自噬與宮內(nèi)發(fā)育遲緩

張頂梅，路小倩，黃鶴歸，李 景，汪 暉

(1.武漢大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院藥理學(xué)系，2.發(fā)育源性疾病湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430071；3.武漢市第一醫(yī)院藥學(xué)部，湖北 武漢 430022；4.武漢大學(xué)人民醫(yī)院藥學(xué)部，湖北 武漢 430060)

自噬(autophagy)是指真核細(xì)胞內(nèi)特定物質(zhì)成分被溶酶體降解的過(guò)程。作為真核生物中一種應(yīng)對(duì)環(huán)境應(yīng)激的高保守分解代謝途徑，自噬可以驅(qū)動(dòng)生物體發(fā)育所必需的細(xì)胞快速反應(yīng)。生理?xiàng)l件下，生物體可通過(guò)基礎(chǔ)自噬來(lái)維持蛋白質(zhì)和細(xì)胞器的更新，以保證生命活動(dòng)的正常供能及代謝。宮內(nèi)發(fā)育遲緩(intrauterine growth restriction，IUGR)主要指發(fā)育時(shí)期胎兒生長(zhǎng)受限。在胚胎發(fā)育過(guò)程中，多種因素可致IUGR發(fā)生，并使子代圍產(chǎn)期發(fā)病率、死亡率以及成年后多種疾病易感性增加。自噬在胎兒發(fā)育中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，自噬缺陷個(gè)體往往表現(xiàn)出發(fā)育遲緩。本文綜述了自噬的分類(lèi)及調(diào)節(jié)過(guò)程，并闡明自噬在IUGR發(fā)生中的作用及可能發(fā)生機(jī)制，為探尋IUGR胎源性疾病的早期防治策略提供理論依據(jù)。

1 自噬概述

自噬普遍存在于生物體的發(fā)育和老化過(guò)程中，多表現(xiàn)為真核細(xì)胞清除自身多余或受損的細(xì)胞器。生理狀態(tài)下，細(xì)胞可通過(guò)自噬實(shí)現(xiàn)物質(zhì)重新利用和自身不斷更新，保證新陳代謝等基本生命活動(dòng)的正常進(jìn)行，此時(shí)自噬處于一個(gè)基礎(chǔ)或低水平狀態(tài)。應(yīng)激狀態(tài)下，如細(xì)胞缺少營(yíng)養(yǎng)成分、缺血缺氧和生長(zhǎng)因子濃度降低時(shí)，自噬通過(guò)降解細(xì)胞自身物質(zhì)為細(xì)胞提供能量以保證其存活，此時(shí)被激活的自噬處于高水平狀態(tài)。

1.1 自噬的分類(lèi)自噬的發(fā)生可分為起始、囊泡核化、囊泡延伸、溶酶體融合和降解階段。根據(jù)底物在細(xì)胞內(nèi)被運(yùn)送到溶酶體的方式不同，可將自噬分為分子伴侶介導(dǎo)的自噬、小自噬和大自噬。

分子伴侶介導(dǎo)的自噬(chaperone-mediated autophagy，CMA)是指分子伴侶熱休克同源蛋白(heat shock cognate protein 70，Hsc70)識(shí)別特定的KFERQ序列后，與底物蛋白結(jié)合形成分子伴侶-底物復(fù)合物從而使得底物蛋白降解。CMA只能降解結(jié)合到熱休克蛋白上且含有KFERQ序列的底物蛋白，不能降解細(xì)胞器，且KFERQ這個(gè)五肽序列突變時(shí)會(huì)阻止其他大分子物質(zhì)(如脂質(zhì)和核酸)降解。

小自噬(microautophagy)是指液泡或溶酶體通過(guò)膜內(nèi)陷直接攝取細(xì)胞質(zhì)底物并使其降解，以供細(xì)胞再利用，其特點(diǎn)是膜直接變形包裹底物[1]。Dubouloz 等[2]發(fā)現(xiàn)，雷帕霉素靶蛋白(target of rapamycin,TOR)和EGO信號(hào)通路通過(guò)調(diào)節(jié)液泡膜的吸收與降解參與小自噬發(fā)生，從而補(bǔ)償了雷帕霉素誘導(dǎo)的大自噬所引起的大量膜流入。這表明小自噬可部分減少大自噬的不利影響，對(duì)于保持細(xì)胞器的大小和膜組成至關(guān)重要。

大自噬(macroautophagy)即人們常說(shuō)的自噬(在該文中的自噬均是指大自噬)，其基本過(guò)程包括誘導(dǎo)、隔離膜生成與延伸、自噬體形成與成熟、與溶酶體融合、自噬溶酶體降解及小分子循環(huán)再利用等。

1.2 自噬的調(diào)控自噬的整個(gè)發(fā)生過(guò)程需要多個(gè)自噬相關(guān)蛋白參與調(diào)節(jié)(Fig 1)。自噬的起始步驟受unc-51樣自噬激活激酶1(unc-51 like autophagy activating kinase 1，ULK1)-自噬相關(guān)基因13(autophagy related 13，Atg13)-RB1可誘導(dǎo)螺旋結(jié)構(gòu)(RB1 inducible coiled-coil 1，F(xiàn)IP200)復(fù)合體調(diào)控。哺乳動(dòng)物Atg6的同源物Beclin1從與凋亡調(diào)節(jié)蛋白Bcl-2的結(jié)合中解離，繼而與空泡蛋白分類(lèi)34(vacuolar protein sorting 34，vps34)、Atg14/Barkor和vps15/p150一起形成Ⅲ型磷脂酰肌醇3-激酶(phosphatidylinositol 3-kinase，PI3K)復(fù)合體；隨后，受mTOR和腺苷酸活化蛋白激酶(5-AMP activated protein kinase，AMPK)調(diào)控活化的ULK復(fù)合體從胞質(zhì)轉(zhuǎn)移到內(nèi)質(zhì)網(wǎng)或其他位置，通過(guò)對(duì)Beclin1的Ser14位點(diǎn)進(jìn)行磷酸化增加PI3K活性，從而誘導(dǎo)自噬發(fā)生。激活的PI3K促進(jìn)隔離膜的核化并募集另外的Atg蛋白到自噬泡上，從而促進(jìn)自噬體膜形成。

Fig 1 Process of autophagy and molecular regulatory mechanism

自噬體的延伸閉合需要Atg12-Atg5泛素化系統(tǒng)和LC3/Atg8-PE結(jié)合系統(tǒng)參與。在Atg12-Atg5泛素化系統(tǒng)中，Atg12被Atg7激活，進(jìn)而轉(zhuǎn)運(yùn)到Atg10上，最終與Atg5結(jié)合形成Atg12-Atg5復(fù)合物；該復(fù)合物在Atg16L的寡聚化作用下形成Atg12-Atg5-Atg16復(fù)合體，構(gòu)成自噬囊泡的雙層膜骨架結(jié)構(gòu)，促進(jìn)微管相關(guān)蛋白3(microtubule associated protein 1 light chain 3，LC3)與磷脂酰乙醇胺(phosphoethanolamine，PE)結(jié)合。在LC3/Atg8-PE結(jié)合系統(tǒng)中，Atg4剪切LC3/Atg8，可溶性LC3-Ⅰ在Atg7和Atg3作用下結(jié)合到PE，形成脂溶性LC3(即LC3-Ⅱ蛋白)，使自噬體閉合。所以，LC3-Ⅱ可以看作是自噬標(biāo)志物，附著有LC3-Ⅱ的自噬體能通過(guò)LC3與p62的相互作用識(shí)別并捕獲底物。

自噬的最后階段是溶酶體與包含有需降解物質(zhì)的自噬體融合形成自噬溶酶體，溶酶體中的水解酶完成對(duì)自噬底物的降解。很多蛋白參與調(diào)控自噬體-溶酶體融合、溶酶體生成、激活、更新與轉(zhuǎn)運(yùn)，如N-乙酰馬來(lái)酰亞胺敏感因子附著蛋白(soluble N-ethylmaleimide-sensitive fusion protein attachment protein receptor，SNARE)、細(xì)胞骨架蛋白和小的GTP酶等。在自噬體-溶酶體融合過(guò)程中，自噬體和溶酶體的膜脂組分可影響其融合能力。

2 自噬與胚胎發(fā)育

在哺乳動(dòng)物中，自噬貫穿了胚胎發(fā)育整個(gè)階段，是胚胎發(fā)育的重要調(diào)節(jié)者。自噬相關(guān)基因缺失可致小鼠在胚胎早期或圍產(chǎn)期代謝異常甚至死亡[3]。如在自噬基因Atg5敲除的小鼠中，其氨基酸代謝異常，主要表現(xiàn)為血漿和組織的氨基酸含量顯著降低[4]；小鼠卵細(xì)胞Atg5敲除后可致胚胎死亡；Beclin1敲除小鼠在胚胎6.5 d時(shí)出現(xiàn)發(fā)育延遲，未形成羊膜褶，在胚胎7.5 d時(shí)晶胚出現(xiàn)大量的細(xì)胞死亡且前羊膜管未閉合；Ambra1敲除小鼠在胚胎期d 10-14時(shí)死亡；Fip200缺失小鼠在胚胎期13.5-16.5 d由于心臟和肝臟發(fā)育異常而出現(xiàn)胚胎死亡；敲除Atg3、Atg5、Atg7、Atg9、Atg16L的小鼠雖不存在胚胎致死性，但在出生后1 d內(nèi)均會(huì)死亡。以上研究表明，自噬在胚胎發(fā)育中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。

3 自噬與IUGR

IUGR是指胎兒體重低于同孕齡胎兒平均體質(zhì)量的10%或低于同孕齡平均體質(zhì)量的2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差。IUGR 胎兒為了維持其生存和發(fā)育，會(huì)改變自身的新陳代謝過(guò)程，將有限的能量進(jìn)行重新分配，限制次要器官(如骨、腎、性腺)的能量消耗，以確保重要器官(如腦和肝)的發(fā)育，即胎兒變得“節(jié)儉”，這種改變會(huì)持續(xù)很長(zhǎng)時(shí)間，甚至是永久性的。生物體的發(fā)育是一個(gè)受到精準(zhǔn)調(diào)節(jié)的生物學(xué)過(guò)程，在此過(guò)程中，自噬可以通過(guò)降解折疊錯(cuò)誤或多余的蛋白質(zhì)和破損的細(xì)胞器來(lái)維持細(xì)胞的生存，通過(guò)降解部分蛋白質(zhì)和細(xì)胞器，為細(xì)胞重建提供原料和能量，也可通過(guò)特異性降解某些蛋白質(zhì)或細(xì)胞因子來(lái)改變細(xì)胞的組成，決定細(xì)胞分化、發(fā)育的方向等。如小鼠Atg9a 和Beclin1缺失均會(huì)導(dǎo)致胎鼠生長(zhǎng)遲緩，說(shuō)明胎兒自噬功能紊亂與IUGR密切相關(guān)。Tab 1列出了近年來(lái)自噬在IUGR發(fā)生中的相關(guān)研究。因此，自噬可能是IUGR胎兒為維持自身重要器官發(fā)育而限制次要器官發(fā)育的一個(gè)重要機(jī)制，以代償IUGR胎兒生長(zhǎng)。

Tab 1 Studies on autophagy and intrauterine growth retardation fetus

Tab 2 Studies on autophagy and intrauterine growth retardation organ development

3.1 自噬與IUGR的胎盤(pán)發(fā)育胎盤(pán)作為妊娠期連接母體和胎兒的臨時(shí)器官，可維持胎兒的正常發(fā)育。胎盤(pán)結(jié)構(gòu)與功能異常是IUGR常見(jiàn)的誘因之一。自噬是胎盤(pán)維持正常生理功能的重要過(guò)程。1970年,Jones 和 Fox發(fā)現(xiàn)滋養(yǎng)層細(xì)胞中存在自噬，之后有研究表明妊娠晚期絨毛滋養(yǎng)細(xì)胞中也有自噬存在。自噬是胎盤(pán)屏障中對(duì)抗病原體的關(guān)鍵機(jī)制。近期研究表明，IUGR的胎盤(pán)中自噬水平比正常胎盤(pán)中的高，且IUGR胎盤(pán)中同時(shí)存在自噬與凋亡，提示自噬異常與胎盤(pán)發(fā)育遲緩密切相關(guān)[6]。在孕婦感染茲卡病毒(ZIKV)所致的IUGR胎盤(pán)中，自噬活性升高[18]。但敲除自噬關(guān)鍵基因Atg16L的小鼠胎盤(pán)中ZIKA病毒滴度明顯降低，胎盤(pán)的損傷程度也低于野生型小鼠胎盤(pán)，提示自噬可能是病毒感染所致IUGR胎盤(pán)發(fā)育受損的一個(gè)治療靶點(diǎn)[18]。p53信號(hào)通路作為上游調(diào)控因子可負(fù)向調(diào)節(jié)自噬，在胎盤(pán)滋養(yǎng)層細(xì)胞分化過(guò)程中，p53基因和蛋白水平下降，自噬通量增加[19]。此外，IUGR胎盤(pán)中自噬相關(guān)基因出現(xiàn)甲基化改變，且升高的自噬水平與凋亡存在相互作用[6]。在羊IUGR胎盤(pán)中，mTOR信號(hào)參與了內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激和自噬激活[20]。以上研究表明，自噬可在多個(gè)信號(hào)分子的調(diào)控下參與IUGR胎盤(pán)的發(fā)育。

3.2 自噬與IUGR的多器官發(fā)育自噬參與多器官的早期發(fā)育，與多器官疾病的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)。如自噬異?？芍翴UGR仔豬的肝臟功能改變[10]、IUGR大鼠腎上腺發(fā)育不良及腦發(fā)育異常等[16]。Tab 2總結(jié)了自噬在IUGR個(gè)體多器官發(fā)育中的具體作用及其可能發(fā)生機(jī)制，這些研究表明了自噬在IUGR子代多臟器發(fā)育中發(fā)揮著重要作用。

3.3 自噬與細(xì)胞增殖與分化自噬參與多種干細(xì)胞的自我更新、定向分化和凋亡衰老。近期研究發(fā)現(xiàn)，肌肉特異性敲除自噬基因Atg7導(dǎo)致新生小鼠體型小、肌肉質(zhì)量降低、肌肉中衛(wèi)星細(xì)胞的增殖和分化受損，從而導(dǎo)致新生小鼠肌生成障礙，表明自噬對(duì)肌肉細(xì)胞的分化至關(guān)重要[22]。海膽的發(fā)育過(guò)程中自噬水平增加，而抑制自噬則導(dǎo)致卵子發(fā)生過(guò)程中細(xì)胞凋亡增加，影響海膽的發(fā)育[23]。此外，在Ambra1缺失小鼠神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育早期，自噬缺失導(dǎo)致細(xì)胞過(guò)度增殖，并且神經(jīng)細(xì)胞凋亡增加。在ZIKV感染的胎兒神經(jīng)細(xì)胞中，AKT-mTOR信號(hào)抑制可使自噬上調(diào)，同時(shí)使神經(jīng)細(xì)胞增殖與分化受損[24]。自噬也可以減少骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(bone marrow mesenchymal stem cell，BMSC)分化過(guò)程中ROS的產(chǎn)生并促進(jìn)BMSC向成骨細(xì)胞分化[25]。這提示自噬與IUGR胎兒神經(jīng)細(xì)胞的增殖和分化存在關(guān)聯(lián)，但具體作用機(jī)制需進(jìn)一步探索。

4 研究展望

綜上，自噬基因表達(dá)異常和自噬功能改變可通過(guò)調(diào)控細(xì)胞增殖和分化，影響胎盤(pán)及其他臟器發(fā)育，從而導(dǎo)致子代IUGR的發(fā)生。但在IUGR相關(guān)胎源性疾病中，自噬的具體生理過(guò)程及病理發(fā)生機(jī)制仍未明確。雖大量研究發(fā)現(xiàn)自噬與IUGR關(guān)系密切，但在孕期不良環(huán)境暴露(如尼古丁、地塞米松和咖啡因[26])所致的IUGR模型下，自噬在IUGR各臟器發(fā)育異常中的作用、是否存在宮內(nèi)編程機(jī)制以及是否介導(dǎo)子代成年后的疾病易感等問(wèn)題有待進(jìn)一步探究。本綜述可為探尋IUGR相關(guān)胎源性疾病的防治靶點(diǎn)提供新理論和新思路。