糖尿病腎臟病中足細(xì)胞自噬調(diào)控機(jī)制的研究進(jìn)展

韓妙茹，楊康，楊洪濤

(天津中醫(yī)藥大學(xué)第一附屬醫(yī)院腎病科，天津 300380)

糖尿病腎臟病(diabetic kidney disease，DKD)是腎病終末期的主要病因[1]。臨床中，DKD患者最初表現(xiàn)為微量蛋白尿，隨后發(fā)展為大量蛋白尿，腎小球濾過率降低相對較晚，最終進(jìn)展為終末期腎病。研究發(fā)現(xiàn)，約10%的1型或2型糖尿病患者在患糖尿病25年后出現(xiàn)蛋白尿[2]。因此，蛋白尿是一項可以預(yù)測腎臟損害的重要指標(biāo)，其主要是由腎小球濾過膜結(jié)構(gòu)和功能改變引起，而足細(xì)胞是腎小球濾過屏障結(jié)構(gòu)和功能正常的重要組成部分，故足細(xì)胞損傷是引起大量蛋白尿的原因之一。自噬是一種高度保守的細(xì)胞循環(huán)過程，其能將蛋白質(zhì)以及受損的細(xì)胞器進(jìn)行自我降解和重建，對維持細(xì)胞內(nèi)穩(wěn)態(tài)至關(guān)重要。研究表明，足細(xì)胞是一種高度分化的細(xì)胞，有絲分裂后的足細(xì)胞具有很高的基礎(chǔ)自噬水平[3]，高糖狀態(tài)誘導(dǎo)足細(xì)胞自噬功能失調(diào)，導(dǎo)致足細(xì)胞嚴(yán)重受損，進(jìn)而導(dǎo)致大量蛋白尿。迄今為止，已發(fā)現(xiàn)了40多個自噬相關(guān)基因(autophagy associated gene，ATG)及通路[4]。研究證實，營養(yǎng)感應(yīng)信號途徑及胞內(nèi)應(yīng)激反應(yīng)信號所介導(dǎo)的自噬與DKD發(fā)病密切相關(guān)[5]?，F(xiàn)就DKD中足細(xì)胞自噬調(diào)控機(jī)制的研究進(jìn)展予以綜述，并著重介紹足細(xì)胞自噬在DKD中通過營養(yǎng)感知信號途徑和細(xì)胞內(nèi)應(yīng)激信號的調(diào)節(jié)作用。

1 營養(yǎng)傳感途徑

營養(yǎng)傳感途徑主要包括絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶[哺乳動物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin，mTOR)]、AMP活化蛋白激酶(AMP-activated protein kinase，AMPK)及氧化的煙酰胺腺嘌呤二核苷酸(nicotinamide adenine dinucleotide，NAD)依賴性組蛋白脫乙酰酶[沉默信息調(diào)節(jié)因子1(silent information regulator 1，SIRT1)]三種。當(dāng)營養(yǎng)過剩時,葡萄糖、氨基酸等營養(yǎng)物質(zhì)的增加會激活mTOR，從而抑制自噬；當(dāng)營養(yǎng)和能量缺乏時，AMPK和氧化的NAD依賴性組蛋白脫乙酰酶(SIRT1)被激活，從而促進(jìn)自噬[5]。因此，mTOR對自噬起負(fù)調(diào)控作用，AMPK和SIRT1對自噬起正調(diào)控作用。

1.1mTOR信號通路 mTOR是DKD中最關(guān)鍵的自噬調(diào)節(jié)因子之一，也是感受細(xì)胞外營養(yǎng)、調(diào)控蛋白質(zhì)的合成速率、影響細(xì)胞生長的核心。研究發(fā)現(xiàn)，mTORC1和mTORC2對雷帕霉素存在敏感性差異[6]。當(dāng)營養(yǎng)過剩時，mTORC1被激活，并磷酸化ATG13，自噬受到抑制；而在營養(yǎng)和能量缺乏、應(yīng)激狀態(tài)下，mTORC1活性受到抑制，ATG13磷酸化水平降低[7]。去磷酸化的ATG13與ATG1(unc-51樣激酶1)和ATG17(骨架蛋白FIP200)形成復(fù)合物，從而啟動自噬[8]。雷帕霉素是一種用于預(yù)防器官移植排斥反應(yīng)的免疫抑制劑，是mTOR信號通路的特異性負(fù)調(diào)控因子。它可以抑制mTORC1活性，從而誘導(dǎo)自噬，維持細(xì)胞穩(wěn)態(tài)[5]。以往研究表明，雷帕霉素可以改善腎小球肥大，系膜擴(kuò)張、腎小球基膜粘連、腎纖維化，以及DKD患者蛋白尿的發(fā)展[9]。在胰島素抵抗條件下，足細(xì)胞自噬活性下降，當(dāng)給予mTOR特異性抑制劑——雷帕霉素治療后，自噬激活，從而減輕胰島素抵抗誘導(dǎo)的足細(xì)胞損傷[10]。Inoki等[11]研究發(fā)現(xiàn)，在雜合子mTOR的調(diào)節(jié)相關(guān)蛋白敲除小鼠的足細(xì)胞中，mTORC1活性被部分抑制，提示mTORC1信號過度激活與足細(xì)胞損傷進(jìn)展密切相關(guān)，同時也與糖尿病模型小鼠的蛋白尿相關(guān)?？梢?，mTOR信號通路負(fù)性調(diào)控足細(xì)胞自噬對于DKD的發(fā)病機(jī)制起重要作用。其中，mTORC1的活性在維持足細(xì)胞穩(wěn)態(tài)中至關(guān)重要。

1.2AMPK信號通路 AMPK是一種應(yīng)激激活激酶，是一個重要的細(xì)胞能量感應(yīng)器，主要通過感應(yīng)AMP與ATP的比例調(diào)節(jié)細(xì)胞的能量狀態(tài)。當(dāng)細(xì)胞能量不足時，一方面，AMPK通過結(jié)節(jié)性硬化復(fù)合物1/2-Rheb信號通路或調(diào)控其他相關(guān)蛋白(如mTOR的調(diào)節(jié)相關(guān)蛋白)磷酸化與mTORC1相互作用，從而抑制mTORC1的活性；另一方面，AMPK可以與絲氨酸317、絲氨酸555和絲氨酸777位點結(jié)合并直接激活unc-51樣激酶1，誘導(dǎo)自噬[12]。近年來研究表明，小檗堿具有良好的調(diào)節(jié)血壓，控制血糖和抗癌，抗炎等功效[13]。小檗堿是一種有效的自噬激活劑，Choi等[14]研究發(fā)現(xiàn)，小檗堿可以減輕高糖誘導(dǎo)的mTOR激活，增強(qiáng)AMPK活化，誘導(dǎo)自噬，從而減輕高糖誘導(dǎo)的足細(xì)胞損傷。在糖尿病小鼠的足細(xì)胞中，磷酸化的AMPK水平較低，而二甲雙胍可以增強(qiáng)AMPK磷酸化，降低mTOR活性，從而改善高糖誘導(dǎo)的足細(xì)胞損傷[15]。

1.3SIRT1信號通路 SIRT1是一種高度保守的NAD+依賴的Ⅲ類組蛋白去乙?；?，作為一種細(xì)胞內(nèi)營養(yǎng)感應(yīng)器，其通過檢測NAD+水平調(diào)節(jié)細(xì)胞代謝及氧化還原狀態(tài)。研究表明，SIRT1在DKD的進(jìn)展中發(fā)揮了重要作用[16]，當(dāng)細(xì)胞內(nèi)能量缺乏時，AMPK被激活，NAD+水平升高，激活SIRT1活性。一旦被激活，SIRT1脫乙酰化ATG，如ATG5、ATG7等；同時，SIRT1還可以將叉頭轉(zhuǎn)錄因子脫乙?；?，從而調(diào)控自噬下游相關(guān)通路[17]。Chuang等[16]觀察發(fā)現(xiàn)，在高糖刺激下，具有廣泛SIRT1基因敲除的糖尿病小鼠表現(xiàn)出DKD的早期特征，且足細(xì)胞特異性SIRT1基因缺失可加重糖尿病db/db小鼠的蛋白尿。因此，在足細(xì)胞的穩(wěn)態(tài)維持中SIRT1發(fā)揮了重要作用。Hong等[18]研究發(fā)現(xiàn)，SIRT1過表達(dá)可有效緩解糖尿病ove26小鼠(胰島β細(xì)胞上鈣調(diào)蛋白基因超表達(dá)，從而導(dǎo)致胰島素缺乏并產(chǎn)生1型糖尿病的一種小鼠)的蛋白尿及腎損傷。研究證明，SIRT1可將轉(zhuǎn)錄因子p65去乙?；l(fā)揮生物學(xué)作用，在db/db小鼠中，足細(xì)胞特異性的SIRT1基因敲除導(dǎo)致p65乙?；缴撸瑥亩种坪艘蜃应蔅信號通路，SIRT1是核因子κB的一種關(guān)鍵抑制劑，其在糖尿病腎臟炎癥調(diào)節(jié)中發(fā)揮關(guān)鍵作用[19]。

2 細(xì)胞內(nèi)應(yīng)激

2.1氧化應(yīng)激 研究表明，活性氧類(reactive oxygen species，ROS)是激活自噬的最常見因子[20]。在高糖狀態(tài)下，細(xì)胞呼吸功能失調(diào)會產(chǎn)生大量的超氧化物(超氧陰離子自由基)，以及其他ROS，為了繼續(xù)維持細(xì)胞穩(wěn)態(tài)，哺乳動物會產(chǎn)生抗氧化酶和非酶物質(zhì)，包括過氧化氫酶、超氧化物歧化酶、谷胱甘肽和硫氧還蛋白等[21]。它們可以對抗ROS引起的細(xì)胞損傷。當(dāng)生成的ROS與抗氧化酶調(diào)節(jié)失衡時，細(xì)胞出現(xiàn)氧化損傷。研究表明，ROS的增加可激活蛋白激酶R樣內(nèi)質(zhì)網(wǎng)激酶，隨后磷酸化真核細(xì)胞起始因子2α，激活A(yù)TG4，加速可溶性微管相關(guān)蛋白1輕鏈3-Ⅰ型的形成，并抑制mTORC1活性，從而誘導(dǎo)自噬[20]。雖然足細(xì)胞自噬與氧化應(yīng)激的作用尚未被完全闡明，但有證據(jù)表明高糖誘導(dǎo)了足細(xì)胞自噬，同時高糖能促進(jìn)足細(xì)胞產(chǎn)生ROS，而抗氧化劑可以抑制高糖誘導(dǎo)的自噬[22]。因此，ROS在高糖誘導(dǎo)的足細(xì)胞自噬中具有重要作用。Zhan等[23]研究發(fā)現(xiàn)高糖條件下，足細(xì)胞發(fā)生氧化應(yīng)激和炎癥反應(yīng)，而雷公藤紅素可通過恢復(fù)血紅素加氧酶-1介導(dǎo)的自噬途徑，保護(hù)高糖狀態(tài)下的足細(xì)胞損傷。腎素-血管緊張素-醛固酮系統(tǒng)活性升高是慢性腎臟病進(jìn)展的一個重要原因。足細(xì)胞是醛固酮的靶標(biāo)之一，Bai等[24]發(fā)現(xiàn)，ROS誘導(dǎo)的足細(xì)胞自噬可以顯著抵消醛固酮誘導(dǎo)的足細(xì)胞損傷，抑制ROS的產(chǎn)生，對醛固酮誘導(dǎo)的足細(xì)胞損傷具有保護(hù)作用，因此ROS在足細(xì)胞自噬形成中起關(guān)鍵作用。

2.2內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激(endoplasmic reticulum stress，ERS) 近年的研究表明，ERS可以參與多種腎臟疾病，可誘導(dǎo)足細(xì)胞結(jié)構(gòu)和功能障礙，進(jìn)而導(dǎo)致腎小球硬化[25]。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)主要參與蛋白質(zhì)的合成、修飾與加工。因此，ERS指在某些情況下，出現(xiàn)錯誤蛋白或未折疊蛋白堆積的生理或病理狀態(tài)，這被稱作未折疊蛋白反應(yīng)(unfolded protein response，UPR)。UPR主要由蛋白激酶R樣內(nèi)質(zhì)網(wǎng)激酶、活化轉(zhuǎn)錄因子6、肌醇依賴酶1三個分支組成。在特定環(huán)境下，三個分支均可以調(diào)節(jié)細(xì)胞自噬[5]。其中，肌醇依賴酶1α通過與凋亡信號調(diào)節(jié)蛋白1/c-Jun氨基端激酶信號通路相互作用，磷酸化Bcl-2，導(dǎo)致Bcl-2與Beclin-1(酵母ATG6的同系物)解離，激活Beclin-1和磷脂酰肌醇-3-羥激酶復(fù)合物，從而誘導(dǎo)自噬。蛋白激酶R樣內(nèi)質(zhì)網(wǎng)激酶、活化轉(zhuǎn)錄因子6可以上調(diào)ATG3、ATG12、ATG5等自噬基因的表達(dá)，從而促進(jìn)自噬。在足細(xì)胞中，糖尿病環(huán)境下的代謝變化會擾亂UPR、自噬以及mTOR信號通路的平衡狀態(tài)[26]。此外，非酯化脂肪酸、高血糖[27]、胰島素信號缺陷[28]均可誘導(dǎo)ERS。而研究證明，UPR的調(diào)節(jié)劑?；切苊撗跄懰峥梢灾委熸滊遄艟卣T導(dǎo)的糖尿病小鼠，減輕高糖誘導(dǎo)的足細(xì)胞損傷和蛋白尿，改善組織病理學(xué)損害[3]。UPR的激活既觸發(fā)了C/EBP同源蛋白依賴的細(xì)胞凋亡，又觸發(fā)了自噬來應(yīng)對損傷。Wang等[29]在輕度2型糖尿病和高血壓聯(lián)合的動物模型中，使用ERS抑制劑(牛磺熊脫氧膽酸)降低了血壓，改善了腎功能，提示高血糖與高血壓共同增加ERS，擴(kuò)大腎損傷，而抑制ERS可以明顯減輕糖尿病高血壓腎病的腎損傷。因此，糖尿病和高血壓可以通過ERS協(xié)同作用促進(jìn)腎損傷。在糖尿病db/db小鼠中，應(yīng)用牛磺熊脫氧膽酸治療后，持續(xù)的高糖導(dǎo)致的足細(xì)胞自噬缺陷被明顯糾正[30]。上述研究表明，ERS和足細(xì)胞自噬在DKD的發(fā)生發(fā)展中起重要作用。

2.3低氧應(yīng)激 缺氧是DKD進(jìn)展的一個重要事件，研究表明，缺氧是公認(rèn)的一種腎臟發(fā)病途徑[31]。缺氧誘導(dǎo)因子(hypoxia-inducible factor，HIF)家族在器官組織缺氧的調(diào)節(jié)中發(fā)揮重要作用，其家族成員主要有HIF-1、HIF-2、HIF-3三種轉(zhuǎn)錄因子，其中HIF-1是細(xì)胞適應(yīng)氧濃度變化的主要調(diào)控因子[32]，包括HIF-1α和HIF-1β。以往的研究顯示，HIF-1α在缺氧條件下的足細(xì)胞中顯著增加[33]。在缺氧條件下，HIF-1α被激活，上調(diào)腺病毒E1B 19 kD相互作用蛋白3的表達(dá)，當(dāng)腺病毒E1B 19 kD相互作用蛋白3表達(dá)水平升高時，Beclin-1從Bcl-2/的抑制作用中解離出來，與多種蛋白質(zhì)相互作用形成Ⅲ類磷脂酰肌醇-3-羥激酶復(fù)合物，引導(dǎo)自噬體的形成[34]。Bohuslavova等[35]在鏈脲佐菌素誘導(dǎo)的糖尿病小鼠模型中發(fā)現(xiàn)，在DKD早期，HIF-1α缺乏會影響足細(xì)胞存活，導(dǎo)致糖尿病腎小球損傷，提示HIF-1信號受損會加速足細(xì)胞丟失及其維持腎小球濾過屏障的能力，從而加速DKD進(jìn)展。因此，HIF-1在預(yù)防糖尿病引起的組織損傷的早期反應(yīng)中起重要作用。血管內(nèi)皮生長因子(vascular endothelial growth factor，VEGF)是HIF-1α最有代表性的下游調(diào)控因子，其主要由足細(xì)胞合成，是血管生成的促成劑[20]。研究表明，VEGF過表達(dá)可增加腎小球的血流量和通透性，導(dǎo)致足細(xì)胞損傷，其結(jié)果可能最終導(dǎo)致腎小球硬化，因此血清VEGF水平可作為慢性腎臟疾病進(jìn)展的預(yù)測因素之一[36]。Miaomiao等[37]在鏈脲佐菌素誘導(dǎo)的糖尿病小鼠足細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)，高糖可引起足細(xì)胞足突消失和VEGF上調(diào)。用自噬誘導(dǎo)劑雷帕霉素治療后，VEGF的活化被顯著消除，足細(xì)胞損傷得到改善；而用自噬抑制劑3-甲基腺嘌呤處理的足細(xì)胞的VEGF表達(dá)增加，表明自噬在調(diào)節(jié)VEGF中起重要作用。以上研究證明，足細(xì)胞自噬與HIF-1α/VEGF有一定的聯(lián)系，需進(jìn)一步探索。

3 其他相關(guān)信號通路

目前，DKD中足細(xì)胞自噬相關(guān)信號通路仍在研究中。除上述營養(yǎng)傳感途徑與細(xì)胞內(nèi)應(yīng)激信號外，以往的研究表明，ATG12-ATG5共軛體系在足細(xì)胞自噬中也起了關(guān)鍵作用，它通過促進(jìn)自噬小體的產(chǎn)生，激活足細(xì)胞自噬[38]。β-抑制蛋白(β-arrestins，ARRBs)是一種多功能蛋白，研究表明，沉默ARRB1或ARRB2基因可以恢復(fù)高糖狀態(tài)下降低的ATG12-ATG5水平，促進(jìn)自噬。而ARRB1/2和ATG7之間的相互作用增強(qiáng)，可能會阻止ATG7激活A(yù)TG12的甘氨酸殘基，從而減少ATG12-ATG5的結(jié)合并抑制自噬，加重DKD狀態(tài)下的足細(xì)胞損傷[38]。Ji等[39]研究表明，縫隙連接蛋白43的表達(dá)增加可以激活DKD中的mTOR信號通路，抑制足細(xì)胞自噬，而抑制縫隙連接蛋白43表達(dá)，可以激活足細(xì)胞自噬，減少足細(xì)胞損傷。長鏈非編碼RNA在DKD的發(fā)病中也扮演重要角色，學(xué)者發(fā)現(xiàn)在鏈脲佐菌素誘導(dǎo)的DKD小鼠中，長鏈非編碼RNA肺腺癌轉(zhuǎn)移相關(guān)轉(zhuǎn)錄本1的功能失調(diào)，并參與高糖誘導(dǎo)的足細(xì)胞損傷，從而加速DKD的進(jìn)展[40-41]。因此，肺腺癌轉(zhuǎn)移相關(guān)轉(zhuǎn)錄本1在糖尿病足細(xì)胞損傷和蛋白尿中起關(guān)鍵作用。研究表明，長鏈非編碼RNA-SOX2重疊轉(zhuǎn)錄本通過刺激miR-9促進(jìn)SIRT1基因的表達(dá)，從而誘導(dǎo)受損的足細(xì)胞自噬，減輕足細(xì)胞損傷[41]。以上研究表明在DKD狀態(tài)下，完整的自噬通路在維持足細(xì)胞穩(wěn)態(tài)中起重要作用，自噬功能失調(diào)，導(dǎo)致足細(xì)胞損傷，進(jìn)而導(dǎo)致DKD患者產(chǎn)生大量蛋白尿，最終導(dǎo)致DKD進(jìn)展為終末期腎病。

4 小 結(jié)

隨著多種強(qiáng)化治療方案的應(yīng)用，糖尿病的發(fā)病率在世界范圍內(nèi)仍呈上升趨勢。DKD作為一種嚴(yán)重的糖尿病并發(fā)癥，發(fā)病率和死亡率居高不下，因此迫切需要尋找預(yù)防和治療DKD的其他有效治療靶點。雖然DKD的發(fā)病機(jī)制尚未完全清楚，但是足細(xì)胞自噬中的主要營養(yǎng)感應(yīng)信號途徑以及細(xì)胞內(nèi)應(yīng)激信號在DKD中有重要的調(diào)節(jié)作用。因此，足細(xì)胞自噬的調(diào)控機(jī)制需要進(jìn)一步探索，以期為臨床預(yù)防和治療糖尿病并發(fā)癥提供新的治療靶點。