自噬因子在腎臟的進(jìn)展研究

吳旦，李清初

(通信作者*)(桂林醫(yī)學(xué)院，廣西 桂林 541000)

1 自噬概述

自噬是真核細(xì)胞中普遍的細(xì)胞生物學(xué)過程。它消除了受傷的細(xì)胞器和生物大分子。它被證明是維持細(xì)胞內(nèi)穩(wěn)態(tài)的重要且高度保守的調(diào)節(jié)機(jī)制。與選擇性降解短壽蛋白的泛素-蛋白酶體系統(tǒng)(UPS)相比，自噬更傾向于衰老和功能異常的細(xì)胞質(zhì)蛋白[1]。通常，哺乳動(dòng)物的基線自噬是一個(gè)生理過程，但可以由饑餓或各種條件觸發(fā)，包括缺血性，毒性，免疫性和氧化性損傷。自噬過程包括兩個(gè)主要步驟：自噬體的誘導(dǎo)和自噬體與溶酶體的融合[2,3]。自噬過程涉及大量自噬相關(guān)(ATG)蛋白。ATG蛋白可分為五類，即ATG1激酶復(fù)合物(ATG1 / Unc-51樣激酶(ULK)1/2)，ATG9，III類磷酸肌醇3-激酶復(fù)合物(PI3KC3)，ATG12綴合系統(tǒng)和ATG8共軛系統(tǒng)[1]。

2 免疫細(xì)胞中的自噬

免疫細(xì)胞中的自噬會(huì)顯著改變免疫活性。在先天免疫中，自噬可增強(qiáng)免疫細(xì)胞的活性并有助于抵抗感染。細(xì)菌，病毒和寄生蟲可通過自噬降解，其中自噬對(duì)這些病原體起保護(hù)作用。自噬還通過與某些信號(hào)傳導(dǎo)途徑相互作用和吞噬炎癥觸發(fā)因素來限制炎癥。在自噬溶酶體中，toll樣受體(TLR)可能會(huì)將損傷相關(guān)分子模式分子(DAMPs)和病原體相關(guān)分子模式分子(PAMPs)識(shí)別為自體抗原，并導(dǎo)致免疫反應(yīng)的有效激活[4]，破壞免疫耐受并導(dǎo)致自身免疫的發(fā)展[5]。先天性免疫系統(tǒng)中的一些分子通過自噬在一定程度上受到調(diào)節(jié)，例如巨噬細(xì)胞和樹突狀細(xì)胞。巨噬細(xì)胞通過細(xì)胞內(nèi)消化幫助消除病原體。自噬缺陷型巨噬細(xì)胞在通過TLR途徑引起炎癥刺激時(shí)上調(diào)IL-18和IL-1β的產(chǎn)生[6]。自噬還有助于不依賴半胱天冬酶的巨噬細(xì)胞死亡，從而減輕炎癥[7]。在樹突狀細(xì)胞中，自噬是病毒檢測(cè)，抗原呈遞和干擾素生產(chǎn)所必需的[8,9]。自噬活性可以增強(qiáng)幾種適應(yīng)性免疫反應(yīng)，例如淋巴細(xì)胞發(fā)育和抗原呈遞[10]。自噬介導(dǎo)的II類MHC呈遞就是一個(gè)例子。細(xì)胞外抗原被捕獲到抗原呈遞細(xì)胞的自噬體中。然后，自噬體將抗原降解成免疫原性肽，并將其加載到CD4+T細(xì)胞的MHCII分子上。越來越多的證據(jù)表明自噬在T細(xì)胞的選擇和存活中起著關(guān)鍵作用。例如，在選擇胸腺中幼稚的T細(xì)胞庫時(shí)，胸腺上皮細(xì)胞中的高自噬活性可將內(nèi)源蛋白傳遞給MHC-II分子并有助于TCR選擇，從而消除了自身反應(yīng)性CD4 + T細(xì)胞[11]。活化的T細(xì)胞中的自噬可促進(jìn)細(xì)胞因子(例如IL-2和IFN-γ)的存活和分泌，從而影響Th細(xì)胞的極化。對(duì)于B細(xì)胞，自噬起著復(fù)雜的作用。與成熟的T細(xì)胞不同，成熟的外周B細(xì)胞的存活似乎不一定需要自噬。一方面，自噬是B細(xì)胞分化過程中必不可少的，即Atg5缺失會(huì)導(dǎo)致B-1細(xì)胞死亡[12]。另一方面，自噬也可以誘導(dǎo)自噬相關(guān)的細(xì)胞死亡[13]。因此，B細(xì)胞受體結(jié)扎誘導(dǎo)的自噬可能在消除自身反應(yīng)性B細(xì)胞，從而降低自身免疫力中至關(guān)重要。另外，最近的數(shù)據(jù)表明自噬調(diào)節(jié)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)穩(wěn)態(tài)以控制漿細(xì)胞中免疫球蛋白(Ig)的分泌，而刪除Atg5可能導(dǎo)致過量的Ig產(chǎn)生[14]。

3 腎駐留細(xì)胞自噬

3.1 足細(xì)胞終末分化的足細(xì)胞易受各種損傷的影響

從病理學(xué)的角度來看，足細(xì)胞的丟失被認(rèn)為是進(jìn)行性腎小球疾病的關(guān)鍵特征。足細(xì)胞損傷是蛋白尿的關(guān)鍵因素，而由于細(xì)胞死亡或脫離引起的足細(xì)胞損失是腎小球疾病進(jìn)展和衰老的關(guān)鍵步驟[15]。自噬似乎可以“監(jiān)視”生理和病理生理?xiàng)l件下足細(xì)胞的質(zhì)量。與局灶性節(jié)段性腎小球硬化癥(FSGS)的患者相比，患有最小變化疾病(MCD)的患者的足細(xì)胞顯示更高水平的Beclin 1介導(dǎo)的自噬活性[7,16]。此外，MCD患者足細(xì)胞自噬水平高通常預(yù)示疾病狀態(tài)穩(wěn)定，而自噬水平降低的MCD患者則進(jìn)展為FSGS[17]。

足細(xì)胞自噬的喪失導(dǎo)致對(duì)各種腎臟疾病模型的易感性明顯增加。最近的研究表明，具有Atg5或Atg7功能喪失突變的小鼠具有人類FSGS的組織學(xué)和臨床特征。分別沉默Atg5或Atg7，也顯示出明顯的足細(xì)胞交替。腎切除術(shù)后一天，Atg7缺乏的足細(xì)胞小鼠在腎臟活檢中表現(xiàn)出更高的蛋白尿，足突改善和足細(xì)胞丟失[18]。足細(xì)胞特異性Atg5基因敲除小鼠在8至12個(gè)月大時(shí)出現(xiàn)輕度蛋白尿，并通過線吞噬作用降解受損的線粒體軟骨[19]。通過沉默其他ATG基因抑制自噬也破壞了足細(xì)胞的功能。足細(xì)胞特異性缺失Vps34的小鼠在9周時(shí)發(fā)展為早期蛋白尿，進(jìn)行性腎小球硬化和腎功能衰竭[20]。這些基因敲除小鼠的足細(xì)胞表現(xiàn)出自噬通量受損的表型，并帶有增大的液泡積累，表明Vps34參與維持足細(xì)胞自噬通量。

同樣，足細(xì)胞特異性腎上腺素受體(PRR-)敲除小鼠在出生后2-3周內(nèi)發(fā)展為腎病綜合征，并在第4周時(shí)死亡。電子顯微鏡顯示，小鼠表現(xiàn)出進(jìn)行性足細(xì)胞損傷，足突增生和空泡化以及足細(xì)胞死亡[21,22]。泛素化蛋白和泛素結(jié)合型突觸蛋白p62/螯合物1(SQSTM1)的大量積累進(jìn)一步表明，泛素化蛋白聚集體的自噬清除受到阻滯[23]。這些研究共同強(qiáng)調(diào)了自噬作為關(guān)鍵的特殊重要性生理和應(yīng)激條件下足細(xì)胞的穩(wěn)態(tài)機(jī)制。

調(diào)節(jié)mTOR以改變自噬活性也影響足細(xì)胞的結(jié)構(gòu)和功能。Mtor基因小鼠的足細(xì)胞選擇性敲除在3周齡時(shí)發(fā)展為蛋白尿，并在5周齡時(shí)進(jìn)行性足細(xì)胞損傷和終末期腎衰竭[24]。同樣，在永生化的人足細(xì)胞中，用mTOR抑制劑雷帕霉素治療可誘導(dǎo)不完全自噬，顯示出良好的細(xì)胞保護(hù)作用。然而，還需要mTOR來再生功能性溶酶體并完成自噬過程[25]。因此，mTOR的長(zhǎng)時(shí)間激活可能導(dǎo)致自噬底物的缺乏，從而導(dǎo)致自噬的不足。考慮到自噬途徑的破壞可能在蛋白尿的發(fā)病機(jī)制中起作用，因此使用mTOR抑制劑進(jìn)行治療可能會(huì)導(dǎo)致持續(xù)時(shí)間不同的有利和不利結(jié)果。

簡(jiǎn)而言之，自噬對(duì)足細(xì)胞的存活和生理功能至關(guān)重要。通過抑制ATG5，ATG7，mTOR，Vps34和PRR阻斷自噬可導(dǎo)致足細(xì)胞損傷，死亡或功能失調(diào)，并最終導(dǎo)致腎功能下降。

3.2 腎小球毛細(xì)血管的內(nèi)皮細(xì)胞

在來自法布里病的培養(yǎng)細(xì)胞的報(bào)告中，來自患者的細(xì)胞顯示出自噬增加，LC3的基礎(chǔ)水平更高。在這項(xiàng)研究中，在治療3年之前和之后都進(jìn)行了腎臟活檢。結(jié)果表明，經(jīng)過3年的治療，內(nèi)皮細(xì)胞和腎小球系膜細(xì)胞中的液泡積累大大減少了[26]。這些數(shù)據(jù)表明，內(nèi)皮細(xì)胞自噬過程中的損傷可能是Fabry疾病引起的內(nèi)皮細(xì)胞損傷。近期研究還表明，自噬可以保護(hù)腎小球內(nèi)皮細(xì)胞與活性氧化劑(ROS)發(fā)生反應(yīng)[27]。腎小球內(nèi)皮細(xì)胞和造血細(xì)胞特異性Atg5缺陷型小鼠腎小球和ROS積累表現(xiàn)出異常形態(tài)，可通過施用ROS清除劑來減輕。這些數(shù)據(jù)表明上皮細(xì)胞中的自噬可以保護(hù)腎小球毛細(xì)血管免受氧化應(yīng)激并保持其完整性。

3.3 腎小球系膜細(xì)胞

腎小球系膜細(xì)胞位于稱為腎小球膜的小葉中心區(qū)域，為腎小球結(jié)構(gòu)提供支持并調(diào)節(jié)腎小球?yàn)V過[28]。腎小球系膜細(xì)胞還產(chǎn)生組成mesan-gium的細(xì)胞外基質(zhì)，從而維持腎臟間質(zhì)的穩(wěn)態(tài)。但是，它們也可以作為許多腎小球疾病即IgA腎病發(fā)展中的惡化因素。當(dāng)腎臟患有進(jìn)行性腎臟疾病時(shí)，腎小球膜細(xì)胞增殖并產(chǎn)生過多的細(xì)胞外基質(zhì)，從而導(dǎo)致腎小球硬化和腎臟纖維化的發(fā)展。

觀察到鎘誘導(dǎo)腎小球膜細(xì)胞自噬和凋亡。但是自噬的阻斷導(dǎo)致細(xì)胞活力的增加而沒有影響細(xì)胞凋亡，這表明自噬在暴露于鎘的系膜細(xì)胞中在細(xì)胞死亡中起作用[29]。據(jù)報(bào)道，鎘通過鈣外細(xì)胞信號(hào)調(diào)節(jié)的激酶依賴性途徑，部分通過增加活性氧(ROS)的產(chǎn)生和糖原合酶激酶3b(GSK-3b)的活化來誘導(dǎo)自噬細(xì)胞死亡[30]。

自噬也有助于腎小球系膜細(xì)胞的存活。在血清剝奪的情況下，系膜細(xì)胞發(fā)生凋亡。轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子-β1(TGF-β1)通過抑制腎小球系膜細(xì)胞凋亡，促進(jìn)自噬并提高細(xì)胞存活率。LC3-/-腎小球系膜細(xì)胞消除了TGF-β1從血清剝奪誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡中解救出來，表明自噬在腎小球膜細(xì)胞中的細(xì)胞保護(hù)作用[31]。自噬還通過促進(jìn)降解由腎小球膜細(xì)胞產(chǎn)生的細(xì)胞內(nèi)I型膠原蛋白(Col-I)的降解過程，在下調(diào)腎小球膜細(xì)胞中基質(zhì)的產(chǎn)生中也發(fā)揮作用[31]。Beclin 1 +/-小鼠的腎臟膠原蛋白沉積明顯增加。從Beclin 1 +/-小鼠分離或用Beclin 1 siRNA轉(zhuǎn)染的腎小球系膜細(xì)胞表達(dá)較高的基礎(chǔ)水平的Col-1。同樣，用自噬抑制劑處理的腎小球系膜細(xì)胞顯示Col-1蛋白水平升高。因此，用三氟哌嗪(自噬的誘導(dǎo)劑)處理導(dǎo)致由TGF-β1誘導(dǎo)的Col-1蛋白水平降低。

因此，提示自噬可以通過抑制細(xì)胞凋亡和促進(jìn)腎小球系膜細(xì)胞的存活而構(gòu)成對(duì)腎小球損傷的適應(yīng)性機(jī)制。這些發(fā)現(xiàn)還暗示了自噬作為一種細(xì)胞保護(hù)機(jī)制的新作用，可以負(fù)調(diào)節(jié)并防止腎小球中過多的膠原蛋白積聚，并有望成為減輕腎小球硬化和纖維化發(fā)病機(jī)理的新治療靶標(biāo)。

3.4 腎小管上皮細(xì)胞

TEC與足細(xì)胞不同，在正常情況下，腎小管顯示低水平的基礎(chǔ)自噬。在近端腎小管中具有Atg5缺失的小鼠逐漸形成變形的線粒體并積累胞質(zhì)內(nèi)含物，從而導(dǎo)致近端腎小管細(xì)胞肥大并最終導(dǎo)致變性。末梢小管中Atg5缺失的小鼠也顯示出p62 / SQSTM1和氧化應(yīng)激標(biāo)志物的大量積累，直至12個(gè)月大時(shí)腎功能沒有明顯改變[32]。整個(gè)腎小管系統(tǒng)中Atg5的缺失導(dǎo)致p62 / SQSTM1在整個(gè)腎小管節(jié)段中積累，并在5個(gè)月時(shí)血清肌酐顯著增加[32]。因此，雖然僅在近端或遠(yuǎn)端腎小管細(xì)胞中的ATG5缺乏并不會(huì)引起明顯的腎功能不全，但所有腎小管節(jié)段中的ATG5缺乏都導(dǎo)致了腎功能的損害，這表明腎小管自噬對(duì)于腎臟功能的維持至關(guān)重要。

在面對(duì)環(huán)境毒素的暴露中，在管狀細(xì)胞中也觀察到活化的自噬。在注射順鉑的小鼠近端小管中檢測(cè)到凋亡之前，自噬的上調(diào)。抑制自噬增強(qiáng)了順鉑處理的近端腎小管細(xì)胞中胱天蛋白酶的激活和凋亡。這表明自噬保護(hù)了腎小管細(xì)胞免于凋亡[33]。順鉑治療后，近端小管特異性自噬缺陷小鼠發(fā)展為更嚴(yán)重的AKI和凋亡增加[34,35]。此外，自噬缺陷型近端小管顯示出增加的DNA損傷，p53和c-Jun N末端激酶(JNK)活化以及順鉑處理后有毒蛋白質(zhì)聚集物和ROS的積累。當(dāng)用馬兜鈴酸或環(huán)孢菌素A處理TECs時(shí)，也觀察到類似現(xiàn)象。當(dāng)施用毒素時(shí)，自噬活性被激活，抑制自噬可誘導(dǎo)更高水平的細(xì)胞凋亡[36-38]。

在單側(cè)輸尿管梗阻(UUO)誘發(fā)的梗阻性腎病模型中，可以觀察到mTOR被抑制，細(xì)胞自噬活性增強(qiáng)，以去除異常的細(xì)胞內(nèi)成分。類似地，自噬被確認(rèn)為面對(duì)腎臟I / R損傷的保護(hù)作用。它表明，阻斷自噬可增強(qiáng)缺氧誘導(dǎo)的腎近端腎小管細(xì)胞凋亡[35]。使用在近端小管中有條件的Atg5或Atg7基因缺失的小鼠進(jìn)行的研究證實(shí)，自噬可保護(hù)近端小管免受I / R損傷。這些結(jié)果為自噬在腎小管中的細(xì)胞保護(hù)作用提供了進(jìn)一步的支持。

在其他情況下，腎小管中的自噬是疾病發(fā)展的一個(gè)重要因素。小鼠的另一種UUO模型顯示自噬與腎纖維化有關(guān)。抑制自噬可通過下調(diào)纖維化因子來抑制腎臟纖維化[39]。抑制自噬可降低胱氨酸癥腎近端TECs的細(xì)胞凋亡率。亞砷酸鈉在體外和體內(nèi)均可誘導(dǎo)腎小管細(xì)胞自噬細(xì)胞死亡，并抑制自噬減弱細(xì)胞死亡。自噬還與近端腎小管細(xì)胞中納米材料的細(xì)胞毒性有關(guān)。毫摩爾濃度的富勒烯醇暴露誘導(dǎo)的細(xì)胞死亡與細(xì)胞骨架破壞，自噬空泡積累和線粒體功能障礙有關(guān)。此外，自噬抑制劑3-MA改善了線粒體膜電位的喪失和ATP耗竭，表明自噬可能有助于富勒烯醇誘導(dǎo)的細(xì)胞死亡。

4 總結(jié)

總之，在目前階段，自噬在腎臟損傷反應(yīng)和發(fā)病機(jī)理中的精確作用尚不清楚。已經(jīng)有研究提供證據(jù)支持自噬的細(xì)胞保護(hù)作用，而其他研究則支持自噬的有害作用?？赡苁巧舷挛南嚓P(guān)的。損傷類型和損傷嚴(yán)重程度的不同可能會(huì)導(dǎo)致自噬的不同結(jié)果，因?yàn)橐欢ǔ潭鹊淖允苫钚钥梢跃S持組織穩(wěn)態(tài)，而過多的自噬活性則導(dǎo)致細(xì)胞死亡。