HIF-1介導(dǎo)的自噬在慢性腎臟病血管鈣化中的研究進(jìn)展*

堯 鵬,江玉波綜述,任思沖,王少清△審校

(1.成都醫(yī)學(xué)院第二附屬醫(yī)院·核工業(yè)四一六醫(yī)院腎內(nèi)科,成都 610051;2.成都醫(yī)學(xué)院第一附屬醫(yī)院腎內(nèi)科,成都 610000)

近年來,全球范圍內(nèi)慢性腎臟病平均發(fā)病率逐年增加,其并發(fā)的心血管疾病已成為慢性腎臟病及血液透析患者死亡發(fā)生的主要病因,引起越來越多的關(guān)注[1]。在慢性腎臟病中,血管鈣化是心血管疾病的非傳統(tǒng)高危因素,并顯示出重要的病理表現(xiàn)。研究發(fā)現(xiàn),血管鈣化的發(fā)生、發(fā)展與慢性腎臟病的進(jìn)展、病程呈正相關(guān),因此,血管鈣化在慢性腎臟病患者心血管疾病的發(fā)生中占有重要地位[2]。鈣磷代謝紊亂、激素水平明顯改變、細(xì)胞通路異常激活及表觀遺傳調(diào)控異常等因素在參與介導(dǎo)慢性腎臟病血管鈣化過程起重要作用。血管鈣化過程是類似骨化現(xiàn)象所引起的一組慢性或復(fù)雜細(xì)胞生物病理過程,其基本組織學(xué)特征為多鈣化,會(huì)以一種疏松透明的鈣鹽結(jié)晶線膠樣物形式沉積固定在人體正常的心血管系統(tǒng),包括血管內(nèi)膜、中膜鈣化及心臟瓣膜鈣化。目前,研究認(rèn)為血管鈣化可能是血管平滑肌細(xì)胞的血管鈣化抑制因子功能失衡,以及繼發(fā)血管鈣化的促進(jìn)作用因子結(jié)構(gòu)紊亂和代謝失衡兩者共同作用的結(jié)果。其在病理表現(xiàn)及病理生理機(jī)制中,主要表現(xiàn)為血管平滑肌細(xì)胞表型的轉(zhuǎn)化、凋亡和自噬等一系列過程[3-4]。

血管平滑肌細(xì)胞起源于骨髓基質(zhì)干細(xì)胞,是位于血管中膜的一種高度特化細(xì)胞,作為血管重要的組成部分,為血管提供結(jié)構(gòu)支撐作用并使其具有收縮功能。血管平滑肌細(xì)胞具有極強(qiáng)的表觀重塑能力,在受損傷狀態(tài)下,可迅速轉(zhuǎn)化為成骨型細(xì)胞[5]。在正常缺血狀態(tài)作用下,其均以相對(duì)高的生長(zhǎng)速率增殖,并同時(shí)表達(dá)多種獨(dú)特類型的肌肉收縮蛋白(平滑肌-α-肌動(dòng)蛋白鏈、平滑肌細(xì)胞肌球蛋白重鏈蛋白、鈣調(diào)結(jié)合蛋白),能在血管損傷部位缺血修復(fù)、應(yīng)答等血流動(dòng)力學(xué)機(jī)制改變處理,或在各種缺血性疾病狀態(tài)時(shí)進(jìn)行血管功能重塑,分化成一種成骨樣細(xì)胞表型,從而分泌細(xì)胞外自泌體,增殖、遷移細(xì)胞至損傷之處并進(jìn)行細(xì)胞修復(fù),同時(shí)誘導(dǎo)形成鈣基質(zhì),合成鈣化蛋白并誘導(dǎo)鈣磷沉積[6]。最近研究證實(shí),來源于血管平滑肌細(xì)胞和間充質(zhì)基質(zhì)細(xì)胞的成骨細(xì)胞受自噬調(diào)節(jié)[7-8],并通過多種信號(hào)機(jī)制促進(jìn)血管壁鈣化信號(hào)的轉(zhuǎn)化。血管平滑肌的自噬缺失會(huì)加重動(dòng)脈粥樣硬化和再狹窄。腎臟細(xì)胞自噬能力在控制多種主要腎臟疾病產(chǎn)生和機(jī)體代謝功能中發(fā)揮了著重要作用,腎臟自噬作用對(duì)于維持人類腎臟穩(wěn)態(tài)、結(jié)構(gòu)平衡和免疫功能恢復(fù)至關(guān)重要[9]。腎細(xì)胞中的自噬調(diào)節(jié)會(huì)影響適應(yīng)性和先天性免疫細(xì)胞反應(yīng),改善腎臟疾病內(nèi)環(huán)境,從而防止免疫細(xì)胞浸潤(rùn),減少腎損傷。自噬作為降解細(xì)胞質(zhì)成分中溶酶體的一個(gè)有效途徑,參與多種非病理過程。

缺氧誘導(dǎo)因子-1(hypoxia-inducible a factor-1,HIF-1)可保護(hù)機(jī)體功能不受缺氧影響,尤其在重要器官缺氧情況下,可通過調(diào)控靶基因來維持機(jī)體的供氧和需氧水平,從而保持所有細(xì)胞的氧穩(wěn)態(tài)[10]。HIF-1介導(dǎo)的線粒體自噬是細(xì)胞在低氧條件下維持線粒體功能穩(wěn)定的關(guān)鍵內(nèi)在機(jī)制,而在心肌病和糖尿病腎病中,HIF-1的表達(dá)則會(huì)發(fā)生改變。一項(xiàng)研究以原發(fā)性糖尿病細(xì)胞為研究對(duì)象,結(jié)果發(fā)現(xiàn)直接激活線粒體受損部位的基因,可上調(diào)HIF-1α蛋白表達(dá),進(jìn)一步激活并促進(jìn)線粒體下游的靶器官基因Bcl-2腺病毒/E1B 19-kD相互作用蛋白3 (Bcl-2/adenovirus E1B 19-kDa interacting protein 3,BNIP3)的表達(dá),最終啟動(dòng)線粒體細(xì)胞自噬,后者可及時(shí)自行有效清除正常線粒體的受損部分,避免線粒體產(chǎn)生的活性氧(reactive oxygen species,ROS)對(duì)線粒體膜電位進(jìn)行持續(xù)攻擊,從而使線粒體功能保持穩(wěn)定,改善機(jī)體功能[11]。另外,一項(xiàng)以糖尿病腎病模型為研究對(duì)象的研究結(jié)果提示,上調(diào)HIF-1可激活心肌細(xì)胞和腎小球細(xì)胞的線粒體自噬,從而緩解糖尿病導(dǎo)致的心臟和腎臟功能損傷[12]。盡管越來越多的研究證明自噬在心血管疾病中發(fā)揮保護(hù)作用,但是HIF-1介導(dǎo)的線粒體自噬在慢性腎臟病血管鈣化的分子機(jī)制尚不清楚。因此,本文綜述了HIF-1與慢性腎臟病血管鈣化的相關(guān)機(jī)制,以期為慢性腎臟病血管鈣化的治療提供新思路。

1 HIF-1和腎臟疾病

HIF-1是異源二聚體,由α亞基(HIF-1α)和β亞基(HIF-1β)組成,其中,HIF-1α是HIF-1的功能性基亞基,對(duì)氧濃度敏感,隨氧濃度的變化在細(xì)胞內(nèi)聚積和降解。在體內(nèi)正常代謝及氧氣正常的條件下,HIF-1α可被脯氨酸羥化酶蛋白(prolyl hydroxylase domain,PHD)直接識(shí)別,并被激活而發(fā)生羥基化,后者與E3泛素連接酶蛋白相連接,并被腫瘤癌細(xì)胞凋亡抑制酶蛋白(von hippel-lindau tumor suppressor,VHL)識(shí)別、降解;而在低氧環(huán)境影響下,胞核組織內(nèi)線粒體對(duì)PHD酶原的氧化合成反應(yīng)活性則受到一定程度的抑制,不能完全通過羥化途徑使少量HIF-1α被VHL識(shí)別和氧化降解,因而使少量的HIF-1α在細(xì)胞質(zhì)線粒體結(jié)構(gòu)中迅速氧化積累,可再轉(zhuǎn)移至細(xì)胞核內(nèi)并直接與體內(nèi)HIF-1β形成HIF-1的二聚體。HIF-1隨后與靶基因的DNA所形成的低氧化反應(yīng)元件(hypoxia res-ponse element,HRE)相結(jié)合,調(diào)控下游靶基因轉(zhuǎn)錄和翻譯的激活,從而對(duì)抗低氧對(duì)細(xì)胞產(chǎn)生的損傷[10]。

HIF-1除了可抵抗低氧對(duì)細(xì)胞帶來的損傷,還可進(jìn)入細(xì)胞核促進(jìn)糖代謝、線粒體功能和細(xì)胞增殖等相關(guān)調(diào)控基因的表達(dá)。在缺氧條件下,HIF-1表達(dá)上調(diào)可促進(jìn)線粒體自噬,維持機(jī)體內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)。在腎臟疾病中,上調(diào)的HIF-1可激活腎小球細(xì)胞的線粒體自噬,并緩解腎臟功能損傷[12-14]。

2 HIF-1、自噬與血管鈣化

血管鈣化是慢性腎臟病常見的并發(fā)癥,血管鈣化的程度和組織解剖類型是慢性腎臟病致死率指標(biāo)之一。血管平滑肌細(xì)胞的表型轉(zhuǎn)化是血管鈣化的發(fā)生機(jī)制之一。已有研究發(fā)現(xiàn),自噬在血管鈣化中發(fā)揮著重要作用,其潛在機(jī)制涉及電解質(zhì)失衡、氧化應(yīng)激和脂質(zhì)代謝異常等[15-17]。在早期心臟疾病中,自噬性細(xì)胞死亡可引起基質(zhì)囊泡釋放、吸引炎癥細(xì)胞并引發(fā)瓣膜鈣化。但是,大多數(shù)研究都表明,自噬可通過基質(zhì)囊泡的釋放來有效消除由高磷酸鹽誘導(dǎo)的血管平滑肌細(xì)胞鈣化。在血管鈣化過程中,血管平滑肌細(xì)胞直接或通過合成中間型來收縮表型,轉(zhuǎn)化為成骨/軟骨表型[18]。目前已知的相關(guān)信號(hào)通路包括ERα、β-連環(huán)蛋白、HIF-1a/PDK4、p62、miR30b、BECN1、mTOR、SOX9、GHSR/ERK、AMPK、彈性蛋白[19-22]。血管平滑肌細(xì)胞成骨分化對(duì)血管鈣化至關(guān)重要。

2.1 自噬通過抑制細(xì)胞凋亡影響血管鈣化

研究證明,凋亡細(xì)胞可構(gòu)成沉積磷酸鈣晶狀體附著[23]。凋亡小體形成附著使已死亡血管平滑肌細(xì)胞中的磷灰石成核,這證實(shí)血管鈣化促進(jìn)凋亡的重要性,表明細(xì)胞凋亡可能是啟動(dòng)血管平滑肌細(xì)胞鈣化過程的機(jī)制[24]。在人類和動(dòng)物模型中,相關(guān)研究均將凋亡和血管平滑肌細(xì)胞鈣化相聯(lián)系。例如,在人類和動(dòng)物動(dòng)脈粥樣硬化斑塊中均發(fā)現(xiàn)大量凋亡細(xì)胞[25],提示凋亡可通過釋放病灶中的凋亡小體及血管鈣化的成核位點(diǎn)促進(jìn)基質(zhì)鈣化。在尿毒癥鈣化模型中,凋亡與血管平滑肌細(xì)胞鈣化呈正相關(guān),且常發(fā)生在鈣化之前。通過在細(xì)胞外基質(zhì)(engine control module,ECM)上累積高濃度鈣,最終可導(dǎo)致鈣化。在高磷酸鹽誘導(dǎo)的血管鈣化中,抑制鈣沉積可通過抑制細(xì)胞凋亡和增強(qiáng)自噬來實(shí)現(xiàn),許多激素分子均具有關(guān)鍵作用[26-29]。例如褪黑素通過與AMPK/mTOR/ULK1信號(hào)通路相關(guān)的自噬刺激,保護(hù)血管平滑肌細(xì)胞免于凋亡,并減輕由β-GP誘導(dǎo)的血管平滑肌細(xì)胞鈣化[27]。上述機(jī)制依賴于Atg7/mTOR介導(dǎo)的自噬途徑和Wnt/β-連環(huán)蛋白信號(hào)的抑制[28]。在高磷誘導(dǎo)的血管平滑肌細(xì)胞鈣化模型中,檸檬酸鐵通過抗凋亡作用在已建立的鈣化血管平滑肌細(xì)胞上誘導(dǎo)自噬[29],其自噬和凋亡的相關(guān)作用與鐵誘導(dǎo)GAS6/AXL合成的積極調(diào)節(jié)有關(guān)。

2.2 線粒體自噬逆轉(zhuǎn)血管鈣化的線粒體紊亂

目前,細(xì)胞自噬包括3種形式,即巨自噬、微自噬和分子伴侶介導(dǎo)自噬。根據(jù)自噬識(shí)別被降解物的特異性,還可分為選擇性自噬和非選擇性自噬,線粒體自噬屬于選擇性自噬,主要清除受損的線粒體,減少由ROS在細(xì)胞內(nèi)累積引起的細(xì)胞功能受損,以維持細(xì)胞穩(wěn)態(tài)。線粒體毒性誘導(dǎo)后,受損的線粒體被包裹在雙層膜結(jié)構(gòu)中形成自噬體,自噬體被溶酶體進(jìn)一步降解,通過積累促進(jìn)結(jié)晶,形成磷酸鈣晶狀體或血管鈣化斑塊[30]。在血管平滑肌細(xì)胞鈣化過程中,乳酸可損傷線粒體功能,誘導(dǎo)氧化應(yīng)激和凋亡。乳酸通過核受體亞家族4A1(nuclear receptor subfamily 4,group A,member 1,NR4A1)上調(diào)促進(jìn)動(dòng)力蛋白相關(guān)蛋白1(dynamin-relatedprotein 1,DRP1)相關(guān)的線粒體分裂,而NR4A1通過p53調(diào)節(jié)磷酸化抑制自噬通量,通過BNIP3介導(dǎo)有絲分裂。DRP1和BNIP3的調(diào)節(jié)與病理斑塊中的NR4A1/DNA、PKcs/p53通路相關(guān)[31]。BNIP3介導(dǎo)有絲分裂吞噬可部分逆轉(zhuǎn)線粒體紊亂、過度氧化應(yīng)激和增強(qiáng)的細(xì)胞凋亡。在乳酸存在時(shí),其對(duì)血管平滑肌細(xì)胞鈣化起保護(hù)作用[32]。在某種程度上,這種現(xiàn)象表明自噬/絲裂吞噬可通過去除受損的線粒體來避免凋亡途徑的激活。自噬和凋亡作為兩個(gè)關(guān)鍵的分解代謝過程,有助于維持細(xì)胞和組織的穩(wěn)態(tài)[33-34]。與自噬密切相關(guān)的凋亡可能被認(rèn)為是自噬未能重建生理平衡的結(jié)果。自噬可促進(jìn)細(xì)胞存活,但在某些條件下,自噬也可通過促進(jìn)細(xì)胞凋亡而導(dǎo)致壞死。自噬在促進(jìn)細(xì)胞凋亡或抑制細(xì)胞凋亡中發(fā)揮作用[34]。

2.3 ROS是線粒體功能障礙的核心

研究表明,ROS是血管鈣化進(jìn)展過程中線粒體功能障礙的核心。某些可清除ROS的天然膳食、天然非膳食和合成抗氧化化合物已被用于臨床試驗(yàn)測(cè)試[34-35]。ROS的產(chǎn)生與融合、裂變的線粒體超微結(jié)構(gòu)變化密切相關(guān)。線粒體融合、分裂與線粒體功能障礙的生理指標(biāo)有關(guān),包括線粒體膜電位喪失、呼吸和氧化磷酸化減少、向糖酵解代謝轉(zhuǎn)變和線粒體ROS加速。DRP1是線粒體裂變的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子,主要于人頸動(dòng)脈鈣化區(qū)域中被發(fā)現(xiàn)[36]。體外研究表明,二甲雙胍和褪黑激素等化合物通過抑制DRP1誘導(dǎo)的線粒體裂變來消除血管鈣化[36]。二甲雙胍還通過抑制DRP1介導(dǎo)的線粒體裂變來抑制糖尿病加速的動(dòng)脈粥樣硬化[37]。推測(cè)二甲雙胍對(duì)糖尿病加速動(dòng)脈粥樣硬化中的線粒體功能具有下列影響:(1)通過抑制氧化還原穿梭酶線粒體甘油磷酸脫氫酶,從而阻止糖原異生葡萄糖的產(chǎn)生;(2)通過抑制線粒體復(fù)合物Ⅰ減弱線粒體ROS的產(chǎn)生;(3)通過抑制DRP1介導(dǎo)的線粒體裂變。

HIF-1α表達(dá)水平增加提示患者HIF-1轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)相關(guān)基因表達(dá)增加,血管內(nèi)皮干細(xì)胞生長(zhǎng)因子A(vascular endothelial growth factor A,VEGF-A)和葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)調(diào)節(jié)蛋白-1(glucose transporter type 1,GLUT1)及其他某些轉(zhuǎn)錄物的特異性表達(dá)減少,包括肌動(dòng)蛋白α酶2、Calponin蛋白1、平滑肌蛋白酶22和肌球蛋白重鏈酶11等,觸發(fā)血管平滑肌細(xì)胞轉(zhuǎn)分化。有研究發(fā)現(xiàn),缺氧促進(jìn)磷酸鹽誘導(dǎo)血管平滑肌的鈣化,上調(diào)的HIF-1促進(jìn)無機(jī)磷酸鹽誘導(dǎo)血管平滑肌的成骨轉(zhuǎn)分化。而靶向抑制HIF-1α可阻止由缺氧引起的鈣化[38]。上述研究表明,HIF-1α參與控制許多慢性腎臟病者腎小球血管鈣化病變組織的形成、代謝進(jìn)程,并可直接促進(jìn)腎臟血管鈣化變性的細(xì)胞發(fā)生、發(fā)展過程。

然而,HIF-1可介導(dǎo)自噬的發(fā)生,在血管鈣化中亦發(fā)揮保護(hù)作用。HIF-1α/PDK4介導(dǎo)的自噬蛋白通路可防止由晚期核糖基化酶終產(chǎn)物誘導(dǎo)血管平滑肌細(xì)胞的鈣化。HIF-1表達(dá)隨著慢性腎臟病進(jìn)展或病程改變,若上調(diào)HIF-1表達(dá),腎小球細(xì)胞中的線粒體自噬增強(qiáng),細(xì)胞質(zhì)內(nèi)沒有損壞線粒體或多余受損的線粒體將被完全清除,細(xì)胞質(zhì)內(nèi)過度活性需氧族細(xì)胞生成減少,線粒體維持穩(wěn)態(tài),對(duì)腎臟提供保護(hù)作用[12-14]。HIF-1、自噬及血管鈣化的關(guān)系仍不明確,還需要進(jìn)一步探索。

3 小結(jié)與展望

在一定條件下,抑制血管鈣化可減緩慢性腎臟病的疾病進(jìn)程,而在某種程度上,自噬可減緩血管鈣化的發(fā)生、發(fā)展。HIF-1介導(dǎo)的線粒體自噬在腎臟疾病中起到了一定的保護(hù)作用,但其在調(diào)控慢性腎臟病血管鈣化的機(jī)制和信號(hào)通路仍需要進(jìn)一步研究。