PINK1/Parkin信号通路调控的线粒体自噬在慢性阻塞性肺疾病中的研究进展

袁东 李梦雨 李亚清

慢性阻塞性肺疾病（chronic obstructive pulmonary disease，COPD）是危害最为严重的慢性呼吸疾病，其死亡人数及社会经济负担长期居我国慢性病前三位。最新的研究显示，COPD在我国20岁及以上人群患病率已达8.6%[1]。据世界卫生组织及世界银行预测，至2020年COPD将成为人类第四大死亡原因及造成世界第五大社会经济负担的疾病[2-3]。COPD作为一种重要的全球性社会公共卫生问题，迫切需要社会进一步重视。目前COPD的发病机制尚未明确，炎症、蛋白酶-抗蛋白酶失衡、氧化应激、细胞衰老等均可能参与其中[4]。最新的研究发现自噬也参与了COPD的发病，线粒体自噬作为一种选择性自噬，可以降解因应激产生的损伤线粒体，保持线粒体乃至细胞整体功能稳定。PINK1/Parkin作为调控线粒体自噬的主要信号通路，对于维持Ⅱ型肺泡上皮细胞的正常功能亦至关重要[5]，进而同样参与了COPD的发生与发展。笔者就近年来PINK1/Parkin参与调控的线粒体自噬在COPD发病中作用的相关研究进展作一综述。

1 PINK1/Parkin调控的线粒体自噬

1.1 线粒体 线粒体作为一种拥有自身的基因组的细胞器，在产生细胞能量、维持细胞代谢、细胞内信号传导和细胞死亡程序的调控等方面起着重要作用。其通过生物发生和溶酶体依赖的降解调控维持自身数量，同时受到自身延伸和分裂的动态过程的影响，继而对自身进行质量控制来维持细胞正常功能[6]，作为真核细胞的能源中心，在通过氧化磷酸化为细胞提供能量的同时产生活性氧。当活性氧生成过多或超氧化物歧化酶、谷胱甘肽过氧化物酶等抗氧化物水平不足时，活性氧会攻击线粒体的脂类、蛋白质和线粒体DNA，引起线粒体DNA损伤以及线粒体功能障碍，而线粒体活性氧（mitochondrial ROS，mtROS）则进一步引起炎症和细胞衰老，是导致许多疾病发生、发展的关键因素[7-9]。同时，新的研究发现线粒体作为抗病毒天然免疫信号传导过程中RNA和DNA传感的平台，在启动和调控人体免疫系统中亦发挥重要作用[10]。

1.2 线粒体自噬 线粒体自噬也被称为有丝分裂，作为一种选择性自噬在清除体内损伤线粒体、维持细胞稳态方面发挥着重要作用[11]。作为进化上高度保守的细胞机制，其主要功能是对细胞进行质量控制，同时也是线粒体唯一的基因组转录途径。自噬过程受到多种因子调控，有多种机制参与其中，但导致受损线粒体自噬的信号通路尚不完全清楚，现在普遍接受的途径主要是PINK1/Parkin诱导的和BNIP3/NIX依赖的线粒体自噬[12]。目前在酵母中已发现至少20种自噬相关基因（autophagy related genes，Atg）。微管相关蛋白1轻链3是Atg 8在哺乳动物细胞中的同源蛋白[13]。酵母线粒体自噬主要由Atg 32介导，Atg 32与Atg 8、Atg 11相互作用，构成启动聚合体，启动线粒体自噬。

1.3 PINK1和Parkin PINK1和Parkin作为两种神经保护蛋白，其编码的基因突变已被证明是家族性常染色体隐性帕金森病等神经退行性疾病发病的主要危险因素[14]。PINK1是目前唯一已知的线粒体靶向丝氨酸/苏氨酸激酶，作为PARK6基因编码的含有581氨基酸蛋白质，具有一个N端线粒体靶向序列，一个假定的跨膜螺旋、一个N端连接区、激酶域和一个C端延伸[15]。作为线粒体的分子传感器，可以不断地监测线粒体的状态，在正常情况下PINK1通过线粒体外膜上外膜转位酶复合物作用，进入线粒体膜间腔，其后与其内膜上的内膜转位酶复合物结合，转移至线粒体内膜上，被内膜上的早老素相关菱形蛋白分解[16]。当线粒体受到诸如去极化、错误折叠蛋白或活性氧等损伤时，PINK1进入线粒体受限，使其不断在线粒体表面聚集，并与线粒体外膜上的外膜转位酶复合物形成复合体[17]。最新的研究揭示了线粒体外膜上外膜转位酶复合物结构和PINK1集聚的具体步骤[18]。然而，与线粒体外膜上外膜转位酶复合物亚单位相互作用的分子基础以及导致PINK1导入或积累的相互作用的变化仍有待进一步研究。

Parkin是由PARK2基因编码的含有465个氨基酸的E3泛素连接酶，由N端的泛素样结构域和4个锌配位环状结构域组成，属于环间结构域家族，可共价连接泛素分子与底物，形成多种泛素链，在线粒体去极化时对多种细胞溶质和线粒体膜外蛋白进行泛素化[19]，因为其具有相对宽松的底物特异性，可使多种底物被蛋白酶识别、降解[20]。在细胞中，Parkin的活性通常受到严格调控，仅在线粒体去极化或表皮因子信号传导等多种条件下才能被激活[21]，相反，许多破坏其结构诸如热处理、N末端缺失、和点突变亦能抑制其活性[22]。

1.4 PINK1/Parkin调控的线粒体自噬PINK1/Parkin通路作为线粒体自噬的关键调控通路，已被证明需要Parkin和PINK1的共同参与，在黑腹果蝇中，PINK1和PARKIN基因敲除导致线粒体内稳态、氧化应激、多巴胺能神经元功能、运动和先天免疫反应缺陷[23]，表明PINK1/Parkin共同存在对于维持线粒体网络完整及细胞正常功能均有着重要意义。当线粒体受损或衰老时，线粒体膜电位的降低导致PINK1的降解减缓，进入线粒体受阻，从而促进其在线粒体外膜上的积累，PINK1的不断累积导致其自身磷酸化后促进了Parkin的激活[15]，Parkin被完全激活后在受损的的线粒体外膜上构建泛素链，在此基础上两者相结合，线粒体外膜可以为PINK1磷酸化提供更多泛素，并导致更多的Parkin招募和激活。这种正反馈回路能够使Parkin快速有力地转移到受损的线粒体上[14]，为新的泛素分子被PINK1磷酸化提供了可能，泛素化后的线粒体表面蛋白质可导致缺陷线粒体的分离，随后线粒体出现微管蛋白轻链3阳性的自噬体和溶酶体关联膜蛋白1阳性的溶酶体，从而促进线粒体自噬并消除受损线粒体[24]。

尽管PINK1/Parkin通常被认为是线粒体自噬的主要调控器，但越来越多的证据表明，在没有PINK1或Parkin的情况下，线粒体自噬仍然可以发挥作用，即PINK1介导的Parkin非依赖性线粒体自噬。最近，Lee等[25]研究发现，在缺乏Parkin的果蝇中，线粒体自噬仍然存在，这突显出Parkin对线粒体自噬不是必需的。同样，Villa等[26]的研究发现ARIH作为一种新的E3泛素连接酶，在以PINK1依赖性方式触发癌细胞中的线粒体自噬的同时并未检测到Parkin的活性。Szargel等[27]观察到synphilin-1与PINK1相互作用并被募集到线粒体中，在促进PINK1依赖的线粒体自噬同时，Parkin并未被激活，表明了PINK1-synphilin-1-代表一种新的与PINK1/Parkin无关的线粒体自噬途径。尽管现在对PINK1、Parkin和线粒体自噬的生物学作用的研究取得了很大进展，但将三者有机结合起来之后，关于这一自噬途径的许多重要问题仍然存在，需要进一步的实验研究阐明其作用机制。

2 COPD中PINK1/Parkin调控的线粒体自噬

COPD是一种常见的、以不可逆气流受限性为特征的炎症性呼吸系统疾病。肺弹性组织降解、肺泡结构破坏与气腔扩大是COPD患者的主要病理表现，同时也是其肺功能进行性下降的关键性因素[28]。吸烟是导致COPD的主要原因[29]。长期暴露于香烟烟雾会激活活性氧，造成肺上皮细胞线粒体功能障碍[30]，引起细胞性氧化应激和凋亡，并最终导致气道变窄、阻塞并破坏肺组织[31]，表明线粒体结构和功能完整性受损并伴有过多mtROS的产生与COPD发病过程中程序性细胞死亡和细胞衰老增强息息相关[32-33]。

自噬在COPD的病理生理学中起着关键作用，越来越多的证据表明COPD患者的自噬失调。一般来说，自噬在肺上皮细胞中受到外来刺激是激活的。然而，在COPD中对自噬增加及其在疾病发病机制中作用的解释和随后的下游解释仍存在争议，一方面，自噬的损伤可导致清除氧化应激损伤的蛋白质或细胞器能力降低，加速COPD的发病[34]。另一方面，过度活跃的自噬会导致细胞死亡/凋亡和纤毛丢失，最终导致肺气肿[35]。以PINK1/Parkin通路作为关键调控通路的线粒体自噬被认为是COPD的主要自噬类型，似乎在COPD中亦具有双重作用。

Parkin缺乏会导致线粒体损伤增加，增强ROS积聚，加速香烟烟雾暴露后肺上皮细胞衰老。Araya等[36]发现，Parkin基因敲除鼠在香烟烟雾提取物（cigarette smoke extract，CSE）暴露后表现出典型的气道壁增厚和肺气肿变化，同时PINK1蛋白水平降低的情况下，Parkin过表达在CSE暴露期间诱导线粒体自噬，导致mtROS产生减弱和细胞衰老。相反，PINK1过表达未能恢复由Parkin敲除引起的受损的线粒体自噬，表明Parkin蛋白水平可能是CSE暴露期间PINK1/Parkin介导的线粒体自噬的限速因子。这些结果表明Parkin水平可能通过调控线粒体自噬在COPD发病机制中发挥关键作用，即Parkin介导的自噬可能在CSE诱导下削弱细胞衰老和抑制COPD的进展。

然而，Parkin的不断增加可能同样导致了COPD的不断加重。Leermaker等[37]研究发现COPD患者骨骼肌中的线粒体破坏增加，且疾病严重程度与线粒体含量损失呈正相关，与此同时，Parkin蛋白和基因表达较高，且表达水平与一秒率呈负相关。表明Parkin的累积导致线粒体不断受损，导致上皮细胞过量凋亡造成COPD患者病程进展。

PINK1可以调控自噬继而促进肺上皮细胞坏死凋亡，从而导致COPD的不断进展。Kyung等[38]通过研究线粒体自噬对CSE暴露的肺支气管上皮细胞死亡的调控作用发现：PINK1的表达水平在CSE通过诱导线粒体功能障碍的肺支气管上皮细胞中上调。而罗氟米特通过抑制PINK1的表达可抑制CSE诱导的线粒体功能障碍和自噬，从而保护肺支气管上皮细胞免受死亡和提高细胞活力。另外，Mizumura等[39]发现与野生型同窝小鼠相比，敲除PINK1基因小鼠在暴露于香烟烟雾时，肺坏死程度减轻，肺泡腔扩大程度降低。而在野生型小鼠中促凋亡神经酰胺在香烟烟雾暴露中增加，然而作为PINK1的上游启动子，其积累可以导致线粒体进一步损伤和PINK1介导的细胞坏死性凋亡，并且同时抑制了小鼠肺中潜在的肺泡上皮保护性促凋亡神经酰胺蛋白表达。上述研究表明，PINK1的过表达可能是COPD患者的病情进一步加重的潜在因素。总之，线粒体自噬的激活或抑制是否对维持肺上皮细胞功能、延缓细胞衰老和肺气肿，目前尚无明确观点，仍需要大量的研究进一步评估其在COPD发展中的双重调控作用。

3 小结

以PINK1/Parkin为主要调控通路的线粒体自噬对于清除受损或衰老的线粒体、维持线粒体网络完整及细胞正常功能均有着重要意义，其在COPD的进展过程中既有保护作用，也有损伤作用，但参与其调控过程的相关分子及机制仍不清楚。未来如果能进一步对其适当调控，让其发挥延缓肺上皮细胞凋亡，减轻肺泡损伤的作用，有望成为COPD治疗的新方向。