自噬在肥胖中的研究進展*

王李潔， 楊 怡,2， 孫永紅， 鄭筱祥,2△

(浙江大學(xué) 1生物醫(yī)學(xué)工程教育部重點實驗室,2求是高等研究院， 浙江 杭州 310027)

1000-4718(2012)07-1341-04

2012-02-06

2012-05-08

中國博士后科學(xué)基金資助項目(No.20100481427)；中國博士后科學(xué)基金特別資助(No.201104735)

△通訊作者Tel:0571- 87951091; E-mail:zxx@mail.bme.zju.edu.cn

·綜述·

自噬在肥胖中的研究進展*

王李潔1， 楊 怡1,2， 孫永紅1， 鄭筱祥1,2△

(浙江大學(xué)1生物醫(yī)學(xué)工程教育部重點實驗室,2求是高等研究院， 浙江 杭州 310027)

自噬是廣泛存在于真核細胞內(nèi)的一種溶酶體依賴性降解途徑。它是細胞對內(nèi)外界環(huán)境壓力變化的一種反應(yīng)。根據(jù)細胞將其底物運送到溶酶體腔內(nèi)方式的不同，自噬可分為大自噬、小自噬和分子伴侶介導(dǎo)的自噬[1-2]。生理條件下大自噬(以下簡稱自噬)主要受外界提供的營養(yǎng)物質(zhì)調(diào)節(jié)；此外，還受一些與營養(yǎng)物質(zhì)供應(yīng)有關(guān)的激素調(diào)控，包括高血糖素和胰島素等。肥胖是體內(nèi)脂肪過多的狀態(tài)[3]，大多是由缺乏體力活動和(或)攝取能量過多所造成的能量失衡所致，與胰島素抵抗和高胰島素血癥密切相關(guān)。本文主要從自噬與胰島素抵抗的關(guān)系、自噬對脂肪組織構(gòu)成中棕色脂肪組織(brown adipose tissue，BAT)和白色脂肪組織(white adipose tissue，WAT)數(shù)量關(guān)系的影響、自噬對脂滴形成及甘油三酯積累的影響等方面詳細介紹自噬與肥胖的關(guān)系。

1 自噬的一般特點

在饑餓狀態(tài)下，自噬可通過降解細胞內(nèi)的長壽蛋白和細胞器提供細胞必要的營養(yǎng)，維持其生存。因此，自噬水平的升高往往伴隨著熱量的限制。此外，自噬還能消除機體內(nèi)錯誤折疊、受損的大分子，衰老以及一些失能的細胞器。而老化/失能的線粒體或者內(nèi)質(zhì)網(wǎng)可能會導(dǎo)致線粒體氧化應(yīng)激和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激，兩者均與胰島素抵抗相關(guān)。胰島素抵抗是肥胖的關(guān)鍵指征[4]。

2 自噬的機制

自噬活化過程中的關(guān)鍵步驟之一是自噬體的形成，其形成方式受到多種自噬相關(guān)基因(autophagy-related gene,Atg)的嚴格調(diào)控[5]。目前已知的30多種Atg蛋白中，18種Atg蛋白參與自噬體的形成過程，包括Atg1-10、Atg12-14、Atg16-18、Atg29和Atg31[6]。自噬體的形成正是由Atg12-Atg5和Atg8-磷脂酰乙醇胺2種泛素樣結(jié)合體系共同介導(dǎo)的[7]。

Atg7可以活化Atg8/輕鏈3(light chain 3,LC3)和Atg12。Atg12與Atg5結(jié)合，形成Atg12-Atg5結(jié)合體，再與通過自身寡聚化的Atg16結(jié)合，形成一個350 kD的聚合體，這個聚合體對于膜的延伸十分重要。哺乳動物Atg12-Atg5與酵母Atg16的類似物Atg16L結(jié)合，形成一個約為800 kD的結(jié)構(gòu)。

另外一條泛素樣結(jié)合體系是由Atg8-磷脂酰乙醇胺所介導(dǎo)的。哺乳動物Atg8的同源物L(fēng)C3首先經(jīng)歷Atg5依賴性的泛素化修飾過程。LC3合成之后，在酵母Atg4同源物的催化下，形成活化的LC3-Ⅰ(18 kD)，定位于胞漿中。隨后，在哺乳動物泛素E1樣活化酶Atg7和泛素E2樣活化酶Atg3的催化下，LC3-Ⅰ經(jīng)過一系列泛素化反應(yīng)，與自噬體表面的磷脂酰乙醇胺相結(jié)合，形成LC3-Ⅱ(16 kD)。

3 自噬與肥胖的關(guān)系

3.1自噬調(diào)節(jié)BAT和WAT的數(shù)量 肥胖的主要特點之一是脂肪組織擴展，而脂肪組織的擴展則是由脂肪細胞數(shù)量增多和體積增大所引起的。脂肪以BAT和WAT的形式儲存在人體的不同部位。這2種不同類型的脂肪組織在新陳代謝方面有著不同的功能。WAT的主要功能是將體內(nèi)過剩的能量以脂肪形式儲存起來，并將甘油三酯(triglyceride,TG)分解為脂肪酸迅速釋放出來。這一過程中產(chǎn)生的熱能則為BAT利用[8]。由于BAT的代謝活動消耗機體能量，因此WAT和BAT的數(shù)量是影響肥胖的重要因子。研究發(fā)現(xiàn)，盡管成年人中BAT的含量極少，但BAT含量的多少對于人體狀況非常重要[9-12]，這也再次證明了WAT和BAT是肥胖發(fā)展的重要因素[13]。

經(jīng)免疫學(xué)手段證明，敲除Atg7基因的小鼠(Atg7F/F-aP2-Cre mice)內(nèi)，LC3Ⅰ表達量增多，LC3Ⅱ表達量減少。普通食物飼養(yǎng)6周后，Atg7F/F-aP2-Cre 小鼠比對照組小鼠(Atg7F/Fmice)體重減輕27%。高脂食物飼養(yǎng)的Atg7F/F-aP2-Cre小鼠比高脂食物飼養(yǎng)的對照組Atg7F/F的小鼠的體重減少37%～45%[14]。

此外，Atg7F/F-aP2-Cre小鼠體內(nèi)的WAT和BAT含量也發(fā)生了改變。WAT的體積顯著減少，反之，BAT體積顯著增多，且WAT在組織學(xué)上具有BAT的特征。與對照組相比，基因敲除小鼠的WAT中脂肪細胞體積減少，脂滴減少，細胞質(zhì)含量增加。這些結(jié)果表明，自噬活性的下降，可減少WAT中脂肪細胞的數(shù)量[8]。在電子顯微鏡下發(fā)現(xiàn)，基因敲除小鼠的WAT中脂肪細胞內(nèi)細胞器更多，細胞質(zhì)空泡部分更少。相比于對照組，線粒體數(shù)量和面積顯著提高，提示自噬活性的下調(diào)可誘導(dǎo)WAT分化成為BAT。這些研究結(jié)果同時也表明，基因敲除小鼠中BAT與WAT的變化是密切相關(guān)的。哺乳動物體內(nèi)的BAT將在其出生后被部分替代為WAT。自噬可介導(dǎo)BAT替換為WAT的過程，或者促使蛋白降解，在BAT的維持中起著非常重要的作用[15]。

3.2自噬減緩胰島素抵抗 肥胖發(fā)生時，脂肪組織中脂肪積累已經(jīng)達到一定的水平，此時的脂肪堆積不僅發(fā)生在脂肪組織中，還發(fā)生在肝臟和骨骼肌等非脂肪組織中，這種現(xiàn)象稱為異位脂肪堆積。異位脂肪堆積的發(fā)生將導(dǎo)致胰島素抵抗[16]。因此肥胖者通常伴隨有胰島素抵抗。胰島素敏感性一旦降低，機體將分泌更多的胰島素，而胰島素分泌的增加又會促進更多的脂肪堆積，從而加劇胰島素抵抗。因此，減緩胰島素抵抗，對于解決肥胖問題十分重要。

最近的一項研究結(jié)果顯示，抑制肝臟自噬可導(dǎo)致全身胰島素抵抗[17]。而胰島素通過2條途徑抑制自噬：和氨基酸類協(xié)同激活哺乳動物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin, mTOR)信號通路，導(dǎo)致蛋白激酶Atg1的磷酸化和抑制[18]；蛋白激酶B介導(dǎo)轉(zhuǎn)錄因子叉頭框蛋白O3(forkhead box O3,FoxO3)的磷酸化和抑制[19]。現(xiàn)有研究發(fā)現(xiàn)，胰島素抵抗/高胰島素血癥患者的自噬活性降低[20]。有2種可能調(diào)節(jié)自噬的方式：營養(yǎng)物質(zhì)過剩和胰島素過剩抑制自噬，氧化應(yīng)激激活自噬。自噬活性最終取決于兩者的平衡[21]。胰島素抵抗的氧化應(yīng)激可激活自噬。另有研究表明，給予小鼠高脂飲食后，敲除Atg7的小鼠較對照組小鼠胰島素抵抗情況顯著減輕，而自噬對胰島素抵抗的調(diào)節(jié)作用還需要進一步研究[15]。與此結(jié)論相同，研究人員發(fā)現(xiàn)，自噬相關(guān)基因敲除的小鼠不僅體重下降，而且胰島素抵抗性減輕，并且對飲食導(dǎo)致的肥胖具有一定的抵抗力[22-23]。

此外，自噬通過調(diào)節(jié)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激調(diào)控胰島素信號通路，減緩胰島素抵抗。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)是調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)產(chǎn)生和代謝的重要細胞器，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)壓力與肥胖引起的胰島素抵抗密切相關(guān)[24]。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)壓力可導(dǎo)致大分子物質(zhì)如脂質(zhì)、肝糖原代謝效率的低下，從而損壞肝臟的正常代謝功能，促進胰島素抵抗。人體內(nèi)過多的胰島素可抑制自噬，通過內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激進一步加劇胰島素抵抗。此外，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)壓力也可誘發(fā)自噬，說明兩者之間具有關(guān)聯(lián)性。

哈佛大學(xué)公共衛(wèi)生學(xué)院Seimon等[25]對自噬和肥胖及其相關(guān)的胰島素抵抗之間的關(guān)系進行了研究，證實細胞自噬是細胞器功能和胰島素信號的重要調(diào)節(jié)因子，細胞自噬水平低下是肥胖者胰島素作用缺陷的重要原因。研究發(fā)現(xiàn)，在遺傳性肥胖鼠和高脂飲食所致的肥胖鼠中，自噬相關(guān)蛋白LC3、Atg5、Atg6和Atg7水平均顯著下調(diào)。電鏡分析發(fā)現(xiàn)，肥胖鼠組織內(nèi)自噬體形成顯著減少，肝臟的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)壓力較瘦小鼠高。當恢復(fù)肥胖小鼠的細胞自噬水平后，其胰島素抵抗癥狀減緩，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)壓力減小。在降低瘦小鼠肝臟內(nèi)的Atg7時，瘦小鼠表現(xiàn)出胰島素抵抗和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)功能受損現(xiàn)象。該研究也進一步證實，細胞自噬可能與胰島素抵抗的內(nèi)在機制有關(guān)。

最近Seimon等[26]的一項研究發(fā)現(xiàn)，肥胖能引發(fā)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)壓力。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)壓力會影響胰島素信號通路，并在下游調(diào)節(jié)胰島素受體水平，引發(fā)與胰島素受體下游調(diào)節(jié)相關(guān)的胰島素抵抗。在胰島素抵抗動物中，由于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)壓力，胰島素受體水平顯著減少。因而，減少內(nèi)質(zhì)網(wǎng)壓力能減少胰島素受體的降解。實驗結(jié)果證明，自噬抑制劑3-甲基腺嘌呤(3-methyladenine,3MA)[27]可有效抑制內(nèi)質(zhì)網(wǎng)壓力引發(fā)的胰島素受體降解。然而，在3T3-L1成熟脂肪細胞中，抑制自噬無法減輕內(nèi)質(zhì)網(wǎng)壓力導(dǎo)致的胰島素信號下游的調(diào)節(jié)，說明在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)壓力下，盡管自噬能挽救胰島素受體，但其功能可能已受損。具體內(nèi)在機制有待進一步研究。

3.3敲除自噬基因能抑制脂滴形成和TG積累 最近Shibata等[28]的一項最新研究發(fā)現(xiàn)，饑餓可誘導(dǎo)肝細胞中脂滴數(shù)量增加，敲除Atg7基因抑制自噬后，脂滴的形成顯著減少。另一項最新研究表明，敲除Atg7基因抑制自噬的同時，脂肪組織中總脂肪堆積量減少。由此推測，脂肪組織中自噬對于脂滴的形成和脂肪的堆積都有著不可忽視的重要作用。Atg7基因沉默的3T3-L1細胞中，分化形成的脂滴數(shù)量減少，且脂滴體積減小。說明在3T3-L1細胞分化過程中，抑制自噬能減少脂滴的形成[14]。Kovsan等[29]研究發(fā)現(xiàn)，自噬與脂滴形成和脂肪組織表型調(diào)控等方面密切相關(guān)。他們推測，在肥胖個體內(nèi)，脂肪組織的自噬行為中可能存在著脂質(zhì)積聚和分布依賴性改變，并與胰島素抵抗伴隨。在肥胖個體中，自噬水平上調(diào)，尤其是內(nèi)臟脂肪。

肥胖主要是由脂肪組織和非脂肪組織中TG的積累所引起的。TG由3分子脂肪酸與1分子甘油結(jié)合而成，是脂肪酸的主倉庫。TG的積累取決于脂滴中TG的合成與分解。根據(jù)身體所需，脂肪酸被作為熱量能源加以利用。最近一項研究發(fā)現(xiàn)，敲除Atg5的3T3-L1細胞，在分化中TG的水平顯著減少。在3T3-L1細胞分化過程中，抑制自噬能有效抑制細胞脂滴中TG的積累，敲除Atg7的細胞中脂滴積聚也減少[16]。用自噬抑制劑3MA作用于3T3-L1細胞， TG水平顯著下降。

決定TG積累的另一個因素是脂解作用。研究發(fā)現(xiàn)，脂肪分解不僅需要脂肪水解酶，還需要其它蛋白如脂肪甘油三酯脂肪酶(adipose triglyceride lipase,ATGL)、圍脂滴蛋白(perilipin)、比較基因鑒定-58(comparative gene identification-58,cgi-58)等的參與[30-32]。而重要的是，自噬也是脂肪分解進程所必須的?？崭箷r，自噬標志蛋白以及其它一些蛋白等補充進入脂滴而形成雙膜小泡或自噬體，含有脂質(zhì)的自噬體與溶酶體融合形成自噬溶酶體，并降解所含脂肪。隨年齡增長，自噬作用減弱，這也可以解釋為什么脂肪隨著年齡增長變得容易堆積。在培養(yǎng)的肝細胞或小鼠肝臟中敲除Atg7，會導(dǎo)致肝細胞和肝臟脂肪的堆積。其研究結(jié)果表明：自噬對于分解儲存脂肪和脂解肝細胞是一個必要過程[16]。

4 展望

自噬與肥胖之間存在著密切的關(guān)聯(lián)，且這種關(guān)聯(lián)使得自噬在肥胖發(fā)展中發(fā)揮重要作用。人們已開始認識到自噬通過WAT和BAT的數(shù)量調(diào)節(jié)肥胖，抑制甘油三酯的積累，并在胰島素抵抗方面發(fā)揮作用。在自噬與脂滴形成和脂肪組織表型調(diào)控方面的研究，也取得了一定進展?？傊?，自噬是壓力下的一種應(yīng)激反應(yīng)，對保持細胞的正常代謝和生理功能必不可少[33]。但是，還有很多問題有待于研究，包括自噬在胰島素信號通路中的具體作用，肥胖者自噬水平的改變，自噬與胰島素抵抗的內(nèi)在機制，以及自噬調(diào)控脂滴形成的方式等等。對這些問題的研究，將加深人們對自噬認識的深入。

[1] Mizushima N, Levine B, Cuervo AM, et al. Autophagy fights disease through cellular self-digestion [J]. Nature, 2008, 451(7182):1069-1075.

[2] Yang Y, Kawataki T, Fukui K, et al. Cellular Zn2+chelators cause “dying-back” neurite degeneration associated with energy impairment [J]. J Neurosci Res, 2007, 85(13):2844-2855.

[3] Blumer RME, van Roomen CP, Meijer AJ, et al. Regulation of adiponectin secretion by insulin and amino acids in 3T3-L1 adipocytes[J]. Metabolism, 2008, 57(7):1655-1662.

[4] Amherdt M, Harris V, Renold AE, et al. Hepatic autophagy in uncontrolled experimental diabetes and its relationships to insulin and glucagon[J]. J Clin Invest, 1974, 54(1):188-193.

[5] Levine B, Kroemer G. Autophagy in the pathogenesis of disease [J]. Cell, 2008, 132(1):27-42.

[6] Klionsky DJ, Cregg JM, Dunn WA, et al. A unified nomenclature for yeast autophagy-related genes [J]. Dev Cell, 2003, 5(10):539-545.

[7] Yang YP, Liang ZQ, Gu ZL , et al. Lecular mechanism and regulation of autophagy[J]. Acta Pharmacol Sin, 2005, 26(12), 1421-1434.

[8] Nicholls DG, Locke RM. Thermogenesis mechanisms in brown fat [J]. Physiol Rev, 1984, 64(1):1-64.

[9] Cypess AM, Lehman S, Williams G, et al. Identification and importance of brown adipose tissue in adult humans [J]. N Eng J Med, 2009, 360(4):1509-1517.

[10]Marken WD, Vanhommerig JW, Smulders NM, et al. Cold-activated brown adipose tissue in healthy men[J]. N Eng J Med, 2009, 360(4):1500-1508.

[11]Nedergaard J, Bengtsson T, Connon B. Unexpected evidence for active brown adipose tissue in adult humans [J].Am J Physiol Endocrinol Metab, 2007, 293(2):E444-E452.

[12]Virtanen KA, Lindell ME, Orava J, et al. Functional brown adipose tissue in healthy adults[J]. N Eng J Med, 2009, 360(4):1518-1525.

[13]Gesta S, Tseng YH, Kahn CR. Developmental origin of fat: tracking obesity to its source [J]. Cell, 2007, 131(2):242-256.

[14]Singh R, Xiang YQ, Wang YJ, et al. Autophagy regulates adipose mass and differentiation in mice [J]. J Clin Invest, 2009, 119(11):3329-3338.

[15]Hansen JB, Kristiansen K. Regulatory circuits controlling white versus brown adipocyte differentiation [J]. Biochem J, 2006, 398(2):153-168.

[16]Lewis GF, Carpentier A, Adelj K, et al. Disordered fat storage and mobilization in the pathogenesis of insulin resistance and type 2 diabetes [J]. Endocr Rev, 2002, 23(2):201-229.

[17]Liu HY, Han JM, Sophia YC, et al. Hepatic autophagy is suppressed in the presence of insulin resistance and hyperinsulinemia [J]. J Biol Chem, 2009, 284(45):31484-31492.

[18]Codogno P, Meijer AJ. Autophagy and signaling: their role in cell survival and cell death [J]. Cell Death Differ, 2005, 12(S2):1509-1518.

[19]Mammucari C, Milan G, Romanallo V, et al. FoxO3 controls autophagy in skeletal muscleinvivo[J]. Cell Metab, 2007, 6(6):425-427.

[20]Zhao JH, Brault JJ, Schild A, et al. FoxO3 coordinately activates protein degradation by the autophagy/lysosomal and proteasomal pathways in atrophying muscle cells [J]. Cell Metab, 2007,6(12):472-483.

[21]Kaniuk NA, Kiraly M, Bates H, et al. Ubiquitinated-protein aggregates form in pancreatic beta-cells during diabetes-induced oxidative stress and are regulated by autophagy[J]. Diabetes, 2007, 56(4):930-939.

[22]Cederberg A, Gronning LM, Ahren B, et al.FOXC2 is a winged helix gene that counteracts obesity, hypertriglyceridemia, and diet-induced insulin resistance [J]. Cell, 2001, 106(5):563-573.

[23]Tsukiyama-kohara K, Poulin F, Kohara M, et al. Adipose tissue reduction in mice lacking the translational inhibitor 4E-BP1[J]. Nat Med, 2001, 7(10):1128-1132.

[24]He CC, Klionsky DJ. Regulation mechanisms and signaling pathways of autophagy [J]. Annu Rev Genet, 2009, 43(12):67-93.

[25]Seimon TA, Nadolski MJ, Liao XH, et al. Atherogenic lipids and lipoproteins trigger CD36-TLR2-dependent apoptosis in macrophages undergoing endoplasmic reticulum stress [J]. Cell metab, 2010, 12(5):467-478.

[26]Seimon TA, Nadolski MJ, Liao XH, et al. Autophagy-mediated insulin receptor down-regulation contributes to endoplasmic reticulum stress-induced insulin resistance [J]. Mol Pharmacol, 2009, 76(3):596-603.

[27]Blommaart EF, Krause U, Schellens JP, et al. The phosphatidylinositol 3-kinase inhibitors wortmannin and LY294002 inhibit autophagy in isolated rat hepatocytes [J]. Eur J Biochem, 1997, 243(1-2):240-246.

[28]Shibata M, Yoshimura K, Tamura H, et al. LC3, a microtubule-associated protein 1A/B light chain 3, is involved in cytoplasm lipid droplet formation [J]. Biochem Biophys Res Commun,2010, 393(2):274-279.

[29]Kovsan J, Bluher M, Tarnovscki T, et al. Altered autophagy in human adipose tissue in obesity [J]. J Clin Endocrinol Metab, 2011, 96(2):E268-E277.

[30]Zimmermann R, Strauss JG, Haemmerle G, et al. Fat mobilization in adipose tissue is promoted by adipose triglyceride lipase [J]. Science, 2004, 306(5700): 1383-1386.

[31]Villena JA, Roy S, Sarkadi-nagy E, et al. Desnutrin, an adipocyte gene encoding a novel patatin domain-containing protein, is induced by fasting and glucocorticoids: ectopic expression of desnutrin increases triglyceride hydrolysis [J]. J Biol Chem, 2004, 279(45): 47066-47075.

[32]Jenkins CM, Mancuso DJ, Yan W, et al. Identification, cloning, expression, and purification of three novel human calcium-independent phospholipase A2 family members possessing triacylglycerol lipase and acylglycerol transacylase activities [J]. J Biol Chem, 2004, 279(11): 48968-48975.

[33]曹麗麗,董 艷,徐婧婧,等. Wortmannin通過抑制癲癇大鼠海馬自噬活性發(fā)揮神經(jīng)保護作用[J]. 中國病理生理雜志, 2010, 26(8):1584-1588.

Researchadvanceinautophagyinobesity

WANG Li-jie1, YANG Yi1,2, SUN Yong-hong1, ZHENG Xiao-xiang1,2
(1KeyLaboratoryforBiomedicalEngineeringofMinistryofEducation,2QiushiAcademyforAdvancedStudies,
ZhejiangUniversity,Hangzhou310027,China.E-mail:zxx@mail.bme.zju.edu.cn)

Obesity is a harmful nutritional metabolic disorder to human health. Autophagy is a catabolic mechanism whereby cells degrade intracellular substances. Recent studies show that autophagy was closely correlated with insulin resistance, fat composing, and lipid droplet and triglyceride accumulation. Here, we review the association between autophagy and obesity, which may provide theoretical and experimental evidence for prevention of obesity and related diseases.

自噬； 肥胖； 能量代謝； 胰島素抵抗

Autophagy; Obesity; Energy metabolism; Insulin resistance

R339.6

A

10.3969/j.issn.1000-4718.2012.07.037