氧化應激與自噬相互作用的分子機制

何子甜　白　潔

(昆明理工大學醫學院，云南　昆明　650500)

?

·綜述·

氧化應激與自噬相互作用的分子機制

何子甜白潔

(昆明理工大學醫學院，云南昆明650500)

〔關鍵詞〕氧化還原；自噬；活性氧

氧化應激是指體內氧化超過抗氧化的作用，導致蛋白及脂質的氧化損傷以及細胞損傷等。自噬是一個細胞自身結構通過溶酶體機制被降解的過程，幫助細胞維持生理功能的平衡。在近幾年的研究中表明，氧化還原與自噬之間有緊密的聯系。

1氧化應激損傷

氧化應激是由自由基對脫氧核糖核酸(DNA)、脂質和蛋白質等產生氧化損傷、從而導致衰老和神經退行性病變〔1〕。氧化蛋白質，脂質和DNA的氧化均與活性氧(ROS)有關〔2〕。此外，感染激活與ROS水平增加有關〔3〕。除此之外，氧化應激在與非酒精性脂肪肝(NAFLD)相關致命的肝細胞損傷中具有重要作用〔4〕。ROS水平的升高會導致細胞質膜水解以及磷脂酶(PLA2)激活，這些損傷可能導致神經功能障礙〔5〕。

2自噬與疾病損傷

自噬是一個細胞自身結構通過溶酶體機制被分解的過程，維持細胞生理的平衡〔6〕。自噬主要有三種類型：(1)巨自噬(以下稱為自噬)；(2)微自噬；(3)分子伴侶介導的自噬(CMA)。自噬是一個非常敏感的過程，任何因素都會引起自噬。例如：細胞外的刺激和碳源的改變等，當蛋白合成的速度或提供對于維持新陳代謝反應需要大量的ATP時，細胞自噬就會發生〔7〕。自噬既具有神經保護的作用，又具有破壞作用。1-甲基-4-苯基吡啶(MPP+)引起神經毒性的氧化應激以及血紅素氧合酶-1水平升高，與此同時，導致微管相關蛋白1輕鏈3-Ⅱ(LC3-Ⅱ)的水平增高〔8〕。在酒精性肝病的發病中，除了泛素蛋白酶系統(UPS)外，自噬能調節肝細胞內細胞的代謝〔9〕。自噬與藤黃酸(GA)誘導直腸癌細胞凋亡有關，在GA作用后，可以引起脂類代謝的失調，從而激活5-脂肪氧合酶(5-LOX)，導致細胞內ROS的積累，以及蛋白激酶B雷帕霉素靶蛋白(Akt-mTOR)信號通路的抑制和自噬的啟動。這些數據表明：GA誘導結直腸癌潛在生物活性與ROS引起的自噬有關〔10〕。

3氧化還原與自噬

3.1谷胱甘肽(GSH)與自噬大腦維持高水平GSH，能對抗組織中的氧化應激以及高含量的易于氧化的多不飽和脂肪酸〔11〕，它在半胱氨酸殘基的蛋白翻譯后修飾起重要的作用。此外，GSH對L型Ca2+通道的調節對心臟病的發生起重要作用。Ca2+通過L型Ca2+通道作用，導致心肌細胞中氧化應激增加，這與缺血再灌注損傷密切相關〔12〕。

除此之外，GSH涉及到新陳代謝的一些相關基因的表達，這些基因表達與DNA轉錄和蛋白質翻譯，細胞增殖以及凋亡有關。在缺乏營養的條件下，ROS增加并且伴隨著細胞內GSH通過細胞膜的流出，這些事件會導致硫醇氧化還原的失衡，從而激活自噬通路。

3.2還原型輔酶Ⅱ(NADPH)與自噬當營養受到限制時，p38MAPK調控磷酸化信號級聯反應，與葡萄糖攝取導致NADPH的增強有關。NADPH反過來導致緩沖更多的ROS調節的氧化應激損傷〔13〕。NADPH氧化類酶在免疫力和炎癥反應中，其作用超過了ROS，在由人類致病性真菌感染中，NADPH氧化類酶活性影響了疾病的結果。而在這一疾病的發生中，LC3依賴ROS的產生需要通過NADPH氧化酶的調節〔14〕。

免疫綜合征類風濕關節炎(RA)與 T細胞的新陳代謝活性有關。來源于RA病人的CD4 T細胞ATP生成減少，并且易凋亡。與6-磷酸果糖-2-激酶/果糖-2，6-二磷酸酶(PFKFB3)的活性不足有關。在疾病發生過程中，T細胞轉移葡萄糖到磷酸戊糖途徑，聚集更多的NADPH用于抵抗ROS，PFKFB3的不足也會驅使T細胞引發自噬。由此可見，在RA病人中的T細胞，ROS和自噬不足會導致細胞凋亡和衰老〔15〕。

糖酵解代謝途徑和氧化磷酸化的新陳代謝通路與氧化還原密切相關。在生理性條件下，葡萄糖新陳代謝與NADH/NAD氧化還原相聯系。在病理性條件下，線粒體作為ROS的靶標，對細胞凋亡至關重要，自噬溶酶體通路維持線粒體功能具有重要的保護作用〔16〕。

3.3ROS與自噬ROS是營養損失引起的自噬的早期誘導物。然而，哪一種ROS能確切地引發這個過程不清。O2-是最初參與由葡萄糖、谷氨酸、丙酮酸或血清損失引起自噬的ROS，H2O2是饑餓后立即產生的分子，誘導自噬至關重要〔7〕。自噬相關基因(Atg4)是一個在自噬小體形成中有著重要功能的半胱氨酸蛋白酶，由Cys338和Cys394之間一個二硫鍵的氧化還原來調節的能非常有效地被硫氧還蛋白(Trx)還原，這表明在Atg4調節中這個氧化還原酶起著重要的作用。與野生型細胞對比，在硫氧還蛋白突變細胞中通過雷帕霉素的自噬活性被更多的產生。此外，體內研究表明，Cys338和Cys394對于自噬小體形成是必需的，因為這些半胱氨酸突變會導致Atg8在自噬小體聚集，因此通過細胞內氧化還原調節，Atg4活性的改變，從而調節自噬小體的形成。

3.4線粒體與自噬線粒體是細胞內能量來源，在維持細胞存活、細胞死亡和細胞內新陳代謝穩態中扮演重要角色〔17〕。線粒體DNA(mtDNA)突變是線粒體疾病的重要原因，線粒體功能紊亂引起的ROS增高在線粒體疾病中扮演了關鍵角色。腺苷酸活化蛋白激酶-磷酸果糖激酶2(AMPK-PFK2)，腺苷酸活化蛋白激酶-叉形頭轉錄因子的O亞型3a(AMPK-FOXO3a)，腺苷酸活化蛋白激酶-過氧化物酶體增殖物激活受體受體γ共激活劑(AMPK-PGC-1α)和腺苷酸活化蛋白激酶-哺乳動物類雷帕霉素靶蛋白(AMPK-mTOR)均與線粒體功能紊亂引起的氧化應激有關〔18〕。在脂肪酸積累引起的損傷中，ROS聚集線粒體，Nod樣受體3(NLRP3)活化，干擾胰島素信號導致自噬途徑損傷。在棕櫚酸(PA)引起的線粒體自噬缺陷導致線粒體的損傷與有害ROS聚集在線粒體中的增加有關〔19〕。除此之外，抗霉素A(AMA)在心肌細胞中，通過增加線粒體超氧化物產生，減少線粒體膜勢能以及減少細胞內呼吸作用，而雷帕霉素通過mTOR途徑誘導自噬，提高線粒體功能，細胞內的呼吸作用，促進受損線粒體清除，保護心肌細胞免受AMA的毒害作用。因此，雷帕霉素對抗氧化應激和線粒體的起保護作用〔20〕。

4相關疾病以及研究進展

細胞內ROS的產生導致蛋白質和DNA損傷、細胞毒性反應和細胞死亡。然而，對氧化還原敏感的蛋白在調節細胞內穩態中起重要作用〔21〕。在一些疾病中，包括慢性阻塞性肺病(COPD)、肌萎縮性脊髓側索硬化癥(ALS)、癌癥、自身免疫和炎癥性疾病以及帕金森疾病(PD)中，氧化還原的紊亂在自噬相關的疾病中起到了重要的作用。

4.1COPD和惡性腫瘤COPD和惡性腫瘤中，通過比較健康組和患有著肺癌(LC)或晚期COPD的惡性病人的氧化還原平衡水平，發現這兩組惡病患者組中，他們的肌肉蛋白氧化和泛素化水平增加，并且對氧化敏感信號通路分子核轉錄因子(NF-κB)和叉頭轉錄因子(FoxO)的活化增加，而這些分子在自噬的調節中起到了重要作用〔22〕。

4.2ALSALS是一種上下神經元死亡的神經退行性疾病，與氧化應激有關。ALS中的氧化還原調節異常，在調節蛋白質錯誤折疊，谷氨酸興奮性中毒，脂質過氧化作用，線粒體功能障礙，軸突運輸和神經絲聚合受損、自噬應激，內質網(ER)中起重要的作用。ER伴護蛋白二硫化物異構酶(PDI)通過調節蛋白折疊和減少二硫化物，緩解運動神經元的損傷，可以抑制ALS發病〔23〕。

4.3癌癥氧化應激與自噬間的相互作用在癌癥的化療中扮至關演重要角色。自噬與Ras調節的致癌作用相關〔24〕。α-生育酚、抗壞血酸鹽和輔酶Q的抗氧化治療的臨床試驗中〔1〕，MitoQ，一個線粒體靶標且具有氧化活性泛醌結合物，能夠選擇性地殺死乳癌細胞。在MitoQ的治療中，癌癥凋亡細胞伴有自噬發生，MitoQ依賴Atg7活性，增加自噬標志物LC3-Ⅱ表達，在Atg7缺失細胞中ROS水平較高，氧化敏感的Keap1降解減少，隨之自噬水平的下調。同時Nrf2活性增加，細胞保護的抗氧化基因表達上調，p62積累，從而引起自噬反饋循環。可見，在MitoQ誘導自噬中，氧化還原應答反應起到了關鍵作用〔25〕。所以，氧化還原的選擇性進程是自噬發生所需要的〔1〕。

除上述氧化應激與癌癥自噬的影響之外，ROS的積累導致損傷相聯系分子模式的分子(DAMPs)的釋放，激活各自通路，調節和誘導基因表達以改變細胞內功能。高遷移率族蛋白1(HMGB1)對氧化還原調節較為敏感，通過易位，釋放和活化，調節癌癥治療中的炎癥應答反應〔26〕。ROS通過溶酶體膜蛋白(LAMP)與未折疊蛋白反應(UPR)蛋白酶體之間的聯系，在蛋白酶體抑制劑治療腫瘤過程中起重要作用〔27〕。

4.4自身免疫和炎癥性疾病在先天性和適應免疫應答中，吞噬細胞對炎癥應答起重要作用。在吞噬過程中，如LC3相聯系的吞噬作用與ROS相關。ROS分子能促進自噬和吞噬作用。HMGB1是自噬，吞噬作用和氧化應激的關鍵分子。例如：HMGB1與Beclin 1結合受ROS調節〔28〕。同時，在HMGB1與Toll-like receptor 4結合，調節巨噬細胞釋放炎癥因子的過程中，ROS也起到重要作用〔29〕。

4.5PD研究報道，自噬在PD疾病中起重要作用〔30〕。LAMP是自噬的過程中不可缺少的一個分子，包括在溶酶體膜中的LAMP1和LAMP2，以及僅在特定的細胞核分化階段表達的LAMP3。LAMP3是PD的危險因素，現有研究表明LAMP3在兩個主要的細胞內降解途徑起重要作用。盡管LAMP3 mRNA在PD小鼠模型或病人大腦中并未檢測到，然而，LAMP3能強烈地抑制神經母細胞瘤細胞系(SH-SY5Y)的蛋白酶體，LAMP3 mRNA導致的蛋白酶體損傷與UPR有關。除此之外，在PD的早期階段，LAMP2蛋白亞型有著不同的影響，LAMP2A選擇性地減少與α-突觸核蛋白有關，表明在PD中由CMA調節的蛋白降解發生在大量α-突觸核蛋白聚集之前〔31〕。自噬溶酶體途徑的損傷是PD主要發病機制，與PD相關的基因突變和突觸核蛋白翻譯的改變會損傷它溶酶體介導的降解，從而會導致突觸核蛋白的積累和聚集，如富亮氨酸重復激酶(LRRK2)，parkin和磷酸酶及張力蛋白(PTEN)導致的激酶1(PINK1)等均與自噬溶酶體途徑的改變有關。此外，溶酶體相關基因的突變，如葡萄糖腦苷脂酶(GBA)和溶酶體5型P型ATP酶(ATP13A2)也與PD有關，GBA缺少/突變，會減少溶酶體功能受損，導致的突觸核蛋白的堆積，從而導致神經元退行性改變。其次，ATP13A2基因的突變/缺失，會導致大體上溶酶體損傷，以溶酶體膜不穩定、減少溶酶體酸化、損傷溶酶體底物降解以及減少自噬小體的清除能力，最終導致突觸核蛋白的積累和細胞的死亡〔32〕。Pink1 和Parkin通過溶酶體(線粒體自噬)來調節受損線粒體的降解，而GBA和ATP13A2是溶酶體的重要部分，LRRK2在溶酶體依賴途徑中參與調節運輸，因此，溶酶體運輸或降解的信號通路改變，均與PD的表型有關〔33〕。

5展望

綜上，氧化還原失調產生ROS引起自噬，自噬對于細胞同時克服饑餓和氧化應激條件是必需的。然而，氧化還原失衡與自噬的相互作用機制十分復雜。ROS可以誘導自噬，而自噬可為了保持體氧化還原平衡而提供能量并且阻礙氧化還原損害。ROS和自噬在疾病發生和發展中起重要的作用，明確 ROS和自噬相互作用的分子機制，可以為疾病治療提供潛在靶點。

6參考文獻

1Giordano S，Darley-Usmar V，Zhang J.Autophagy as an essential cellular antioxidant pathway in neurodegenerative disease〔J〕.Redox Biol，2014;2(1)：82-90.

2Scherz-Shouval R，Elazar Z.Regulation of autophagy by ROS：physiology and pathology〔J〕.Trends Biochem Sci，2011;36(1)：30-8.

3Schneeberger K，Czirjak GA，Voigt CC.Inflammatory challenge increases measures of oxidative stress in a free-ranging，long-lived mammal〔J〕.J Exp Biol，2013;216(Pt 24)：4514-9.

4Paradies G，Paradies V，Ruggiero FM，etal.Oxidative stress，cardiolipin and mitochondrial dysfunction in nonalcoholic fatty liver disease〔J〕.World J Gastroenterol，2014;20(39)：14205-18.

5Beaulieu E，Ioffe J，Watson SN，etal.Oxidative-stress induced increase in circulating fatty acids does not contribute to phospholipase A2-dependent appetitive long-term memory failure in the pond snail Lymnaea stagnalis〔J〕.BMC Neurosci，2014;15(1)：56.

6Levonen AL，Hill BG，Kansanen E，etal.Redox regulation of antioxidants，autophagy，and the response to stress：implications for electrophile therapeutics〔J〕.Free Radic Biol Med，2014;71(2)：196-207.

7Filomeni G，De Zio D，Cecconi F.Oxidative stress and autophagy：the clash between damage and metabolic needs〔J〕.Cell Death Differ，2005;22(3):377-88.

8Hung KC，Huang HJ，Lin MW，etal.Roles of autophagy in MPP+-induced neurotoxicity in vivo：the involvement of mitochondria and alpha-synuclein aggregation〔J〕.PLoS One，2014;9(3)：e91074.

9Donohue Jr TM，Thomes PG.Ethanol-induced oxidant stress modulates hepatic autophagy and proteasome activity〔J〕.Redox Biol，2014;3(1)：29-39.

10Zhang H，Lei Y，Yuan P，etal.ROS-mediated autophagy induced by dysregulation of lipid metabolism plays a protective role in colorectal cancer cells treated with gambogic acid〔J〕.PLoS One，2014;9(5)：e96418.

11Hensley K，Denton TT.Alternative functions of the brain transsulfuration pathway represent an underappreciated aspect of brain redox biochemistry with significant potential for therapeutic engagement〔J〕.Free Radic Biol Med，2014;78(2)：123-34.

12Johnstone VP，Hool LC.Glutathionylation of the L-type Ca2+Channel in Oxidative Stress-Induced Pathology of the Heart〔J〕.Int J Mol Sci，2014;15(10)：19203-25.

13Aquilano K，Baldelli S，Ciriolo MR.Glutathione：new roles in redox signaling for an old antioxidant〔J〕.Front Pharmacol，2014;5(2)：196.

14Hogan D，Wheeler RT.The complex roles of NADPH oxidases in fungal infection〔J〕.Cell Microbiol，2014;16(8)：1156-67.

15Yang Z，Fujii H，Mohan SV，etal.Phosphofructokinase deficiency impairs ATP generation，autophagy，and redox balance in rheumatoid arthritis T cells〔J〕.J Exp Med，2013;210(10)：2119-34.

16Dodson M，Darley-Usmar V，Zhang J.Cellular metabolic and autophagic pathways：traffic control by redox signaling〔J〕.Free Radic Biol Med，2013;63(2)：207-21.

17Niforou K，Cheimonidou C，Trougakos IP.Molecular chaperones and proteostasis regulation during redox imbalance〔J〕.Redox Biol，2014;2(3)：323-32.

18Wu SB，Wu YT，Wu TP，etal.Role of AMPK-mediated adaptive responses in human cells with mitochondrial dysfunction to oxidative stress〔J〕.Biochim Biophys Acta，2014;1840(4)：1331-44.

19Yang S，Xia C，Li S，etal.Defective mitophagy driven by dysregulation of Rheb and KIF5B contributes to mitochondrial reactive oxygen species(ROS)-induced nod-like receptor 3(NLRP3)dependent proinflammatory response and aggravates lipotoxicity〔J〕.Redox Biol，2014;3(1)：63-71.

20Dutta D，Xu J，Kim JS，etal.Upregulated autophagy protects cardiomyocytes from oxidative stress-induced toxicity〔J〕.Autophagy，2013;9(3)：328-44.

21Lizama-Manibusan B，McLaughlin B.Redox modification of proteins as essential mediators of CNS autophagy and mitophagy〔J〕.FEBS Lett，2013;587(15)：2291-8.

22Puig-Vilanova E，Rodriguez DA，Lloreta J，etal.Oxidative stress，redox signaling pathways，and autophagy in cachectic muscles of male patients with advanced copd and lung cancer〔J〕.Free Radic Biol Med，2015;79(1):91-108.

23Parakh S，Spencer DM，Halloran MA，etal.Redox regulation in amyotrophic lateral sclerosis〔J〕.Oxid Med Cell Longev，2013;2013：408681.

24Bellot GL，Liu D，Pervaiz S.ROS，autophagy，mitochondria and cancer：Ras，the hidden master〔J〕? Mitochondrion，2013;13(3)：155-62.

25Gonzalez Y，Aryal B，Chehab L，etal.Atg7-and Keap1-dependent autophagy protects breast cancer cell lines against mitoquinone-induced oxidative stress〔J〕.Oncotarget，2014;5(6)：1526-37.

26Li G，Tang D，Lotze MT.Menage a Trois in stress：DAMPs，redox and autophagy〔J〕.Semin Cancer Biol，2013;23(5)：380-90.

27Dominguez-Bautista JA，Klinkenberg M，Brehm N，etal.Loss of lysosome-associated membrane protein 3(LAMP3)enhances cellular vulnerability against proteasomal inhibition〔J〕.Eur J Cell Biol，2015;94(3-4)：148-61.

28Tang D，Kang R，Livesey KM，etal.Lotze MT.Endogenous HMGB1 regulates autophagy〔J〕.J Cell Biol，2010;190(5)：881-92.

29Yang H，Hreggvidsdottir HS，Palmblad K，etal.A critical cysteine is required for HMGB1 binding to Toll-like receptor 4 and activation of macrophage cytokine release〔J〕.Proc Natl Acad Sci U S A，2010;107(26)：11942-7.

30Lynch-Day MA，Mao K，Wang K，etal.The role of autophagy in Parkinson's disease〔J〕.Cold Spring Harb Perspect Med，2012;2(4)：a009357.

31Murphy KE，Gysbers AM，Abbott SK，etal.Lysosomal-associated membrane protein 2 isoforms are differentially affected in early parkinson's disease〔J〕.Mov Disord，2015;30(12):1639-47.

32Dehay B，Martinez-Vicente M，Caldwell GA，etal.Lysosomal impairment in Parkinson's disease〔J〕.Mov Disord，2013;28(6)：725-32.

33Tofaris GK.Lysosome-dependent pathways as a unifying theme in Parkinson's disease〔J〕.Mov Disord，2012;27(11)：1364-9.

〔2015-07-08修回〕

(編輯袁左鳴)

〔中圖分類號〕R2

〔文獻標識碼〕A

〔文章編號〕1005-9202(2016)06-1505-03；

doi：10.3969/j.issn.1005-9202.2016.06.107

通訊作者：白潔(1966-)，女，教授，博士生導師，主要從事神經退行性疾病和毒品成癮分子機制研究。

基金項目：國家自然科學基金(No.81160162，U1202227)

第一作者：何子甜(1993-)，女，碩士，主要從事氧化應激與自噬方面的研究。