编辑推荐：
这篇发表于《细胞研究》的权威综述系统阐述了线粒体自噬在维持细胞稳态中的核心作用及其在疾病治疗中的转化潜力。文章深入解析了PINK1-Parkin通路、受体介导途径等多重分子机制，揭示了线粒体自噬失调与神经退行性疾病、癌症、代谢性疾病等的密切关联，并重点探讨了尿石素A（Urolithin A）、亚精胺等新型治疗策略的临床前景，为开发靶向线粒体质量控制的新型疗法提供了重要理论依据。
线粒体自噬通路
线粒体自噬作为一种进化上保守的质量控制过程，通过选择性清除受损线粒体来维持细胞稳态。近年来，人们对线粒体自噬分子机制的理解取得了显著进展——从受体和应激触发因子到溶酶体降解过程，这些发现阐明了其在维持线粒体完整性和适应不断变化的生理需求方面的关键作用。
泛素介导的线粒体自噬通路
泛素化不仅标记蛋白质用于蛋白酶体降解，还作为招募自噬机制的平台。PTEN诱导激酶1（PINK1）-Parkin通路是通过早发性帕金森病（PD）的致病突变发现的，是特征最明确的Ub依赖性线粒体自噬通路之一。
PINK1是一种由核DNA（nDNA）编码的线粒体丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶，在细胞质中翻译，并在其N末端线粒体靶向序列（MTS）的指导下导入线粒体。其作为线粒体损伤传感器的作用源于其在健康与受损线粒体中的不同加工过程。在正常条件下，63 kDa的全长PINK1通过外膜转位酶（TOM）和内膜转位酶（TIM）复合物跨线粒体内膜（IMM）输入，其中线粒体加工蛋白酶（MPP）切割其MTS，产生60 kDa的中间体。该中间体被PINK1/PGAM5相关菱形样蛋白酶（也称早老素相关菱形样蛋白酶，PARL）进一步加工，产生约50 kDa的片段，释放到细胞质中并被蛋白酶体降解。这种快速周转确保了内源性PINK1的低水平。相比之下，持续的线粒体损伤或功能障碍会破坏线粒体膜电位（△Ψ），阻断PINK1输入并阻止其降解。相反，PINK1稳定并积累在线粒体外膜（OMM）上并与TOM结合。如果线粒体功能障碍未能及时解决，持续的PINK1积累导致PINK1二聚化和反式自身磷酸化，激活PINK1以结合并磷酸化其底物，即OMM蛋白泛素链上的丝氨酸（Ser）65。
OMM上磷酸化泛素（pUb）的积累招募Parkin，这是一种RING-between-RING E3连接酶。被招募的Parkin随后被PINK1在其泛素样结构域（Ubl）的Ser65位点磷酸化。虽然pUb结合将Parkin从其自抑制状态释放出来，但Ubl磷酸化进一步稳定了Parkin的开放和活性构象。激活后，Parkin表现出增强的E3连接酶活性，泛素化OMM蛋白如线粒体融合蛋白1/2（MFN1/2）、动力相关蛋白1（DRP1）、线粒体Rho GTP酶1/2（MIRO1/2，也称RHOT1/2）和电压依赖性阴离子通道1/2（VDAC1/2），从而标记线粒体为受损。另外，USP30是一种定位于OMM的去泛素化酶（DUB），通过去除线粒体蛋白上的泛素来拮抗Parkin介导的线粒体自噬。
受体介导的线粒体自噬
线粒体自噬也可以不依赖于泛素发生。在这种情况下，线粒体膜蛋白通过其LIR结构域直接与自噬机制（主要与ATG8s）结合，介导线粒体递送至自噬体。
FBXL4（由CUL1-SKP1-FBXL4组成）与RBX1和E2酶相互作用，泛素化BNIP3和NIX用于蛋白酶体降解。OM-PPTC7促进SCF
FBXL4与BNIP3/NIX的相互作用。b 缺氧条件下，HIF-1α上调BNIP3/NIX的转录。JNK1/2磷酸化BNIP3抑制其降解。积累的BNIP3/NIX蛋白形成同源二聚体并通过其LIR招募LC3。ULK1磷酸化BNIP3/NIX促进线粒体自噬。c FUNDC1介导的线粒体自噬。顶部显示了FUNDC1的功能结构域。正常条件下，CK2和Src磷酸化FUNDC1阻止其与LC3相互作用。E3连接酶MARCH5泛素化FUNDC1用于蛋白酶体降解，USP19拮抗此过程。缺氧或膜电位降低时，PGAM5去磷酸化FUNDC1促进其与LC3结合。ULK1磷酸化FUNDC1促进其LC3招募。d BCL2L13、FKBP8、AMBRA1和PHB2作为线粒体自噬受体。顶部显示了BCL2L13、FKBP8、AMBRA1和PHB2的功能结构域。这些受体通过其LIR结构域招募LC3介导线粒体自噬。此外，BCL2L13在线粒体自噬起始时与ULK1和LC3复合。AMBRA1招募E3连接酶HUWE1泛素化MFN2和其他OMM蛋白以促进线粒体自噬，其被IKKα磷酸化也促进线粒体自噬。PHB2是一种IMM定位的线粒体自噬受体，在外膜破裂后获得与LC3接触的机会。OMM线粒体外膜，IMS膜间隙，IMM线粒体内膜；LIR LC3相互作用区，BH1-4 Bcl-2同源结构域1-4，TM跨膜结构域，WD40 WD40结构域，PHB prohibitin结构域。'>
BNIP3和NIX（也称BNIP3L）是BCL-2同源结构域3（BH3）only家族蛋白，参与细胞凋亡和线粒体自噬等多种细胞过程。BNIP3和NIX在各种条件下调控线粒体清除。例如，BNIP3介导缺氧下的线粒体自噬，而NIX对于网织红细胞成熟过程中的线粒体清除至关重要。此外，NIX诱导可恢复来自早发性PD患者的PINK1或Parkin缺陷细胞中CCCP诱导的线粒体自噬。BNIP3和NIX均具有负责同源二聚化和OMM锚定的C末端跨膜结构域，以及一个结合LC3/GABARAP的LIR结构域。
FUN14结构域包含蛋白1（FUNDC1）是一种完整的OMM蛋白，是缺氧条件下线粒体自噬的关键受体。它包含三个跨膜结构域和一个特征性的N末端Tyr（酪氨酸）-X-X-Leu（亮氨酸）（Y18xxL21）LIR基序，与LC3B相互作用。翻译后修饰在调控FUNDC1功能中起关键作用。在基础条件下，酪蛋白激酶2（CK2）磷酸化FUNDC1的Ser13，而酪氨酸激酶Src磷酸化FUNDC1的Tyr18，阻止LIR-LC3B结合。响应缺氧或解偶联剂诱导的线粒体去极化，线粒体Ser/Thr蛋白磷酸酶PGAM5去磷酸化FUNDC1的Ser13，与Tyr18的去磷酸化共同增强FUNDC1-LC3相互作用以促进线粒体自噬。
BCL2样13（BCL2L13，也称BCL-RAMBO）是一种OMM定位的蛋白，包含几个保守的BCL-2同源结构域（BH1、BH2、BH3、BH4）、两个LIR基序和一个C末端跨膜结构域。与BNIP3和NIX类似，BCL2L13最初被鉴定为促凋亡蛋白。后来被鉴定为酵母Atg32的哺乳动物同源物，能够以PINK1和Parkin非依赖性方式诱导线粒体自噬。在线粒体自噬诱导后，BCL2L13招募LC3B至OMM，同时招募ULK1复合物，从而形成BCL2L13-ULK1-LC3B复合物。
疾病中的线粒体自噬
线粒体自噬失调越来越被认为是多种疾病发病机制的促成因素，包括神经退行性、心血管和代谢性疾病，以及自身免疫性疾病和癌症。
神经退行性疾病
神经退行性疾病是一组异质性疾病，以中枢神经系统（CNS）进行性神经元丢失和功能衰退为特征。新兴证据强调了线粒体自噬在帕金森病（PD）、阿尔茨海默病（AD）、亨廷顿病（HD）和肌萎缩侧索硬化症（ALS）等疾病发病机制中的关键作用。
在PD中，PINK1和Parkin的致病突变导致线粒体清除缺陷，导致功能失调线粒体积累、氧化应激加剧和能量缺陷——这是多巴胺能神经元变性的标志。在AD中，线粒体自噬在患者海马体、iPSC来源的AD神经元和AD动物模型中受损。恢复Parkin表达可减轻线粒体缺陷，减少Aβ负荷，降低神经炎症并改善认知衰退。在HD中，突变亨廷顿蛋白（mHTT）严重损害线粒体自噬通路，导致受损线粒体积累，放大ROS产生和caspase激活。在ALS中，几种ALS相关基因，包括C9ORF72、SOD1、OPTN、TBK1和TDP-43，直接参与线粒体自噬调控。
癌症
线粒体自噬在癌症生物学中扮演双重角色：根据癌症类型、阶段和遗传背景等具体因素，既可充当肿瘤抑制因子，也可充当促进因子。线粒体自噬通过减少线粒体质量和抑制OXPHOS促进癌细胞的代谢重编程（Warburg效应）。Parkin在胶质母细胞瘤、乳腺癌、结直肠癌和卵巢癌等癌症中经常被删除或突变。Prkn敲除小鼠极易发生自发性肝细胞癌（HCC）。相反，Parkin在黑色素瘤模型中表现出致癌功能。一些线粒体自噬相关蛋白也表现出双重致癌和肿瘤抑制功能。
代谢性疾病
肥胖、2型糖尿病（T2DM）和代谢功能障碍相关脂肪肝病（MASLD）等代谢性疾病的特点是葡萄糖和脂质代谢失调。线粒体功能障碍和线粒体自噬受损有助于这些疾病的发病机制。
在肥胖中，线粒体自噬既可作为保护机制也可作为有害机制，取决于其激活的程度和背景。在T2DM中，PINK1-Parkin介导的线粒体自噬在糖尿病小鼠颌下腺细胞中被激活。在MASLD中，代偿性线粒体自噬激活在早期阶段作为一种对抗脂质超负荷的保护机制。PINK1-Parkin介导的线粒体自噬有助于清除功能失调的线粒体以维持能量平衡并减少氧化应激，从而缓解MASLD进展。
心血管疾病
线粒体自噬失调与多种心血管疾病的发生有关，包括缺血-再灌注（I/R）损伤、心肌病、心肌肥大、动脉粥样硬化和心力衰竭。在I/R损伤中，线粒体自噬通过清除功能失调的线粒体在最大限度地减少损伤方面发挥关键作用，但其调控在I/R损伤的不同阶段可能产生不同效果。在心力衰竭中，线粒体功能障碍和心肌细胞凋亡通常由线粒体自噬不足驱动，是心力衰竭进展的关键因素。心力衰竭患者的心肌活检显示自噬相关标志物如LC3和Beclin 1表达适度下降，同时PINK1水平显著降低。
靶向线粒体自噬通路的治疗干预
鉴于线粒体自噬失调在衰老和年龄相关疾病中的广泛影响，调控线粒体自噬通路已成为一种有前景的治疗策略。迄今为止，大多数努力集中在增强线粒体自噬，因为其缺陷导致多种疾病，而恢复线粒体自噬可促进线粒体健康。
线粒体自噬激活剂
尿石素A（Urolithin A, UA）是一种天然化合物，由肠道微生物群通过摄入石榴、浆果和坚果中丰富的鞣花单宁（ETs）和鞣花酸（EA）代谢产生。UA是唯一被临床验证的能在人类中增强线粒体自噬的生物活性化合物。UA补充剂在C. elegans和小鼠中显示出广泛益处，人类临床试验表明UA可诱导肌肉中的线粒体自噬，改善肌肉功能，减轻炎症，并提高线粒体健康的血浆生物标志物。
亚精胺（Spermidine）是一种天然存在的多胺，存在于小麦胚芽、大豆、坚果和某些水果蔬菜中。组织亚精胺水平随衰老而下降，亚精胺补充剂可通过诱导自噬改善细胞健康。值得注意的是，亚精胺还能刺激线粒体自噬，通过触发线粒体去极化，增强PINK1积累和Parkin向受损线粒体的易位。
线粒体自噬抑制剂
与对线粒体自噬激活剂的广泛研究相比，识别线粒体自噬抑制剂的工作仍处于初步阶段。裂变抑制剂Mdivi-1被广泛用作线粒体自噬抑制剂。PTEN-long（PTEN-L）是PTEN的N末端延伸亚型，定位于OMM。PTEN-L作为泛素的蛋白磷酸酶，去磷酸化Ser65位的pUb，从而抑制FCCP或寡霉素诱导的线粒体自噬。
结语
线粒体自噬通过选择性消除受损或多余的线粒体成分，在维持细胞稳态中发挥重要作用，其失调越来越被认为是多种疾病的显著促成因素。过去二十年来，从发现PD相关的PINK1和Parkin开始，在破译线粒体自噬的分子机制方面取得了重大进展——从泛素介导的通路到受体和脂质介导的机制，以及零碎线粒体自噬等新兴概念。越来越多的证据表明线粒体自噬是高度情境依赖性的，并涉及不同的分子通路，但这些通路如何在生理和病理条件下协调不同细胞群体中的线粒体更新仍不清楚。
