王鹤璇，马静萍

线粒体自噬机制及其在脑缺血再灌注损伤中的研究进展

王鹤璇1，马静萍2

摘要：线粒体作为真核细胞中一种重要的细胞器，对维持代谢平衡、钙稳态及调节氧化应激起着重要作用。线粒体自噬与脑缺血再灌注损伤密切相关。脑缺血再灌注损伤是复杂的病理生理过程，这一过程致线粒体功能严重受损，机体清除受损线粒体，维持线粒体功能就显得尤为重要。本研究就线粒体自噬的发生机制及其在脑缺血再灌注中的作用进行综述，为临床治疗脑缺血再灌注损伤提供诊疗思路。

关键词：缺血性脑卒中；线粒体自噬；脑缺血再灌注损伤；综述

作者单位：1.山西医科大学(太原 030000)；2.山西医科大学第一医院

通讯作者马静萍，E-mail：mjp6358@163.com

引用信息王鹤璇，马静萍.线粒体自噬机制及其在脑缺血再灌注损伤中的研究进展[J].中西医结合心脑血管病杂志，2021，19(14)：2361-2363.

doi：10.12102/j.issn.1672-1349.2021.14.012

缺血性脑卒中是世界范围内致死及致残的主要原因[1]。随着社会人口老龄化的进展，脑卒中的发病率越来越高，对病人和社会产生了严重的负面影响，目前通过再灌注的过程迅速恢复缺血部位的血流以尽可能减少脑损伤，临床上多以尿激酶、阿替普酶等药物溶栓以及采用机械拉栓取栓为主要治疗手段[2-3]。然而，再灌注可能进一步促进氧化应激和炎症所致的损伤，导致神经元继发性损伤，再灌注所引发的脑损伤即为脑缺血再灌注(I/R)损伤，其所致的脑损伤不可忽视。近年来，随着线粒体自噬的研究，其在脑缺血再灌注损伤中的作用越来越受到重视。本研究就线粒体自噬在脑缺血再灌注损伤中作用机制的相关研究进行综述，为临床治疗脑缺血再灌注损伤提供进一步诊疗思路。

1 自噬与线粒体自噬

自噬是一种应激性适应性反应，是一个高度调控的过程，通过溶酶体系统降解细胞中大量的细胞质大分子和细胞器维持细胞稳态。线粒体自噬是一种自噬的形式，是目前唯一已知选择性清除线粒体的途径。2005年Lemasters[4]首次描述了线粒体自噬，认为是一种自噬反应，是线粒体通过自噬对过量或受损线粒体的选择性降解，是线粒体质量控制维持细胞正常功能的重要机制。通过线粒体自噬高效清除受损线粒体，对维持线粒体代谢稳态、能量供应及细胞存活起着重要作用[5]。

2 线粒体自噬调控通路

2.1 PTEN诱导性激酶蛋白1(PINK1)/E3泛素连接酶(Parkin)信号通路 起初研究发现在帕金森病人脑部存在PINK1和Parkin突变，并存在功能障碍受损的线粒体大量堆积，由此开始其与线粒体质量控制的相关研究[6]。PINK1位于线粒体外膜，是一种丝氨酸/苏氨酸激酶，Parkin主要位于胞浆[7]。PINK1为Parkin上游因子，当线粒体膜电位降低，PINK1在线粒体外膜聚集，磷酸化泛素促使Parkin与其结合，将Parkin募集至受损线粒体[8]。Parkin转位后可泛素化线粒体外膜蛋白，招募接头蛋白，其中包括NDP52、OPTN、SQSTM1/P62和NBR1[9]。

2.2 腺病毒E1B 19 kDa蛋白相互作用蛋白3(BNIP3)/NIX介导的线粒体自噬BNIP3样(BNIP3L)也称为NIX，定位于线粒体膜外，Bcl-2/BNIP3是一种非典型的促凋亡蛋白，是Bcl-2蛋白家族的成员[10]。二者均由缺氧诱导线粒体自噬的发生。BNIP3/NIX诱导的线粒体自噬可不依赖于PINK1/Parkin途径发挥作用[11]。BNIP3在心脏、肌肉及肝脏中表达丰富，而NIX多表达于造血系统中，NIX介导的线粒体自噬在红细胞正常分化过程中起重要作用[12-13]。BNIP3和NIX是低氧诱导因子1(HIF-1)的下游靶基因，低氧条件下HIF-1能通过上调BNIP3及NIX的表达激活线粒体自噬[14-15]。BNIP3可通过两种方式诱导线粒体自噬发生。一是能通过其BH3结构域调控自噬的核心蛋白Beclin-1竞争性与Bcl-2结合，诱导Beclin-1的释放，进而激活自噬发生[14-15]。二是BNIP3的N端具有LIR序列可识别自噬膜蛋白微管相关蛋白1轻链3(LC3)，与LC3直接结合诱导线粒体自噬[16-17]。

2.3 FUN14结构域蛋白1(FUNDC1)受体介导的线粒体自噬 FUNDC1 定位于线粒体外膜，缺氧条件下可诱导线粒体自噬发生[18]。低氧条件下LC3可通过LIR序列与之结合。在正常生理条件下，FUNDC1的Ser13位点被酪蛋白激酶Ⅱ(casein kinase Ⅱ，CK2)磷酸化、Tyr18位点被肉瘤病毒基因(sarcoma gene，SRC)受体激酶磷酸化，以抑制其与LC3的相互作用，抑制线粒体自噬。在线粒体膜电位丧失或缺氧条件下，磷酸甘油酸变位酶5(phosphoglycerate mutase 5，PGAM5)与FUNDC1发生明显的相互作用，而CK2和SRC激酶与FUNDC1分离，从而导致FUNDC1去磷酸化，激活线粒体自噬，FUNDC1的第17位丝氨酸被UNC-51样激酶(ULK1)磷酸化，诱导线粒体自噬[18-19]。此外，FUNDC1可与DNM1L/DRP1和OPA1相互作用结合调控线粒体融合分裂。在线粒体应激条件下， FUNDC1-OPA1复合体解离，同时招募DNM1L到线粒体。鱼藤酮可通过FUNDC1受体通路诱导线粒体自噬的发生清除受损线粒体减弱其细胞毒性，FUNDC1基因敲除抑制线粒体自噬增强鱼藤酮的细胞毒性[20]。

3 线粒体自噬与脑缺血再灌注损伤

脑缺血再灌注损伤是一系列复杂的病理过程，包括氧自由基损伤、钙离子超载、兴奋性氨基酸的神经毒性、炎症因子释放、血脑屏障破坏等[21-22]。上述一系列病理反应可造成线粒体损伤、功能紊乱。线粒体是细胞存活的关键调节因子，神经元在钙信号和腺苷三磷酸(ATP)的产生依赖于线粒体，使得其对脑缺血时缺血缺氧更加敏感。因此，在脑缺血再灌注损伤中线粒体损伤、功能紊乱是造成神经细胞死亡的重要原因。线粒体自噬是一把双刃剑，研究表明上调线粒体自噬水平具有神经细胞保护作用，而过度的及低水平的线粒体自噬导致细胞死亡[23]。

3.1 能量代谢障碍 线粒体是能量代谢和氧化性代谢的中心和主要来源。脑缺血期由于氧气和葡萄糖的供应受限，严重限制线粒体功能，再灌注后，虽然葡萄糖和氧气恢复，但缺血期能量代谢的损害仍会存在于一些组织，这些组织将会梗死，线粒体功能损害是代谢改变的主要原因之一[24]。在脑缺血期间，能量代谢失衡，如天门冬氨酸随谷氨酸浓度增加，谷氨酸分解代谢增强，进一步导致线粒体能量代谢障碍[25]。缺血性脑卒中后梗死中心区域的细胞常发生不可逆损伤，但在梗死区边缘这个区域的细胞损伤是可逆的，部分缺血程度较轻的神经细胞出现功能损伤，可能未出现能量代谢障碍，在脑缺血再灌注损伤中，随着缺血时间的延长，ATP、谷胱甘肽和超氧化物歧化酶水平降低，能量不足及损伤程度都随着缺血时间延长而加重[26]。在缺血1 h再灌注组中，线粒体脱偶连蛋白2(UCP2)的表达水平和SRIT3的活性较高，提示二者可能参与脑缺血再灌注中能量代谢的调节[26]。

3.2 线粒体内钙的累积 当缺血再灌注发生时，细胞内能量不足，较低的ATP水平降低了能量依赖的Na+-K+-ATP酶的活性，导致胞内Na+增加[27]。Na+-Ca2+离子交换可补偿细胞内Na+浓度的降低，为了维持膜电位，离子交换的补偿导致细胞内Ca2+浓度升高，致使大量Ca2+在线粒体超量聚积，Ca2+过度聚集增强细胞器对凋亡刺激敏感性，致线粒体损伤和功能障碍[28]。细胞内Ca2+浓度升高，使得钙调蛋白(CaM)与Ca2+结合增多，形成的复合物引起5-羟色胺(5-HT)、去甲肾上腺素(NA)等血管收缩因子释放，致脑血管痉挛，反而进一步加重脑部缺血缺氧[29]。短暂脑缺血后，线粒体暴露于高浓度Ca2+中，线粒体功能受损再灌注期间会进一步损害脑能量代谢、释放细胞色素C、增加活性氧(ROS)的产生；再灌注期间，神经线粒体暴露于高浓度Ca2+中，兴奋性神经递质谷氨酸与其受体结合对线粒体摄取Ca2+产生重要影响[30]。钙超载可促使兴奋性氨基酸(EAA)如谷氨酸等大量生成，在谷氨酸兴奋性毒性作用中，Ca2+又可通过NMDA型离子型谷氨酸受体和其他途径，包括电压门控Ca2+通道转入细胞质形成恶性循环[31-33]。此外，在神经元中肌浆网钙泵(SERCA)可吸收Ca2+并通过三磷酸肌醇(IP3Rs)和ryanodine受体(RyRs)释放存储的Ca2+[34]。Ca2+超载还会使线粒体渗透性改变，引起线粒体通透性转换孔(MPTP)开放，致膜电位崩溃、离子稳态失衡、能量衰竭[35]。及时清除受损线粒体，维持线粒体功能对神经细胞的生存至关重要[36]。

3.3 氧化应激过度激活 脑缺血后，血流的迅速减少致缺氧缺糖，从而引起线粒体结构异常，其氧化磷酸化功能障碍，再灌注期间由于氧供的迅速恢复所产生的氧化应激导致线粒体损伤[37]。在生理条件下，ROS被控制在较低水平。氧化应激反应条件下ROS生成增多，超出细胞自身清除能力可进一步氧化应激及激活随后的多种细胞死亡通路[38]。ROS可以通过氧化MPTP上的硫醇而诱导MPTP开放，过高的ROS持续累积导致MPTP持续开放，致线粒体肿胀、启动线粒体自噬体形成[39]。如Wei等[40]研究表明，镉离子致脑组织ROS过量，并发现脑组织中线粒体膜电位(mitochondrial membrane potential，MMP)被破坏，蛋白PINK1及LC3-Ⅱ/LC3-Ⅰ比例增高，线粒体自噬体形成，表明线粒体自噬激活，而清除ROS后MMP恢复，蛋白PINK1表达抑制，LC3-Ⅱ/LC3-Ⅰ比例降低，证明了ROS可通过PINK1/Parkin通路调节镉诱发线粒体自噬。可见，氧化应激与线粒体自噬的调节对内环境稳态有一定作用[41]。

4 小 结

线粒体是脑缺血再灌注损伤重要的靶向细胞器，及时清除受损线粒体对保护神经细胞维持正常神经功能至关重要。神经元存活的关键取决于线粒体结构和功能，维持线粒体完整性和消除受损的线粒体是防止广泛的线粒体功能障碍、氧化应激和细胞死亡的重要途径。线粒体自噬在维持细胞内环境平衡和功能方面起着关键作用。缺血性脑卒中的发病率逐年升高，改善病人预后及提高生活质量刻不容缓。未来应进一步研究线粒体自噬在脑缺血再灌注不同阶段中的变化及其发挥的作用，为临床治疗缺血性脑卒中提供新思路。

(收稿日期：2020-06-24)

(本文编辑 王丽)