Nature Reviews Drug Discovery | 靶向线粒体自噬治疗神经退行性疾病

1 研究背景

线粒体功能障碍是特发性神经退行性疾病的典型特征，包括帕金森病、肌萎缩侧索硬化症、阿尔茨海默病与亨廷顿病。家族性帕金森病和肌萎缩侧索硬化症常表现为与线粒体自噬缺陷相关基因的突变。因此，增强线粒体自噬通路可能成为针对神经退行性疾病潜在致病机制的新型治疗策略，有望实现神经保护与疾病修饰治疗——这正是当前未被满足的重要临床需求。目前，越来越多基于遗传学、分子生物学和临床前模型的证据支持将线粒体自噬作为神经退行性疾病的治疗靶点。尽管面临临床开发挑战，基于小分子的选择性线粒体自噬增强策略——主要包括USP30抑制剂与PINK1激活剂——现均已进入临床试验阶段。

2 文章介绍

本期解读的是2025年发表在Nature子刊Nature Reviews Drug Discovery（IF：101.8）上的一篇综述，题为“Targeting mitophagy in neurodegenerative diseases”。

这篇文章综述了当前对神经元线粒体自噬调控分子通路的认识，并探讨了线粒体自噬缺陷作为神经退行性疾病驱动因素的证据。这篇综述回顾了近年来以线粒体自噬通路成分为靶点、旨在改善神经退行性疾病病理的针对性研究进展，重点关注泛素依赖性线粒体自噬调节途径；同时介绍了目前已进入早期临床试验的新型小分子线粒体自噬增强剂的研发历程。最后讨论了相关临床开发面临的机遇与挑战，包括患者筛选策略、用于验证线粒体自噬增强效果及其下游作用机制的生物标志物与影像学方法。

3.1 线粒体自噬概述

▶ 泛素介导的线粒体自噬：

PINK1-Parkin通路凸显了泛素介导的线粒体自噬的重要性——该过程通过丝氨酸/苏氨酸激酶（Ser/Thr激酶）PINK1与泛素E3连接酶Parkin的协同作用，将受损线粒体从细胞中清除。标志性研究表明，线粒体损伤可激活PINK1，进而触发Parkin活化，这一机制对线粒体质量控制至关重要（图1a）。

▲ Fig. 1 Overview of mitophagy pathways.

▶ 受体介导的线粒体自噬：

非PINK1-Parkin依赖性线粒体自噬通路包括受体介导的线粒体自噬：线粒体外膜上的蛋白质通过LC3相互作用区域与自噬体膜上的LC3/GABARAP蛋白直接结合，从而启动线粒体自噬（图1b）。这类线粒体膜嵌入型受体蛋白包括BNIP3、NIX、FUNDC1、BCL2L13、FKBP8、PHB2、NLRX1及MCL-1。这些发现为特定神经退行性疾病提供了潜在的线粒体自噬激活治疗策略。

▶ 线粒体衍生囊泡：

线粒体衍生囊泡（MDVs）不依赖线粒体自噬，通过选择性包裹氧化修饰的线粒体成分（如蛋白质、脂质和线粒体DNA），将其转运至溶酶体降解，从而维持线粒体及细胞内稳态（图1c）。MDVs的形成与帕金森病相关蛋白（如VPS35、Parkin和PINK1）密切相关。具体而言，活细胞成像显示VPS35可被招募至出芽的MDVs结构，并与MUL1相互作用，促进囊泡向过氧化物酶体转运。进一步研究表明，VPS35缺陷或携带常染色体显性帕金森病相关突变的神经元，其线粒体形态和功能存在异常。此外，应激诱导的降解型MDVs的生成依赖PINK1和Parkin，并对另一类MDV通路（MiAP通路）具有负调控作用——MiAP通路可将线粒体抗原转运至MHCI类分子，引发帕金森病中的自身免疫反应。

3.2 神经退行性疾病中线粒体自噬受损的人类遗传学证据

人类遗传学分析表明，多个编码线粒体自噬相关组分的基因与神经退行性疾病（包括帕金森病和肌萎缩侧索硬化症）的发病机制相关。这些蛋白质在线粒体自噬启动的关键步骤中发挥作用，其功能缺失会增加线粒体功能障碍、氧化应激和炎症的易感性，最终导致神经退行性变。阐明这些基因的人类突变如何影响线粒体自噬，不仅为神经退行性变的分子机制提供了宝贵见解，也鉴定出了潜在的干预治疗靶点（图2）。

▶ 帕金森病中的PINK1突变 ：

PINK1基因的常染色体隐性遗传突变与早发性帕金森病（EOPD）相关。这类突变存在于1%–9%的帕金森病患者中，是常染色体隐性遗传帕金森病的第二大常见病因，且在不同族群中呈现显著差异。

PINK1基因编码含581个氨基酸的多肽。N端包含线粒体靶向序列，该序列是蛋白质导入线粒体并定位的必需元件。激酶结构域含有三个环插入序列，其中Ins3作为泛素和Parkin磷酸化的底物结合环。激酶结构域两侧分别为N端延伸区和C端延伸区，这两个区域是PINK1与线粒体外膜转运酶复合体的TOM20亚基结合并激活的必需结构（图2）。

▶ 帕金森病中的Parkin突变：

PRKN基因突变为早发性帕金森病最常见的病因，占病例的2.6%–14.9%。其中约 50%的突变为纯合突变或复合杂合突变，会导致功能缺失。最常见的变异为3号外显子缺失（12.3%），其次是R275W替换（10%）。PRKN基因编码Parkin蛋白，该蛋白属于环间环型泛素E3连接酶，通常包含四个锌离子配位的类RING结构域。

截至目前，人类基因突变数据库已报道484种不同的PRKN突变，包括18种剪接变异、13种无义突变、122种错义/无义突变、40种小片段插入或缺失，以及 294种重排。细胞水平研究表明，大多数已研究的突变通过影响Parkin的激活或催化活性，进而干扰线粒体泛素化和/或Parkin的募集，例如：C431F突变、S65N突变、K161N或K211N突变（图2）。

▶ 肌萎缩侧索硬化症中的Optineurin突变：

OPTN基因的常染色体显性遗传突变与多种人类疾病相关，包括原发性开角型青光眼、佩吉特骨病以及肌萎缩侧索硬化症。OPTN突变存在于1%–4%的家族性肌萎缩侧索硬化症病例和0.4%的散发性肌萎缩侧索硬化症病例中。OPTN基因编码含577个氨基酸的多结构域蛋白，包括两个卷曲螺旋（CC）结构域、一个亮氨酸拉链（LZ）结构域、一个LC3相互作用区域（LIR）、一个泛素结合结构域（UBD）和一个锌指（ZF）结构域。其中，LIR结构域是LC3-II的结合位点，UBD结构域是泛素化底物的结合位点，两者均为 Optineurin介导的自噬中的关键调控元件（图 2）。

▲ Fig. 2  Human pathogenetic mutations in mitophagy-associated proteins implicated in neurodegenerative diseases.

3.3 神经退行性疾病模型中线粒体自噬机制的验证

如前所述，已有明确证据表明，遗传学驱动的线粒体自噬缺陷是神经退行性疾病（NDs）的风险因素；而对相关机制的进一步阐释，为靶向线粒体自噬相关蛋白以改善线粒体质量控制、治疗人类神经退行性疾病提供了理论支持。临床前药物研发策略通常需要来自体外和体内疾病相关系统的证据，以验证靶点疾病机制的合理性及候选化合物的药效。研究报道，神经退行性疾病中多种疾病相关机制（如神经元生物能量学及功能损伤/丧失、致病性蛋白相互作用/聚集、线粒体DNA完整性异常/炎症反应）均受广义线粒体功能障碍的下游调控，这一点在帕金森病（PD）患者样本及PD临床前模型中尤为显著（图3）。因此，无论是遗传性还是特发性神经退行性疾病，均可能是线粒体自噬激活剂的理想研发靶点。这些机制为建立药物暴露量与疗效结局的关联提供了可能，也为临床开发中设计机制相关的检测策略奠定了基础。尽管在人类疾病组织及临床前模型中已明确观察到线粒体自噬紊乱，但在阿尔茨海默病（AD）、肌萎缩侧索硬化症（ALS）和亨廷顿病（HD）的临床前模型中，关于线粒体自噬对疾病相关机制影响的研究仍相对滞后。

▲ Fig. 3 Impact of mitophagy activation on mitochondrial dysfunction in neurodegenerative disease.

3.4 基于靶点的线粒体自噬增强药物发现

增强线粒体自噬作为帕金森病与阿尔茨海默病的治疗方法具有坚实的理论基础，在亨廷顿病和肌萎缩侧索硬化症中也具备潜在疗效。目前针对分子靶点USP30、PINK1和Parkin的药物开发进展最为深入，这些研究主要聚焦于泛素依赖性线粒体自噬调控。图4对此进行了总结，同时也列举了一些在临床前及临床研究中显示出积极效果的非选择性线粒体自噬激活剂实例。此外，若干其他化合物与公司正在通过未公开的机制探索线粒体自噬激活，其中可能包括非泛素依赖性的线粒体自噬途径。其他具有潜力的线粒体自噬增强药物开发靶点包括：可选择性激活TBK1同时防止其过度活化的小分子、用于稳定线粒体上PINK1的PARL抑制剂，以及包括USP14在内的选择性去泛素化酶抑制剂。能够阻止泛素去磷酸化的磷酸酶抑制剂，也可能成为增强线粒体自噬的新兴靶点。

▲ Fig. 4 Selective and non-selective mitophagy activators.

3.5 靶向线粒体自噬疗法的临床开发

旨在发挥神经保护作用、进而延缓、阻断或逆转神经退行性疾病进展的新型疗法，其转化开发仍是一项重大挑战。神经退行性疾病的临床前模型在预测临床成功结局方面的效用有限。对于线粒体自噬靶向疗法而言，首先需获得线粒体自噬激活的分子证据（靶点结合/早期药效学），随后需证明线粒体功能改善（线粒体机制层面）和/或下游病理生理学改善（如炎症减轻、蛋白聚集物清除；（图3），这些证据可支持启动II期临床试验。选择具有线粒体自噬缺陷或线粒体功能障碍的明确目标人群，不仅有助于验证线粒体自噬/线粒体功能障碍相关生物标志物及评估方法，还可能助力实现最佳疗效特征（图 5）。

▲ Fig. 5 Clinical biomarker assessment.

4 文章总结

在神经退行性疾病领域，对PINK1和Parkin突变调控线粒体自噬的分子机制解析，因其关键通路的共识性与可重复性，已成为该领域的研究典范。线粒体自噬分子读数指标的明确，不仅加速了帕金森病（PD）的治疗进展，也为探究线粒体自噬在其他神经退行性疾病中的作用提供了可能。

该领域最令人振奋的进展是，两类小分子药物——USP30抑制剂和PINK1激活剂——已进入帕金森病的I期临床试验。磷酸化泛素作为PINK1介导的线粒体自噬分子读数指标的发现，将助力这些研究中靶点结合效率的评估。相比之下，Parkin小分子激活剂的研发进展相对滞后，目前仅报道了一种具有稳健活性的激活剂。近期的研究突破将为优化筛选模型、发现新型Parkin激活剂提供支持。调控其他线粒体自噬组分也具有充分的理论依据，包括激活TBK1——对TBK1底物的明确认知及当前线粒体自噬中TBK1的作用框架，将为药物发现提供有力支撑。进一步研究表明，TBK1介导的Rab7A丝氨酸72位点磷酸化可抑制自噬负调控因子Rubicon与Rab7A的结合，这提示抑制Rubicon-Rab7A相互作用可能为帕金森病、肌萎缩侧索硬化症及其他神经退行性疾病提供新型治疗策略。除泛素依赖性线粒体自噬通路外，对受体介导线粒体自噬通路的进一步表征，有望鉴定并验证更多可成药靶点，为药物研发提供新方向。

借助USP30抑制剂和PINK1激活剂进入临床开发的契机，若能在临床前神经退行性疾病模型中获得更多支持泛素依赖性线粒体自噬激活治疗获益的证据，将推动线粒体自噬的临床验证从帕金森病拓展至其他神经退行性疾病。因此，我们预期未来数年，线粒体自噬靶向将成为神经退行性疾病药物发现的核心方向；更重要的是，当前开展的临床试验将降低这些靶点的临床转化风险，为其后续应用于特发性和散发性神经退行性疾病奠定基础。