自噬在急性腎損傷中作用機制的研究進展

段 君 劉新艷

急性腎損傷(acute kidney injury, AKI)是一種臨床常見的、威脅全球公共衛(wèi)生安全的疾病，其臨床特點是腎功能(腎小球濾過率)在短期內迅速降低，表現(xiàn)為血清尿素氮(blood urea nitrogen, BUN)及肌酐(creatinine, Cr)水平的迅速升高。盡管大多數(shù)AKI患者經(jīng)治療后可在1個月內得到緩解，但仍有部分患者腎功能持續(xù)惡化，最終進入腎臟替代治療階段。據(jù)估算，全球每年約有1300萬例新發(fā)AKI患者，并有約1700萬例死于AKI相關疾病[1]。而院內獲得性AKI較社區(qū)獲得性AKI發(fā)生率更高且預后更差，一項回顧了312個大型隊列研究的系統(tǒng)Meta分析顯示，住院期間AKI的綜合發(fā)生率為成人21.6%，兒童33.7%，AKI患者總病死率為成人23.9%，兒童13.8%[2]。AKI的常見危險因素分為腎前性、腎性及腎后性3種類型。主要包括血容量不足、藥物、感染、手術、尿路梗阻等因素。有研究顯示，缺血再灌注損傷(ischemia reperfusion injury，IRI)、炎癥(inflammation)、自噬(autophagy)、凋亡在AKI的發(fā)病機制過程中發(fā)揮著重要作用[3]。近年來，越來越多的研究關注到了自噬在AKI中發(fā)揮的重要作用，本文將對該內容進行綜述。

一、自 噬

1963年Christian de Duve(溶酶體發(fā)現(xiàn)者)描述了在溶酶體內部存在細胞器的現(xiàn)象，并將該現(xiàn)象命名為自噬，意即“自食(self-eating)”。1990年后，隨著大隅良典在酵母中發(fā)現(xiàn)了自噬相關基因(autophagy-related gene, ATG)及自噬相關蛋白，人們對自噬的研究興趣逐漸增加。自噬是一種受到毒物、缺氧、感染、應激等外界環(huán)境改變時，機體為適應環(huán)境而進行的自我降解細胞器及高分子物質的主動過程[4]。溶酶體介導的自噬可分為巨自噬、微自噬以及伴侶介導的自噬3種類型，其中巨自噬(即通常所指的自噬)研究最為普遍。在巨自噬過程中，損傷的蛋白質和細胞器被自噬小泡包裹，形成自噬小體，之后自噬小體與溶酶體融合，在溶酶體的作用下消化為低分子物質供機體繼續(xù)利用。在上述過程中，自噬小體的形成需要多種蛋白復合體的共同參與：ULK1(unc-51 like kinase 1)復合體、Beclin-1復合體、ATG9和空泡膜蛋白1(vacuolar membrane protein 1,VMP1)復合體以及ATG12-ATG5-ATG16蛋白復合體和微管相關蛋白1輕鏈3-Ⅱ(microtubule associated protein 1 light chain 3-Ⅱ, LC3-Ⅱ)泛素樣蛋白共軛系統(tǒng)。自噬小體組裝完成后與溶酶體融合形成自噬溶酶體，但融合過程的詳細機制仍未完全明確，目前已知脂滴相關Rab蛋白7可能通過標記自噬體參與了融合的過程[5]。此外，自噬過程并不是盲目地包裹所有蛋白，而是在p62的標記作用下有選擇的進行。

二、自噬在AKI中的作用機制

通過選擇性敲除小鼠近端腎小管上皮細胞的ATG7基因，人們發(fā)現(xiàn)即便是正常飲食飼養(yǎng)情況下的小鼠，其腎小管細胞在缺失ATG7后LC3和p62蛋白發(fā)生聚積并且腎臟損傷分子1(kidney injury molecule-1, KIM-1)表達也增加[6]，這提示自噬的缺失可以導致腎臟的損傷。另一項研究通過在IRI、順鉑誘導、單側輸尿管梗阻(unilateral ureteral obstruction，UUO)3種AKI小鼠模型中敲低和過表達Beclin-1發(fā)現(xiàn)，Beclin-1在AKI損傷后的腎臟功能恢復過程中具有重要意義，而外源性注射Beclin-1也可以減輕腎臟纖維化且有助于腎臟從AKI中恢復[7]。由此可見自噬在AKI中發(fā)揮著至關重要作用。但自噬在AKI中的作用機制尚未完全明確，本文以下內容將就這一問題進行闡述。

1.AMPK/mTOR通路：腺苷酸激活蛋白激酶(AMP-activated protein kinase，AMPK)是一種廣泛存在于各種細胞及組織中的絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶，主要受到AMP/ATP比值水平的調控[8]。哺乳動物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin，mTOR)也是細胞內的一種絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶，其主要在細胞生長增殖以及受到外界環(huán)境改變時做出反應中發(fā)揮作用[9]。AMPK和mTOR是兩個主要的自噬調控分子。其中，mTOR通過使ULK1復合體磷酸化抑制自噬的激活，而AMPK通過抑制mTOR復合體1起到激活自噬的作用，此外，AMPK也可以直接與ULK1復合體結合來激活自噬[9]。也就是說，AMPK和mTOR在自噬的起始階段分別發(fā)揮著正向和負向的作用，二者共同調控著自噬的激活。有研究表明，在金屬鉍誘導的AKI中， mTOR復合體1的抑制劑雷帕霉素(rapamycin,RAPA)通過增強自噬水平可以降低受損小鼠血清BUN及Cr水平，該過程中的自噬主要是由AMPK/mTOR通路來調控，可以對AKI起到保護性作用[10]。另外，鋅指E-盒結合同源異型盒蛋白1(Zinc-finger E-box-binding homeobox 1, ZEB1)也可以通過AMPK/mTOR通路激活自噬從而減輕了盲腸穿孔所致的AKI，過表達ZEB1組大鼠的血清BUN及Cr均明顯降低[11]。這些研究均表明，AMPK/mTOR通路通過調控自噬水平在AKI中發(fā)揮了重要作用。

2.PI3K/Akt/mTOR通路：磷脂酰肌醇3-激酶/蛋白激酶B/哺乳動物雷帕霉素靶蛋白(phosphatidylinositol-3-kinase/protein kinase B/mammalian target of rapamycin, PI3K/Akt/mTOR)也是一條調節(jié)自噬的重要通路，其中PI3K是細胞膜的組成成分，Akt是PI3K下游的直接信號分子，PI3K將Akt磷酸化后即可激活mTOR，從而發(fā)揮抑制自噬的作用[12]。Zhao等[13]采用LPS構建大鼠AKI模型，實驗結果顯示，與對照組比較，用右美托咪定預處理的大鼠在注射LPS后，BUN及Cr水平、尿液中的KIM-1、中性粒細胞明膠酶相關載脂蛋白(neutrophil gelatinase-associated lipocalin, NGAL)、活性氧(reactive oxygen species， ROS)均有所下降。他們認為LPS可以通過激活PI3K/Akt/mTOR通路抑制自噬體的形成，從而導致受損的細胞器及高分子不能被及時清除，之后ROS以及細胞色素C從受損細胞器中釋放，進而誘導氧化應激及凋亡的發(fā)生。而右美托咪定可以通過與腎上腺素能受體α2結合來抑制PI3K/Akt/mTOR通路，進而增強自噬發(fā)揮其腎臟保護作用。這項研究也提示了右美托咪定在AKI治療中的潛在價值，但仍有待進一步的研究來證實。在順鉑誘導的AKI模型[14]中，順鉑在導致腎臟損傷的同時也激活了Toll樣受體2(toll-like receptor 2,TLR2)，隨后TLR2將PI3K/Akt磷酸化來提高腎小管上皮細胞中的自噬水平，從而在順鉑導致的AKI中起到保護腎臟的作用。而在敲除TLR2后保護作用則消失，小鼠血清中BUN和Cr水平也較對照組明顯升高。綜上，抑制PI3K/Akt/mTOR通路可以上調自噬從而在AKI中發(fā)揮積極的保護作用，進而緩解腎臟的受損情況。

3.SIRTs家族：Sirtuins (SIRTs)家族是一種煙酰胺腺嘌呤二核苷酸依賴的組蛋白去乙酰酶的保守分子家族[15]。SIRTs在應激、新陳代謝以及衰老方面發(fā)揮重要作用，SIRT1～7在哺乳動物中表達，其中SIRT3～5定位于線粒體中[16]。有報道稱SIRT3在盲腸結扎穿刺術所誘導的AKI模型中可以發(fā)揮保護腎臟的作用，具體機制為SIRT3通過對AMPK/mTOR通路的調控上調自噬水平進而減輕凋亡及炎性細胞因子在細胞內的聚積[17]。此外，SIRT1及其激動劑白藜蘆醇在膿毒癥誘導的AKI中可以通過使Beclin-1以及p53去乙?；M而上調自噬水平來發(fā)揮保護作用[18,19]。SIRT6在LPS誘導的AKI中也可以發(fā)揮保護作用，在HK-2細胞中過表達SIRT6減輕了LPS所誘導的炎癥及凋亡，并且增強了自噬水平，而敲除SIRT6后上述保護作用均消失[20]。這些研究均證實了SIRT家族在AKI中可以通過增強自噬來發(fā)揮保護腎功能的作用。

4.叉頭轉錄因子O亞型家族：叉頭轉錄因子O亞型(forkhead box class O transcription factors,FoxO)是一種在自噬基因表達中發(fā)揮重要調控作用的轉錄因子家族，F(xiàn)oxO可以通過轉錄和轉錄后調控以及表觀遺傳調控來調節(jié)自噬基因的轉錄活性，F(xiàn)oxO-自噬軸在肝臟、腎臟以及大腦的穩(wěn)態(tài)維持方面起著關鍵作用[21]。研究發(fā)現(xiàn)在UUO小鼠模型和低氧誘導的腎小管細胞損傷模型中，與對照組比較，損傷組的FoxO3和自噬相關基因及蛋白表達均增加，而敲除FoxO3后自噬水平明顯下降。該研究證明在低氧誘導的腎小管損傷中FoxO3可以上調自噬表達，但對于FoxO3是如何被調控的仍未闡明[22]。目前關于FoxO-自噬軸在IRI、順鉑等AKI模型中的研究報道仍較少，F(xiàn)oxO-自噬軸在AKI中的作用仍需要更多的研究來闡明。

5.核轉錄因子2：核轉錄因子2(nuclear factor-erythroid 2-related factor 2，Nrf2)是一種調控抗氧化應激的轉錄因子，在機體的抗氧化過程中起著重要作用[23]。血紅素氧合酶1(heme oxygenase-1，HO-1)是Nrf2下游的信號分子。有研究表明，在腎臟的IRI中，夾閉腸系膜上動脈進行缺血后再適應可以激活Nrf2/HO-1信號通路，隨后發(fā)揮激活自噬流、抗炎以及抗氧化的作用[24]。其中，實驗組較對照組的血清BUN、Cr和NGAL均有所下降。這項研究提出了一個AKI損傷后新的干預措施，即進行腸系膜上動脈的缺血再灌注適應，但這項干預措施能否應用于臨床仍需要進一步的深入研究。還有研究指出，原花青素B2可以促進Nrf2從胞質進入胞核中，使HO-1、超氧化物歧化酶、谷胱甘肽等抗氧化物質表達增加，降低細胞ROS水平，增強線粒體自噬從而保護線粒體功能[25]。綜上所述，Nrf2/HO-1通路可以通過激活自噬發(fā)揮保護腎臟的功能。

6. TGF-β活化激酶1：TGF-β活化激酶1(TGF-β activated kinase 1,TAK1)是一種細胞內的絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶。其生物學功能主要是調控細胞的生長分化、自噬、凋亡和免疫炎性反應。Zhou 等[26]研究發(fā)現(xiàn)，TAK1在順鉑誘導的AKI中被激活，隨后TAK1通過使p38和ERK磷酸化，激活自噬通路，過強的自噬反應導致了AKI的發(fā)生。該團隊還發(fā)現(xiàn)小鼠在注射TAK1抑制劑后，較對照組血清BUN和Cr水平均有所下降。該項研究與其他證實自噬在AKI中具有保護作用的觀點有所不同，該團隊認為，順鉑誘導的AKI中過強的自噬水平是造成腎臟損傷的原因，當抑制TAK1從而抑制自噬通路后，小鼠的腎臟功能(血清BUN和Cr水平)均有所恢復。這也提示自噬在AKI中可能發(fā)揮的是一種“雙刃劍”的作用。過強的自噬水平可能會導致AKI的發(fā)生，而一定水平內的自噬可以發(fā)揮保護作用。此外，這種兩面作用也可能是由于實驗條件、建模方法以及藥物劑量等因素所造成的。關于自噬在AKI中究竟是一種保護機制還是損傷的原因，仍需要更多的研究來證實。

7.PINK1/Parkin通路和HIF-1α/BNIP3通路：PTEN誘導激酶1(PTEN-induced putative kinase,PINK1)/帕金森病相關基因(Parkin)通路是介導線粒體自噬的一種途徑[27]。在腎臟受到IRI及造影劑損傷后，PINK1/Parkin通路被激活，之后自噬小體形成，對受損的線粒體進行降解，減少了ROS和核苷酸結合寡聚化結構域樣受體蛋白3(nucleotide binding oligomerization domain - like receptor protein 3,NLRP3)炎癥小體的形成，進而抑制其下游有活性的caspase以及白細胞介素的形成，減輕了細胞凋亡的發(fā)生，保護了腎小管細胞及腎臟功能。

低氧誘導因子1α(hypoxia inducible factor-1α,HIF-1α)/ Bcl-2/腺病毒E1B相互作用蛋白3(Bcl-2/adenovirus E1B interacting protein 3,BNIP3)通路也參與了線粒體自噬的過程。Fu等[28]研究表明，敲除HIF-1α使IRI處理的腎臟和缺氧復氧損傷處理的HK-2細胞自噬表達減弱、凋亡及ROS表達增多，而過表達HIF-1α的下游分子BNIP3可使自噬增強、凋亡及ROS減弱，從而起到阻止腎臟受損的作用。該研究證實，在腎臟受到IRI后，使線粒體受損的同時也激活了HIF-1α/BNIP3介導的線粒體自噬信號通路，從而清除了受損線粒體，抑制了胞質內ROS的產(chǎn)生及細胞凋亡的發(fā)生，進而在AKI中起到保護腎臟的作用。所以，線粒體結構及功能的完整對于腎臟正常功能的保護有著重要意義。

三、展 望

綜上所述，自噬是一種在細胞受到外界損傷時能夠清除受損細胞器及蛋白的主動過程，在AKI中，自噬可以通過AMPK/mTOR、PI3K/Akt/mTOR、PINK1/Parkin、HIF-1α/BNIP3、SIRT、FoxO、Nrf2以及TAK1等多種信號通路及蛋白分子發(fā)揮調控功能。大多數(shù)研究均認為自噬在AKI中能夠發(fā)揮減輕腎臟損傷的保護作用，但也有研究認為過強的自噬是造成AKI的原因。因此，希望看到更多該方面內容的報道來進一步明確自噬在AKI中的作用。此外，筆者還希望看到更多基于調控自噬水平的藥物在AKI方面的研究報道，這也能夠為治療AKI提供新的可能方向。