任若昕 管懷進(jìn) 季 敏

線粒體是真核細(xì)胞三磷酸腺苷(ATP)合成的主要部位,參與機(jī)體多種代謝活動(dòng)。正常情況下線粒體通過一系列抗氧化應(yīng)激機(jī)制能夠清除活性氧(ROS)。因此,正常的線粒體結(jié)構(gòu)和功能對(duì)機(jī)體穩(wěn)態(tài)的維持至關(guān)重要。線粒體自噬是生物體維持線粒體穩(wěn)態(tài)的重要機(jī)制,具體是指細(xì)胞通過自噬的機(jī)制選擇性地清除受損或功能不全的線粒體過程[1]。該過程可通過控制線粒體的數(shù)量和質(zhì)量來調(diào)節(jié)線粒體能量代謝,當(dāng)線粒體自噬出現(xiàn)損傷時(shí),線粒體功能往往會(huì)出現(xiàn)異常,可導(dǎo)致細(xì)胞死亡。有研究表明,糖尿病等代謝性疾病可影響線粒體自噬。當(dāng)細(xì)胞組織持續(xù)處于高血糖環(huán)境下時(shí)會(huì)產(chǎn)生過量ROS,打破ROS與線粒體抗氧化酶之間的平衡,發(fā)生氧化應(yīng)激損傷、促炎因子大量釋放等,影響線粒體自噬水平,最終導(dǎo)致線粒體功能障礙[2-4]。

目前已有研究表明,線粒體自噬與糖尿病并發(fā)癥有緊密聯(lián)系,有研究發(fā)現(xiàn),糖尿病患者的心房中出現(xiàn)線粒體結(jié)構(gòu)紊亂,線粒體自噬功能障礙,最終可引起心肌損傷[5-6]。有關(guān)糖尿病腎病(DN)的研究表明,線粒體功能障礙是DN發(fā)生發(fā)展中的重要環(huán)節(jié),線粒體自噬對(duì)維持線粒體穩(wěn)態(tài)至關(guān)重要[7]。糖尿病眼病是常見的糖尿病并發(fā)癥,主要包括糖尿病視網(wǎng)膜病變(DR)、糖尿病性白內(nèi)障(DC)、糖尿病性角膜病變(DK)和糖尿病性視神經(jīng)病變等,嚴(yán)重者可致盲,影響糖尿病患者生活質(zhì)量[8-9]。近年來研究發(fā)現(xiàn),糖尿病眼病中存在線粒體自噬損傷,且靶向治療線粒體自噬可以改善或延緩糖尿病眼病的發(fā)生。然而,糖尿病眼病中線粒體自噬損傷的具體機(jī)制尚未明確,本文就線粒體自噬調(diào)控途徑、糖尿病眼病以及線粒體自噬在糖尿病眼病中作用的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

1 線粒體自噬

線粒體自噬是指細(xì)胞通過自噬機(jī)制選擇性包裹和降解細(xì)胞內(nèi)受損的線粒體,是保證線粒體數(shù)量和質(zhì)量平衡、維持細(xì)胞生存的重要調(diào)控機(jī)制[10]。線粒體自噬過程是在病理?xiàng)l件下線粒體去極化,出現(xiàn)線粒體損傷,接著,通過自噬體識(shí)別受損線粒體,并與溶酶體融合完成降解的過程[11]。線粒體自噬可受多種受體介導(dǎo),其中經(jīng)Parkin/PINK1經(jīng)典途徑介導(dǎo)的線粒體自噬和B細(xì)胞白血病/淋巴瘤2(BCL2)/腺病毒E1B19kD相互作用蛋白3(BNIP3)、BNIP3樣蛋白(Nix/BNIP3L)介導(dǎo)的線粒體自噬等已被廣泛研究[1]。

1.1 Parkin/PINK1信號(hào)通路

PTEN誘導(dǎo)假定激酶1(PINK1) 是一種在細(xì)胞質(zhì)中合成的蛋白激酶,在正常情況下,PINK1在線粒體外膜轉(zhuǎn)移酶(TOM)和線粒體內(nèi)膜轉(zhuǎn)位酶 (TIM)作用下進(jìn)入線粒體,被內(nèi)膜上相關(guān)蛋白酶水解;而當(dāng)線粒體受損時(shí),線粒體膜電位發(fā)生改變,PINK1水解受到抑制,導(dǎo)致其堆積在線粒體外膜(OMM)上,并招募細(xì)胞質(zhì)內(nèi)的Parkin到受損的線粒體膜上。Parkin是一種細(xì)胞質(zhì)的 E3 連接酶,PINK1可磷酸化 Parkin增加其E3連接酶活性,最終導(dǎo)致線粒體發(fā)生泛素化[12-13]。發(fā)生泛素化的線粒體則可以被泛素結(jié)合蛋白P62結(jié)合,繼而P62與微管相關(guān)蛋白1輕鏈3(LC3)結(jié)合,使損傷的線粒體被自噬體吞噬并被溶酶體降解。

1.2 線粒體自噬相關(guān)受體

BNIP3與Nix/BNIP3L有50%的同源性,并與自噬相關(guān),特別是與由缺氧引起的線粒體自噬有關(guān)[14]。當(dāng)機(jī)體處于缺氧狀態(tài)下,Nix和BNIP3可通過缺氧誘導(dǎo)因子1α(HIF-1α)調(diào)控使其表達(dá)上調(diào)[15]。有研究發(fā)現(xiàn),Nix/BNIP3L的結(jié)構(gòu)中包含一個(gè)單通道羧基端跨膜結(jié)構(gòu)域,其靶向OMM,且存在LC3相互作用區(qū)(LIR)[16]。因此,Nix/BNIP3L能通過該區(qū)直接與LC3/γ-氨基丁酸受體相關(guān)蛋白(GABARAP)作用,引起特異性線粒體自噬的發(fā)生。

Fun14結(jié)構(gòu)相關(guān)蛋白1(FUNDC1)是一種存在于OMM的蛋白,與Nix/BNIP3相似,在低氧環(huán)境下可以通過LIR與LC3結(jié)合引起線粒體自噬的發(fā)生。與之不同的是,FUNDC1還可以影響線粒體分裂,由此介導(dǎo)線粒體自噬發(fā)生[17]。

1.3 線粒體動(dòng)力學(xué)對(duì)線粒體自噬的影響

在正常情況下,線粒體處于分裂與融合的動(dòng)態(tài)平衡中。有研究表明,線粒體分裂和融合相關(guān)因子降解是線粒體自噬發(fā)生所必須的[18]。當(dāng)線粒體出現(xiàn)損傷時(shí),線粒體受損部位的膜電位下降,引起視神經(jīng)萎縮1蛋白(OPA1)水解,并誘導(dǎo)線粒體融合蛋白1/2(Mfn1/2)被 Parkin泛素化,經(jīng)蛋白酶降解,繼而減少線粒體的融合,有利于受損線粒體的分裂,使線粒體自噬形成更容易。線粒體動(dòng)力蛋白1(Drp1)是一種線粒體裂變蛋白,有研究報(bào)道,FUNDC1和BNIP3介導(dǎo)的線粒體自噬需要Drp1的參與,但也有研究顯示,發(fā)生線粒體自噬時(shí)并沒有線粒體裂變現(xiàn)象[19-20]。因此,Drp1在線粒體自噬中的作用有待進(jìn)一步研究。

2 線粒體自噬與糖尿病眼病

近年來,有研究提出,高糖環(huán)境下線粒體氧化呼吸鏈產(chǎn)生過量的ROS是糖尿病并發(fā)癥發(fā)生的啟動(dòng)因子[21]。ROS可以激活多種生物化學(xué)途徑,而這些途徑也可進(jìn)一步促進(jìn)機(jī)體ROS的積累并形成“惡性循環(huán)”,最終導(dǎo)致線粒體功能損害。線粒體自噬作為機(jī)體清除損傷線粒體的主要方式,在維持線粒體質(zhì)量和數(shù)量穩(wěn)態(tài)中具有重要作用[10]。因此,了解線粒體自噬在糖尿病眼病發(fā)生發(fā)展中的作用至關(guān)重要,靶向改善線粒體自噬可延緩糖尿病眼病的發(fā)生發(fā)展,有望為患者帶來新的治療方向。

2.1 糖尿病眼病的種類

糖尿病可引起的眼部并發(fā)癥較多,以DR、DC、DK較為常見,另外,還有屈光不正、虹膜睫狀體炎、青光眼、眼球運(yùn)動(dòng)神經(jīng)麻痹以及視神經(jīng)病變等。

DR是糖尿病常見的視網(wǎng)膜病變,是發(fā)達(dá)國家工作人群首位致盲因素[22],其最重要的病理特征是視網(wǎng)膜缺血缺氧,使血-視網(wǎng)膜屏障發(fā)生損傷,最終可致DR患者視力損害,嚴(yán)重者可失明。白內(nèi)障是世界范圍內(nèi)人群致盲和視力損害的主要原因[23]。影響和導(dǎo)致白內(nèi)障的因素較多,如長(zhǎng)期戶外紫外線作用、激素和藥物作用、外傷、高血糖等。DC是一類由糖尿病引起或加重的眼部并發(fā)癥,其既可以由于血糖大范圍波動(dòng)導(dǎo)致晶狀體迅速混濁,也可能是年齡相關(guān)性白內(nèi)障發(fā)生加重所致,其發(fā)生發(fā)展很大程度上受糖尿病的影響[24]。DK可分為原發(fā)性DK和繼發(fā)性DK[25],原發(fā)性DK是指糖尿病患者本身引起的角膜病變,繼發(fā)性DK是指糖尿病患者行眼部手術(shù)后引起的角膜并發(fā)癥;原發(fā)性DK一般表現(xiàn)為角膜上皮損傷,如角膜上皮再生遲緩,角膜知覺減退和角膜水腫等[26-27]。

2.2 DR與線粒體自噬

視網(wǎng)膜結(jié)構(gòu)復(fù)雜,細(xì)胞種類繁多,如視網(wǎng)膜色素上皮細(xì)胞(RPE)、Müller細(xì)胞、視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞(RGCs)、視網(wǎng)膜毛細(xì)血管內(nèi)皮細(xì)胞(HRCECs)等。有研究發(fā)現(xiàn),在DR模型中上述視網(wǎng)膜細(xì)胞可因線粒體自噬障礙,最終出現(xiàn)細(xì)胞凋亡[28-30]。還有研究發(fā)現(xiàn),線粒體自噬可抵抗高糖誘導(dǎo)的過量ROS,在高糖誘導(dǎo)視網(wǎng)膜細(xì)胞凋亡過程中具有保護(hù)作用[31]。RGCs受到損害是DR的第一個(gè)變化[32-33]。Zhou等[34]研究發(fā)現(xiàn),RGCs可通過上調(diào)PINK1/Parkin介導(dǎo)的線粒體自噬來抵抗高糖誘導(dǎo)的ROS增加所造成的線粒體損傷。在RPE中也發(fā)現(xiàn)了線粒體自噬具有類似的保護(hù)作用[35-36]。由此可見,靶向治療線粒體自噬有望改善高糖誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡,這將成為DR的潛在治療靶點(diǎn)。

Zhou等[37]通過向糖尿病模型小鼠的玻璃體內(nèi)注射三七皂苷(NGR1)發(fā)現(xiàn),NGR1可通過靶向上調(diào)Parkin/PINK1通路介導(dǎo)的線粒體自噬減少DR中Müller細(xì)胞的凋亡,延緩了DR進(jìn)展。此外,有研究報(bào)道,靶向調(diào)節(jié)Drp1可改善高糖誘導(dǎo)的HRCECs中線粒體自噬損傷以減少細(xì)胞凋亡[38]。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn),Drp1對(duì)線粒體自噬調(diào)節(jié)過程與葡萄糖代謝關(guān)鍵酶己糖激酶2有關(guān)[39]。以上研究均表明,靶向治療或改善線粒體自噬在防治DR和延緩DR進(jìn)展中具有積極作用。

總之,線粒體自噬在DR病程中具有著重要作用,可以抵抗高糖誘導(dǎo)的ROS進(jìn)而保護(hù)視網(wǎng)膜細(xì)胞,但當(dāng)其出現(xiàn)障礙時(shí)可導(dǎo)致細(xì)胞死亡,目前其受損的具體機(jī)制尚不清楚,有待進(jìn)一步研究。以上研究表明,靶向調(diào)節(jié)線粒體自噬可以阻止或減緩DR進(jìn)展,有望成為DR治療的潛在靶點(diǎn),為其防治提供了更多的方向。

2.3 DC與線粒體自噬

既往研究表明,晶狀體的透明性與晶狀體上皮細(xì)胞(LECs)中線粒體正常的代謝功能密切相關(guān),若晶狀體出現(xiàn)線粒體自噬損傷,晶狀體穩(wěn)態(tài)將受到破壞,最終形成白內(nèi)障[40-41]。已有研究表明,高糖環(huán)境可導(dǎo)致LECs的ATP合成減少、線粒體電位下降,線粒體自噬通量改變,最終導(dǎo)致LECs凋亡[42-43]。體外實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),線粒體自噬通量變化與高糖環(huán)境刺激的時(shí)間長(zhǎng)短有關(guān),即早期增加,后期減弱[43]。此外,還有研究發(fā)現(xiàn),二甲雙胍、達(dá)格列凈等口服降糖藥和白藜蘆醇等天然抗氧化劑可以減弱高糖誘導(dǎo)的LECs中ROS的產(chǎn)成,改善線粒體自噬,減少LECs凋亡[44]。

總之,線粒體自噬與晶狀體的透明性緊密相關(guān),當(dāng)線粒體自噬出現(xiàn)障礙后,可導(dǎo)致白內(nèi)障的發(fā)生,嚴(yán)重影響患者視力。然而,目前DC的發(fā)病機(jī)制仍不明確,也未有相關(guān)的有效治療藥物。以上研究還提示,高糖環(huán)境下誘導(dǎo)線粒體自噬損傷對(duì)DC的病程發(fā)展尤為重要,但具體機(jī)制還待進(jìn)一步研究。

2.4 DK與線粒體自噬

由于直接暴露于環(huán)境中,角膜容易受到氧化應(yīng)激損傷,因此,人角膜內(nèi)皮細(xì)胞(HCEnCs)中的線粒體活性和質(zhì)量尤為重要[45]。Aldrich等[46]研究發(fā)現(xiàn),糖尿病患者HCEnCs中存在線粒體自噬損傷,線粒體整體外觀腫脹,甚至出現(xiàn)黑色包涵體,這提示線粒體自噬障礙。Hu等[47]研究發(fā)現(xiàn),高糖可誘導(dǎo)小鼠角膜上皮細(xì)胞TKE2中Sirt3表達(dá)水平下調(diào),使Parkin/PINK1介導(dǎo)的線粒體自噬通量減低;而過表達(dá)Sirt3可以激活Parkin/PINK1途徑增強(qiáng)線粒體自噬,從而促進(jìn)角膜上皮傷口愈合。這表明,上調(diào)線粒體自噬可能是促進(jìn)DK患者創(chuàng)面愈合的有效靶點(diǎn)。

此外,三叉神經(jīng)節(jié)作為角膜主要的神經(jīng)來源,在角膜上皮創(chuàng)面愈合中發(fā)揮重要作用[48]。有研究表明,糖尿病患者的HCEnCs中出現(xiàn)線粒體自噬受損,導(dǎo)致功能失調(diào)線粒體在細(xì)胞內(nèi)積累,靶向上調(diào)線粒體自噬可以促進(jìn)DK患者角膜上皮創(chuàng)面愈合,可能是促進(jìn)DK患者創(chuàng)面愈合的有效靶點(diǎn)[49]。但高糖誘導(dǎo)的HCEnCs中線粒體自噬損傷的具體機(jī)制尚不清楚,需要更深入的研究。然而,有研究認(rèn)為,糖尿病患者的線粒體功能失調(diào)與線粒體裂變過度有關(guān),導(dǎo)致線粒體體積變大,繼而功能減低而非線粒體自噬受損[50]。此觀點(diǎn)需要進(jìn)一步研究HCEnCs中線粒體裂變過程是否受糖尿病影響來證實(shí)。

3 結(jié)束語

糖尿病是一個(gè)全球性公共健康問題,且發(fā)病率不斷增加。本文針對(duì)線粒體自噬與糖尿病眼病進(jìn)行綜述,糖尿病眼病中也存在線粒體自噬通量的降低,可導(dǎo)致細(xì)胞死亡。在高糖環(huán)境中線粒體自噬對(duì)眼部具有保護(hù)作用,適當(dāng)調(diào)節(jié)線粒體自噬可以改善或延緩糖尿病眼病的進(jìn)展,但糖尿病患者眼部中線粒體損傷機(jī)制尚不清楚,因此,線粒體自噬與糖尿病眼病之間的關(guān)系仍需進(jìn)一步探索研究。