趙 娟 鄒春波

江蘇省泰州市人民醫(yī)院腎內(nèi)科 225300

急性腎損傷(AKI)是臨床上嚴(yán)重疾病的常見并發(fā)癥，短期內(nèi)引起腎功能減退，AKI發(fā)作后也可能會(huì)持續(xù)性損害腎臟功能，轉(zhuǎn)變成慢性腎臟病甚至是依賴透析的終末期腎病(ESKD)，AKI腎功能恢復(fù)的程度會(huì)明顯影響這些治療終點(diǎn)，因此，盡可能恢復(fù)腎功能是預(yù)防和治療AKI的目標(biāo)[1]。研究報(bào)道，急性腎損傷發(fā)展成慢性腎臟病的機(jī)制包括在腎組織壞死感染過程中，增加組織炎癥反應(yīng)，進(jìn)而引起腎間質(zhì)纖維化[2]。腎臟纖維化實(shí)際上是很多腎臟疾病發(fā)展到終末期的標(biāo)志。最近的研究表明低氧在急性腎損傷發(fā)展到慢性腎臟病導(dǎo)致腎纖維化發(fā)展過程中起了關(guān)鍵作用[3]，本文綜述了低氧誘導(dǎo)因子(HIF)在緩解急性腎損傷的進(jìn)展中的作用，探索HIF-1α緩解急性腎損傷的作用機(jī)制。

1 HIF的分型與功能

1.1 HIF的分型 HIF在腎臟低氧適應(yīng)性疾病中發(fā)揮重要作用，在結(jié)構(gòu)上，HIF屬于基本的螺旋—環(huán)—螺旋轉(zhuǎn)錄因子，由低氧誘導(dǎo)型α-亞基和組成性表達(dá)的核β-亞基組成，在哺乳動(dòng)物基因組中，HIF分為三種基因亞型(HIF1-3)。在正常的氧氣條件下，HIF-α亞基受到一組稱為HIF脯氨酰羥化酶(PHD)的嚴(yán)格調(diào)控。PHD是非血紅素鐵和2-氧代戊二酸酯依賴性雙加氧酶，可在特定脯氨酸殘基處羥化HIF-α亞基[4]。在低氧條件下，PHD的酶活性受到抑制，未修飾的HIF-α不會(huì)降解，而是與HIF-β及其轉(zhuǎn)錄共激活因子(如CBP/p300)形成功能復(fù)合體。該復(fù)合物與低氧反應(yīng)元件結(jié)合并轉(zhuǎn)錄調(diào)控眾多HIF調(diào)控的基因，從而在細(xì)胞水平上產(chǎn)生了許多針對(duì)低氧的代償反應(yīng)。α亞基由三個(gè)基因編碼：HIF-1α、HIF-2α和HIF-3α，三者結(jié)構(gòu)極為相似， 但是各自功能仍有區(qū)別[5]， HIF-1α在低氧情況下穩(wěn)定地積聚在細(xì)胞核中負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)錄糖酵解相關(guān)酶和凋亡調(diào)節(jié)蛋白，作為氧穩(wěn)態(tài)的主要調(diào)節(jié)劑，與HIF-1β的DNA結(jié)合并刺激其靶基因的轉(zhuǎn)錄[6]。由此得出結(jié)論，HIF-1α激活了低氧適應(yīng)性反應(yīng)中必不可少的基因，減少細(xì)胞對(duì)氧氣需求，并增加氧氣輸送和組織供氧的途徑。

1.2 HIF-1α的功能

1.2.1 低氧主要通過許多靶基因的HIF-1α激活低氧信號(hào)通路，例如促紅細(xì)胞生成素、乳酸脫氫酶、血管內(nèi)皮生長因子(VEGF)，從而介導(dǎo)血管生成，促進(jìn)新陳代謝和細(xì)胞增殖，激活糖酵解酶的轉(zhuǎn)錄等為組織補(bǔ)充血液和氧氣的過程[7]。HIF-1α是在體內(nèi)和體外最有效的促血管生成因素之一[8]，能改善局部微循環(huán)，通過影響血管生長和功能，增加O2的運(yùn)輸并調(diào)節(jié)O2利用。活性氧(ROS)在低氧時(shí)起第二信使的作用，可以穩(wěn)定HIF-1α蛋白，誘導(dǎo)血管生成因子的產(chǎn)生，表明內(nèi)源性ROS通過HIF-1α的表達(dá)來上調(diào)VEGF[9]，為研究AKI中HIF-1α的腎臟保護(hù)作用提供了強(qiáng)有力的依據(jù)。

1.2.2 HIF-1α在炎癥反應(yīng)中起著至關(guān)重要的作用， HIF-1α可以通過增強(qiáng)細(xì)胞氧化還原的能力，從而抑制低氧時(shí)線粒體產(chǎn)生ROS。細(xì)胞中存在大量的氧化還原活性三肽谷胱甘肽，吸收自由基并維持蛋白質(zhì)的氧化還原狀態(tài)。研究表明，HIF-1α有助于增加谷胱甘肽的合成，HIF-1α既負(fù)責(zé)上調(diào)直接參與谷胱甘肽生物合成的酶，又負(fù)責(zé)上調(diào)參與谷胱甘肽三個(gè)組成氨基酸的生物合成的酶[10]。HIF-1α增強(qiáng)了細(xì)胞的抗氧化防御能力，使低氧時(shí)細(xì)胞線粒體的ROS產(chǎn)生最小化，進(jìn)而在腎臟炎癥反應(yīng)過程中發(fā)揮重要作用。

1.2.3 激活 HIF-1α通路能穩(wěn)定線粒體的結(jié)構(gòu)和功能，增強(qiáng)能量代謝，并增強(qiáng)線粒體呼吸功能和呼吸酶活性而保護(hù)細(xì)胞自身[11]。線粒體是細(xì)胞內(nèi)的細(xì)胞器，在細(xì)胞利用ATP進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的過程中至關(guān)重要，也能在啟動(dòng)細(xì)胞凋亡中起關(guān)鍵作用。維持線粒體的穩(wěn)態(tài)對(duì)于細(xì)胞的存活至關(guān)重要，線粒體自噬是一種保護(hù)性機(jī)制，可在暴露于不同刺激降解溶酶體中受損的線粒體。最近的研究已經(jīng)證實(shí)，線粒體自噬在細(xì)胞壞死病的調(diào)控中起著至關(guān)重要的作用，在成神經(jīng)細(xì)胞中，強(qiáng)心苷激活線粒體自噬抑制了線粒體膜電位的耗散、線粒體通透性轉(zhuǎn)換孔(mPTP)的開放和細(xì)胞的壞死。在慢性阻塞性肺疾病的進(jìn)展過程中，線粒體的自噬還可以減少由于暴露于煙霧而導(dǎo)致壞死性死亡的人肺動(dòng)脈內(nèi)皮細(xì)胞的數(shù)量，在心衰發(fā)展的過程中線粒體自噬的缺失增加了mPTP 的開放，最終導(dǎo)致心肌細(xì)胞壞死[12]。增強(qiáng)腎組織線粒體自噬可能對(duì)急性腎損傷也有保護(hù)作用。目前已有研究表明順鉑可誘導(dǎo)人近曲腎小管上皮細(xì)胞的線粒體自噬作用，避免損傷的線粒體釋放活性氧或促凋亡物質(zhì)等而對(duì)細(xì)胞造成進(jìn)一步的損傷，維持細(xì)胞內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)態(tài)，從而改善腎小管細(xì)胞毒性損傷，減少更多的細(xì)胞凋亡[13]。

上述結(jié)果表明，在腎臟缺氧的發(fā)生過程中，HIF-1α可通過介導(dǎo)血管生成為腎臟提供氧氣，改善腎臟微循環(huán)，為延緩腎臟纖維化提供重要作用，并且低氧情況下增加氧化還原的能力降低炎癥反應(yīng)。最重要的是，穩(wěn)定線粒體的結(jié)構(gòu)與功能促進(jìn)線粒體自噬，進(jìn)而緩解AKI。

2 HIF對(duì)線粒體質(zhì)量調(diào)控

2.1 改變線粒體的分布、運(yùn)動(dòng)、形態(tài) 線粒體是影響細(xì)胞內(nèi)氧氣供應(yīng)的重要細(xì)胞器，是三磷酸腺苷(ATP)的主要生產(chǎn)中心。低氧是導(dǎo)致線粒體網(wǎng)絡(luò)分布發(fā)生改變的少數(shù)生理刺激之一，均已報(bào)道為向核的逆行重新分布，線粒體運(yùn)動(dòng)沿著微管(MT)發(fā)生逆行(朝向MT負(fù)端)或順行(朝向MT正端)。細(xì)胞中過表達(dá)線粒體運(yùn)動(dòng)調(diào)節(jié)劑(HUMMR)會(huì)導(dǎo)致線粒體運(yùn)輸異常，低氧使HIF-1α明顯誘導(dǎo)上調(diào)HUMMR，HUMMR與線粒體蛋白Miro-1和Miro-2相互作用，這對(duì)于介導(dǎo)線粒體運(yùn)輸至關(guān)重要。敲除低氧神經(jīng)元的HUMMR或敲除HIF-1α可顯著降低軸突中線粒體的含量，改變線粒體運(yùn)輸和分布[14]。另外，HIF-1α改變線粒體的運(yùn)動(dòng)分布，其中最廣泛研究的聯(lián)系是細(xì)胞內(nèi)Ca2+，當(dāng)細(xì)胞內(nèi)Ca2+升高時(shí)，會(huì)阻止許多細(xì)胞類型中基于微管的線粒體運(yùn)動(dòng)[15]，這可能與HIF-1α促進(jìn)Ca2+的細(xì)胞間突觸運(yùn)動(dòng)有關(guān)。

2.2 調(diào)節(jié)線粒體的自噬 在常氧狀態(tài)下，線粒體形成管狀網(wǎng)絡(luò)，有利于氧化磷酸化和ATP的產(chǎn)生。在低氧條件下，線粒體發(fā)生裂變并以單細(xì)胞器的形式出現(xiàn)促進(jìn)本身吞噬，并且可以使ROS的產(chǎn)生保持在較低的生理水平[16]。線粒體功能主要受細(xì)胞內(nèi)ROS和線粒體膜電位的影響，ROS的產(chǎn)生主要來自線粒體，研究發(fā)現(xiàn)腎臟糖基化終產(chǎn)物(AGEs)可以影響細(xì)胞功能并通過 ROS 激活自噬，而自噬反過來可以保護(hù)細(xì)胞免受 AGEs 引起的功能障礙[17]。線粒體功能障礙增加了ROS的產(chǎn)生，并且通過增加線粒體DNA的突變，線粒體功能障礙加劇的“惡性循環(huán)”促進(jìn)了自噬，從而降低ROS的整體含量[18]。線粒體自噬是唯一確定的線粒體更新機(jī)制，并且與低氧密切相關(guān)。線粒體自噬受體 (NIX)在低氧時(shí)高度上調(diào)，并定位于線粒體，線粒體結(jié)合的NIX與自噬小體定位的微管相關(guān)蛋白輕鏈3 (LC3)相互作用，形成線粒體-NIX-LC3-自噬小體復(fù)合物，導(dǎo)致線粒體自噬[19]。自噬是一種保守的細(xì)胞進(jìn)化途徑，負(fù)責(zé)將細(xì)胞物質(zhì)遞送至溶酶體使其降解，自噬能力下降與應(yīng)激反應(yīng)與衰老失調(diào)相關(guān)，腎臟中線粒體的自噬還可以防止溶酶體破裂引起的炎癥損傷進(jìn)一步強(qiáng)烈激活炎癥[20]。研究證明線粒體自噬是由低氧誘導(dǎo)的，該過程需要HIF-1α依賴的BCL-2相互作用蛋白3(BNIP3)以及哺乳動(dòng)物自噬蛋白Beclin-1和自噬相關(guān)蛋白5(Atg5)的組成型表達(dá)[21]。BNIP3、LC3-Ⅱ及 Beclin-1 、Atg5為自噬激活的常用檢測指標(biāo)。BNIP3與Beclin-1競爭與BCL-2的結(jié)合，從而釋放Beclin-1來激活自噬。在低氧條件下，HIF-1α的過表達(dá)可增強(qiáng)低氧誘導(dǎo)的自噬，而抑制HIF-1α則可抑制自噬，這歸因于HIF-1α調(diào)節(jié)BNIP3的表達(dá)[22]。在正常的生理?xiàng)l件下，BNIP3的表達(dá)水平較低，但在低氧的條件下，HIF-1α介導(dǎo)的BNIP3表達(dá)水平急劇增加，此外，BNIP3是線粒體自噬受體，被認(rèn)為是低氧誘導(dǎo)的線粒體自噬的重要信號(hào)分子，BNIP3啟動(dòng)子具有兩個(gè)HIF-1α結(jié)合位點(diǎn)，相對(duì)于翻譯起始密碼子，位于-234處的位點(diǎn)是低氧和HIF-1α進(jìn)行反式激活所必需的。相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道，穩(wěn)定HIF-1α表達(dá)可能通過促進(jìn)心肌組織LC3-Ⅱ、BNIP3表達(dá)增強(qiáng)心肌細(xì)胞線粒體自噬，發(fā)揮對(duì)Ⅰ型糖尿病大鼠低氧心肌的保護(hù)作用[23]。自噬通過清除受損的細(xì)胞器如破碎的線粒體、錯(cuò)誤折疊的蛋白質(zhì)、細(xì)胞內(nèi)病原體，在維持細(xì)胞內(nèi)外平衡中發(fā)揮重要作用。增強(qiáng)自噬可使細(xì)胞損傷最小化，并加速組織恢復(fù)[24]。以上說明，HIF-1α誘導(dǎo)線粒體自噬對(duì)腎臟具有保護(hù)作用,深入研究低氧條件下HIF-1α誘導(dǎo)線粒體自噬的具體機(jī)制有可能為疾病的診治提供新的方向。

2.3 促進(jìn)線粒體的融合與裂變 線粒體融合蛋白(OPA1)是與線粒體融合和延伸相關(guān)的蛋白質(zhì)，而線粒體裂變蛋白(DRP1)是線粒體裂變中的關(guān)鍵分子，這是線粒體降解成線粒體片段的重要因素[25]。線粒體是網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)裂變，裂變?cè)试S線粒體在整個(gè)細(xì)胞內(nèi)分布，并在某些情況下通過釋放細(xì)胞色素C促進(jìn)細(xì)胞凋亡[16]，DRP1是線粒體裂變過程中最核心的蛋白，減弱DRP1的磷酸化，從而促進(jìn)了裂變。DRP1和OPA1表達(dá)的變化不僅與線粒體動(dòng)力學(xué)有關(guān)，而且與線粒體的自噬也有密切聯(lián)系[26]。一方面，相關(guān)研究表明HIF-1α誘導(dǎo)的低氧誘導(dǎo)基因域家族蛋白(HIGD1A)靶向作用OPA1時(shí)，線粒體被保護(hù)而免于切割，促進(jìn)了與線粒體融合素(Mfn1)的相互作用，從而促進(jìn)了融合[27]。另一方面，BNIP3與OPA1的結(jié)合促進(jìn)了OPA1與Mfn1的分離，從而促進(jìn)了裂變并進(jìn)一步推動(dòng)了細(xì)胞向凋亡的方向發(fā)展[28]，除OPA1裂解外，低氧下ATP丟失，也可能引起線粒體裂變。異常升高的線粒體裂變誘導(dǎo)ROS產(chǎn)生，從而激活了線粒體的自噬，整體上來看， ROS含量隨著線粒體的自噬而降低。線粒體衰竭可以誘導(dǎo)腺泡細(xì)胞(OPA1，DRP1，Parkin1和VMP1表達(dá))的表型變化，從而觸發(fā)線粒體重塑過程。這些變化包括融合事件(通過OPA1)和裂變事件(通過DRP1)引發(fā)新的功能性線粒體或者受損和去極化的線粒體，后者被選擇性地檢測后完成自噬[29]。更好地了解恢復(fù)線粒體功能的分子機(jī)制，例如線粒體動(dòng)力學(xué)變化，可以為低氧引起的AKI提供治療策略。

2.4 AKI與線粒體的質(zhì)量調(diào)控 線粒體質(zhì)量調(diào)控參與AKI的發(fā)生，以及發(fā)生AKI 后的腎臟修復(fù)過程?？寡趸烙?、線粒體動(dòng)力學(xué)、線粒體自噬和線粒體融合與裂變等多種質(zhì)量調(diào)控機(jī)制都可以在生理和病理?xiàng)l件下保持線粒體穩(wěn)態(tài)。沒有這些機(jī)制作用可能會(huì)導(dǎo)致線粒體損傷和功能障礙，導(dǎo)致細(xì)胞死亡、組織損傷，并導(dǎo)致腎功能衰竭。線粒體自噬在AKI 中發(fā)揮著重要作用，為了滿足電解質(zhì)重吸收和廢物排泄過程的高能量需求，腎臟的線粒體和氧氣消耗量僅次于心臟，居第二位，氧化應(yīng)激增加、炎癥和氧氣消耗都與 AKI相關(guān)，維持細(xì)胞穩(wěn)態(tài)和線粒體質(zhì)量調(diào)控，促進(jìn)線粒體去極化和功能障礙，從而引發(fā)線粒體自噬，能減少炎癥對(duì)AKI患者的腎臟產(chǎn)生細(xì)胞損害，腎組織中線粒體的自噬功能的喪失是指自噬體的溶酶體降解被阻斷，相關(guān)研究也提出近端小管中線粒體自噬功能的喪失也會(huì)加重?fù)p傷腎小管和腎功能[30]，針對(duì)線粒體質(zhì)量調(diào)控以保護(hù)和恢復(fù)線粒體功能的特定干預(yù)措施已成為預(yù)防和治療腎損傷和加速腎臟修復(fù)的治療策略，線粒體融合和裂變控制線粒體形態(tài)，維持線粒體形態(tài)的穩(wěn)定可促進(jìn)受損腎臟的恢復(fù)，進(jìn)一步完成AKI患者的腎臟修復(fù)。

3 展望

線粒體質(zhì)量調(diào)控與多種疾病的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)，對(duì)延緩AKI的進(jìn)展也至關(guān)重要，在AKI發(fā)展至慢性腎衰的過程中，低氧誘導(dǎo)因子對(duì)線粒體質(zhì)量調(diào)控的機(jī)制有待進(jìn)一步研究，線粒體質(zhì)量調(diào)控介導(dǎo)的AKI腎功能的恢復(fù)也將成為今后深入探索的熱點(diǎn)課題，在低氧的情況下，HIF可以明顯上調(diào)線粒體的自噬從而緩解細(xì)胞炎癥，提高抗氧化功能，可能會(huì)為恢復(fù)急性腎臟病腎功能提供另一種研究方向。