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摘要：氧化应激伴随的膜电位的下降引起胞浆内Ca2+浓度（[Ca2+]c）的上升。胞浆Ca2+水平的改变导致线粒体-核应激信号的出现。在线粒体应激状态下，线粒体DNA（mtDNA）缺失的细胞中胞浆内Ca2+的浓度和Cathepsin L的水平都增高，提示两者可能存在相关性。目前，将通过细胞自噬降解线粒体的途径称为线粒体自噬（mitophagy）。DJ-1、PINK1和Parkin 等，在线粒体自噬中起关键的作用。一些研究已经表明Parkin、DJ-1等自噬蛋白的缺失会导致胞浆内Ca2+水平的增加。本文就Cathepsin L通过Ca2+与线粒体自噬的联系做简要的探讨。
关键词： Cathepsin L;线粒体自噬;Ca2+;氧化应激
【中图分类号】R-0 【文献标识码】A 【文章编号】2107-2306（2019）06-199-01
1.PD与氧化应激
氧化应激会引起一系列神经退行性疾病，如帕金森病（Parkinson’s disease，PD）。有关研究发现，线粒体中的E3泛素连接酶Parkin，蛋白激酶PINK1 和 DJ-1等蛋白与PD相关。这些蛋白通过线粒体自噬来调节自身浓度，从而保持线粒体的稳定。线粒体除了可以产生ATP，还可以调控钙稳态和细胞凋亡。氧化应激伴随的膜电位的下降引起胞浆内Ca2+浓度（[Ca2+_]c ）的上升。胞浆Ca2+水平的改变导致线粒体-核应激信号的出现。有关实验证明线粒体复合体Ⅰ活性抑制剂鱼藤酮（rotenone）会导致线粒体功能障碍和泛素蛋白酶系统障碍，它通过抑制蛋白酶体活动和增加氧化蛋白来发挥神经毒性作用。鱼藤酮还会导致线粒体形态和动力学的改变。此外，鱼藤酮通过线粒体氧化应激途径诱导多巴胺能神经元凋亡，诱发PD。Cathepsin L是重要的溶酶体半胱氨酸蛋白酶之一，负责降解错误折叠蛋白质和产生基本肽激素来维持细胞内稳态。溶酶体的溶解与坏死有关，有一部分更具选择性的溶酶体膜穿孔后通过释放Cathepsin L促进凋亡[1]。所以，Cathepsin L可能参与了PD的进程。
2. Ca2+在线粒体应激时的變化
已有实验表明，胞浆Ca2+水平的改变导致了线粒体-核应激信号的出现，这可能是由于ATP和Ca2+的流出减少。RyR受体是钙释放通道，受咖啡因调控;IP3-1是闸门Ca2+通道，实验结果显示氧化应激伴随的膜电位的下降引起胞浆内[Ca2+_]c 的上升，而RyR2和IP3-1的水平上调，进一步证实了钙离子的外流。已有相关实验证据显示在线粒体应激状态下，线粒体DNA（mtDNA）缺失的细胞中胞浆内Ca2+的浓度和Cathepsin L的水平都增高，提示两者可能存在相关性。
3.组织蛋白酶L与Ca2+
近年的实验结果表明具Ca2+特性的PKC的作用是通过结合到cathpsin L启动子上的Egr-1介导的[2]。Western blot分析表明经TCDD（一种环境毒素、致癌物质，能诱导线粒体障碍和应激信号）处理的C2C12细胞的Ca2+通道受体蛋白RyR1和cathpsin L水平上调，这两种蛋白是常用的应激信号标志。它们的激活是应激诱导的细胞变化的标志，这是因为cathpsin L代表着肿瘤侵袭，RyR1代表着钙稳态的调节。
4.线粒体自噬与自噬相关蛋白
线粒体自噬是Lemasters在2005年首次提出的，主要是指在ROS、营养缺乏、细胞衰老等刺激下，细胞内的线粒体发生去极化损伤，损伤的线粒体被特异性包裹进自噬体中，并与溶酶体（ lysosome，酵母中为液泡，vacuole） 融合，从而完成损伤线粒体的降解，维持细胞内环境的稳定[3]。DJ-1、哺乳细胞线粒体外膜蛋白PINK1和胞质的Parkin 等，在线粒体自噬中起关键的作用。
有文章表明DJ-1的过表达增强鱼藤酮诱导的自噬标记物：beclin-1和LC3II的表达。穿透式电子显微镜和共聚焦实验显示DJ-1增加了自噬的超微结构。DJ-1减轻鱼藤酮诱导的MN9D细胞损伤，在鱼藤酮诱导的多巴胺能细胞死亡的进程中增加自噬[4]。在线粒体解偶联剂处理达1天之久的培养细胞中，Parkin可以介导线粒体通过自噬而被选择性清除[5]。上述实验证据提示，Parkin可以通过选择性清除受损的线粒体而保护细胞器的质量。
5.自噬相关蛋白与Ca2+
Parkin是维持Ca2+稳态的重要因子，它的缺乏导致了PLC依赖性的胞浆内Ca2+水平的增加而使细胞更易受神经毒素的侵害。最近有实验研究DJ-1敲除的小鼠骨骼肌细胞中DJ-1调节Ca2+稳态的作用，结果发现DJ-1的缺失导致静息胞浆内Ca2+水平大幅度的增加，肌质网响应电刺激而减少Ca2+的释放[6]。结合前文所述关于Cathepsin L和Ca2+的关系，笔者设想是否可以通过抑制Cathepsin L而减少胞浆内Ca2+水平，从而增加Parkin、DJ-1等自噬蛋白的水平来调控线粒体自噬。 6.结论
受损的线粒体可通过线粒体自噬被清除以保证细胞内线粒体的质量，维持细胞稳态。线粒体自噬受各种调控分子的精细调节，包括DJ-1、PINK1和Parkin 等自噬蛋白，而Cathepsin L和自噬蛋白之间通过Ca2+加以联系。线粒体自噬的异常与神经退行性疾病如PD等密切相关。但是，还需要更多的细节和量化的研究来探究Cathepsin L在线粒体自噬中的作用。随着对线粒体自噬研究的深入，可能为PD等神经退行性疾病提供新的治疗靶点。
参考文献：
[1]Boya P and Kroemer G. Lysosomal membrane permeabilization in cell death. Oncogene， 2008. 27：6434-6451.
[2]Amuthan G， Biswas G， Zhang SY， et al. Mitochondria-to-nucleus stress signaling induces phenotypic changes， tumor progression and cell invasion. EMBO J， 2001. 20：1910-1920.
[3]Lemasters JJ. Selective mitochondrial autophagy， or mitophagy， as a targeted defense against oxidative stress， mitochondrial dysfunction， and aging. Rejuvenation Res， 2005. 8：3-5.
[4]Gao H， Yang W， Qi Z， et al. DJ-1 protects dopaminergic neurons against rotenone-induced apoptosis by enhancing ERK-dependent mitophagy. J Mol Biol， 2012. 423：232-248.
[5]Narendra D， Tanaka A， Suen DF， et al. Parkin is recruited selectively to impaired mitochondria and promotes their autophagy. J Cell Biol， 2008. 183：795-803.
[6]Shtifman A， Zhong N， Lopez JR， et al. Altered Ca2+ homeostasis in the skeletal muscle of DJ-1 null mice. Neurobiol Aging， 2011. 32：125-132.
作者簡介：
徐舒青，女，硕士，药师，研究方向：临床药学。
关键词： Cathepsin L;线粒体自噬;Ca2+;氧化应激
【中图分类号】R-0 【文献标识码】A 【文章编号】2107-2306（2019）06-199-01
1.PD与氧化应激
氧化应激会引起一系列神经退行性疾病，如帕金森病（Parkinson’s disease，PD）。有关研究发现，线粒体中的E3泛素连接酶Parkin，蛋白激酶PINK1 和 DJ-1等蛋白与PD相关。这些蛋白通过线粒体自噬来调节自身浓度，从而保持线粒体的稳定。线粒体除了可以产生ATP，还可以调控钙稳态和细胞凋亡。氧化应激伴随的膜电位的下降引起胞浆内Ca2+浓度（[Ca2+_]c ）的上升。胞浆Ca2+水平的改变导致线粒体-核应激信号的出现。有关实验证明线粒体复合体Ⅰ活性抑制剂鱼藤酮（rotenone）会导致线粒体功能障碍和泛素蛋白酶系统障碍，它通过抑制蛋白酶体活动和增加氧化蛋白来发挥神经毒性作用。鱼藤酮还会导致线粒体形态和动力学的改变。此外，鱼藤酮通过线粒体氧化应激途径诱导多巴胺能神经元凋亡，诱发PD。Cathepsin L是重要的溶酶体半胱氨酸蛋白酶之一，负责降解错误折叠蛋白质和产生基本肽激素来维持细胞内稳态。溶酶体的溶解与坏死有关，有一部分更具选择性的溶酶体膜穿孔后通过释放Cathepsin L促进凋亡[1]。所以，Cathepsin L可能参与了PD的进程。
2. Ca2+在线粒体应激时的變化
已有实验表明，胞浆Ca2+水平的改变导致了线粒体-核应激信号的出现，这可能是由于ATP和Ca2+的流出减少。RyR受体是钙释放通道，受咖啡因调控;IP3-1是闸门Ca2+通道，实验结果显示氧化应激伴随的膜电位的下降引起胞浆内[Ca2+_]c 的上升，而RyR2和IP3-1的水平上调，进一步证实了钙离子的外流。已有相关实验证据显示在线粒体应激状态下，线粒体DNA（mtDNA）缺失的细胞中胞浆内Ca2+的浓度和Cathepsin L的水平都增高，提示两者可能存在相关性。
3.组织蛋白酶L与Ca2+
近年的实验结果表明具Ca2+特性的PKC的作用是通过结合到cathpsin L启动子上的Egr-1介导的[2]。Western blot分析表明经TCDD（一种环境毒素、致癌物质，能诱导线粒体障碍和应激信号）处理的C2C12细胞的Ca2+通道受体蛋白RyR1和cathpsin L水平上调，这两种蛋白是常用的应激信号标志。它们的激活是应激诱导的细胞变化的标志，这是因为cathpsin L代表着肿瘤侵袭，RyR1代表着钙稳态的调节。
4.线粒体自噬与自噬相关蛋白
线粒体自噬是Lemasters在2005年首次提出的，主要是指在ROS、营养缺乏、细胞衰老等刺激下，细胞内的线粒体发生去极化损伤，损伤的线粒体被特异性包裹进自噬体中，并与溶酶体（ lysosome，酵母中为液泡，vacuole） 融合，从而完成损伤线粒体的降解，维持细胞内环境的稳定[3]。DJ-1、哺乳细胞线粒体外膜蛋白PINK1和胞质的Parkin 等，在线粒体自噬中起关键的作用。
有文章表明DJ-1的过表达增强鱼藤酮诱导的自噬标记物：beclin-1和LC3II的表达。穿透式电子显微镜和共聚焦实验显示DJ-1增加了自噬的超微结构。DJ-1减轻鱼藤酮诱导的MN9D细胞损伤，在鱼藤酮诱导的多巴胺能细胞死亡的进程中增加自噬[4]。在线粒体解偶联剂处理达1天之久的培养细胞中，Parkin可以介导线粒体通过自噬而被选择性清除[5]。上述实验证据提示，Parkin可以通过选择性清除受损的线粒体而保护细胞器的质量。
5.自噬相关蛋白与Ca2+
Parkin是维持Ca2+稳态的重要因子，它的缺乏导致了PLC依赖性的胞浆内Ca2+水平的增加而使细胞更易受神经毒素的侵害。最近有实验研究DJ-1敲除的小鼠骨骼肌细胞中DJ-1调节Ca2+稳态的作用，结果发现DJ-1的缺失导致静息胞浆内Ca2+水平大幅度的增加，肌质网响应电刺激而减少Ca2+的释放[6]。结合前文所述关于Cathepsin L和Ca2+的关系，笔者设想是否可以通过抑制Cathepsin L而减少胞浆内Ca2+水平，从而增加Parkin、DJ-1等自噬蛋白的水平来调控线粒体自噬。 6.结论
受损的线粒体可通过线粒体自噬被清除以保证细胞内线粒体的质量，维持细胞稳态。线粒体自噬受各种调控分子的精细调节，包括DJ-1、PINK1和Parkin 等自噬蛋白，而Cathepsin L和自噬蛋白之间通过Ca2+加以联系。线粒体自噬的异常与神经退行性疾病如PD等密切相关。但是，还需要更多的细节和量化的研究来探究Cathepsin L在线粒体自噬中的作用。随着对线粒体自噬研究的深入，可能为PD等神经退行性疾病提供新的治疗靶点。
参考文献：
[1]Boya P and Kroemer G. Lysosomal membrane permeabilization in cell death. Oncogene， 2008. 27：6434-6451.
[2]Amuthan G， Biswas G， Zhang SY， et al. Mitochondria-to-nucleus stress signaling induces phenotypic changes， tumor progression and cell invasion. EMBO J， 2001. 20：1910-1920.
[3]Lemasters JJ. Selective mitochondrial autophagy， or mitophagy， as a targeted defense against oxidative stress， mitochondrial dysfunction， and aging. Rejuvenation Res， 2005. 8：3-5.
[4]Gao H， Yang W， Qi Z， et al. DJ-1 protects dopaminergic neurons against rotenone-induced apoptosis by enhancing ERK-dependent mitophagy. J Mol Biol， 2012. 423：232-248.
[5]Narendra D， Tanaka A， Suen DF， et al. Parkin is recruited selectively to impaired mitochondria and promotes their autophagy. J Cell Biol， 2008. 183：795-803.
[6]Shtifman A， Zhong N， Lopez JR， et al. Altered Ca2+ homeostasis in the skeletal muscle of DJ-1 null mice. Neurobiol Aging， 2011. 32：125-132.
作者簡介：
徐舒青，女，硕士，药师，研究方向：临床药学。