自噬在心肌衰老中作用的研究進展

許金枝，洪榮華，譚玉珍

(復旦大學 上海醫學院 1.臨床醫學系；2.基礎醫學院 人體解剖與組織胚胎學系，上海 200032)

短篇綜述

自噬在心肌衰老中作用的研究進展

許金枝1，洪榮華1，譚玉珍2*

(復旦大學 上海醫學院 1.臨床醫學系；2.基礎醫學院 人體解剖與組織胚胎學系，上海 200032)

在心肌衰老過程中，自噬對于維持心肌細胞存活起著關鍵性作用。通過調節心肌細胞自噬有助于細胞清除受損線粒體和有害代謝產物，從而緩解細胞的氧化應激，維持心肌細胞存活和減少細胞凋亡，故激活自噬可能成為延緩心肌衰老的有效途徑。

心肌細胞；衰老；自噬

自噬與人類的疾病和健康關系密切，不僅參與細胞的增殖、分化、代謝及凋亡等正常生理過程，還參與人體諸多疾病，如腫瘤、神經系統退行性疾病、糖尿病和心血管疾病等的發生發展過程[1- 3]。近年來研究表明，自噬與心肌衰老同樣有著密不可分的聯系，通過干預自噬來延緩心肌衰老將成為一個誘人的研究方向。

1 心肌衰老的形態與功能變化及其影響因素

1.1 心肌衰老的形態結構及其功能改變

衰老的心臟呈現以膠原含量增多為特點的左心室纖維化以及心室壁的增厚，并伴有心肌細胞數目的減少。在小鼠心肌衰老模型[4]的研究中發現，衰老的心肌細胞內多數線粒體腫脹變圓，并伴有線粒體氧化蛋白積累和線粒體DNA突變增加。衰老可直接影響在心臟內起重要作用的多種離子通道、受體、酶和信號分子的表達和功能[5- 6]。例如，隨著年齡增長，對ATP敏感的鉀離子通道的表達和功能下降可影響心肌細胞的生物電活動，從而影響興奮-收縮偶聯，使衰老的心臟收縮力下降、博出量減少、心力儲備下降及心肌順應性降低。

1.2 心肌衰老的影響因素及其機制

目前的研究表明，心肌衰老可能與肌球蛋白重鏈同功酶改變、閏盤結構改變及線粒體損傷等有關，但其中最具說服力的是與線粒體損傷有關的機制。在心肌細胞中，線粒體約占心肌細胞總容積的30%，并提供心肌所需的90%以上的能量[7]，不僅如此，線粒體還是活性氧(reactive oxygen species，ROS)和自由基的主要來源，而ROS和自由基是介導衰老相關細胞損傷的主要物質，因而線粒體被認為是介導心肌細胞衰老的關鍵細胞器[8]。ROS是線粒體氧化磷酸化過程中電子轉移時的副產物，正常情況下可作為影響細胞內信號傳導級聯反應的第二信使分子，調控基因的表達。但隨著ROS的不斷產生，大量的ROS亦可直接氧化脂質、蛋白質和線粒體DNA等，造成線粒體氧化損傷。此外，ROS可使線粒體內外膜交接處的線粒體通透性轉換孔(mitochondrial permeablity transition pore，mPTP)開放，mPTP開放可引起細胞色素C和凋亡誘導因子釋放，引起caspase活化，觸發細胞凋亡。再加上損傷的線粒體DNA其修復能力有限，隨著時間進展，累積的線粒體DNA突變導致電子傳遞鏈的不正常表達，于是線粒體產生ATP的能力下降而產生大量的ROS，隨后出現線粒體損傷加重與ROS產生增多的惡性循環，最終導致心肌細胞死亡[9- 10]。

2 自噬的發生過程及其調節途徑

2.1 自噬的概述

自噬是以細胞質空泡為特征的溶酶體依賴性的降解過程,按照被降解物進入溶酶體方式的不同，可將自噬分為3類：巨自噬(macroautophagy)、微自噬(microautophagy)和分子伴侶介導的自噬(chaperon-mediated autophagy，CMA)[11- 12]。巨自噬是細胞最主要的自噬形式，以下所述的自噬均為巨自噬。

2.2 自噬的調節途徑

哺乳動物的自噬調節途徑可分為兩類，即依賴mTOR途徑和非依賴mTOR途徑。在此，我們將重點敘述依賴mTOR的自噬調節途徑[13- 14]。

mTOR(mammalian Target of Rapamycin)是一種絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶，是自噬調節的關鍵中間物質，主要作用于自噬的誘導環節。mTOR復合物有兩種功能類型，即mTORC1和mTORC2。

2.2.1 mTORC1對自噬的調節：mTORC1對雷帕霉素敏感，其組成包含mTOR催化亞單位、mTOR調節相關蛋白 (regulatory associated protein of mTOR，raptor)、GβL、分子質量為40 ku 的富含脯氨酸的Akt底物 (proline-rich Akt substrate of 40 ku，PRAS40)及含有DEP 結構域的mTOR 相關蛋白(DEP domain-containing mTOR-interacting protein，Deptor)。在營養充足、某些激素如胰島素刺激和能量供應充足等條件下，mTORC1被激活并磷酸化ULK1/2復合物，ULK1/2復合物與Atg13、FIP2OO(focal adhesion kinase family interacting protein of 200 ku)和Atg101結合形成一個更大的復合物，定位于自噬前體膜上，從而抑制ULK1/2復合物的激酶活性，進而抑制自噬；而在饑餓、應激和雷帕霉素作用等條件下，mTORC1的激酶活性被抑制，故對ULK1/2復合物的磷酸化作用被解除，導致ULK1/2復合物的激酶活性增強，ULK1/2復合物發生自身磷酸化并磷酸化Atg13和FIP200，最終導致自噬增強 (圖1)。

2.2.2 mTORC2對自噬的調節：mTORC2對雷帕霉素不敏感，它通過磷酸化Akt的第473位絲氨酸殘基而調節自噬。磷酸化后的Akt下調轉錄因子FoxO3的轉錄功能，FoxO3對自噬相關基因的轉錄減少，導致自噬功能下調。

3 自噬對心肌衰老的調節作用

3.1 心肌衰老過程中的自噬功能變化

在心肌細胞衰老模型的研究中發現，心肌細胞自噬功能下調，這可能與承載脂褐素的次級溶酶體無法與自噬體融合形成自噬溶酶體有關[15]。脂褐素是脂質和蛋白質殘基經過過氧化作用形成的不可降解的棕黃色色素，隨衰老在心肌細胞中呈進行性堆積。交叉連接的多聚脂褐素無法被溶酶體酶降解而且可能導致溶酶體酶優先分配到承載脂褐素的溶酶體內，從而減少了自噬溶酶體的形成。此外，在衰老過程中伴隨的激素水平和葡萄糖代謝的改變對自噬功能下調也有一定的作用。例如，衰老時內皮素-1(endothelin-1，ET-1)水平升高，ET-1可引起自噬下調，進而引起心肌肥大[16]。

3.2 通過激活自噬調節心肌衰老

大量研究表明，激活自噬可延緩心肌衰老而抑制自噬則促進心肌衰老， 如何通過激活自噬來延緩心肌衰老成為當前的研究熱點。長期的熱量限制可明顯改善衰老心肌的舒張功能，熱量限制的抗老化作用亦可能是通過上調自噬而實現的[17]。在哺乳動物細胞中，ATP水平的下降可被AMP依賴的蛋白激酶(AMP-dependent protein kinase，AMPK)感知，ATP/AMP比值的下降通過上游的LKB1激酶激活AMPK，激活的AMPK磷酸化并活化TSC1/2復合物，活化后的TSC1/2復合物通過Rheb抑制mTORC1的活性，增強自噬。激活的AMPK還可以獨立于TSC2，通過磷酸化raptor的第863位絲氨酸殘基抑制mTORC1活性，同樣增強自噬。在糖尿病小鼠模型的研究中發現，將小鼠H9c2心肌母細胞株置于高葡萄糖環境可降低AMPK的活性，抑制JNK1與Bcl-2間的信號傳導，促進Bcl-2與Beclin-1的結合，進而抑制與自噬體形成和成熟相關的Beclin-1:hVps34(PI3K)：Atg14復合物的活性，從而下調自噬；反之，二甲雙胍(metformin)可激活AMPK，激活的AMPK直接磷酸化JNK1，JNK1被激活并磷酸化Bcl-2，導致Bcl-2與Beclin-1分離，Bcl-2對Beclin-1:hVps34：Atg14復合物的抑制作用減弱，從而增強心肌細胞自噬，減少由高葡萄糖環境引起的心肌細胞凋亡[18- 19]。以上研究結果顯示，AMPK至少通過3條不同的途徑來調節心肌自噬。與心肌衰老中自噬調節相關的還有Insulin/IGF-1信號傳導途徑，生長激素缺陷的小鼠和IGF-1受體變異的小鼠兩者都顯示有壽命延長的現象[20]。

圖1 mTORC1調節自噬的信號途徑Fig 1 The signaling pathway of autophagy regulated by mTORC1

值得注意的是，激活自噬對心肌細胞的存活具有雙重作用，既可通過清除受損細胞成分來維持細胞穩態，起到保護作用，也可能過度降解必需細胞成分導致細胞死亡[21]。

4 總結與展望

基于以上心肌衰老的主要機制和自噬對心肌衰老的影響，有兩條基本思路來延緩心肌衰老：1) 使用線粒體抗氧化劑，以中和能量代謝產生的ROS和自由基，減少細胞成分的氧化損傷，延緩心肌衰老；2) 適當增強心肌細胞的自噬作用(如熱量限制、內皮素受體基因敲除及自噬促進藥物的使用等)，以清除衰老受損線粒體及蓄積的有害代謝產物，緩解細胞的氧化應激，延緩心肌衰老。不過兩條基本思路只是提供了可能的研究方向，在具體實施過程中，還應考慮實際的功效及可能產生的不良反應。安全、有效的延緩心肌衰老的臨床治療方案的實現，雖然還有待進一步的研究，但在將來有望成為廣大心血管疾病患者的福音。

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Research progress of autophagy in cardiomyocyte aging

XU Jin-zhi1, HONG Rong-hua1, TAN Yu-zhen2*

(1.Dept. of Clinical Medicine; 2.Dept. of Anatomy, Histology and Embryology, Shanghai Medical College ofFudan University, Shanghai 200032, China)

Autophagy plays an important role in sustaining the survival of cardiomyocytes during aging process. Regulating autophagy contributes to the elimination of impaired mitochondria and other harmful metabolites within cardiomyocytes, which relieves oxidative stress,sustains the survival of cardiomyocytes and reduces cell apoptosis. Activation of autophagy may serve as an effective way for rescuring cardiomyocyte aging.

cardiomyocyte; aging; autophagy

2013- 10- 12

2013- 12- 23

國家自然科學基金(30971674，81270200)；國家基礎科學人才培養基金(J1210041);高等學校博士學科點專項科研基金(20130071110079)

*通信作者(correspondingauthor)： yztan@shmu.edu.cn

1001-6325(2014)08-1121-04

R 322.1+1

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