糖尿病心肌病中自噬與凋亡的相互作用

吳盛粼 朱金秀 譚學(xué)瑞

糖尿病是當(dāng)今世界上最常見的代謝性疾病,發(fā)病率和死亡率呈逐年上升趨勢(shì)［1］。糖尿病心肌病(diabetic cardiomyopathy,DCM)是糖尿病的主要嚴(yán)重并發(fā)癥之一。1972年,Rubler等［2］首次報(bào)道DCM。2013年,美國(guó)心臟病學(xué)會(huì)基金會(huì)(ACCF)、美國(guó)心臟協(xié)會(huì)(AHA)、歐洲心臟病學(xué)會(huì)(ESC)與歐洲糖尿病研究協(xié)會(huì)(EASD)將DCM定義為糖尿病患者在沒有冠狀動(dòng)脈粥樣硬化和高血壓的情況下出現(xiàn)的心室功能不全。DCM的早期心臟超聲改變?yōu)槭鎻埞δ芙档?可能伴有心律失常,而收縮功能正常。1974年美國(guó)弗雷明翰心臟研究所報(bào)告了糖尿病患者心力衰竭發(fā)病率顯著升高——男性增加2倍,女性增加5倍［5］,且發(fā)病率與年齡、高血壓、冠心病等其他危險(xiǎn)因素?zé)o關(guān)。近幾年的研究表明,DCM與糖尿病患者心力衰竭的高發(fā)病率和高死亡率密切相關(guān)［6］,這使DCM受到越來越多的關(guān)注。

目前已知的DCM發(fā)病機(jī)制包括炎癥反應(yīng)、氧化應(yīng)激、線粒體功能紊亂、細(xì)胞凋亡和自噬、心肌纖維化等［7］。研究發(fā)現(xiàn),DCM患者中,心肌細(xì)胞凋亡明顯增多且心臟自噬水平也發(fā)生改變。研究表明,過高或過低的自噬水平均可導(dǎo)致細(xì)胞死亡,提示細(xì)胞自噬與凋亡之間可能存在相互作用?，F(xiàn)階段對(duì)DCM尚未出現(xiàn)針對(duì)性的預(yù)防和治療措施。進(jìn)一步研究自噬與DCM之間的聯(lián)系,有助于發(fā)現(xiàn)防治DCM的新靶點(diǎn)。

1 糖尿病心肌病與細(xì)胞凋亡

細(xì)胞凋亡是指由基因調(diào)控的細(xì)胞程序性死亡,對(duì)維持組織器官正常功能起著重要作用。DCM患者受高血糖、高血脂、炎癥等因素影響,導(dǎo)致心肌細(xì)胞發(fā)生凋亡。雖然目前對(duì)DCM患者心肌細(xì)胞凋亡的機(jī)制已有一定的認(rèn)識(shí),但具體的分子機(jī)制尚不明確。

在DCM中,由于Ca2+再攝取受損,動(dòng)作電位持續(xù)時(shí)間延長(zhǎng),導(dǎo)致舒張期縮短。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激、氧化應(yīng)激和Ca2+處理受損這些因素的相互作用,加劇了心肌細(xì)胞的凋亡、壞死［11］。研究表明,在射血分?jǐn)?shù)>50%且行冠狀動(dòng)脈旁路移植術(shù)(coronary artery bypass graft,CABG)的糖尿病與非糖尿病患者中,通過心外膜下穿刺活檢術(shù)檢測(cè)左心室的心肌凋亡指標(biāo),結(jié)果提示糖尿病患者的心肌凋亡指標(biāo)caspase-3明顯高于非糖尿病患者［12］。Zhang等［13］發(fā)現(xiàn)lncRNAs與DCM發(fā)生發(fā)展過程中的心肌細(xì)胞凋亡相關(guān),且在DCM中心肌梗死相關(guān)轉(zhuǎn)錄本(myocardial infarction associated transcript,MIAT)明顯上調(diào)。MIAT通過競(jìng)爭(zhēng)性內(nèi)源RNA機(jī)制并介導(dǎo)miR-22-3p,增加死亡相關(guān)蛋白激酶(DAPK2)的表達(dá),最終導(dǎo)致心肌細(xì)胞凋亡增多,而MIAT基因敲除后可減少心肌凋亡,改善心功能。在以鏈脲佐菌素(streptozotocin,STZ)誘導(dǎo)的大鼠糖尿病模型中,心肌細(xì)胞凋亡在造模后第3天達(dá)到高峰(較正常對(duì)照組增加13倍),第10天、第28天出現(xiàn)下降(分別較正常對(duì)照組增加8倍、3.6倍)。此外,血管緊張素Ⅱ(ATⅡ)水平在造模后第3天增加、第10天后開始減少,這與心肌細(xì)胞凋亡進(jìn)程的變化相一致。因此,ATⅡ很可能對(duì)DCM進(jìn)展過程中的細(xì)胞凋亡起著關(guān)鍵作用。心肌細(xì)胞屬于永久性細(xì)胞,再生能力極弱。若心肌細(xì)胞丟失過多,則會(huì)導(dǎo)致心功能受損,因此,抑制心肌細(xì)胞凋亡可能是DCM治療的重要靶點(diǎn)。

2 糖尿病心肌病與自噬

自噬由Duve和Wattiaux于1966年首次提出［15］。真核細(xì)胞生物中的自噬是一個(gè)復(fù)雜的、進(jìn)化上高度保守的能量分解代謝過程。在細(xì)胞內(nèi)溶酶體機(jī)制下,自噬能降解不必要的或失活的蛋白質(zhì)和細(xì)胞器,不僅可產(chǎn)生能量應(yīng)對(duì)營(yíng)養(yǎng)不足,而且在維持細(xì)胞動(dòng)態(tài)平衡方面發(fā)揮著不可或缺的作用［16］。到目前為止,自噬在DCM發(fā)生發(fā)展中的具體分子機(jī)制尚不清楚。

2.1 1型糖尿病與心臟自噬

大部分研究表明,1型糖尿病(type 1 diabetes mellitus,T1DM)誘 導(dǎo) 的DCM中,心 臟 自 噬 增強(qiáng)［17-18］。T1DM的主要特征是胰島素缺乏和高血糖,已知胰島素可通過激活PI3K-Akt/PKB-mTORC1通路抑制自噬［19］,而高血糖抑制心臟自噬［20］。研究發(fā)現(xiàn),在STZ誘導(dǎo)的T1DM小鼠模型中,利用免疫熒光、Western Blot、電鏡、免疫組化技術(shù)檢測(cè)心臟組織的自噬指標(biāo),LC3Ⅱ、LC3Ⅱ/Ⅰ、溶酶體蛋白CTSD水平均明顯升高,提示自噬活性增強(qiáng)［18］。但也有研究表明,STZ誘導(dǎo)和自發(fā)型OVE26的T1DM小鼠,其心臟自噬活性受到抑制［9,21］。DCM中自噬的改變與能量變化密切相關(guān)。在生理?xiàng)l件下,ATP的主要來源是糖類(葡萄糖、乳酸)和脂肪酸。在供血不足的心臟中,缺氧導(dǎo)致線粒體氧化代謝水平下降,造成ATP產(chǎn)能不足［22］。脂肪酸和葡萄糖需轉(zhuǎn)運(yùn)到細(xì)胞內(nèi)才能產(chǎn)能,但在胰島素缺乏的T1DM心臟中,由胰島素介導(dǎo)的葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)體4(glucose transporter4,GLUT4)［23］和轉(zhuǎn)運(yùn)體FAT/CD36［24］不足,脂肪酸和葡萄糖不能通過細(xì)胞膜被吸收,心肌細(xì)胞能量不足,ATP減少和AMP增多會(huì)激活腺苷酸活化蛋白激酶(AMPK)啟動(dòng)自噬。

2.2 2型糖尿病與心臟自噬

關(guān)于2型糖尿病(type 2 diabetes mellitus,T2DM)誘導(dǎo)的DCM中心臟自噬如何改變及其機(jī)制,目前尚無統(tǒng)一結(jié)論。T2DM的主要特征是血脂異常、胰島素抵抗、高血糖和(或)胰島素缺乏。迄今為止,關(guān)于T2DM中心臟自噬的研究較少,甚至有的研究結(jié)果完全相反。有研究提出,胰島素抵抗是T2DM的核心機(jī)制［25］。最近的研究表明,胰島素抵抗與自噬相關(guān)缺陷密切相關(guān)［26］,胰島素抵抗會(huì)導(dǎo)致胰島素信號(hào)下調(diào),類似于T1DM,最終會(huì)增強(qiáng)自噬。在接受CABG的T2DM和非糖尿病患者的右心耳中,經(jīng)免疫熒光和Western Blot分析得出LC3B-Ⅱ、Beclin 1表達(dá)增加,p62減少,提示自噬增加［27］,在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中也可得到相同結(jié)論［28］。但也有研究提出相反的結(jié)論,認(rèn)為肥胖導(dǎo)致T2DM患者體內(nèi)細(xì)胞處于高營(yíng)養(yǎng)能量狀態(tài),Akt信號(hào)傳導(dǎo)途徑被激活,從而激活磷酸化的mTOR激酶,導(dǎo)致自噬被抑制,還有其他相關(guān)研究支持此結(jié)論［29-30］。Kanamori等［18］研究表明,在T2DM中自噬體的形成增多,但電鏡觀察到的超微結(jié)構(gòu)自溶酶體形成減少,這可能是關(guān)于T2DM中的心臟自噬得出不同結(jié)論的原因之一。由此推知,上述研究中之所以會(huì)出現(xiàn)不同結(jié)果,其原因可能與檢測(cè)自噬的技術(shù)、時(shí)間及實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)有關(guān)。不論是T1MD還是T2DM,其心臟自噬均發(fā)生改變;適當(dāng)調(diào)節(jié)自噬水平,對(duì)心肌細(xì)胞能起到重要的保護(hù)作用［9,27,31］。

3 糖尿病心肌病中細(xì)胞自噬與凋亡的相互作用

細(xì)胞自噬與凋亡是維持機(jī)體正常生存必不可少的,與糖尿病、心血管疾病等多種疾病及炎癥密切相關(guān)［32-33］。細(xì)胞凋亡與自噬均可引起細(xì)胞死亡,但自噬還與細(xì)胞存活相關(guān)。目前已有研究表明,細(xì)胞自噬與凋亡之間存在明顯的聯(lián)系［34］。在DCM中,可能是通過調(diào)整細(xì)胞自噬水平來減少心肌細(xì)胞凋亡。

Beclin 1是Ⅲ類PI3K復(fù)合物的重要組成部分,參與自噬體的形成,抗凋亡蛋白Bcl-2和Bcl-xL可通過BH3結(jié)構(gòu)域與Beclin 1和Bax/Bak的結(jié)合來調(diào)控細(xì)胞的自噬與凋亡［35］。雖說自噬水平偏高會(huì)造成細(xì)胞死亡,但自噬可以減少細(xì)胞凋亡。Nakai等［36］發(fā)現(xiàn),將ATG5基因敲除后可導(dǎo)致心肌細(xì)胞凋亡增加和心功能不全。在小鼠DCM模型中,姜黃素可通過JNK1和AMPK通路干擾Beclin 1、Bcl-2和Bim的結(jié)合來激活自噬,從而抑制心肌細(xì)胞凋亡［37］。大鼠心肌細(xì)胞H9c2在高糖高脂刺激下,自噬水平降低,細(xì)胞凋亡增加;而加入自噬激動(dòng)劑白藜蘆 醇后,通 過激 活A(yù)MPK抑制mTORC1/p70S6K1/4EBP1通路,通過激活JNK1促使Beclin 1-Bcl-2復(fù)合物發(fā)生解離,Beclin 1可參與自噬體形成,最終促使自噬增加,而Bcl-2可通過結(jié)合Bax/Bak減少心肌細(xì)胞凋亡［31］。采用二甲雙胍處理DCM小鼠和高糖刺激的H9c2細(xì)胞,可得到與上述動(dòng)物實(shí)驗(yàn)和細(xì)胞實(shí)驗(yàn)相一致的結(jié)果［38］。其他疾病模型中也可得出與以上相同的結(jié)論。在肝癌患者中,磷酸化后的JNK可介導(dǎo)Beclin 1-Bcl-2/Bcl-xL和Bax-Bcl-2/Bcl-xL的相互作用,從而調(diào)控自噬與凋亡［39］。此外,研究發(fā)現(xiàn)在小鼠心臟中的Mst1,一種促凋亡激酶,可通過磷酸化Beclin 1的BH3區(qū)Thr108殘基,使Beclin 1與Bcl-2和(或)Bcl-xL的相互作用增強(qiáng),穩(wěn)定Beclin 1同源二聚體,抑制Atg14L-Beclin 1-Vps34復(fù)合物的磷脂酰肌醇3-激酶活性,從而抑制心臟自噬。與此同時(shí),Bax由于缺乏與Bcl-2的結(jié)合而變得活躍,從而促使心肌細(xì)胞凋亡［40］。以上研究結(jié)果均表明,在DCM中,細(xì)胞自噬與凋亡存在相互聯(lián)系,可以通過適當(dāng)增加自噬來減少心肌細(xì)胞凋亡。

圖1 糖尿病心肌病中心肌細(xì)胞自噬與凋亡的調(diào)控機(jī)制Fig.1 Regulation mechanism of cardiomyocyte autophagy and apoptosis in diabetic cardiomyopathy

4 總結(jié)

在DCM中,受高血糖、胰島素缺乏等因素的影響,心肌細(xì)胞發(fā)生凋亡和自噬改變。細(xì)胞自噬與凋亡間存在緊密聯(lián)系。自噬能在一定程度上保護(hù)心肌細(xì)胞,減少其凋亡。目前對(duì)DCM尚無針對(duì)性的治療措施,盡管現(xiàn)在已經(jīng)對(duì)自噬與凋亡之間的機(jī)制有一定的認(rèn)識(shí),但具體的分子機(jī)制尚未理清。明確細(xì)胞自噬與凋亡之間的關(guān)系及具體機(jī)制,可能為DCM的治療提供新的靶點(diǎn)。