自噬在糖尿病腎病發(fā)病機(jī)制中的研究進(jìn)展*

師 朗 宋志霞

糖尿病腎病(Diabetic Nephropathy，DN)是糖尿病最嚴(yán)重最具破壞性的微血管并發(fā)癥之一，是由長期慢性高血糖對腎臟的毒性效應(yīng)引起的腎小球細(xì)胞損傷及腎小管間質(zhì)病變的進(jìn)展，并最終導(dǎo)致終末期腎病(End-stage Renal Disease，ESRD)[1]。全球糖尿病患病率約為3.82億人，預(yù)計到2035將增至5.92億人[3]。隨著糖尿病發(fā)病率的逐年增加，DN的患病率在全球范圍內(nèi)也持續(xù)上升[2]。目前治療DN的措施主要以控制血壓、血糖水平和抑制腎素血管緊張素系統(tǒng)(Renin-angiotensinsystem，RAS)來減少或消除蛋白尿為主[4]。DN的發(fā)病機(jī)制十分復(fù)雜，迄今尚未能完全闡明，現(xiàn)代醫(yī)學(xué)認(rèn)為DN的發(fā)病與細(xì)胞自噬、糖代謝異常、炎癥反應(yīng)、氧化應(yīng)激、足細(xì)胞損傷、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激、腎小球血液動力學(xué)變化和遺傳易感性密切相關(guān)。自噬是一種基本的調(diào)控細(xì)胞內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)的方式，它可降解和循環(huán)細(xì)胞蛋白，并清除受損的細(xì)胞器[5]。已有研究證實(shí)，DN發(fā)病機(jī)制與自噬有關(guān)，通過上調(diào)自噬活性可以實(shí)現(xiàn)對DN足細(xì)胞損傷的抑制作用，進(jìn)而減少蛋白尿，延緩DN的發(fā)展[3,6]。我們前期研究也證實(shí)，自噬功能活性失調(diào)是DN進(jìn)展的關(guān)鍵因素，且在足細(xì)胞損傷過程中發(fā)揮著重要作用[7-9]。近年來，自噬已成為腎臟疾病領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，自噬將可能成為DN防治的重要靶點(diǎn)。本綜述主要論述自噬與DN發(fā)病機(jī)制之間的關(guān)系。

1 自噬

細(xì)胞自噬(Autophagy)是細(xì)胞的一種自我保護(hù)機(jī)制，即細(xì)胞在外界環(huán)境的影響下，利用溶酶體降解自身受損、變性的大分子物質(zhì)及細(xì)胞器的自我消化過程[5]。哺乳動物的細(xì)胞自噬可以分為三類：大自噬/宏自噬(Macroautophagy)、小自噬/微自噬(Microautophagy)和分子伴侶介導(dǎo)的自噬(Chaperone-mediated Autophagy，CMA)[10]。細(xì)胞自噬在進(jìn)化上存在高度保守性，它的發(fā)生發(fā)展受多種自噬相關(guān)基因的調(diào)控。在自噬整個過程中，mTORC1位于起點(diǎn)。常細(xì)胞內(nèi)mTORC1處于激活狀態(tài)，其作用是磷酸化ATG13，而抑制ATG13-ATG1-ATG17復(fù)合物的形成，進(jìn)而抑制了細(xì)胞自噬過程。當(dāng)細(xì)胞在營養(yǎng)和能量缺乏、蛋白質(zhì)累積或者應(yīng)激狀態(tài)等情況下，mTORC1的活性會受到抑制，ATG13的磷酸化水平降低，從而導(dǎo)致自噬水平會迅速被誘導(dǎo)上調(diào)[11]，見圖1。因此，若細(xì)胞內(nèi)的信號通路如果影響

圖1 自噬的誘導(dǎo)調(diào)節(jié)

到mTORC1的活性，就能進(jìn)一步調(diào)控下游自噬的過程。目前常見的可以影響mTORC1活性的通路有三條：(1)AMPK-mTORC1通路，(2)Class IPI3K/AKT/mTORC1通路，(3)Ras/Raf/MEK/ERK通路。另外，細(xì)胞溶質(zhì)形式的LC3稱為LC3-I，通過結(jié)合脂化的磷脂酰乙醇胺到LC3的羧基末端，LC3-I即轉(zhuǎn)化為LC3-II，后者能夠與新形成的膜結(jié)合，形成自噬溶酶體(Autolysosome)。因此，LC3-II常用作自噬形成的標(biāo)識物，也是一種重要的定位于自噬泡膜上的多信號傳導(dǎo)調(diào)節(jié)蛋白[10]。近年來，有研究發(fā)現(xiàn)自噬在腎臟疾病的生理病理過程中有重要的意義，如高糖環(huán)境下人腎小球系膜細(xì)胞STAT3通路活化，可能通過負(fù)向調(diào)控自噬使細(xì)胞Ⅳ型膠原分泌增加，導(dǎo)致DN病理改變[12]?？傊?，盡管目前關(guān)于自噬與DN之間的關(guān)系尚未完全闡明，但是越來越多的研究證實(shí)DN的發(fā)生發(fā)展均與自噬有關(guān)，深入探究自噬在DN發(fā)病機(jī)制中的作用，可為DN的防治提供新的思路。

2 自噬在DN發(fā)病機(jī)制中的作用

2.1 足細(xì)胞自噬與DN

DN與糖尿病早期腎小球足細(xì)胞受損密切相關(guān)，足突的形態(tài)、數(shù)量和相關(guān)蛋白的表達(dá)改變可導(dǎo)致DN的發(fā)生和發(fā)展[13]。近年來研究表明足細(xì)胞損傷是DN發(fā)生發(fā)展的核心環(huán)節(jié)[14-16]。作為一種終末分化的細(xì)胞，足細(xì)胞擁有高度的基礎(chǔ)自噬對維持其自身的穩(wěn)態(tài)起著關(guān)鍵作用[17]。高糖環(huán)境下足細(xì)胞存在自噬功能紊亂[7，9，18]。另有研究也提示，在自噬相關(guān)基因Atg5或Atg7突變的小鼠體內(nèi)，自噬通量明顯低于正常小鼠，該小鼠2個月時足細(xì)胞功能出現(xiàn)障礙，足突廣泛消失，4個月時便出現(xiàn)了局灶段硬化性腎小球腎炎(FSGS)的典型腎小球改變，6個月后甚至可表現(xiàn)出腎臟衰竭，可見自噬活性不足會導(dǎo)致腎臟足細(xì)胞損傷及功能下降，加速FSGS的進(jìn)展[19]。在正常情況下，人類腎小球足細(xì)胞具有一定量的自噬水平，這對維持足細(xì)胞結(jié)構(gòu)完整和功能正常有著重要作用[20]。在高脂肪飲食誘導(dǎo)糖尿病小鼠模型中，足細(xì)胞特異性自噬基因缺失可致?lián)p傷的溶酶體降解減少，導(dǎo)致足細(xì)胞凋亡并產(chǎn)生大量蛋白尿，腎臟足細(xì)胞自噬水平的高低是DN足細(xì)胞損傷的關(guān)鍵因素[8]。

2.2 腎小管上皮細(xì)胞自噬與DN

腎小管上皮細(xì)胞(HK-2)自噬的穩(wěn)態(tài)在DN的發(fā)病機(jī)理中起著至關(guān)重要的作用。有研究發(fā)現(xiàn)HK-2長期暴露于高糖環(huán)境下會激發(fā)自噬，利拉魯肽可通過抑制自噬和增加HK-2中GLP-1R的表達(dá)而發(fā)揮腎臟保護(hù)的作用[21]。另有研究提示，在單側(cè)輸尿管梗阻(UUO)模型中，自噬誘導(dǎo)的腎小管萎縮、腎小管上皮細(xì)胞死亡和間質(zhì)纖維化具有時間依賴性[22]；自噬抑制劑3-甲基腺嘌呤(3-MA)促進(jìn)梗阻腎小管凋亡和間質(zhì)纖維化[23]；在UUO模型中誘導(dǎo)遠(yuǎn)端腎小管上皮細(xì)胞自噬可通過調(diào)節(jié)TGF-/信號轉(zhuǎn)導(dǎo)和轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子(Smad)4信號通路，以及NOD-LRR和含吡咯結(jié)構(gòu)域蛋白3(NLRP3)炎癥小體/半胱氨酸蛋白酶-1/白細(xì)胞介素-1(IL-1)信號通路來保護(hù)腎小管間質(zhì)纖維化[24]。這些表明自噬可能是針對DN腎小管上皮細(xì)胞損傷治療的一個有效的新治療靶點(diǎn)。

2.3 糖代謝紊亂與自噬

腎臟在葡萄糖動態(tài)平衡中起著三個方面的關(guān)鍵作用：一是將葡萄糖釋放到循環(huán)中(糖異生)；二是從循環(huán)中吸收葡萄糖以滿足其能量需求；三是重新吸收腎小球濾液中的葡萄糖。葡萄糖是主要的細(xì)胞能量來源，主要通過線粒體以三磷酸腺苷(ATP)的形式提供能量。線粒體是胞內(nèi)代謝的中心平臺，線粒體穩(wěn)態(tài)的失調(diào)可能導(dǎo)致線粒體功能異常、細(xì)胞形態(tài)和功能的改變及疾病的發(fā)生。多項數(shù)據(jù)顯示，線粒體能夠通過氧化還原、自噬、Ca2+通道等多種機(jī)制參與疾病的發(fā)生發(fā)展[25，26]。自噬對微量營養(yǎng)素環(huán)境的變化高度敏感，并參與營養(yǎng)吸收、細(xì)胞新陳代謝和基本營養(yǎng)成分循環(huán)的調(diào)節(jié)[27]。例如，饑餓和ATP/AMP形式的能量減少是自噬最典型的誘因，在依賴糖酵解的細(xì)胞中，缺糖通過激活A(yù)MPK促進(jìn)自噬[28]。自噬可通過影響膽固醇調(diào)節(jié)元件結(jié)合蛋白-1(SREBP-1)表達(dá)參與高糖誘導(dǎo)的足細(xì)胞脂質(zhì)蓄積過程,抑制自噬可有效改善高糖誘導(dǎo)的足細(xì)胞脂質(zhì)蓄積[29]。在糖代謝紊亂的代謝應(yīng)激狀態(tài)下，細(xì)胞主要依靠線粒體氧化脂肪酸和氨基酸作為主要能量來源，脂質(zhì)和葡萄糖代謝的變化導(dǎo)致氨基酸缺乏進(jìn)而影響自噬[30]。此外，在代謝綜合征中，代謝副產(chǎn)物包括游離脂肪酸、β-羥丁酸也可能參與自噬的調(diào)節(jié)[31]。因此，自噬可能通過線粒體胞內(nèi)能量代謝參與糖代謝異常的發(fā)生發(fā)展，在DN的生理病理過程中有重要的意義。

2.4 氧化應(yīng)激與自噬

自噬不僅是細(xì)胞內(nèi)的“垃圾處理廠”，也是一個“垃圾回收站”，通過自噬的方式，細(xì)胞可以抵抗病原體的入侵，并可以保護(hù)自己免受細(xì)胞內(nèi)毒素的破壞，可見，自噬是細(xì)胞的一種重要的防御和應(yīng)激調(diào)節(jié)機(jī)制。最近的研究表明，自噬可以通過抑制炎癥和纖維化來保護(hù)腎臟[32]。急性高糖條件可誘導(dǎo)自噬，自噬是通過足細(xì)胞中ROS的產(chǎn)生來介導(dǎo)的，糖尿病腎臟組織出現(xiàn)線粒體損傷，表現(xiàn)為形態(tài)異常及明顯的腫脹、嵴斷裂、外膜破碎和線粒體崩解，通過自噬清除受損線粒體降低ROS，恢復(fù)動態(tài)平衡。一方面，ROS的增加誘導(dǎo)自噬，可能是對細(xì)胞壓力的一種適應(yīng)性反應(yīng)；另一方面，自噬導(dǎo)致ROS的降低，從而保護(hù)腎臟[33]。因此，氧化應(yīng)激誘導(dǎo)的線粒體功能障礙和細(xì)胞內(nèi)ROS的積累可能參與DN的發(fā)生發(fā)展，自噬可清除受損的線粒體，降低ROS，從而在DN的進(jìn)程中發(fā)揮關(guān)鍵作用。

2.5 內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激與自噬

內(nèi)質(zhì)網(wǎng)不僅參與蛋白質(zhì)的合成和成熟過程，還可以誘導(dǎo)自噬，并與糖尿病和DN的發(fā)病機(jī)制有關(guān)[34]。據(jù)報道，未折疊蛋白反應(yīng)(Unfolded Protein Reaction,UPR)相關(guān)蛋白激酶樣內(nèi)質(zhì)網(wǎng)激酶(PKR like ER Kinase, PERK)和轉(zhuǎn)錄激活因子-6(Activating Transcription Factor 6, ATF6)可以誘導(dǎo)自噬，而1型ER轉(zhuǎn)膜蛋白激酶(Type-1 ER Transmembrane Protein KiIlase IRE1, IRE1)則是自噬的負(fù)調(diào)控因子[35，36]。自噬缺陷與DN的發(fā)病有關(guān)，自噬與UPR具有協(xié)同作用，當(dāng)UPR破壞時會誘發(fā)自噬功能失調(diào)，導(dǎo)致內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激和蛋白質(zhì)的錯誤折疊增加。有研究發(fā)現(xiàn)，通過減少內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激可以減輕腎臟損傷，該作用可能是通過修復(fù)有缺陷的自噬來介導(dǎo)的[37]。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激在體外高血糖環(huán)境中及糖尿病患者體內(nèi)會被啟動，造成足細(xì)胞自噬降低，導(dǎo)致足細(xì)胞損傷，進(jìn)一步加速糖尿病進(jìn)程。此外，高糖可以通過刺激腎小管細(xì)胞來誘導(dǎo)未折疊蛋白反應(yīng)，維持細(xì)胞內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)，但持續(xù)的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激會激活Caspase通路，從而導(dǎo)致細(xì)胞凋亡[38]。綜上所述，高血糖刺激的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激誘導(dǎo)自噬，這可能是一種應(yīng)激適應(yīng)性反應(yīng)；而通過降低內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激來減輕內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激的腎保護(hù)作用可能是通過修復(fù)有缺陷的自噬來實(shí)現(xiàn)的。

3 靶向自噬治療 DN 策略

已有制藥公司及CTEP(http://ctep.cancer.gov/branch/idb/default.htm)正在開發(fā)的多種藥物可調(diào)節(jié)自噬，包括組蛋白脫乙?；敢种苿?、抗血管生成劑、mTOR抑制劑、BH3結(jié)構(gòu)域模擬物和糖酵解抑制劑[39-41]。已發(fā)現(xiàn)抑制自噬的化合物，例如2-苯基乙炔磺酰胺(PES)是一種小分子熱休克蛋白(HSP)70抑制劑，可導(dǎo)致許多溶酶體蛋白錯誤折疊[42]?？傊允煽勺鳛樵缙诜乐蜠N發(fā)生發(fā)展的研究策略。目前正是靶向藥物開發(fā)的新時代，了解和研究自噬生物標(biāo)志物對DN的防治尤為重要。

4 小結(jié)與展望

DN是全世界終末期腎病最常見的病因，與1型和2型糖尿病患者的發(fā)病率和死亡率顯著增加有關(guān)。自噬與DN密切有關(guān)，其在清除蛋白質(zhì)聚集體和受損細(xì)胞器、促進(jìn)細(xì)胞存活和組織內(nèi)穩(wěn)態(tài)方面起著至關(guān)重要的作用。而亦有研究發(fā)現(xiàn)，過度的自噬也可能導(dǎo)致細(xì)胞死亡，在某些情況下促進(jìn)疾病的產(chǎn)生?？紤]到自噬作為包括DN的多種疾病和治療性應(yīng)激期間細(xì)胞生存機(jī)制的基本生物學(xué)重要性，新興實(shí)驗室和臨床研究之間的持續(xù)對話將勢在必行，以解決自噬作為DN的靶向藥物機(jī)制和對自噬的誘導(dǎo)。因此，積極研發(fā)調(diào)節(jié)自噬為干預(yù)靶點(diǎn)的藥物有望成為阻止DN的重要方向。

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