線粒體自噬的調(diào)控機制及其在相關(guān)疾病中的作用

林晶晶, 楊宇豐

福州大學(xué)生物科學(xué)與工程學(xué)院, 福州 350108

自噬(autophagy)是指通過不同途徑向溶酶體傳遞并降解細胞成分(如細胞質(zhì)、細胞器和蛋白質(zhì)聚集物等)，這些細胞組分被隔離并包裹至一個雙層膜結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)被稱為自噬體(autophagosome)[1]。在釀酒酵母的遺傳學(xué)篩選中已發(fā)現(xiàn)了30多種自噬相關(guān)基因(autophagy-related gene，Atg)，負責(zé)調(diào)控整個自噬過程和參與自噬發(fā)生的不同階段，這些基因在酵母和哺乳動物中高度保守。自噬缺陷會導(dǎo)致細胞損傷的積累，與肝病、神經(jīng)退行性病變、衰老、癌癥和代謝綜合征等密切相關(guān)[2]。

根據(jù)機制和作用的不同，可將自噬分為3種類型：巨自噬、微自噬和分子伴侶介導(dǎo)的自噬，其中巨自噬是最主要的自噬形式。巨自噬可進一步分為選擇性巨自噬和非選擇性巨自噬，而線粒體自噬就是選擇性巨自噬的一種，是指通過特異性降解細胞內(nèi)受損的或者多余的線粒體并循環(huán)利用其組成元素的過程。線粒體自噬最初是由Kim等[3]通過早期的電鏡研究在哺乳動物細胞中發(fā)現(xiàn)的，線粒體被包裹到帶自噬標(biāo)記物MAP1輕鏈3(microtubule-associated protein 1 light chain 3，LC3)的囊泡中。LC3是酵母中Atg8的同源物，是一種類泛素蛋白，在自噬發(fā)生過程中與磷脂酰乙醇胺共價連接參與形成隔離膜[4]。線粒體自噬是一個縝密有序的巨自噬過程，利用了巨自噬的相關(guān)元件，因此，線粒體自噬從酵母到哺乳動物也都高度保守。線粒體自噬分為5個階段：隔離膜(isolation membrane)的形成、隔離膜延伸成為自噬前體(phagophore)并靶向到線粒體上、邊緣封閉隔離線粒體形成自噬體、自噬體通過細胞骨架系統(tǒng)與溶酶體(lysosome)融合形成自噬溶酶體(autolysosome)、受損或多余的線粒體隨后降解。線粒體作為細胞的能量工廠，除了生產(chǎn)ATP，還在細胞凋亡、血紅素和類固醇合成、Ca2+調(diào)節(jié)等過程中發(fā)揮關(guān)鍵作用，其功能正常與否對細胞本身至關(guān)重要。線粒體也是一個動態(tài)的網(wǎng)絡(luò)狀細胞器，通過不斷地改變其形態(tài)和功能以適應(yīng)細胞的需要。同樣，受損或多余線粒體的有效清除也是維持細胞內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定的關(guān)鍵。異常的線粒體自噬與神經(jīng)退行性疾病、癌癥、肌肉性疾病、糖尿病、肥胖和心臟病等都有關(guān)[5]。

自線粒體自噬概念被提出以來，有關(guān)線粒體自噬途徑的研究得到了廣泛的關(guān)注，其中，PINK1/Parkin途徑是目前研究較多的參與哺乳動物線粒體自噬的經(jīng)典通路。帕金森癥(Parkinson’s disease，PD)是第二大常見的神經(jīng)退行性疾病，發(fā)病率僅次于阿爾海默茲癥(Alzheimer’s disease，AD)，多種PD相關(guān)基因被發(fā)現(xiàn)突變能導(dǎo)致PD的發(fā)生，PINK1和Parkin是其中較早被發(fā)現(xiàn)的與常染色體隱性遺傳早發(fā)性PD相關(guān)的致病基因。線粒體穩(wěn)態(tài)的維持對于機體健康至關(guān)重要，線粒體自噬功能障礙與PD等疾病的發(fā)生密切相關(guān)，其功能異常增高也同樣會導(dǎo)致疾病。本文主要討論了酵母和哺乳動物內(nèi)正向調(diào)控線粒體自噬的途徑，包括經(jīng)典通路PINK1/Parkin途徑和其他受體介導(dǎo)的線粒體自噬途徑，并對目前研究較少的線粒體自噬的負調(diào)控機制進行了綜述，最后探討了線粒體自噬功能異常與人類疾病(如帕金森癥)的關(guān)聯(lián)。目前，線粒體自噬的分子調(diào)控機制是線粒體自噬和細胞自噬研究領(lǐng)域廣泛關(guān)注的焦點，這方面的研究對于揭示線粒體自噬相關(guān)疾病的發(fā)病機理及防治機制具有重要意義，同時也有助于尋找新的靶點，推動新藥研發(fā)與臨床治療。

1 酵母中的線粒體自噬

線粒體自噬現(xiàn)象首先是在酵母中發(fā)現(xiàn)的[6]，并利用酵母系統(tǒng)自身的優(yōu)勢對其分子機制進行了充分的研究。大多數(shù)Atg對于巨自噬都是必需的，也有些Atg(如Atg11)只對特定類型的選擇性巨自噬是必需的[7]。線粒體外膜蛋白Atg32是酵母中線粒體自噬的特異受體，其對非選擇性巨自噬、胞質(zhì)至液泡途徑(the cytoplasm to vacuole targeting pathway，Cvt pathway)、過氧化酶體自噬的發(fā)生是非必需的。Atg32由529個氨基酸組成，具有單一的跨膜結(jié)構(gòu)——跨線粒體外膜，其N端和C端分別暴露在胞質(zhì)和線粒體間質(zhì)中，且含WXXI結(jié)構(gòu)域[8]。

在酵母中，線粒體受損后誘導(dǎo)線粒體自噬，Atg32上的Ser114和Ser119位點(特別是Ser114)被磷酸化，隨后被磷酸化的Atg32與Atg11互作形成復(fù)合物[9]，Atg11通過與Atg8相互作用使得線粒體被自噬元件識別，隨后招募到自噬前體中；Atg32還可以通過WXXI胞質(zhì)結(jié)構(gòu)域直接與Atg8結(jié)合，同樣招募線粒體進入自噬體(圖1)[10]。近期研究發(fā)現(xiàn)，酵母中的線粒體自噬還與磷脂生物合成途徑有關(guān)，磷脂生物合成途徑是磷脂酰乙醇胺通過2個甲基轉(zhuǎn)移酶Cho2和Opi3轉(zhuǎn)化為磷脂酰膽堿，磷脂甲基化的調(diào)控對于Atg32介導(dǎo)的線粒體自噬至關(guān)重要[11]。此外，在氧化條件下Atg32缺失的酵母中沒有發(fā)現(xiàn)線粒體功能缺陷[8,12]，這表明酵母中存在另一條不依賴于Atg32的線粒體自噬通路，不同的通路可能介導(dǎo)不同目的的線粒體自噬。

圖1 酵母和哺乳動物中線粒體自噬的特異性受體Fig.1 The specific receptors of mitophagy in yeast and mammals.

2 哺乳動物中的線粒體自噬

2.1 PINK1/Parkin介導(dǎo)的線粒體自噬

PINK1是由PARK6基因編碼的高度保守的線粒體蛋白，包含N端線粒體定位信號序列(mitochondrial targeting signal，MTS)、α螺旋跨膜結(jié)構(gòu)域(transmembrane，TM)、絲氨酸/蘇氨酸激酶結(jié)構(gòu)域以及C端線粒體外膜滯留信號肽序列。Parkin是由PARK2基因編碼的蛋白質(zhì)，含有465個氨基酸。Parkin是泛素-蛋白酶體系統(tǒng)(ubiquitin-proteasome system，UPS)中選擇性降解機制的關(guān)鍵，負責(zé)將泛素(ubiquitin，Ub)分子連接到底物蛋白，加上Ub標(biāo)簽的底物蛋白被蛋白酶體識別后降解。遺傳學(xué)上的相互作用表明，PINK1與Parkin位于同一條通路上發(fā)揮保護線粒體的功能，且Parkin位于PINK1下游[13]。

在線粒體膜電勢正常的情況下，PINK1可結(jié)合外膜上的TOM復(fù)合物由細胞質(zhì)轉(zhuǎn)移到線粒體內(nèi)膜上，隨后被多種線粒體蛋白酶裂解[14]。經(jīng)典的PINK1/Parkin模型是線粒體受損后膜電勢降低，PINK1不能轉(zhuǎn)運至內(nèi)膜而是聚集在去極化的線粒體外膜上，接著PINK1磷酸化Ub的Ser65，磷酸化的泛素(pSer65-Ub)募集泛素連接酶Parkin至線粒體上。這種直接或間接的募集方式是通過pSer65-Ub與細胞溶質(zhì)分子的交流，向細胞質(zhì)傳遞線粒體損傷的信息，將Parkin從胞質(zhì)募集至受損線粒體外膜上[15]，在這一過程中，PINK1在Ser228和Ser402位點的自身磷酸化是募集Parkin所必需的，且PINK1激酶活力與線粒體定位信號也是不可缺少的[16]。隨后，PINK1通過磷酸化Parkin的Ser65激活其泛素連接酶活性，將Lys63和Lys48連接的多泛素鏈連接到線粒體外膜蛋白(如水通道蛋白VDAC1等)。胞質(zhì)中的自噬系統(tǒng)接頭蛋白p62和Beclin-1能結(jié)合這種泛素化蛋白，p62可以與LC3直接相互作用，從而錨定到自噬體的隔離膜上；蛋白Beclin-1可以招募Vps34-15-AMBRA復(fù)合物，與自噬體延伸元件Atg5-12/Atg16結(jié)合導(dǎo)致自噬體的形成。最終，線粒體自噬是通過線粒體自噬體與溶酶體融合隨后降解完成的[17～20]。

線粒體融合分裂機制與線粒體自噬密切相關(guān)，膜電勢正常的線粒體才能進入正常的融合分裂周期，而去極化的線粒體則走向自噬的命運[21]。PINK1和Parkin在可調(diào)控線粒體融合與分裂中也扮演著重要角色，研究表明PINK1和Parkin具有促進線粒體分裂的功能[22]。當(dāng)線粒體去極化后，PINK1招募Parkin到線粒體上，Parkin泛素化線粒體融合蛋白，隨后線粒體融合蛋白被蛋白酶體降解，這使得受損的線粒體無法與線粒體網(wǎng)絡(luò)融合而是通過自噬被清除[23]。此外，PINK1和Parkin還可通過調(diào)控線粒體運動來隔離受損的線粒體。Miro是將肌動蛋白固定在線粒體表面的初級馬達/適配器蛋白復(fù)合物的組成部分，線粒體去極化后，PINK1磷酸化Miro，隨后被Parkin依賴的泛素蛋白酶體途徑降解。Miro的降解阻滯了線粒體的運動，這有助于在去極化線粒體被自噬體吞噬之前將其隔離。通過隔離不健康的線粒體，可以將活性氧自由基(reactive oxygen species，ROS)對線粒體的損傷局限在特定的區(qū)域內(nèi)，隨后通過線粒體自噬清除受損的線粒體[24]?？傊?，哺乳動物細胞可以通過調(diào)節(jié)線粒體的清除、分布和運動來維持能量平衡和避免氧化應(yīng)激，而PINK1/Parkin通路可以通過線粒體融合蛋白等相關(guān)蛋白調(diào)控線粒體的融合與分裂，也可以借助Miro調(diào)節(jié)線粒體運動來介導(dǎo)線粒體自噬。

2.2 Nix介導(dǎo)發(fā)育過程中的線粒體自噬

程序性線粒體自噬即存在于發(fā)育過程中的線粒體自噬發(fā)生在紅細胞成熟過程中，目的是清除成熟紅細胞中的線粒體。研究表明，位于線粒體外膜的Bcl-2家族蛋白Nix參與了這一過程，在Nix缺失的小鼠成熟紅細胞中有線粒體的存在，而Nix缺陷會抑制紅細胞成熟，導(dǎo)致貧血[25]。Nix定位于線粒體外膜，胞質(zhì)部分含有WXXL結(jié)構(gòu)域，可與LC3及其同源蛋白GABARAP(GABA受體相關(guān)蛋白)相結(jié)合，將線粒體錨定到自噬體的隔離膜上，且Nix依賴的膜電勢對線粒體靶向到自噬體十分重要。此外，上調(diào)Nix蛋白可促進線粒體自噬抑制蛋白Bcl-2和Bcl-XL與Beclin-1的解離，從而影響自噬體的形成[26]。

Nix不僅在成熟紅細胞的線粒體清除過程中起作用，還參與介導(dǎo)干細胞分化過程中的線粒體自噬。誘導(dǎo)性多能干細胞(induced pluripotent stem cells，iPSCs)主要依賴糖酵解作為能量來源，干細胞比體細胞有更少的未成熟線粒體，因此在體細胞重編程過程中，體細胞線粒體需要被清除。在體細胞的分化過程中線粒體質(zhì)量先增加，隨后通過線粒體自噬減少。有研究發(fā)現(xiàn)，Nix對轉(zhuǎn)錄因子Sox2、Klf4、Pou5f1/Oct4(SKP/SKO)細胞重編程中的線粒體消除至關(guān)重要，而這一過程不依賴線粒體膜電勢的降低[27]。上述結(jié)果表明Nix還可能在其他發(fā)育過程中起重要作用。

2.3 FUNDC1介導(dǎo)缺氧誘導(dǎo)的線粒體自噬

FUNDC1是介導(dǎo)線粒體自噬的線粒體外膜蛋白，其包含3個跨膜域，以及位于N端保守的LC3結(jié)合域(LC3-interaction region，LIR)——Y(18)xxL(21)序列，此序列可在哺乳動物中與LC3互作介導(dǎo)缺氧引起的線粒體自噬。缺氧可導(dǎo)致FUNDC1去磷酸化，并增強其與LC3的相互作用，促進自噬體的形成[28]。LC3B可以識別FUNDC1位于LIR結(jié)構(gòu)域的Ser17位點的磷酸化狀態(tài)，表明FUNDC1磷酸化或去磷酸化是其作為線粒體自噬受體被特異識別的關(guān)鍵[29]。FUNDC1介導(dǎo)線粒體自噬不依賴Parkin，而另一線粒體E3泛素連接酶MARCH5卻能通過泛素降解FUNDC1來調(diào)控缺氧狀態(tài)下的線粒體自噬[30]。此外，F(xiàn)UNDC1可以與線粒體分裂蛋白Drp1和線粒體融合蛋白Opa1相互作用，調(diào)控線粒體分裂或融合和線粒體自噬。Opa1通過Lys70(K70)殘基與FUNDC1相互作用，K70突變使得FUNDC1-Opa1復(fù)合物解體從而促進線粒體分裂和線粒體自噬；FUNDC1的去磷酸化促進了FUNDC1與Opa1解離并與Drp1的結(jié)合，同樣促進線粒體自噬?？傊?，F(xiàn)UNDC1既調(diào)節(jié)線粒體分裂或融合，又調(diào)節(jié)線粒體自噬[31]。

2.4 新型線粒體自噬受體

除了上述3種調(diào)控線粒體自噬的途徑外，還有幾種新發(fā)現(xiàn)的線粒體自噬受體能夠介導(dǎo)線粒體的特異清除。Bcl-2類蛋白13(BCL2-like 13，BCL2L13)是新發(fā)現(xiàn)的Atg32功能性同源蛋白，參與介導(dǎo)線粒體自噬和線粒體分裂。BCL2L13表達并定位于線粒體外膜上，包含1個C端單跨膜結(jié)構(gòu)域、4個保守的BCL2同源結(jié)構(gòu)域(BCL2 homology domains，BH1-4)以及位于147～150和273～276位點的2個WXXL/I基序。其中，BH1-4結(jié)構(gòu)域與BCL2L13誘導(dǎo)的線粒體片段化有關(guān)。位于273～276位點上的第2個WXXL/I基序是一個可以與LC3結(jié)合的LIR，因此，BCL2L13可將LC3招募到線粒體表面，導(dǎo)致線粒體自噬小體的形成從而介導(dǎo)線粒體自噬。BCL2L13對于線粒體損傷引起的碎片化和線粒體自噬是必不可少的，誘導(dǎo)和/或磷酸化BCL2L13可以調(diào)節(jié)其活性，且不依賴線粒體分裂蛋白Drp1和E3泛素連接酶Parkin。此外，BCL2L13還能誘導(dǎo)Atg32缺陷酵母中的線粒體自噬，表明其功能具有保守性[32]。

NLRX1也是一個新發(fā)現(xiàn)的線粒體自噬受體，該受體介導(dǎo)了李斯特菌(Listeriamonocytogenes)感染誘導(dǎo)的線粒體自噬。NLRX1是Nod樣受體(the only Nod-like receptor，NLR)家族的成員，含有MTS和LIR結(jié)構(gòu)域。L.monocytogenes可通過誘導(dǎo)巨噬細胞的線粒體自噬來逃避宿主細胞的殺傷，具體機制是L.monocytogenes通過產(chǎn)生溶血素O(listeriolysin O，LLO)誘導(dǎo)NLRX1的寡聚化，促進LIR結(jié)構(gòu)域與LC3的結(jié)合，進而誘導(dǎo)線粒體自噬[33]。此外，線粒體內(nèi)膜蛋白Prohibitin 2(PHB2)也是重要的線粒體自噬受體。線粒體去極化后，蛋白酶體介導(dǎo)的線粒體外膜破裂會暴露線粒體內(nèi)膜上的PHB2，而PHB2上含有LIR結(jié)構(gòu)域，與LC3相互作用后介導(dǎo)線粒體與自噬體的結(jié)合。PHB2是哺乳動物中Parkin介導(dǎo)的線粒體自噬所必需的，同時參與線蟲中胚胎受精后父系線粒體的清除[34]。

綜上所述，除了PINK1/Parkin介導(dǎo)的線粒體自噬的調(diào)控機制較為清楚，其他機制(包括Nix、FUNDC1、BCL2L13、NLRX1、PHB2)介導(dǎo)的調(diào)控還有待進一步研究。這些受體蛋白質(zhì)都具有1個LIR結(jié)構(gòu)域，能通過LIR與LC3相連，定位到自噬小體上并進行后續(xù)的延伸及融合等步驟(圖1)。上述線粒體自噬通路的發(fā)現(xiàn)為研究哺乳動物細胞的線粒體質(zhì)量控制提供了更多的保障。

3 介導(dǎo)負調(diào)控線粒體自噬的途徑

異常或過度的線粒體自噬對機體是有害的，因此需找出一個平衡點，使胞內(nèi)的線粒體自噬保持在最佳水平以適應(yīng)外界壓力負荷的變化。而這種平衡就需要通過多種機制調(diào)控，包括已知的PINK1、Parkin、Nix等參與的在生理水平下正調(diào)控線粒體自噬，以及研究較少的負調(diào)控機制。

3.1 Parkin/USPs介導(dǎo)的可逆泛素化過程負調(diào)控線粒體自噬

目前關(guān)于線粒體自噬的負調(diào)控機制的研究主要是圍繞在以泛素連接酶Parkin和泛素特異蛋白酶(ubiquitin-specific protease，USPs)為中心的可逆泛素化過程。線粒體去極化誘導(dǎo)Ub的Ser65磷酸化后激活Parkin泛素連接酶活性，在線粒體上Lys6、Lys11和Lys63位點連接泛素鏈后，線粒體定位的USPs會剪切Lys6、Lys11、Lys63及Lys48(特別是Lys6和Lys11)連接的多聚體。其中，USP15和USP30直接去泛素化Parkin底物(包括TOM20、TOM70、VDACs等)，抑制Parkin介導(dǎo)的線粒體自噬，但不會影響Parkin自身泛素化以及Parkin靶向線粒體的過程[35～37]。而USP8可直接對Parkin本身去泛素化，促進線粒體自噬的發(fā)生。Lys6(K6)位點連接的Ub以某種方式阻礙Parkin與線粒體Ub鏈結(jié)合，USP8通過選擇性地移除連接在Parkin Lys6位上的Ub，使Parkin靶向至去極化線粒體，從而促進Parkin介導(dǎo)的線粒體自噬[38]。USPs和Parkin通過泛素化和去泛素化來達到線粒體上泛素鏈的穩(wěn)態(tài)平衡。

3.2 PTEN-L磷酸酶通過去磷酸化Ub負調(diào)控線粒體自噬

研究表明，Ub的Ser65被PINK1磷酸化后，pSer65-Ub可影響Ub的結(jié)構(gòu)和泛素鏈的組裝，同時大部分去泛素化酶(包括USP8、USP15和USP30)不能對磷酸化的泛素鏈進行水解[39]。因此，Ub的去磷酸化是負調(diào)控線粒體自噬的關(guān)鍵。磷酸酶及張力蛋白同源物(phosphatase and tensin homolog，PTEN)是一種常見的腫瘤抑制因子，能夠?qū)α字＜〈既姿?phosphatidylinositol-3,4,5-trisphosphate，PIP3)進行去磷酸化以抑制蛋白激酶B(protein kinase B，AKT)的活性，從而影響腫瘤細胞的增殖和生長。PTEN-L(PTEN-Long，也被稱為PTENα)是PTEN的一個亞型，其N端比PTEN多了173個氨基酸，具有潛在的分泌信號，不僅能夠從細胞中分泌出來，還能再次進入其他細胞內(nèi)抑制磷脂酰肌醇3-激酶(phosphatidylinositol 3-kinase，PI3K)信號。PTEN-L負調(diào)控線粒體解偶聯(lián)物羰基氰化物間氯苯腙(carbonyl cyanide m-chlorophenyl hydrazine，CCCP)、寡霉素和抗霉素(Oligomycin and antimycin，OA)等處理的不同線粒體受損情況下誘導(dǎo)的線粒體自噬，同時抑制Parkin的線粒體定位過程。PTEN-L依賴其蛋白磷酸酶活性，通過增強泛素樣(ubiquitin-like，UBL)結(jié)構(gòu)域和鋅指結(jié)構(gòu)域RING1的互作，使Parkin保持封閉構(gòu)象從而抑制Parkin E3泛素連接酶活性。PTEN-L以pSer65-Ub鏈為靶點去磷酸化泛素，進而破壞線粒體自噬中的前饋機制[40]。這些研究表明PTEN-L和PINK1對于維持線粒體穩(wěn)態(tài)具有重要的意義。

此外，PINK1可以不依賴Parkin通過招募自噬受體(如NDP52和OPTINEURIN)來調(diào)控自噬[41,42]，表明PINK1除正調(diào)控線粒體自噬外，可能還有其他維持線粒體穩(wěn)態(tài)的功能。綜上所述，哺乳動物細胞可能通過正調(diào)控機制和負調(diào)控機制共同來維持健康的線粒體群體(圖2)。然而，更多的參與線粒體自噬的負調(diào)控機制有待進一步研究。

圖2 線粒體自噬的正調(diào)控和負調(diào)控平衡Fig.2 The balance of positive and negative regulation of mitophagy.

4 異常的線粒體自噬與疾病

為了維持一個健康的線粒體群體，功能失調(diào)的線粒體要么融入健康線粒體網(wǎng)絡(luò)，要么通過線粒體自噬降解。線粒體自噬是一個復(fù)雜的、涉及多種蛋白質(zhì)和細胞器的通路，通過清除功能紊亂的線粒體可以降低細胞內(nèi)ROS水平，避免細胞走向凋亡或壞死。異常的線粒體自噬會影響線粒體群體健康，破壞細胞正常的生理機能，引起一系列包括神經(jīng)退行性疾病、心臟疾病和腫瘤等在內(nèi)的疾病。

4.1 線粒體自噬障礙與疾病

神經(jīng)元的正常新陳代謝需要線粒體提供大量能量，線粒體功能紊亂常常會導(dǎo)致神經(jīng)元的病變，因此，很多神經(jīng)退行性疾病與線粒體自噬功能障礙密切相關(guān)。研究發(fā)現(xiàn)，PINK1和Parkin的突變都會導(dǎo)致遺傳型PD的發(fā)生[43,44]。二者的缺失會導(dǎo)致線粒體自噬不能正常進行，氧化應(yīng)激增加，有毒物質(zhì)大量積累導(dǎo)致中腦黑質(zhì)線粒體的損傷，最終使得多巴胺能神經(jīng)元死亡[45,46]。近來的研究表明，PINK1和Parkin可以通過清除受損的線粒體來預(yù)防炎癥和神經(jīng)變性，從而減輕PD的表型[47]。另一PD相關(guān)基因ATP13A2也參與維持健康的線粒體群體[48]，ATP13A2突變使得線粒體功能受損[49]，表明線粒體清除受損是帕金森癥的一個重要致病因素。PD相關(guān)基因F-box結(jié)構(gòu)域包含蛋白(the F-box domain containing proteins，F(xiàn)bxo7)可以通過與PINK1和Parkin互作來調(diào)控線粒體自噬，共同參與線粒體穩(wěn)態(tài)的維持[50]。這些PD相關(guān)基因的研究明確了線粒體自噬障礙與PD的關(guān)系。

AD是老年人中最常見的神經(jīng)退行性疾病，也是一種與線粒體自噬障礙密切相關(guān)的神經(jīng)退行性疾病。受AD影響的神經(jīng)元在疾病發(fā)生的早期就出現(xiàn)線粒體功能失調(diào)和ROS水平升高，導(dǎo)致β-淀粉樣蛋白(amyloid-β protein，Aβ)沉積和Tau蛋白過度磷酸化這2種AD的主要病理特征的出現(xiàn)。研究表明，AD中線粒體自噬功能障礙導(dǎo)致受損線粒體的積累，加劇了氧化損傷和能量缺失，引起Aβ和Tau積累致使突觸功能障礙和認(rèn)知缺陷，這些又進一步使得線粒體自噬水平顯著下降[51]。PINK/Parkin介導(dǎo)的線粒體自噬在AD進程中發(fā)揮著調(diào)節(jié)作用，在小鼠AD模型中過表達PINK1或Parkin可加強受損線粒體的自噬清除，并延緩AD的神經(jīng)退行性進程[52,53]。

4.2 過度的線粒體自噬與疾病

在生理條件下，線粒體自噬需維持在一定水平來參與線粒體質(zhì)量控制，過度的線粒體自噬對細胞的存活是有害的，可能導(dǎo)致細胞死亡從而引發(fā)各種疾病。由于神經(jīng)元對高產(chǎn)能的特殊需求，線粒體質(zhì)量控制對神經(jīng)元功能至關(guān)重要，適當(dāng)?shù)木€粒體自噬能起到神經(jīng)保護的作用，而過度的線粒體自噬則會使神經(jīng)元死亡。PINK1功能缺陷可以導(dǎo)致氧化壓的提高和依賴Drp1的分裂增多使得線粒體自噬水平升高，而這種線粒體自噬水平的增強會導(dǎo)致PD的發(fā)生[54]。

浦肯野細胞是位于小腦皮質(zhì)的一類特殊神經(jīng)元，浦肯野細胞變性(Purkinje cell degeneration，pcd)是人類和小鼠遺傳性共濟失調(diào)的共同特征。pcd小鼠中存在自噬的過度激活和線粒體自噬增強，表明過多或異常的線粒體自噬會導(dǎo)致pcd，最終神經(jīng)元死亡[55]。BNIP3是Bcl-2蛋白家族成員，僅含BH-3結(jié)構(gòu)域的促凋亡蛋白，它可以通過與LC3互作來誘導(dǎo)過度的線粒體自噬，導(dǎo)致腦缺血后的遲發(fā)性神經(jīng)元死亡[56]。

心肌細胞同樣對產(chǎn)能有高需求，因此，自噬水平的高低也能決定其利弊。當(dāng)受到輕微的生理壓力刺激時，可誘導(dǎo)線粒體自噬提高線粒體周轉(zhuǎn),起到保護作用。當(dāng)心臟持續(xù)超負荷時，超生理水平的線粒體自噬會導(dǎo)致線粒體的過度清除，使得ATP生成受阻、心肌纖維化及病理性重構(gòu)，最終導(dǎo)致心力衰竭[57]。

5 展望

線粒體自噬是把雙刃劍，正常水平的線粒體自噬是機體應(yīng)對受損線粒體的一種防御機制，可以起到保護神經(jīng)元和心肌細胞等的作用；但是過度的線粒體自噬使得線粒體循環(huán)異常，能量代謝隨之紊亂，最終導(dǎo)致細胞死亡。巨自噬相關(guān)蛋白的缺陷，以及與線粒體和溶酶體相關(guān)蛋白的缺陷都可能導(dǎo)致線粒體自噬的功能障礙。巨自噬缺陷會引起多重系統(tǒng)紊亂的人類疾病，如Vici綜合征；溶酶體蛋白的丟失也與很多臨床上表型較為嚴(yán)重的人類疾病相關(guān)，如Danon病、Pompe病及多種硫酸酯酶缺乏癥等，表明自噬的完全缺陷會導(dǎo)致嚴(yán)重的細胞缺陷[58]。相對于巨自噬通路的障礙產(chǎn)生的嚴(yán)重表型，其亞通路線粒體自噬障礙并不會對機體造成如此大的危機。這說明線粒體自噬在線粒體整體維護中發(fā)揮相對較小的作用，或者有其他替代的線粒體自噬通路參與。但線粒體自噬障礙的現(xiàn)象卻是在多種疾病中發(fā)現(xiàn)的，因此，更多關(guān)于線粒體自噬的機制亟待研究。

近年來，酵母和哺乳動物細胞中的線粒體自噬機制早已是研究熱點，但不同因素或不同組織發(fā)生的線粒體自噬可能有不同的途徑參與，更多的線粒體自噬機制的研究仍欠缺，有待進一步深入探究。功能障礙的線粒體會導(dǎo)致胞內(nèi)ROS的累積，逐漸導(dǎo)致細胞死亡，調(diào)控線粒體自噬則可能逆轉(zhuǎn)細胞的命運。因而，對線粒體自噬調(diào)控機制方面的深入研究，可為現(xiàn)階段癌癥、腫瘤、神經(jīng)變性等疾病提供新的治療方向和新的治療靶標(biāo)。