細胞自噬及其在危重病發(fā)展進程中的作用

林雪容 趙自剛 李福龍 牛春雨

(河北北方學院微循環(huán)研究所，河北 張家口 075000)

細胞自噬涉及溶酶體降解和細胞質(zhì)成分的回收，是近年來發(fā)現(xiàn)的細胞程序性死亡(PCD)途徑的重要介質(zhì)。與PCD相似，自噬一方面能清除衰老細胞、腫瘤細胞，發(fā)揮積極的保護作用，故自噬功能低下可能參與了癌癥、神經(jīng)退行性病變等發(fā)病過程〔1,2〕；另一方面，過度的細胞自噬則是導致細胞死亡、組織壞死、器官損傷的重要因素〔3～5〕。嚴重創(chuàng)傷、失血、大手術(shù)、感染、缺血再灌注等引起休克、膿毒癥，影響著患者的預(yù)后。在這一過程中，細胞過度死亡或功能障礙是其重要的發(fā)病學基礎(chǔ)；由于細胞自噬特殊的病理生理意義〔6〕，細胞自噬在危重病發(fā)展進程中作用值得關(guān)注。本文探討細胞自噬在危重病發(fā)展中的病理生理作用。

1 細胞自噬

1.1自噬的基本過程 在自噬過程中，涉及細胞質(zhì)蛋白、細胞器或病原體的膜泡封存，導致雙膜小泡的形成，稱為自噬體；隨后，融合了溶酶體的自噬體形成自噬溶酶體，其中捕獲的材料與內(nèi)膜一起被降解〔2〕。自噬引起細胞的形態(tài)學特征表現(xiàn)為空泡、胞質(zhì)內(nèi)容物退化和小染色質(zhì)濃縮〔7〕。一般來說，從形態(tài)學上，自噬可分為4個階段〔5,8〕。①初始階段：在饑餓、氧化應(yīng)激、缺血缺氧等病理狀態(tài)時，可激活Ⅰ類和Ⅲ類磷脂酰肌醇3-激酶(PI3K)誘導自噬；②自噬體的形成階段：在自噬相關(guān)蛋白Beclin1基因〔也稱為自噬相關(guān)基因(ATG)〕12/ATG5和ATG8泛素化系統(tǒng)的參與下，將自噬體相關(guān)蛋白——微管相關(guān)蛋白1輕鏈(LC)3轉(zhuǎn)變成 LC-Ⅱ并與ATG12-ATG5-ATG16C在自噬體膜表面結(jié)合，形成自噬體〔9〕；③自噬體的運輸階段：將自體自噬體運送至溶酶體的過程，但具體機制還不十分清楚；④自噬體的裂解階段：運輸至溶酶體的自噬體，在小G蛋白Rab7三磷酸鳥苷(GTP)酶及溶酶體相關(guān)膜蛋白(LMAP)1/2的誘導下，自噬體與溶酶體結(jié)合形成自噬溶酶體，進而在溶酶體酶的作用下將其中捕獲的材料與內(nèi)膜一起被降解，隨后供機體再回收、再利用〔10〕。

1.2自噬的檢測方法 自噬體第一次是在電鏡下被檢測到的，因此，檢測自噬的金標準是通過透射電鏡發(fā)現(xiàn)膜狀結(jié)構(gòu)的自噬體及其他相關(guān)亞細胞結(jié)構(gòu)，如自噬小體、自噬溶酶體、自噬內(nèi)涵體等〔11～13〕。但受實驗方法學的影響，與凋亡小體類似，已經(jīng)發(fā)生自噬的細胞在透射電鏡下不一定能準確發(fā)現(xiàn)其相關(guān)的結(jié)構(gòu)變化。目前，文獻最常用的方法是蛋白印跡技術(shù)檢測自噬標志物LC3的轉(zhuǎn)換(LC3-Ⅱ/LC3-I)及熒光顯微鏡檢測LC3點狀聚集物的形成情況；由于LC3本身也最終經(jīng)溶酶體降解，因此在檢測LC3時，往往需要結(jié)合一些溶酶體抑制劑聯(lián)合檢測〔11,12,14〕。

1.3自噬的引發(fā)因素 低基礎(chǔ)水平的自噬發(fā)生在所有的細胞和內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)中；當細胞需要擺脫細胞質(zhì)成分的損壞或消除由于氧化應(yīng)激、感染、缺血-再灌注等因素引起自身受損的細胞器(如線粒體)，自噬迅速上調(diào)；而營養(yǎng)狀況、激素(包括性激素)水平、溫度、氧分壓和細胞密度等因素均對調(diào)節(jié)細胞自噬發(fā)揮重要的作用〔2〕。因此，細胞自噬既是致病因素導致疾病發(fā)生過程中的一個現(xiàn)象，又是致病因素引起疾病的一個推進因素，自噬水平的高低對其發(fā)展發(fā)揮著重要作用。

1.4自噬的調(diào)節(jié) 自噬是一個復雜的信號網(wǎng)絡(luò)相互作用的結(jié)果，各種刺激信號均可以調(diào)控哺乳動物的細胞自噬〔15,16〕。雷帕霉素靶位(TOR)是絲氨酸/蘇氨酸激酶，通過整合Ⅰ型PI3K和氨基酸依賴性信號傳導途徑調(diào)節(jié)自噬；蛋白激酶(PK)B是小G蛋白Ras家庭富集在腦的同源蛋白(RHEB)GTP酶，其磷酸化可抑制結(jié)節(jié)性硬化癥(TSC)1～2，激活TOR，抑制自噬；激活胰島素受體可刺激Ⅰ型PI3K和小GTP酶Ras復合體，從而激活了PI3K-PKB-TOR途徑；氨基酸通過抑制Raf-1-絲裂原活化細胞外調(diào)節(jié)激酶(MEK)1/2-細胞外信號調(diào)節(jié)激酶(ERK)1/2的信號級聯(lián)，抑制自噬；能量耗盡會導致AMP活化蛋白激酶(AMPK)磷酸化，激活肝細胞激酶(LK)B1或TSC相關(guān)基因TSC1產(chǎn)物TSC1-TSC2，使TOR失活，激活自噬；p70 S6激酶作為TOR的底物，可反饋調(diào)節(jié)TOR的活動，確保自噬的基礎(chǔ)水平，這對于內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)態(tài)十分重要；c-Jun氨基末端激酶(JNK)1和死亡相關(guān)蛋白激酶(DAPK)磷酸化和擾亂抗凋亡蛋白Bcl-2和Bcl-XL的饑餓，與ATG有關(guān)，這都會導致的Beclin 1相關(guān)Ⅲ型PI3K復合體和自噬的激活〔16〕。內(nèi)源性非編碼小RNA(miRNA)分子，在參與細胞生長發(fā)育的同時，多數(shù)可通過抑制細胞自噬形成過程的不同階段，抑制細胞自噬，參與細胞自噬的調(diào)節(jié)〔17～19〕。此外，泛素樣蛋白系統(tǒng)也參與細胞自噬的調(diào)控。

2 細胞自噬在危重病發(fā)展進程中的病理生理作用——雙刃劍

2.1細胞自噬的保護作用 自噬的促存活作用已在細胞、組織水平的不同背景下被證實了，這包括缺血再灌注、微生物感染引起的膿毒癥等多種病理過程。研究〔20〕發(fā)現(xiàn)，在盲腸結(jié)扎穿孔(CLP)導致小鼠肺、肝、腎等器官損傷的同時，引起了炎癥因子腫瘤壞死因子(TNF)-α、白細胞介素(IL)-6釋放增多、LC3-Ⅱ/LC3-Ⅰ比值抬高，提示自噬增多；青藤堿鹽酸鹽(SIN-HCl)降低了CLP誘導的器官損傷與功能障礙，降低了炎癥因子釋放，但增加了肝、肺、腎組織細胞的LC3-Ⅱ/LC3-Ⅰ表達；進一步應(yīng)用腹腔巨噬細胞(PM)的研究顯示，SIN-HCl降低了脂多糖(LPS)引起的TNF-α、IL-6釋放增多，進一步增加了PM中自噬體的數(shù)量；細胞自噬與CLP引起的器官損傷有關(guān)，SIN-HCl降低CLP導致細胞損傷的機制是部分通過增加細胞自噬實現(xiàn)的。Yan等〔21〕研究發(fā)現(xiàn)，長期慢性心肌缺血(30%動脈狹窄)再灌注后，心肌細胞自噬增加，反映在與自噬相關(guān)的蛋白高表達，如組織蛋白酶D、組織蛋白酶B、熱休克同源蛋白(Hsc)73、Beclin1及LC3；同時，在6次缺血再灌注后的心肌細胞凋亡減少，研究提示心肌細胞通過自噬的作用來抑制細胞凋亡，從而減少心肌毒性作用。這些研究表明，一定程度上增加的細胞自噬對危重狀態(tài)下的組織、器官具有一定的保護作用。

2.2細胞自噬的損傷作用 目前，研究〔22～25〕發(fā)現(xiàn)細胞自噬參與了多種因素引起的組織損傷。在一個70%缺血的肝缺血再灌注模型上，在再灌注后的4、8、16 h均出現(xiàn)了反映肝功能的血清生化指標異常及肝組織學損傷，細胞凋亡與自噬增加；不同劑量的丙酮酸乙酯則不同程度地減輕了肝損傷，降低了Bax與LC3表達，抑制了肝細胞細胞凋亡與自噬，其作用機制與抑制高遷移率族蛋白(HMG)B1/Toll樣受體(TLR)4/核轉(zhuǎn)錄因子(NF)-κB通路及降低炎癥因子TNF-α和IL-6的釋放有關(guān)〔22〕。在同樣的模型上，Wang等〔23〕發(fā)現(xiàn)，N-乙酰半胱氨酸(NAC)治療能夠降低肝損傷，下調(diào)Beclin1與LC3表達，降低JNK、p-JNK、Bax、TNF-α、NF-κB、IL-2、IL-6的表達水平，提示NAC抑制細胞凋亡與自噬作用是通過下調(diào)JNK信號實現(xiàn)的。在失血性休克液體復蘇后引起肝臟缺血再灌注損傷的模型上發(fā)現(xiàn)，氧化應(yīng)激引起的半胱天冬蛋白酶(Caspase)1活化通過上調(diào)自噬啟動蛋白Beclin1表達增加自噬，從而引起肝細胞的炎癥反應(yīng)與損傷〔24〕。在細胞水平上，Xu等〔25〕研究發(fā)現(xiàn)，LPS處理可誘導巨噬細胞的自噬增加，應(yīng)用小干擾RNA(siRNA)抑制Beclin1基因表達，使用自噬抑制劑3-甲基腺嘌呤或PI3K抑制劑渥曼青霉素，均可抑制LPS引起的自噬增加。這些研究表明，過度的細胞自噬是嚴重致病因素引起組織細胞損傷的重要機制。

綜上，多種因素均可誘導細胞自噬，多條信號通路參與了細胞自噬的調(diào)控；細胞自噬在危重病發(fā)展的不同階段具有不同的作用，以調(diào)控自噬為靶點，對于減輕組織細胞損傷具有一定的意義，這也可能成為將來防治危重病的一個新的研究方向。目前，對于創(chuàng)傷失血性休克的救治，不論是在臨床工作中還是在實驗室研究中，液體復蘇均為首選措施，不同液體復蘇方式也產(chǎn)生了不同的效果，如果以細胞自噬為關(guān)注點，探討不同液體復蘇方式對于休克的治療效果，也是今后的研究重點。

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