《Biocell》：USP29 Represses the Osteoclastic Differentiation of Human CD14+ Peripheral Blood Mononuclear Cells by Stabilizing MafB
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本综述聚焦于褪黑素对线粒体功能的多元调控作用。针对线粒体功能障碍是神经退行性疾病、心血管及代谢疾病的核心病理环节这一问题，研究人员系统梳理了褪黑素如何通过多层面机制维持线粒体稳态。研究表明，褪黑素不仅能作为直接抗氧化剂清除活性氧(ROS)，还能上调线粒体抗氧化酶、增强电子传递链(ETC)复合物活性、稳定线粒体膜电位(Δψ)并保护心磷脂(CL)完整性，从而防止线粒体膜通透性转换孔(mPTP)开放和细胞色素c释放。同时，它通过调节线粒体动力学（融合/分裂）、线粒体自噬、蛋白质稳态、基因表达及细胞间线粒体运输，发挥广泛的线粒体保护功能。这些发现为褪黑素作为一种多功能的线粒体保护剂，应用于神经退行、心血管及代谢性疾病的治疗提供了重要的理论依据，有望弥合有前景的临床前数据与既定临床实践之间的转化鸿沟。
细胞内的“能量工厂”线粒体，其功能远不止生产ATP那么简单。它们还调控着细胞的氧化还原平衡、生死存亡，并与细胞核等其他细胞器保持着密切的信号“对话”，共同维持着细胞的稳态。然而，这座精密工厂的“故障”——线粒体功能障碍，被认为是驱动神经退行性疾病（如阿尔茨海默病、帕金森病）、心血管疾病、代谢紊乱乃至衰老进程的共同核心机制。其中，活性氧(ROS)的过度产生、电子传递链(ETC)功能受损、线粒体膜电位(Δψ)崩溃、线粒体动力学（分裂与融合）失衡以及线粒体DNA(mtDNA)损伤等一系列问题交织在一起，形成一个恶性循环，加剧细胞损伤。面对这一系列复杂的挑战，寻找能够多靶点、全方位保护线粒体功能的策略成为了科学界迫切的需求。
正是在这样的背景下，一种我们既熟悉又陌生的分子——褪黑素，走进了研究者的视野。传统上，它被视为由松果体分泌的调节睡眠-觉醒周期的“睡眠激素”。但近年来的研究揭示，褪黑素实际上能在所有真核细胞的线粒体内合成，并作为一种多功能的“线粒体守护者”，深刻影响着线粒体的生理与病理过程。为了全面阐明褪黑素如何通过多层次的精密机制来维持线粒体稳态，并评估其在不同疾病模型中的治疗潜力，由Silvia Carloni、Maria Gemma Nasoni、Serafina Perrone、Erik Bargagni、Carla Gentile、Walter Manucha、Russel J. Reiter、Francesca Luchetti和Walter Balduini组成的国际研究团队，在《Biocell》期刊上发表了一篇系统性综述。这篇综述整合了当前最新发现，旨在阐明褪黑素对线粒体从能量代谢、动力学、基因表达到细胞间信号传导的多水平调控，突出其在维持线粒体稳态中的核心角色及其在神经退行性疾病、心血管和代谢性疾病等一系列病理条件下的治疗前景。
为了深入探究褪黑素对线粒体的保护作用，研究人员在综述中综合运用了多种关键的技术方法与模型。在细胞层面，使用了包括神经元细胞（如HT22海马神经元细胞）、主动脉内皮细胞、人间充质干细胞(BMSCs)、Schwann细胞以及多种癌细胞系等，通过建立缺氧/复氧(OGD)、药物（如镉、砷）毒性、氧-葡萄糖剥夺等模型模拟疾病状态下的线粒体应激。在动物模型层面，广泛采用了包括大鼠、小鼠在内的多种 preclinical 模型，用于模拟衰老、帕金森病、心肌缺血/再灌注损伤、脑缺血（如MCAO模型）、糖尿病肾病/心肌病、蛛网膜下腔出血、新生鼠缺氧缺血性脑损伤等复杂病理过程。关键的研究技术涉及线粒体分离与功能测定（如耗氧量、复合物活性）、线粒体膜电位(Δψ)检测、活性氧(ROS)与抗氧化酶（如MnSOD, GPx）水平测量、线粒体DNA(mtDNA)完整性（如氧化损伤标志物8-OHdG）和拷贝数分析、蛋白质印迹法(Western Blot)和免疫荧光检测线粒体动力学相关蛋白（如DRP1, MFN2, OPA1）及线粒体自噬标记蛋白（如PINK1, Parkin）的表达与定位、线粒体形态的显微镜观察（包括隧道纳米管TNTs的成像）、以及通过siRNA或激动剂/抑制剂对特定信号通路（如AMPK, SIRT1/3, PGC-1α, Nrf2）进行调控验证。
1. 褪黑素与线粒体生物能量学
线粒体通过电子传递链(ETC)进行氧化磷酸化(OXPHOS)产生ATP，但此过程不可避免地会产生ROS。褪黑素通过直接和间接的双重机制对抗氧化应激(OS)。它本身是强大的自由基清除剂，同时能上调锰超氧化物歧化酶(MnSOD/SOD2)、过氧化氢酶(CAT)和谷胱甘肽过氧化物酶(GPx)等线粒体抗氧化酶的基因表达和活性。实验证据表明，褪黑素能有效调节线粒体生物能量学。例如，在老龄大鼠脑和肝脏线粒体、帕金森病模型以及缺氧/复氧条件下的神经元细胞中，褪黑素能够恢复复合物I、III、IV和V的活性，从而改善电子传递效率，减少因电子泄漏产生的ROS，并提升ATP合成能力。此外，褪黑素通过保护心磷脂(CL)免受过氧化，维持了线粒体内膜的结构完整性和膜电位(Δψ)，防止了线粒体膜通透性转换孔(mPTP)的异常开放和细胞色素c的释放，从而抑制了线粒体途径的细胞凋亡。在代谢层面，褪黑素还能通过减轻氧化应激对关键酶（如丙酮酸脱氢酶复合体(PDH)）的抑制，促进三羧酸循环(TCA cycle)和脂肪酸β-氧化，确保为OXPHOS持续提供还原当量（NADH和FADH2）。在肿瘤代谢中，褪黑素可逆转Warburg效应（有氧糖酵解），恢复线粒体氧化代谢，这被认为是其抗癌活性的机制之一。
2. 褪黑素与线粒体动力学
线粒体处于持续的分裂与融合动态平衡中，这对维持其网络健康和功能至关重要。褪黑素是这一动态过程的重要调节者。研究表明，褪黑素能够促进线粒体融合，上调融合相关蛋白如线粒体融合蛋白1(MFN1)、线粒体融合蛋白2(MFN2)和视神经萎缩蛋白1(OPA1)的表达。同时，它抑制过度的线粒体分裂，下调分裂相关蛋白如动力相关蛋白1(DRP1)和线粒体分裂1蛋白(Fis1)的表达，并减少DRP1在丝氨酸616位点的磷酸化（激活形式）及其向线粒体的募集。在心肌缺血/再灌注损伤、神经元缺血损伤和镉诱导的肾毒性模型中，褪黑素通过恢复融合/分裂平衡，改善了线粒体形态，并伴随细胞功能的恢复。这些作用通常与激活AMPK、SIRT1-PGC-1α等信号通路相关。
3. 线粒体质量控制：线粒体自噬与蛋白质稳态
当线粒体损伤严重时，细胞通过线粒体自噬(mitophagy)选择性清除功能失调的线粒体。褪黑素对这一质量控制过程具有背景依赖性的调节作用。在多发性周围神经损伤、糖尿病肾病和心肌病模型中，褪黑素通过增强PTEN诱导假定激酶1(PINK1)/Parkin通路，促进了受损线粒体的清除。相反，在新生鼠缺氧缺血诱导的脑白质损伤模型中，褪黑素则抑制了过度的PINK1/Parkin介导的线粒体自噬，表明其调节旨在维持细胞稳态，而非单向激活。在蛋白质稳态方面，褪黑素可以激活线粒体未折叠蛋白反应(UPRmt)，上调分子伴侣表达以应对错误折叠蛋白的累积。同时，它也能减轻内质网应激(ER stress)，但在某些癌细胞中，褪黑素又可诱导ER应激以触发凋亡，显示其作用的复杂性。
4. 褪黑素与线粒体基因调控
褪黑素能在线粒体基因组层面发挥保护作用。它通过上调过氧化物酶体增殖物激活受体γ共激活因子1α(PGC-1α)、核呼吸因子1/2(Nrf1/2)和线粒体转录因子A(TFAM)等，促进线粒体生物发生和mtDNA编码基因（如COX1, ND1）的转录，增加线粒体质量。更重要的是，作为强效抗氧化剂，褪黑素能直接保护mtDNA免受ROS攻击，减少氧化损伤（如8-羟基鸟嘌呤）、缺失和突变，维持mtDNA的完整性和拷贝数。在帕金森病和脑缺血模型中，褪黑素治疗显著降低了mtDNA的氧化损伤。此外，褪黑素还通过调控Sirtuins去乙酰化酶、DNA甲基转移酶(DNMTs)、组蛋白修饰以及特定microRNAs（如miR-34a, miR-23a-3p）的表达，从表观遗传层面影响线粒体相关基因的表达和细胞的应激适应能力。
5. 褪黑素与细胞间线粒体运输
细胞在应激状态下，可以通过隧道纳米管(TNTs)等结构将功能正常的线粒体转移给受损的邻近细胞，这是一种重要的细胞互助机制。研究表明，褪黑素能够促进TNTs的形成并增强细胞间的线粒体运输。在缺血神经元模型中，褪黑素通过此方式帮助受损细胞恢复生物能量，提高存活率。同样，褪黑素预处理能增强间充质干细胞(MSCs)的线粒体质量，并通过TNTs或其分泌的细胞外囊泡(EVs)将功能性线粒体或保护性信号传递给靶细胞，从而增强MSCs在组织修复中的治疗潜力。
6. 褪黑素与有丝分裂因子：线粒体应激信号的双重调节
有丝分裂因子(mitokines)是线粒体在应激时释放的信号分子，如成纤维细胞生长因子21(FGF21)和生长分化因子15(GDF15)，用于协调局部和系统的应激适应。褪黑素与有丝分裂因子存在交互作用。一方面，褪黑素通过稳定线粒体功能，可能减少对持续分泌有丝分裂因子的需求。另一方面，在缺血等急性损伤早期，褪黑素又能促进FGF21的释放，从而发挥神经保护作用并促进功能恢复，表明其能正向调节有益的应激信号。
结论与讨论
本综述系统论证了褪黑素远不止是一种抗氧化剂或睡眠调节激素，而是一个作用于线粒体多层面的关键稳态调节分子。其主要结论和重要意义在于：首先，褪黑素通过直接和间接的抗氧化机制，保护ETC功能、稳定Δψ和维护心磷脂完整性，从源头上改善了线粒体的生物能量学效率和生存能力。其次，它通过精确调控线粒体融合/分裂动力学、线粒体自噬和UPRmt，维护了线粒体网络的质量控制。第三，褪黑素在转录、表观遗传和翻译水平上维护mtDNA完整性和促进线粒体生物合成。第四，其促进细胞间功能性线粒体 via TNTs转移的能力，为细胞在损伤环境中的互助与修复提供了新机制。最后，褪黑素与有丝分裂因子的交互作用，连通了细胞内的线粒体保护与系统性的应激适应信号。
这些多层次的作用机制共同构成了褪黑素对抗神经退行性疾病、心血管疾病、代谢综合征及衰老相关线粒体功能障碍的坚实理论基础。在新生儿缺氧缺血性脑损伤、早产儿相关并发症（如支气管肺发育不良、早产儿视网膜病变）等临床场景中，褪黑素的抗氧化和线粒体保护作用也显示出应用前景。然而，综述也指出，在充满希望的临床前数据与成熟的临床实践之间，仍存在显著的转化差距。未来的研究需要致力于确定精确的治疗方案（剂量、时机、适用人群），并进一步阐明其具有组织特异性的作用机制。总之，褪黑素作为一个内源性、多功能的线粒体保护剂，代表了一种极具潜力的治疗策略，有望为一系列以线粒体功能障碍为特征的疾病提供新的防治思路。
