細胞自噬在糖尿病性心肌病中的研究進展

任晨霞 麻麗霞 郭 萍 郭 穎 曹文君

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細胞自噬在糖尿病性心肌病中的研究進展

任晨霞 麻麗霞 郭 萍 郭 穎 曹文君

細胞自噬是受多基因調(diào)控的動態(tài)過程。自噬可通過控制蛋白質(zhì)質(zhì)量，維持心肌細胞的能量平衡與存活，心肌細胞自噬水平異常降低或升高都會導致心肌損傷。不同情況下自噬在糖尿病性心肌病損傷中作用不同。1型糖尿病動物模型中心肌自噬水平降低，對心肌細胞起保護作用；2型糖尿病動物模型中自噬被激活。該文就自噬在糖尿病心肌病中的研究進展作簡要介紹。

自噬；糖尿病性心肌?。恍募〖毎?/p>

自噬是真核細胞的重要代謝途徑，是指一些蛋白質(zhì)和受損細胞器傳送到溶酶體中降解的過程。在應(yīng)對饑餓和各種刺激時，細胞會激活自噬途徑降解細胞內(nèi)某些組分(如損傷的細胞器或過量儲存的營養(yǎng)物質(zhì)等)，并分解這些組分成為可利用的氨基酸，維持細胞的存活與能量平衡[1]。然而，自噬也可導致非凋亡形式的細胞死亡，稱為Ⅱ型程序性細胞死亡。在生物體生長發(fā)育及多種疾病發(fā)生發(fā)展過程中都存在自噬活性的變化。因此，自噬具有雙向調(diào)節(jié)作用，一方面可以維持細胞存活，另一方面也會誘導細胞凋亡。研究表明，自噬在糖尿病性心肌病(diabetic cardiomyopathy，DCM)動物模型的心肌病變中起關(guān)鍵作用。

1 DCM

DCM是引起糖尿病患者心力衰竭和死亡的高風險因素之一，其臨床表現(xiàn)為不同程度的左心室舒張功能不全，31P非侵入性核磁共振可檢測到左心室三磷酸腺苷(ATP)水平降低[2-3]，主要病理特征為心肌細胞肥大、凋亡以及心肌間質(zhì)纖維化[4-5]。糖尿病的高血糖、胰島素缺乏、胰島素抵抗或高胰島素血癥等因素均可引發(fā)心肌細胞毒性、微血管病變、代謝紊亂和氧化應(yīng)激[6]。

近年來代謝組學、基因組學方向的研究發(fā)現(xiàn)，DCM的發(fā)生機制包括心肌細胞內(nèi)脂肪酸過度氧化導致氧化應(yīng)激甚至線粒體功能障礙[7-8]，晚期糖基化終產(chǎn)物引起心肌細胞內(nèi)蛋白質(zhì)、脂質(zhì)及核酸的結(jié)構(gòu)與功能異常[9]，微小RNA介導的基因異常表達等[10]。 DCM的發(fā)病機制有待進一步明確，目前仍缺少有效的治療手段。

2 細胞自噬

自噬有3種形式：宏自噬、微自噬和分子伴侶介導的自噬。目前研究主要是針對宏自噬，其機制也最為清楚, 被認為是狹義的細胞自噬。自噬啟動后細胞內(nèi)會形成一種雙膜囊泡結(jié)構(gòu)，以針對性地隔離細胞成分，該結(jié)構(gòu)稱為自噬體。自噬體成熟后與溶酶體融合，形成自噬溶酶體，其內(nèi)膜和內(nèi)容物被溶酶體酶降解。目前已發(fā)現(xiàn)30多個自噬相關(guān)基因(autophagy-related genes, ATG)參與自噬的啟動與自噬體的成熟。當細胞受到不良刺激時，哺乳動物雷帕霉素靶蛋白復合體1(mammalian target of rapamycin complex 1，mTORC1)的活性受到抑制，導致ATG13磷酸化受阻，啟動自噬；Ⅲ型磷脂酰肌醇3-激酶(PI3K)是自噬啟動所必須的關(guān)鍵因子，其與VPS15、Beclin1/ATG6、 ATG14L、UVRAG、Ambra1及Bif-1等自噬相關(guān)因子形成復合體后，磷酸化磷脂酰肌醇的第3位羥基生成磷脂酰肌醇3-磷酸(PI3P)，PI3P募集含有FYVE或PX結(jié)構(gòu)域的下游信號蛋白，啟動自噬體的裝配。自噬啟動后，微管相關(guān)蛋白1輕鏈3(microtubule-associated protein 1 light chain 3, LC3-Ⅰ)通過ATG7和ATG3的作用與磷脂酰乙醇胺(phosphatidylethanolamine, PE)共軛連接形成LC3-Ⅱ，隨后LC3-Ⅱ被整合到自噬體的內(nèi)膜與外膜上，自噬體與溶酶體融合形成自噬溶酶體后，內(nèi)膜上的LC3-Ⅱ與內(nèi)容物一起被降解，外膜上的LC3-Ⅱ成為LC3-Ⅰ釋放到細胞質(zhì)被重新利用[11]。

3 自噬與DCM

3.1 自噬與心肌代謝

成年哺乳動物心肌細胞的增殖能力有限，蛋白質(zhì)質(zhì)量控制(protein quality control，PQC)是維持心肌細胞長期良好運行必不可少的環(huán)節(jié)，胞內(nèi)錯誤折疊或功能異常的蛋白質(zhì)堆積會直接導致細胞死亡。除了控制蛋白質(zhì)折疊外，細胞還可通過蛋白質(zhì)降解來實現(xiàn)PQC，包括蛋白酶體降解途徑和自噬降解途徑。在饑餓或缺血等壓力條件下，心肌細胞通過自噬回收利用細胞內(nèi)物質(zhì)以維持能量平衡與存活[12]。敲除自噬相關(guān)基因ATG5會導致10個月齡的小鼠發(fā)生心臟肥大、左心室功能受損甚至心力衰竭[13-14]。自噬基因Beclin 1的單倍體缺失會加速結(jié)蛋白相關(guān)心肌病患者的心力衰竭，并抑制雷帕霉素對心肌細胞缺血性損傷的保護作用[15]。對于慢性心肌缺血患者，細胞自噬增強可以降低心肌細胞的凋亡水平[16]。人類和嚙齒類動物的衰老過程伴隨著自噬水平的降低[17]，自噬可能是老年人心臟病高發(fā)的原因之一。

然而，也有研究表明，在某些特殊環(huán)境下，自噬會引起病理性反應(yīng)甚至死亡。特異性敲除小鼠心臟中的胰島素樣生長因子受體后，自噬水平升高，導致心力衰竭或過早死亡[18]；白喉毒素與抗腫瘤藥物阿霉素都可誘導自噬，引發(fā)心力衰竭大鼠模型的自噬性死亡[19]。因此，不同情況下自噬對心肌細胞的作用不同，針對不同病因有效地激活或抑制自噬可能成為一種可行的治療策略。

3.2 DCM的心肌細胞自噬

對于健康動物，雄性的心肌細胞自噬水平高于雌性，而女性DCM的發(fā)病率顯著高于男性[20]。這表明自噬水平的改變可能與DCM發(fā)病有關(guān)。OVE26小鼠或鏈脲佐菌素(STZ)誘導的1型糖尿病小鼠模型自噬水平降低。Beclin 1單倍體缺失小鼠(Beclin 1+/-)與ATG16敲除小鼠(ATG16-/-)誘導1型糖尿病后，心肌纖維化、氧化應(yīng)激和細胞凋亡等水平低于野生型1型糖尿病小鼠模型[21]。給予Beclin 1+/-、ATG16-/-小鼠Beclin后，心肌損傷程度加重，加重程度與Beclin補給程度呈計量相關(guān)性，自噬水平越高，因1型糖尿病引起的心肌纖維化及細胞凋亡程度越嚴重。對于2型糖尿病動物模型，如高脂飲食誘導的肥胖和代謝綜合征小鼠模型中，心肌細胞自噬受到抑制，但在由果糖誘導的胰島素抵抗和高血糖癥動物模型中，自噬卻被激活[22]。

1型糖尿病小鼠心肌細胞自噬水平降低的主要機制為，單磷酸腺苷激活的蛋白激酶(AMPK)信號通路受到抑制，而絲氨酸/蘇氨酸激酶(Akt)/mTORC1信號通路被激活。Akt/mTORC1通路可以被胰島素、生長因子等代謝信號激活，在小鼠的大部分器官中，胰島素激活Akt/mTORC1通路后，促使細胞蛋白質(zhì)合成增強，同時抑制自噬發(fā)生[23]。AMPK可通過多種機制促進自噬。AMPK與哺乳動物雷帕霉素靶蛋白(mTOR)競爭結(jié)合ATG1，磷酸化并激活ATG1；AMPK能磷酸化并激活FOXO轉(zhuǎn)錄因子，后者可促進自噬的發(fā)生；此外，AMPK可分別磷酸化c-Jun氨基末端激酶1(JNK1)和Beclin 1，從而激活PI3K復合體[24-25]。然而，在1型糖尿病胰島素缺失、2型糖尿病胰島素抵抗以及因受體缺失而失去胰島素信號應(yīng)答這3種情況下，心肌細胞內(nèi)Akt/mTORC1通路并不是由胰島素激活的，這說明存在胰島素以外的其他因素參與心肌細胞自噬的調(diào)控。體外實驗證明，高濃度的葡萄糖可直接抑制心肌細胞自噬。增加培養(yǎng)基中棕櫚酸的濃度也可誘導H9C2心肌細胞自噬[26]。

目前心肌細胞自噬的保護及損傷作用“開關(guān)”機制仍不明確。深入研究DCM心肌細胞自噬的具體作用及其調(diào)控機制至關(guān)重要。

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(收稿：2016-03-03 修回：2016-05-31)

(本文編輯：胡曉靜)

山西省基礎(chǔ)研究計劃項目(2015021185)；長治醫(yī)學院科技創(chuàng)新團隊項目(CX201507)；長治醫(yī)學院普及項目(QDZ201503)

046000 長治醫(yī)學院，山西省高等學校血脂代謝與血液病重點實驗室

曹文君，Email：wjcao16@hotmail.com

10.3969/j.issn.1673-6583.2016.05.005