自噬与肝脏代谢应激研究进展

自噬与肝脏代谢应激研究进展.

贾琳,谢放,孟庆华.

自噬是指细胞在缺乏营养和能量时，部分胞质和细胞器被包裹入一种特殊的双层膜结构的自噬体，再与溶酶体结合完成降解的过程。过去十年里，应用分子和细胞生物学方法对鼠进行转基因和基因敲除，发现自噬在细胞质量控制、固有免疫、抗原递呈、致癌作用、细菌和病毒感染等方面发挥着多种功能。2004年Kuma对首个自噬相关基因Atg5缺陷小鼠的报道证实，自噬缺陷新生鼠在出生后因无法承受断食，在12h内死亡[1]，伴随血浆氨基酸水平的降低及肝脏单磷酸腺苷（AMP）依赖的蛋白激酶（AMPK）磷酸化水平的增强，这一现象有力证实了体内能量的缺乏。因此人们开始了解自噬对维持细胞内环境稳态的重要作用，尤其是饥饿诱导的自噬对能量的补偿[2]。生理条件下，作为一种质量控制和废物处理机制，所有的多细胞生物发生低水平自噬。代谢应激时，通过以下途径调节自噬：①在ATP水平变化、缺氧、饥饿等情况下，通过雷帕霉素靶位（TOR）激酶途径[3]，抑制自噬相关基因Atg1；②葡萄糖缺乏、缺氧、氧化应激发生时，通过调节AMP/ATP影响AMPK途径[3]；③Ⅰ型磷脂酰肌醇3激酶/蛋白激酶B（PI3K/PKB）途径；④氨基酸、凋亡抑制基因Bcl-2的调节。研究表明，失去自噬功能可致细胞对代谢压力、基因损坏敏感，甚至可诱导肿瘤发生。自噬可缓解多种代谢应激，如阻止线粒体过度积累，消除损伤的线粒体；抑制活性氧簇（ROS）增多；通过未折叠蛋白吞噬损伤的内质网，降解聚合蛋白[4]；通过降解自噬受体蛋白P62限制DNA损伤，维持基因稳定[3]。

一、自噬与肝脏代谢应激研究认为，脂质沉积及脂肪酸氧化是肝损伤、修复和再生的重要机制，部分原因是自噬的诱导及ROS的产生[5]。目前自噬在维持脂质稳态方面的研究主要集中在肝脏和脂肪组织。反映在肝细胞上是自噬会裂解胞内脂滴，使脂滴减少，相反的观点则认为自噬有助于脂肪细胞的分化及其伴发的脂滴的积累。所以自噬对于脂代谢的调节是复杂的。自噬也可通过协助脂蛋白装配影响脂代谢。Christian指出自噬对降解载脂蛋白B（极低密度脂蛋白的主要结构蛋白）发挥重要作用[6]。异常自噬参与代谢紊乱发生，如代谢综合征。Li等[7]认为自噬在胰岛素抵抗中发挥作用，胰岛素通过激活mTOR及Akt（蛋白激酶B）介导的插头转录因子FoxO（ATGs的一种转录激活因子）的去磷酸化抑制自噬，使脂滴降解减少。文献报道，Atg7敲除的小鼠肝脏脂质沉积增加，并且在先天性肥胖及人工喂养的脂肪肝小鼠模型中发现自噬相关基因下调[8]。但上调自噬可致白色脂肪组织向褐色脂肪组织转换，从而调节能量消耗和肥胖发生，且上调肝细胞自噬使脂质储存异常，致脂肪肝发生。所以自噬调节脂质稳态不仅是影响脂质储存还影响脂蛋白代谢，但具体机制不明确。肝癌组织与周围健康组织相比，胰岛素受体下游的PI3K/AKT及胰岛素受体底物（IRS）被激活，介导糖原合成酶激酶-3b（GSK3b）磷酸化并激活m-TOR，参与β-连环素（β-catenin）信号通路，同时还与自噬及葡萄糖的合成相关[9]。Sun等[10]在研究肝缺血再灌注损伤作用时发现，缺血和营养缺乏均诱发自噬。抑制自噬会通过线粒体ROS积累增加肝细胞坏死，而抗氧化的N-乙酰半胱氨酸会逆转该趋势，所以肝缺血缺氧时抑制自噬会增加线粒体氧化应激。文献报道，肝中央静脉周围区FoxO转录因子引起谷氨酰胺合成酶表达上调，通过增加谷氨酰胺诱发自噬[11]，但肝实质其他部位自噬的调节问题仍然未知。文献报道，谷氨酰胺对自噬的调节是分区的：中央静脉周围自噬被胞内低水平的谷氨酰胺、高水平的必需氨基酸抑制；中央静脉周围区自噬被胞内高水平谷氨酰胺诱发。分区性的自噬调节差异可能受一类分泌型糖蛋白Wnt及一种共价结合胆固醇的分泌性蛋白Hedgehog信号通路调控，通过对肝实质不同区氨基酸转运蛋白及代谢酶表达的相互作用完成[12]。若该假设成立，根据自噬区域性的调节差异，可以通过靶向特定部位自噬来寻求疾病新的治疗策略。

二、自噬与凋亡、坏死凋亡是最初的死亡反应，受Bcl-2蛋白家族调节。促凋亡蛋白Bax和Bak激活后破坏线粒体外膜，释放促凋亡因子，随后激活含半胱氨酸的天冬氨酸蛋白水解酶（caspases），诱导细胞死亡。在健康细胞，抗凋亡蛋白如Bcl-2、Bcl-xl及Mcl-1，结合并抑制Bax及Bak。而“BH3”蛋白在代谢应激时被激活，抑制Bcl-2抗凋亡蛋白，激活Bax和Bak。BH3蛋白Bim、Bid及Puma也可直接结合激活Bax和Bak，引发凋亡。虽然自噬与凋亡在生化代谢、形态学上有显著差异，但研究显示两者在某些情况下可相互拮抗或促进，参与因子存在交叉[13]。Beclin-1在自噬体的启动和闭合上起作用，Atg5对自噬的延长发挥作用，凋亡信号可对这些蛋白的自噬功能进行负调控。Be鄄clin-1可被caspases切割，Atg5能被钙激活中性蛋白酶calpain-1及calpain-2切割，切割产物不仅抑制自噬，还促进凋亡。Beclin-1的C末端产物及Atg5N末端产物均可作用于线粒体，诱导细胞色素C释放，而全长的Beclin-1及Atg5会反作用于该过程，介导活化的caspase8降解[14]。Bcl-2/Bcl-xL对Beclin-1介导自噬的抑制是通过干扰Bcl-2/Bcl-xL-Beclin-1的结合[15]。富营养条件下，Beclin-1与Bcl-2或Bcl-xL结合，抑制启动自噬的能力；饥饿或其他压力条件下，通过干扰死亡相关蛋白激酶DAPK介导的Beclin-1BH3结构域的磷酸化、MAPK重要成员之一的氨基末端激酶（JNK）介导的Bcl-2非结构环的磷酸化，Bad或Bax竞争性结合Bcl-2/Bcl-xL以及损伤相关分子（DAMP），HMGB-1竞争性结合Beclin-1等途径引发自噬[14]。当凋亡不能正常发生而死亡不可逆转时，坏死作为凋亡的替补发挥作用，三磷酸腺苷（ATP）衰竭致钠钾交换异常，引起渗透压改变使膜通透性增高、细胞肿胀，最后破裂。坏死发生于代谢急剧变化时，如缺血和再灌注，ROS大量释放，自噬或缺氧诱导因子（HIF）途径等适应性通路激活。因此急性应激时，抑制自噬会致代谢崩溃及坏死。尽管促代谢崩溃诱导坏死是一项极具诱惑的抗肿瘤治疗策略，但坏死可引发炎症，促进晚期肿瘤发生，所以治疗策略致力于凋亡而非坏死[16]。Wang等[17]的研究显示，细胞生长因子TGFb可诱导肝癌细胞产生自噬，并引起促凋亡蛋白Bim及BMF产生，引发凋亡。Yu等[18]发现caspases8抑制剂诱导细胞死亡，同时伴随自噬增加，而敲除自噬相关基因则使细胞免于死亡。是自噬引发死亡还是死亡伴随自噬，自噬是否是引起细胞死亡的直接原因目前还有很大争议。Rautou等[19]的研究显示，急性肝损伤时自噬在某种程度上发挥保护作用，但异常自噬会导致细胞死亡。自噬是细胞内的一把双刃剑，因此，自噬在各种疾病中的作用显得矛盾复杂。自噬的促代谢机制使肿瘤细胞对自噬产生依赖，如致癌基因Ras的激活[20]，消耗柠檬酸，抑制线粒体代谢，而自噬的主要作用是补偿Ras表达所引起的代谢重组，通过蛋白降解提供游离氨基酸，尤其是谷氨酰胺来补偿乙酰辅酶A，而谷氨酰胺分解产生的氨对进一步诱导自噬具有重要作用。因此自噬在肿瘤治疗中具有重要意义。Yang等[21]指出阿托伐他汀可通过诱导凋亡抑制肝癌细胞生长，又可活化AMPK，抑制mTOR，诱发自噬，降低了肝癌细胞对该药的敏感性；应用小干扰RNA（siRNA）干扰AMPK或应用自噬抑制剂可增强阿托伐他汀的抑癌疗效，说明自噬可帮助癌细胞抵抗代谢压力，靶向自噬可提高依赖自噬存活的肿瘤对治疗的敏感性。

目前认为，自噬在肝癌发展中起促进和抑制双重作用：Rautou等[19]认为在癌前阶段，增强的自噬可吞噬大量破坏的细胞器、大分子物质等抑制肿瘤；癌症发生过程自噬降低，减少肿瘤细胞自噬性死亡利于肿瘤生长；未形成血管的肿瘤生长阶段，自噬为迅速生长的肿瘤提供营养，抑制凋亡；癌症晚期，高自噬尚未激活，不能及时吞噬坏死的细胞器及大分子物质，可致肿瘤细胞死亡[22]。综上所述，自噬可缓解代谢应激，减少聚合的蛋白、受损的细胞器等应激来源，在急性应激时维持细胞存活。肝脏作为代谢中枢，在急性损伤时受益于自噬，但如果长时间处于不利环境，细胞最终还是会走向死亡。自噬与细胞死亡分子间存在交叉，过度自噬可能与有缺陷自噬一样都是有害的，自噬何时逆转细胞死亡，何时促进死亡，对于自噬的分子机制还有许多需要深入研究的问题。从现有的研究进展来看，代谢应激、自噬及细胞死亡间关系的研究有望为细胞异常代谢提供靶向治疗方案。