自噬在肝臟脂質代謝中的意義及其與胰島素抵抗的關系

汪 雯，牛春燕

西安醫學院第一附屬醫院消化內科，陜西 西安 710077

自噬是細胞對代謝應激和環境變化的一種適應性反應，通過一種溶酶體降解途徑，將細胞質內的成分包括損壞的蛋白質、脂質、糖類、衰老和功能異常的細胞器、多余的細胞質甚至病原體降解或去除，以保證細胞的生存，維持細胞的穩態。自噬是哺乳動物細胞降解和回收利用大分子和細胞器(即自我降解)的主要代謝通路，是三大經典細胞死亡途徑之一。自噬缺陷或自噬過度耗竭與人類多種疾病有關，近期研究發現了自噬在脂肪代謝中的作用。由于肥胖癥在全球的流行，肥胖癥相關疾病如代謝綜合征(metabolic syndrome，MS)、2 型糖尿病(T2DM)、非酒精性脂肪肝(non-alcoholic fatty liver disease，NAFLD)等逐年遞增，76%的肥胖、幾乎100%的病理性肥胖，以及80%的T2DM合并 NAFLD，而21% ～45%的 NAFLD合并T2DM，NAFLD已被公認為代謝綜合征的肝臟表現和肝臟結局，以及糖尿病及心血管疾病的獨立危險因子，而所有這些代謝紊亂又均與胰島素抵抗(insulin resistance，IR)、脂質代謝紊亂密切相關[1]。

本文回顧了自噬的研究歷史、NAFLD的研究現狀，并對自噬及其在肝臟脂肪代謝中的作用作一綜述，以期對代謝綜合征及其相關脂肪性肝病的發病機制能夠進一步了解。

1 自噬及其機制

經典的形態學意義上的細胞死亡(程序化細胞死亡，PCD)主要有3種形式:Ⅰ型(凋亡性細胞死亡)、Ⅱ型(自噬性細胞死亡)及Ⅲ型(壞死性細胞死亡)。凋亡和壞死均導致細胞不可逆性死亡，而自噬的結局則是促進細胞存活。自噬最早是由Ashford和Porten于1962年用電子顯微鏡在人的肝細胞中觀察到的一種現象[2]。自噬有兩大基本功能:①在營養供應受限情況下，產生為維持細胞的能量內穩態、保持細胞健康所需的底物;②清除衰老、損傷或多余的細胞器，降解細胞內成分，促進長壽蛋白和細胞器、大分子物質的循環和再利用。自噬與腫瘤發生、神經退化性疾病、心肌病、克羅恩病、脂肪肝、2型糖尿病以及衰老有關，并且具有抵御細胞內病原、抗原呈遞功能[3]。

自噬過程從機制上可分為一系列不同的步驟:誘導、載體的識別與選擇、自噬體囊泡形成、自噬體-空泡融合，自噬體崩解，以及降解產物重新釋放進入細胞質[4]。迄今研究揭示，在自噬的分子機制中，參與自噬體形成的蛋白質和多分子復合物有:PI(3)-結合蛋白、PI3-磷酸酶類、Rab蛋白、Atg1/ULK1蛋白激酶復合體、Atg9·Atg2-Atg18復合體、Vps34-Atg6/beclin1Ⅲ型PI3-激酶復合體及Atg12和Atg8/LC3共軛系統。自噬－溶酶體系統和泛素樣蛋白酶體系統是2種主要的蛋白降解系統。自噬的信號通道調節包括營養信號、胰島素/生長因子通路、能量感知、應激反應、病原體感染等[5]。

2 自噬在肝細胞脂質代謝中的作用及機制

2.1 自噬與肝臟脂質代謝紊亂 除了上述基本功能外，近年在代謝綜合征及其相關脂肪肝、脂代謝異常領域的研究中發現了自噬的其他功能:(1)作為一種重要調節因子參與肝細胞內脂質貯存的降解和脂質代謝[6]，在脂肪肝(fatty liver disease，FLD)的發生、發展中有重要病理生理意義[7];(2)生長和分化，代謝調節，作為營養缺乏狀態下的另外一種能量來源，參與維持脂肪穩態[8];(3)胰島素敏感性[9]。

自噬是一個復雜而高度調控的過程，需要30多種自噬相關蛋白參與。免疫熒光雙標記研究顯示的脂滴和TG的結構蛋白與自噬的標志物－自噬體相關蛋白LC3(micro-tubule-associated protein 1 light chain 3，MAP1-LC3)的共定位，證實了脂滴與自噬體的直接關系即自噬參與脂滴的代謝。在不存在脂質聚積刺激時，脂滴/LC3共定位在溶酶體抑制的情況下更加顯著，支持自噬在脂滴代謝中的調節功能。LC3的表達強度與自噬泡數量的多少呈正相關，當哺乳動物細胞內發生自噬時，細胞內LC3的含量明顯增加。因此，LC3被認為是自噬體的標志分子，通過檢測細胞內LC3的含量，可以判斷細胞狀態，判斷其自噬是被誘導還是被抑制[10]。另外一種自噬相關基因Beclin1基因也稱BECN1基因，是酵母自噬相關基因Atg6的同系物，也是哺乳動物中最早發現的參與自噬的特異性基因，主要通過與磷脂酰肌醇-3-激酶(phosphatidylinositol-3-kinase，PI3-K)形成復合體來調節其他的Atg蛋白在自噬前體結構中定位，調節自噬活性[11]，其表達強度與自噬活性密切相關。通過免疫印記檢測Beclin1的表達水平，結合其他生化指標，可對細胞的自噬活性進行動態監測和判斷。

對培養的肝細胞用3-甲基腺嘌呤(3-MA)干預，或用針對自噬相關基因Atg5和Atg7的RNA進行干擾，或將自噬相關基因Atg5敲除，使細胞的自噬被抑制或缺失后發現，與對照組比較肝細胞內脂質負荷(TG聚積)增加;電鏡下也發現細胞內脂滴數量的體積也顯著增加。哺乳動物在饑餓情況下，自噬可被誘導，繼而發生脂質的降解功能;而當肝細胞被給予生脂刺激(如生脂培養基、去膽堿培養基、甲硫氨酸培養基)時，將會出現甘油三酯(triglycerides，TGs)的聚積。體實驗發現，延長培養肝細胞/鼠高脂肪營養/飲食的時間后，這些模型系統內即存在細胞內貯脂的自噬代謝下調甚至衰竭。以上結果提示，自噬的上調有利于促進肝臟脂肪的清除，而下調則促進脂質的聚積[12];高脂肪飲食、肥胖情況下肝細胞內脂質積聚反過來也會負性調節自噬活性即下調自噬，自噬的下調或減弱又進一步加重了肝細胞內的脂質聚積，形成惡性循環[13]，這或許可以解釋肥胖人群為何易患FLD。

2.2 肝臟脂質代謝紊亂與IR IR是指靶組織對胰島素的反應不敏感，使得胰島素促進葡萄糖的攝取和利用的生物學效應低于預計正常水平，胰島β細胞代償性超量分泌胰島素的一種狀態，表現為高胰島素血癥伴代謝應激綜合征[14]，IR最初是細胞在應激狀況下的一種生理性反應，此時其功能主要為參與代謝，但當IR持續存在并成為系統性時則演變為病理狀態[15]，IR已成為貫穿多種代謝相關疾病的主線和共同病理生理基礎，與多種病理狀態相關:心血管疾病(CVD)、高血壓、多囊卵巢綜合征(PCOS)、血脂紊亂、高血糖、T2DM、肥胖、NAFLD等。

肝臟是脂肪、葡萄糖、蛋白質代謝的中心器官，而且是胰島素效應的終末器官，在胰島素信號控制之下(與胰島素自身受體結合)維持碳水化合物穩態、機體的系統性能量穩態中起著關鍵的調節作用，胰島素可促進脂質合成、抑制脂質降解，也可通過間接抑制來自由脂肪組織向肝臟轉運的血清游離脂肪酸(FFA)而抑制極低密度脂蛋白(VLDL)的產生，當肝臟胰島素信號缺陷及IR發生時將嚴重影響能量平衡和代謝[16]。肝臟脂肪沉積是由于肝臟內TGs的供給、合成與消耗和氧化、清除之間的平衡發生了紊亂。在外源性高脂飲食、內臟肥胖(脂肪組織是最大的游離脂肪酸供給源，游離脂肪酸促進肝臟和肌肉IR，而且產生大量炎性因子，加劇脂質代謝紊亂)、營養過剩等情況下，FFA增加，導致FFA向肝臟轉移的瀑布式效應，VLDL產生增多、高密度脂蛋白(HDL)產生減少，當FFA從血漿攝取并且重新合成超過FFA氧化和以甘油三酯形式從肝臟輸出時，合成的TG不能形成VLDL分泌入血而聚集在肝細胞內，在細胞內FFA以及促炎因子、細胞因子、線粒體功能障礙共同作用下，引起氧化應激并導致:①骨骼肌葡萄糖攝取減少、肝糖原合成增加、β細胞功能障礙，胰島素活動中斷，高血糖癥;② 肝臟內的FFA通過抑制胰島素誘導的糖原分解和糖原異生抑制作用，促進肝臟IR產生→胰島素清除減少，肝糖原合成增多，上述葡萄糖和脂質代謝紊亂使肝臟脂質過度合成[17];③ 肝細胞凋亡、星狀細胞活化及后繼的炎癥、肝纖維化、肝硬化[18]。Tatarczyk 等[19]經過系列研究后認為肝臟脂肪變可能是導致肝臟IR的直接原因，其機制可能與線粒體脂肪酸β氧化速率增加從而加重ROS產生即氧應激有關。

2.3 自噬在IR與肝臟脂質代謝之間可能的關聯作用 磷脂酰肌醇-3-激酶(phosphatidylinositol-3-kinase，PI3-K)途徑是胰島素信號四大經典通路中的一個重要途徑，參與調節胰島素的糖、脂、蛋白質代謝效應[20]，最近研究發現，PI3-K途徑同時也是參與自噬調節脂質代謝的重要途徑[21];肝臟自噬不僅嚴重抑制飲食誘發的肥胖和糖尿病鼠及遺傳性肥胖/糖尿病鼠(ob/ob，db/db)模型的飲食(表現為＞90%的Atg相關蛋白LC3、Beclin-1、Atg5 和 Atg7 的嚴重下調)，而且顯著削弱上述動物模型體內的胰島素敏感性[22]，表明自噬與胰島素抵抗密切相關[23]。那么，自噬在脂質代謝與胰島素敏感性之間(生理性)、FLD與IR之間(病理性)很可能起到一種重要的關聯作用，這種關聯又將影響肝臟脂質代謝及FLD的發展和預后。

3 自噬在代謝性疾病治療中的潛在應用前景

FLD是一個由單純性脂質積聚(脂肪變)到炎癥及細胞損傷的連續過程，在慢性持續炎癥、氧化應激/脂質過氧化、代謝應激損傷等狀態下，細胞內脂滴被自噬體隔離后運送至溶酶體并與其融合，最后被降解的效率明顯下降。此時肝細胞自噬功能的減弱不僅促進炎癥發生，而且因抵御細胞死亡的自噬性保護功能喪失而導致肝臟損傷和脂肪性肝炎的進展[15，24]。自噬與肝臟脂質之間的動態相互聯系(dynamic cross-talk)直接指向了代謝綜合征的肝臟表現NAFLD。長期攝入富含脂肪飲食，導致血漿及肝細胞內脂質過度聚積，將可能削弱自噬功能。那么在肝臟脂肪變時，自噬能否能起到一種中心作用，即不僅防御脂肪變而且能夠阻斷脂肪性肝炎和終末期肝病的發展?自噬是細胞對于環境變化的有效反應，對新陳代謝起著十分重要的作用，提高細胞對低氧的耐受力，保護細胞免于凋亡和壞死的危險。然而，過度自噬或衰竭的自噬也會引起細胞的損傷或死亡或其他病理生理過程[13]。因此，自噬對細胞、組織的作用具有兩面性，是敵是友可能取決于疾病進展的不同階段、細胞周圍環境的變化，甚至決定了治療干預措施的不同。

鑒于自噬與肝細胞脂質代謝的密切關系，明確自噬活性在NAFLD發病中的動態變化，關乎NAFLD的發病機制及潛在的靶向治療可能性。自噬作為一重要的細胞活動被用于維持能量穩態，為治療脂質過度積聚和自噬功能減弱的相關代謝性疾病如FLD提供了新的途徑。因此，若能發現自噬過程中每一步或某幾步的特異性關鍵分子靶向，則有望開辟肥胖相關代謝性疾病的靶向治療藥物研發新領域。

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