全方位了解线粒体自噬在各疾病中的研究！通篇干货，建议收藏

骨骼肌

在长时间的非最大运动期间，肌肉主要从有氧、线粒体氧化代谢中获取能量。因此，线粒体自噬对于维持高质量线粒体以产生能量和肌肉收缩十分重要。此外，线粒体和线粒体自噬还有助于肌肉干细胞分化和肌肉再生。

图2：与线粒体自噬改变相关的疾病状况

在人类骨骼肌中，随着衰老的进程，线粒体功能会出现显著的降低。据相关证据显示，这种线粒体功能的下降会对肌肉力量和行走表现产生负面影响。值得注意的是，线粒体功能的下降并不总是与线粒体质量的成比例减少有关。这表明，在衰老过程中，由于线粒体自噬受损，导致功能失调的线粒体无法被有效清除，进而造成线粒体的积累。此外，由线粒体自噬损伤引发的线粒体信号控制的持续减少也可能阻碍线粒体的生物发生过程。

据多项研究显示，随着肌肉衰老，线粒体自噬功能会出现失调。一些研究表明，在老年女性，特别是那些身体不活跃和虚弱的群体中，骨骼肌的线粒体自噬相关基因如PRKN、ATG7、BECN1和BNIP3的表达水平有所降低。此外，与年轻男性相比，身体活跃的老年男性肌肉活检中的Parkin水平也明显降低。另外，有研究指出p62和BNIP3蛋白的含量增加，并与肌肉体积呈负相关。线粒体自噬功能的受损与能量短缺有关，这限制了细胞执行这一耗能过程的能力。随着年龄的增长，受损的线粒体逐渐积累，这进一步证实了线粒体自噬功能的受损。因此，增强线粒体自噬功能可能有助于缓解肌肉衰老的影响，并延缓其对活动性的影响。

在骨骼肌疾病中，功能失调的线粒体自噬扮演着重要的致病角色。杜氏肌营养不良症患者的肌肉中存在线粒体自噬缺陷。此外，退行性散发性包涵体肌炎患者的肌肉也出现了异常的线粒体自噬情况。有临床证据表明，当患有膈肌肌病并伴有严重心力衰竭(HF)时，线粒体自噬减少，导致线粒体数量和功能降低，以及自噬-线粒体自噬蛋白LC3和p62水平降低。最后，对外周动脉疾病患者的肌肉进行蛋白质组分析，结果显示线粒体自噬受损，导致线粒体与核表达的呼吸复合体亚基的积累不平衡，进一步引起线粒体功能下降。综上所述，功能失调的线粒体自噬在骨骼肌疾病中起着关键的致病作用。

心肌

在持续高负荷的工作状态下，心肌细胞的能量需求极高，需要有稳定且充足的能量供应，这种能量主要来源于线粒体中的脂肪酸氧化。这也显示了线粒体在心脏功能中的核心地位。根据临床前的研究模型，PINK1和Parkin蛋白在维护心脏线粒体稳态方面具有不可或缺的作用。尤其是通过PINK1-Parkin途径实现的不依赖于线粒体自噬的机制。维持适当的线粒体自噬水平，对于保护心脏在衰老过程中免受损伤具有重要意义。在患有扩张型心肌病和缺血性心肌病的患者中，我们观察到心脏转录组的变化，这表明线粒体信号传导的异常是导致终末期心力衰竭的常见因素。

此外，这些患者体内蛋白质泛素化的抑制现象进一步证实了自噬-线粒体自噬过程的改变。同时，在终末期心力衰竭患者的心脏样本中，我们发现PINK1蛋白的水平明显低于正常人群，而在特发性扩张型心肌病患者中，线粒体自噬相关蛋白Parkin的水平也有所降低。此外，我们还观察到在心力衰竭患者的心脏样本中，AMPK的异构体从AMPKα2转变为AMPKα1。这种转变可能会导致心力衰竭期间线粒体自噬的激活能力下降。这一发现为我们深入了解心力衰竭的发病机制提供了新的视角。

大脑的健全与正常运作在很大程度上依赖于线粒体氧化磷酸化过程。尽管大脑在人体中的比重仅占2%，但其对氧气的消耗量却占据了全身的约20%。由于大脑具有如此高的能量需求，线粒体承受的压力极大。而线粒体自噬在维护和恢复大脑功能方面发挥着至关重要的作用，对于防止大脑衰老和神经退行性疾病具有显著的保护作用(图2a)。

在健康的老年人群体中，已经发现p-Ub蛋白在海马体中累积。与此相反，年轻人的海马体中仅检测到少量p-Ub颗粒。有研究指出，p-Ub(与PINK1-Parkin相关的线粒体自噬的公认标记物)的这种积累可能反映出线粒体损伤的加剧和/或线粒体自噬通量下降的现象。

研究表明，存在缺陷的线粒体自噬可能引发轻度认知障碍(MCI)、帕金森病(PD)、阿尔茨海默病(AD)、肌萎缩侧索硬化症(ALS)和额颞叶变性等多种神经系统疾病。与健康人群相比，MCI和AD患者的ATG5和Parkin蛋白的循环水平明显降低。同时，AD患者的海马组织和诱导的多能干细胞衍生神经元中，线粒体自噬调节因子ULK1和TBK1的蛋白水平也有所降低。此外，AD患者海马中的PINK1的水平也有所降低。这些研究结果表明，线粒体自噬的减弱可能在AD的发展过程中起到加速作用。

线粒体自噬成分功能的丧失与PD的发病机制存在关联。Parkin基因(PRKN)因发现其功能丧失突变与PD相关而知名。该基因的多个突变与常染色体隐性幼年PD紧密相关，其他PD相关基因也间接影响线粒体质量控制。

此外，PD患者的Parkin相关生物标志物发生了改变。据报道，与年龄匹配的健康对照相比，PINK1功能丧失PD患者的血浆p-Ub水平降低。同时，一项针对人类皮肤成纤维细胞的研究显示，相较于健康对照，PD患者的样本对线粒体自噬激活的反应普遍降低。这种功能丧失是由线粒体Parkin和线粒体自噬激活剂LRKK募集受损所引起的。

线粒体自噬在维护线粒体功能和氧化代谢至糖酵解的转换中起到关键作用，确保了特定免疫细胞的有效参与和细胞特异性免疫调节功能的实现。此外，线粒体自噬还能通过抑制可引发免疫细胞反应的线粒体成分的产生与循环，进一步调节免疫功能(图2a)。

线粒体自噬在维护体内平衡以及保障T细胞、小胶质细胞和巨噬细胞存活中扮演着至关重要的角色。免疫细胞中受损的线粒体自噬与免疫衰老进程存在密切关联。免疫衰老涉及先天性和适应性免疫细胞随年龄发生的形态和功能变化，导致机体对急性挑战的反应能力下降，并伴随着慢性轻度炎症刺激状态。

老年人的原代CD8+T细胞表现出了溶酶体和自噬体LC3标记的水平降低，并且LC3与CD8+T细胞酸性区域的交叠减少，这表明基础巨自噬活动减少。据相关研究报告，经历了体外复制衰老并诱导细胞死亡敏感的CD8+T淋巴细胞中存在自溶酶体的累积。老年人的CD4+淋巴细胞线粒体自噬停滞，透射电子显微镜图像显示这些细胞自噬小体中功能失调的线粒体数量逐渐增多。

在2型糖尿病(T2D)和肝病的临床前模型中，已经观察到高水平的ROS产生、低ATP水平以及线粒体形态异常。在人类代谢紊乱的背景下，线粒体循环的改变逐渐受到关注。然而，线粒体自噬缺陷与代谢疾病之间的关系相当复杂，可能存在双向影响。一方面，线粒体自噬缺陷可能因能量供应减少和氧化应激过度的缘故导致代谢异常。另一方面，代谢疾病也可能引发能量匮乏，从而降低线粒体自噬的稳态活性(图2b)。

在临床前研究中，ATG、TFEB和PINK1的缺失会导致脂质积累和肝脏脂肪变性。通过药物干预或肝脏靶向TFEB基因激活自噬，可以显著减少小鼠的肝纤维化并改善肝病症状。这些研究结果表明，针对线粒体自噬的靶向治疗可能是解决代谢紊乱的重要策略。此外，在非酒精性脂肪肝病(NAFLD)的临床前模型中，我们还观察到关键代谢和线粒体自噬调节因子AMPK的活性降低。线粒体定位的AMPK可以调节线粒体生物能，并通过线粒体自噬影响线粒体质量。

线粒体自噬在胰岛素抵抗和T2D中的作用

据报道，T2D临床前模型中线粒体自噬通量下降，由于全身代谢失衡，不仅直接出现在肝脏和胰腺中，而且出现在肌肉、肾脏和脂肪组织中。

临床前模型研究表明，胰岛素抵抗和高胰岛素血症引起的高血糖会减弱肝脏中PINK1-Parkin依赖性线粒体自噬。据报道，PINK1-Parkin依赖性线粒体自噬可以保护糖尿病小鼠的胰腺β细胞并改善葡萄糖耐受不良，并且这种保护作用大部分似乎来自保护β细胞免受炎症损伤。有证据表明，整个和/或部分线粒体通过非典型线粒体自噬转移，以响应代谢环境和/或通量的改变。

与健康参与者相比，T2D患者的肌肉和脂肪组织中PINK1的表达降低。从糖尿病肾病(DN)和无肾病的糖尿病患者中分离的PBMC中PINK1水平也降低。与糖尿病对照患者相比，这种下降与DN患者的最大呼吸和储备能力显著受损有关，但与健康对照者无关。最后，通过磁共振成像光谱评估肌肉中的线粒体功能与非糖尿病患者胰岛素抵抗的严重程度和持续时间相关。

高血糖引发的胰岛素抵抗和高胰岛素血症，会显著降低肝脏中PINK1-Parkin依赖性线粒体自噬的活性。PINK1-Parkin依赖性线粒体自噬在糖尿病小鼠的胰腺β细胞中起到了保护作用，并改善了葡萄糖的耐受性。更重要的是，这种保护作用主要源自于对β细胞炎症损伤的防护。

线粒体可以通过非典型线粒体自噬的方式进行转移，以应对代谢环境和通量变化的影响。在人类群体中，对比健康参与者，T2D患者的肌肉和脂肪组织内PINK1的表达水平明显降低。

线粒体自噬在癌症中的角色十分微妙。当线粒体自噬水平下降时，受损线粒体可能无法得到有效清除，从而积累并引发基因组不稳定的氧化应激，进而为癌症的发展提供助力。事实上，在乳腺和卵巢肿瘤的研究中，观察到了PRKN基因高频缺失的现象，这一现象与PRKN表达减少及不良预后紧密相关。此外，在部分结肠癌患者中，也检测到了PRKN基因拷贝数丢失的情况。在临床前模型中，Parkin蛋白功能丧失被证实能够加速癌症的发展，这为揭示了Parkin具有潜在的肿瘤抑制作用。

在癌症中，线粒体自噬生物标志物的双峰现象可能受多种因素影响，包括肿瘤的类型、发展阶段、微环境以及遗传变化。具体来说，在携带KRAS基因突变的人源化胰腺导管腺癌小鼠模型中，如果Atg5或Atg7基因发生缺失，巨自噬过程受阻，肿瘤细胞的进展也会被抑制。然而，在同时携带KRAS和p53基因突变的同一模型中，巨自噬的消除反而加速了肿瘤的形成。另外，据报道，MDV形成等过程可以作为线粒体自噬缺陷的补偿机制，促进癌细胞的存活。因此，非经典线粒体自噬在肿瘤学中的重要性不容忽视，需要进一步深入研究。

癌症药物敏感性中，线粒体自噬的调节起到关键作用，特别是在使用抗线粒体药物时。据一项II期临床研究，三羧酸循环抑制剂devimistat对线粒体自噬可能减少的老年人疗效显著。在细胞模型中，抑制线粒体裂变或自噬成分可使癌症对devimistat敏感。自噬和/或线粒体自噬抑制会阻碍devimistat诱导的ROS副产物的清除，从而导致细胞死亡。临床前研究在SH-SY5Y异种移植肿瘤的小鼠中也观察到类似结果，其中抑制PINK1-Parkin介导的线粒体自噬增强了抗癌药物magnolol的作用。

线粒体自噬受体、受损线粒体或线粒体自噬体囊泡的频繁积累表明，该过程在溶酶体降解线粒体之前就已停止。这与多种人类疾病中观察到的溶酶体活性突变和功能缺陷相一致。还有一个可能的机制是整体细胞能量不足，这可能影响了线粒体自噬成分的有效合成与折叠，以及自噬体和溶酶体的正确组装和功能。因此，功能失调的线粒体自噬与细胞稳态的破坏有关，并与健康状况恶化、衰老和疾病的其它标志如炎症和氧化应激存在关联(图2c)。

虽然生理性的信号分子有其作用，但随着年龄增长，线粒体自噬的改变和抗氧化剂缓冲的减少导致高水平ROS的产生，可能对大分子和细胞器成分造成氧化损伤，如脂质过氧化和蛋白质毒性。这些压力和氧化损伤与衰老和相关疾病的发生发展有关。

受损的线粒体还会在细胞质或细胞外释放一组被称为线粒体损伤相关分子(mtDAMP)的分子，包括氧化mtDNA、线粒体RNA(mtRNA)和心磷脂。由于其细菌血统、缺乏组蛋白和低甲基化CpG基序，胞浆mtDNA被先天免疫的模式识别受体感知为“非自身”。它可以激活炎症通路，例如NLR家族、NLRP3炎症小体、cGAS-STING通路、炎症反应的检查点DNA转录和TLR系统。

虽然NLRP3炎性体激活最终导致Caspase-1激活并通过IL-1和IL-18产生促炎信号传导，但TLR和cGAS-STING通路的激活会诱导细胞衰老和I型干扰素信号传导。mtRNA还可被mtRNA感应MAVS-RIG1复合物识别为“非自身”，并触发IFN-γ反应。最后，心磷脂从线粒体内膜突出，导致细胞色素c介导的细胞凋亡，但当释放并最终在细胞质中氧化时也可以充当mtDAMP，与TLR4结合并通过NF-κB起作用。

临床前研究证实了线粒体自噬与mtDAMP介导的炎症之间的因果关系。基于细胞的研究显示，增加线粒体自噬可以减少mtDNA氧化和释放，并减弱TLR9促炎症信号传导。在小鼠模型中，PINK1和Parkin活性可以减轻STING诱导的炎症，线粒体自噬激活可以提高小胶质细胞的吞噬效率，并通过抑制NLRP3信号传导来减轻神经炎症。

图3：线粒体自噬功能障碍与无菌炎症反应有关

线粒体自噬的缺陷会导致受损和产生过氧化物的线粒体积累。这些线粒体有可能发生破裂，将其内容物释放到细胞质或细胞外环境中。当低质量的线粒体释放过多的过氧化物时，会引发脂质过氧化和蛋白质、核酸氧化等氧化损伤，进一步对细胞造成损害。此外，过氧化物的过量产生还会导致线粒体成分的氧化，这些成分被称为mtDAMP。mtDAMP包括mtDNA、mtRNA和心磷脂。

这些成分被不同的先天免疫受体所识别，可以激活下游信号通路，从而引发先天免疫触发的炎症反应。具体来说，mtDNA可以激活NLRP3炎症小体、TLR9和DNA感应cGAS-STING通路。NLRP3炎性体的激活最终会导致Caspase-1的激活和促炎信号的传导。而TLR9和cGAS-STING通路的激活会导致NF-κB驱动的细胞因子产生。cGAS-STING还可以引发INFγ反应。另一方面，mtRNA可以被mtRNA感应MAVS-RIG1复合物识别为“非自身”，并触发INFγ反应。最后，从线粒体内膜突出的心磷脂可以与TLR4结合，并通过NF-κB激活促炎信号。

最近的研究表明，线粒体自噬和mtDAMP诱导的炎症之间存在紧密的联系。线粒体自噬的损伤和mtDNA的泄漏已被证实可以激活患有肝损伤的老年巨噬细胞中的STING信号传导。此外，在间质性肺疾病患者中，发现PINK1的低表达和游离mtDNA的高水平，这包括特发性肺纤维化、过敏性肺炎和自身免疫相关的间质性肺疾病。另外，无细胞mtDNA和相关的无菌炎症被认为是导致与年龄相关的肌肉萎缩的重要因素。

此外，mtDAMP的释放也会引发促炎信号，从而加重细胞损伤。相反，健康的线粒体自噬机制则能够有效地循环利用线粒体，预防细胞损伤信号并保持最佳的呼吸效率。这是因为健康的线粒体自噬机制能够保留更多功能健全的线粒体，并通过协调激活线粒体生物发生来增加线粒体含量(图2c)。