張 麗，何 俊，金 虹，賈 栗，郭家彬

(中國人民解放軍疾病預(yù)防控制中心，北京 100071)

線粒體是細(xì)胞內(nèi)能量的主要來源，也是細(xì)胞生長、分化以及信息傳遞的重要場所。線粒體是藥物毒性作用的重要靶位，大量研究提示線粒體氧化應(yīng)激是許多藥物毒性重要的毒性機(jī)制[1]。線粒體功能調(diào)控是一個(gè)復(fù)雜的過程，受到多條毒性通路的調(diào)控。毒性通路是指在機(jī)體受到化學(xué)物充分干擾時(shí)會(huì)導(dǎo)致有害健康效應(yīng)的細(xì)胞信號(hào)通路，即化學(xué)物暴露達(dá)到一定的濃度，對(duì)生物信號(hào)通路產(chǎn)生擾動(dòng)作用，當(dāng)這種擾動(dòng)達(dá)到一定程度時(shí)產(chǎn)生不良效應(yīng)甚至死亡[2]。近年來，隨著人們對(duì)線粒體氧化應(yīng)激及其機(jī)制的了解和深入研究，線粒體氧化應(yīng)激通路備受關(guān)注。越來越多的研究提示，血紅素加氧酶-1(heme oxygenase-1，HO-1)和過氧化物增殖體激活受體γ(PPARγ)共激活因子-1α(PGC-1α)在線粒體氧化應(yīng)激損傷中發(fā)揮重要作用[3-4]。基于線粒體氧化應(yīng)激在藥物毒性中的重要作用以及毒性通路在線粒體毒性的關(guān)鍵地位，本文綜述了重要的抗氧化通路HO-1/PGC-1a在線粒體氧化應(yīng)激中的作用，從HO-1/PGC-1α通路的功能與調(diào)控、氧化應(yīng)激對(duì)HO-1/PGC-1α通路的影響、HO-1/PGC-1α通路如何調(diào)節(jié)線粒體抗氧化能力以及HO-1/PGC-1α通路在臟器線粒體氧化損傷中的作用幾個(gè)方面具體論述。

1 線粒體氧化應(yīng)激與毒性通路

線粒體是機(jī)體重要的細(xì)胞器，除了產(chǎn)生細(xì)胞生命活動(dòng)的直接能源ATP、調(diào)控細(xì)胞凋亡、維持電解質(zhì)穩(wěn)態(tài)平衡外，還負(fù)責(zé)細(xì)胞中氧自由基(reactive oxygen species，ROS)的生成，調(diào)節(jié)細(xì)胞氧化還原反應(yīng)和信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)。ROS是高反應(yīng)性氧化物，有一個(gè)或多個(gè)不成對(duì)的自由基電子，如超氧陰離子(O2-)和羥基自由基(OH·)，性能十分不穩(wěn)定，可隨時(shí)攻擊其他分子[5]。生理水平的ROS可作為細(xì)胞內(nèi)的信號(hào)分子，調(diào)控細(xì)胞生長、增殖和凋亡等，并與ROS防御系統(tǒng)維持氧化-抗氧化平衡。而過量的ROS則會(huì)引起細(xì)胞氧化-抗氧化穩(wěn)態(tài)失衡，引發(fā)氧化應(yīng)激反應(yīng)。線粒體是ROS產(chǎn)生的主要場所，也是ROS攻擊的主要目標(biāo)。氧化應(yīng)激可損傷線粒體DNA(mitochondrial DNA，mtDNA)、損傷線粒體蛋白或酶、使線粒體脂質(zhì)過氧化以及干擾毒性通路。ROS可激活多種細(xì)胞內(nèi)重要的毒性通路，如核因子κB(nuclear factor κB，NF-κB)、磷脂酰肌醇3-激酶(phosphatidylinositol3-kinase，PI3K)/蛋白激酶B(protein kinase，PKB/Akt)、分裂原激活的蛋白激酶(mitogen activated protein kinases，MAPK)信號(hào)通路等，參與氧化和抗氧化過程；同時(shí)ROS也能激活線粒體相關(guān)通路，參與線粒體功能的調(diào)節(jié)，其中包括的線粒體氧化應(yīng)激通路HO-1/PGC-1α通路。

2 HO-1/PGC-1α的功能與調(diào)控

HO-1是催化血紅素代謝的限速酶，可氧化血紅素生成膽綠素，同時(shí)釋放鐵和一氧化碳(carbon monoxide，CO)，膽綠素通過膽綠素還原酶(biliverdin reductase，BVR)生成膽紅素。其中膽綠素是一種抗氧化物，具有抗氧化應(yīng)激的作用；CO是重要的信號(hào)傳遞分子，可增強(qiáng)細(xì)胞抗氧化能力[6]。HO-1是一種應(yīng)激反應(yīng)蛋白，可以被多種因素誘導(dǎo)表達(dá)，如氧化應(yīng)激、炎癥和缺血等，在調(diào)控線粒體氧化應(yīng)激和線粒體功能中發(fā)揮重要的作用[7]。HO-1受轉(zhuǎn)錄因子Bach1(BTB and CNC homology 1)調(diào)控抑制和Nrf2(NF-E2-related factor 2)的調(diào)控激活。Bach1和Nrf2均屬于堿性亮氨酸拉鏈(basic leucine zipper，bZIP)和cap-n-collar(CNC)轉(zhuǎn)錄因子家族成員，可與小musculoaponeurotic fibrosarcoma(Maf)蛋白形成異二聚體并結(jié)合到靶基因的Maf識(shí)別元件(MAF recognition element，MARE)，如HO-1基因的抗氧化反應(yīng)元件(antioxidant response element，ARE)，調(diào)控靶基因的轉(zhuǎn)錄。HO-1基因(HMOX1)啟動(dòng)子的激活具有多種調(diào)控方式，其轉(zhuǎn)錄具有高度的誘導(dǎo)性。HMOX1啟動(dòng)子在轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)(transcription start site，TSS)的上游的-4 kb(E1)和-10 kb(E2)處有兩個(gè)增強(qiáng)子區(qū)域，有多個(gè)ARE，可作為轉(zhuǎn)錄因子Nrf2和轉(zhuǎn)錄抑制蛋白Bach1的結(jié)合位點(diǎn)。在基礎(chǔ)條件下，Bach1與HO-1啟動(dòng)子的AREs結(jié)合，抑制HO-1基因的表達(dá)；在氧化應(yīng)激時(shí)，Bach1從HO-1啟動(dòng)子分離，同時(shí)應(yīng)激導(dǎo)致Nrf2與Kelch樣ECH關(guān)聯(lián)蛋白1(Kelch-like ECH-associated protein 1，Keap1)的解離，與AREs結(jié)合，激活HO-1基因的表達(dá)以應(yīng)對(duì)氧化應(yīng)激[8](Fig 1)。

Fig 1 Pathway of ROS-induced HO-1 activation

PGC-1α是一種轉(zhuǎn)錄共激活因子，主要存在于肝臟、心臟和骨骼肌等富含線粒體的組織器官。PGC-1α是調(diào)控線粒體生物合成的重要分子。線粒體生物合成復(fù)雜，包括線粒體DNA(mtDNA)編碼蛋白的合成，mtDNA的復(fù)制、轉(zhuǎn)錄和翻譯以及氧化磷酸化復(fù)合物的裝配等，是保持線粒體數(shù)量和維護(hù)線粒體功能的重要機(jī)制[9]。PGC-1α除了共激活PPARγ外，其還共激活核呼吸因子(nuclear respiratoty factor，NRF)和雌激素相關(guān)受體α(ERRα)以共同調(diào)控線粒體生物合成。核呼吸因子1和2(NRF1和NRF2)控制細(xì)胞色素c和細(xì)胞色素c氧化酶亞基編碼基因的表達(dá)。NRF1調(diào)控核氧化磷酸化基因的表達(dá)，以及線粒體轉(zhuǎn)錄、蛋白導(dǎo)入及相關(guān)蛋白質(zhì)組裝的核編碼因子的表達(dá)，并通過線粒體轉(zhuǎn)錄因子A(mitochondrial transcription factor A，TFAM)調(diào)節(jié)線粒體DNA的轉(zhuǎn)錄，誘導(dǎo)線粒體生物合成；NRF2屬于鳥嘌呤和腺嘌呤(GA)結(jié)合蛋白家族，該家族結(jié)合富含GA的DNA序列，并受ERRα調(diào)節(jié)，以調(diào)控線粒體生物合成[10]。PGC-1α分子的調(diào)控包括基因調(diào)控和轉(zhuǎn)錄后修飾?；蛩缴希琍PARs是PGC-1α的主要調(diào)節(jié)因子，其可感知多種刺激并調(diào)控PGC-1α的表達(dá)；另一個(gè)重要的調(diào)節(jié)因子是cAMP反應(yīng)元件-連接蛋白(cAMP response element binding protein，CREB)，其可誘導(dǎo)PGC-1α表達(dá)；PGC-1α負(fù)調(diào)控因子包括受體相互作用蛋白140(receptor interacting protein140，RIP140)、DNA甲基轉(zhuǎn)移酶3b(DNA methyltranserase 3b，DNMT3B)等，可以抑制線粒體生物合成[11]。轉(zhuǎn)錄后修飾中，AMP-激活蛋白酶(adenosine 5′-monophosphate (AMP)-activated protein kinase，AMPK)、Akt和MAPK磷酸化可以激活PGC-1α；沉默調(diào)節(jié)蛋白1(Sirt1)去乙?；部梢约せ頟GC-1α[12]。氧化應(yīng)激可誘導(dǎo)PGC-1α表達(dá)，激活線粒體生物合成通路，發(fā)揮抗氧化作用(Fig 2)。

Fig 2 Transcriptional and post-translation modulation

3 氧化應(yīng)激對(duì)HO-1/PGC-1α通路的影響

線粒體ROS影響氧化/抗氧化平衡并參與氧化信號(hào)的傳導(dǎo)(Fig 3)。線粒體ROS生成能誘導(dǎo)Nrf2-Keap1復(fù)合物中的Nrf2與Keap1的解離并轉(zhuǎn)位入核，激活NRF-1和HO-1，HO-1的表達(dá)誘導(dǎo)周期性的Nrf2激活并進(jìn)一步激活HO-1，這一過程是維持線粒體生物合成中PGC-1α/NRF-1/TFAM表達(dá)所必需的，也是氧化應(yīng)激后線粒體生物合成的前饋循環(huán)[13]。

Fig 3 Anti-oxidant regulation of HO-1/PGC-1α in response to ROS

激活的HO-1可在多個(gè)分子水平上調(diào)控PGC-1α的表達(dá)。HO-1釋放的一氧化碳(CO)可通過Akt、AMPK、MAPK和Sirt1途徑，進(jìn)一步調(diào)控NRF-1，PGC-1α和CREB，最終誘導(dǎo)線粒體生物合成中轉(zhuǎn)錄因子的表達(dá)以及抗氧化酶的生成。Akt、AMPK和MAPK磷酸化可以激活PGC-1α，增加其細(xì)胞核易位，啟動(dòng)線粒體生物合成轉(zhuǎn)錄過程。Akt是一種由PDH激酶1磷酸化激活的蛋白激酶，該激酶依賴于PI3K和三磷酸磷脂酰肌醇(phosphatidylinositol trisphosphate，PIP3)，PI3K被磷酸酶張力蛋白同系物(phosphoatase and tensin homolog，PTEN)拮抗，通過氧化還原修飾失活。HO-1的誘導(dǎo)可增加CO含量，內(nèi)源性CO水平的升高促進(jìn)了SOD2的表達(dá)和線粒體復(fù)合物III中過氧化氫(H2O2)的生成，激活A(yù)kt；HO-1可以使PTEN轉(zhuǎn)化為非活性形式，從而促進(jìn)Akt磷酸化，氧化失活磷酸化酶而激活受體磷酸化和促進(jìn)細(xì)胞內(nèi)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)，并最終誘導(dǎo)線粒體生物合成。Akt的激活使Nrf2核易位，結(jié)合NRF-1啟動(dòng)子中AREs啟動(dòng)線粒體生物合成并誘導(dǎo)抗氧化基因表達(dá)；Akt還能激活CREB，與PGC-1α共調(diào)節(jié)基因轉(zhuǎn)錄，調(diào)節(jié)抗氧化作用[14]。MAPK屬于一種進(jìn)化保守的絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)超家族，包括3個(gè)主要的信號(hào)途徑，細(xì)胞外信號(hào)調(diào)節(jié)激酶(extracellular-signal regulated kinase 1/2，ERK1/2)、c-Jun氨基末端激酶(c-Jun N-terminal protein kainse，JNK)/應(yīng)激活化蛋白激酶(stress activatedproteinkinase，SAPK)和p38 MAPK，HO-1來源的CO可以激活MAPK，調(diào)節(jié)細(xì)胞生長、線粒體生物合成和應(yīng)對(duì)環(huán)境應(yīng)激[15]。MAPK可直接激活PGC-1α，調(diào)控線粒體生物合成，也可以通過p38和ERK1/2磷酸化，進(jìn)一步磷酸化激活CREB，調(diào)控PGC-1α的表達(dá)。AMPK是一種三聚體絲氨酸/蘇氨酸激酶，由α、β和γ亞基組成。AMPK是細(xì)胞能量代謝的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子，葡萄糖缺乏、缺血和氧化應(yīng)激等都會(huì)增加AMPK的活性。當(dāng)細(xì)胞氧化應(yīng)激時(shí)，AMPK可通過磷酸化激活PGC-1α，增加線粒體生物合成以增加細(xì)胞ATP水平。AMPK還參與了抗氧化酶(硫氧還蛋白還原酶2(TrxR2)、SOD以及GSH-Px等)的轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)過程[16]。Sirt1去乙?；梢栽黾覲GC-1α蛋白的活性，增加其對(duì)細(xì)胞核和線粒體基因轉(zhuǎn)錄。

4 HO-1/PGC-1α通路調(diào)節(jié)線粒體抗氧化能力

HO-1/PGC-1α通路調(diào)節(jié)可直接激活抗氧化防御系統(tǒng)，也可通過調(diào)節(jié)線粒體自噬和誘導(dǎo)線粒體生物合成發(fā)揮線粒體保護(hù)作用[17]。ROS的主要防御系統(tǒng)是內(nèi)源性抗氧化酶類，如超氧化物歧化酶(superoxide dismutase，SOD)、過氧化氫酶(catalase，CAT)、谷胱甘肽過氧化物酶(glutathione peroxidase，GSH-Px)、谷胱甘肽還原酶(glutathione reductase，GRx)、硫氧還蛋白(thioredoxin，Trx)及過氧化物酶(peroxidase，PX)和非酶ROS清除劑如谷胱甘肽(glutathione，GSH)、輔酶Q、維生素C和維生素E。ROS可激活HO-1/PGC-1α通路以啟動(dòng)ROS的防御系統(tǒng)，減少細(xì)胞內(nèi)的ROS生成，維持線粒體ATP和線粒體膜電位(mitochondrial membrane potential，MMP)，保護(hù)線粒體免于氧化應(yīng)激損傷。丁酸鈉可通過激活Nrf2/HO-1通路，提高腦內(nèi)抗氧化酶(CAT、SOD和GSH-Px)活性，緩解線粒體氧化損傷和發(fā)揮神經(jīng)保護(hù)作用[18]；血科拉多糖可通過激活HO-1通路，抑制心臟毒性藥物誘導(dǎo)的SOD、CAT和GSH等抗氧化酶的活性降低，以保護(hù)小鼠H9C2心肌細(xì)胞免受線粒體氧化損傷[19]；缺乏PGC-1α可能導(dǎo)致抗氧化酶SOD2、GSH-Px和CAT下調(diào)，破壞細(xì)胞氧化還原平衡，導(dǎo)致山羊顆粒細(xì)胞線粒體功能障礙，并通過線粒體依賴的途徑凋亡[20]。

HO-1/PGC-1α通路的激活可招募線粒體自噬標(biāo)記物，通過調(diào)節(jié)自噬緩解線粒體氧化應(yīng)激損傷。核桃來源的多肽可通過HO-1途徑激活PINK1，誘導(dǎo)線粒體自噬，緩解氧化應(yīng)激，改善東莨菪堿誘導(dǎo)的小鼠認(rèn)知和學(xué)習(xí)記憶障礙[21]；一氧化碳通過增加肝臟HO-1和線粒體自噬調(diào)節(jié)蛋白Parkin的表達(dá)來改善對(duì)乙酰氨基酚引起的肝損傷[22]；氧化應(yīng)激時(shí)，HO-1缺失可誘導(dǎo)PGC-1α/NRF-1通路抑制，以及Pink1和Parkin2介導(dǎo)的自噬上調(diào)障礙，致心臟細(xì)胞損傷和纖維化[23]。ROS激活的HO-1/PGC-1α通路還可誘導(dǎo)線粒體生物合成，通過線粒體的分裂、更新和分化，改變線粒體大小、數(shù)量和質(zhì)量，最終調(diào)節(jié)線粒體功能。醛糖還原酶抑制劑非達(dá)司他通過Nrf2/HO-1/PGC-1α途徑調(diào)節(jié)結(jié)腸癌細(xì)胞線粒體的生物發(fā)生，抑制線粒體DNA損傷，阻止結(jié)腸癌細(xì)胞的生長[7]；四羥基芪葡萄糖苷(TSG)處理可強(qiáng)烈誘導(dǎo)HO-1的表達(dá)，并通過上調(diào)線粒體生物合成激活因子(PGC-1、NRF1和TFAM)和線粒體復(fù)合物IV，增加了線粒體質(zhì)量[24]。大量研究均證實(shí)了HO-1/PGC-1α通路在調(diào)節(jié)線粒體抗氧化能力中發(fā)揮重要作用。

藥物暴露可導(dǎo)致ROS過量增加，從而干擾HO-1/PGC-1α表達(dá)，抑制線粒體抗氧化作用，損傷線粒體功能，ROS清除劑則可通過誘導(dǎo)HO-1/PGC-1α表達(dá)而發(fā)揮線粒體保護(hù)作用。2型糖尿病的降糖藥物二肽基肽酶-4抑制劑(DPP-4i)通過ROS-HO-1軸作用，加快小鼠乳腺癌的轉(zhuǎn)移，ROS清除劑NAC可抑制DPP-4i誘導(dǎo)的乳腺癌轉(zhuǎn)移[25]；中藥烏頭堿可誘導(dǎo)斑馬魚胚胎ROS增多，并下調(diào)抗氧化分子Nrf2、HO-1、CAT和SOD-1的表達(dá)水平，最終導(dǎo)致ROS介導(dǎo)的線粒體凋亡[26]；抗癌藥阿霉素可誘導(dǎo)小鼠心肌細(xì)胞ROS增多，導(dǎo)致線粒體膜電位降低，線粒體功能紊亂和細(xì)胞凋亡增加，PGC-1α通路參與阿霉素誘導(dǎo)的心肌細(xì)胞線粒體功能損傷的保護(hù)[27]。

5 HO-1/PGC-1α通路在臟器線粒體氧化損傷中的保護(hù)作用

線粒體功能障礙可導(dǎo)致多種臟器損傷，HO-1/PGC-1α通路的激活在緩解臟器線粒體氧化損傷中發(fā)揮重要作用。在心血管系統(tǒng)疾病中，線粒體氧化應(yīng)激導(dǎo)致的線粒體功能障礙是主要的病理基礎(chǔ)之一，HO-1/PGC-1α通路可調(diào)節(jié)線粒體功能，維持心臟穩(wěn)態(tài)[28]。病毒性心肌炎、心肌缺血/再灌注損傷、風(fēng)濕性心臟病、動(dòng)脈硬化、高血壓性心臟病等疾病的線粒體功能障礙，可通過Nrf2/HO-1通路的調(diào)控進(jìn)行治療；PGC-1α調(diào)控線粒體生物合成，為心臟提供足夠的ATP輸出，PGC-1α缺乏可使心肌對(duì)氧化應(yīng)激敏感性增加，致心肌線粒體損傷，PGC-1α表達(dá)則可緩解心肌損傷。線粒體功能在腦神經(jīng)元能量穩(wěn)態(tài)和腦疾病中也十分重要，其中HO-1/PGC-1α發(fā)揮核心作用[29]。帕金森氏病和阿爾茨海默病中PGC-1α功能都有缺失，糖尿病性神經(jīng)退行性病變中HO-1/PGC-1α發(fā)揮抗氧化和抗線粒體凋亡作用，亨廷頓病時(shí)PGC-1α調(diào)控可預(yù)防線粒體功能障礙。HO-1/PGC-1α通路在肝臟線粒體疾病也發(fā)揮重要作用，可調(diào)節(jié)三羧酸循環(huán)，肝胰島素抵抗，脂肪酸氧化等[30]。非酒精性脂肪性肝病時(shí)，PGC-1α表達(dá)和線粒體生物合成障礙可致線粒體氧化能力和線粒體功能障礙，進(jìn)而導(dǎo)致肝脂肪變性。肝PGC-1α過表達(dá)可增加脂肪酸氧化，減少體內(nèi)外甘油三酯儲(chǔ)備，緩解線粒體氧化損傷。除此以外，HO-1/PGC-1α在肺、腎疾病以及糖尿病等多種疾病線粒體功能障礙中均發(fā)揮重要的抗氧化作用。

6 結(jié)語與展望

近年來，隨著人們對(duì)線粒體毒性研究的深入以及基于毒性通路的毒性機(jī)制的廣泛開展，基于氧化應(yīng)激毒性通路的線粒體毒性機(jī)制的相關(guān)研究已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展。本文從線粒體氧化應(yīng)激關(guān)鍵通路角度出發(fā)，重點(diǎn)闡述了HO-1/PGC-1α線粒體氧化應(yīng)激通路在線粒體功能中的作用，為線粒體毒性機(jī)制的研究提供了理論基礎(chǔ)。然而，由于物質(zhì)多樣性、毒性通路網(wǎng)絡(luò)的錯(cuò)綜復(fù)雜以及多學(xué)科多技術(shù)的交叉研究，有關(guān)毒性通路的研究仍需要更加深入的探討，可重點(diǎn)關(guān)注毒性通路的識(shí)別、多通路共同作用方式、不良結(jié)局的確定、化合物暴露劑量和暴露時(shí)間對(duì)通路的影響以及人個(gè)體化差異等等，為基于毒性通路的毒性機(jī)制研究和毒性綜合測試方法的建立奠定基礎(chǔ)。此外，生理狀態(tài)下的ROS對(duì)線粒體生物合成和功能調(diào)節(jié)的機(jī)制和信號(hào)通路已經(jīng)比較清楚了，但線粒體功能障礙時(shí)的毒性通路有待研究。病理狀態(tài)下線粒體功能紊亂是氧化損傷的原因，還是繼發(fā)反應(yīng)等問題還需要更科學(xué)的解釋，問題的解決可以提供改善線粒體功能的新方法。