【摘要】真核细胞会在基因干扰、营养缺乏、衰老、氧化应激和毒性环境性受损，细胞中由一种高度自律的“自食”程序负责处理相关异常细胞，其过程被称为自噬。自噬能及时清除异常线粒体，并以此保证细胞的能量供应正常。线粒体自噬的调节与细胞衰老、基因组稳定、肿瘤形成、缺血性病变等有关，本文尝试描述细胞在缺氧环境下所发生的线粒体自噬的相关调节机制。
【关键词】缺氧；自噬；线粒体自噬；缺氧诱导因子；动力相关蛋白
【中图分类号】R54 【文献标识码】A 【文章编号】2095-1752（2018）12-0009-02
1.引言
自噬这一概念时至今日，发展为指真核细胞的蛋白质、受损的线粒体、过氧化物酶体、核糖体、内质网、核内体、脂滴和病原体等[1]被溶酶体进行降解并再次利用的过程，有机体通过自噬来达到抵御不良环境及清除有害因子的目的。目前的研究表明在酵母及哺乳动物中的过程及调节机制高度类似。
目前根据将胞浆底物运输至溶酶体的机制不同,可将自噬分为3类：分子伴侣介导自噬、微自噬、巨自噬。其中巨自噬是自噬过程中最常见的一种，通常称呼的自噬即为巨自噬，其中包括重要的线粒体自噬。本文尝试描述细胞在缺氧环境下所发生的线粒体自噬的相关调节机制。
1.1 ROS-HIF相关缺氧调节途径
细胞因供氧不足导致线粒体电子传递受损，电子从氧化呼吸链中的NADH脱氢酶、琥珀酸脱氢酶中脱离，脱离的电子与氧气分子结合，生成了大量活性氧（ROS）。ROS的大量生成能使HIF-1稳定，并促使其与HRE结合，并随后激活下游靶基因的转录[2]，过量的ROS生成会导致细胞膜的脂质过氧化损伤及DNA断裂[3]。
缺氧介导因子家族（HIFs）是机体维持氧稳态信号系统中关键的二聚体转录因子，均由α、β亚基构成，α亚基主要包括HIF-1α、HIF-2α、HIF3α这3个氧依赖亚基，β亚基即HIF-1β亚基，α亚基与β亚基结合成二聚体结构时即HIF-1、HIF-2和HIF3[4]。HIF-1α亚基受缺氧调控并调节HIF-1的活性。HIF-1β亚基又称 ARNT,只有当HIF-1α亚基/HIF-α亚基与HIF-1β亚基形成异二聚体后才能发挥转录因子作用[5]。
常氧状态下（O2 21%），HIF-α亚基在翻译后其脯氨酸残基会透过HIF脯氨酰羟化酶(PHD)羟基化，使其能被VHLE3泛素连接酶辨识并泛素化，其后迅速被泛素-蛋白酶体复合体降解[6]，在缺氧状态下，2价铁离子、2-酮戊二酸、抗坏血酸减少，PHD功能被抑制，VHL与HIFα的氧依赖降解结构域ODDD结合过程被阻断，HIF-α泛素化及降解停止，HIF-α亚基得以与HIF-β亚基聚合成有活性的HIF二聚体。与PHD类似的HIF相关调节因子为FIH-1，即天冬酰胺羟化酶，类似地它也是一种羟化酶，可结合HIF-α并通过羟基化HIF-α的反式激活区（TAD）抑制其反式激活功能，从而抑制CBP/P300和其他共同激活因子在反式激活区的募集[7]，也可与VHL结合继而抑制Notch信号通路，并通过该通路调节缺氧反应。HIF-1α同时对缺氧状态下的中对血红素加氧酶1（HO-1/HMOX1）及血管内皮生长因子VEGF有重要的调节诱导功能，在对人结直肠腺癌细胞HCT-15的实验中能提高其抗缺氧能力及生长速度[8]。
HIF通过上述pVHL/PHD/FIH/HIF轴于不同氧含量下改变构象，低氧环境下HIF-α转位至细胞核内，与共同激活因子CBP/P300、HIF-β形成复合体，促进目的基因的转录以达到调节转录的作用。综上，HIF家族是一类对细胞缺氧适应有重要作用的转录因子，其具体调节范围包括细胞的糖代谢、血管生成、程序性死亡[9]，其中BNIP3/BNIP3L是其重要的下游调节靶点。
1.2 BNIP3/BNIP3L-AKT/PI3K相关调节
BNIP3是属于一种线粒体外膜蛋白。BNIP3/BNIP3L与Beclin-1、Bcl-XL同属Bcl-2家族中BH3-only亚家族的成员，均具有BH3结构域[10]。低氧状态下ROS-HIF调节通路激活， BNIP3、BNIP3L、Beclin1与Atg5的表达增加，此时BNIP3/BNIP3L与Bcl-XL/Bcl-2的BH3结构域竞争性结合，Beclin-1从线粒体上的Bcl-2/Beclin-1复合体或Bcl-xl/beclin-1复合体上释放出来[11]，游离状态的Beclin-1与VPS34等蛋白形成PI3K复合体，最后通过PI3K/Akt通路激活线粒体自噬[12]，从而达到保护细胞的目的。
BNIP3L（又称NIX）与BNIP3是类似的线粒体受体蛋白,具有几乎相同的LC3结合区，他们在哺乳类动物线粒体功能异常时与LC3、GABARAP-L1等相关调节因子聚集到异常线粒体上使其与自噬体结合，通过自噬清除异常线粒体[13]。
另外，在毒素损害/缺氧状态下的心肌细胞中能观察到BNIP3能破坏线粒体的网状结构，促进线粒体分裂，进而线粒体自噬增加，而共表达BNIP3与MFN1能显著减少此类自噬的发生，证明BNIP3可单独通过促进线粒体分裂而诱导线粒体自噬增加[14]。在另一实验中，经阿霉素、缺氧条件处理过的心肌细胞中，线粒体碎片数与细胞死亡数显著上升；而BNIP3敲除组、鞣花酸处理组的线粒体碎片数、细胞死亡数则较对照组低[15]，表明BNIP3的调控与线粒体分裂、自噬的调控有密切关系，为细胞保护的研究提供了新的方向。
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2.FUNDC1相关的线粒体自噬调节机制
FUNDC1是一种跨膜蛋白，位于线粒体外膜上，具有3个α螺旋，其中膜外的N端氨基序列中包含一段保守LIR，由此区域可以与LC3相互作用以介导低氧诱导的线粒体自噬[16]。正常情况下FUNDC1通过与内质网膜钙调蛋白的链接，在MAM处聚集；缺氧时FUNDC1/钙调蛋白的链接变弱，继而DRP1因与FUNDC1结合后被募集到MAM，线粒体开始分裂、自噬。对应地，在低氧条件下敲除DRP1，FUNDC1或钙调蛋白三者之一均能观察到线粒体分裂及线粒体自噬的发生率下降，证实了此学说。[17]
3.结语
线粒体自噬作为缺氧情况下细胞自我保护、自我修复的一个重要程序，已被证实和神经及心肌细胞缺血缺氧损伤、神经细胞退行性变、肿瘤细胞的自我保护有关。通过深入研究其调节机制，可以得出对相关疾病的新靶点，继而探索出相应的疗法。
【参考文献】
[1] Anding AL,et al.Cleaning House: Selective Autophagy of Organelles.DEV CELL.2017.
[2] Dengler VL,et al.Transcriptional regulation by hypoxia inducible factors.CRIT REV BIOCHEM MOL.2014.
[3] Sermeus A,et al.Differential effect of hypoxia on etoposide-induced DNA damage response and p53 regulation in different cell types.J CELL PHYSIOL.2013.
[4] Wang GL, et al.Hypoxia-inducible factor 1 is a basic-helix-loop-helix-PAS heterodimer regulated by cellular O2 tension.P NATL ACAD SCI USA.1995.
[5] Liu YV,et al.RACK1 competes with HSP90 for binding to HIF-1alpha and is required for O(2)-independent and HSP90 inhibitor-induced degradation of HIF-1alpha.MOL CELL.2007.
[6] Rytkonen KT,et al.Molecular evolution of the metazoan PHD-HIF oxygen-sensing system.MOL BIOL EVOL.2011.
[7] Lando D,et al.Asparagine hydroxylation of the HIF transactivation domain a hypoxic switch.Science (New York, N.Y.).2002.
[8] Cheng CC,et al.Blocking heme oxygenase-1 by zinc protoporphyrin reduces tumor hypoxia-mediated VEGF release and inhibits tumor angiogenesis as a potential therapeutic agent against colorectal cancer.J BIOMED SCI.2016.
[9] Lee KE,et al.SnapShot:Hypoxia-Inducible Factors.CELL.2015.
[10] Lomonosova E,et al.BH3-only proteins in apoptosis and beyond: an overview.ONCOGENE.2008.
[11] Bellot G,et al.Hypoxia-induced autophagy is mediated through hypoxia-inducible factor induction of BNIP3 and BNIP3L via their BH3 domains.MOL CELL BIOL.2009.
[12] Kang R,et al.The Beclin 1 network regulates autophagy and apoptosis.CELL DEATH DIFFER.2011.
[13] Hanna RA,et al.Microtubule-associated protein 1 light chain 3 (LC3) interacts with Bnip3 protein to selectively remove endoplasmic reticulum and mitochondria via autophagy.J BIOL CHEM.2012.
[14] Lee Y,et al.Mitochondrial autophagy by Bnip3 involves Drp1-mediated mitochondrial fission and recruitment of Parkin in cardiac myocytes.AM J PHYSIOL-HEART C.2011.
[15] Dhingra A,et al.Ellagic acid antagonizes Bnip3-mediated mitochondrial injury and necrotic cell death of cardiac myocytes.FREE RADICAL BIO MED.2017.
[16] Chen M,et al.Mitophagy receptor FUNDC1 regulates mitochondrial dynamics and mitophagy.AUTOPHAGY.2016.
[17] Wu W,et al.FUNDC1 regulates mitochondrial dynamics at the ER-mitochondrial contact site under hypoxic conditions.EMBO J.2016.
论文作者:林广宏
论文发表刊物:《医药前沿》2018年4月第12期
论文发表时间:2018/4/19
标签：线粒体论文; 细胞论文; 因子论文; 转录论文; 复合体论文; 蛋白论文; 低氧论文; 《医药前沿》2018年4月第12期论文;