黃雅倩,灑玉萍,李永平

(1.青海大學(xué),青海 西寧810001；2.青海大學(xué)醫(yī)學(xué)院,青海 西寧810001)

大腦是人體高耗氧的器官,對缺氧極為敏感。缺氧是高原環(huán)境的一大特點,高原缺氧尤其是急性缺氧會引起腦組織發(fā)生一系列的病理生理改變,最終引起大腦不可逆性損傷[1]。目前,國內(nèi)外學(xué)者研究證實,缺氧與自噬關(guān)系密切,缺氧會誘導(dǎo)自噬的發(fā)生,尤其是引發(fā)線粒體自噬的發(fā)生[2-4]。神經(jīng)元是高耗能及高代謝細(xì)胞,大腦及神經(jīng)組織中的興奮性氨基酸和神經(jīng)遞質(zhì)代謝后可不斷產(chǎn)生活性氧簇(ROS),ROS的過度累積易引起線粒體自噬,因此,線粒體自噬的發(fā)生對維持正常神經(jīng)元功能起著重要的作用。本文主要對線粒體自噬在高原缺氧性腦損傷中的作用機制研究進行綜述,以期為相關(guān)領(lǐng)域的研究提供參考。

1 缺氧信號和線粒體

目前,缺氧誘導(dǎo)因子1(HIF-1)被認(rèn)為是適應(yīng)缺氧最重要的調(diào)節(jié)因子。HIF-1是一種由受缺氧誘導(dǎo)的亞基HIF-1α和組成性表達(dá)的亞基HIF-1β組成的異質(zhì)二聚體復(fù)合體。HIF-1β亞基不受氧濃度的影響,可在細(xì)胞中穩(wěn)定表達(dá)；HIF-1α亞基因其含有一個氧依賴降解區(qū),故受到氧的嚴(yán)格調(diào)控[5]。常氧條件下,HIF-1α蛋白被迅速降解,HIF-1復(fù)合物的轉(zhuǎn)錄活性極低；低氧條件下,HIF-1α蛋白穩(wěn)定表達(dá),并在細(xì)胞核內(nèi)與HIF-1β相互作用以促進轉(zhuǎn)錄活性,通過調(diào)節(jié)促紅細(xì)胞生成素、血管內(nèi)皮生長因子等在內(nèi)的下游靶基因的轉(zhuǎn)錄,從而應(yīng)對氧化應(yīng)激。線粒體作為細(xì)胞內(nèi)的關(guān)鍵細(xì)胞器,決定細(xì)胞的生存和死亡,一方面,其是細(xì)胞的“能量工廠”,通過電子傳遞鏈與線粒體內(nèi)膜的氧化磷酸化的偶聯(lián)作用產(chǎn)生三磷酸腺苷(ATP)；另一方面,其可啟動細(xì)胞凋亡,使其更好地適應(yīng)生存環(huán)境。因此,及時清除受損、衰老或過量產(chǎn)生的ROS線粒體對維持正常的細(xì)胞活動狀態(tài)至關(guān)重要。在缺氧條件下,線粒體是激活HIF-1α的氧傳感器,生成的ROS可影響HIF-1α及缺氧基因的生成和活性,并通過HIF-1信號途徑誘導(dǎo)線粒體自噬的發(fā)生[2]。

2 線粒體自噬的概念

2005年,LEMASTERS J J等[6]為了強調(diào)線粒體發(fā)生自噬具有選擇性這一特點,首次提出“線粒體自噬”的概念,其是利用自噬活動選擇性清除受損線粒體的機制,線粒體自噬的發(fā)生是對自身質(zhì)量的把控。

3 缺氧誘導(dǎo)線粒體自噬

3.1 線粒體自噬在高原缺氧腦損傷中的激活 低氧條件會導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)的能量大量消耗,而線粒體作為機體的主要供能場所,在缺氧性腦損傷的生理病理過程中起著重要的作用。缺氧會引發(fā)一系列缺血級聯(lián)反應(yīng),它們同時發(fā)生并相互作用,線粒體的變化在神經(jīng)元應(yīng)對缺氧的反應(yīng)中起著關(guān)鍵的作用[7]。缺氧會誘導(dǎo)線粒體自噬的發(fā)生,從而選擇性清除功能障礙及不必要的線粒體,對維持自身穩(wěn)態(tài)及提高細(xì)胞存活率至關(guān)重要[8]。高原低壓缺氧易引起高原腦水腫,嚴(yán)重時可導(dǎo)致不可逆性的腦組織損傷[9]。研究發(fā)現(xiàn),氧化應(yīng)激損傷及炎癥反應(yīng)可能是高原腦水腫發(fā)生的最主要的兩個因素[10]。

(1)氧化應(yīng)激過度激活 氧化應(yīng)激是引發(fā)細(xì)胞凋亡的有力機制,而線粒體是氧化應(yīng)激的重要靶點,缺氧會導(dǎo)致線粒體功能降低[11]。研究發(fā)現(xiàn),腦神經(jīng)元對氧化應(yīng)激反應(yīng)十分敏感,是導(dǎo)致腦神經(jīng)元死亡的重要因素[12]。大腦缺氧后,線粒體氧化磷酸化發(fā)生障礙,ATP生成減少,無法達(dá)到維持離子泵活性的水平,依賴ATP的Na＋-K＋-ATP酶功能障礙,導(dǎo)致細(xì)胞膜的離子梯度被破壞并發(fā)生去極化,刺激Ca2＋相關(guān)通道開放,Ca2＋內(nèi)流增多；線粒體及內(nèi)質(zhì)網(wǎng)對Ca2＋的阻滯作用降低、谷氨酸受體的啟動增加等影響均使Ca2＋內(nèi)流增多,上述過程均可導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)Ca2＋超載損傷[13]。此外,通過線粒體膜通透性轉(zhuǎn)換孔的電子流減少,大量ROS生成,ROS與生物分子相互作用并損傷細(xì)胞內(nèi)的各種成分,如脫氧核糖核酸(DNA)、核糖核酸(RNA)、蛋白質(zhì)及脂質(zhì)等,改變細(xì)胞結(jié)構(gòu)和功能,引起神經(jīng)元的氧化應(yīng)激損傷、凋亡及壞死[14]。研究表明,氧化應(yīng)激及線粒體自噬在維護機體穩(wěn)態(tài)中存在相互作用關(guān)系,白藜蘆醇通過激活SIRT3/AMPK信號通路可增強線粒體自噬水平,從而減輕單核巨噬細(xì)胞(RAW 264.7)受氧化應(yīng)激誘導(dǎo)的細(xì)胞毒性的影響[15]。在氧化應(yīng)激下,活性氧通過激活PINK1/Parkin通路介導(dǎo)的線粒體自噬可清除受損線粒體,并減緩細(xì)胞衰老[16]。由此可見,機體氧化應(yīng)激與線粒體自噬的調(diào)節(jié)是相互的,機體遭受氧化應(yīng)激損傷后可增強線粒體自噬程度,相反,線粒體自噬又可在一定程度上調(diào)節(jié)抗氧化水平,共同起到維護細(xì)胞內(nèi)穩(wěn)態(tài)的作用。

(2)炎癥反應(yīng) 炎癥反應(yīng)是一種非特異性的免疫反應(yīng),是高原缺氧性腦損傷病理進程中的重要環(huán)節(jié)。缺氧后,全身炎癥通過破壞血腦屏障的通透性、激活小膠質(zhì)細(xì)胞及增強水通道蛋白4的表達(dá),從而加重腦損傷[17]。腦組織長時間暴露在低壓低氧環(huán)境下,促炎因子上調(diào),腫瘤壞死因子-α(TNF-α)、干擾素-γ(IFN-γ)、白細(xì)胞介素-1β(IL-1β)及白細(xì)胞介素-6(IL-6)等刺激炎癥細(xì)胞釋放更多的炎癥因子及潛在的細(xì)胞毒性物質(zhì),進一步破壞血腦屏障和細(xì)胞外基質(zhì),加重腦組織損傷[18-19]。研究表明,調(diào)節(jié)線粒體的結(jié)構(gòu)及功能可影響機體炎癥的發(fā)展進程。氧化應(yīng)激是炎癥反應(yīng)的重要機制,而線粒體是氧化應(yīng)激的重要靶點,因此線粒體與機體炎癥反應(yīng)關(guān)系密切。

3.2 與缺氧有關(guān)的線粒體自噬相關(guān)蛋白 缺氧激活的線粒體自噬多是以一種保護機制而存在,這一過程的發(fā)生依賴自噬蛋白。目前的研究發(fā)現(xiàn),哺乳動物中,BNIP3(Bcl-2/adenovirus E1B-19 k Da-interacting protein 3)、BNIP3L(BNIP3-like)及FUNDC1蛋白與低氧誘導(dǎo)的線粒體自噬關(guān)系密切[20]。

(1)BNIP3/BNIP3L BNIP3及其同源物BNIP3L/Nix是僅含BH3結(jié)構(gòu)域的Bcl-2亞家族中的成員,定位于線粒體和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)內(nèi),兩者氨基酸序列同源性為56%,在線粒體中,BNIP3及Nix的BH3結(jié)構(gòu)域可抑制抗凋亡Bcl-2蛋白的功能[21]。BNIP3及Nix是直接受HIF-1轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)的一組靶基因,HIF-1激活下游基因轉(zhuǎn)錄的自噬信號,促進線粒體自噬清除受損線粒體。在缺氧條件下,BNIP3及Nix表達(dá)增加并與Beclin-1競爭結(jié)合Bcl-2,提高自由Beclin-1水平,觸發(fā)線粒體自噬,減少ROS產(chǎn)生及促凋亡因子的釋放,防止細(xì)胞死亡,以此適應(yīng)缺氧[22]。此外,BNIP3及Nix都包含相同的N端LIR(LC3相互作用域),絲氨酸殘基17和24的磷酸化作用促進BNIP3和哺乳動物的微管相關(guān)蛋白1輕鏈3(LC3)的相互作用,加快線粒體降解和自噬[23]。目前,BNIP3及Nix在缺氧條件下激活的線粒體自噬對細(xì)胞的保護作用仍有待進一步研究。

(2)FUNDC1 FUNDC1是缺氧誘導(dǎo)的一種線粒體自噬受體,可通過N端的LIR序與LC3結(jié)合,募集自噬體并誘發(fā)線粒體自噬[24]。正常情況下,FUNDC1的LIR序列中的18位酪氨酸(Tyr18)被SRC激酶磷酸化,絲氨酸13(Ser13)被酪蛋白激酶2(CK2)磷酸化,FUNDC1的活性因此被控制。在缺氧或線粒體解偶聯(lián)反應(yīng)中,SRC被滅活,Ser13被磷酸甘油酸變位酶5(PGAM5)去磷酸化,激活LIR序與LC3結(jié)合[25]。因此,PGAM5可使FUNDC1去磷酸化,轉(zhuǎn)化缺氧信號,誘導(dǎo)FUNDC1介導(dǎo)的線粒體自噬。研究發(fā)現(xiàn),線粒體自噬在高原缺氧性腦損傷過程中受LC3及Beclin 1的調(diào)節(jié)[26]。

4 討論

缺氧致腦組織損傷是一個復(fù)雜的過程,涉及的損傷機制較為廣泛。目前,缺氧誘導(dǎo)的線粒體自噬機制主要包括：HIF-1激活BNIP3/NIX介導(dǎo)的通路誘導(dǎo)線粒體自噬、線粒體自噬受體FUNDC1的可逆性磷酸化激活的自噬、ROS導(dǎo)致的氧化應(yīng)激誘導(dǎo)的線粒體自噬。這些機制之間是否還存在某種相互作用或關(guān)系,仍有待進一步研究。目前,相關(guān)學(xué)者對缺氧致腦組織損傷的相關(guān)病理過程研究已比較深入,但相關(guān)的損傷機制、相關(guān)的信號通路、損傷機制及相關(guān)信號通路之間的關(guān)系仍不是很明確,仍需要進行大量研究,這將有助于為高原缺氧性腦損傷的治療提供更為明確的思路和方向。