综述：钙介导的线粒体自噬调节：在神经退行性疾病中的意义

这篇综述聚焦于钙信号与线粒体自噬（mitophagy）的关系。阐述了二者相互作用的分子机制，探讨其在神经退行性疾病（如阿尔茨海默病、帕金森病等）发病过程中的影响，为相关疾病治疗提供了潜在靶点和方向。

　　

钙介导的线粒体自噬调节：在神经退行性疾病中的意义

钙信号在细胞的众多生理过程中发挥着关键作用，它通过精确的时空调节以及与效应蛋白的相互作用，影响着细胞的命运。线粒体作为细胞的能量工厂，不仅是能量供应的关键场所，还在钙信号传导中占据重要地位。适度的线粒体钙摄取有助于 ATP 合成和代谢调节，然而，过量的钙积累则会引发氧化应激、线粒体膜通透性改变，甚至导致细胞死亡。近年来，钙稳态与线粒体自噬（mitophagy）之间的复杂关系备受关注，尤其是在神经退行性疾病的研究领域。

线粒体自噬的一般机制

线粒体自噬是一个精细调控的过程，可在生理情况下，如发育或代谢需求时，清除多余的线粒体；也可作为线粒体质量控制机制，清除功能异常的线粒体。这一过程依赖于特定的受体和衔接分子，它们通过泛素依赖或泛素非依赖的机制，招募自噬 machinery，识别并降解受损或多余的线粒体。

1. 泛素依赖的线粒体自噬机制：PINK1/Parkin 通路是研究较为深入的泛素依赖的线粒体自噬机制。PTEN 诱导激酶 1（PINK1）和 E3 泛素连接酶 Parkin 参与其中，PINK1 和 Parkin 基因的突变与超过 50% 的常染色体隐性青少年帕金森病相关，且其异常表达还与其他常见神经退行性疾病有关。在健康线粒体中，PINK1 被转运至线粒体内膜（IMM），并经一系列蛋白酶切割后降解。而当线粒体膜电位（Δψm ）降低时，PINK1 会在 OMM 稳定并形成同源二聚体，随后磷酸化泛素分子和胞质中的 Parkin，促使 Parkin 募集到 OMM，激活其 E3 泛素连接酶活性。Parkin 会催化 OMM 上多种蛋白质形成泛素链，这些泛素链的类型决定了线粒体蛋白的命运，其中 K63 连接的泛素链可招募自噬衔接蛋白，促进线粒体自噬。除 Parkin 外，还有多种 E3 连接酶在泛素依赖的线粒体自噬中发挥冗余作用，如糖蛋白 78（Gp78）、线粒体泛素连接酶 1（MUL1）等 。此外，AMBRA1 在 PINK1 的稳定中起关键作用，它不仅能与 PINK1 结合，还可通过与 TOM 和 ATAD3A 相互作用，阻止 PINK1 的线粒体导入和降解。
2. 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，还存在泛素非依赖的机制。这一机制依赖于线粒体定位的蛋白质或脂质性质的受体，它们在特定刺激下，可直接与自噬体相互作用，无需泛素化过程。例如，促凋亡蛋白 BNIP3 和 BNIP3L（NIX）在缺氧条件下，可通过与 LC3 和 GABARAP 蛋白结合，促进线粒体自噬体的形成。FUNDC1 是另一种重要的线粒体自噬受体，在缺氧或线粒体解偶联时，它会去磷酸化，从而触发线粒体自噬。此外，BCL2L13、FKBP8 等也被证实可作为线粒体自噬受体，参与线粒体自噬过程。同时，某些脂质，如心磷脂（CL）和 C (18)- 神经酰胺，也可直接与 LC3 修饰的自噬体结合，发挥线粒体自噬受体的作用。

钙稳态与细胞内运输

钙在真核生物系统中具有独特作用，它影响多种信号通路，调节细胞的基因表达、分化、代谢和死亡等重要过程。为维持钙的功能多样性，细胞通过多种钙通道来精确控制细胞质和细胞器内的钙水平。

1. 细胞质钙：在静息状态下，细胞质钙浓度（[Ca2+]c ）维持在较低水平，约为 100 nM，这主要依赖于质膜（PM） Ca2+ ATP 酶（PMCA）、 Na+/Ca2+ 交换器（NCX）和 Na+/Ca2+?K+ 交换器（NCKXs）的作用，它们将细胞质中的钙排出细胞。同时，肌浆网 / 内质网 Ca2+ ATP 酶（SERCA）和线粒体 Ca2+ 单向转运体（mtCU）也参与维持低钙水平。当 PM 钙通道打开时，钙会迅速流入细胞，导致 [Ca2+]c 急剧升高。
2. 内质网 / 肌浆网和高尔基体中的钙通量：内质网 / 肌浆网是细胞内主要的钙储存库，其腔内钙浓度通常在 100 μM - 1 mM 之间。内质网 / 肌浆网通过肌醇 - 1,4,5 - 三磷酸受体（IP3R ）和兰尼碱受体（RyR）释放钙，且钙释放常由细胞质表面钙水平升高触发，这一过程称为钙诱导钙释放（CIRC）。此外，内质网钙储存的耗尽可激活 STIM 蛋白，进而与 Orai 蛋白形成钙释放激活（CRAC）通道，介导细胞外钙的内流，补充内质网钙储存。高尔基体也含有较高水平的钙，其钙的摄取和释放机制与内质网 / 肌浆网有相似之处，但也存在差异，如顺面高尔基体和反面高尔基体在钙处理上具有不同的特点。
3. 内体 / 溶酶体中的钙运输：内体 / 溶酶体也是重要的钙储存细胞器，其钙浓度约为 500 μM。溶酶体钙的释放主要由瞬时受体电位粘蛋白通道（TRPMLs）和双孔通道（TPCs）介导，它们在细胞的自噬、信号转导等过程中发挥重要作用。此外，还有其他一些钙通道也参与溶酶体钙的运输，但它们的分布和功能在不同细胞类型中存在差异。
4. 线粒体钙水平的调节：线粒体内部的静息钙浓度（[Ca2+]mit ）相对较低，约为 100 μM，其高缓冲能力使其可在需要时缓解细胞内的高钙压力。线粒体钙的摄取主要通过 mtCU 复合物介导，该复合物由通道形成蛋白 MCU、支架蛋白 EMRE 和调节蛋白 MICU 组成。此外，还存在快速模式钙摄取（RaM）机制，但其生物学意义仍有待进一步明确。除 mtCU 外，线粒体还存在其他钙运输途径，如线粒体兰尼碱受体（mRyR）、 Na+/Ca2+ 交换器 NCLX 和 Ca2+/H+ 反向转运体 LETM1 等，它们在不同条件下参与线粒体钙的运输。当线粒体钙过载时，可能会诱导线粒体通透性转换孔（mPTP）的形成，mPTP 的开放会导致线粒体去极化、肿胀，最终引发细胞死亡，但它的短暂、低电导开放可能具有一定的生理功能。

钙信号与线粒体自噬之间的分子联系

钙信号在细胞过程中至关重要，它与线粒体自噬之间存在着复杂的相互作用。这种相互作用主要体现在两个方面：一方面，线粒体自噬途径的相关因子参与调节线粒体钙水平，以维持线粒体功能，防止钙诱导的细胞死亡途径激活；另一方面，不同细胞区室中的钙波动可作为信号，调节线粒体自噬过程的不同阶段。

1. 线粒体自噬前钙依赖的线粒体动力学调节：线粒体的运动、分裂和融合等动力学过程对维持线粒体功能和细胞稳态至关重要，而钙信号在其中发挥着关键调节作用。在神经元中，静息状态下，OMM 蛋白 Miro1 与 Milton/TRAK 衔接蛋白相互作用，促进线粒体沿细胞骨架运动。当细胞质钙水平升高时，钙与 Miro1 的 EF 手型结构域结合，导致其构象改变，从而破坏与细胞骨架的相互作用，使线粒体运动停止。同时，线粒体损伤会导致 PINK1 在 OMM 积累，激活 Parkin，进而引发线粒体自噬。此外，线粒体分裂也是一个钙依赖的过程，钙内流可激活 CaMKIα 激酶和钙调神经磷酸酶（CaN），它们通过对 DRP1 的磷酸化和去磷酸化修饰，促进 DRP1 向线粒体的募集，诱导线粒体分裂，为线粒体自噬做准备。
2. CaN - TFEB 通路诱导线粒体自噬：在胰腺 β 细胞中，线粒体应激会引发 ROS 的产生，ROS 作为信号分子，增强溶酶体钙的释放。升高的细胞质钙水平激活 CaN，CaN 使转录因子 EB（TFEB）去磷酸化，进而促进 TFEB 向细胞核转运。在细胞核中，TFEB 驱动包括线粒体自噬受体 NDP52 和 OPTN 在内的靶基因表达，最终诱导线粒体自噬，清除受损线粒体，维持线粒体功能。
3. 钙信号与 PINK1/Parkin 线粒体自噬通路因子的相互联系：越来越多的证据表明，特定的线粒体自噬因子参与调节钙稳态。例如，PINK1 可通过调节线粒体 Na+/Ca2+ 交换器 NCLX 和 Ca2+/H+ 反向转运体 LETM1，影响线粒体钙外流。Parkin 则可通过泛素化磷脂酶 Cγ1（PLCγ1）和 CISD1，抑制内质网钙释放，从而调节细胞内钙稳态。此外，Parkin 还可通过控制 MICU1 的水平，间接影响 mtCU 复合物的活性，进一步调节线粒体钙摄取。

钙失调与神经退行性疾病中的线粒体自噬

神经元具有高度极化的结构和较高的能量需求，维持健康的线粒体对其功能和存活至关重要。由于神经元的终末分化特性，它们高度依赖细胞内的质量控制机制，尤其是线粒体自噬，来维持线粒体的正常功能。然而，在神经退行性疾病中，钙失调和线粒体自噬受损常常同时出现，二者相互作用，形成恶性循环，加剧神经元损伤，加速疾病进展。

1. 阿尔茨海默病：阿尔茨海默病（AD）是最常见的痴呆类型，其特征为淀粉样 β（Aβ）斑块和由过度磷酸化 tau 蛋白组成的神经原纤维缠结的积累。Aβ 寡聚体可刺激神经元内钙内流和内质网钙释放，导致线粒体钙过载，引发 mPTP 开放，最终导致细胞死亡。同时，AD 神经元中 Parkin 转位效率低下和溶酶体酸化异常，使其难以有效清除受损线粒体，进一步加剧了对钙超载的敏感性。此外，PS1 突变会降低溶酶体钙水平，影响溶酶体酸化，表明受损的线粒体自噬与失调的钙动力学之间存在相互关系，共同促进 AD 的神经退行性变。
2. 帕金森病：帕金森病（PD）是第二常见的神经退行性疾病，其特点是黑质多巴胺能神经元的丢失和路易小体的存在。多巴胺能神经元对钙失调较为敏感，过量的钙内流可导致线粒体钙过载，触发 mPTP 开放，引起线粒体去极化。突变的 α - 突触核蛋白可调节钙通道功能，导致细胞内钙水平升高，线粒体钙摄取增加。PD 相关的 PINK1 突变与线粒体钙过载有关，PINK1 可通过调节 LETM1 和 NCLX，影响线粒体钙外流。此外，Parkin 与线粒体钙调节之间也存在复杂的相互作用，如 Parkin 可促进 MICU1 的降解，影响线粒体钙摄取。
3. 肌萎缩侧索硬化：肌萎缩侧索硬化（ALS）是一种致命的神经退行性疾病，其特征为运动神经元进行性退化。与 ALS 相关的大多数蛋白质，如 TDP - 43、SOD1 等，都与线粒体相互作用，线粒体功能障碍和线粒体自噬受损是该疾病的标志。ALS 神经元的线粒体钙缓冲能力有限，在谷氨酸刺激后， [Ca2+] 异常升高，导致兴奋性毒性，引起神经元死亡。MCU 在 ALS 小鼠运动神经元中的表达存在差异，提示其与线粒体钙缓冲能力和神经元存活有关，但线粒体自噬、钙处理和兴奋性毒性之间的直接联系仍有待进一步明确。
4. 亨廷顿病：亨廷顿病（HD）是一种常染色体显性遗传的神经退行性疾病，由亨廷顿蛋白（HTT）基因中的 CAG 重复扩增引起。突变的亨廷顿蛋白（mHTT）可直接与 IP3Rs 相互作用，促进其激活，增强内质网钙释放。HD 神经元的线粒体对高钙负荷的耐受性降低，容易引发 mPTP 开放和线粒体钙释放。此外，mHTT 还可与 DRP1 相互作用，导致线粒体过度碎片化和轴突运输缺陷，同时干扰选择性自噬的货物识别步骤，导致受损线粒体积累，加剧神经退行性变。
5. 脊髓小脑共济失调：脊髓小脑共济失调（SCA）是一组遗传异质性的神经退行性疾病，其特征为进行性共济失调。SCA 相关基因的突变常导致有毒蛋白质在神经元中积累，引起神经元功能障碍和退化。在 SCA 中，Purkinje 细胞的钙稳态改变被认为是可能的病理触发因素，如 IP3Rs 的基因突变或功能改变与多种 SCA 类型相关。虽然 SCA 中的线粒体自噬尚未像其他神经退行性疾病那样受到广泛关注，但已有研究表明线粒体损伤和细胞器清除无效是 SCA6 进展的重要因素，且 ataxin - 3 可通过去泛素化 Parkin，干扰线粒体自噬。
6. 常染色体显性视神经萎缩：常染色体显性视神经萎缩（ADOA）是一种罕见的神经退行性疾病，主要由 OPA1 基因突变引起，该基因参与线粒体内膜融合和嵴的组织，同时调节线粒体钙动力学。在 ADOA 中，突变的 OPA1 与轴突线粒体的严重缺失有关，这可能是由于过度的线粒体自噬所致。ADOA 神经元中钙水平升高，激活 AMPK 和 CaN 信号，诱导线粒体自噬。虽然目前尚不清楚过量钙的来源，但螯合钙可改善 ADOA 线虫模型的病理表型，揭示了钙调节与线粒体自噬在该疾病发病机制中的直接联系。

结论与展望

钙调节与线粒体自噬之间的复杂关系在众多神经退行性疾病的发病机制中起着关键作用。恢复钙稳态和调节线粒体自噬具有巨大的治疗潜力。目前的研究表明，细胞质和线粒体钙在不同层面影响线粒体自噬，局部细胞质钙波动可调节线粒体动力学和线粒体自噬的启动，而线粒体钙过载则可作为线粒体自噬的启动信号。未来的研究需要进一步明确这些相互作用的精确分子机制，为开发创新的治疗策略提供理论基础。通过靶向线粒体周转和钙处理的关键途径，有望开发出不仅能缓解症状，还能针对神经退行性疾病根本原因的治疗方法，为改善患者的预后和生活质量带来希望。