自噬與糖尿病腎病關(guān)系的研究進(jìn)展

孔祥鳳(綜述)，韋金英，段惠軍(審校)

(河北醫(yī)科大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院病理學(xué)教研室，河北 石家莊 050017)

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自噬與糖尿病腎病關(guān)系的研究進(jìn)展

孔祥鳳(綜述)，韋金英，段惠軍*(審校)

(河北醫(yī)科大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院病理學(xué)教研室，河北 石家莊 050017)

糖尿病腎病；自噬；綜述文獻(xiàn)

糖尿病腎病(diabetic nephropathy, DN)作為糖尿病最常見(jiàn)并發(fā)癥之一，發(fā)病機(jī)制復(fù)雜，嚴(yán)重危及糖尿病患者的生命健康。研究發(fā)現(xiàn)自噬與DN的發(fā)生存在一定的關(guān)聯(lián)性；然而，相關(guān)基礎(chǔ)研究?jī)H處于認(rèn)識(shí)階段，仍需進(jìn)一步深入探討。因此，對(duì)DN發(fā)病機(jī)制及有效治療方法的研究已經(jīng)成為代謝性疾病領(lǐng)域的重要研究課題。近年來(lái)，隨著糖尿病發(fā)病率在全球范圍內(nèi)呈逐漸增長(zhǎng)趨勢(shì)，糖尿病已經(jīng)成為威脅人類(lèi)生命健康的主要問(wèn)題。2013年全世界糖尿病患者已達(dá)3.82億，以這樣的增長(zhǎng)速度，到2035年總?cè)藬?shù)將達(dá)到5.92億[1]。DN是由糖尿病而引發(fā)的十分常見(jiàn)的嚴(yán)重并發(fā)癥，作為終末期腎病的主要元兇之一，其發(fā)病機(jī)制錯(cuò)綜復(fù)雜，因此探索DN的有效治療方法成為一個(gè)備受關(guān)注的問(wèn)題。現(xiàn)就DN中自噬主要營(yíng)養(yǎng)信號(hào)通路，自噬與細(xì)胞內(nèi)新陳代謝和細(xì)胞內(nèi)活動(dòng)變化關(guān)系，包括氧化應(yīng)激、糖基化終末產(chǎn)物、缺氧、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激等綜述如下。

1 自噬及其分子機(jī)制

自噬是由Ashford等[2]在1962年發(fā)現(xiàn)細(xì)胞內(nèi)有“自己吃自己”的現(xiàn)象后提出的，是指從粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的無(wú)核糖體附著區(qū)脫落的雙層膜包裹部分胞質(zhì)和細(xì)胞內(nèi)需降解的細(xì)胞器、蛋白質(zhì)等成分形成自噬體，并與溶酶體融合形成自噬溶酶體，降解其所包裹的內(nèi)容物，以實(shí)現(xiàn)細(xì)胞本身的代謝需要和某些細(xì)胞器的更新過(guò)程,從而維持細(xì)胞內(nèi)的穩(wěn)態(tài)及細(xì)胞的完整性，在動(dòng)物疾病的發(fā)生發(fā)展中起著重要的作用[3]。細(xì)胞在饑餓、能量不足等應(yīng)激狀態(tài)下，通過(guò)自噬降解長(zhǎng)壽命蛋白為三磷酸腺苷(association of tennis professionals,ATP)合成提供必要氨基酸，保證細(xì)胞內(nèi)基本物質(zhì)和能量需求，對(duì)于溶酶體降解并維持細(xì)胞內(nèi)平衡和細(xì)胞完整性具有重要的作用。

自噬是最初在酵母菌中發(fā)現(xiàn)的一個(gè)協(xié)調(diào)自噬相關(guān)基因(autophagyassociatedgene,Atg)的多步驟過(guò)程。自噬誘導(dǎo)階段涉及Ulk1/2復(fù)合體，由Ulk1/2、Atg13和黏著斑激酶家族相互作用蛋白200(focal adhesion kinase family interacting protein of 200,FIP200)組成。自噬起始階段通過(guò)激活Ulk1/2，磷酸化Atg13和FIP200，啟動(dòng)自噬[4]。繼而自噬相關(guān)基因Beclin-1從Beclin-Bcl2解離出來(lái)，與人空泡分選蛋白34蛋白(human vacuolar protein sorting 34 protein，hVps34)、hVps15和Atg14組成Ⅲ類(lèi)磷脂酰肌醇-3激酶復(fù)合體，促進(jìn)囊泡成核與自噬泡形成[5]。自噬延伸階段涉及2個(gè)獨(dú)立泛素結(jié)合系統(tǒng)：第一系統(tǒng)是Atg12與Atg5、自噬相關(guān)16樣蛋白1(Atg16L1)在Atg7和Atg10連接酶作用下形成復(fù)合體；第2個(gè)系統(tǒng)是Atg 4與Atg16L1在Atg 7和Atg 3連接酶作用下形成復(fù)合體，然后與微管相關(guān)蛋白1輕鏈3(microtubule-associated protein1 lightchain3，LC3)發(fā)生泛素化結(jié)合反應(yīng)[6-7]。LC3分為L(zhǎng)C3-Ⅰ和LC3-Ⅱ，泛素化LC3-Ⅰ與磷脂酰乙醇結(jié)合形成LC3-Ⅱ，LC3-Ⅱ存在于自噬體膜上。因此，自噬體膜上LC3-Ⅱ標(biāo)志著自噬體形成。自噬的成熟階段是紫外輻射抗性相關(guān)基因蛋白與C類(lèi)分選空泡蛋白復(fù)合體作用，Ras相關(guān)蛋白7激活并促進(jìn)自噬體和溶酶體的融合形成自噬溶酶體，溶酶體內(nèi)相關(guān)水解酶降解內(nèi)容物，通透酶運(yùn)輸產(chǎn)物到細(xì)胞質(zhì)再循環(huán)利用。

自噬可以通過(guò)調(diào)控營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)敏感信號(hào)通路來(lái)改善腎臟的自噬功能，在DN的發(fā)病機(jī)制中發(fā)揮著重要的作用,有望成為DN治療新的藥理靶點(diǎn)。目前發(fā)現(xiàn)的自噬主要有3種類(lèi)型：巨自噬、微自噬和分子伴侶介導(dǎo)的自噬。本研究主要討論的是巨自噬，巨自噬就是通常所指的自噬[8]。巨自噬是由內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、線粒體等脫落的單層膜凹陷形成雙層膜樣的隔離膜，包裹細(xì)胞質(zhì)成分形成自噬體，再與溶酶體融合形成自噬溶酶體，繼而將其內(nèi)容物降解的過(guò)程。微自噬是溶酶體膜直接內(nèi)陷將底物包裹并快速降解的過(guò)程。分子伴侶介導(dǎo)的自噬是溶酶體膜上溶酶體相關(guān)膜蛋白2A受體有選擇性地降解含有五肽氨基酸序列KFERQ的蛋白質(zhì)，熱休克蛋白70識(shí)別并將其轉(zhuǎn)入溶酶體降解的過(guò)程[9]。

2 DN中自噬主要信號(hào)通路

2.1 哺乳動(dòng)物的雷帕霉素靶(mammalian target of rapamycin,mTOR)信號(hào)通路 mTOR是一種非典型絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶，可整合細(xì)胞外信號(hào)，磷酸化下游靶蛋白核糖體，影響基因轉(zhuǎn)錄與蛋白質(zhì)翻譯，從而參與調(diào)控細(xì)胞生長(zhǎng)、增殖等過(guò)程。mTOR的生物學(xué)功能的多樣性，使其成為當(dāng)今生物學(xué)研究的焦點(diǎn)之一。mTOR與蛋白質(zhì)合成、免疫、細(xì)胞運(yùn)動(dòng)及代謝、細(xì)胞凋亡及自噬等均有聯(lián)系[10]。

mTOR信號(hào)通路上游途徑主要通過(guò)反饋饑餓、生長(zhǎng)因子不足、缺氧和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激等信號(hào)，從而抑制mTORC1誘導(dǎo)自噬，維持細(xì)胞體內(nèi)的穩(wěn)定狀態(tài)；mTOR的下游途徑主要是通過(guò)mTORC1和mTORC2兩個(gè)亞型的蛋白復(fù)合體調(diào)節(jié)自噬。mTOR包含mTORC1和mTORC2兩種不同復(fù)合體，復(fù)合體之間可以通過(guò)相互作用發(fā)出一定的自噬信號(hào)[6]。mTORC1主要由FRB、MTOR調(diào)節(jié)相關(guān)蛋白(regulatory-associated protein of mTOR，RAPTOR)、G蛋白β樣蛋白(G-protein β-subunit like protein，GβL)、DEP域與DEPDC6和富脯氨酸Akt底物40組成。FRB可以與雷帕霉素受體FKBP12結(jié)合抑制mTORC1活性，誘導(dǎo)自噬[11]。RAPTOR與真核細(xì)胞始動(dòng)因子4E結(jié)合蛋白1(4E binding protein,4EBP1)、核糖體S6蛋白激酶(S6 kinase,S6K)和Ulk1結(jié)合后可以激活4EBP1和S6K促進(jìn)蛋白和核糖體合成，抑制Ulk1活性，從而抑制自噬形成；mTORC2復(fù)合體由mTOR、mTOR的雷帕霉素不敏感組分、應(yīng)激激活蛋白激酶相互作用蛋白1、mTOR的雷帕霉素不敏感蛋白、GβL和DEPDC6組成，mTORC2可通過(guò)激活A(yù)kt(也稱蛋白激酶B)抑制轉(zhuǎn)錄因子FOXO，激活PKC調(diào)節(jié)肌動(dòng)蛋白骨架，激活血清和糖皮質(zhì)激素誘導(dǎo)的激酶1增加細(xì)胞抗壓性[12]。通過(guò)STZ誘導(dǎo)的糖尿病小鼠模型實(shí)驗(yàn)證實(shí)，雷帕霉素可抑制mTORC1活性誘導(dǎo)自噬，降低腎細(xì)胞增殖核抗原mRNA、轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子β、血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子和單核細(xì)胞化學(xué)引誘物蛋白1表達(dá)，同時(shí)減少腎小球α-平滑肌肌動(dòng)蛋白表達(dá)和腎小球系膜基質(zhì)積累，從而阻止腎臟肥大保護(hù)DN進(jìn)一步發(fā)生。

2.2 腺苷酸活化蛋白激酶(adenosine monophosphate-activated kinase,AMPK)信號(hào)通路 AMPK是一種絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶，也是一種重要的代謝應(yīng)急蛋白激酶。AMPK是由α，β，γ 3個(gè)亞基構(gòu)成的異源三聚體蛋白，AMPK的活性根據(jù)AMP/ATP比值反饋信息進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)節(jié)；AMPK信號(hào)通路是自噬正調(diào)節(jié)信號(hào)通路，在細(xì)胞能量不足條件下被激活。絲氨酸/蘇氨酸激酶11、鈣離子/鈣調(diào)素依賴性蛋白激酶激酶β和轉(zhuǎn)化因子β激活蛋白激酶1(transforming growth factor-β-activated kinase 1，TAK1)[13]。在進(jìn)行相應(yīng)調(diào)節(jié)的過(guò)程中，CaMKKβ和TAK1結(jié)合可以有效細(xì)胞內(nèi)鈣的濃度，與腫瘤壞死因子相關(guān)凋亡誘導(dǎo)配體相互作用，激活A(yù)MPK信號(hào)通路誘導(dǎo)自噬[14]。AMPK也可通過(guò)TSC1/2-Rheb信號(hào)通路或Raptor相關(guān)調(diào)節(jié)蛋白磷酸化作用，抑制mTORC1活性，誘導(dǎo)自噬[15]。與此同時(shí)，腺苷酸活化蛋白激酶還可直接磷酸化Ulk1/2誘導(dǎo)自噬[16]。

STZ誘導(dǎo)的糖尿病大鼠模型實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，二甲雙胍和5-氨基-4-甲酰胺咪唑核糖核苷酸相互作用之后可以增強(qiáng)AMPK磷酸化作用，抑制mTOR活化行為的發(fā)生，進(jìn)而誘導(dǎo)自噬發(fā)生阻止腎臟肥大。此外，二甲雙胍和白藜蘆醇還可直接激活A(yù)MPK活性機(jī)制，誘導(dǎo)自噬，減少蛋白尿，進(jìn)一步調(diào)節(jié)腎功能。與此同時(shí)，當(dāng)腎臟細(xì)胞AMPK活性受到抑制之后，AMPK激活劑能夠恢復(fù)AMPK的活性，從而進(jìn)一步誘導(dǎo)自噬，主動(dòng)發(fā)揮保護(hù)腎臟的作用。

2.3 沉默信息調(diào)節(jié)因子1(silent information regulator 1,SIRT1)信號(hào)通路 SIRT1是NAD+依賴的組蛋白去乙酰化酶，NAD+/NADH比值的增加能激活SIRT1。SIRT1是細(xì)胞能量傳感器，通過(guò)依賴NAD+濃度調(diào)節(jié)細(xì)胞能量變化和氧化還原反應(yīng)。SIRT1直接脫掉人叉頭框蛋白O3,增強(qiáng)BCL2/BNIP3蛋白過(guò)表達(dá),或者SIRT1導(dǎo)致自噬必需因子Atg5、Atg7、LC3脫乙酰基，從而誘導(dǎo)自噬。其誘導(dǎo)自噬的機(jī)制尚未清楚。主要作用機(jī)制是涉及減少活性氧(reactive oxygen species,ROS)，增強(qiáng)自噬，穩(wěn)定線粒體功能，從而維持細(xì)胞生存狀態(tài)[17]。

在糖尿病動(dòng)物模型中，SIRT1腎臟表達(dá)明顯減少。白藜蘆醇作為SIRT1激動(dòng)劑，能通過(guò)增加SIRT1活性，誘導(dǎo)自噬而改善腎功能不全[18]。白藜蘆醇還能減少Ⅳ型膠原和纖黏連蛋白表達(dá)，減少高糖誘導(dǎo)的氧化應(yīng)激和系膜細(xì)胞的衰老與凋亡[19-20]，從而改善STZ誘導(dǎo)的糖尿病大鼠腎損傷。表明SIRT1具有腎臟保護(hù)作用。

3 自噬與細(xì)胞內(nèi)新陳代謝和活動(dòng)的變化

3.1 氧化應(yīng)激 氧化應(yīng)激是細(xì)胞內(nèi)氧自由基的產(chǎn)生與清除失衡，導(dǎo)致ROS在細(xì)胞內(nèi)蓄積而引起氧化損傷的過(guò)程。DN中ROS產(chǎn)生主要來(lái)源于晚期加糖作用、多元醇代謝反應(yīng)和蛋白激酶C(protein kinase C，PKC)活化作用等。線粒體的呼吸鏈功能不足也會(huì)引起產(chǎn)成ROS[21]。ROS介導(dǎo)自噬的作用機(jī)制是高糖誘導(dǎo)細(xì)胞產(chǎn)成ROS，激活PERK誘導(dǎo)自噬，自噬可清除受損的線粒體，降低ROS對(duì)細(xì)胞的毒性，恢復(fù)細(xì)胞穩(wěn)態(tài)[22]。

3.2 晚期糖基化終末產(chǎn)物 高糖誘導(dǎo)的腎損傷引起細(xì)胞內(nèi)一些列新陳代謝變化，自噬受到抑制，晚期糖基化終末產(chǎn)物(advanced glycationend products,AGEs)在細(xì)胞內(nèi)積聚，細(xì)胞內(nèi)AGE與RAGE相互作用[23]，激活PKC，引起產(chǎn)生ROS，誘發(fā)氧化應(yīng)激，使細(xì)胞內(nèi)環(huán)境紊亂，DN進(jìn)一步發(fā)展。自噬能夠清除AGEs,改善糖尿病腎功能不全等血管并發(fā)癥，如肝細(xì)胞生長(zhǎng)因子重組糖尿病小鼠，其肝細(xì)胞生長(zhǎng)因子激活自噬溶酶體，增強(qiáng)自噬清除AGEs，改善腎功能不全。

3.3 缺氧 缺氧引起的腎損傷是導(dǎo)致DN發(fā)展的另一種機(jī)制。在DN發(fā)病機(jī)制的研究中發(fā)現(xiàn)，缺氧也可誘導(dǎo)自噬并在DN發(fā)生發(fā)展中扮演重要角色。缺氧誘導(dǎo)自噬主要通過(guò)激活缺氧誘導(dǎo)因子1α(hypoxia-inducible factor-1α，HIF-1α)來(lái)完成的。HIF-1α誘導(dǎo)Bnip3、Bnip3L過(guò)表達(dá)，將Beclin1從與Bcl-2結(jié)合中釋放出來(lái)，解離的Beclin1參與自噬的形成[8]。缺氧也可通過(guò)引起線粒體受損，ROS積累，誘導(dǎo)自噬，自噬清除受損線粒體，減少ROS發(fā)揮保護(hù)細(xì)胞作用。

3.4 內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激(endoplasmic reticulum stress，ERS) ERS是大量未折疊蛋白和錯(cuò)誤折疊蛋白在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中積累而引起內(nèi)質(zhì)網(wǎng)損傷，通過(guò)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)主要信號(hào)通路發(fā)生未折疊蛋白反應(yīng)。未折疊蛋白反應(yīng)主要由內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上3種應(yīng)激傳感蛋白控制：蛋白激酶R樣內(nèi)質(zhì)網(wǎng)激酶、轉(zhuǎn)錄因子6和肌醇依賴酶1[24]。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)為自噬體形成提供自噬體膜的主要來(lái)源。ERS可以誘導(dǎo)自噬體形成，與DN發(fā)病機(jī)制密切相關(guān)[25]。PERK可通過(guò)上調(diào)轉(zhuǎn)錄因子4，促進(jìn)LC3和Atg5轉(zhuǎn)錄，誘導(dǎo)自噬。

4 總 結(jié)

總之，在DN發(fā)病機(jī)制的研究中自噬的作用不容忽視，自噬受到抑制可導(dǎo)致ROS、AGEs等毒性物質(zhì)積累，隨后缺氧和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激均會(huì)造成腎臟細(xì)胞的進(jìn)一步損傷。增強(qiáng)自噬，可清除受損細(xì)胞器，維持細(xì)胞穩(wěn)態(tài)。自噬對(duì)腎臟細(xì)胞可能起保護(hù)作用，具體機(jī)制目前還不是很明確。自噬成為DN治療的新靶點(diǎn)還有待于進(jìn)一步研究。

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2015-11-08；

2015-12-25

孔祥鳳(1989-)，女，河北保定人，河北醫(yī)科大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院醫(yī)學(xué)碩士研究生，從事腎臟病理學(xué)和腫瘤病理學(xué)研究。

*通訊作者

10.3969/j.issn.1007-3205.2016.04.031

R587.24

A

1007-3205(2016)04-0477-04

劉斯靜)