而DRP1抑制劑可改善轉(zhuǎn)化生長因子-β誘導(dǎo)的組蛋白H3第27位賴氨酸殘基的乙?；?，從而抑制成纖維細(xì)胞的活化和增殖[16]。近年研究發(fā)現(xiàn)，腎缺血再灌注損傷后近端腎小管DRP1特異性的缺失可改善進(jìn)行性的腎臟損傷和纖維化，并促進(jìn)上皮細(xì)胞的恢復(fù)[17]。線粒體通過維持分裂與融合兩個對立的生理過程的動態(tài)平衡以保持其功能上的穩(wěn)態(tài)，OPA1和DRP1分別作為線粒體分裂融合的重要功能蛋白，在這一過程中起重要作用，而維持AKI向CKD轉(zhuǎn)變過程中線粒體生物動力學(xué)的穩(wěn)定將有效改善和延緩AKI后的纖維化進(jìn)展。

3 線粒體自噬

線粒體自噬是一種選擇性的自噬形式，可以特異性地清除多余或受損的線粒體。目前主要有兩種被廣泛接受的線粒體自噬途徑，包括泛素依賴機(jī)制和獨(dú)立非泛素依賴機(jī)制。其中，泛素依賴機(jī)制由人第10號染色體缺失的磷酸酶及張力蛋白同源基因誘導(dǎo)激酶 1(phosphatase and tensin homologue deleted on chromosome ten-induced putative kinase 1，PINK1)和parkin E3泛素連接酶(parkin RBR E3 ubiquitin protein ligase，PRKN)共同調(diào)控，獨(dú)立非泛素依賴機(jī)制主要由線粒體外膜上的有絲分裂受體調(diào)控，包括Bcl-2/腺病毒E1B相互作用蛋白3(Bcl-2/adenovirus E1B interacting protein 3，BNIP3)、NIX以及FUN14結(jié)構(gòu)域包含蛋白1(FUN14 domain containing 1，F(xiàn)UNDC1)[18]。

PINK1是線粒體絲氨酸/蘇氨酸激酶，PRKN是胞質(zhì)E3泛素連接酶。在正常情況下，PINK1被組裝后導(dǎo)入線粒體，線粒體加工肽酶去除PINK1的N端線粒體靶向信號后，由早老素相關(guān)菱形蛋白切割PINK1，產(chǎn)生含有激酶結(jié)構(gòu)域的蛋白質(zhì)片段，并將其釋放到細(xì)胞質(zhì)中，然后由PRKN介導(dǎo)該蛋白質(zhì)片段的泛素化，最后通過蛋白酶降解泛素化產(chǎn)物。而在應(yīng)激條件下，線粒體膜電位的喪失阻礙了PINK1進(jìn)入線粒體，導(dǎo)致PINK1積聚在線粒體外膜并通過直接磷酸化PRKN，將PRKN從胞質(zhì)招募到受損的線粒體上，并激活PRKN的活性。被激活的PRKN在線粒體外膜蛋白上構(gòu)建泛素鏈。受泛素標(biāo)記的線粒體隨后被自噬受體蛋白識別，并最終導(dǎo)致線粒體自噬降解[19]。

BNIP3和NIX是定位于線粒體外膜的自噬調(diào)節(jié)蛋白，在缺氧條件下受缺氧誘導(dǎo)因子-1和叉頭框轉(zhuǎn)錄因子O的激活，從而誘導(dǎo)受損線粒體自噬清除[20]。FUNDC1通過連接線粒體與自噬小體以誘導(dǎo)細(xì)胞應(yīng)激狀態(tài)下的線粒體自噬，磷酸化在其調(diào)控過程中起關(guān)鍵作用，而FUNDC1的過表達(dá)被證實(shí)可以促進(jìn)線粒體自噬的發(fā)生[21]。

PINK1-PARK信號通路被證實(shí)在腎纖維化中起保護(hù)作用，在單側(cè)輸尿管梗阻模型成模后第3天開始觀察到顯著的線粒體自噬激活，而PINK1或PARK2的缺失導(dǎo)致了腎臟纖維化程度進(jìn)一步加重[22]。另外，有研究證實(shí)BNIP3介導(dǎo)的線粒體自噬激活在AKI期間線粒體質(zhì)量控制及腎小管細(xì)胞保護(hù)中起關(guān)鍵作用[23]。腎缺血預(yù)處理是延緩AKI后腎小管損傷及腎間質(zhì)纖維化的有效途徑，而FUNDC1介導(dǎo)的線粒體有絲分裂則被證實(shí)與缺血預(yù)處理所介導(dǎo)的AKI后腎保護(hù)作用呈正相關(guān)[24]。因此，自噬作為生物體內(nèi)廣泛存在的一種生物學(xué)現(xiàn)象，其作用的兩面性讓靶向調(diào)控這一過程以治療腎臟疾病面臨挑戰(zhàn)。在AKI向CKD轉(zhuǎn)變的過程中，線粒體自噬似乎對維持線粒體功能起著正向作用，但目前尚沒有特定且有效的線粒體自噬激活劑，故進(jìn)一步探討線粒體自噬的分子機(jī)制及尋找線粒體自噬的調(diào)控因子是未來研究的主要方向。

4 線粒體生物能量學(xué)障礙

腎臟細(xì)胞主要以線粒體產(chǎn)生的ATP供能，而ATP主要依賴于氧化磷酸化通過耦合電子傳遞和質(zhì)子泵轉(zhuǎn)運(yùn)而產(chǎn)生。氧化磷酸化的電子傳遞鏈由線粒體膜上的4個蛋白復(fù)合體以及2個電子移動載體構(gòu)成。電子從糖酵解和三羧酸循環(huán)中的電子載體被轉(zhuǎn)移到泛醌及細(xì)胞色素C，最終轉(zhuǎn)移到O2并形成H2O。這一系列的氧化還原反應(yīng)釋放的能量導(dǎo)致跨線粒體膜的電化學(xué)質(zhì)子梯度產(chǎn)生，并在ATP合成酶的作用下驅(qū)動ATP生成[25]。

當(dāng)存在生物能量供應(yīng)障礙的情況下，細(xì)胞氧化應(yīng)激水平上升，雖然低水平的活性氧類是維持正常細(xì)胞功能必不可少，但病態(tài)高水平的活性氧類可以破壞脫氧核苷酸、蛋白質(zhì)及脂質(zhì)的活性，從而導(dǎo)致電子傳遞受阻，細(xì)胞內(nèi)ATP水平下降，線粒體膜電位喪失并最終導(dǎo)致細(xì)胞死亡[26]。AKI后線粒體功能持續(xù)受損，線粒體生物能量供應(yīng)發(fā)生障礙，其后腎臟的不良適應(yīng)性修復(fù)導(dǎo)致CKD的發(fā)生。

順鉑導(dǎo)致的AKI是CKD已知的獨(dú)立危險因素之一，在順鉑誘導(dǎo)的AKI小鼠模型中，線粒體功能障礙在AKI后的修復(fù)過程中持續(xù)存在，并伴隨超氧化物歧化酶水平的持續(xù)升高，而一種小分子超氧化物歧化酶模擬物GC4419的預(yù)處理顯著減少了小鼠腎臟細(xì)胞內(nèi)線粒體氧化代謝障礙及腎纖維化，這進(jìn)一步證實(shí)了超氧化物介導(dǎo)的線粒體氧化代謝障礙是AKI向CKD進(jìn)展的重要因素[27]。然而，抗氧化劑N-乙酰半胱氨酸被證實(shí)可阻止腎缺血早期近端腎小管上皮細(xì)胞的凋亡，但在長期的修復(fù)過程中其可促進(jìn)間質(zhì)細(xì)胞的增生，增加轉(zhuǎn)化生長因子-β的表達(dá)，并顯著抑制核轉(zhuǎn)錄因子紅系2相關(guān)因子2啟動的細(xì)胞保護(hù)信號。從缺血后長期的適應(yīng)性修復(fù)過程來看，N-乙酰半胱氨酸可能作為一種超氧化物歧化酶的激動劑通過抑制損傷初期的內(nèi)源性細(xì)胞抗氧化反應(yīng)加劇細(xì)胞線粒體氧化代謝功能障礙，從而導(dǎo)致持續(xù)性的腎臟損傷及纖維化進(jìn)展[28]。該研究結(jié)果顯示，單純的抗氧化劑在AKI向CKD轉(zhuǎn)變過程中的作用可能與阻止內(nèi)源性細(xì)胞的保護(hù)反應(yīng)啟動相關(guān)。這表明影響線粒體生物代謝的途徑可能是多樣的，多元的調(diào)控通路及通路之間的串?dāng)_讓靶向調(diào)控線粒體生物能量代謝面臨困難，可能需進(jìn)一步探究AKI向CKD轉(zhuǎn)變中更具針對性的治療靶點(diǎn)。

5 線粒體與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)串?dāng)_

線粒體和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)是兩個互相影響的動態(tài)變化的細(xì)胞器。兩者在多個接觸位點(diǎn)具有結(jié)構(gòu)連續(xù)性，該結(jié)構(gòu)被稱為線粒體內(nèi)質(zhì)網(wǎng)相關(guān)膜。線粒體內(nèi)質(zhì)網(wǎng)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)缺陷或線粒體內(nèi)質(zhì)網(wǎng)相關(guān)膜功能障礙對多種細(xì)胞內(nèi)事件具有多效性，導(dǎo)致線粒體質(zhì)量控制系統(tǒng)Ca2+受到干擾，線粒體穩(wěn)態(tài)失衡，細(xì)胞凋亡，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激和炎癥小體激活，這些均有助于腎臟疾病的發(fā)生和發(fā)展[29]。

激活轉(zhuǎn)錄因子6α是內(nèi)質(zhì)網(wǎng)相關(guān)未折疊蛋白反應(yīng)的轉(zhuǎn)錄因子以及脂肪酸代謝的上游調(diào)節(jié)劑，在AKI后被激活，繼而導(dǎo)致過氧化物酶體增殖物激活受體α表達(dá)下調(diào)，脂肪酸β-氧化活性降低和脂質(zhì)滴的胞質(zhì)積累，從而誘導(dǎo)腎小管炎癥和纖維化[30]。在順鉑誘導(dǎo)的AKI動物模型中，線粒體功能持續(xù)性受損，線粒體DNA通過線粒體外膜內(nèi)小管中的Bcl-2樣蛋白4泄漏到細(xì)胞質(zhì)中，隨后激活環(huán)鳥苷酸-腺苷酸合成酶-干擾素基因刺激因子信號通路并誘導(dǎo)腎小管炎癥,從而促進(jìn)AKI后不良適應(yīng)性修復(fù)[31]。線粒體Ca2+攝入過量導(dǎo)致卵磷酸蛋白過濾功能受損是糖尿病腎病的一個關(guān)鍵特征，而辣椒素被證實(shí)可通過激活瞬時受體電位香草酸亞型1以緩解線粒體功能障礙，減少線粒體相關(guān)膜的形成及阻礙Ca2+從內(nèi)質(zhì)網(wǎng)相關(guān)膜傳遞到線粒體的過程，從而逆轉(zhuǎn)了足細(xì)胞的線粒體功能障礙[32]。這些發(fā)現(xiàn)提示，線粒體-內(nèi)質(zhì)網(wǎng)串?dāng)_的改變有助于腎臟損傷的進(jìn)展。線粒體及內(nèi)質(zhì)網(wǎng)在結(jié)構(gòu)與功能上存在緊密聯(lián)系，因此靶向調(diào)控線粒體-內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的串?dāng)_可能是今后治療AKI后CKD的一個新思路。

6 小 結(jié)

CKD已成為全球增長最快的死因之一，當(dāng)CKD進(jìn)展為終末期腎病時，患者通常需要血液透析及腎臟移植來替代腎臟功能，為患者及社會帶來了極大的負(fù)擔(dān)。因此，早期預(yù)防并治療AKI-CKD轉(zhuǎn)變對保護(hù)腎功能具有重要意義。闡明AKI向CKD轉(zhuǎn)變的分子機(jī)制一直是腎臟研究的熱點(diǎn)，越來越多的研究正在揭示線粒體功能障礙在AKI-CKD轉(zhuǎn)變中的關(guān)鍵作用。線粒體的功能障礙主要由粒體生物合成下調(diào)，線粒體生物動力學(xué)改變，線粒體自噬，線粒體生物能量學(xué)改變以及線粒體-內(nèi)質(zhì)網(wǎng)串?dāng)_等構(gòu)成，但這些過程的具體分子機(jī)制仍需進(jìn)一步研究。在AKI-CKD轉(zhuǎn)變中存在明顯的線粒體功能障礙，并導(dǎo)致AKI后持續(xù)性的不良適應(yīng)性修復(fù)以及CKD的發(fā)生。因此，修復(fù)線粒體功能障礙可能是改善腎損傷，延緩腎纖維化發(fā)展的一個極具潛力的治療靶點(diǎn)，未來需進(jìn)一步研究。