谭诗旖，陈 适

(湖南师范大学医学院, 湖南 长沙 410006)

线粒体能产生用于各种生理反应的活性氧(reactive oxygen species, ROS)，但当过量ROS产生时，线粒体功能发生障碍，继而使机体罹患多种疾病。线粒体自噬能够选择性地清除受损的线粒体，对生命体内线粒体质量进行调控。许多研究表明，线粒体自噬可能与肺部疾病发生发展有关。本文对线粒体自噬在常见肺部疾病中的作用展开综述。

1 线粒体功能障碍与线粒体自噬

线粒体在供应细胞能量、维持细胞基础代谢和钙稳态、调节细胞死亡程序等方面都发挥着重要的作用。线粒体功能障碍是指由于各种不利条件引起的线粒体损伤，如能量供应过程受损、线粒体膜电位下降、线粒体ROS增加， 进而导致细胞死亡或引起机体的炎性反应等[1]。而线粒体自噬作为选择性自噬的重要形式之一，可选择性地去除受损的线粒体。从酵母到哺乳动物的许多模型，都已表明线粒体自噬为控制线粒体质量的重要途径[2]。

2 线粒体自噬途径的概述

PTEN诱导假定激酶1(PTEN induced putative kinase 1, PINK1)是一种丝氨酸/苏氨酸激酶。正常情况下，PINK1以N-末端线粒体靶向序列通过线粒体的外膜转位酶-内膜转运酶复合物进入线粒体，被蛋白酶水解切割后降解。PARKIN作为一种E3泛素(ubiquitin, Ub)连接酶，能够泛素化多种底物。PARKIN活性在正常条件下被抑制。这是由于：1)PARKIN中的阻遏元件REP蛋白遮挡了活性结构域RING1，阻止PARKIN结合E2-Ub-Ub转移所需的缀合酶；2)RING0-RING2之间的相互作用阻止催化位点的进入[3]。

线粒体自噬对线粒体有如下要求[4]：1)线粒体裂变产生可被吞噬大小的线粒体；2)线粒体被线粒体自噬相关蛋白识别以启动自噬体的形成；3)被标记的线粒体可被自噬体吞噬。

线粒体自噬的发生过程可分为以下几个阶段[5]：1)应激条件下，PINK1在线粒体表面积累；2)PINK1积累后磷酸化PARKIN。磷酸化有两种方式：PINK1磷酸化PARKIN的N末端Ub1结构域的S65激活PARKIN；PINK1通过在等效残基处 Ub磷酸化间接激活PARKIN；3)PARKIN激活后介导泛素化反应过程。首先泛素化线粒体融合蛋白1和线粒体融合蛋白2使线粒体裂变；其次泛素化多种底物蛋白，并优先选择外部线粒体膜蛋白；4)PARKIN泛素化相关蛋白后诱导自噬体形成；5)自噬体与溶酶体形成自噬溶酶体，降解线粒体。

3 线粒体自噬与肺部疾病

3.1 特发性肺纤维化(idiopathic pulmonary fibrosis, IPF)

IPF是一种进行性的慢性间质性肺部疾病，其特征是细胞外基质沉积增强、肺泡上皮反复损伤，最终导致肺部纤维化甚至机体死亡[6]。IPF的病死率在全球稳步上升，且与年龄增长呈正相关[7]，提示衰老可能是特发性肺纤维化的危险因素，但具体发病机制仍不清楚。

在以肺成纤维细胞(lung fibroblasts, LF)为模型的实验中，线粒体自噬不足导致ROS增加，增强了LF的分化继而形成成纤维细胞灶(fibroblastic foci, FF)。具体机制可能是由于PARKIN表达减少抑制了线粒体自噬，从而激活血小板衍生生长因子受体/磷脂酰肌醇3激酶/蛋白激酶信号通路，导致LF分化增殖，进一步形成FF，加重肺纤维化。同样，减少PINK1的表达也可通过同样途径加重肺纤维化，但效应比PARKIN弱[7]。

在IPF肺部模型中发现Ⅱ型肺泡上皮细胞(type Ⅱ alveolar epithelialcells, AECⅡs)也有PINK1表达下降的现象，这可能是由于随年龄的增大，内质网(endoplasmic reticulum, ER)应激损害作用增强，导致AECⅡs中PINK1的转录阻遏物-转录激活因子3的表达增加。另一方面，ER应激下，PINK1缺陷型的AECⅡs具有增加促纤维化因子转化生长因子-β(transforming growth factor-β, TGF-β)表达的功能[9]，提示PINK1激活剂可能对IPF有潜在治疗作用。相反，从IPF肺中分离出的肺泡巨噬细胞(alveolar macrophages, AMs)表现出线粒体自噬水平增加。通过Akt-/-Lyz2-cre小鼠发现，IPF中AMs通过激活蛋白激酶B α(protein kinase B α, Akt 1)导致线粒体自噬水平增加，从而防止AMs凋亡。AMs通过激活Akt 1蛋白产生线粒体H2O2来稳定释放额外的TGF-β，促进局部LF的活化和增殖。实验表明，在Lyz2-cre小鼠模型中，阻断AMs中的线粒体自噬可以预防博来霉素诱导的肺纤维化[10]。

3.2 慢性阻塞性肺疾病(chronic obstructive pulmonary disease, COPD)

COPD是一种炎性疾病，其特征为持续的气流受限[11]。香烟烟雾(cigarette smoke, CS)暴露是COPD的主要危险因素。CS含有高浓度的ROS，因此在促进COPD氧化应激中起主要作用。氧化应激会引起炎性反应并致细胞衰老，这是该疾病的另一个主要特征[12]。在COPD模型中，CS会引起线粒体相关蛋白稳态失衡，从而激活PINK1/PARKIN介导的线粒体自噬，影响肺上皮细胞的线粒体质量[13]，提示CS致COPD与线粒体自噬相关。值得注意的是，在线粒体自噬中，随着多聚泛素链的形成，电压依赖性阴离子通道1(voltage-dependent anion channel protein 1, VDAC1)的分子质量变化似乎与PINK1的水平升高相关，提示VDAC1参与了PINK1/PARKIN依赖性线粒体自噬[14]。

线粒体自噬在COPD中对细胞坏死具有潜在调节作用。PINK1可调节受体相互作用蛋白激酶3(receptor interacting protein kinase 3, RIPK3)，而RIPK3可进一步与受体相互作用蛋白激酶1以及COPD中的混合谱系激酶结构域样假激酶作用，从而共同诱导COPD中的细胞坏死[1]。同时，当抑制PINK1时，可抑制线粒体自噬并增加线粒体ROS产生，导致CS暴露的原代人支气管上皮细胞的细胞衰老增加[15]，表明PINK1在CS致COPD中起着至关重要的作用。

不仅如此，线粒体自噬也可控制炎性反应。过高或过低的线粒体自噬水平可导致线粒体DNA异常降解，其中未被清除的线粒体DNA会引起Toll样受体9(Toll-like receptor 9, TLR9)介导的炎性反应。衰老相关分泌表型因子 (senescence-associated secretory phenotype, SASP)也可通过TLR9信号通路激活炎性反应，在COPD患者中发现，SASP分泌异常加速细胞衰老。提示线粒体自噬引发的TLR9介导的炎性反应可能是戒烟后机体仍会存在持续性炎性反应的原因之一，SASP的异常分泌也可能解释了COPD中炎性反应与细胞加速衰老的关系[16]。

3.3 肺动脉高压(pulmonary hypertension, PH)

PH是一种以肺血管阻力持续增加为特征的综合征，临床表现为进行性运动呼吸困难，通常伴有疲惫。由于临床表现缺乏特异性，导致其诊断迟、难治疗、预后差，并经常导致右心衰竭和死亡[17-18]。

线粒体功能障碍可能为PH发病机制之一：一方面，在诱导PH的小鼠模型中，发现线粒体畸形，复合体Ⅰ和Ⅲ、Ⅺ表达降低，锰超氧化物歧化酶表达降低，使代谢途径从氧化磷酸化转向糖酵解，为肺内皮细胞(endothelial cell, EC)增殖提供了基础；另一方面，在诱导PH的大鼠模型中，发现复合物Ⅱ及其产生的ROS增加，导致了血管扩张性一氧化氮的损失，加剧了PH发展[19]。

PH中不对称二甲基精氨酸(asymmetrical dimethyl larginine, ADMA)循环水平升高，ADMA通过增加解偶联蛋白2(uncoupling protein2, UCP2)的蛋白水平来诱导线粒体功能障碍。反之，当EC缺乏UCP2时，PINK1和PARKIN的水平随之增加，线粒体自噬水平升高，进而加速了PH的进展，其具体机制可能为线粒体自噬水平升高，导致过氧化物酶体增殖物激活受体γ共激活因子-1α(peroxisome proliferative-activated receptor-γ activation of auxiliary factor1α, PGC-1α)水平降低，进一步导致线粒体生物合成不足和细胞凋亡，最终致右心室收缩压升高和右心室肥大而加重PH[20-21]。

3.4 急性肺损伤(acute lung injury, ALI)/高氧性急性肺损伤(hyperoxia-induced acute lung injury, HALI)

ALI的特征为弥漫性肺泡损伤、肺水肿形成、中性粒细胞衍生炎性反应等。ALI是脓毒症常见且最早并发症之一，其反应可能会驱动其他靶器官(如肝脏和肾脏)的功能障碍[22]。因此，着重对肺部保护对于改善脓毒症的病死率和多器官衰竭可能至关重要。

丝裂原活化蛋白激酶激酶3(MAP kinase kinase 3, MKK3)可调节线粒体自噬来介导对脓毒症的易感性：MKK3缺乏可通过增强组蛋白去乙酰化酶的活性来增加线粒体自噬的水平，继而对脓毒症起到保护作用。提示MKK3抑制剂可能成为治疗脓毒症的新靶点[23]。HALI是ALI在高浓度氧疗中最典型的并发症。PINK1/PARKIN介导的线粒体自噬中，炎性小体NLRP3基因缺陷可增强对高氧性急性肺损伤的抵抗性，可能是由于NLRP3可诱导PINK1表达增大，进而线粒体自噬水平提高。但当抑制PINK1表达时，NLRP3对线粒体自噬无影响[24]。反之，在NLPR3缺乏时，PINK1可通过优化Parkin-PARIS-PGC-1α的相互作用。PARIS是一种新发现的可与PARKIN相互作用的底物蛋白，当PARKIN分解PARIS，可诱导PGC-1α表达增加并促进线粒体生物合成以抵抗高氧对机体产生的损伤[25]。

由于ALI的病因多种多样，线粒体自噬发挥保护或有害作用取决于其损伤的类型。大多数情况下线粒体自噬可保护机体，如上述在脓毒症或高氧等情况。但在某些条件下，线粒体自噬在ALI中也可发挥有害作用。在甲型流感病毒诱导的AIL模型中，敲除线粒体自噬相关蛋白——肺上皮自噬基因相关蛋白5可降低甲型流感病毒复制率和病死率[26]。因此，进一步探究ALI的各种损伤类型中线粒体自噬的作用是治疗ALI的关键。

4 问题与展望

本课题组主要从事自噬在矽肺病发生发展过程中的作用及机制研究。前期研究发现，矽尘可导致矽肺患者肺泡巨噬细胞溶酶体损伤，自噬降解发生障碍[27]。通过改善自噬流，增强自噬水平，可减轻小鼠肺泡巨噬细胞凋亡、炎性反应和肺纤维化[28]。但线粒体自噬对于矽肺的作用和发病机制仍有待研究。

虽然许多研究表明线粒体自噬参与肺部疾病的发生发展，但是仍存在一些有待解决的问题：肺部疾病出现线粒体自噬水平异常的发生机制是什么？不同类型的肺细胞中线粒体自噬的驱动信号通路对肺部疾病的影响是否有差异？线粒体自噬与肺部细胞凋亡的相互作用及机制如何？对于这些问题，未来仍需深入探讨线粒体自噬的功能和发生机制，寻找相关启动基因，以及线粒体自噬抗肺部疾病的新靶点，以期为治疗或延缓肺部疾病的发生发展提供新的实验和理论依据。