自噬相关基因与感音神经性听力损失关系的研究进展

杨珠玉 刘俊

浙江中医药大学（杭州 310000）

浙江省中医院（杭州 310000）

耳蜗损伤后导致听力损害的原因很多，包括先天因素、耳毒性药物、噪声暴露和细胞的衰老等。研究发现自噬可能与耳聋发生有关，自噬过程控制着听觉细胞的进程，保护听力免受损害，自噬相关基因可能掌握着听力障碍遗传学的决定性因素[1]。自噬可分为三类：巨自噬、微自噬和分子伴侣介导的自噬（Chaperone-mediated autophagy,CMA）；
有选择性和非选择性自噬之分。线粒体自噬是一种选择性自噬。自噬是避免细胞死亡（并可抑制细胞凋亡）的应激适应，在某些情况下，自噬成为了细胞死亡的替代途径，被称为自噬性细胞死亡（II 型细胞死亡）；
而凋亡被描述为细胞的程序性死亡（I 型细胞死亡）。在哺乳动物中，自噬保持在低水平活化状态；
但当机体处于饥饿、低氧、毒性物质暴露等状态时，自噬可被活化[2]。

在听觉通路中，耳蜗中的毛细胞(Hair cells,HCs)将声音信息转化为电信号，然后通过螺旋神经节(Spiral ganglion,SG)神经元树突上的化学突触将这些信号传递到中枢神经系统(Centralnervous system,CNS)。这些SG神经元的中枢传入会聚形成听神经，与脑干中的耳蜗核相连。先前的研究证实自噬相关基因(autophagy related gene,ATG4、ATG5、ATG9、苄氯素1，BECN1)在胚胎18.5 天小鼠耳蜗中的表达，以及BECN1、ATG4和ATG5在脑干细胞核中的表达[3]。另一项研究指出，ATG5基因的缺失会导致毛细胞(HCs)退化和严重的先天性听力损失。在内毛细胞和外毛细胞中都检测到了基础自噬通量，而在ATG5 缺陷的HCs 中自噬小体的形成受到了抑制。含泛素和p62 蛋白（Sequestosome-1,SQSTM1）的聚集体的积累，提示ATG5 缺陷是由于听觉HCs的退化，而不是发育不良导致的先天性重度听力损失。耳蜗HCs中的ATG5对于维持这些细胞的形态和获得正常的听力是必不可少的[4]。这些研究表明，自噬在听觉系统的发育、形态维持和功能成熟中起着至关重要的作用，自噬相关基因的异常可能导致先天性和获得性感音神经性听力损失。

最近的一项研究表明，自噬在小鼠耳蜗带状突触的发育和成熟过程中起着至关重要的作用。出生后小鼠耳蜗HCs 发育过程中的带状突触重构过程可能主要由自噬控制，听力发育早期17 个自噬基因的缺失可能通过耳蜗带状突触的损伤而导致听力障碍[5]。耳蜗间质细胞发育过程中带状突触的重塑过程可能主要受自噬作用的控制，而自噬基因在听力发育早期的缺失可能通过损害耳蜗带状突触而造成听力障碍[6]。

2.1 ATG基因家族

自噬涉及将细胞质细胞器运送到溶酶体进行降解。所有自噬相关基因(Autophagy related gene,ATG)都是有效封闭自噬小体形成并与溶酶体融合所必需的，对自噬小体的形成发挥重要作用[7]。自噬小体的形成需要两个进化上保守的泛素样联结系统(ATG5-ATG12)的作用，其过程需要ATG5基因的参与。ATG5是自噬小泡形成的关键基因。在体外去除ATG5 或在活体中剔除ATG5 可导致自噬的下降或完全抑制，证实了ATG5 在自噬调节中起核心作用[8]。因此，ATG5是自噬基因编辑分析中最常见的靶向基因之一，听觉HCS听力损失与听觉HCS的退化有关。

在哺乳动物中，ATG5-ATG12（自噬相关5样蛋白-自噬相关12 样蛋白）和LC3(轻链3)-磷脂酰乙醇胺(Phophatidyl ethanolamine,PE)偶联介导了噬菌体的延长和关闭。ATG 结合系统对于推动自噬体膜的发生发展起着十分重要的作用[9]。其发生发展过程为：首先泛素样蛋白ATG12 通过ATG7（自噬相关7 样蛋白）与ATG5 偶联，随之ATG16L1 和ATG12-ATG5 形成复合物，ATG16L1（自噬相关16样蛋白1）复合物特异性地定位于噬菌体，最后与其解离标志着自噬小体的形成[10]。LC3在其C 端由ATG4（自噬相关4 样蛋白）剪辑形成LC3-I。LC3-I随后通过ATG7 和ATG3（自噬相关3 样蛋白）与磷脂酰乙醇胺(PE)偶联成为LC3-II，并在与磷脂酰肌醇(WD-repeat protein interacting with phosphoinositides,WIPI)蛋白相互作用下募集到自噬体内。LC3-II 使自噬小体能够结合泛素化形成物p62 蛋白[11]。因此，多泛素化蛋白聚集体和p62 的积聚可能在损伤的发展过程中起重要作用。

2.2 miRNA 96基因

miRNA96（微小核糖核酸）是miRNA183 家族(miRNA-183、miRNA-96 和miRNA-182)的成员，在脊椎动物中作为单一遗传位点协调表达[12]。Mirna96 参与有效形成自噬小体所需的剂量依赖性调节。MiRNA96 突变可通过ATG7 表达下降使自噬受损，导致感音神经性听力损失[13]。

2.3 LSD相关基因

自噬-溶酶体通路是调节细胞内长寿蛋白和细胞器稳态的重要机制。作为代谢信号枢纽，溶酶体吞噬和分解代谢物，溶酶体的功能维持了正常细胞内代谢和内环境的稳态。溶酶体内pH 通常维持在低酸性范围(4.2-5.3)，液泡型ATP 酶(V-ATPase)作为ATP 依赖的质子泵调节溶酶体的许多功能[14]。溶酶体储存疾病(lysosmal storage disorders,LSD)是由溶酶体蛋白或溶酶体相关蛋白缺陷引起的遗传代谢紊乱，溶酶体功能障碍导致未降解底物的积累[15]。LSD 相关基因编码不同的溶酶体蛋白，包括溶酶体酶和溶酶体膜蛋白。编码溶酶体水解酶、附属蛋白、膜运输蛋白或转运蛋白的基因突变可能与LSD 发生有关[16]。LSD 引起的耳蜗分子病理的许多方面仍不清楚。最近的研究表明，不同基因缺陷引起的哺乳动物LSD 是否涉及依赖于运输所需的内体分选复合物(Endosomal sorting complex required for transport,ESCRT)的膜密封，以及溶酶体储存的发育过程中选择性自噬和ESCRT 修复的溶蚀作用是否协同尚未清楚[17]。

2.4 WDR45基因突变

伴有听力损失的先天性自噬障碍β-螺旋桨蛋白相关神经变性(Beta propeller associated neuro degeneration,BPAN)：WD 重复域蛋白45（Homo sapiens WD repeat domain,WDR45）基因突变诱导的先天性自噬障碍的表型为先天代谢障碍，其主要的症状之一表现为听力障碍[18]。先前研究有报道了WDR45 基因突变是BPAN 的遗传原因，也被称为“儿童静止性脑病伴成年神经退行性变(森达)综合征”[19]。WDR45 位于X 染色体上，WDR45 编码一个由40 个氨基酸组成的保守核心蛋白超家族WD 重复蛋白，其折叠成类似的β-螺旋桨结构，通过较小的分子信号级联作为蛋白质-蛋白质自噬或蛋白质-脱氧核糖核酸相互作用的平台，通过较小的顶面介导分子信号级联。在BPAN中突变的WD重复蛋白WDR45 与自噬相关蛋白ATG2 和ATG9 相互作用，是调节自噬小体形成和延迟的关键步骤[20]。因此，哺乳动物细胞中WDR45 的耗尽可能导致早期自噬小泡或未成熟自噬小体的积累。BPAN 发病另一个机制是在铁代谢中的作用，这也被称为选择性自噬[21]。细胞内铁的生物利用度受到铁蛋白向自噬小体的传递和溶酶体的降解的关键调节，从而允许铁释放到细胞质中[22]。研究表明，BPAN 的听力障碍可能与中枢听觉通路神经细胞内p62 和泛素的蓄积或吞铁功能障碍有关。

2.5 遗传基因DFNB59和自噬基因DFNA5

感音神经性耳聋相关遗传基因常染色体隐性59(Autosomal recessive59，DFNB59)和自噬基因常染色体显性5(Autosomal dominant5，DFNA5)被认为是导致常染色体显性耳聋(Autosomal dominant hearing loss，ADHHL)的基因[23]。DFNA5mRNA 转录本跳过外显子，导致移码和蛋白质过早终止[24]。DFNA5 相关的ADHHL以非综合征ADHHL基因为特征，不表现出其他症状。DFNA5 的Gasdermin-E 蛋白(GSDME)可以将化疗药物等介导的细胞凋亡转化为一种炎性形式的程序性细胞死亡[25]。GSDME 的N-末端结构域作为功能特征显示出诱导凋亡的活性，而C-末端结构域通过屏蔽N-末端结构域而起到抑制凋亡的作用[26]。由DFNA5 引起的一种特殊形式的常染色体显性进行性感音神经性聋可能导致感觉毛细胞凋亡、坏死和自噬之间的平衡失调。

2.6 连接蛋白β-2(Cx26)基因

缝隙连接蛋白26(Monoclonalantibody to connexin 26,Cx26)编码的缝隙连接蛋白基因的部分缺失和通过红系衍生-2 样蛋白(NF-E2-relatedfactor2,NRF2)/Kelch 样环氧氯丙烷相关蛋白1（Kelch-like ECH-associated protein-1,Keap1）途径的自噬是感音神经性听力损伤最常见的原因[27]。老年性耳聋最常见原因是缝隙连接蛋白Cx26 的编码基因Cx26 的部分缺失以及NRF2/Keap1 途径的自噬[28]。先前的研究表明，KEAP1-Nrf2 系统是听觉细胞主要的氧化应激反应途径，氧化还原失衡和核因子Nrf2 途径调节失调引起Cx26 的部分缺失会导致老年性耳聋[29]。p62/SQSTM1 是一种应激诱导蛋白，具有多个功能区，包括LC3相互作用区(LC3-interacting region,LIR)、Keap1 相互作用区(Keap1-interacting region KIR)和泛素相关结构域(Ubiquitinassociated domains,UBAs)。p62/SQSTM1 通过抑制Keap1 结合Nrf2 的能力来调节Nrf2 的激活和稳定。此外，其还作为选择性自噬和泛素信号之间的接头蛋白[30]，表明Keap1-Nrf2 途径和选择性自噬可以通过旁路p62/SQSTM1介导。综上所述，p62介导的选择性自噬可能通过Nrf2/Keap1 途径调节Cx26 部分丢失所加速的老年性耳聋。

感音神经性听力损失（Sensorineural hearing loss,SNHL）可能由环境和遗传因素引起，其中大约60%归因于遗传因素[31]。综上内容阐述了与自噬相关的耳聋基因的突变或缺失所引起的线粒体自噬可能诱导耳聋，表明自噬缺陷在听力损失的遗传学中起着十分重要的作用。继续探索与自噬相关的基因将在不久的将来为听力障碍的遗传学提供新的方向。总之，研究自噬功能相关基因将为感音神经性听力损失的治疗靶点打开新的大门。

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