分子伴侶介導(dǎo)的自噬及其生理病理作用

宣瑩，鄭華川

(中國(guó)醫(yī)科大學(xué)附屬盛京醫(yī)院a.腫瘤科，b.實(shí)驗(yàn)?zāi)[瘤學(xué)實(shí)驗(yàn)室，沈陽(yáng) 110004)

自噬是一種高度保守的自我消化過(guò)程，可降解溶酶體中的細(xì)胞內(nèi)成分[1]，對(duì)維持細(xì)胞穩(wěn)態(tài)和細(xì)胞質(zhì)量的控制至關(guān)重要[2-3]。基于蛋白質(zhì)被遞送至溶酶體的方式以及是否形成雙膜囊泡，自噬可分為3種基本類型，即巨自噬、微自噬和分子伴侶介導(dǎo)的自噬(chaperone-mediated autophagy，CMA)[4]。其中，巨自噬是目前研究最多且了解最深刻的自噬類型，它在細(xì)胞質(zhì)及其內(nèi)容物的周圍形成雙膜自噬體，與溶酶體融合并降解內(nèi)容物；微自噬通過(guò)溶酶體膜本身的內(nèi)陷直接吞噬細(xì)胞溶質(zhì)[5]。CMA被認(rèn)為是一種具有嚴(yán)格選擇性的蛋白質(zhì)降解過(guò)程，包括三個(gè)階段：①底物蛋白在去折疊過(guò)程中暴露其KFERQ基序并被熱激蛋白(heat shock protein，Hsp)70識(shí)別，底物-Hsp70復(fù)合物轉(zhuǎn)運(yùn)至溶酶體膜并與溶酶體相關(guān)膜蛋白2A(lysosome associated membrance protein 2A，Lamp2A)結(jié)合；②在其他分子伴侶的輔助下，Lamp2A聚化形成功能性易位復(fù)合物，在功能性易位復(fù)合物的介導(dǎo)下，底物去折疊并借助溶酶體內(nèi)的Hsp70轉(zhuǎn)移至溶酶體腔中；③底物在溶酶體腔內(nèi)被降解，易位復(fù)合物解體[6]?，F(xiàn)就CMA及其生理病理作用予以綜述。

1 CMA的生理調(diào)節(jié)

CMA具有選擇性降解特定蛋白質(zhì)的功能，在控制蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)中起重要作用，因此其能夠調(diào)節(jié)維持細(xì)胞和全身生理平衡至關(guān)重要的代謝途徑。基礎(chǔ)CMA的活性可以在不同的組織中檢測(cè)到，表明在正常營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)下CMA途徑在某些蛋白質(zhì)的調(diào)節(jié)中具有恒定作用[7]。在長(zhǎng)時(shí)間饑餓的條件下，CMA可促進(jìn)氨基酸的再循環(huán)，這是CMA最大程度激活的條件；饑餓已成為CMA最具特色的刺激因素之一，對(duì)于蛋白質(zhì)降解，與饑餓后不久(4～6 h)即被激活并達(dá)到峰值的巨自噬不同，CMA在饑餓8～10 h后逐漸被激活且持續(xù)最大活性達(dá)3 d[8]。在饑餓條件下降解的蛋白質(zhì)被認(rèn)為是細(xì)胞不再需要的，可以被分解為氨基酸，用來(lái)維持蛋白質(zhì)合成；然而，在長(zhǎng)期饑餓條件下，這種調(diào)節(jié)形式也可能改變蛋白質(zhì)組成，使細(xì)胞適應(yīng)新的環(huán)境[9]。研究已證實(shí)，在長(zhǎng)期饑餓條件下，CMA在某些特定的轉(zhuǎn)錄程序中可降解轉(zhuǎn)錄因子抑制因子[10]。

1.1參與代謝 CMA通過(guò)選擇性降解或影響相關(guān)途徑中的關(guān)鍵酶[11-13]或相關(guān)基因[14]等，參與糖、脂代謝的調(diào)節(jié)。研究表明，在禁食期間小鼠肝臟中許多通過(guò)CMA降解的代謝相關(guān)酶增加了幾倍，10種糖酵解酶中至少有8種含有CMA靶向基序[12]。甘油醛-3-磷酸脫氫酶是最先被鑒定為CMA底物的一種糖酵解酶[13]。雖然CMA對(duì)葡萄糖代謝的調(diào)節(jié)機(jī)制目前尚不完全清楚，但有證據(jù)表明，溶酶體在葡萄糖穩(wěn)態(tài)中起核心作用的原因可能為葡萄糖饑餓誘導(dǎo)的溶酶體酸化[15]。溶酶體在葡萄糖穩(wěn)態(tài)中的作用可能涉及通過(guò)轉(zhuǎn)錄因子EB對(duì)溶酶體生物合成進(jìn)行調(diào)節(jié)，因?yàn)檗D(zhuǎn)錄因子EB能激活與脂質(zhì)分解代謝及糖酵解相關(guān)的基因的表達(dá)，且轉(zhuǎn)錄因子EB功能具有葡萄糖依賴性[16]。CMA活性的異常上調(diào)也可能對(duì)細(xì)胞能量學(xué)有害，如三肽基肽酶Ⅱ缺乏的患者，其細(xì)胞內(nèi)氨基酸水平降低，細(xì)胞通過(guò)增加溶酶體數(shù)量和蛋白水解活性來(lái)進(jìn)行補(bǔ)償，但過(guò)量的溶酶體通過(guò)CMA消耗大量關(guān)鍵的糖酵解酶-己糖激酶-2，進(jìn)一步干擾正常的免疫反應(yīng)和神經(jīng)發(fā)育，損害細(xì)胞的能量代謝[17]。

CMA在脂質(zhì)代謝中也起調(diào)節(jié)作用。選擇性阻斷動(dòng)物肝臟CMA途徑，肝臟外組織的脂肪儲(chǔ)存減少，脂肪在肝細(xì)胞內(nèi)積累，即使?fàn)I養(yǎng)缺乏時(shí)，也未能動(dòng)員分配到其他器官；進(jìn)一步溶酶體差異蛋白質(zhì)組學(xué)分析顯示，很多參與脂肪生成(三酰甘油合成)和肝臟脂質(zhì)攝取的酶為CMA的底物；特異性下調(diào)小鼠肝臟中的Lamp2A，可觀察到顯著的脂肪變性，但三酰甘油的合成卻未顯著增加[12]。此外，敲除Lamp2A的細(xì)胞對(duì)饑餓誘導(dǎo)的脂肪分解不敏感，且脂滴的密度、大小和面積均增加；進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，CMA通過(guò)降解脂滴表面的脂周素使脂滴中脂質(zhì)外露進(jìn)而降解[18]。研究者還發(fā)現(xiàn)，經(jīng)AMP活化蛋白激酶途徑的脂周素2的磷酸化是脂周素2與Hsp70結(jié)合的必要修飾，其過(guò)程依賴于CMA活化[19]。因此，CMA可以作為一種營(yíng)養(yǎng)傳感途徑，溶酶體亦可作為脂質(zhì)體內(nèi)平衡的初始感受器和整合體而發(fā)揮作用。

CMA與細(xì)胞代謝的作用是相互的，其既可調(diào)節(jié)細(xì)胞代謝，又受細(xì)胞代謝的控制和影響，因此進(jìn)一步研究CMA與細(xì)胞能量平衡之間信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的機(jī)制，有助于了解這種雙向作用。同時(shí)，CMA對(duì)細(xì)胞質(zhì)量控制或細(xì)胞能量調(diào)節(jié)可能具有細(xì)胞或組織依賴性，未來(lái)的實(shí)驗(yàn)可以以組織特異性方式進(jìn)行研究。另外，對(duì)可調(diào)節(jié)性CMA系統(tǒng)阻滯小鼠模型的研究將有助于研究CMA失常對(duì)機(jī)體能量產(chǎn)生的整體影響。

1.2參與免疫應(yīng)答 T淋巴細(xì)胞可表達(dá)自噬相關(guān)基因并具有自噬活性。有研究發(fā)現(xiàn)，Lamp2A的過(guò)表達(dá)增強(qiáng)了細(xì)胞質(zhì)自身抗原的表達(dá)，而Hsp70也能改變細(xì)胞質(zhì)Ⅱ類肽的表達(dá)，這些結(jié)果證明了CMA在促進(jìn)免疫識(shí)別和抗原呈遞中的作用[20]。同時(shí)，CMA對(duì)CD4+T細(xì)胞的活化也很重要，因?yàn)镃MA可以選擇性降解T細(xì)胞抗原受體信號(hào)通路的兩個(gè)負(fù)向調(diào)節(jié)劑，即ITCH(又稱atrophin 1相互作用蛋白4，是一種高度保守的HECT家族E3泛素連接酶)和鈣調(diào)神經(jīng)磷酸酶調(diào)節(jié)因子1(regulator of calcineurin 1，RCAN1)[21-22]。在不具備CMA功能的T細(xì)胞中，ITCH和RCAN1水平持續(xù)升高是導(dǎo)致細(xì)胞增殖和細(xì)胞因子分泌減少的原因；同時(shí)，缺少CMA功能的T細(xì)胞小鼠感染病原體(如單核細(xì)胞增生性李斯特菌)時(shí)免疫反應(yīng)也減弱[21]。干擾素基因刺激因子是一種介導(dǎo)胞內(nèi)DNA誘導(dǎo)固有免疫應(yīng)答的重要接頭蛋白，在機(jī)體抗病毒免疫中起重要作用。研究表明，CMA可通過(guò)降解干擾素基因刺激因子的刺激物對(duì)先天免疫進(jìn)行調(diào)節(jié)，干擾素基因刺激因子降解的誘因是去磺?；诓《靖腥镜耐砥诒┞镀銴FERQ樣基序，從而關(guān)閉先天免疫反應(yīng)[23]。CMA對(duì)先天性免疫和獲得性免疫均具有調(diào)節(jié)作用，因此可能成為免疫治療的靶標(biāo)或靶點(diǎn)。

2 CMA與衰老

在嚙齒動(dòng)物和人類的幾乎所有細(xì)胞類型和組織中，年齡依賴性CMA的活性均降低。雖然Lamp2A的轉(zhuǎn)錄、合成和溶酶體靶向功能從年輕人到老年人保持不變，但Lamp2A在溶酶體膜上的穩(wěn)定性隨著年齡的增加而顯著受損[24]。溶酶體膜的脂質(zhì)組成影響Lamp2A的降解，導(dǎo)致底物蛋白的結(jié)合和易位在老年生物體中顯著減少，有實(shí)驗(yàn)證實(shí)，高膽固醇飲食的小鼠和老年小鼠Lamp2A水平、CMA活性均降低，而溶酶體膜膽固醇水平均升高[25]。通過(guò)高脂飲食可以誘導(dǎo)溶酶體膜發(fā)生類似的脂質(zhì)變化，強(qiáng)調(diào)了飲食CMA的重要性。保持老年小鼠肝臟中的CMA功能可以改善細(xì)胞的穩(wěn)態(tài)和肝功能，進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)了CMA在衰老中的重要作用[26]。使用雙轉(zhuǎn)基因小鼠模型調(diào)節(jié)Lamp2A的表達(dá)，防止年齡依賴性CMA活性的降低，可減少受損蛋白的氧化和積累，保持線粒體活性，并維持肝功能；同時(shí)，轉(zhuǎn)基因小鼠的巨自噬和泛素-蛋白酶體的功能也同樣得到維持，在此之前已經(jīng)證實(shí)，巨自噬和泛素-蛋白酶體的功能也是具有年齡依賴性降低的[27]。

CMA的年齡依賴性降低可能是許多年齡相關(guān)性疾病的重要病因，與疾病的病理生理變化密切相關(guān)。通過(guò)在小鼠肝臟中表達(dá)外源性Lamp2A來(lái)保護(hù)CMA功能，可使蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)和器官功能得到全面改善[26]。因此，隨著年齡的增長(zhǎng)，預(yù)防CMA的全身衰退可能是對(duì)抗機(jī)體功能喪失和年齡相關(guān)疾病的有效策略。

3 CMA與疾病

3.1CMA與神經(jīng)退行性疾病 CMA是許多人類疾病發(fā)病機(jī)制的關(guān)鍵因素，包括神經(jīng)退行性疾病、傳染病、心血管疾病、代謝疾病以及癌癥等。錯(cuò)誤折疊的蛋白質(zhì)聚集積累是神經(jīng)變性過(guò)程的重要特征，因此具有功能完備的蛋白質(zhì)降解途徑以確保健康蛋白質(zhì)組和細(xì)胞穩(wěn)態(tài)顯得至關(guān)重要。

3.1.1帕金森病(Parkinson′s disease，PD) 第一個(gè)被發(fā)現(xiàn)與CMA失調(diào)相關(guān)的人類疾病為PD[28]。PD的一個(gè)重要病理標(biāo)志為L(zhǎng)ewy小體，主要由α-突觸核蛋白聚集組成。α-突觸核蛋白已被鑒定為CMA的底物，通過(guò)靶向敲除神經(jīng)元細(xì)胞中的Lamp2A抑制CMA，可導(dǎo)致泛素化α-突觸核蛋白的積累[29]，而通過(guò)Lamp2A過(guò)表達(dá)提高CMA活性，可抵消α-突觸核蛋白水平升高的不利影響[30]。大鼠黑質(zhì)致密部位中Lamp2A的靶向敲除可導(dǎo)致泛素化α-突觸核蛋白的累積和多巴胺能神經(jīng)元功能的進(jìn)行性喪失，這兩者均是PD的主要特征[31]。與遺傳性PD相關(guān)的幾種蛋白質(zhì)突變已被證明可阻斷CMA[32]。一些突變形式的α-突觸核蛋白通過(guò)結(jié)合Lamp2A影響CMA功能，在這種情況下，不僅α-突觸核蛋白易位和溶酶體降解受損，也損害了其他CMA底物的降解[28]。同樣，富含亮氨酸的重復(fù)激酶2和泛素C末端水解酶L1的突變通常與PD相關(guān)，也是通過(guò)抑制易位復(fù)合物阻斷CMA[33]。除了由蛋白質(zhì)聚集體積累誘導(dǎo)的損傷外，CMA的抑制還可能因關(guān)鍵CMA底物的積累而導(dǎo)致細(xì)胞保護(hù)途徑的損害[34]。

3.1.2阿爾茨海默病(Alzheimer′s disease，AD) AD是一種中樞神經(jīng)系統(tǒng)退行性變疾病，特征性病理改變?yōu)棣?淀粉樣蛋白異常聚集，進(jìn)而上調(diào)RCAN1的表達(dá)，由此導(dǎo)致高度磷酸化的Tau蛋白累積，最終出現(xiàn)AD癥狀的細(xì)胞改變[35]。有研究證實(shí)，β-淀粉樣蛋白和RCAN1中均含有類似的KFERQ基序，能夠通過(guò)CMA降解；此外，抑制CMA途徑升高RCAN1蛋白水平，可降低活化T細(xì)胞核因子活性[36]。而活化T細(xì)胞核因子參與了Lamp2A基因的轉(zhuǎn)錄調(diào)控[21]。因此，通過(guò)升高RCAN1水平可進(jìn)一步增強(qiáng)對(duì)CMA活性的抑制，同時(shí)降低活化T細(xì)胞核因子依賴性Lamp2A的轉(zhuǎn)錄活性。另一方面，與AD相關(guān)的另一主要因素Tau蛋白也是CMA底物，Tau蛋白被自噬-溶酶體系統(tǒng)降解，產(chǎn)生不同的片段，這些片段不僅能與Hsp70結(jié)合并成為CMA底物，還能夠到達(dá)溶酶體，與溶酶體膜結(jié)合，形成病理性的Tau聚集體，導(dǎo)致溶酶體損傷并阻斷其他CMA底物的降解[37]。

3.1.3亨廷頓病 亨廷頓病是一種與衰老相關(guān)的神經(jīng)退行性疾病，它是由亨廷頓蛋白N端的聚谷氨酰胺序列異常擴(kuò)增并在神經(jīng)元中積累引起，而亨廷頓蛋白已被證實(shí)是CMA的底物[38]。在亨廷頓病的小鼠模型中，無(wú)論是天然的亨廷頓蛋白還是異常的亨廷頓蛋白，均能觀察到Lamp2A和Hsp70間的強(qiáng)共定位與增強(qiáng)的溶酶體降解相關(guān)[39]。此外，在體內(nèi)進(jìn)行的其他研究還表明，通過(guò)在亨廷頓蛋白氨基酸序列中使用含有KFERQ結(jié)構(gòu)域的聚谷氨酰胺結(jié)合蛋白，可以迫使聚集的亨廷頓蛋白通過(guò)CMA降解[40]。因此，Lamp2A可能成為亨廷頓病診斷及治療的靶點(diǎn)，而CMA選擇性活化劑可能成為亨廷頓病有效治療的藥物。

3.2CMA與癌癥 在大多數(shù)癌細(xì)胞系中，CMA活性均顯著上調(diào)，且CMA組分(主要是Lamp2A)水平也異常升高[41]。某些糖酵解酶(如乙?；峒っ?的CMA降解導(dǎo)致糖酵解中間體水平升高，從而促進(jìn)腫瘤的生長(zhǎng)和增殖[11]。CMA可通過(guò)降解抗增殖蛋白(如Rho相關(guān)的GTP結(jié)合蛋白R(shí)hoE)[42]、腫瘤抑制蛋白(如哺乳動(dòng)物不育系20樣激酶1)[43]、15kDa富含星形膠質(zhì)細(xì)胞的磷蛋白[44]、突變型p53[45]以及促凋亡蛋白(如Bcl-2結(jié)合成分3)[46]等來(lái)維持腫瘤生長(zhǎng)；同時(shí)，CMA還可以上調(diào)某些癌基因的蛋白穩(wěn)定性(如誘導(dǎo)髓樣細(xì)胞白血病1)[47]，通過(guò)增加腫瘤化療藥物抵抗，進(jìn)而促進(jìn)腫瘤生長(zhǎng)[48]。巨噬細(xì)胞是腫瘤微環(huán)境中存在的主要細(xì)胞類型之一，通過(guò)釋放白細(xì)胞介素-17，促進(jìn)細(xì)胞存活和化療耐藥，激活其他腫瘤駐留細(xì)胞中的CMA[49]。無(wú)論以何種方式參與腫瘤的發(fā)生、發(fā)展，CMA的阻斷均可降低惡性細(xì)胞的增殖和轉(zhuǎn)移能力，由此確立了CMA抑制劑作為抗癌藥物的潛力。

3.3CMA與其他疾病 在免疫系統(tǒng)疾病(如狼瘡病)中觀察到Lamp2A表達(dá)增加[50]；在沙門氏菌感染的患者中，Lamp2A和Hsp70的募集增多[51]。在肺部疾病(如肺氣腫)中，患者的CMA活性被保護(hù)性上調(diào)[52]。在軟病毒感染的患者中，Lamp2A和Hsp70的表達(dá)保護(hù)性增多[53]。另外，心臟疾病(如心力衰竭)[54]、達(dá)農(nóng)病[55]、肝臟疾病(如酒精性脂肪性肝炎[56]、急性肝衰竭[57])等患者的CMA活性均下調(diào)。而糖尿病患者的CMA活性下調(diào)可導(dǎo)致腎臟肥大[58]。另外，在溶酶體貯積癥中CMA活性異常[59]。可見(jiàn)，CMA通過(guò)各種方式參與人類疾病的過(guò)程，探索CMA在不同疾病中的作用可以更深入地了解疾病的病理生理過(guò)程，發(fā)現(xiàn)新的治療靶點(diǎn)。

4 小 結(jié)

近年來(lái)，大量CMA底物的發(fā)現(xiàn)以及與不同疾病相關(guān)的CMA途徑的變化均拓展了人們對(duì)CMA重要功能的理解。通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)基因小鼠模型的研究，人們進(jìn)一步了解到CMA底物降解的獨(dú)特動(dòng)力學(xué)特點(diǎn)及其對(duì)整個(gè)生物體的影響。雖然人們已經(jīng)認(rèn)識(shí)到CMA功能失常與疾病之間的聯(lián)系，但具體分子機(jī)制目前仍不明確。隨著研究的不斷深入，針對(duì)CMA的調(diào)節(jié)劑的研發(fā)也發(fā)展迅速。目前CMA選擇性活化劑的研發(fā)取得了一定進(jìn)展，但CMA選擇性抑制劑仍然缺乏。相信隨著CMA研究的逐漸成熟，終將揭示CMA失調(diào)與人類疾病之間的關(guān)聯(lián)，為疾病的診治提供新的幫助。