自噬
——腦缺血損傷中的雙刃劍

李巍巍，王群，郭安臣，王擁軍，李俊發(fā)

卒中具有高患病率、高復(fù)發(fā)率、高致殘率和高死亡率的特點(diǎn)，目前已成為世界公認(rèn)的第三大致死性疾病[1-2]。卒中分為出血性和缺血性兩大類，其中發(fā)病率較高的為缺血性卒中，占卒中總數(shù)的60%～80%[3]。近20年監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，我國(guó)約有700萬缺血性卒中患者，年死亡人數(shù)逾200萬，且年增長(zhǎng)速率達(dá)8.7%。缺血性卒中急性期治療的主要有效手段為發(fā)病4.5 h內(nèi)給予重組組織型纖溶酶原激活劑（recombinant tissue plasminogen activator，rt-PA）溶栓，但由于受時(shí)間窗限制，即使像美國(guó)這樣醫(yī)療發(fā)達(dá)的國(guó)家，也只有3.4%～5.2%缺血性卒中患者有機(jī)會(huì)接受rt-PA溶栓治療[4]。此外，到目前為止已超過2000種神經(jīng)保護(hù)性藥物臨床前期試驗(yàn)失敗。為此，開發(fā)用于缺血性卒中治療的新藥物、新靶點(diǎn)是一項(xiàng)亟待解決的工作。Wen等[5]研究表明，細(xì)胞自噬在腦缺血后激活且可能成為一種治療缺血性卒中的新靶點(diǎn)。但自噬和腦缺血之間的關(guān)系仍存在爭(zhēng)議，如Carloni等[6]研究表明，自噬的激活可以對(duì)抗神經(jīng)元死亡，但Koike等[7]則發(fā)現(xiàn)細(xì)胞自噬具有更大的破壞性作用。據(jù)此，本文主要介紹細(xì)胞自噬在腦缺血/低氧損傷中的作用及其可能的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路。

1 細(xì)胞自噬及其信號(hào)通路簡(jiǎn)述

自噬是真核細(xì)胞廣泛存在的降解/再循環(huán)系統(tǒng)，細(xì)胞通過自身形成的囊泡，吞噬胞質(zhì)內(nèi)變性蛋白質(zhì)和細(xì)胞器，通過微管相關(guān)蛋白，以動(dòng)力依賴性的方式轉(zhuǎn)運(yùn)至溶酶體并與之融合，降解其所包裹的內(nèi)容物，是一種通過蛋白質(zhì)和受損細(xì)胞器重復(fù)利用來維持細(xì)胞穩(wěn)態(tài)的過程[8-9]。根據(jù)細(xì)胞內(nèi)底物運(yùn)送到溶酶體腔方式的不同，哺乳動(dòng)物細(xì)胞自噬可分為3種主要方式：巨自噬、微自噬和分子伴侶介導(dǎo)的自噬[10-11]。巨自噬指細(xì)胞受到信號(hào)誘導(dǎo)后，在胞內(nèi)產(chǎn)生雙層膜，膜包裹部分細(xì)胞質(zhì)和需要降解的細(xì)胞器及蛋白質(zhì)形成自噬體，雙膜結(jié)合囊泡與溶酶體融合形成自噬溶酶體隨后降解蛋白質(zhì)。微自噬指溶酶體直接吞噬胞質(zhì)成分的一種方式。分子伴侶介導(dǎo)的自噬指通過一些分子伴侶如熱休克蛋白70（hot shock protein，HSP70）幫助未折疊蛋白轉(zhuǎn)位入溶酶體，參與自噬。分子伴侶介導(dǎo)的自噬具有高度選擇性，不能降解細(xì)胞器，只能降解特定蛋白，如HSP70識(shí)別底物蛋白分子的特定氨基端序列并與之結(jié)合，分子伴侶-底物復(fù)合物與溶酶體膜上的受體溶酶體相關(guān)膜蛋白2A（lysosome-associated membrane protein 2a，LAMP-2A）結(jié)合后，底物去折疊，溶酶體腔中的另外一種分子伴侶介導(dǎo)底物在溶酶體膜的轉(zhuǎn)位，進(jìn)入溶酶體腔中的底物在水解酶作用下分解為其組成成分，被細(xì)胞再利用（圖1）。

2 自噬與腦缺血損傷

自噬在腦缺血后數(shù)小時(shí)內(nèi)發(fā)生，Zhu等[13]在小鼠低氧暴露及缺血（hypoxic ischemia，HI）損傷8 h后，檢測(cè)到自噬體標(biāo)志分子微管相關(guān)蛋白1輕鏈3（microtubule-associated protein 1 light chain 3，LC3-Ⅱ）表達(dá)的增加及大量自噬體形成，24～72 h尤為明顯。Xia等[14]在大鼠腦缺血預(yù)適應(yīng)（ischemic preconditioning，IPC）模型中發(fā)現(xiàn)IPC可通過誘導(dǎo)細(xì)胞自噬來減輕缺血損傷，而3-甲基腺嘌呤（3-methyladenine，3-MA）可通過抑制細(xì)胞自噬，解除IPC的神經(jīng)保護(hù)作用。同樣Yan等[15]也發(fā)現(xiàn)，細(xì)胞自噬參與高壓氧預(yù)適應(yīng)對(duì)大鼠缺血腦組織的保護(hù)作用。Yang等[16]也發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)中藥雷公藤甲素在大鼠局灶腦缺血后的神經(jīng)保護(hù)作用也是通過上調(diào)自噬水平而實(shí)現(xiàn)。

圖1 自噬的3種方式[12]注：LAMP-2A：溶酶體相關(guān)膜蛋白

但也有研究提出相反的結(jié)論認(rèn)為細(xì)胞自噬加重缺血性卒中的損傷。Gao等[17]在大鼠缺血后適應(yīng)模型中使用雷帕霉素誘導(dǎo)自噬，發(fā)現(xiàn)雷帕霉素抑制了缺血后適應(yīng)誘導(dǎo)的腦保護(hù)作用。Puyal等[18]在大鼠腦局灶性缺血再灌注3 h內(nèi)注射3-MA，梗死體積明顯減小，因此，該研究認(rèn)為局灶性腦缺血再灌注后，抑制自噬可以保護(hù)神經(jīng)組織。Zheng等[19]運(yùn)用核糖核酸干擾技術(shù)（（ribonucleic acid interference，RNAi），采用側(cè)腦室注射連結(jié)有Beclin-1干擾片段的慢病毒載體技術(shù)，發(fā)現(xiàn)缺血大鼠腦內(nèi)自噬相關(guān)分子Beclin-1表達(dá)下調(diào)，可減輕缺血性腦損傷。Koike等[7]證明，在小鼠缺血低氧模型中發(fā)現(xiàn)，LC3-II蛋白水平顯著升高，海馬錐體細(xì)胞層自噬體的形成和海馬神經(jīng)元廣泛死亡，而Atg7基因（誘導(dǎo)自噬的必需基因）缺陷小鼠的神經(jīng)元死亡顯著減少，由此認(rèn)為自噬導(dǎo)致神經(jīng)元損傷。Yang等[20]在小鼠局灶缺血模型中抑制小膠質(zhì)細(xì)胞自噬可減輕神經(jīng)炎癥反應(yīng)，改善小鼠神經(jīng)功能缺失的評(píng)分，該研究同樣支持自噬加重神經(jīng)元損傷的觀點(diǎn)。Wu等[21]報(bào)道也指出，電針刺預(yù)適應(yīng)所產(chǎn)生的對(duì)缺血損傷的耐受性也是因?yàn)樽允杀灰种啤＝陙黻P(guān)于自噬的研究逐年增加，它在腦缺血中發(fā)揮的作用已引起廣泛關(guān)注，盡管其作用可能是對(duì)神經(jīng)元的保護(hù)也可能是加重?fù)p傷，但無論如何，基于自噬的研究都將為卒中治療提供新思路。

3 自噬在腦缺血損傷中可能參與的信號(hào)通路

腦缺血可以激活多條信號(hào)通路并隨之伴發(fā)自噬。哺乳動(dòng)物雷帕霉素靶蛋白（mammalian target of rapamycin，mTOR）是一種分子量為289kDa的絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶，通過與不同的輔助分子結(jié)合參與調(diào)控轉(zhuǎn)錄、細(xì)胞骨架組裝、細(xì)胞生長(zhǎng)和存活等功能。Chong等[22]研究表明，PI3K/Akt/mTOR信號(hào)通路參與調(diào)控腦缺血過程中的急性神經(jīng)損傷，PI3K磷酸化激活A(yù)kt使其磷酸化，抑制結(jié)節(jié)硬化復(fù)合物（tuberous sclerosis complex 1/2，TSC1/2）活化，TSC1/2失活后激活Ras蛋白腦組織同源類似物（Ras homolog enriched in brain，Rheb），mTOR隨之被激活，自噬被活化的mTOR所抑制，PI3K由組件Ⅰ、組件Ⅱ和組件Ⅲ三部分組成，Beclin-1是組件Ⅲ中的組成成分，在自噬的起始階段發(fā)揮重要作用，并通過與PI3K信號(hào)通路中的其他組分相互作用在腦缺血過程中激活自噬[23-24]。過氧化物酶體增殖物激活受體γ（peroxisome proliferatoractivated receptor-γ，PPAR-γ）作為核激素受體超家族中的一員，是配體激活的轉(zhuǎn)錄因子。PPAR-γ活化通過上調(diào)B淋巴細(xì)胞瘤相關(guān)蛋白2（B-cell lymphoma-2，BCL-2）/B淋巴細(xì)胞瘤特大型蛋白（B-cell lymphoma-extra large，BCL-XL）表達(dá)拮抗Beclin-1介導(dǎo)的自噬[25]。Bcl-2磷酸化激活自噬并減輕線粒體損傷[26]。

AMP活化蛋白激酶［adenosine 5’-monophosphate（AMP）-activated protein kinase，AMPK］是一種絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶，由3個(gè)亞基組成：α催化亞基、β和γ調(diào)節(jié)亞基。目前研究認(rèn)為，α催化亞基包含的一個(gè)蘇氨酸磷酸化位點(diǎn)，當(dāng)其磷酸化時(shí)，激活A(yù)MPK，AMPK的激活抑制mTOR活性以誘導(dǎo)自噬[27-28]。

核因子κB（nuclear factor kappa B，NF-κB）是一種轉(zhuǎn)錄因子，調(diào)節(jié)多種基因的表達(dá)[29]。Li等報(bào)道，在腦缺血過程中NF-κB1（p50）敲除可抑制mTOR活性而增強(qiáng)自噬[30]。NF-κB依賴的p53信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑也與腦缺血再灌后的自噬和細(xì)胞凋亡相關(guān)[31]。MAPK是mTORC1的上游調(diào)節(jié)因子，腦缺血/再灌注過程中 MAPK-mTOR信號(hào)通路也可誘導(dǎo)自噬[32]。

低氧誘導(dǎo)因子1（hypoxia-inducible factor 1，HIF-1）是由一個(gè)組成型表達(dá)的HIF-1β亞基和一個(gè)可誘導(dǎo)表達(dá)的HIF-1α亞基構(gòu)成，在腦缺血期間響應(yīng)于低氧激活的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子[33]。由于泛素化在低氧條件下被抑制，HIF-1α可與HIF-1β形成二聚體，這些二聚體激活低氧反應(yīng)的若干下游基因，如血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）、促紅細(xì)胞生成素（erythropoietin，EPO）、葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白1和糖酵解酶等[34]。Bcl-2和腺病毒E1B 19 kDa的相互作用蛋白3（Bcl-2 and adenovirus E1B 19 kDa interacting proteins 3，BNIP3）具有一個(gè)Bcl-2的同源結(jié)構(gòu)域3（BH3），是Bcl-2家族的亞家族，也是HIF-1α的重要靶基因[35]。BNIP3可以和Beclin-1競(jìng)爭(zhēng)結(jié)合Bcl-2，而Beclin-1則被釋放出來而觸發(fā)自噬[23]。BNIP3也可抑制mTOR的上游活化劑Rheb，最終通過抑制mTOR活性激活自噬。然而，這些因子的相關(guān)作用仍然需要在體內(nèi)試驗(yàn)中證明[36]。HIF-1α也可通過上調(diào)另一靶基因——腫瘤蛋白p53在局部缺血后自噬激活中發(fā)揮重要作用[34]。

自噬樣細(xì)胞死亡在神經(jīng)系統(tǒng)氧化應(yīng)激情況下被激活[37]。氧化應(yīng)激發(fā)生在腦缺血過程，可引起活性氧自由基增多如超氧化物、羥基自由基和過氧化氫。Mehta等[38]研究報(bào)道，硒通過保護(hù)線粒體功能，減少活性氧生產(chǎn)和自噬而提供神經(jīng)保護(hù)。自噬也被興奮性毒性誘導(dǎo)[39]。雖然可興奮性谷氨酸可阻斷自噬，但也可能在海馬神經(jīng)元誘導(dǎo)自噬[40]。Ouyang[41]報(bào)道，腦缺血過程中內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激，當(dāng)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)周圍的興奮性神經(jīng)遞質(zhì)達(dá)到毒性水平，鈣離子通過蘭尼堿受體和IP3R的激活而釋放，從而導(dǎo)致線粒體內(nèi)Ca2+超載，激活細(xì)胞凋亡，期間內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激，鈣內(nèi)流也可能激活自噬。

綜上，總結(jié)自噬在腦缺血損傷過程中可能參與的信號(hào)通路如圖2。

自噬是一把雙刃劍：一方面過度的自噬可誘導(dǎo)自噬性細(xì)胞死亡，并與凋亡信號(hào)存在交互作用；另一方面自噬作為自體修復(fù)的重要過程，適度激活可能在受損細(xì)胞幫助清除受損的細(xì)胞器和異常蛋白、防止蛋白聚集，從而對(duì)細(xì)胞損傷起保護(hù)作用。盡管自噬在腦缺血損傷中的作用仍存在爭(zhēng)議，但與自噬相關(guān)聯(lián)的信號(hào)通路可能為制訂新的神經(jīng)保護(hù)策略提供潛在靶點(diǎn)。

圖2 腦缺血/低氧損傷過程中可能參與自噬的信號(hào)通路注：HIF-1α：低氧誘導(dǎo)因子1；BNIP3：Bcl-2和腺病毒E1B 19 kDa的相互作用蛋白3；Beclin-1：哺乳動(dòng)物同源的酵母自噬相關(guān)基因Atg6；p53：腫瘤蛋白p53；PPAR-γ：過氧化物酶體增殖物激活受體γ；BCL-2：B淋巴細(xì)胞瘤相關(guān)蛋白2；BCL-XL：B淋巴細(xì)胞瘤特大型蛋白；AMP：腺苷-5’-單磷酸；AMPK：AMP活化蛋白激酶；PI3K：磷酸肌醇3-激酶；Akt：蛋白酶B；NF-κB：核因子κB；ROS：活性氧自由基，ER stress：內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激；mTOR：哺乳動(dòng)物雷帕霉素靶蛋白

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【點(diǎn)睛】

本文對(duì)自噬在腦缺血/低氧神經(jīng)損傷中雙重作用及其可能的信號(hào)通路進(jìn)行綜述。

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