自噬相關(guān)調(diào)控蛋白與糖尿病心肌病關(guān)系的研究進展

邱 奇，陳永鋒，孫正宇，康品方

(蚌埠醫(yī)學(xué)院第一附屬醫(yī)院心內(nèi)科，安徽 蚌埠 233004)

糖尿病已成為當(dāng)今世界最常見和最嚴重的慢性疾病之一。根據(jù)國際糖尿病聯(lián)盟(IDF)于2021年12月6日發(fā)布的《IDF糖尿病地圖(第10版)》數(shù)據(jù)顯示：到2021年，全球20～79歲成年人中，5.366億人患有糖尿病，預(yù)計到2045年，患糖尿病的人數(shù)可達到7.832億；其中，中國糖尿病患者人數(shù)最多，到2021年為止，中國有1.4億人患有糖尿病(占中國總?cè)丝诘?0%)，預(yù)計到2045年可能突破1.74億人次[1]。糖尿病會引起一系列致死致殘、代價高昂的并發(fā)癥，嚴重危害人們的身心健康，并對社會財政產(chǎn)生沉重負擔(dān)。其中，心血管異常，特別是糖尿病心肌病(diabetic cardiomyopathy，DCM)是糖尿病患者發(fā)生心力衰竭甚至心源性死亡的主要原因之一。DCM目前仍沒有明確的定義，最普遍接受的定義是指糖尿病病人在沒有其他心血管疾病(如冠心病、無法控制的高血壓、嚴重的瓣膜心臟病和先天性心臟病)的情況下出現(xiàn)心臟代謝障礙。DCM的病理特點主要為早期的左心室舒張功能障礙，并伴有心肌細胞肥大、心肌纖維化和細胞凋亡的增加。早先的研究已經(jīng)證明，高血糖、胰島素抵抗、自由基產(chǎn)生增加、脂質(zhì)過氧化、線粒體功能障礙、內(nèi)皮功能障礙等均參與了DCM的發(fā)生、發(fā)展。近年來，隨著自噬機制的深入研究，自噬失調(diào)已被認為是DCM的另一個潛在發(fā)病機制[2]。但有關(guān)調(diào)控自噬相關(guān)蛋白所獲得的影響并沒有相應(yīng)完整的描述。因此，本文將對目前研究較多的自噬相關(guān)調(diào)控蛋白與DCM的關(guān)系進行系統(tǒng)綜述。

1 自噬的概述

自噬是一種細胞內(nèi)高度保守的由溶酶體介導(dǎo)的降解代謝過程，目的是清除和重新利用長壽命蛋白質(zhì)、畸形蛋白質(zhì)以及受損的細胞器等細胞質(zhì)內(nèi)容物。根據(jù)底物轉(zhuǎn)運到溶酶體的方式以及生理功能的差異，自噬可分成三種類型：宏自噬(macroautophagy)、微自噬(micro-autophagy)和伴侶介導(dǎo)的自噬(chaperonemediated autophagy，CMA)。宏自噬是最普遍的也是當(dāng)前研究最為廣泛且清晰的自噬形式，本文之后所描述的自噬均為宏自噬，其過程包括自噬的啟動、自噬小泡(Phagophore)的成核(形成碗狀膜結(jié)構(gòu))、延伸，自噬體(autophagosome)的形成，自噬體與溶酶體融合形成自噬溶酶體(autophagolysosome)，繼而其內(nèi)容物在溶酶體的幫助下被降解后轉(zhuǎn)運回胞漿中供細胞重新利用。自噬最初被認為是細胞內(nèi)非選擇性代謝過程，然而，最近的研究表明，酵母菌和哺乳動物中普遍存在多種類型的選擇性自噬(選擇性自噬指在某些情況下，自噬可以專一的識別、隔離和降解特定的大分子或細胞器)，其中以特定降解受損線粒體或細胞內(nèi)過量線粒體以維持能量代謝平衡的線粒體自噬(Mitophagy)目前在DCM中研究最為普遍和透徹。

2 自噬在DCM中的作用

當(dāng)前研究已經(jīng)證實，自噬在DCM發(fā)生發(fā)展過程中起到關(guān)鍵性的作用，且在不同類型的糖尿病心臟中作用不盡相同。

2.1 自噬在1型糖尿病心臟中的作用雖然早先有研究提出，在1型糖尿病中，胰島素的絕對缺乏可阻礙葡萄糖和脂肪酸的有效吸收，使受影響的細胞處于饑餓狀態(tài)；胰島素信號的減弱以及饑餓信號的增強會導(dǎo)致自噬水平的增強，自噬的增強補償了1型糖尿病患者維持心臟功能的能量不足[3]。此觀點隨后在鏈脲佐菌素(streptozotocin，STZ)誘導(dǎo)的1型糖尿病小鼠模型及大鼠模型中再次獲得了驗證[4-5]。然而，最近更多研究認為在1型糖尿病中，心肌細胞的自噬是受到抑制的。此結(jié)論在OVE26小鼠模型(常用的1型糖尿病基因工程動物模型)、STZ誘導(dǎo)的1型糖尿病小鼠及大鼠模型中都得到證實[6-8]。糖尿病心肌細胞的自噬抑制可能造成凋亡信號增加、氧自由基持續(xù)積累、線粒體和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激延長，從而直接或間接介導(dǎo)DCM的發(fā)生、發(fā)展。

2.2 自噬在2型糖尿病心臟中的作用目前關(guān)于2型糖尿病心肌細胞的自噬情況，研究界仍沒有一個準確的定論。有研究發(fā)現(xiàn)，高脂飲食(high-fat diet，HFD)(60 kcal% fat)誘導(dǎo)的2型糖尿病小鼠，其心肌細胞的自噬通量前期增加，在6周時達到頂峰，隨后逐漸減弱，在2個月后恢復(fù)到基線水平；進一步研究發(fā)現(xiàn)，增加的自噬主要為線粒體自噬[9]。如果抑制HFD誘導(dǎo)的2型糖尿病小鼠心臟中的線粒體自噬，會導(dǎo)致受損線粒體的堆積以及隨后心臟結(jié)構(gòu)和功能的障礙，加劇心肌??；而激活線粒體自噬可以預(yù)防HFD誘導(dǎo)的DCM[10]。線粒體自噬對于2型糖尿病心臟功能的維持至關(guān)重要。相反，一些研究聲稱，自噬的過度激活阻礙心肌細胞的存活，可能是2型DCM的發(fā)病機制之一[11]。同時也有一部分研究發(fā)現(xiàn)在db/db小鼠中(經(jīng)典的自發(fā)性2型糖尿病小鼠模型)，心肌細胞的自噬是受到抑制的，且隨著自噬抑制的恢復(fù)，DCM得到明顯的改善[12]。因此，無論是1型DCM還是2型DCM，自噬狀態(tài)都仍未明確，需要進一步的研究確認。

3 自噬相關(guān)調(diào)控蛋白：DCM治療的潛在靶點

3.1 Beclin1Beclin1由BECN1基因所編碼，是酵母自噬相關(guān)蛋白6(autophagy associated protein 6，Atg6)在人類中的同源蛋白，通過與Ⅲ類磷脂酰肌醇3激酶(Class III PI3K，PI3KC3，又稱Vps34)的相互作用，從而介導(dǎo)自噬小泡的產(chǎn)生及成熟。Beclin1含有BH3結(jié)構(gòu)域(Bcl-2同源結(jié)構(gòu)域)，可與Bcl-2及Bcl-xl的BH3受體結(jié)構(gòu)域結(jié)合；Bcl-2對Beclin1有“隔離”作用，兩者之間的結(jié)合降低了Beclin1與Vps34的相互作用，從而抑制了自噬。在慢性間歇性缺氧處理的人冠狀動脈內(nèi)皮細胞中，miR-34a-5p的過表達就通過抑制Bcl-2，從而上調(diào)Beclin1介導(dǎo)的自噬效應(yīng)；該研究認為，自噬—凋亡相互作用是應(yīng)激心肌細胞的一種重要保護機制[13]。同時最近的一篇綜述提到，Beclin1的過表達(超過閾值)，會誘導(dǎo)多種癌細胞的凋亡增加[14]。Beclin1作為溝通自噬與凋亡的關(guān)鍵因子，可能成為DCM治療的有效靶點?，F(xiàn)已有研究報道，姜黃素及白藜蘆醇可通過破壞Bcl-2與Beclin1的結(jié)合，增強心肌細胞自噬并減輕細胞凋亡，以達到預(yù)防DCM的作用[15-16]。

3.2 哺乳動物雷帕霉素靶蛋白哺乳動物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin，mTOR)是一種高度保守的絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶，屬于磷脂酰肌醇3激酶相關(guān)激酶(PI3KK)超家族，其在調(diào)控細胞生長增殖和維持代謝平衡中起重要作用。mTOR的活化受到多種細胞信號的調(diào)控，包括胰島素、氨基酸、葡萄糖、細胞能量水平和應(yīng)激等。mTOR在傳導(dǎo)信號時，會形成兩種不同的三元復(fù)合物mTORC1和mTORC2。其中，mTORC1可在自噬啟動、自噬小泡成核延伸以及晚期自噬小體成熟與自噬流終止等多時相中發(fā)揮自噬抑制作用。mTOR的過度激活和磷酸化，使心肌細胞自噬處于極低水平，被認為是高糖導(dǎo)致心臟損害的機制之一[17]。而褪黑激素、胰升血糖素樣肽1受體激動劑exendin-4和liraglutide均可以通過逆轉(zhuǎn)高糖誘導(dǎo)的mTOR的過度激活或磷酸化，從而減弱葡萄糖中毒引起的心臟損害[18-19]。

3.3 AMP激活的蛋白激酶AMP激活的蛋白激酶(AMP-activated protein kinase，AMPK)是一種高度保守的由一個催化亞單位α及兩個調(diào)節(jié)亞單位β和γ組成的絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶，其對細胞內(nèi)ATP/AMP比例變化敏感，在調(diào)節(jié)葡萄糖穩(wěn)態(tài)、脂質(zhì)代謝、蛋白質(zhì)合成及線粒體生物合成中發(fā)揮核心作用。AMPK可被細胞內(nèi)AMP的升高和(或)ATP的降低激活，AMPK的激活會促進自噬的發(fā)生。當(dāng)細胞耗能增加或ATP生成減少時，AMPK主要通過磷酸化結(jié)節(jié)性硬化癥復(fù)合體2(TSC2)及mTOR調(diào)控相關(guān)蛋白(RAPTOR)來降低mTORC1的活性，從而減弱mTORC1對自噬的抑制作用，同時AMPK也可以直接磷酸化ULK1來啟動自噬。此外，AMPK還通過磷酸化Beclin1、Vps34、Atg9、FoxO3來調(diào)節(jié)自噬，并且AMPK還參與線粒體自噬。目前，大多數(shù)的研究認為，AMPK的活性降低和mTOR的過度激活導(dǎo)致自噬的抑制是糖尿病心臟損害的主要機制，激活A(yù)MPK和抑制mTOR可能成為DCM的有效靶點。事實上，西那卡塞、達格列凈以及替格瑞洛都可以通過激活A(yù)MPK減緩DCM的進展[20-21]。

3.4 叉頭盒O叉頭盒O(Forkhead box O，F(xiàn)oxO)是一類以保守的110個氨基酸所構(gòu)成的DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域(稱為“叉頭盒”結(jié)構(gòu)域)為特征的轉(zhuǎn)錄因子亞家族，在多種類型細胞中，參與調(diào)節(jié)細胞代謝、增殖、氧化應(yīng)激反應(yīng)、免疫穩(wěn)態(tài)和細胞死亡。在哺乳動物中主要有FoxO1、FoxO3、FoxO4和FoxO6四種類型，其中FoxO1和FoxO3在維持心臟功能方面起著關(guān)鍵作用。FoxO可以作為轉(zhuǎn)錄因子，與啟動子結(jié)合，誘導(dǎo)自噬相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄。FoxO的轉(zhuǎn)錄誘導(dǎo)能力受到磷酸化、乙?；?去乙?；头核鼗N翻譯后修飾的調(diào)節(jié)。胰島素或胰島素樣生長因子可通過PI3K-Akt途徑使FoxO1和FoxO3磷酸化；磷酸化的FoxO會在14-3-3蛋白的作用下發(fā)生核排斥，從而抑制其轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)功能。而AMPK可通過磷酸化胞漿中的FoxO3，促進其核轉(zhuǎn)位。FoxO1可被CBP等組蛋白乙酰轉(zhuǎn)移酶乙?；?，而胞核中的NAD+依賴性去乙?；窼irt1可使FoxO1去乙?；?，從而增強其對自噬基因的轉(zhuǎn)錄激活。此外，細胞質(zhì)中被磷酸化的FoxO還可發(fā)生多泛素化繼而被蛋白酶體降解。FoxO1的持續(xù)活化引起自噬的過度激活、心肌細胞凋亡增加，可能是DCM發(fā)展的核心機制之一。血管緊張素Ⅳ(AngⅣ)及1,25-維生素D3可通過抑制FoxO1的核轉(zhuǎn)位，降低自噬相關(guān)基因的過度表達，從而減輕糖尿病心臟的心室功能障礙、纖維化和心肌細胞凋亡[22-23]。相反，有研究報道，在400 μM的棕櫚酸處理24 h的H9C2細胞和人AC16細胞中，過氧化物酶(PXDN)的表達水平增加，并通過抑制FoxO1的表達與活性削弱自噬，參與DCM的發(fā)病[24]。但由于該結(jié)論缺乏相應(yīng)動物實驗，因此仍需進一步驗證。

3.5 NF-E2相關(guān)因子2NF-E2相關(guān)因子2(Nuclear factor-erythroid factor 2-related factor 2，Nrf2)是一種轉(zhuǎn)錄因子，能夠誘導(dǎo)多種細胞保護基因的表達，在抵御氧化應(yīng)激損害，調(diào)節(jié)細胞生存、增殖和鐵代謝中發(fā)揮重要作用。正常生理條件下，Nrf2與Kelch樣ECH相關(guān)蛋白1(Kelch-like ECH-associated protein 1，Keap1)相互作用并發(fā)生泛素化，繼而被蛋白酶體降解，使自身處于低水平狀態(tài)；氧化應(yīng)激時，Keap1半胱氨酸殘基的修飾使Nrf2從泛素化降解體系中釋放出來，釋放的Nrf2進入細胞核，并與抗氧化反應(yīng)元件(antioxidant response elements，AREs)的增強子序列結(jié)合，誘導(dǎo)相應(yīng)細胞保護基因的表達。自噬銜接蛋白SQSTM1/p62可以通過其Keap1相互作用區(qū)(KIR)與Keap1結(jié)合，從而阻礙了Keap1與Nrf2的結(jié)合，使Nrf2的泛素化受損。自噬失調(diào)會使SQSTM1/p62在胞漿中過度聚集，連同結(jié)合的Keap1一起裝載入自噬體中進行降解，進而使Nrf2得以從Keap1介導(dǎo)的泛素化降解中釋放而被激活。最近有研究報道，糖尿病心臟中Nrf2和Keap1表達減少并伴隨著心肌細胞凋亡和自噬的增加，別嘌呤醇可能通過提高Nrf2水平逆轉(zhuǎn)高血糖引起的氧化應(yīng)激、細胞凋亡增加及自噬過度激活，從而緩解DCM[5]。相反，在自噬受損的DCM中，Nrf2通過自噬溶酶體途徑被激活，Nrf2介導(dǎo)的轉(zhuǎn)錄增強，促進脂質(zhì)的過氧化，同時Nrf2介導(dǎo)的抗氧化防御及鐵代謝平衡發(fā)生障礙，導(dǎo)致心肌細胞鐵死亡，從而加劇了DCM的發(fā)展[25]。但是，由于目前研究Nrf2在DCM中的實驗很少，Nrf2與自噬失調(diào)的因果關(guān)系及Nrf2是否能直接影響自噬調(diào)節(jié)仍不明確。

上述自噬相關(guān)調(diào)控蛋白為當(dāng)前DCM中研究較多且可直接作用于自噬通路的關(guān)鍵因子。此外，液泡膜蛋白1(VMP1)、高遷移率組框1(HMGB1)、表皮生長因子受體(EGFR)、BIRC5等均可調(diào)控自噬，但其在DCM中缺乏文獻報道，因此本文就不具體詳述。

4 總結(jié)與展望

綜上所述，自噬失調(diào)在DCM發(fā)生、發(fā)展中起到關(guān)鍵性作用，且在不同類型的糖尿病心臟中自噬情況有所不同。Beclin1、mTOR、AMPK、FoxO及Nrf2等自噬相關(guān)調(diào)控蛋白均參與了糖尿病的心臟損害，并被認為是治療DCM的潛在靶點。然而，自噬在DCM中的具體狀態(tài)及確切作用機制尚不十分清楚，自噬相關(guān)因子之間的相互作用也沒有被完全揭示，甚至在相似的研究中存在矛盾的報道，這些問題仍需進一步研究解決。