細(xì)胞自噬和衰老及衰老相關(guān)疾病

劉愛玲，呂紅，錢家鳴

【提要】 細(xì)胞自噬和衰老及衰老相關(guān)疾病密切相關(guān)。從自噬角度延緩衰老和治療衰老相關(guān)疾病的方法包括使用自噬誘導(dǎo)劑、抗氧化劑和熱量限制。本文就自噬和衰老及衰老相關(guān)疾病的關(guān)系及機(jī)制方面做一綜述，以提高臨床醫(yī)師的認(rèn)識。

衰老進(jìn)程伴隨分子、細(xì)胞、組織和器官損傷的不斷累積，導(dǎo)致機(jī)體生理功能減退，使之易受疾病侵害。衰老相關(guān)疾病包括心血管疾病、中樞神經(jīng)系統(tǒng)退行性病變、腫瘤等。細(xì)胞自噬是一種在進(jìn)化上高度保守的細(xì)胞代謝過程，它可吞噬和消化降解衰老的細(xì)胞器、異常折疊的蛋白質(zhì)或侵入體內(nèi)的病原體，作為細(xì)胞自身的防御機(jī)制[1]。研究顯示，衰老漸進(jìn)過程中自噬活性漸降低，適度增強(qiáng)自噬可延長壽命。自噬是衰老研究中的熱點(diǎn)。筆者通過復(fù)習(xí)文獻(xiàn)，對自噬在衰老及衰老相關(guān)疾病中的作用作一綜述。

1 細(xì)胞自噬

細(xì)胞自噬是生物有機(jī)體適應(yīng)不同環(huán)境的有效的內(nèi)部調(diào)節(jié)機(jī)制。自噬異常會導(dǎo)致一系列的疾病狀態(tài)，如神經(jīng)退行性疾病、感染性疾病、癌癥和衰老等。根據(jù)底物運(yùn)輸方式不同，可將自噬分為三種類型，包括巨自噬、微自噬和分子伴侶介導(dǎo)的自噬(chaperone-mediated autophagy，CMA)。巨自噬是傳統(tǒng)意義上的自噬，其過程是，非溶酶體起源的雙層膜結(jié)構(gòu)包裹待降解物質(zhì)，形成自噬體(autophagosome)，然后與溶酶體融合，形成自噬溶酶體，最終在溶酶體酶的作用下，其內(nèi)容物被降解。在微自噬中，溶酶體通過溶酶體膜內(nèi)陷直接降解。CMA過程為，具有KFERQ五肽序列的蛋白質(zhì)分子(即底物)，被胞質(zhì)內(nèi)的熱休克蛋白70/73(hsp70/73)識別并形成復(fù)合物，其與溶酶體膜上的受體溶酶體相關(guān)膜蛋白-2A(LAMP2A)結(jié)合，另一種熱休克蛋白(hsp90)介導(dǎo)去折疊的底物進(jìn)入溶酶體，底物被降解[2]。

細(xì)胞自噬可被多種因素誘導(dǎo)，如營養(yǎng)限制、炎癥等。在酵母和哺乳動(dòng)物中的研究已發(fā)現(xiàn)至少40種自噬相關(guān)基因(ATG)，其編碼參與自噬的蛋白質(zhì)[3]。細(xì)胞自噬途徑包括哺乳動(dòng)物雷帕霉素靶蛋白復(fù)合物1(mTORC1)失活、UNC-51樣激酶復(fù)合物(ULK1/2)去磷酸化和活化，繼而促進(jìn)ATG13、FIP200活化，激活自噬。另一重要的復(fù)合物是Beclin1復(fù)合物，其中的組分VPS34可磷酸化磷脂腺肌醇，生成3-磷酸磷脂酰肌醇(PI3P)。該分子可募集ATG16L，其結(jié)合ATG5-ATG12以產(chǎn)生ATG12-ATG5-ATG16L復(fù)合物。該復(fù)合物參與LC3(微管相關(guān)蛋白輕鏈3)的脂化。此外，ATG3與LC3-I結(jié)合，并通過ATG12與該復(fù)合物結(jié)合，使LC3-I與磷脂酰乙醇胺結(jié)合，產(chǎn)生LC3-II。LC3-II存在于自噬體結(jié)構(gòu)的內(nèi)外膜上，LC3II或LC3II/I在一定程度上反應(yīng)了自噬的活性。

2 衰老

衰老伴隨機(jī)體功能障礙的增多，表現(xiàn)為DNA、蛋白質(zhì)、脂類物質(zhì)以及細(xì)胞器等的損傷和有害物質(zhì)的累積，這些變化在組織水平上具有普遍的特征。不能繼續(xù)分裂增殖的細(xì)胞中出現(xiàn)脂褐素聚集，這是細(xì)胞開始衰老的典型特征，標(biāo)志著細(xì)胞內(nèi)清除系統(tǒng)功能障礙。

普遍認(rèn)為，衰老是一個(gè)多因素過程。但也有些學(xué)者試圖將其解釋為與年齡相關(guān)的主要變化。其中一種是“隨機(jī)理論”，認(rèn)為衰老是由隨機(jī)損害累積造成，即隨年齡增長，機(jī)體修復(fù)能力損傷，有害物質(zhì)積累。也有學(xué)者認(rèn)為衰老是受調(diào)節(jié)的過程，主要受遺傳密碼如端粒長度調(diào)控。另有衰老的自由基(或氧化應(yīng)激)理論，其假設(shè)活性氧物質(zhì)(reactive oxygen species，ROS)導(dǎo)致生物分子的氧化損傷，從而使細(xì)胞功能下降[4]。很多證據(jù)支持這一觀點(diǎn)，如細(xì)胞ROS水平隨著年齡增長而增高、抗氧化系統(tǒng)損傷后ROS水平增高。

3 細(xì)胞自噬和衰老及衰老相關(guān)疾病

自噬在抗衰老機(jī)制的研究中占有獨(dú)特地位。衰老是細(xì)胞適應(yīng)內(nèi)外環(huán)境的重要調(diào)節(jié)機(jī)制，它可啟動(dòng)自噬，而在衰老漸進(jìn)過程中自噬功能漸減退，適度增強(qiáng)自噬可延緩衰老。研究顯示[5]，自噬蛋白ATG5表達(dá)增多，小鼠抗衰老能力增強(qiáng)，可能的機(jī)制是自噬增強(qiáng)后增加了變性蛋白或病原體的清除、增強(qiáng)免疫應(yīng)答及減輕炎性反應(yīng)。ATG基因組織特異性敲除表現(xiàn)為早衰癥狀[6]。與青年人比較，在健康的長壽老人中Beclin1水平增高[7]。這些研究為人類長壽的機(jī)制提供了理論基礎(chǔ)。

自噬在阿爾茲海默病和亨廷頓病中起到神經(jīng)保護(hù)的作用[8]。在多數(shù)文獻(xiàn)報(bào)道中，特異性敲除ATG5 和ATG7導(dǎo)致神經(jīng)系統(tǒng)退行性變。帕金森病的病理生理機(jī)制與線粒體自噬相關(guān)[9-10]。兒童期靜態(tài)性腦病成年期神經(jīng)變性病是一種神經(jīng)退行性疾病，病因可能是自噬基因WDR45/WIPI4缺陷引起[11-12]。

自噬也在急性肺損傷和敗血癥中起作用[13]。高壓氧治療或者機(jī)械通氣會引起急性肺損傷。長期暴露在高濃度氧(>95%)環(huán)境中可導(dǎo)致活性氧(ROS)產(chǎn)生增加，造成類似急性呼吸窘迫綜合征的急性肺損傷[14]。Tanaka等報(bào)道[15]，活體生物暴露于高濃度氧環(huán)境中會引起LC3B-II升高，激活自噬。同樣，體外培養(yǎng)肺上皮細(xì)胞，在高濃度氧作用下，也會引起LC3B增高。Lee等研究發(fā)現(xiàn)在敗血癥的小鼠模型中，LC3B表達(dá)增高、自噬激活；而一氧化碳(CO)通過增強(qiáng)自噬下調(diào)促炎因子，可作為治療敗血癥的藥物[16]。

吸煙和衰老均是慢性阻塞性肺疾病(chronic obstructive pulmonary disease, COPD)的危險(xiǎn)因素。自噬在肺對感染和應(yīng)激的炎癥反應(yīng)中起重要作用。在吸煙、低氧等刺激下，自噬活性增強(qiáng)，其可清除受損的蛋白和細(xì)胞器，作為細(xì)胞的自我保護(hù)機(jī)制。在慢性肺疾病中，自噬缺陷引起肺部炎癥和損傷，提示自噬起到保護(hù)作用。但在某些條件下，自噬活性過度增強(qiáng)，會過度消化細(xì)胞內(nèi)組分，導(dǎo)致自噬性細(xì)胞死亡。這種自噬失控也會引起肺部炎癥和損傷，從而引發(fā)COPD和哮喘等肺部疾病[17]。

自噬在心血管穩(wěn)態(tài)中起重要作用，包括受損的蛋白和細(xì)胞器的清除和利用[18]。自噬活性減弱導(dǎo)致心血管功能損傷，并與衰老加速相關(guān)。受損的線粒體通過線粒體自噬降解，這可能是自噬在心臟中的主要保護(hù)功能。線粒體自噬完全消化線粒體DNA，可避免導(dǎo)致心力衰竭的炎癥反應(yīng)。研究顯示[19]，自噬還可能預(yù)防動(dòng)脈粥樣硬化性心臟病，機(jī)制為自噬可促進(jìn)膽固醇外流，抑制壞死中心形成和脂質(zhì)積累。

衰老過程中的肌肉萎縮，也稱為肌肉減少癥，其嚴(yán)重影響老年人的生活質(zhì)量，甚至縮短壽命。自噬和泛素化蛋白系統(tǒng)激活均可引起肌肉蛋白減少，但自噬體在清除損傷細(xì)胞器的同時(shí)會保護(hù)肌纖維免受降解[20]。文獻(xiàn)報(bào)道，ATG5或ATG7敲除鼠會出現(xiàn)肌萎縮[21]。

4 從自噬角度延緩衰老及治療衰老相關(guān)疾病的方法

誘導(dǎo)自噬、恢復(fù)抗氧化系統(tǒng)可延緩衰老和用于治療衰老相關(guān)疾病。目前認(rèn)為主要有三種方法：自噬誘導(dǎo)劑、抗氧化劑(富含多胺)和熱量限制[22]。

雷帕霉素可抑制mTORC1，從而激活自噬。已證明其可延長果蠅、線蟲、酵母和小鼠的壽命。中等劑量的雷帕霉素可用于治療動(dòng)脈粥樣硬化癥[23]。在心肌缺血的小鼠模型中，心肌梗塞后再灌注期間給予雷帕霉素可改善心臟功能，并提高小鼠的存活率。雷帕霉素還可通過增強(qiáng)自噬，改善機(jī)體的代謝水平，從而用于治療代謝性疾病[24]。

多胺包括腐胺、亞精胺、精胺等。通過外源性補(bǔ)充亞精胺可誘導(dǎo)自噬，酵母、線蟲和果蠅的壽命延長[25]。白蘆藜醇也可通過激活自噬延長線蟲的壽命，但機(jī)制卻不相同[26]：白蘆藜醇激活組蛋白去乙酰化酶，而亞精胺抑制組蛋白乙酰化酶。在小鼠中，富于多胺的食物和雷帕霉素均可延長壽命[27-28]。給果蠅外源性補(bǔ)充亞精胺可抑制其過早死亡[29]。最近的研究顯示[30]，亞精胺可激活T細(xì)胞蛋白質(zhì)酪氨酸磷酸酶(TCPTP)，從而用于治療COPD和哮喘等呼吸系統(tǒng)疾病。在人群的隊(duì)列研究中，亞精胺的攝入量與心血管病變呈負(fù)相關(guān)[31]。在動(dòng)物模型和人類中，亞精胺被認(rèn)為是神經(jīng)系統(tǒng)和心血管系統(tǒng)的保護(hù)劑，這也突出了富含多胺飲食的重要性[32]。

熱量限制(Caloric restriction，CR)是在無營養(yǎng)不良的情況下總熱量攝入量減少30%～40%。文獻(xiàn)報(bào)道，CR可減少氧化應(yīng)激、延長小鼠壽命。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)CR可減少ROS產(chǎn)生和DNA損傷。關(guān)于CR和自噬的研究顯示[33]，CR與運(yùn)動(dòng)組合或單獨(dú)CR能夠上調(diào)大鼠骨骼肌中的ATG7、LC3和LAMP2蛋白表達(dá)；衰老可增加Beclin1蛋白的表達(dá)和氧化應(yīng)激，但CR降低Beclin1水平及細(xì)胞凋亡指數(shù)，兩者都與LAMP2基因表達(dá)呈負(fù)相關(guān)。用CR處理的Sod-/-小鼠在DNA損傷、細(xì)胞衰老和炎癥方面，其衰老相關(guān)性表型均不顯著[34]。根據(jù)流行病學(xué)研究，CR可能對人類健康有益。還需要進(jìn)行更多的研究才能充分了解CR抗衰老的機(jī)制。

綜上所述，衰老與ROS產(chǎn)生、基因組不穩(wěn)定性增高、抗氧化和DNA的修復(fù)能力下降等相關(guān)。自噬在維持細(xì)胞穩(wěn)態(tài)方面起著重要作用。自噬和衰老及衰老相關(guān)疾病密切相關(guān)。從自噬角度延緩衰老和治療衰老相關(guān)疾病的方法包括使用自噬誘導(dǎo)劑、抗氧化劑和熱量限制。雷帕霉素、白藜蘆醇和多胺是臨床上可用的自噬誘導(dǎo)劑。未來還需要深入研究自噬和衰老的關(guān)系及機(jī)制，對于抗衰老和治療衰老相關(guān)疾病具有重要的臨床意義。