自噬調(diào)節(jié)衰老相關(guān)疾病的研究進(jìn)展

劉亞輝 王萱 金明

(延邊大學(xué)醫(yī)學(xué)院生物化學(xué)與分子生物學(xué)教研室，吉林 延吉 133002)

1963年，de Duve C〔1〕基于當(dāng)時(shí)溶酶體研究領(lǐng)域的成果，將溶酶體降解細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)的方式稱為“自噬”。衰老指年齡增長導(dǎo)致的機(jī)體抗氧化能力、細(xì)胞防御能力等減弱，相關(guān)疾病發(fā)病率上升的現(xiàn)象。隨全球老齡化加劇，衰老相關(guān)疾病研究已成為全球關(guān)注的焦點(diǎn)。研究發(fā)現(xiàn)，自噬在維持機(jī)體生存、內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)和細(xì)胞內(nèi)組織成分循環(huán)再利用中均起到重要作用，并參與調(diào)節(jié)代謝、衰老和神經(jīng)退行性病變等〔2～4〕。本文關(guān)注于細(xì)胞自噬在衰老相關(guān)疾病中的進(jìn)展，并對(duì)其進(jìn)行綜述。

1 自噬的概述

自噬是一種在真核細(xì)胞生物中高度保守的進(jìn)化過程〔5〕，是胞內(nèi)成分的一種降解途徑。自噬的過程是細(xì)胞受到胞內(nèi)外刺激后，細(xì)胞中過量和受損成分、細(xì)胞器及有害物質(zhì)等轉(zhuǎn)運(yùn)到溶酶體中進(jìn)行降解，其降解產(chǎn)物中可再利用的成分，被釋放到胞質(zhì)，供細(xì)胞使用并為細(xì)胞提供能量〔2,6〕。

1.1自噬的分類 根據(jù)胞內(nèi)物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)到溶酶體內(nèi)的途徑不同，將自噬分為巨自噬、微自噬和分子伴侶介導(dǎo)的自噬(CMA)三類。①巨自噬：始于自噬小體形成，在細(xì)胞質(zhì)中，自噬小體是由小的膜囊延伸封閉形成的雙膜小泡結(jié)構(gòu)。自噬小體與溶酶體融合后其內(nèi)膜和內(nèi)容物被溶酶體機(jī)制降解；②微自噬：溶酶體膜內(nèi)陷或凸起捕獲胞質(zhì)中較小成分，轉(zhuǎn)移到溶酶體中進(jìn)行降解的過程；③CMA：胞內(nèi)伴侶蛋白HSC70識(shí)別KFERQ樣基序，促進(jìn)胞質(zhì)蛋白通過溶酶體膜受體(LAMP)-2A的直接運(yùn)輸，在溶酶體中降解的過程〔7,8〕。巨自噬是研究最多，最廣泛的自噬類型；微自噬的研究進(jìn)展則相對(duì)緩慢；CMA僅在哺乳動(dòng)物中被發(fā)現(xiàn)〔6〕。

1.2自噬過程 以巨自噬為例，自噬始于自噬體形成，并涉及多種自噬相關(guān)基因(ATGs)。機(jī)體誘導(dǎo)自噬后，抑制哺乳動(dòng)物雷帕霉素靶蛋白(mTOR)1復(fù)合物、激活單磷酸腺苷活化激酶(AMPK) 促使UNC-51樣激酶(ULK)1 復(fù)合物易位至內(nèi)質(zhì)網(wǎng)，與液泡膜蛋白(VMP)1短暫締合，激活含有Beclin1(酵母ATG6的哺乳動(dòng)物同源物)、ATG14L、液泡分選蛋白(Vps)34和15的Ⅲ類磷脂酰肌醇3激酶(PI3K) 復(fù)合物，同時(shí)招募雙FYVE結(jié)構(gòu)域蛋白(DFCP)1 與磷酸肌醇相互作用蛋白(WIPI)2〔9〕。隔離膜(形成自噬小體的膜結(jié)構(gòu))的擴(kuò)展延伸需要兩種泛素樣結(jié)合系統(tǒng)共同完成，一種是ATG5-ATG12耦聯(lián)系統(tǒng)，另一種是微管相關(guān)蛋白1輕鏈3-磷脂酰乙醇胺(LC3-PE) 系統(tǒng)〔10〕。在ATG7與ATG10的介導(dǎo)下，ATG5和ATG12形成ATG5-ATG12復(fù)合體，進(jìn)一步與ATG16L1結(jié)合形成ATG5-ATG12-ATG16L1復(fù)合體。該復(fù)合體與DFCP1和WIPI2共同附著在隔離膜外表面，增加隔離膜的適當(dāng)曲率并參與LC3的脂質(zhì)化〔11〕。ATG4切割LC3后形成LC3-Ⅰ，ATG5-ATG12-ATG16L1復(fù)合體、ATG7和ATG3促使LC3-Ⅰ與PE結(jié)合生成LC3-Ⅱ，延長并封閉隔離膜，形成自噬小體。LC3-Ⅱ附著在自噬小體內(nèi)、外表面，直至與溶酶體融合，自噬小體中的內(nèi)容物被降解，至此完成一次自噬過程。在自噬小體形成的過程中，細(xì)胞內(nèi)容物的選擇與自噬銜接蛋白P62/SQSTM1有關(guān)。膜表面的LC3-Ⅱ與P62相互作用，P62包含泛素結(jié)合域和LC3相互作用區(qū)來螯合并遞送泛素化蛋白〔12〕，并且P62可以獨(dú)立募集蛋白聚集體，進(jìn)而在溶酶體中進(jìn)行降解。

2 自噬與衰老

衰老是從細(xì)胞到個(gè)體中普遍存在的現(xiàn)象，衰老細(xì)胞代謝功能減弱，細(xì)胞中異常及受損細(xì)胞器累積，致使組織器官生理功能下降，最終導(dǎo)致疾病的發(fā)生發(fā)展。衰老是不可避免的，但自噬的清除能力可緩解這種現(xiàn)象。

2.1自噬通路與衰老 AMPK和mTOR信號(hào)通路是自噬的經(jīng)典途徑，當(dāng)機(jī)體出現(xiàn)營養(yǎng)缺乏，可導(dǎo)致細(xì)胞能量和ATP水平降低，激活A(yù)MPK啟動(dòng)自噬；還可誘導(dǎo)mTORC1的失活，進(jìn)一步促進(jìn)ULK1與ATGs形成ULK1復(fù)合物，激活Beclin1促進(jìn)自噬〔13,14〕。在AMPK磷酸化并激活ULK1的同時(shí)又抑制mTORC1的磷酸化，提示AMPK和mTOR途徑可以協(xié)同調(diào)節(jié)自噬〔9〕。Chen等〔15〕研究發(fā)現(xiàn)，尿石素A通過抑制mTOR信號(hào)通路增強(qiáng)自噬，可逆轉(zhuǎn)D-半乳糖誘導(dǎo)的小鼠腦衰老。Li等〔16〕通過對(duì)高糖刺激心肌細(xì)胞的衰老機(jī)制研究發(fā)現(xiàn)，外源性H2S可通過激活SIRT6/AMPK信號(hào)通路，上調(diào)自噬相關(guān)蛋白ATG5、ATG12、ATG16L1和AMPK、LC3-Ⅱ/Ⅰ，Beclin1等的表達(dá)，誘導(dǎo)自噬，抑制心肌細(xì)胞衰老并改善糖尿病性心肌纖維化。

2.2選擇性自噬與衰老 自噬銜接蛋白(例P62和NBR1等)識(shí)別細(xì)胞器或細(xì)胞內(nèi)特定物質(zhì)并對(duì)其進(jìn)行降解的過程稱為選擇性自噬。自噬銜接蛋白可選擇性識(shí)別線粒體(線粒體自噬)、過氧化物酶體(過氧化物酶體自噬)、脂滴(脂噬)和蛋白質(zhì)聚集體(聚集體自噬)等物質(zhì)〔17～19〕。細(xì)胞內(nèi)過量或損傷的線粒體被特異性識(shí)別并降解的過程稱為線粒體自噬。線粒體與能量和ROS的產(chǎn)生有關(guān)，饑餓狀態(tài)下，線粒體ROS激活A(yù)TG4誘導(dǎo)線粒體自噬，進(jìn)而調(diào)節(jié)ROS水平，減緩老化〔14〕。排除外界因素，線粒體損傷后膜電位降低可啟動(dòng)線粒體自噬，PTEN誘導(dǎo)假定激酶(PINK)1和E3泛素連接酶(Parkin)激活可參與調(diào)解自噬，清除受損線粒體〔20〕。通過Parkin介導(dǎo)的泛素化和NAD+/NADH的比值升高對(duì)線粒體的質(zhì)量控制進(jìn)行調(diào)節(jié)〔21,22〕，平衡線粒體的自噬與合成，促進(jìn)長壽〔23〕。溶酶體降解系統(tǒng)特異性識(shí)別并降解脂滴的過程稱為脂噬，在多種臟器或組織中均可發(fā)生，脂噬影響細(xì)胞內(nèi)脂質(zhì)存儲(chǔ)量的適宜、能量供應(yīng)及機(jī)體健康〔24，25〕。自噬進(jìn)程伴隨大量能量消耗，通過降解產(chǎn)能或儲(chǔ)能的物質(zhì)(線粒體或脂滴)從而影響衰老。

3 自噬與衰老相關(guān)疾病

大量研究表明，自噬普遍參與生理及病理過程，是調(diào)節(jié)衰老的關(guān)鍵機(jī)制之一。隨著年齡增長，機(jī)體的溶酶體功能減弱、自噬活力下降，導(dǎo)致受損或過量的細(xì)胞器和蛋白質(zhì)累積、抵御細(xì)菌病毒感染機(jī)體的能力減弱。而適當(dāng)增加自噬能延緩衰老相關(guān)疾病發(fā)生。

3.1神經(jīng)退行性疾病 自噬被認(rèn)為是蛋白質(zhì)的循環(huán)穩(wěn)定系統(tǒng)，維持細(xì)胞和神經(jīng)元中的蛋白質(zhì)動(dòng)態(tài)平衡。隨著機(jī)體逐漸衰老，神經(jīng)退行性疾病的患病概率顯著增加。其中最常見的神經(jīng)退行性疾病包括阿爾茨海默病(AD)、帕金森病(PD)和亨廷頓舞蹈病(HD)等。AD是老年人進(jìn)行性癡呆癥最常見的形式，其主要病理特征表現(xiàn)為神經(jīng)細(xì)胞外β-淀粉樣蛋白(Aβ)的異常聚集〔26〕。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)AD大腦中的自噬小泡遠(yuǎn)多于正常大腦，大腦中早老蛋白(PS)1跨膜蛋白促進(jìn)自噬體與溶酶體融合，增強(qiáng)自噬作用，減少Aβ積累，而PS1突變或PS1 Ser367磷酸化水平降低，可減緩自噬，造成Aβ積累，促進(jìn)AD進(jìn)程〔27～29〕。研究表明，在衰老大腦和AD大腦中Beclin1表達(dá)水平降低，并通過體內(nèi)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)Beclin1缺乏導(dǎo)致自噬水平下降，Aβ在神經(jīng)元內(nèi)積累導(dǎo)致神經(jīng)變性〔30，31〕。Zhu等〔32〕研究證實(shí)牛蒡子苷可通過增強(qiáng)自噬促進(jìn)Aβ的清除，減少AD小鼠老年斑的形成，改善AD小鼠的記憶障礙。Bi等〔33〕發(fā)現(xiàn)不飽和甘露糖醛酸低聚糖通過降低Aβ1-42表達(dá)，促進(jìn)自噬，對(duì)AD進(jìn)行有效干預(yù)。

PD是與年齡相關(guān)的神經(jīng)變性所致疾病，主要特征為黑質(zhì)中的多巴胺能神經(jīng)元進(jìn)行性丟失。神經(jīng)元中具有富含α-突觸核蛋白的路易小體和路易神經(jīng)突，其中α-突觸核蛋白的表達(dá)水平與疾病進(jìn)程相關(guān)，機(jī)體可以通過選擇性自噬清除α-突觸核蛋白，延緩PD的發(fā)生〔34,35〕。PD分為常染色體顯性遺傳和隱性遺傳兩種，富含亮氨酸的重復(fù)激酶(LRRK)2突變是最常見的PD常染色體顯性遺傳因素，但LRRK2對(duì)自噬的作用尚存爭議，PD常染色體隱性遺傳由PINK1和Parkin的突變引起，PINK1與Parkin共同調(diào)節(jié)線粒體自噬〔34〕。線粒體受損后，PINK1在受損線粒體外膜上累積，激活并募集Parkin，使線粒體泛素化，誘導(dǎo)線粒體自噬發(fā)生，而基因突變破壞了Parkin在線粒體中的募集，抑制Parkin的活性等變化，使自噬受損，誘發(fā)PD〔36，37〕。PD的發(fā)生與線粒體功能障礙有關(guān)，馬琳等〔38〕研究發(fā)現(xiàn)，衰老可加重線粒體功能障礙，加速PD進(jìn)展。

HD是一種聚谷氨酰胺(polyQ)擴(kuò)增性常染色體顯性遺傳病，由亨廷頓蛋白(HTT) 中的基因突變引起，突變HTT(mHTT) 引起自噬小體轉(zhuǎn)運(yùn)障礙，識(shí)別降解受損線粒體的能力減弱，mTOR通路誘導(dǎo)自噬，可以減少mHTT聚集，減輕對(duì)神經(jīng)元細(xì)胞的毒性作用〔39,40〕。在HD中，mHTT可以募集Beclin1并與之結(jié)合，抑制細(xì)胞自噬發(fā)生〔41〕。Li等〔42〕通過自噬途徑研發(fā)了一種小分子綁定化合物(ATTEC)，ATTEC將LC3與mHTT或其他致病物質(zhì)特異性黏合至自噬小體中進(jìn)行降解以治療HD。

3.2代謝性疾病 機(jī)體的代謝能力隨年齡增長逐漸降低，相關(guān)疾病越來越多。骨質(zhì)疏松由骨代謝平衡失調(diào)引起，且原發(fā)性骨質(zhì)疏松中老年性骨質(zhì)疏松最為常見。自噬在維持骨代謝的成骨細(xì)胞、破骨細(xì)胞及骨細(xì)胞中發(fā)揮重要作用，自噬相關(guān)基因P62、LC3、Beclin1、ATG等對(duì)細(xì)胞的分化及生理功能具有重要作用〔43〕。多種應(yīng)激源誘導(dǎo)骨代謝失衡后，自噬異?？梢约铀俟琴|(zhì)疏松的發(fā)展。Sabbieti等〔44〕發(fā)現(xiàn)，P62DNA在炎癥性骨丟失小鼠模型中，通過主要炎癥細(xì)胞因子的急劇下調(diào)及骨髓基質(zhì)細(xì)胞對(duì)內(nèi)源性P62蛋白表達(dá)上調(diào)發(fā)揮抗骨質(zhì)疏松活性。Ma等〔45〕研究表明，在衰老骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞中，ATG7、Beclin1和LC3Ⅱ/Ⅰ蛋白表達(dá)下調(diào)，P62蛋白表達(dá)上調(diào)，抑制自噬發(fā)生，而激活自噬可以恢復(fù)其分化及增殖功能，減輕小鼠的骨質(zhì)衰老。Zhang等〔46〕的一項(xiàng)人類基因研究發(fā)現(xiàn),調(diào)控自噬通路的基因與橈骨遠(yuǎn)端骨密度變化密切相關(guān)。上述研究證實(shí)自噬對(duì)骨代謝具有一定的調(diào)控作用，有望成為未來臨床治療骨質(zhì)疏松的重要手段。

3.3腫瘤 腫瘤屬于典型衰老進(jìn)行性疾病，自噬在腫瘤進(jìn)程中起促進(jìn)或抑制作用。自噬的短暫激活根據(jù)細(xì)胞環(huán)境和腫瘤分期等因素促進(jìn)或抑制腫瘤進(jìn)程，自噬的持續(xù)激活通過降解細(xì)胞存活所必需的成分致使細(xì)胞衰老〔47〕。在癌癥早期，Hamurcu等〔48〕通過降低Beclin1和LC3水平，可明顯抑制乳腺癌細(xì)胞的增殖、侵襲和遷移。但Liu等〔49,50〕及Xie等〔51〕發(fā)現(xiàn)通過減少ATG5或ATG7的表達(dá)，可延緩衰老促進(jìn)黑色素瘤的細(xì)胞增殖與發(fā)展。在癌癥晚期，自噬的功能能夠滿足腫瘤細(xì)胞增殖的高要求，克服缺氧壓力或營養(yǎng)耗竭壓力。Beclin1、ATG5水平降低促進(jìn)膠質(zhì)母細(xì)胞瘤轉(zhuǎn)移，而通過營養(yǎng)限制增強(qiáng)自噬后，轉(zhuǎn)移作用被抑制〔52〕。Lawson等〔53〕研究結(jié)果表明，自噬基因在腫瘤微環(huán)境中可介導(dǎo)腫瘤的免疫逃逸。

總之，大量研究顯示自噬在癌前抑制癌癥發(fā)生，在惡性病變后促進(jìn)疾病發(fā)展?；谧允蓪?duì)不同腫瘤類型、自噬相關(guān)基因敲除及癌癥進(jìn)程等方面具有不同的效果，通過自噬治療腫瘤仍存有許多未知及挑戰(zhàn)，進(jìn)一步了解自噬在腫瘤方面的差異性和潛在機(jī)制，或許會(huì)取得更好地臨床療效。

4 靶向自噬對(duì)衰老相關(guān)疾病的治療藥物及方法

自噬抑制劑及誘導(dǎo)劑通過調(diào)節(jié)自噬來調(diào)節(jié)衰老相關(guān)疾病。3-甲基腺嘌呤(MA)和LY294002是最常見的自噬抑制劑，通過抑制Ⅲ類PI3K復(fù)合物的形成抑制自噬；溶酶體抑制劑氯喹(CQ)，羥氯喹(HCQ)和巴佛洛霉素(Baf)A1等通過抑制自噬體與溶酶體融合阻斷自噬通量抑制自噬〔54〕。自噬抑制劑通過消除癌癥治療中的耐藥性，增強(qiáng)抗腫瘤療法對(duì)癌癥患者的治療效果〔55〕。而許多生物活性物質(zhì)可促進(jìn)自噬：雷帕霉素已被證實(shí)對(duì)細(xì)胞及生物體具有抗衰老作用，最新研究發(fā)現(xiàn)雷帕霉素通過增強(qiáng)自噬水平抑制ROS的產(chǎn)生，減緩紫外線誘導(dǎo)的成纖維細(xì)胞的光老化〔56〕；二甲雙胍通過增強(qiáng)自噬減輕糖尿病腎病的氧化應(yīng)激〔57〕；小檗堿通過抑制衰老中的神經(jīng)炎癥減輕術(shù)后的認(rèn)知障礙〔58〕；尿石素A可以預(yù)防與年齡相關(guān)的肌肉功能喪失(肌肉減少癥)并對(duì)腦衰老小鼠具有保護(hù)作用〔15，59〕。

流行病學(xué)顯示，熱量限制(CR)是一種維持人體健康水平的長壽因素，并且已經(jīng)證實(shí)CR可以激活或改善自噬〔60〕。CR是指機(jī)體在不缺少生存所必需的營養(yǎng)物質(zhì)的情況下，減少機(jī)體總熱量攝入的30%～40%?；趍TOR在能量方面的敏感性，CR期間，mTOR活性降低，啟動(dòng)自噬。這有助于延長果蠅、蠕蟲、昆蟲、酵母、小鼠及靈長類等生物的壽命〔14,61〕。針對(duì)哺乳動(dòng)物的大量CR研究結(jié)果顯示，動(dòng)物的組織器官中出現(xiàn)了不同程度的自噬，激活A(yù)MPK途徑，增加自噬基因表達(dá)，維持血糖水平〔62～64〕，延長動(dòng)物壽命，并且延緩衰老相關(guān)疾病的發(fā)病速度〔65〕。綜上，自噬是維持體內(nèi)平衡的重要機(jī)制之一，其異?？烧T發(fā)多種疾病。大量研究證實(shí)在衰老機(jī)體中，增強(qiáng)自噬可以延緩衰老，適當(dāng)調(diào)節(jié)自噬活力可以延緩疾病進(jìn)程。但自噬在改善疾病方面目前仍處于探索階段，很多結(jié)論仍存在爭議。隨著研究深入，自噬范疇不斷擴(kuò)大，但自噬在臨床及生活中的進(jìn)一步應(yīng)用尚待探究，期望把其變成臨床治療和保健的有效手段，從而延長壽命。