肝內(nèi)微環(huán)境誘導(dǎo)的自噬在非酒精性脂肪性肝病中的作用

寇萱萱, 張 華, 鄧婧鑫, 張建剛

蘭州大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院病理學(xué)研究所, 蘭州 730000

肝臟是人體最大的代謝器官,肝細(xì)胞是肝臟發(fā)揮功能的主要效應(yīng)細(xì)胞,與肝竇內(nèi)皮細(xì)胞、Kupffer細(xì)胞、肝星狀細(xì)胞(HSC)、免疫細(xì)胞及各種分泌因子,如生長(zhǎng)因子、細(xì)胞因子和趨化因子、細(xì)胞外基質(zhì)等共同構(gòu)成肝臟內(nèi)的微環(huán)境。器官局部微環(huán)境異常在疾病發(fā)生發(fā)展中發(fā)揮著重要的作用。非酒精性脂肪性肝病(NAFLD)是從非酒精性脂肪肝(nonalcoholic fatty liver,NAFL)到非酒精性脂肪性肝炎(nonalcoholic steatohepatitis,NASH)的一系列肝臟異常病變,病程不定,最終可演變?yōu)楦斡不透渭?xì)胞癌(HCC)。NAFLD具有顯著的微環(huán)境異常的病理特征,包括高脂、壓力、缺氧等。研究[1]表明,高血脂、高血糖、高血壓、阻塞性睡眠呼吸暫停(obstructive sleep apnea,OSA)等多種危險(xiǎn)因素都可導(dǎo)致NAFLD的發(fā)生。這些危險(xiǎn)因素在肝臟中形成異常微環(huán)境,經(jīng)多種信號(hào)通路傳導(dǎo)至細(xì)胞內(nèi),誘導(dǎo)細(xì)胞自噬水平發(fā)生相應(yīng)改變。在NAFLD中,自噬扮演著多重角色,在肝細(xì)胞、Kupffer細(xì)胞中激活后,細(xì)胞自噬可通過(guò)減少脂質(zhì)積累及肝臟炎癥損傷抵抗NAFLD的發(fā)展。但是在HSC中,自噬的激活則可誘導(dǎo)HSC的活化從而促進(jìn)肝纖維化。

1 自噬的基本過(guò)程

自噬是細(xì)胞內(nèi)一種保守的降解過(guò)程,可介導(dǎo)蛋白質(zhì)和細(xì)胞器在溶酶體中清除。自噬包含多種類(lèi)型,有微自噬、巨自噬以及分子伴侶介導(dǎo)的自噬,它們與人類(lèi)正常生理狀態(tài)的維持及疾病發(fā)展密切相關(guān)[2],但機(jī)制和功能有所不同。哺乳動(dòng)物的微自噬表現(xiàn)為溶酶體直接內(nèi)陷分化成自噬管包圍并降解周?chē)?xì)胞質(zhì),微自噬也參與線(xiàn)粒體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)等細(xì)胞器的選擇性降解[3]。在巨自噬過(guò)程中,首先形成雙膜囊泡結(jié)構(gòu)的自噬體,自噬體參與吞噬多種細(xì)胞內(nèi)物質(zhì),然后由微管運(yùn)輸至溶酶體進(jìn)行后續(xù)降解[1]。巨自噬主要有兩種類(lèi)型,在非選擇性自噬中,恰好位于自噬體形成位點(diǎn)的細(xì)胞質(zhì)成分被隨機(jī)隔離到自噬體中。在選擇性自噬中,某些分子、結(jié)構(gòu)和細(xì)胞器被稱(chēng)為“自噬受體”的特定蛋白質(zhì)識(shí)別,并被自噬體主動(dòng)吞噬。自噬對(duì)細(xì)胞器的選擇性降解,主要包括線(xiàn)粒體自噬、脂肪吞噬、溶酶體吞噬、核吞噬和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)吞噬等[4]。此外,分子伴侶介導(dǎo)的自噬也是一種選擇性自噬,主要通過(guò)熱休克同源71 kD蛋白(HSC70)特異性識(shí)別含KFERQ樣基序的蛋白質(zhì),形成底物-伴侶復(fù)合物后與溶酶體相關(guān)膜蛋白 2A 型(LAMP2A)結(jié)合,最終靶向蛋白質(zhì)底物進(jìn)行溶酶體降解[2]。目前的研究中對(duì)巨自噬的研究最深入,本文主要探討微環(huán)境誘導(dǎo)的巨自噬(以下簡(jiǎn)稱(chēng)為自噬)在NAFLD發(fā)展中發(fā)揮的作用。

隨著對(duì)巨自噬研究的加深,人們總結(jié)了自噬從起始到結(jié)束的過(guò)程,主要包括自噬啟動(dòng)、成核、自噬體形成、與溶酶體融合并降解內(nèi)容物。自噬激活的信號(hào)通常源自多種應(yīng)激事件,例如缺氧、饑餓、蛋白質(zhì)聚集、氧化應(yīng)激和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激等,通過(guò)信號(hào)傳導(dǎo)激活ULK1復(fù)合物觸發(fā)吞噬泡成核后,募集自噬相關(guān)蛋白復(fù)合物促進(jìn)自噬體膜的形成,最終由定位于自噬體膜上的微管相關(guān)蛋白輕鏈3-Ⅱ(LC3-Ⅱ)參與結(jié)合自噬底物或選擇性蛋白質(zhì)并將其隔離至自噬體內(nèi),靶向自噬體與溶酶體融合及內(nèi)容物降解[1]。在對(duì)自噬的研究中發(fā)現(xiàn),高脂、缺氧等微環(huán)境可通過(guò)調(diào)控細(xì)胞自噬影響多種疾病的發(fā)展[5-6]。在肝臟中,自噬受損可引發(fā)肝細(xì)胞損傷及脂代謝異常[7],促進(jìn)NAFLD的發(fā)展。

2 NAFLD與肝內(nèi)微環(huán)境異常

與NAFLD相關(guān)的主要危險(xiǎn)因素包括中心性肥胖、2型糖尿病、血脂異常和高血壓等[8],OSA最近也被認(rèn)定與NAFLD發(fā)展和演變相關(guān)[9]。這些危險(xiǎn)因素構(gòu)成了促進(jìn)NAFLD發(fā)生發(fā)展的肝內(nèi)復(fù)雜微環(huán)境。由代謝綜合征或高脂飲食(high fat diet,HFD)引發(fā)過(guò)量的游離脂肪酸及內(nèi)臟脂肪組織堆積,在肝臟內(nèi)形成的高脂微環(huán)境是影響NAFLD肝損傷進(jìn)展的最常見(jiàn)因素[10-11]。除血脂異常外,也有研究[12-13]報(bào)告了血壓與NAFLD之間的密切聯(lián)系。在門(mén)靜脈高壓的研究中發(fā)現(xiàn),盡管沒(méi)有肝硬化或明顯的纖維化,但在NAFLD中觀察到了門(mén)靜脈高壓,即在NAFLD早期門(mén)靜脈壓力或已開(kāi)始升高。門(mén)靜脈高壓時(shí)產(chǎn)生的血流動(dòng)力學(xué)改變是一種非生理性機(jī)械壓力,可在細(xì)胞外形成機(jī)械壓力微環(huán)境觸發(fā)實(shí)質(zhì)和非實(shí)質(zhì)細(xì)胞的機(jī)械信號(hào)傳導(dǎo),從而導(dǎo)致細(xì)胞代謝紊亂、內(nèi)皮功能障礙和免疫激活信號(hào)釋放等[14]。

OSA是一種常見(jiàn)疾病,其特征是上呼吸道反復(fù)地部分或完全阻塞,引發(fā)重復(fù)性夜間低氧血癥,即慢性間歇性缺氧(chronic intermittent hypoxia,CIH),CIH導(dǎo)致機(jī)體組織和器官反復(fù)暴露于低氧狀態(tài)。肝臟作為重要的代謝器官,對(duì)血氧需求十分龐大,由CIH導(dǎo)致的重復(fù)性低氧血癥在肝內(nèi)形成了間歇性的缺氧微環(huán)境,誘發(fā)肝脂肪變性及肝損傷[9]。在NAFLD患者中發(fā)現(xiàn),OSA導(dǎo)致的夜間頻繁缺氧促進(jìn)肝損傷及NASH的發(fā)生[15];同樣,在針對(duì)慢性阻塞性肺疾病(chronic obstructive pulmonary disease,COPD)與NAFLD的相關(guān)性研究中[16]發(fā)現(xiàn),COPD患者中未經(jīng)治療的OSA與肝脂肪變性和纖維化具有顯著相關(guān)性。另外,單一的缺氧環(huán)境也被證實(shí)通過(guò)上調(diào)肝細(xì)胞PTEN基因缺陷小鼠脂肪生成基因的表達(dá)、下調(diào)參與脂質(zhì)代謝的基因并降低胰島素敏感性來(lái)加重并加速NASH進(jìn)展[17]。

3 高脂微環(huán)境與NAFLD肝內(nèi)自噬

對(duì)于自噬參與NAFLD,研究發(fā)現(xiàn)自噬可以調(diào)節(jié)肝臟脂質(zhì)代謝,通過(guò)添加自噬抑制劑3-MA和敲除自噬相關(guān)基因5(Atg5)抑制自噬會(huì)導(dǎo)致肝內(nèi)脂肪分解減少、甘油三酯沉積增多[18],特異性激活自噬后可減弱高脂環(huán)境在體內(nèi)外實(shí)驗(yàn)中誘導(dǎo)的肝細(xì)胞脂質(zhì)積累[19]。HFD誘導(dǎo)的肥胖小鼠肝臟中Kupffer細(xì)胞自噬受損,敲除Kupffer細(xì)胞Atg5后肝臟內(nèi)呈現(xiàn)促炎狀態(tài)[20]。最新的研究[21]發(fā)現(xiàn),NAFLD患者的疾病進(jìn)展與肝臟線(xiàn)粒體脂肪酸氧化受損及線(xiàn)粒體自噬受損顯著相關(guān)。線(xiàn)粒體自噬缺陷被認(rèn)為是脂肪肝發(fā)展的發(fā)病機(jī)制之一[22],相應(yīng)地,研究人員也發(fā)現(xiàn)了線(xiàn)粒體自噬在NAFLD中的保護(hù)作用:Bnip3介導(dǎo)的線(xiàn)粒體自噬維持線(xiàn)粒體功能并有利于脂肪肝疾病中的肝細(xì)胞存活[23],通過(guò)Mst1的基因敲除從而激活線(xiàn)粒體自噬,可減輕HFD小鼠的肝損傷并減弱棕櫚酸對(duì)肝細(xì)胞凋亡的影響[24]等。自噬在肝細(xì)胞及Kupffer細(xì)胞中表現(xiàn)為抵抗高脂環(huán)境對(duì)細(xì)胞的損傷及促炎作用,從而阻止NAFLD向纖維化進(jìn)展。

盡管眾多證據(jù)表明肝細(xì)胞自噬可抵抗NAFLD的發(fā)展,但近年來(lái)的研究發(fā)現(xiàn),HSC中自噬的發(fā)生可能將疾病導(dǎo)向相反的結(jié)果。富含脂滴的HSC活化后轉(zhuǎn)分化為肌成纖維細(xì)胞并分泌膠原,HSC活化已被證實(shí)為促進(jìn)肝纖維化發(fā)生的重要因素[25]。HSC活化的最典型特征之一是細(xì)胞質(zhì)脂滴的丟失[26],研究[27]發(fā)現(xiàn),視黃醇或油酸可誘導(dǎo)已活化的人星狀細(xì)胞系LX-2細(xì)胞逆轉(zhuǎn)為靜息狀態(tài)并抑制原代小鼠HSC的活化、誘導(dǎo)HSC產(chǎn)生更大的脂滴并下調(diào)細(xì)胞活化標(biāo)志物,這種逆轉(zhuǎn)可能與自噬抑制相關(guān)。有關(guān)細(xì)胞中自噬參與脂滴分解的現(xiàn)象也早有報(bào)道[2,18]。在體外誘導(dǎo)HSC激活的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)細(xì)胞內(nèi)自噬增加,脂滴和自噬標(biāo)志物L(fēng)C3-Ⅱ共定位增強(qiáng),通過(guò)自噬抑制劑亦可減弱部分體外HSC的活化[28]。這些證據(jù)表明在一些高脂微環(huán)境中,自噬被抑制后,HSC的活化可能被抑制或逆轉(zhuǎn)。

4 缺氧微環(huán)境與NAFLD肝內(nèi)自噬

OSA導(dǎo)致的CIH促使NAFLD向纖維化進(jìn)展,但其分子機(jī)制尚不明確。在體外誘導(dǎo)肝細(xì)胞缺氧的研究[29]中發(fā)現(xiàn),肝細(xì)胞中自噬相關(guān)蛋白Atg7在缺氧1 h內(nèi)減少了80%以上,而在長(zhǎng)時(shí)間缺氧后,自噬相關(guān)基因Beclin-1的減少更加明顯,并且自噬受損與缺氧環(huán)境中肝細(xì)胞的損傷和凋亡密切相關(guān)。與急性缺氧中自噬受抑制相反的是,在患有OSA的小鼠體內(nèi)實(shí)驗(yàn)中,OSA誘導(dǎo)的CIH可過(guò)度激活肝內(nèi)自噬,促進(jìn)肝纖維化發(fā)展[30]。類(lèi)似的,有報(bào)告[31]稱(chēng)間歇性缺氧可上調(diào)肝細(xì)胞自噬,但自噬上調(diào)后卻發(fā)揮著抵抗高脂及氧化損傷的作用:在體外人肝細(xì)胞系WRL68進(jìn)行間歇性缺氧預(yù)處理后發(fā)現(xiàn),短期缺氧又復(fù)氧后細(xì)胞內(nèi)線(xiàn)粒體自噬水平增加,可抵抗來(lái)自H2O2的氧化損傷;在慢性間歇性低壓缺氧(chronic intermittent hypobaric hypoxia,CIHH)實(shí)驗(yàn)中,通過(guò)低壓氧倉(cāng)模擬高原地區(qū)低壓低氧環(huán)境,將患有由高脂高糖誘導(dǎo)的代謝綜合征(metabolic syndrome,MS)大鼠暴露于低壓低氧環(huán)境后,間歇性缺氧28 d,MS大鼠的肝脂肪變性及炎癥反應(yīng)明顯得到改善,這種改善與CIHH通過(guò)激活A(yù)MPK-mTOR通路上調(diào)自噬有關(guān)[32]。這些證據(jù)表明,急性缺氧損傷肝細(xì)胞自噬,而間歇性缺氧可激活肝臟自噬,但間歇性缺氧誘導(dǎo)自噬激活后對(duì)于肝損傷的作用卻呈現(xiàn)兩面性,這種矛盾的結(jié)果可能與疾病發(fā)展階段及自噬調(diào)節(jié)功能的完整性相關(guān)。

缺氧誘導(dǎo)因子-1(hypoxia inducible factor,HIF-1)是一種對(duì)氧敏感的轉(zhuǎn)錄激活因子,介導(dǎo)細(xì)胞和組織適應(yīng)缺氧狀態(tài),HIF-1α是其主要的功能亞基[33]。研究[33-34]證實(shí)缺氧環(huán)境及HIF-1在肝臟脂質(zhì)積累及肝纖維化進(jìn)展中發(fā)揮著重要作用。肝Kupffer細(xì)胞中的HIF-1α活化后可通過(guò)刺激自噬調(diào)控Kupffer細(xì)胞在肝臟中的促炎作用[35],盡管在該研究中Kupffer細(xì)胞中的HIF-1α是在高脂環(huán)境中誘導(dǎo)活化的,但有報(bào)告[36]佐證,高脂環(huán)境可能會(huì)引發(fā)肝臟出現(xiàn)缺氧狀態(tài)。此外,缺氧也可通過(guò)上調(diào)細(xì)胞自噬誘導(dǎo)HSC激活,促進(jìn)肝纖維化發(fā)展[37-38]。Deng等[37]敲低肝星狀細(xì)胞系LX-2中HIF-1α的基因表達(dá)后,自噬分子標(biāo)志物L(fēng)C3B-Ⅱ和Beclin-1在缺氧環(huán)境中表達(dá)的增加受到顯著抑制,表明HIF-1α通過(guò)自噬調(diào)節(jié)HSC的激活。種種跡象表明,缺氧環(huán)境通過(guò)HIF-1α調(diào)節(jié)肝臟細(xì)胞的自噬,從而誘導(dǎo)肝臟炎癥及纖維化的發(fā)生。HIF-1在缺氧中對(duì)肝內(nèi)自噬調(diào)節(jié)的研究目前仍處于初步探索階段,但卻是研究缺氧及NAFLD和自噬的關(guān)系中毋庸置疑的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

5 機(jī)械壓力微環(huán)境異常與NAFLD肝內(nèi)自噬

門(mén)靜脈高壓常被認(rèn)為是肝硬化的并發(fā)癥,但最近在一些NAFLD患者中發(fā)現(xiàn),肝臟發(fā)生纖維化或肝硬化之前已出現(xiàn)門(mén)靜脈高壓,并且與脂肪變性的程度相關(guān)[12-13]。研究人員[39-40]根據(jù)門(mén)靜脈高壓促進(jìn)纖維化的機(jī)制提出了正弦壓力假說(shuō),即竇內(nèi)壓力升高引起肝臟內(nèi)出現(xiàn)血流動(dòng)力學(xué)改變產(chǎn)生剪切應(yīng)力,通過(guò)生物力學(xué)信號(hào)傳導(dǎo)至竇周細(xì)胞來(lái)啟動(dòng)纖維化。

一些研究[41-42]表明,擠壓力及流體剪切應(yīng)力等機(jī)械壓力可在許多細(xì)胞中誘導(dǎo)自噬的發(fā)生從而調(diào)節(jié)細(xì)胞在壓力環(huán)境中的生理狀態(tài)。Yang等[43]利用離心力模擬細(xì)胞之間的壓力,發(fā)現(xiàn)機(jī)械壓力可以激活肝細(xì)胞中肝細(xì)胞核因子HNF4α啟動(dòng)子的表達(dá)促進(jìn)肝細(xì)胞極化,最近有研究[44]發(fā)現(xiàn),HNF4α可以上調(diào)肝細(xì)胞中自噬相關(guān)基因ULK1的表達(dá)從而改善肝脂肪變性,阻礙NAFLD的發(fā)展,但肝細(xì)胞中機(jī)械壓力是否通過(guò)HNF4α調(diào)節(jié)細(xì)胞自噬及其具體的分子機(jī)制仍需進(jìn)一步的探索。HSC位于Disse間隙中,受到機(jī)械壓力的作用,機(jī)械壓力可影響HSC的遷移[45],并誘導(dǎo)HSC中TGFβ的產(chǎn)生[46],但是自噬是否參與機(jī)械壓力對(duì)HSC的作用卻鮮有報(bào)道。細(xì)胞外基質(zhì)(ECM)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)具有機(jī)械塑性和黏彈性,細(xì)胞之間可利用這種結(jié)構(gòu)傳遞機(jī)械信號(hào)互相影響。在器官的纖維化擴(kuò)展中,ECM的狀態(tài)隨之發(fā)生變化,其硬化后的基質(zhì)通過(guò)黏著斑傳遞機(jī)械信號(hào),導(dǎo)致排列的細(xì)胞骨架結(jié)構(gòu)改變和細(xì)胞彈性增加[13]。有研究表明,ECM的一些成分如Ⅵ型膠原等也參與自噬的調(diào)節(jié)[47],并且這種自噬調(diào)節(jié)可能與調(diào)節(jié)機(jī)械信號(hào)的YAP/TAZ信號(hào)通路相關(guān)[48],不過(guò)也有報(bào)告稱(chēng)自噬可反向調(diào)節(jié)YAP分子的降解從而抵抗HCC的發(fā)展[49],但這種分子機(jī)制在NAFLD進(jìn)展中的具體作用仍不得而知。

盡管目前仍沒(méi)有可以直觀反映肝內(nèi)細(xì)胞所承受壓力變化的實(shí)驗(yàn)裝置,但現(xiàn)有證據(jù)表明,細(xì)胞所受到的各種機(jī)械壓力可能通過(guò)生物信號(hào)傳導(dǎo)的方式誘導(dǎo)自噬,在調(diào)節(jié)細(xì)胞大小和調(diào)節(jié)各種細(xì)胞反應(yīng)方面發(fā)揮著重要作用。

6 小結(jié)與展望

NAFLD的發(fā)展演變是由肝細(xì)胞、Kupffer細(xì)胞、HSC之間以及與微環(huán)境之間復(fù)雜的相互作用引起的。現(xiàn)有的證據(jù)表明,在肝細(xì)胞及肝Kupffer細(xì)胞中上調(diào)的自噬可以抵抗來(lái)自高脂、缺氧、門(mén)靜脈高壓等刺激誘導(dǎo)的肝損傷和炎癥發(fā)生,但在HSC中自噬又通過(guò)激活HSC產(chǎn)生膠原促進(jìn)纖維化的發(fā)生(圖1)。在一些實(shí)驗(yàn)動(dòng)物模型中,自噬的藥理學(xué)激活已被證實(shí)可預(yù)防NAFLD,因此,開(kāi)發(fā)針對(duì)肝臟的自噬調(diào)節(jié)劑將成為未來(lái)治療肝病的重要切入點(diǎn),但由于自噬在肝臟的不同細(xì)胞中對(duì)疾病進(jìn)展的影響有所不同,如何在不影響其他細(xì)胞的情況下選擇性地靶向特定細(xì)胞類(lèi)型的自噬過(guò)程仍然是一個(gè)重要問(wèn)題。此外,自噬受損或過(guò)度自噬均可促進(jìn)NAFLD的發(fā)展,不僅涉及脂質(zhì)自噬、線(xiàn)粒體自噬及其他細(xì)胞內(nèi)容物自噬等,還涉及多種信號(hào)通路。揭示肝內(nèi)微環(huán)境對(duì)肝內(nèi)細(xì)胞(肝細(xì)胞、HSC、Kupffer細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞等)自噬調(diào)節(jié)的分子機(jī)制,將是重要的研究方向,對(duì)于闡明NAFLD的發(fā)生機(jī)制及開(kāi)發(fā)新藥具有重要的意義和價(jià)值。

圖1 微環(huán)境通過(guò)自噬調(diào)節(jié)NAFLD進(jìn)展示意圖Figure 1 Schematic illustration of the progression of NAFLD regulated by autophagy in the microenvironment

利益沖突聲明:本文不存在任何利益沖突。

作者貢獻(xiàn)聲明:寇萱萱負(fù)責(zé)擬定寫(xiě)作思路并撰寫(xiě)文章;張華、鄧婧鑫參與相關(guān)文獻(xiàn)的收集與整理;張建剛審校并修改論文。