综述：钙介导的线粒体自噬调控：在神经退行性疾病中的意义

　　

钙介导的线粒体自噬调节：在神经退行性疾病中的意义

Fivos Borbolis^1,2，Christina Ploumi^1,2，Konstantinos Palikaras¹

钙信号传导通过精确的时空调节以及与不同亚细胞区室中的效应蛋白相互作用，在多种细胞过程中发挥着关键作用。线粒体尤其作为钙缓冲的核心枢纽，协调能量产生、氧化还原平衡和细胞凋亡信号传导等过程。虽然受控的线粒体钙摄取支持 ATP 合成和代谢调节，但过度积累会引发氧化应激、线粒体膜通透性改变和细胞死亡。新出现的研究结果强调了钙稳态与线粒体自噬（一种选择性清除线粒体的自噬类型）之间复杂的相互作用。尽管相关文献仍在不断涌现，但这篇综述深入探讨了钙信号传导与线粒体自噬途径之间的双向关系，提供了具有说服力的机制见解。此外，雅典国立与卡波迪斯特里亚大学医学院生理学系的研究人员还讨论了钙稳态的破坏如何损害线粒体自噬，进而导致线粒体功能障碍以及常见神经退行性疾病的发病机制。

钙是主要的信号分子之一，能够调节众多细胞过程，范围从神经递质释放、肌肉收缩到基因表达和细胞命运决定。钙离子（）在控制这些多样细胞功能中的多面性作用，是通过众多效应蛋白在不同亚细胞区室中精确的时空和动态协调来实现的。每种细胞类型都表达独特的一组成分，包括钙结合蛋白、泵和通道，以建立专门的信号系统，这些系统会根据各种细胞器的特定生理需求进行动态微调。在这些成分中，线粒体作为钙稳态的关键调节因子脱颖而出。除了作为能量供应者的主要作用外，线粒体还是信号传导的关键枢纽。线粒体中的钙缓冲对于维持线粒体完整性、能量产生、氧化还原平衡和细胞凋亡至关重要。适度的流入线粒体支持 ATP 合成和代谢调节，而线粒体中的过度积累会导致氧化应激、线粒体膜通透性改变以及促凋亡因子的释放，最终导致细胞损伤。因此，与线粒体质量控制机制之间的平衡相互作用对于维持细胞健康和活力至关重要。

在调节线粒体自噬（即选择性自噬清除受损或多余线粒体）中的作用最近受到了广泛关注，尤其是在神经退行性疾病的背景下。失调的信号传导会破坏线粒体自噬过程，导致有缺陷的线粒体积累。这种线粒体的堆积会加剧氧化应激并促进细胞死亡途径的激活，最终导致细胞功能障碍和死亡。钙调节的线粒体质量控制机制的这些紊乱越来越被认为是神经退行性变的主要促成因素。

这篇综述旨在全面概述信号传导与线粒体自噬途径之间的复杂关系。通过讨论将与线粒体质量控制联系起来的分子机制，雅典国立与卡波迪斯特里亚大学医学院生理学系的研究人员试图探索这些过程的破坏如何导致常见神经退行性疾病（包括阿尔茨海默病、帕金森病和亨廷顿病等）的发病机制。

一般线粒体自噬机制

线粒体自噬是一个精细调节的过程，可以在发育或代谢信号的生理刺激下启动，以清除多余的线粒体，也可以作为线粒体质量控制机制，在特定条件下消除功能异常的细胞器。被靶向降解的线粒体的识别是由专门的受体和衔接分子介导的，这些分子通过泛素依赖或泛素非依赖机制协调自噬机制的募集。

泛素依赖的线粒体自噬机制

PINK1/Parkin 途径涉及激酶 PTEN 诱导激酶 1（PINK1）和 E3 泛素连接酶 Parkin，是研究较为深入的泛素依赖的线粒体自噬机制之一。PINK1 和 Parkin 基因的突变占常染色体隐性青少年帕金森病病例的 50% 以上，而它们的异常表达也与其他常见的神经退行性疾病有关。在健康的线粒体中，膜电位（）相对较高，PINK1 由由外膜转位酶（TOM）/ 内膜转位酶（TIM）复合物组成的通用线粒体导入机制运输到线粒体内膜（IMM）。一旦进入 IMM，PINK1 会被线粒体加工肽酶（MPP）、早老素相关菱形样（PARL）和 AFG3 样 AAA ATP 酶 2（AFG3L2）蛋白酶进行蛋白水解切割，产生一个 52kDa 的 PINK1 片段，该片段被释放到细胞质中，并通过泛素蛋白酶体系统（UPS）迅速靶向降解。有趣的是，截短的 PINK1 细胞质片段除了被降解外，还被认为会与细胞质中的 Parkin 相互作用，从而阻止其线粒体转位和线粒体自噬的启动。

在降低的线粒体中，PINK1 向 IMM 的转位及其后续加工被阻断。反过来，全长 PINK1 会稳定下来，并在线粒体外膜（OMM）形成同二聚体。线粒体基质中的未折叠蛋白应激也可以触发 PINK1 的稳定，即使在能量代谢正常的线粒体中也能启动线粒体自噬。最近的研究揭示了 PINK1/Parkin 途径的一种神经元特异性机制。具体来说，PINK1 mRNA 与线粒体在轴突和树突中共同运输，实现 PINK1 的局部翻译，确保受损线粒体在神经元远端区域得到有效降解。自噬和 Beclin 1 调节因子 1（AMBRA1）最初被鉴定为自噬的正向调节因子，在 PINK1 的稳定中起着关键作用。特别是，在线粒体去极化时，AMBRA1 与 OMM 上的 PINK1 结合，并通过与 TOM 和含 ATP 酶家族 AAA 结构域 3A（ATAD3A）相互作用，阻止 PINK1 的线粒体导入和后续降解。

PINK1 自磷酸化后，会磷酸化泛素分子和细胞质中的 Parkin，促进后者募集到 OMM 并激活其 E3 泛素连接酶活性。虽然 Parkin 的转位在非神经元细胞中已被广泛研究，但它也发生在神经元中，尽管速度较慢且更具区室化特点，特别是在胞体树突区域。Parkin 的激活触发一个正反馈回路，它催化在多个 OMM 定位的蛋白上形成泛素链。这些泛素链随后被 PINK1 磷酸化，进一步增强更多 Parkin 分子在 OMM 的保留以及用于线粒体降解的泛素标签的扩展。重要的是，泛素链的性质决定了靶向线粒体蛋白的命运。虽然 K48 连接的链通常标志着蛋白酶体降解，K63 连接的链则招募自噬衔接蛋白，从而促进线粒体自噬。除了 K48 和 K63，Parkin 还组装 K6 和 K11 连接的泛素链，其在线粒体自噬过程中的作用仍不清楚。众多作为 Parkin 底物的 OMM 蛋白包括线粒体融合蛋白 1 和 2（MFNs）、电压依赖性阴离子通道 1（VDAC1）以及线粒体 Rho GTP 酶 1（Miro1，也称为 RHOT1）。这些特定 OMM 驻留蛋白的泛素化不仅标记线粒体以供降解，还增强了与融合和运动相关蛋白的去除，从而将受损线粒体与健康线粒体群体隔离开来。

虽然 Parkin 是 OMM 蛋白泛素化的主要贡献者，但据报道还有其他几种 E3 连接酶具有冗余功能，包括糖蛋白 78（Gp78）、线粒体泛素连接酶 1（MUL1）、Ariadne RBR E3 Ub 蛋白连接酶 1（ARIH1）、突触核蛋白 - 1 招募的无七同源物 1（SIAH - 1）和含 HECT、UBA 和 WWE 结构域的蛋白 1（HUWE1）。在这些酶中，HUWE1 需要 AMBRA1 作为辅助因子，并泛素化 MFN2，在线粒体自噬之前阻止线粒体融合。值得注意的是，AMBRA1 具有功能性的 LC3 相互作用区域（LIR）基序，有助于将泛素化的线粒体选择性地隔离到自噬体中。鉴于 AMBRA1 在 PINK1 稳定中的作用，无论 Parkin 是否存在，AMBRA1 都是一种关键的泛素依赖的线粒体自噬诱导剂。

线粒体自噬的下一个关键步骤是由专门的衔接蛋白识别带有泛素标签的 OMM 蛋白，这些衔接蛋白将标记的线粒体与自噬机制结合。这些衔接蛋白，包括视神经蛋白（OPTN）、BRCA 1 的邻居（NBR1）、核点蛋白 52（NDP52）和隔离体（SQSTM1）/p62，具有泛素结合结构域和 LIR 基序，可与自噬体膜中微管相关蛋白 1A/1B - 轻链 3（LC3）的脂化形式直接相互作用。在人类细胞系中的大量研究指出，TANK 结合激酶 1（TBK1）在线粒体自噬的调节中起着至关重要的作用。在响应线粒体损伤的 PINK1/Parkin 依赖的泛素化之后，TBK1 被激活并磷酸化几种衔接蛋白，包括 OPTN、NDP52 和 SQSTM1，增强它们对泛素化底物的亲和力，并促进它们与自噬体的结合。除了磷酸化自噬衔接蛋白外，TBK1 还有其他增强线粒体自噬的作用。TBK1 依赖的 RAB7 在 Ser72 位点的磷酸化促进 ATG9 的募集，有助于自噬体膜的从头合成。此外，RAB7 的磷酸化破坏了它与 Rubicon（一种自噬的负调节因子）的相互作用，同时促进它与 Pacer（一种 Parkin 依赖的线粒体自噬的正调节因子）的结合。除了 RAB7，TBK1 还磷酸化 LC3 和 GABA A 型受体相关蛋白（GABARAP），防止它们被 ATG4 过早切割。值得注意的是，最近的一项研究表明，TBK1 被含三联基序蛋白 5α（TRIM5α）进行 K63 连接的多泛素化。这种修饰促进了一个由 TRIM5α、TBK1 和线粒体自噬衔接蛋白组成的自我放大平台的组装，促进了线粒体自噬过程。此外，另一项研究表明，在缺氧后处理后的缺血性海马 CA1 神经元中，Parkin 可以使 TBK1 发生 K63 多泛素化，导致线粒体自噬显著增强。还需要进一步的研究来探讨 TBK1 在神经元线粒体自噬中的生理作用（如果有的话）。

泛素非依赖的线粒体自噬机制

除了泛素介导的线粒体自噬外，还发现了不依赖泛素的线粒体选择性降解机制。这些机制依赖于线粒体定位的蛋白质或脂质性质的受体，在特定刺激下，这些受体直接与自噬体相互作用，无需泛素化。

促凋亡蛋白 BCL2 和腺病毒 E1B 19 - kDa 相互作用蛋白 3（BNIP3）以及 BNIP3 样蛋白（BNIP3L，也称为 NIP3 样蛋白 X（NIX））已被确定为功能性线粒体自噬受体。这两种蛋白的表达在缺氧条件下以缺氧诱导因子（HIF）依赖的方式高度诱导。除了在缺氧中的作用外，BNIP3L/Nix 在发育过程中的程序性线粒体自噬事件中至关重要。具体来说，它在红细胞、视网膜神经节细胞（RGCs）、巨噬细胞、角质形成细胞、心脏和少突胶质前体细胞的分化过程中，对于线粒体的消除是必需的，从而在这些不同的环境中支持细胞成熟和功能。此外，BNIP3 介导的线粒体自噬对于维持胚胎干细胞（ESCs）的多能性至关重要。由于 BNIP3 和 BNIP3L/NIX 广泛表达并均匀分布在 OMM 上，许多研究探索了它们的激活机制以刺激线粒体自噬。关键残基的磷酸化已被证明可以增强它们与 LC3 和 GABARAP 蛋白的结合，促进自噬体的形成。UNC51 样激酶 - 1（ULK1）是自噬预启动复合物的催化激酶，最近有研究报道它可以磷酸化 BNIP3 和 BNIP3L/NIX 的 N 端 LIR 结构域附近的丝氨酸残基，从而抑制它们的蛋白酶体降解，并增强它们与 LC3 的相互作用。值得注意的是，BNIP3L/NIX 在其 C 端跨膜结构域的磷酸化会阻碍其在 OMM 中形成同二聚体，对 LC3 的结合和线粒体自噬的进展产生负面影响。此外，OMM 定位的靶向 COQ7 的磷酸酶（PPTC7）最近成为 BNIP3 和 BNIP3L/NIX 的负调节因子，增强它们的蛋白酶体降解，从而限制基础线粒体自噬。多项研究提供了证据，表明 BNIP3 和 NIX 介导的线粒体自噬与 PINK1/Parkin 途径相互关联。BNIP3 与 PINK1 的相互作用已被证明可以通过抑制其蛋白水解切割来稳定 PINK1 在 OMM 上的保留。此外，在羰基氰化物间氯苯腙（CCCP）诱导的线粒体去极化时，BNIP3L/NIX 是 Parkin 转位和线粒体自噬执行所必需的。值得注意的是，在哺乳动物细胞、果蝇和秀丽隐杆线虫中的研究表明，BNIP3L/NIX 本身就是 Parkin 的底物，其泛素化促进自噬衔接蛋白的募集，增强 PINK1/Parkin 介导的线粒体自噬。有趣的是，最近的一项研究揭示，BNIP3 和 BNIP3L/NIX 通过一种不依赖自噬的机制，即通过内体 - 溶酶体和 UPS 系统，持续输送到溶酶体，这突出了 BNIP3 相关线粒体自噬的额外调控层面及其对细胞生理学的影响。

含 FUN14 结构域蛋白 1（FUNDC1）是一种整合在 OMM 上的蛋白，在缺氧条件下尤其作为线粒体自噬受体发挥作用。已有多种调节机制被报道可调节 FUNDC1 依赖的线粒体自噬。在非应激条件下，Src 和酪蛋白激酶 - 2 分别在 Tyr18 和 Ser13 位点磷酸化 FUNDC1，阻碍其诱导线粒体自噬的活性。在缺氧或线粒体解偶联的情况下，线粒体定位的磷酸甘油酸变位酶家族成员 5（PGAM5）介导 FUNDC1 在 Ser13 位点的去磷酸化，从而触发线粒体自噬。这个过程受到抗凋亡的 BH3 蛋白 Bcl2 样蛋白 1（BCL2L1）的负调节，BCL2L1 抑制 PGAM5，从而阻止 FUNDC1 的去磷酸化并抑制线粒体自噬。在缺氧条件下，ULK1 激酶对 FUNDC1 的磷酸化显著增强其与 LC3 的相互作用。除了在自噬中的直接作用外，FUNDC1 还通过与关键调节蛋白相互作用，参与线粒体动力学的调节，在自噬前促进线粒体碎片化。

促凋亡的 Bcl - 2 样蛋白 13（BCL2L13）是酵母 Atg32 的哺乳动物同源物，已被鉴定为一种线粒体自噬受体，具有功能性的 LIR 基序。从机制上讲，在线粒体去极化时，BCL2L13 与 LC3B 结合并将其吸引到 OMM，促进 ULK1 复合物的募集，以及后者与 LC3B 的后续相互作用。与 FUNDC1 和 BNIP3 受体类似，BCL2L13 的 LC3 相互作用活性也受磷酸化事件的控制。然而，负责调节其自噬活性的激酶和 / 或磷酸酶尚未确定。FK506 结合蛋白 8（FKBP8）是一种 OMM 抗凋亡蛋白，也通过其 N 端 LIR 基序作为线粒体自噬受体发挥作用。值得注意的是，在 Parkin 介导的线粒体自噬过程中，FKBP8 从线粒体转位到内质网，防止其降解并支持细胞存活。这种选择性重新定位在不依赖 Parkin 的线粒体自噬过程中也会发生，尽管程度较轻。

此外，还发现了几种不嵌入 OMM 的线粒体自噬受体。精子发生相关蛋白 33（SPATA33）通过直接结合 LC3 结合成分 ATG16L1 和 OMM 通道 VDAC2，作为线粒体自噬的介导者发挥作用。这种双重相互作用使 SPATA33 能够在雄性生殖细胞中选择性地消除线粒体。最近的一项研究揭示，线粒体内膜蛋白 18（MTP18）是一种线粒体内膜整合蛋白，具有功能性的 LIR 基序，对于诱导线粒体自噬和支持口腔癌细胞系的存活至关重要。其作为线粒体自噬受体的功能高度依赖于线粒体裂变和 Parkin 介导的 OMM 破裂，这会暴露 MTP18 的 LIR 结构域，促进其与 LC3 的相互作用。类似地，在 Parkin 依赖的 OMM 破裂后，内膜驻留蛋白抑制素 2（PHB2）的 LIR 基序暴露，使其能够与 LC3 相互作用。PHB2 是哺乳动物细胞中 Parkin 诱导的线粒体自噬以及秀丽隐杆线虫胚胎受精后父系线粒体消除所必需的。ATAD3B 是另一种最近被鉴定为线粒体自噬受体的内膜蛋白。在正常情况下，ATAD3B 与 ATAD3A 在内膜中形成异源寡聚体，有助于线粒体 DNA（mtDNA）的稳定性。然而，在氧化应激或 mtDNA 损伤的情况下，ATAD3A - ATAD3B 的相互作用被破坏，导致 ATAD3B 保留在 OMM。在这种改变的定位中，ATAD3B 独特的 C 端 LIR 基序暴露，促进其与 LC3B 的相互作用，促进受损线粒体的自噬清除。

新出现的证据表明，某些脂质可以直接结合到 LC3 修饰的自噬体上，并作为线粒体自噬受体。在细胞系和原代皮质神经元中的研究表明，在响应线粒体损伤或去极化时，心磷脂（CL）是一种主要位于内膜的二聚磷脂，会主动转移到 OMM，在那里它直接与脂化的 LC3 结合，启动线粒体自噬。CL 的转位由核苷二磷酸激酶 - D（NDPK - D）、线粒体肌酸激酶（MtCK）和磷脂 scramblase 3（PLS3）的酶活性催化