线粒体自噬参与糖尿病视网膜病变的研究进展.pdf

文献综述线粒体自噬参与糖尿病视网膜病变的研究进展李诗燚王 柯邹文军引用:李诗燚王柯邹文军.线粒体自噬参与糖尿病视网膜病变的研究进展.国际眼科杂志():基金项目:江苏省博士后科研资助项目(.)无锡市卫生健康委重大项目(.)无锡市卫生健康委中青年医疗卫生拔尖人才项目(.)作者单位:()中国江苏省无锡市南京医科大学附属无锡第二医院眼科()中国江苏省无锡市江南大学附属中心医院眼科()中国江苏省无锡市原子医学研究所功能蛋白课题组作者简介:李诗燚在读硕士研究生研究方向:眼底病通讯作者:邹文军博士副主任医师硕士研究生导师研究方向:眼底病及神经眼科疾病.收稿日期:修回日期:摘要线粒体功能对于需氧真核细胞的生存至关重要因为线粒体通过产生三磷酸腺苷()提供能量、调节细胞代谢、提供氧化还原平衡、参与免疫信号传导并启动细胞凋亡线粒体自噬是一种细胞内针对功能障碍线粒体的选择性降解机制参与线粒体的质量控制及细胞稳态的维持 近年来越来越多的研究发现异常的线粒体自噬参与多种眼部疾病的发生发展如糖尿病视网膜病变()、年龄相关性黄斑变性和青光眼等 因此本文总结已知的线粒体自噬定义整理各种使用细胞培养、动物和人体组织模型进行研究的结果并就线粒体自噬的分子生物学过程及其在 中的作用展开综述以期为 的治疗手段提供新思路关键词:糖尿病视网膜病变线粒体自噬分子机制:./.:(.)(.)(.).:.:().().:.()():引言糖尿病视网膜病变()作为糖尿病()最常见的慢性并发症是成年人视力下降和失明的主要原因 以视网膜微血管损伤、神经退行性病变等为主要特征而细胞自噬参与 病变过程并促进其发生发展 自噬是普遍存在于真核生物中的分子生物学过程在这过程中受损或功能失调的细胞器和大分子通过自噬体形成、溶酶体自噬体融合和酶消化从细胞中清除根据底物被传递到溶酶体的机制分为 种:分子伴侣介导的自噬、微自噬和巨自噬线粒体自噬属于巨自噬类型之一在维持线粒体稳态中发挥重要作用 已有研究表明异常线粒体自噬与多种眼部疾病的发生发展密切相关包括、糖尿病性角膜内皮细胞功能障碍、原发性开角型青光眼、假性剥脱性青光眼和年龄相关性黄斑变性等 本文主要对线粒体自噬分子机制及其参与 的作用进行回顾为 的靶向治疗提供新的思路 线粒体自噬的定义及分类线粒体 作 为 细 胞 的 供 能 细 胞 器 以 三 磷 酸 腺 苷国际眼科杂志 年 月 第 卷第 期 :/.电话:电子信箱:.()的形式为机体提供约 的能量对细胞代谢和能量产生至关重要 线粒体自噬在 年首次由 提出是一种细胞受刺激后选择性清除受损或功能失调的线粒体、从而保留功能性线粒体群的过程被认为是控制线粒体数量和质量的一种主要机制 线粒体自噬障碍会导致线粒体的积累、线粒体嵴结构改变、生物能量学功能障碍、细胞死亡、以及最终可能致命的器官和组织损伤 目前研究已发现多种蛋白及通路参与介导了线粒体自噬的过程根据吞噬囊泡与受损线粒体识别机制的不同可大致分为泛素依赖型及受体依赖型.泛素依赖型线粒体自噬 诱导的假定激酶蛋白()/线粒体自噬途径是最具特征的泛素依赖型之一由 和 蛋白介导 蛋白在正常情况下通过线粒体转位膜复合物转运至线粒体内随后被线粒体加工肽酶和早老素相关菱形样蛋白切割降解 然而当线粒体功能障碍时 降解受抑制并积聚从而磷酸化并募集激活胞质中的 蛋白 激活的 蛋白结合受损线粒体并泛素化线粒体外膜蛋白从而募集自噬受体/(以下简称)可结 合 自 噬 小 体 膜 上 的 微 管 相 关 蛋 白 轻 链(/)促 进 自 噬 小 体 包 裹 水 解 线 粒 体 完 成 线 粒 体自噬.受体依赖型线粒体自噬受体介导的线粒体自噬不依赖于泛素化受自噬体膜上的 氨基丁酸受体相关蛋白()和 蛋白的调节通过受损线粒体外膜上的()、()以及()等具有 相互作用结构域()的蛋白直接与 相互作用而被吞噬囊泡识别./通路 蛋白位于线粒体外膜 蛋白是 同源物两者共同含有 同源结构域 可能通过干扰 和 蛋白质之间的相互作用来启动线粒体自噬通过羧基末端结构域定位于线粒体外膜上氨基末端则通过 与 相关分子结合招募吞噬囊泡包裹受损线粒体 此外/与 的相互作用受磷酸化调控位于 模体的 处和 处及 模体的 处和 处的磷酸化分别促进两者与 的结合 网织红细胞在红细胞成熟分化过程中会选择性清除线粒体研究发现 基因缺陷小鼠由于受体介导的线粒体自噬减弱而发展为贫血表明其在哺乳动物红细胞的分化及成熟过程中发挥着不可或缺的作用.通路 结构域包含蛋白()是一种通过其氨基末端 基序与 相互作用的线粒体外膜蛋白 过表达可在多种细胞中诱导线粒体自噬 在生理条件下 被 激酶()和 酪氨酸蛋白激酶()磷酸化和阻断而线粒体去极化时线粒体 磷 酸 酶()引起的 去磷酸化被触发激活线粒体自噬 同时 还与动力相关蛋白()及视神经萎缩相关蛋白()相互作用调节线粒体动力学及线粒体自噬水平.其他通路(也称为)属于 结合蛋白()家族也具有 结构域与 类似锚定在线粒体外膜上将脂化的 募集到受损的线粒体并增加非泛素依赖的线粒体自噬生理条件下突触融合蛋白()从内质网到线粒体的运输通过与裂变蛋白()的相互作用来控制 的缺失导致 累积同时招募含有 的自噬相关蛋白()复合物与 相互作用驱动线粒体自噬此外、泛素连接酶()以及 泛素调节因 子 等分 子也被报 道 参 与 线 粒 体自噬 线粒体自噬与 与线粒体自噬障碍密切相关研究发现高糖条件下原代人视网膜内皮细胞的线粒体功能在第 受损但在第 得到改善其中对受损线粒体的清除(线粒体自噬)增加 结果表明高糖诱导的线粒体适应可能是延迟 发病机制的一个可能因素而包括线粒体自噬的线粒体适应能力丧失可能为 的发展奠定基础 期间线粒体自噬上调或受抑制其水平可能取决于高糖的程度 等在体外培养的视网膜色素上皮细胞中观察到葡萄糖浓度略有增加(/)诱导线粒体自噬上调而葡萄糖浓度大幅增加(/)抑制线粒体自噬细胞趋于凋亡 相应的机制可能是轻度高糖诱导应激反应使细胞通过线粒体自噬“自我保护”而重度或持续性高糖可引起细胞损伤导致线粒体自噬障碍因此了解其参与 的分子机制对于疾病的有效干预具有重要的临床意义.血管内皮细胞线粒体自噬与 主要包括视网膜血管功能障碍、毛细血管丢失和高糖()长期暴露引起的内皮细胞损伤 等发现 条件下 利 用 氧 化 低 密 度 脂 蛋 白()处理血管内皮细胞()的第 裂变蛋白(和)水平增加但融合相关蛋白 和内膜融合蛋白()水平不增加 在 条件下利用 处理 后、和 等线粒体自噬蛋白水平增加但此后下降这可能因为 在 条件下诱导线粒体活性氧()产生介导线粒体裂变但融合过程并未改善由此产生的线粒体损伤最终导致细胞凋亡和随后的自噬抑制 灯盏花乙素()是一种从灯盏花中提取的活性成分主要生理功能是抗炎和抗氧化已被用于治疗心血管疾病包括糖尿病引起的血管功能障碍 等发现与 条件相比体外培养 时添加 可阻止线粒体膜电位的下降以及线粒体膜上 超载降低超氧化物歧化酶()活性和 蛋白表达的增加水平促进、和 表达降低 表达此外还促进、和 的表达从而增强线粒体自噬敲除 基因后 对细胞保护作用减弱表明其可能通过/信号通路上调线粒体自噬对 所致 损伤具有保护作用 这证明了 长期暴露引起的内皮细胞损伤与线粒体自噬的强相关性提示我们靶向 .:/.:.线粒体自噬干预 进展的可能性.细胞线粒体自噬与 是内皮功能障碍和周细胞丢失的微血管并发症然而神经胶质细胞在糖尿病中也受到高糖的影响并且在 早期发生神经元损伤、胶质细胞激活、先天免疫/无菌炎症和神经节细胞凋亡同时神经视网膜变性可以激活参与微血管病变过程的代谢和信号通路破坏血视网膜屏障两者相互作用促进 进展 硫氧还蛋白相互作用蛋白()的长期过表达可导致 中的活性氧()/活性氮()应激、线粒体功能障碍、炎症和细胞过早死亡 等研究表明在 条件下(/与./相比)使用 敲低 细胞 表达可减少细胞线粒体断裂、线粒体自噬及导致溶酶体增大 等研究高血糖大鼠 细胞培养()和/糖尿病小鼠建模发现/糖尿病小鼠模型具有类似人类 的神经退行性特征包括神经节细胞、内皮细胞和周细胞层的细胞凋亡以及视网膜神经胶质增生的标志物抗小鼠胶质纤维酸性蛋白()增加 该研究利 用三七皂 苷 ()培养细胞和喂养小鼠这是一种具有抗炎特性及 清除能力的皂苷常用于治疗糖尿病性脑病和微血管疾病 对/小鼠使用(/)灌胃 后其视网膜血管变性、视网膜厚度减少和视网膜功能受损都显著改善并且治疗组的血管内皮生长因子()的表达减少、色素上皮衍生因子()的表达增加 机制研究显示 作用后显著增加 诱导下细胞和/小鼠视网膜的 和 表达线粒体自噬增强/比率增加绿色荧光点()共定位和 标记增加的水平下降等 在敲除 的细胞中 对线粒体自噬的作用被抑制提示 通过 依赖性增强线粒体自噬来治疗 此研究支持抗氧化治疗通过靶向/介导的线粒体自噬在预防 进展中的作用.视网膜神经节细胞线粒体自噬与 视网膜神经节细胞()是唯一负责将视觉信息传递到视觉中心的传入神经元其长轴突共同组成内层视网膜且线粒体定植丰富易受线粒体损伤代谢快能量依赖性高因此 是维持视觉功能的主要细胞之一 等研究发现肠促胰高血糖素样肽()类似物通过抑制/介导的线粒体自噬保护高糖条件下的 阻止 的进展 由肠道 细胞分泌通过促进餐后胰岛素的分泌来降低血糖值 类似物具有神经保护作用已广泛用于治疗 型糖尿病患者 此研究发现相比于对照组通过透射电镜观察糖尿病大鼠体内 及 条件下体外培养的 细胞中的线粒体嵴变得难以区分、缩短并消失线粒体肿胀并表现出液泡样变化免疫荧光检测出更高水平的 而(类似物)处理后细胞存活率显著提高线粒体嵴结构清晰线粒体肿胀程度减轻高水平的 显著降低 表明高糖诱导线粒体损伤 可以保护线粒体免受高糖环境的影响此外 条件下的 及糖尿病大鼠神经节细胞层中 和 的表达增加而在 处理后表达减少这证明了 类似物在 中对视网膜的神经保护作用且是通过抑制/介导的线粒体自噬实现的 这些结果表明在体内和体外的高葡萄糖环境中 都 随 着 线 粒 体 自 噬 的 增 加 而 受 损 相 反 减轻了线粒体自噬也恢复了 的活力基础线粒体自噬对维持线粒体稳态至关重要但过度线粒体自噬也会导致线粒体功能障碍、神经元损伤甚至细胞死亡 等研究发现 基因通过上调 下细胞的线粒体自噬影响 进展敲除 可以通过抑制线粒体自噬来抑制大鼠视网膜内皮细胞的凋亡因此靶向 调控线粒体自噬也可能成为治疗 的一种方法.光感受器细胞线粒体自噬与 视网膜的光感受器损伤发生在 的早期阶段早于周细胞丢失、视网膜血流动力学改变和血液视网膜屏障破坏最近研究表明光感受器的氧化应激损伤与 的发生发展密切相关 等研究发现光感受器诱导的氧化应激与 的发展有关在有或无自噬抑制剂 甲基腺嘌呤()或自噬诱导剂雷帕霉素的情况下用低浓度葡萄糖(./)及 高 浓 度 葡 萄 糖(/)培养 细胞(一种转化的鼠视锥细胞系)分别使用荧光探针对线粒体自噬进行定性评估 结果表明相比于 条件下 细胞内线粒体积聚溶酶体减少线粒体自噬受到抑制(通过 和 共定位证实)可导致 下 细胞线粒体自噬受损受损线粒体的积累和超氧化物的释放(使用氢乙啶作为荧光探针通过流式细胞术测定)雷帕霉素在 和 条件下均增加 的水平并降低 的水平但在 条件下线粒体积聚溶酶体减少线粒体自噬延迟、线粒体功能障碍是导致这些差异的可能原因之一 这证明在 条件下受损的线粒体自噬导致光感受器中缺陷线粒体的累积释放超氧化物细胞凋亡增加促进 进展.其他 等研究表明非蛋白质氨基酸同型半胱氨酸的循环水平升高也与 风险增加有关同型半胱氨酸可诱导线粒体功能障碍、在减少线粒体呼吸和破坏线粒体融合分裂过程中起着至关重要的作用而线粒体稳态通过融合裂变线粒体自噬来维持其正常功能 与非 的人视网膜相比 患者的视网膜线粒体受损 转录减少具有高水平的线粒体裂变蛋白 而 水平欠佳线粒体自噬标志物 和视神经蛋白()也较高毛细血管细胞凋亡加速这反映了高循环水平同型半胱氨酸所致线粒体融合裂变机制的不平衡破坏了线粒体稳态进一步导致细胞凋亡 此研究表明调节 患者同型半胱氨酸水平防止其过度积累可以调节视网膜线粒体自噬维持线粒体稳态减少线粒体损伤从而改善 进展 展望目前 的主要治疗方式有玻璃体腔注射抗 药物、视网膜激光光凝、玻璃体切割术及玻璃体腔注射地塞米松植入剂治疗等但尚无法完全逆转 的进程近年来随着 体内外研究的深入线粒体自噬的调节作为控制 的潜在靶点成为新的研究方向前文已述与糖尿病相关的高血糖状态会导致视网膜国际眼科杂志 年 月 第 卷第 期 :/.电话:电子信箱:.各类细胞中的 产生降低、增加、线粒体功能障碍增加并最终导致细胞凋亡增加促进 进展 同时线粒体稳态通过融合裂变线粒体自噬来维持其正常功能过度或缺乏线粒体自噬都会导致线粒体功能障碍 因此使用减少炎症并增加线粒体自噬的双通路疗法(例如靶向、清除剂、等抗氧化治疗)调节同型半胱氨酸水平、靶向 及使用 类似物调节血糖浓度等维持线粒体稳态及基础线粒体自噬等途径可能有望为阻止 进展提供思路 此外视网膜血管周细胞在 进展中起重要作用但目前为止未有其与线粒体自噬相关研究提示我们需要进一步研究更多视网膜相关细胞线粒体自噬参与 的发生发展以及线粒体自噬参与 的具体机制参考文献 .:.():.:.():.:.():.:.:.:.:.():./.():.():.:.:./.():.():.():.():./.():.().():.():.():.():.():.().():.():.():.():.():.():.():.():.():.():.():.:.:./.:.().():.():.:.():.:.():.():./.:./.:/.:.:.():.():.():邓玲 潘颖喆 王慧.糖尿病性视网膜病变的治疗进展.国际眼科杂志():中科院期刊分区表全球眼科学期刊分区及排名引自 国际眼科杂志 年 月 第 卷第 期 :/.电话:电子信箱:.