自噬的分子機制及其在心臟驟停腦損傷中的作用研究進展

胡星平，秦開秀

（重慶醫(yī)科大學附屬第二醫(yī)院急診科，重慶 404006）

心臟驟停是指心臟射血功能突然終止，重要器官出現(xiàn)嚴重缺血、缺氧，導致生命終止的一種急性疾病。大多數(shù)心臟驟?；颊咚烙诩毙允录蟛糠中呐K驟停死亡發(fā)生在心肺復(fù)蘇成功后的患者中。腦組織對缺血缺氧極其敏感，心臟驟停不僅可損害全身器官系統(tǒng)，還可對神經(jīng)系統(tǒng)造成嚴重損傷。心臟驟停后腦損傷是導致患者高死亡率的關(guān)鍵因素之一。有證據(jù)表明，心臟驟停腦損傷會引起患者死亡，院外患者死亡率為68%，院內(nèi)患者的死亡率為23%[1]。因此，探討心肺復(fù)蘇后腦損傷的相關(guān)機制，尋找改善神經(jīng)功能新的治療靶點十分必要。自噬廣泛存在于正常的生理過程中，可清除細胞廢物，促進結(jié)構(gòu)重建與細胞的生長分化，同時也參與多種疾病的病理過程。近年來，自噬作為一種新的程序性細胞死亡方式，越來越受到國內(nèi)外學者的重視。現(xiàn)將自噬與心臟驟?；颊咝姆螐?fù)蘇后腦損傷的機制綜述如下。

1 自噬

1962年，Ashford和Porter在顯微鏡下觀察到細胞“自己吃自己”的現(xiàn)象。1963年，比利時生物學家Christian de Duve正式將此現(xiàn)象命名為“自噬”。自噬是指真核細胞通過溶酶體降解來消除細胞質(zhì)物質(zhì)的進化機制，其是發(fā)生在所有真核細胞中的主要降解途徑。細胞自噬是一種不同于凋亡的程序化細胞內(nèi)降解機制，細胞可通過溶酶體降解自身胞質(zhì)成分來實現(xiàn)自身的代謝需要和某些細胞器的更新，從而維持細胞內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)。自噬參與多臟器功能的保護與損害，且與機體外各種刺激相關(guān)，是全球研究熱點。自噬是一把“雙刃劍”，在不同的應(yīng)激狀態(tài)下作用各不相同，既可對機體起保護作用，也會導致機體進一步損傷。

2 自噬的分類

自噬可根據(jù)細胞將內(nèi)容物運輸至溶酶體腔內(nèi)的3個不同途徑分為微自噬、分子伴侶介導的自噬（CMA）及大自噬。微自噬是內(nèi)容物被溶酶體直接吞噬的降解過程；CMA主要依賴于胞漿內(nèi)分子伴侶hsc70對帶有KFERQ序列的內(nèi)容物的識別與結(jié)合，結(jié)合形成的復(fù)合物與溶酶體相關(guān)的膜蛋白2（LAMP2a）再結(jié)合，將內(nèi)容物運輸至溶酶體中被降解；大自噬依賴于雙膜囊泡，即內(nèi)容物在雙膜囊泡內(nèi)被隔離，形成一個自噬體，隨后與溶酶體或液泡融合使其降解，也就是形成所謂的自溶酶體[2]。大自噬是自噬最普遍的形式，是一種進化保守的動態(tài)途徑。大自噬在正常生理水平上發(fā)揮作用，可保護包括內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和線粒體在內(nèi)的幾個亞細胞室的結(jié)構(gòu)和活性。因此，在沒有外界干擾的情況下，神經(jīng)元的存活需要中樞神經(jīng)系統(tǒng)中具有正常的自噬功能。大自噬不足或過量，都會嚴重損害細胞的生理功能，故需要進行適當?shù)恼{(diào)控。

3 調(diào)節(jié)自噬的信號通路

3.1 依賴mTOR信號通路

mTOR是雷帕霉素（rapamycin）或西羅莫司（sirolimus）分子的靶標，是一種不典型的絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶，屬于磷酸肌醇激酶3（PI3K）相關(guān)激酶家族的一種，其可與多種蛋白相互作用，形成雷帕霉素復(fù)合1（mTORC1）和雷帕霉素復(fù)合2（mTORC2）兩個不同的復(fù)合物。mTORC1促進蛋白質(zhì)與脂質(zhì)的合成、細胞生長與合成代謝，其可通過阻止自噬抑制細胞分解代謝；相反，mTORC2調(diào)節(jié)細胞存活、細胞增殖及代謝。與自噬有關(guān)的主要是mTORC1，且mTORC1負反饋調(diào)控自噬。mTORC2可通過激活mTORC1間接抑制自噬。在營養(yǎng)豐富的條件下，哺乳動物中的mTORC1通過直接磷酸化和抑制由unc-51樣激酶1（ULK1）、自噬相關(guān)基因13（ATG13）與FIP200組成的蛋白復(fù)合物來調(diào)控自噬。相反，營養(yǎng)物缺乏也可刺激ULK1/ATG13/FIP200復(fù)合物的形成，并通過ULK1自身磷酸化及其結(jié)合配偶體的磷酸化啟動自噬[3]。

3.1.1 AMPK-mTOR信號通路 AMPK-mTOR是參與自噬調(diào)節(jié)的主要信號途徑之一。AMP活化蛋白激酶（AMPK）是一種代謝應(yīng)激敏感酶，負責維持細胞能量穩(wěn)態(tài)，腺嘌呤核苷三磷酸（ATP）產(chǎn)量輕微下降時會導致一磷酸腺苷（AMP）或二磷酸腺苷（ADP）的相對增加，此時AMPK會被激活。AMPK作為一種重要的生理能量傳感器，激活后可以誘導自噬，其調(diào)控的主要機制是AMPK直接磷酸化T1227和S1345上的結(jié)節(jié)性硬化癥基因2（TSC2，也被稱為結(jié)核素），增強Rheb-GAP活性，從而抑制哺乳動物mTORC1[4]。AMPK也能夠通過磷酸化mTORC1結(jié)合伙伴raptor，從而負向調(diào)控mTOR。

3.1.2 PI3K-Akt-mTOR信號通路 磷脂酰肌醇3-激酶(P13K)是一類脂質(zhì)激酶，可根據(jù)其不同的結(jié)構(gòu)和脂質(zhì)底物分為三類（第Ⅰ類、第Ⅱ類及第Ⅲ類），而與自噬有關(guān)的主要是第Ⅰ類。PI3K是酪氨酸激酶受體的底物，其可導致絲氨酸蘇氨酸蛋白激酶（Akt）磷酸化，進而調(diào)節(jié)細胞存活。PI3K活化導致Akt磷酸化，隨后磷酸化的Akt促進mTOR信號通路的磷酸化和活化。Akt磷酸化觸發(fā)結(jié)節(jié)性硬化癥基因1/2（TSC1/2），進而刺激mTOR抑制下游自噬啟動激酶ULK1，導致自噬終止[5]。

3.2 非mTOR信號通路

3.2.1 ROS-自噬信號通路 活性氧（ROS）主要包括一系列含氧的高活性物質(zhì)，如氧陰離子、自由基及過氧化氫（H2O2）。隨著氧化應(yīng)激反應(yīng)的升高，ROS的過量產(chǎn)生會分別激活缺氧誘導因子（HIF-1）、腫瘤抑制蛋白（p53）、轉(zhuǎn)錄因子叉頭蛋白3（FOXO3）及細胞轉(zhuǎn)錄因子NF-E2相關(guān)因子2（NRF2），分別誘導凋亡線粒體蛋白（BNIP3）、NIX基因、腫瘤蛋白53誘導的糖酵解和凋亡的調(diào)控子（TIGAR）、微管相關(guān)蛋白輕鏈3（LC3）、BNIP3及p62蛋白的轉(zhuǎn)錄，最終促使相應(yīng)蛋白產(chǎn)物在細胞質(zhì)中誘導自噬[6]。研究發(fā)現(xiàn)，ROS可以通過轉(zhuǎn)錄因子EB（TFEB）調(diào)節(jié)自噬，TFEB是溶酶體生物發(fā)生和自噬的主要調(diào)控因子，通過線粒體損傷或外源性增加ROS水平，直接激活MCOLN1，誘導溶酶體Ca2+釋放，觸發(fā)PPP3/鈣調(diào)蛋白依賴的TFEB核易位，增強自噬[7]。

3.2.2 PKC-自噬信號通路 蛋白激酶C（PKC）是一種絲氨酸/蘇氨酸激酶，以細胞類型特異性的方式調(diào)控多種細胞功能，其活性又受絲氨酸/蘇氨酸和酪氨酸磷酸化調(diào)控。PKC是一種自噬調(diào)節(jié)劑，可以通過介導細胞成分的自噬來幫助維持細胞穩(wěn)態(tài)。研究表明，PKC通過調(diào)節(jié)下游的raf1和JNK信號而激活自噬[8]。但也有研究表明，PKC抑制劑可觸發(fā)自噬，而PKC激活劑可抑制饑餓或雷帕霉素誘導的自噬[9]。

3.2.3 內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激-?自噬信號通路 內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激是一種常見的細胞應(yīng)激反應(yīng)，不同的細胞壓力，如Ca2+穩(wěn)態(tài)的擾動、氧化還原失衡及蛋白質(zhì)折疊缺陷等，均會導致未折疊或錯誤折疊的蛋白質(zhì)在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)（ER）腔內(nèi)積聚。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激會引發(fā)自噬，細胞在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激下，激活一系列互補的適應(yīng)機制，以應(yīng)對蛋白折疊的改變，稱為未折疊蛋白反應(yīng)（UPR）。UPR是一種高度保守的機制，使細胞能夠響應(yīng)和解決內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激。UPR的3個典型分支在誘導、囊泡成核和伸長的不同階段調(diào)節(jié)自噬，導致Beclin-1/Bcl-2復(fù)合物的破壞，從而釋放出自噬基因Beclin-1，或通過x-box綁定蛋白1（XBP-1）介導的轉(zhuǎn)錄因子激活Beclin-1[10]。

3.2.4 C9orf72-自噬信號通路 9號染色體開放閱讀框72（C9orf72）參與中樞神經(jīng)系統(tǒng)（CNS）大自噬的微調(diào)。有報道指出，C9orf72在自噬中的作用為C9orf72下調(diào)后可導致自噬起始的減少[11]。C9orf72可影響FIP200/ULK1自噬起始復(fù)合物的功能，但也可能調(diào)節(jié)mTOR信號通路和TFEB，從而促進自噬。

4 自噬在腦損傷中的保護作用

4.1 激活自噬機制

研究發(fā)現(xiàn)，通過雷帕霉素治療可顯著增加自主循環(huán)恢復(fù)（ROSC）后LC3-Ⅱ和Beclin-1的表達，促進神經(jīng)元存活，減少神經(jīng)元凋亡，改善心肺復(fù)蘇后神經(jīng)功能缺損評分[12]。在心臟驟停后輕度亞低溫是唯一可以改善神經(jīng)系統(tǒng)預(yù)后的治療。肖鹽等[13]通過建立SD大鼠窒息性心臟驟停-?心肺復(fù)蘇模型，運用蛋白質(zhì)印跡法檢測自噬相關(guān)蛋白Beclin-1和LC3、凋亡相關(guān)蛋白Bcl-2和caspase-3、Ⅲ型PI3K通路蛋白Vps34和Atg14，透射電鏡觀察腦組織超微結(jié)構(gòu)的變化，并在ROSC后48 h進行神經(jīng)功能缺損評分（NDS）評估，結(jié)果顯示，亞低溫治療可減輕心肺復(fù)蘇后腦水腫，改善腦功能，其可能與激活Ⅲ型PI3K通路增加自噬、抑制凋亡調(diào)節(jié)有關(guān)。脂聯(lián)素（APN）可通過降低心臟驟停-?心肺復(fù)蘇誘導的GCIR小鼠腦組織中裂解的caspase-3的表達來抑制細胞凋亡，并促進抗凋亡蛋白Bcl-2的表達。研究證明，APN通過促進自噬保護神經(jīng)元免受損傷誘導的過度凋亡，可能機制是通過激活A(yù)MPK和減輕氧化應(yīng)激來促進鈣-?心肺復(fù)蘇后的神經(jīng)元自噬[14]。此外，ZHU等[15]應(yīng)用二甲雙胍預(yù)處理模型大鼠，觀察心臟驟停后繼發(fā)腦損傷的情況，發(fā)現(xiàn)二甲雙胍通過增加AMPK依賴性自噬，對心肺復(fù)蘇后缺血性腦損傷具有神經(jīng)保護作用。

4.2 抑制自噬機制

也有研究證實，亞低溫治療可通過抑制自噬與神經(jīng)元凋亡來減輕心肺復(fù)蘇后腦損傷；在關(guān)于右美托咪定在腦缺血再灌注損傷的研究中發(fā)現(xiàn)，右美托咪定治療可通過抑制自噬與誘導低溫，減少神經(jīng)元損傷，改善神經(jīng)功能[16]。CUI等[17]在8 min 心臟驟停后心肺復(fù)蘇大鼠模型中，研究自噬和p53信號通路是否在腦缺血再灌注損傷（I/R）后海馬神經(jīng)元凋亡中發(fā)揮作用；通過檢測心臟驟停后組織蛋白酶B、D、Beclin-1、p53、自噬調(diào)節(jié)劑（DRAM）、Bax、凋亡調(diào)節(jié)劑（PUMA）的變化，說明自噬激活部分由p53介導，并參與心臟驟停后海馬神經(jīng)元凋亡，自噬抑制劑3-MA和溶酶體抑制劑BFA均能抑制心臟驟停后的自噬和凋亡活化，促進神經(jīng)存活。p53-specific抑制劑PFT-α和自噬抑制劑3-MA可有效抑制DRAM和LC3-II的表達，從而發(fā)揮神經(jīng)保護作用。在其他干預(yù)措施，如硫化氫在心肺復(fù)蘇后腦保護的作用研究中，抑制ROSC后神經(jīng)元自噬，可減少神經(jīng)元凋亡、改善神經(jīng)功能也得到證實[18]。此外，在烏司他丁、核糖核酸酶（RNase）、松屬素（Pinocembrin）等對心臟驟停后神經(jīng)功能的影響的相關(guān)研究中發(fā)現(xiàn)，降低自噬水平，可改善神經(jīng)功能評分、提高記憶和學習能力[19-20]。

5 小結(jié)與展望

自噬是生物體高度保守進化的生理機制，主要維持細胞和機體的穩(wěn)態(tài)作用，在應(yīng)激條件下發(fā)揮著重要的調(diào)節(jié)作用。自噬在心臟驟停-?心肺復(fù)蘇中，參與腦損傷的過程，其過程復(fù)雜，機制尚不明確。在生理狀態(tài)下，自噬處于較低水平，可作為機體的一種自我修復(fù)機制。在心臟驟停-?心肺復(fù)蘇的腦損傷中，初始階段自噬被激活，能夠清除或者抑制神經(jīng)元損傷相關(guān)物質(zhì)，或者激活腦保護機制，從而達到神經(jīng)保護作用。相反，過度激活自噬，可能促發(fā)神經(jīng)元非凋亡程序性死亡，從而導致神經(jīng)元凋亡與神經(jīng)功能損傷。可見，在心臟驟停-?心肺復(fù)蘇中發(fā)生自噬與過度自噬，其作用截然相反，發(fā)生這種現(xiàn)象可能與動物模型的年齡、造模方法、腦損傷時間以及觀察相關(guān)指標的時間不同有關(guān)。因此，自噬在同一種疾病中發(fā)揮的作用機制也不相同。在心臟驟停-?心肺復(fù)蘇腦損傷中，自噬通常為大自噬，其自噬的發(fā)生主要依賴mTOR通路，也有部分依賴非mTOR通路，其介導的信號通路和參與的蛋白種類多，機制復(fù)雜。因此，需要對心肺復(fù)蘇腦損傷中自噬的機制和信號通路進一步研究，期望可以通過對自噬進行調(diào)控，從而降低心臟驟停后患者的致殘率、死亡率，改善幸存者的神經(jīng)功能與生存質(zhì)量，使自噬在不影響其他生命活動的同時發(fā)揮良好的神經(jīng)保護作用。