熊夢清 趙楊 胡克

特發(fā)性肺纖維化(Idiopathic pulmonary fibrosis, IPF)是一種侵襲性、不可逆性的肺部疾病，好發(fā)于50歲以上的人群，確診后中位生存期僅3年，病因不明，治療選擇有限[1]。有效治療方法的開發(fā)，需要對疾病分子發(fā)病機制有深入的了解。研究表明線粒體功能障礙參與IPF組織細胞的凋亡與衰老，被認為是衰老時易發(fā)生纖維化的一個主要標志[2]。線粒體質(zhì)量控制(Mitochondrial quality control, MQC)系統(tǒng)，調(diào)節(jié)線粒體功能參與疾病的發(fā)病機制，那么調(diào)控MQC系統(tǒng)也可能提供治療靶點。

線粒體在細胞中發(fā)揮多種作用，不僅通過氧化磷酸化參與能量的產(chǎn)生，而且在各種重要的代謝過程中維持著細胞內(nèi)穩(wěn)態(tài)[3]。因此，線粒體功能障礙可導致細胞功能失調(diào)甚至死亡[4-5]。為阻止線粒體損傷的累積，胞內(nèi)有幾種機制[6]。線粒體動力學[4]和線粒體特異性自噬(簡稱線粒體自噬)，是減少線粒體損傷和維持細胞內(nèi)穩(wěn)態(tài)的兩種主要機制[7]。如果線粒體持續(xù)暴露于一些環(huán)境及細胞內(nèi)的壓力，包括環(huán)境毒素，如香煙煙霧及活性氧(ROS)——可引起線粒體DNA損傷、氨基酸消耗和蛋白質(zhì)解折疊。為了克服這些壓力，線粒體動力學和線粒體自噬有著協(xié)同作用。然而，當那些壓力超出這些質(zhì)量控制系統(tǒng)時，線粒體功能失調(diào)，三磷酸腺苷(ATP)產(chǎn)生減少，ROS產(chǎn)生累積增加。功能失調(diào)線粒體的積累，可破壞細胞內(nèi)穩(wěn)態(tài)，改變細胞命運，促成疾病的發(fā)生發(fā)展[8]。

線粒體功能隨著年齡的增長而下降，而線粒體DNA突變，隨著年齡的增長而增加[9]。過量的ROS導致干細胞功能障礙，使小鼠出現(xiàn)早衰表現(xiàn)，而這其中的關(guān)鍵是一些線粒體DNA突變導致線粒體功能障礙[10]。這些研究表明線粒體功能障礙在衰老表型的發(fā)展中起著關(guān)鍵作用。因此，MQC系統(tǒng)也可能通過調(diào)節(jié)線粒體功能，在衰老表型和年齡相關(guān)疾病的發(fā)生發(fā)展中發(fā)揮重要作用。諸多證據(jù)表明，MQC中斷以及隨之而來的線粒體功能障礙，與一些年齡相關(guān)性疾病密切相關(guān)，如在神經(jīng)退行性病變中，其致病機制已被深入研究，且已在很大程度上被闡明[8]。近來，多項證據(jù)表明MQC系統(tǒng)的失調(diào)，也參與了年齡相關(guān)性肺疾病的發(fā)病機制，如特發(fā)性肺纖維化(IPF)[11-12]。本綜述將概述線粒體質(zhì)量控制系統(tǒng)在IPF中的作用，并介紹新的潛在治療靶點。

線粒體質(zhì)量控制系統(tǒng)

一、 線粒體動力學

線粒體是動態(tài)的細胞器，通過融合和分裂不斷改變其形狀[5]。線粒體動力學，受裂變和融合蛋白表達水平的調(diào)節(jié)。融合是由膜錨定蛋白、絲裂蛋白(MFN)-1,2和視神經(jīng)萎縮 (OPA)1介導的。MFNs和OPA-1分別促進線粒體外膜和內(nèi)膜融合，而融合蛋白的缺乏可導致線粒體分裂，這些融合蛋白通常協(xié)同工作[13]。裂變是由胞漿動力蛋白、動力相關(guān)蛋白1(Drp1)、裂變1蛋白(Fis-1)、線粒體分裂因子(MFF)等蛋白介導。在裂變過程，Drp-1從細胞質(zhì)中被招募到線粒體，起著重要作用，其缺乏可引起線粒體過度融合[14]。

當細胞暴露于輕度應激時，線粒體為促進融合(應激誘導的線粒體過度融合，簡稱SIMH)而變得細長[5]。SIMH需要非裂解形式的OPA-1(L-OPA-1)、MFN1和線粒體內(nèi)膜蛋白SLP-2，其中SLP-2可保持OPA-1的非裂解形式[15]。由輕度應激誘導的線粒體融合，通過增加ATP的產(chǎn)生來提高代謝效率，并使功能正常的線粒體在細胞器之間擴散和共享，來代償功能失調(diào)的線粒體，從而使細胞損傷最小化。因此，線粒體過度融合是一種生理條件下的適應性反應，與提高存活率和凋亡抵抗相關(guān)。相反，在嚴重的應激條件下，嚴重受損的線粒體會損害其他線粒體，如果它們被允許重新加入網(wǎng)絡，就會破壞一個健康的線粒體網(wǎng)絡。為阻止這些發(fā)生，有幾種機制[16]：線粒體功能障礙通過金屬蛋白酶誘導OAP-1加工，泛素-蛋白酶體系統(tǒng)誘導MFN降解，使線粒體碎片化，從而容易被清除[17]。

在嚴重或長時間應激下，線粒體形態(tài)不一定反映線粒體的功能。線粒體的功能取決于應激類型、應激嚴重程度以及其他MQC系統(tǒng)(即線粒體自噬)的水平，而不是簡單的形態(tài)變化。事實上，適應性延長的線粒體表明線粒體功能增強，而香煙誘導的線粒體延長，伴隨線粒體自噬減少，ROS產(chǎn)生增加，證明線粒體功能低下[18]。無論線粒體是延長還是裂變，來自受損線粒體的ROS決定了細胞的命運[18]，這表明線粒體功能，在決定細胞命運方面比形態(tài)更關(guān)鍵。

二、 線粒體自噬

自噬是溶酶體自我降解的過程，有助于維持細胞蛋白質(zhì)和細胞器合成、降解及循環(huán)之間的平衡，可分為非選擇性自噬和選擇性自噬[19]。選擇性自噬降解受損的線粒體被稱為線粒體自噬[20]，在MQC中起著重要作用，與細胞命運密切相關(guān)，包括衰老、凋亡和壞死。

線粒體自噬降解的主要過程如下[20]：PTEN-誘導假定激酶1(PINK1)是一種在健康線粒體中不斷地被剪切和降解的絲氨酸/蘇氨酸激酶。當線粒體被嚴重的應激破壞時，應激誘導膜去極化，使PINK1穩(wěn)定，而PINK1將E3-泛素連接酶PARK2招募到線粒體。PARK2使線粒體蛋白(包括MFNs)泛素化，泛素化蛋白通過適配器蛋白SQSTM1/p62連接到噬細胞上的微管相關(guān)蛋白1輕鏈3(MAP1LC3/LC3)，促使自噬體形成。MFN降解促進分裂，導致線粒體和隨后的線粒體分裂，自噬降解。

線粒體自噬的發(fā)生并不依賴于PARK2。其他E3泛素連接酶Smurf1和Mul1可使與SQSTM1/p62相互作用的線粒體蛋白泛素化，促進自噬體形成和線粒體自噬[6]。蛋白質(zhì)泛素化對線粒體自噬并非必不可少，線粒體中的BNIP3、NIX、FUDC1或心磷脂與LC3可直接結(jié)合并在受損線粒體上形成自噬體，而不是適配器蛋白p62[6]。然而，獨立于PARK2的線粒體自噬在細胞中的作用仍有待研究。

線粒體自噬與線粒體形態(tài)有關(guān)[5]，可誘導分離線粒體碎片，而大的融合線粒體則不能通過線粒體自噬降解。的確，在饑餓期間，盡管細胞整體的自噬水平上調(diào)，但為保護其免受自噬體降解及最大程度地產(chǎn)生能量，線粒體是延長的[21]。

三、 線粒體生物合成

線粒體的生物合成與線粒體自噬之間的協(xié)調(diào)是維持線粒體穩(wěn)態(tài)的必要條件，兩者的不平衡可導致細胞功能惡化甚至死亡[22]。

細胞可以通過增加線粒體的生物合成來增加能量產(chǎn)生，以應答內(nèi)外部的應激。線粒體生物合成是一個復雜的過程，受到過氧化物酶體增殖物激活受體γ-輔助激活因子1-α(PGC-1α)的調(diào)控。一般來說，線粒體的生物合成是對能量需求增加的一種適應性反應，然而，增加線粒體生物合成可能導致依賴于線粒體功能的細胞產(chǎn)生兩種相反的結(jié)果[23]。隨著線粒體生物合成的增加，能量產(chǎn)生增加有利于細胞內(nèi)穩(wěn)態(tài)和細胞生存[24]，但是功能下降或產(chǎn)生過量ROS的線粒體生物合成會破壞細胞內(nèi)穩(wěn)態(tài)，導致細胞死亡或細胞衰老[25]。增加“健康線粒體”[正常耗氧量(OCR)和膜電位]對細胞有益，而功能失調(diào)線粒體的增加對細胞有害。

IPF

一、 IPF線粒體質(zhì)量控制

IPF是一種慢性進行性肺纖維化疾病[1]。肺上皮細胞暴露于細胞內(nèi)、外的應激。慢性應激，包括表面活性劑異常積累、吸煙、病毒感染和衰老，可導致IPF上皮細胞內(nèi)質(zhì)網(wǎng)(ER)應激[26]，而內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激誘導上皮細胞死亡和衰老，導致IPF。

ER與線粒體密切相關(guān)。線粒體相關(guān)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜(MAM)是內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜的一個亞結(jié)構(gòu)域，調(diào)節(jié)ER-線粒體通信。MAM在鈣信號轉(zhuǎn)導、磷脂生物合成、蛋白質(zhì)折疊和膜栓連中發(fā)揮重要作用[27]。ROS誘導鈣從內(nèi)質(zhì)網(wǎng)釋放到細胞質(zhì)中，細胞內(nèi)鈣離子增加促進線粒體ROS的產(chǎn)生，形成一個自我永續(xù)循環(huán)?；钚匝醯脑黾雍蛢?nèi)質(zhì)網(wǎng)鈣穩(wěn)態(tài)的干擾可破壞蛋白質(zhì)折疊過程，引起內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激。由于損傷的線粒體增加ROS產(chǎn)生和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激，那么MQC系統(tǒng)在IPF發(fā)病機制中可能起到了一定的作用。事實上，越來越多的證據(jù)表明線粒體功能障礙在IPF的發(fā)病機制中起著重要作用[11-12]。

二、 IPF線粒體動力學

如上所述，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激在IPF的上皮細胞中上調(diào)，衰老是IPF的主要危險因素，而肺上皮細胞也是衰老的。因此，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激和衰老，在IPF發(fā)病機制中起著關(guān)鍵作用。研究顯示，病毒感染老齡小鼠的肺泡上皮細胞，可誘導肺內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激，加速肺纖維化，伴隨線粒體異常增大[11]。失活的DRP1及OPA1和MFN1/2在這些細胞中的表達增強，表明線粒體融合在該IPF小鼠模型中占主導地位。實際上，IPF肺泡上皮細胞中的線粒體增大、形態(tài)異常及線粒體面積顯著增加，也說明IPF上皮細胞中線粒體融合占優(yōu)勢。與應激誘導的線粒體過度融合相比，這些線粒體功能下降。

目前尚無關(guān)于IPF中其他類型細胞線粒體形態(tài)的報道。然而，在敲除PARK2的肺成纖維細胞(模擬IPF成纖維細胞)中發(fā)現(xiàn)延長的線粒體，伴隨著ATP生成和增殖增加[12]。這與IPF中激活的成纖維細胞是一致的。

三、 IPF線粒體自噬

1. 肺上皮細胞線粒體自噬

在IPF中，PINK1和PARK2均有異常調(diào)節(jié)的報道。Bueno等[11]證實PINK1在IPF肺泡上皮細胞中的表達下調(diào)。在IPF上皮細胞除PINK1表達降低以外，ATP合成酶(線粒體蛋白)和LC3的共定位降低，且在這些細胞中聚集了功能失調(diào)且嵴紊亂的大線粒體，提示IPF上皮細胞的線粒體自噬減少。在由病毒感染誘導內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激增加的小鼠模型中，PINK1缺陷導致受損線粒體累積，增加細胞凋亡和肺纖維化的易感性。甲狀腺激素上調(diào)PINK1可逆轉(zhuǎn)博萊霉素誘導的肺纖維化，可能是通過線粒體自噬恢復線粒體功能的結(jié)果[24]。表明PINK1對肺纖維化有保護作用，PINK1缺乏導致的線粒體自噬減少在IPF發(fā)病機制中發(fā)揮重要作用。上皮細胞內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激升高可能是PINK1缺乏的一個原因。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激誘導ATF3表達，并與PINK1結(jié)合以抑制PINK1轉(zhuǎn)錄，導致功能失調(diào)線粒體增多和線粒體產(chǎn)生ROS增加[28]。

與之相反，促纖維化因子—TGF-β在IPF患者肺泡灌洗液中表達增加，在支氣管細胞系中PINK1與LC3的共定位表達增加，這說明PINK的表達增加[29]。在TGF-β作用下，沉默PINK1增加了細胞死亡，提示PINK1升高可能是應答TGF-β的一種保護反應。IPF中TGF-β對PINK1的誘導作用可能不足。

線粒體自噬通過抑制線粒體產(chǎn)生過量的ROS，減輕內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激誘導的細胞死亡或衰老；而上皮細胞線粒體自噬不足，加速了IPF的纖維化發(fā)展。

2. 肺成纖維細胞中的線粒體自噬

Kobayashi等[12]報道，與IPF上皮細胞相比，成纖維細胞中的PARK2表達降低。PARK2降低導致線粒體自噬減少，產(chǎn)生ROS增加。ROS激活PDGF受體和下游Akt和mTOR，導致成纖維細胞增殖和肌成纖維細胞分化增加。mTOR的激活抑制了線粒體自噬，形成了一個自我延續(xù)的循環(huán)。

在IPF肺成纖維細胞中，不僅PARK2表達降低，PINK1表達也降低，且在纖維化灶中檢測不到PINK1的表達[30]，這表明IPF成纖維細胞中，線粒體自噬減少。小鼠模型及體外實驗均表明，在肺纖維化形成過程中，TGF-β抑制肺成纖維細胞中線粒體自噬和PINK1表達。

在IPF，上皮細胞和成纖維細胞的線粒體自噬可能均受到抑制，并在IPF的發(fā)病機制中起關(guān)鍵作用。

3 IPF的線粒體合成

盡管諸多證據(jù)表明IPF中受損線粒體的自噬降解減少，功能失調(diào)的線粒體聚集，但對IPF線粒體生物合成的水平仍有待了解。最近，Yu等[24]證實IPF患者的PGC1α減少，表明線粒體生物合成在IPF是下降的。他們尚證明，甲狀腺激素可上調(diào)PGC1并逆轉(zhuǎn)博萊霉素誘導的肺纖維化，這歸因于線粒體合成的增加并恢復了線粒體功能。

線粒體質(zhì)量控制作為IPF的治療靶點

線粒體在IPF發(fā)展中的作用，為制定針對該細胞器的更替和動力學的治療策略提供了新的靶點。研究發(fā)現(xiàn)，激素可調(diào)節(jié)線粒體功能。17β-雌二醇(E2)通過細胞核或線粒體雌激素受體(ER)誘導抗氧化反應，激活NRF1/2、Tfam和PGC-1α，促進線粒體合成[31-32]。同樣，IPF肺組織中ER-α受體表達上調(diào)，以藥物對該受體進行阻斷，可減輕纖維化程度，這可能是通過下調(diào)SMAD2介導的促纖維化通路而實現(xiàn)的[33-34]。IPF患者脫氫表雄酮(DHEA)的合成不成比例地減少。DHEA是一種具有抗纖維化特性的前體激素，可減少成纖維細胞增殖、TGF-β1膠原生成及促進成纖維細胞凋亡。DHEA促進線粒體細胞色素C釋放到胞漿中并最終激活Caspase9，從而促進成纖維細胞死亡[35]。此外，活化的甲狀腺激素T3，被認為是肺纖維化的潛在治療方法。對肺纖維化小鼠模型予以霧化T3處理，通過誘導PGC-1α和PINK1提供再生特性，可增加線粒體生物合成，恢復線粒體功能，減弱凋亡[24]。

線粒體靶向抗氧化劑，如MitoQ可能是一種潛在的治療方法。MitoQ作為線粒體內(nèi)ROS清道夫，可下調(diào)IPF患者成纖維細胞中TGF-β1和NOX4的表達，減輕炎癥和膠原沉積[36-37]。眾所周知，IPF肺AEC中PINK1缺失是觸發(fā)這些細胞線粒體功能障礙的主要因素，因此，增強PINK1活性的藥物可以作為一種治療選擇。新底物激動素、三磷酸(KTP)可提高PINK1、Parkin的活性，降低細胞凋亡，為此類患者提供了一種潛在的藥物[38]。誘導線粒體蛋白SIRT3由于對損傷和纖維化具有保護作用，也成為一種有吸引力的治療策略。一種被稱為六氟的化合藥物可以誘導博萊霉素小鼠SIRT3的表達，抑制TGF-β1，減少膠原1、α-SMA和纖維連接蛋白的表達，從而減輕肺纖維化的發(fā)展[39]。

綜上所述，以生物合成、線粒體自噬和分裂/融合為目標的線粒體質(zhì)量控制的藥理學調(diào)控，可預防線粒體功能障礙并最終防治纖維化。不同藥物具有各自作用機制，然而，需要更多的研究來闡明藥物發(fā)揮作用的具體分子機制，以實現(xiàn)高質(zhì)量治療和達到改善患者生存的目標。

總 結(jié)

目前，對于IPF患者的治療選擇很有限。線粒體質(zhì)量控制系統(tǒng)失調(diào)在IPF的發(fā)展中起著重要作用，未來的研究需進一步闡明其參與IPF的確切機制，以促進對該疾病的認識和形成新的治療方法。