急性肾损伤（acute kidney injury,AKI）是一种具有全身效应的复杂临床综合征，其特征为肾小球滤过率急剧下降，伴含氮产物（如肌酐和尿素氮）的滞留，主要并发症包括液体超负荷、电解质和酸碱平衡紊乱以及尿毒症[1]。一项Meta分析显示，AKI的发病率在成人中为21.6%，在儿童中为33.7%。AKI相关病死率在成人中为23.9%，在儿童中为13.8%[2]。再者，由于缺乏及时有效的诊疗措施，AKI患者患慢性肾脏病和终末期肾衰竭的风险正逐渐上升，其高发病率和病死率正严重危害人类社会和生命健康[3]。然而，AKI的病因众多，感染、败血症、缺血、缺氧以及肾毒性药物是肾损伤的主要因素[4]。因此，如何预防AKI以及改善患者预后是重要的医疗卫生健康问题。

研究表明，AKI的病理生理过程非常复杂，涉及肾小管细胞缺氧和坏死、炎症反应、周围细胞损伤、微血管损伤及功能障碍[5]。除上述机制外，最近的研究表明，肾小管受损的关键是线粒体功能障碍，活性氧（reactive oxygen species,ROS）产生增加，最终导致肾小管上皮细胞损伤和凋亡[6]。

肾脏是人类需要能量的器官之一，其线粒体含量和耗氧量仅次于心脏。作为细胞的“能量工厂”，线粒体是肾小管细胞的主要动力源。线粒体在产生三磷酸腺苷（adenosine triphosphate,ATP）、代谢调节、ROS生成、维持细胞内钙稳态、调节增殖和内在凋亡途径方面起着重要的作用[7]。研究发现，AKI早期线粒体内稳态的破坏是导致肾小管损伤和持续性肾功能不全的重要因素[8]。线粒体稳态是在氧化应激下维持线粒体功能的重要过程，其调节涉及线粒体生物合成、线粒体动力学、线粒体自噬以及氧化还原状态，这一复杂的过程受到各种功能分子的精细调控[9]。线粒体生物合成可以产生大量新的线粒体参与细胞代谢。线粒体动力学包括融合和裂变，通过改变线粒体的形态来满足细胞的能量代谢和其他生物学需求，从而适应各种应力条件。线粒体通过融合促进线粒体之间代谢物和底物的交换，以确保线粒体网络的最佳功能，并且是氧化损伤线粒体成分互补以减轻细胞器应激所必需的。线粒体通过裂变去除功能失调或受损部分以维持线粒体膜电位。之后，功能失调或受损的线粒体被线粒体自噬识别并清除以维持线粒体稳态[10]。研究表明，通过促进线粒体生物合成、抑制线粒体过度裂变、抗氧化以及改善线粒体自噬维持线粒体内稳态可以减轻AKI[11,12]。因此，维持线粒体稳态对于肾小管细胞的生理功能和存活起着重要作用。

Sirtuins家族是一种高度保守的依赖烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（nicotinamide adenine dinucleotide,NAD+）的组蛋白脱乙酰酶家族，在哺乳动物中含有沉默信息调节因子（silence information regulator,SIRT)1～7七个成员。其中SIRT3蛋白广泛表达于富含线粒体的组织，是调节线粒体代谢的主要脱乙酰酶，在维持线粒体功能方面起着至关重要的作用。研究表明，SIRT3通过调节线粒体蛋白脱乙酰化参与线粒体代谢，包括三羧酸（tricarboxylic acid,TCA）循环、尿素循环、氨基酸循环、脂肪酸氧化、氧化应激和线粒体动力学，协助线粒体维持代谢稳定，从而保护线粒体免受损伤。此外，SIRT3与线粒体自噬、炎症反应、细胞凋亡关联密切[13,14]。然而，目前尚未阐明SIRT3介导的线粒体内稳态失调在AKI进展中的确切机制。现将SIRT3介导的线粒体稳态在AKI中的作用进行综述，为AKI的治疗干预提供潜在的靶点。

一、SIRT3与线粒体生物合成

线粒体生物合成是通过预先存在的线粒体的生长和分裂形成新线粒体的复杂过程，主要涉及线粒体双层膜的合成、线粒体编码蛋白与核编码线粒体蛋白的合成以及线粒体DNA(mitochondrial deoxyribonucleic acid,mtDNA）的复制[15]。这个复杂的过程需要协调表达和组装由核和线粒体基因组编码的1100多种蛋白质。其中，线粒体基因组编码37种蛋白质，绝大多数线粒体蛋白质合成都在核基因组的控制之下[16]。因此，线粒体生物合成依赖于线粒体基因组与核基因组之间的协调活动。其中核DNA和mtD-NA协调产生新线粒体的过程涉及过氧化物酶体增殖物激活受体γ共激活因子（peroxisome proliferator-activated receptor gamma coactivator,PGC)1α/1β、PGC-1相关共激活剂、核呼吸因子（nuclar respiratory factor,NRF)1/2以及雌激素相关受体α(estrogen-related receptor-α,ERR-α）等重要的转录因子[17]。研究表明，PGC-1α是线粒体生物发生的重要调节因子[18]。研究发现，调节线粒体的生物合成有两条主要途径，分别是单磷酸腺苷依赖的蛋白激酶（adenosine monophosphate-activated protein kinase,AMPK）/PGC-1α轴和SIRT1/PGC-1α轴。机体受到运动或饥饿等生理刺激，AMPK活化直接磷酸化PGC-1α或者通过增加NAD+水平激活SIRT1，从而去乙酰化PGC-1α。磷酸化或去乙酰化的PGC-1α从细胞质转移到细胞核，激活NRF1和NRF2基因的表达及其转录活性，触发mtDNA和蛋白质的合成以及新的线粒体的产生[19]。

研究发现，在内毒素诱导的败血症AKI模型中，PGC-1α水平降低与肾损伤程度相关。Tran等[20]对对照组和PGC-1α敲除组的小鼠进行了败血症诱导的AKI实验研究，结果发现具有整体或小管特异性PGC-1α缺失的小鼠在败血症后未能从肾损伤中恢复，表明肾小管上皮细胞中PGC-1α对于败血症诱导的AKI后的肾脏恢复至关重要。在肾缺血再灌注（ischemia-reperfusion injury,I/R）模型中也获得了类似的结果。此外，该研究还表明PGC-1α的肾小管上皮特异性转基因表达减弱了肾脏病理变化，并与缺血后肾功能的改善有关[21]。最近的一项研究亦显示，PGC-1α过表达，减弱了I/R诱导的AKI中的细胞凋亡，改善了肾功能[22]。这些数据共同表明，PGC-1α的功能效应对于从AKI中恢复是必要的。研究发现，线粒体SIRT3含量的增加可以通过AMPK-PGC-1α-ERR-α信号通路促进线粒体编码基因的表达，增加细胞ATP水平并诱导线粒体生物发生[23]。此前有研究表明PGC-1α可通过ERR-α调控SIRT3的表达，ERR-α是SIRT3的启动子区，介导PGC-1α引起的SIRT3的转录，敲低SIRT3的表达明显减弱了PGC-1α对线粒体的转录调节[24]。此外，还有研究表明，SIRT3通过脱乙酰化PGC-1α和线粒体复合物Ⅰ增强线粒体生物发生和能量产生以抵抗AKI[6]。总之，这些发现表明SIRT3在调节线粒体生物合成、维持线粒体数量稳定中的重要作用。（图1)

二、SIRT3与线粒体动力学

线粒体的融合/分裂（线粒体动力学）是一个涉及多种线粒体动力学相关蛋白调控的动态过程，这二者之间的平衡调节线粒体的形态和数量。在哺乳动物中，线粒体融合是由位于线粒体内膜的视神经萎缩因子1(optic atrophy 1,OPA1）、外膜的线粒体融合蛋白（mitofusin,Mfn)1以及Mfn2共同介导，而分裂则由动力相关蛋白1(dynamin-related protein 1,DRP1）易位至线粒体外膜并与外膜上线粒体分裂蛋白1(mitochondrial fission protein 1,Fis1）、线粒体裂变因子（mitochondrial fission factor,MFF）、线粒体动力蛋白（mitochondrial dynamics proteins,Mid)49以及Mid51等受体结合来介导[25]。近期，许多研究发现线粒体动力学紊乱可致各种疾病，包括脓毒症诱导的AKI。研究表明，在AKI的发病过程中，线粒体动力学紊乱参与其中。在盲肠结扎和穿刺（cecal ligation and puncture,CLP）诱导的小鼠AKI模型中，发现裂变/融合异常，DRP1表达增多，OPA1表达减少，线粒体倾向于裂变[26]。缺血性肾脏中DRP1的激活促进线粒体破碎和细胞凋亡[27]，用特异性抑制剂线粒体分裂抑制剂1抑制DRP1，可以改善线粒体功能，防止部分细胞凋亡[28]。这表明，过度裂变或抑制融合引起的线粒体碎裂是AKI期间线粒体损伤和肾小管损伤的关键原因。

图1 SIRT3介导的线粒体稳态 

研究发现，SIRT3通过参与调节线粒体分裂和融合过程维持线粒体结构和功能的稳定从而缓解AKI。Huang等[29]利用顺铂诱导的AKI模型，发现SIRT3下调导致线粒体外膜中DRP1和MFF募集增加，同时OPA1减少，导致线粒体裂变和碎裂增多，肾损伤加重。在脂多糖（lipopolysaccharides,LPS）诱导的AKI模型中，也观察到类似的结果。敲除SIRT3基因加剧了LPS诱导的线粒体动力学的紊乱和线粒体功能障碍，增加了细胞凋亡以及肾脏病理损伤[30]。与此相反，SIRT3过表达通过增强OPA1介导的线粒体融合减轻I/R诱导的肾小管上皮细胞线粒体功能和动力学的异常并抑制炎症反应，从而改善肾功能[31]。上述研究提示，SIRT3作为线粒体动力学的重要调节因子，在线粒体形态和功能中起着不可或缺的作用。此外，Yuan等[32]进行的一项研究表明，苦参碱通过SIRT3/OPA1途径介导的线粒体功能改善，减轻氧化损伤和炎症反应，逆转顺铂诱导的AKI。此外，还有研究表明，肾酶通过上调SIRT3减少顺铂诱导的AKI中的线粒体裂变，改善线粒体功能和抑制氧化应激，预防顺铂诱导的AKI[29]。总之，这些发现表明，SIRT3通过调控线粒体融合/分裂动态平衡来改善肾组织损伤，为AKI的治疗提供了新的方向，值得深入研究。（图1)

三、SIRT3与线粒体自噬

自噬是一种利用溶酶体降解胞浆中损伤的细胞器、病原体以及其他大分子物质如蛋白质、脂质等从而维持细胞稳态的自我防御机制[33]。自噬过程按照自噬相关蛋白和其他辅助因子高度调节的一系列顺序阶段进行，包括：（1）形成期，吞噬团的形成也称为自噬体成核；（2）伸长期，新生膜逐渐延伸以形成自噬体；（3）成熟期，形成一个可以彻底包裹底物的双膜自噬体；（4）结合期，双膜自噬体与溶酶体结合形成自噬-溶酶体；（5）降解期，靶向底物被溶酶体降解[34]。其中，自噬体对细胞质物质的同化受到对特定种类底物积累的高度选择和遗传调节的影响，这些底物统称为选择性自噬[35]。21世纪初，Lemasters[36]首次将自噬机制靶向吞噬功能失调的线粒体的特定形式称为选择性线粒体自噬或线粒体自噬。

线粒体自噬是一种细胞过程，被认为是负责线粒体质量控制的主要途径之一，可准确识别和标记严重受损的线粒体或多余的线粒体以便及时清除[37]。目前为止，在哺乳动物中，线粒体自噬途径一般分为泛素依赖性、受体依赖性和脂质依赖性这三种途径[12]。其中一种由丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶磷酸酶和张力蛋白同源物诱导的激酶（phosphatase and tensin homolog-induced kinase,PINK)1-E3泛素蛋白连接酶帕金（parkin RING-between-RING,Parkin）途径调节，是目前描述最广泛的线粒体自噬途径；另一种由受体介导的线粒体自噬调节，包括B细胞淋巴瘤（B-cell lymphoma,Bcl)2/腺病毒E1B 19kDa-相互作用蛋白3(Bcl-2/adenovirus E1B 19kDa-interacting protein 3,BNIP3）、BNIP3样蛋白、含FUN14结构域的蛋白1、Bcl-2样蛋白13、禁止素2、胆碱脱氢酶以及B细胞淋巴瘤2蛋白相互作用中心卷曲螺旋蛋白1调节的自噬蛋白1[38,39]。还有一种由脂质介导的线粒体自噬调节，如心磷脂，是一种线粒体内膜磷脂，在线粒体受到损伤时，可易位到线粒体外膜直接与微管相关蛋白1轻链3(microtubule-associated protein 1 light chain 3,LC3）相互作用，从而促进自噬体吞噬受损的线粒体。再如神经酰胺或神经酰胺类似物在线粒体中的积累亦可促进线粒体自噬[40]。神经酰胺介导的线粒体自噬的机制在人头颈部鳞状细胞癌细胞中得到证实[41]。最近的研究发现，SIRT3与自噬关系密切。SIRT3通过激活AMPK-哺乳动物雷帕霉素靶标（mammalian target of rapamycin,mTOR）途径、叉头盒O 3a(forkhead Forkhead box class O 3a,Foxo3a)-PINK1-Parkin途径和SIRT3-线粒体ROS(mitochondrial reactive oxygen species,mtROS）-超氧化物歧化酶（superoxide dismutase,SOD)2途径参与自噬的调节[42]。研究表明，SIRT3通过介导线粒体自噬对AKI产生保护作用。在CLP诱导的AKI小鼠模型中，SIRT3过表达通过上调p-AMPK和下调p-mTOR促进线粒体自噬，减弱肾小管细胞凋亡和炎症细胞因子积累，从而减轻脓毒症诱导的AKI[43]。还有研究发现，受肾结石困扰的小鼠总是表现出SIRT3表达的显著降低。SIRT3可以去乙酰化Foxo3a，上调其活性，继而活化的Foxo3a与LC3的启动子结合诱导自噬，抑制肾小管上皮细胞损伤[44]。还有研究表明SIRT3通过调节DRP1途径诱导线粒体自噬来保护肾脏I/R损伤[45]。综上所述，SIRT3通过诱导线粒体自噬、抑制炎症反应以及减少肾小管上皮细胞凋亡来改善AKI，为AKI的治疗干预提供新的靶点。（图1)

四、SIRT3与氧化应激

线粒体是ROS的主要生成部位之一[46]。线粒体产生ATP的过程依赖于嵌入线粒体内膜中的一系列电子转运蛋白产生的离子梯度所释放的能量将磷酸盐偶联成腺苷并合成ATP。这个过程中，在损伤应激条件下，损伤的线粒体会引起呼吸链中电子传递的泄漏，泄漏的电子与氧结合生成过量的ROS[47]。然而，ROS生成和去除的不平衡导致ROS的过度积累会诱导线粒体氧化损伤[48]。为了消除过度产生的ROS，机体通过多种抗氧化酶包括SOD、谷胱甘肽过氧化物酶（glutathione peroxidase,GSH-Px）和过氧化氢酶来达到维持氧化还原稳态的目的[49]。与此同时，机体为了应对ROS介导的氧化损伤，通过诱导自噬作为适应性反应去除ROS、氧化生物分子以及受损细胞器，从而减轻氧化应激以维持细胞稳态[50]。然而，线粒体自噬维持细胞稳态的程度是有限的，随着肾损伤的进展，ROS过度生成时，线粒体自噬的保护作用亦不足以消除氧化应激对组织造成的损伤[51]。此外，在各种应激的环境下，自噬过程的紊乱会导致线粒体功能障碍，亦可增加ROS的生成[52]。因此，线粒体内ROS生成和去除的平衡对于维持线粒体功能和细胞活力至关重要。

研究表明，SIRT3靶向线粒体基质，通过多种底物的脱乙酰化来协调线粒体氧化代谢，如TCA循环和氧化磷酸化。此外，SIRT3还通过线粒体抗氧化酶的脱乙酰化来控制mtROS的水平，包括SOD,GSH-Px、异柠檬酸脱氢酶2以及电子传递链中mtROS生成的组分，如复合物Ⅰ和复合物Ⅲ[53]。研究发现，SIRT3通过减少ROS的积累在AKI发生过程中起到保护作用。Zhang等[54]在造影剂诱导的AKI研究中发现，SIRT3缺乏增强了ROS的表达，加剧了氧化应激，肾损伤加重。与上述发现一致，I/R诱导的AKI模型中，SIRT3的失活增加了SOD2和p53的乙酰化，并增强了SOD2和p53蛋白之间的相互作用，导致ROS的累积产生、细胞凋亡以及AKI的进展[55]。与此相反，SIRT3过表达通过抑制ROS的过度生产减轻体内肾脏中I/R介导的氧化应激，减少炎症反应，维持肾脏结构和功能[32]。

研究发现，SIRT3保护肾脏免受氧化相关的组织损伤和ROS诱导的线粒体损伤。在CLP诱导的AKI中，SIRT3缺失导致氧化应激的激活，线粒体受损加剧，促炎细胞因子产生增加，细胞凋亡增强，且这些损伤可通过SIRT3过表达所逆转，从而对肾脏中的线粒体损伤起着保护作用[56]。此外，还有研究发现，肾脏I/R损伤后SIRT3表达显著降低，而线粒体靶向抗氧化剂米托蒽醌甲磺酸盐无论是在体内还是在体外均显著恢复SIRT3表达，并减少ROS产生，抑制氧化应激，显著逆转I/R损伤后的线粒体损伤，从而改善肾功能下降和病理损害[57]。这些发现与之前Morigi等[58]的研究结果一致，后者表明，在顺铂诱导的AKI小鼠中，肾小管细胞线粒体异常与肾脏SIRT3水平降低有关，并且抗氧化剂治疗后恢复了SIRT3表达，维持了线粒体结构完整并改善了肾功能。上述研究支持SIRT3对肾脏损伤的保护作用是通过其对氧化应激相关线粒体损伤的影响来发挥作用。另外，Zhang等[59]的一项研究表明，褪黑激素预处理显著增加SIRT3的表达并通过降低ROS和丙二醛含量以及增加抗氧化物酶活性水平显著减少了氧化应激，抑制了炎症反应，从而减轻肾损伤。这些研究提示，过多生成的ROS可能会导致氧化损伤，SIRT3保护肾脏免受氧化应激及其相关的组织损伤，有助于细胞存活，为治疗AKI开拓了新的思路，值得进一步研究。（图1)

五、小结

随着感染、败血症、缺血、缺氧以及肾毒性药物等诱发AKI的病因越来越常见，AKI的发病率、病死率也居高不下。研究发现，在AKI的发病机制中，线粒体结构、功能的受损，线粒体内稳态的失调起着关键作用。SIRT3通过调节线粒体生物合成、改善线粒体动力学、诱导线粒体自噬和抑制氧化应激维持线粒体稳态，改善AKI。因此，SIRT3在AKI中具有保护作用，靶向调控该分子表达水平来调节线粒体稳态有望减轻各种应激导致的肾损伤，延缓AKI的进展，改善患者预后，成为潜在的治疗靶点。

利益冲突所有作者均声明没有利益冲突

参考文献:

[51]邹晓彪,罗助荣,黄明方.氧化应激在急性肾损伤中的研究进展[J].临床肾脏病杂志,2019,19(4):287-290.

基金资助:国家自然科学基金(81670631)~~;

文章来源:李鹏艳,杨定平.沉默信息调节因子3介导的线粒体稳态在急性肾损伤中的研究进展[J].临床肾脏病杂志,2024,24(04):329-334.