自噬與PI3K—AKT/mTOR信號通路在足細胞損傷中的研究進展

于子凱 李劉生 張昱

[摘要] 自噬是廣泛存在于真核細胞中的生命現象，是生物體在其發育、老化過程中都存在的一個凈化自身多余或受損細胞器的共同機制，生命體通過自噬清除細胞廢物、進行結構重建以維持蛋白代謝平衡及細胞環境穩定。足細胞是腎臟固有細胞，其損傷是導致腎病蛋白尿和腎小球硬化的重要原因。PI3K-Akt/mTOR是廣泛存在于足細胞內的重要信號通路，對足細胞自噬有一定調控作用。本文旨在對PI3K-Akt/mTOR信號通路與足細胞自噬的關系進行綜述，以期探討足細胞損傷所致腎病蛋白尿和腎小球硬化的治療靶點。

[關鍵詞] 足細胞；自噬；信號通路；腎臟病

[中圖分類號] R329.2 [文獻標識碼] A [文章編號] 1673-7210（2016）03（c）-0084-04

[Abstract] Autophagy is a life phenomenon widely exists in eukaryotic cells. It is the common mechanism of biosome that purify its excess or damaged organelle during the process of growth and aging. Organism can remove the cell waste by autophagy and reconstruct the structure in order to maintain the balance of protein metabolism and stable cell environment. Podocyte is the inherent cells of kidney. Podocyte injury is a major cause of nephrotic proteinuria and glomerular sclerosis. PI3K-Akt/mTOR is an important signaling pathway exists in podocytes， which has a certain role in the regulation of autophagy of podocyte. The purpose of this paper is to review the relationship between PI3K-Akt/mTOR signaling pathway and podocyte autophagy， in order to explore the therapeutic targets of proteinuria and glomerular sclerosis induced by podocyte injury.

[Key words] Podocyte； Autophagy； Signaling pathway； Kidney disease

足細胞是腎小球臟層上皮細胞，是一種高度分化的終末細胞，其作為腎小球濾過屏障的重要部分，通過抵消腎小球高強度的透壁膨脹力、分泌可溶性因子調控其他腎小球細胞來維持正常的腎濾過屏障功能，在免疫因子、腎毒物、缺血缺氧等各種理化因素刺激過程中，均會受到損傷或功能障礙，嚴重者出現細胞死亡，進而導致腎小球硬化、腎功能損傷[1]。自噬（autophagy）作為細胞內的再循環系統（recycling system），在細胞的生長、發育和疾病發生中起著重要的作用。自從2003年Asanuma等[2]發現足細胞的分化和損傷修復過程存在自噬現象，足細胞自噬在足細胞損傷發生、發展中所扮演的角色已成為新的研究方向。自噬功能失調可導致多種疾病的發生，包括腎臟疾病、腫瘤、感染性疾病和神經退行性疾病等，但腎臟疾病相關自噬研究，相對于腫瘤和神經學等學科仍然處于起步階段[3]。因此，了解足細胞自噬機制以及相關信號傳導通路的特點，為腎小球足細胞損傷所導致的腎臟疾病提供新的治療靶點顯得尤為重要。

1 自噬與足細胞

早在1962年，Ashford和Porter就提出“self-eating（自食）”，De Duve將這一生命現象命名為“autophagy（自噬）”。雖然50年前就開始對自噬進行了研究，但是自噬只是被認為一種正常的生理過程，并未得到人們的廣泛關注。在生理狀態下，自噬是細胞內的物質成分利用溶酶體被降解過程的統稱，為真核細胞所特有的一種生命現象，細胞在細胞外（營養成分、缺血缺氧、生長因子濃度等）及細胞內（代謝壓力、破壞的細胞器等）因素的誘發下，保持很基礎的自噬活性，通過對受損細胞器等大分子物質進行降解，為合成新的蛋白質和更新細胞器提供所需的原料，維持蛋白代謝平衡及細胞內環境穩定[4]。根據細胞內底物運送到溶酶體腔內方式的不同，自噬分為微自噬（micro-autophagy）、巨自噬（macroautophagy）和分子伴侶介導的自噬（chaperone-mediated autophagy），其中，巨自噬最為普遍[5]。以巨自噬為例，其形成過程大致為：在各種因素誘導下，胞漿中降解物包裹類似“脂質體”樣的杯狀孤立雙層膜結構形成自噬體，自噬體與溶酶體融合形成自噬溶酶體，最終自噬溶酶體被分解為其組成成分，釋放入代謝再循環系統供細胞再利用。近年來又根據自噬對降解底物的選擇性分為選擇性和非選擇性自噬，其中，選擇性自噬可分為線粒體自噬（mitophagy）、過氧化物酶體自噬（pexophagy）、內質網自噬（reticulophagy）、核糖體自噬（ribophagy）[6]。各種方式的自噬在生理狀態下是細胞的“管家”，均可以維持細胞內環境的穩定，促進細胞存活，然而，在疾病發生發展過程中，自噬可以說是一把雙刃劍，自噬過度可以向凋亡轉化，共同促進細胞死亡[7]。研究表明，自噬在高度分化的有絲分裂后細胞——足細胞中的作用尤為明顯[8]。足細胞易于損傷，且足細胞損傷必然導致腎小球濾過屏障的破壞，進而出現相應的臨床表現——蛋白尿。相關研究也證實，足細胞分裂增殖能力有限，一旦損傷或缺失就很難再生，其損傷后可直接引起蛋白尿[9-12]。可見，保護足細胞是預防相關腎臟疾病或者阻斷其病程進展的重要途徑，同時了解足細胞自噬的機制可為防治足細胞損傷提供理論依據。

酵母蛋白自噬相關基因（autophagy-related gene，Atg）和哺乳動物同族物微管相關蛋白1輕鏈3（microtubule-associated protein 1 light chain 3，MAP1-LC3）是在自噬進程中發揮核心作用的自噬蛋白[11]。Asanuma等[2]及Mizushima等[13]開展相關基礎分子遺傳學研究，結果顯示，LC3在小鼠腎小球足細胞中表達顯著，表明腎小球足細胞具有高水平的基礎自噬活性。通過敲除Atg5（autophagy-related gene 5）構建大鼠腎小球足細胞自噬抑制模型，Hartleben等[14]發現，模型組大鼠腎小球足細胞較正常組對致損因素明顯易感，進一步實驗表明，敲除Atg5的足細胞清除廢物的能力明顯下降，導致氧化蛋白及受損細胞器堆積，引起內質網應激后表現出蛋白尿，進而引起足細胞缺損或腎小球硬化，結果指出自噬作為一種重要的保護機制，可抑制足細胞損傷，維持其穩態及功能的完整性。因此，自噬與足細胞的命運息息相關，探索足細胞自噬平衡機制可為保障足細胞結構和功能的正常提供新的依據，為干預足細胞損傷防治腎臟病提供新的治療靶點。

2 自噬與PI3K/AKT/mTOR信號通路

自噬可以被營養壓力、氧化壓力、缺氧、熱休克等環境壓力和損傷的細胞器、蛋白質聚集體、病原體感染等內在壓力所誘導，上調的自噬可以清除這些壓力。當這些壓力被清除后，自噬回復到基本水平。而這些壓力條件需要通過不同的信號傳導通路對自噬水平進行調控，而這些信號通路陸續得到鑒定。

2.1 PI3K/AKT/mTOR信號通路組成

磷脂酰肌醇3-激酶（phosphatidylinositol 3-kinase，PI3K）是真核生物體內重要的信號分子。最初證明PI3K參與到自噬的證據是1982年發現的Ⅲ型PI3K分子的抑制劑3-甲基腺嘌呤（3-thyladenine，3-MA）能夠抑制自噬，是調控自噬的重要分子，其由一個相對分子質量為110×103的催化亞基p110和一個相對分子質量為85×103的調節亞基p85構成[15]。它可以調控細胞核內活動、細胞骨架系統、細胞內信號傳遞和膜運動。Akt又稱為蛋白激酶B（protein kinase B，PKB），是一種絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶，是PI3K/Akt信號轉導通路的核心。足細胞自噬過程中牽涉到的信號傳遞、自噬體運動、囊泡融合都與PI3K/Akt信號通路有關。mTOR是由2549個氨基酸組成的一類大分子蛋白，屬于磷脂酰肌醇激酶相關激酶（phosphatidylinositol kinase-related kinase，PIKK）家族成員，其也是調控細胞生長和增殖以及自噬的重要信號通路。mTOR由mTORC1和mTORC2兩種復合物形式，mTORC2包含有Rictor、Sin1和mLST8，而調節細胞增殖、凋亡和自噬等的主要為mTORC1[16]。mTORC1的構成包括具有底物識別功能的腳手架蛋白Raptor、負調控蛋白PRAS40、正向調節蛋白mLST8（又叫GβL），其可整合生長因子、氨基酸、營養分子和能量感受信號，調控細胞生長增殖、營養運輸、蛋白合成和自噬。

mTOR活性有賴于PI3K/Akt途徑的調節，生理情況下，酪氨酸激酶受體被細胞外和胞內因子活化進而激活PI3K，激活的PI3K將底物PIP2催化為PIP3，PIP3與磷酸肌醇依賴的激酶-1（PDK-1）協同完全激活Akt，Akt活化后將信號下傳至mTOR[17]，活化后的mTOR激活其下游的相關因子，促進細胞的蛋白質合成、增殖及生長，加速細胞代謝，抑制細胞的自噬作用[18]。通過調節PI3K/Akt信號通路與mTOR通路的穩態，對維持足細胞自噬過程的活性具有重要意義[19-20]。

2.2 足細胞自噬與PI3K/AKT/mTOR信號通路

由足細胞相關分子（nephrin、podocin、CD2AP、α-actin-4等）組成的裂孔隔膜復合體（SD complex），對維持腎小球濾過屏障的穩定起關鍵作用[21]。SD complex在PI3K/Akt信號通路激活過程中扮演重要角色[22]，活化后的PI3K/AKT通路可調控足細胞自噬，損傷足細胞，破壞SD complex的穩定性[23]。研究證實，PI3K/Akt通路通過調控足細胞自噬誘導足細胞損傷參與糖尿病腎病、膿毒癥腎臟損傷的形成[24]。同時，PI3K/Akt通路及足細胞自噬也參與其他腎臟組織的損傷以及腎臟疾病的發生[25]。因此，干預PI3K/Akt通路和自噬軸可能成為足細胞損傷所致腎臟病治療的新靶點。生理狀態下，足細胞的動態平衡通常也依賴較高水平的自噬活性及極低水平的mTOR活性，當mTOR活性和自噬活性的平衡被打破，則會導致足細胞損傷。研究顯示，通過敲除足細胞mTOR擾亂生理性自噬軸構建小鼠模型，模型組小鼠最終發生蛋白尿并發展至腎小球硬化，可見mTOR過度抑制可引起足細胞損傷[26]。同時，在糖尿病腎病患者及小鼠模型中發現mTOR活性增強，并伴有足細胞自噬水平下降[27]。除此之外，過度激活mTOR會引起小鼠足細胞胞體增大、足突消失、腎小球硬化，最終因腎衰竭而死亡[23]。可見，mTOR表達抑制或者過度激活均引起足細胞自噬平衡失調，最終導致其結構和功能的紊亂。

綜上所述，在眾多信號通路及介質（Beclin-1、Bcl-2、ClassⅢ、PI3K/AKT、mTOR、p53、JNK、SIRT1-FoxO等）參與的自噬調控機制中[28]，PI3K/AKT/mTOR信號通路在調控足細胞自噬軸、維持足細胞內環境穩態、防止其損傷的過程中發揮重要作用。

3 小結與展望

自噬和人類病理生理存在著許多種微妙的關系，然而現今對自噬的理解，尤其是對它們在人類健康和疾病中所扮演的角色認識遠遠不夠。自噬是一個相對復雜的過程，在特定的病理條件下，自噬做出的反應以及隨之引起的后續結果都不相同。而目前的大多數研究僅僅表明了自噬和足細胞損傷相關，但并不能闡明它們之間的因果關系，除了離體細胞實驗，研究人員通過在動物體內剔除相關基因，在特定組織中觀察了自噬活性隨時間的變化，并了解自噬能力失活帶來的影響。足細胞可通過自噬清除細胞內損傷及衰老的細胞器，維持細胞內內環境的穩定，防止其自身的損傷引起腎臟疾病。但是自噬在足細胞損傷所致的腎病蛋白尿和腎小球硬化中所起到的具體作用機制，有待于進一步研究。

自噬作為維持細胞生存、應對內外壓力的重要代謝過程，需要受到細胞嚴密的調控，過去的數十年中，人們對于自噬分子機制的研究取得了長足的進步，明確了若干參與自噬通路的相關蛋白，對于參與自噬過程的相關基因，調控自噬的信號網絡研究已經逐漸揭示了自噬調控的分子機制，包括30多種Atg蛋白、細胞骨架系統、內吞分泌途徑、關鍵的原癌基因和免疫蛋白在內的亞細胞組分對于自噬的調控均發揮著重要的作用，自噬的調控通路也逐漸顯現。然而，對于自噬調控過程，特別是其如何與信號通路關聯（自噬是如何接受上游信號、如何啟動下游通路、如何與旁路相關聯）都還知之甚少，在這個龐大的信號轉導通路中每條信號通路中仍然有許多環節需要進一步闡明，各條信號通路的對話更需深入研究。在調控足細胞自噬的過程中，PI3K/Akt信號通路及mTOR信號通路是目前研究較多的信號通路，其充當重要角色。因此，深入研究PI3K/Akt信號通路及mTOR信號通路與足細胞自噬的關系，可從微觀上認清其調控方式，可對足細胞損傷的發生發展提供理論指導，并為足細胞損傷所致腎病蛋白尿和腎小球硬化的治療提供新的治療靶點。

為了精確調控足細胞自噬，使其對腎病蛋白尿和腎小球硬化可以進行響應或者防御，需要更清楚地了解自噬調控通路的每一個環節。盡管目前關于自噬的分子機制（包括膜的來源、囊泡形成的機制以及自噬選擇性包括降解物質的機制等）不太清楚，但人們對自噬的理解正在迅速進步，如何運用現代化生物醫學技術和手段來進一步探索和研究自噬在足細胞損傷所致腎病蛋白尿和腎小球硬化發生發展中的作用和分子調控機制進行觀察研究，將會是今后腎臟病研究和臨床治療領域里一個重要方向。總之，在今后的研究中，隨著基因技術、自噬檢測技術等的不斷改進，在分子水平上對自噬認識的不斷積累，相信對自噬的了解將會更全面更深入，并為腎臟病發病機制的研究及臨床治療提供新的思路。

[參考文獻]

[1] Brinkkoetter PT，Ising C，Benzing T. The role of the podocyte in albumin filtration[J]. Nat Rev Nephrol，2013，9（6）：328-336.

[2] Asanuma K，Tanida I，Shirato I，et al. MAP-LC3，a promising autophagosomal marker，is processed during the differentiation andrecovery of podocytes from PAN nephrosis [J]. FASEB J，2003，17（9）：1165-1167.

[3] Jeremy S，Leventhal，John C，et al. Autophagy and Immune Response in Kidneys [J]. Seminars in Nephrology，2014，34（1）：53-61.

[4] Myung W，Han J，Cheol L，et al. Autophagy inhibition can overcome radio resistance in breast cancer cells through suppression of TAK1 activation [J]. Anticancer Research，2014，34（3）：1449-1455.

[5] Liu K，Zhao E，Ilyas G，et al. Impaired macrophage autophagy increases the immune response in obese mice by promoting proinflammatory macrophage polarization [J]. Autophagy，2015，11（2）：271-284.

[6] 肖伊，寧蔣，欣呂佩，等.選擇性自噬的研究[J].腦與神經疾病雜志，2015，23（4）：316-319.

[7] 李巍巍，王群，郭安臣，等.自噬-腦缺血損傷中的雙刃劍[J].中國卒中雜志，2015，10（4）：320-325.

[8] Mizushima N，Levine B，Cuervo AM. Autophagy fights disease through cellular selfdigestion [J]. Nature，2008，451（7182）：1069-1075.

[9] Chitra PS，Swathi T，Sahay R，et al. Growth hormone induces transforming growth factor-beta-induced protein in podocytes：implications for podocyte depletion and proteinuria [J]. J Cell Biochem，2015，116（9）：1947-1956.

[10] Guan N，Ren YL，Liu XY，et al. Protective role of cyclosporine A and minocycline on mitochondrial disequilibrium relatedpodocyte injury and proteinuria occurrence induced by adriamycin [J]. Nephrol Dial Transplant，2015， 30（6）：957-969.

[11] 劉華，易著文.足細胞自噬與蛋白尿[J].國際病理科學與臨床雜志，2012，32（4）：361-365.

[12] 魏海峰，李才，劉磊，等.單寧酸對糖尿病模型大鼠腎臟氧化應激水平及炎性因子表達的抑制作用[J].中國醫藥，2014，9（10）：1479-1484.

[13] Mizushima N，Yamamoto A，Matsui M，et al. In vivo analysis of autophagy in response to nutrient starvation using transgenic mice expressing a fluorescent autophagosome marker [J]. Mol Biol Cell，2004，15（3）：1101-1111.

[14] Hartleben B，Gdel M，Meyer-Schwesinger C，et al. Autophagy influences glomerular diseasesusceptibility and maintains podocyte homeostasis in aging mice [J]. Clin Invest，2010，120（4）：1084-1096.

[15] Xi JC，Zang HY，Guo L，et al. The PI3K/AKT cell signaling pathway is involved in regulation of osteoporosis [J]. Recept Signal Transduct Res，2015，35（6）：640-645.

[16] Tarantino G，Capone D. Inhibition of the mTOR pathway：a possible protective role in coronary artery disease [J]. Ann Med，2013，45（4）：348-356.

[17] Lum JJ，Bauer DE，Kong M，et al. Growth factor regulation of autophagy and cell survival in the absence of apoptosis [J]. Cell，2005，120（2）：237-248.

[18] Garami A，Zwartkruis FJ，Nobukuni T，et al. Insulin activation of Rheb，a mediator of mTOR/S6K/4E-BP signaling，is inhibited by TSC1 and 2 [J]. Mol Cell，2003，11（6）：1457-1466.

[19] Reedquist KA，Ludikhuize J，Tak PP. Phosphoinositide 3-kinase signalling and Fox-O transcription factors in rheumatoid arthritis [J]. Biochem Soc Trans，2006，34（5）：727-730.

[20] Jung CH，Rosh，Cao J，et al. mTOR regulation of autoph-agy [J]. FEBS Lett，2010，584（7）：1287-1295.

[21] Cheng H，Harris RC. The glomerulus-a view from the outside-the podocyte [J]. Int J Biochem Cell Biol，2010，42（9）：1380-1387.

[22] Zha X，Sun Q，Zhang H. mTOR upregulation of glycolytic enzymes promotes tumor development [J]. Cell Cycle，2011，10（7）：1015-1016.

[23] Inoki K，Mori H，Wang J，et al. mTORC1 activation in podocytes is a critical step in the development of diabetic nephropathy in mice [J]. J Clin Invest，2011，121（6）：2181-2196.

[24] 向鏡芬，楊祥，龔劍鋒，等.PI3K/Akt信號通路在膿毒癥腎臟損傷誘導的自噬中的調節作用[J].中國病理生理雜志，2014，30（6）：1052-1058.

[25] 于力，葛林.腎小球足細胞自噬與PI3K/Akt信號通路的研究進展[J].臨床兒科雜志，2015，33（6）：501-503.

[26] Cina DP，Onay T，Paltoo A，et al. Inhibition of mTOR disruptsautophagic flux in podocytes [J]. J Am Soc Nephrol，2012，23（3）：412-420.

[27] Fang L，Zhou Y，Cao H，et al. Autophagy attenuates diabetic glomerular damage through protection of hyperglycemia induced podocyte injury [J]. PLoS One，2013，8（4）：546-560.

[28] Liu B，Cheng Y，Liu Q，et al. Autophagic pathways as new targets for cancer drug development [J]. Acta Pharmacol Sin，2010，31（9）：1154-1164.

（收稿日期：2015-12-20 本文編輯：程 銘）