自噬、氧化應激與2型糖尿病的關系

于順，倪月秋

（1.沈陽醫(yī)學院基礎醫(yī)學院臨床醫(yī)學專業(yè)2015級9班，遼寧 沈陽 110034；2.基礎醫(yī)學院生理學教研室）

細胞自噬是真核細胞中普遍而又重要的生命現(xiàn)象，在真核細胞中高度保守。自噬能感受細胞所處環(huán)境的各種信號，使細胞對應激刺激做出應激反應，在不利條件下存活；同時，也能清除、降解自身受損的細胞器及細胞內生物大分子，維持細胞內環(huán)境的穩(wěn)態(tài)［1］。氧化應激是指當機體受到有害刺激時，體內自由基的產生與抗氧化防御之間嚴重失衡，活性氧自由基蓄積引起組織細胞損傷的過程［2］。糖尿病是一種以高血糖為主要特征的代謝紊亂綜合征，而糖尿病中多以2型為主，占 90%以上［3］。2型糖尿病（type 2 diabetes mellitus，T2DM）的發(fā)病原因是胰島素分泌不足和胰島素抵抗（IR）合并存在。研究表明，自噬與氧化應激參與了T2DM的發(fā)生發(fā)展，同時，自噬與氧化應激也有著密切的聯(lián)系。本文就自噬和氧化應激與T2DM相關性的研究進展進行綜述。

1 自噬

1.1 自噬的分類 細胞自噬，又名Ⅱ型程序性細胞死亡，是細胞內的長效大分子以及受損細胞器通過自噬途徑降解和回收利用，在維持細胞內穩(wěn)態(tài)，促進細胞在惡劣條件下生存和保持細胞健康過程中起重要作用［4］。自噬大致分為3種：巨自噬、微自噬和分子伴侶介導的自噬。巨自噬的形態(tài)學特征是形成有獨特雙層膜結構的自噬體，自噬體包裹待降解的胞質成分，最終與溶酶體融合。而微自噬不形成自噬體，由溶酶體內陷，將部分胞質吞入溶酶體并水解。分子伴侶介導的細胞自噬具有較強的選擇性，由熱激關聯(lián)蛋白70所介導。目前研究主要集中在巨自噬，本文所指的自噬均為巨自噬。另外，根據(jù)自噬發(fā)生的程度及細胞所處環(huán)境的不同，還可將自噬分為基礎自噬和誘導自噬。基礎自噬在大多數(shù)細胞內持續(xù)發(fā)生，而水平較低，但對于維持蛋白質代謝平衡及細胞內環(huán)境穩(wěn)態(tài)具有關鍵性作用；誘導自噬相對于基礎自噬發(fā)生程度明顯強烈，是細胞應對外界刺激的一種保護性反應［5］。自噬對細胞的作用包括［6］：維持細胞的生存；維持細胞內環(huán)境穩(wěn)態(tài)；參與部分組織重構；誘導細胞死亡。

1.2 調節(jié)自噬的信號通路 哺乳動物西羅莫司靶蛋白（mammalian target of rapamycin，mTOR），又名雷帕霉素靶蛋白，是一種非典型絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶，為磷脂酰肌醇激酶相關激酶蛋白家族成員［7］。mTOR主要通過磷酸化其下游靶蛋白40S核糖體S6蛋白激酶來調節(jié)下游蛋白翻譯，從而參與調控細胞生長、增殖等過程。mTOR是調節(jié)自噬的關鍵酶，是調節(jié)細胞生長、增殖和自噬等上游信號轉導通路的匯集點［8］。mTOR存在2種不同的復合物形式，分別是對雷帕霉素敏感的mTORC1和不敏感的mTORC2。前者主要在細胞生長、凋亡和自噬中發(fā)揮作用；后者主要和細胞骨架蛋白重組和細胞存活有關，不直接調節(jié)自噬［9］。mTOR在細胞生長中參與了多條信號通路的傳導，如PI3K/Akt通路、PKB/TSC/Rheb通路和LKB1-AMPK-TSC通路［10］等。

AMPK（AMP-activated protein kinase）為 AMP活化蛋白激酶，是細胞內高度保守的能量感受器。當細胞缺乏葡萄糖時，ATP/AMP比值降低，為獲取能量，細胞會啟動AMPK，AMPK活化后可通過磷酸化TSC 1/2復合體抑制mTOR激酶活性，或者直接由AMPK磷酸化mTOR抑制其活性，激活細胞自噬［11］。

磷脂酰肌醇-3-激酶（phosphatidylinositol 3-kinase，PI3K）是真核細胞內重要的信號分子，依據(jù)其結構可分為Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型。PI3K-Ⅰ的組分包括Vps15、Atg6（Beclin1）、Vps34、Atg14 和Atg38。該復合體定位在PAS結構或者哺乳動物細胞的自噬前體上，可以結合膜組分，并將脂分子中的磷脂酰肌醇（phosphatidylinositol，PI）轉化成 PI3P，而PI3P與 PDK-1協(xié)同激活Akt/PKB，從而活化mTOR，抑制自噬［12］。

2 氧化應激

氧化應激是指機體氧化和抗氧化作用失衡，組織細胞內自由基產生過多，超過內源性抗氧化防御系統(tǒng)對其的清除能力，從而導致機體組織細胞損傷，造成細胞功能障礙或死亡。氧化應激產生的活性氧自由基有活性氧簇（reactive oxygen species，ROS）和活性氮簇。ROS包括超氧陰離子、羥自由基、過氧化氫和脂質過氧化物等。T2DM時的高血糖狀態(tài)，ROS產生增多，而ROS引起的氧化應激反應與糖尿病的發(fā)生發(fā)展密切相關［13］。有研究指出，氧化應激參與了T2DM發(fā)生的2個重要環(huán)節(jié)，即胰島素分泌功能受損和IR［14］。

3 自噬、氧化應激與T2DM

IR和胰島細胞功能受損是T2DM發(fā)病機制的2個中心環(huán)節(jié)，經(jīng)研究證實，二者均與細胞自噬和氧化應激有著密切的聯(lián)系。

3.1 自噬、氧化應激與IR IR是指胰島素的靶器官或靶組織對胰島素的敏感性及反應性減弱，導致正常劑量胰島素所產生的生物學效應低于正常，是T2DM發(fā)病的主要機制之一。IR的機制尚未完全闡明，研究表明內質網(wǎng)應激（ERS）、氧化應激、線粒體功能障礙和自噬紊亂之間的復雜相互作用在IR中起重要作用［15］。這些通路均與c-Jun氨基末端激酶（c-junNH2-terminal kinase，JNK）信號通路的激活相關，JNK可磷酸化胰島素受體底物1（IRS1）的絲氨酸殘基，進而抑制胰島素誘導的IRS1的酪氨酸磷酸化及下游信號分子，從而抑制胰島素信號途徑［16］。當細胞受到內外因素刺激時，可導致內質網(wǎng)內穩(wěn)態(tài)紊亂，誘發(fā)ERS，導致大量錯誤折疊或未折疊蛋白質在內質網(wǎng)腔中聚集，此即未折疊蛋白反應（URP）［15］。在ERS條件下，一些URP介質能通過激活若干絲氨酸/蘇氨酸激酶，間接促進JNK的激活［16］。糖尿病患者長期高血糖和高血脂狀態(tài)導致機體氧自由基產生，使細胞內抗氧化能力失衡，導致氧化應激介導的細胞損傷加重，線粒體功能破壞嚴重，ROS水平升高而ATP生成減少，從而損傷胰島β細胞；ROS還可通過激活IKKβ，進而磷酸化IRS1的絲氨酸殘基，抑制胰島素信號途徑，引起IR［17］。氧化應激可激活多種信號通路，如p38MAPK、JNK信號通路，從而抑制胰島素信號通路，引起 IR［18］。Iwakami等［19］用過氧化氫（H2O2）作為代表性ROS處理H4IIEC肝細胞，發(fā)現(xiàn)高濃度H2O2（25～50 μmol/L）可降低胰島素誘導的Akt的磷酸化，并使JNK及其底物的磷酸化水平升高，而低濃度H2O2（5～10μmol/L）則促進了Akt的磷酸化，結果提示細胞內ROS的濃度大小可能是決定其是否抑制胰島素信號通路，產生IR的主要因素。自噬在維持細胞生存和內穩(wěn)態(tài)中發(fā)揮重要作用，Yang等［20］研究發(fā)現(xiàn)在基因和飲食肥胖模型中，均可觀察到肝臟自噬水平下調，進而導致ERS增強和IR產生；恢復肥胖小鼠的自噬功能，可維持葡萄糖穩(wěn)態(tài)、加強胰島素作用、改善ERS；結果表明自噬在胰島素信號途徑中發(fā)揮重要調控作用，自噬水平降低是產生IR的重要原因。

ROS與細胞自噬之間存在密切的關系，ROS過量累積導致氧化應激和線粒體功能損傷，同時可誘導自噬，而自噬可通過吞噬和降解產生的氧化物來減少氧化損傷［21］。Wu等［22］利用果蠅作為動物模型，研究發(fā)現(xiàn)氧化應激誘導自噬的產生需要JNK信號通路的參與，JNK活化可誘導自噬相關基因的表達（ATG基因），這些基因是JNK信號通路發(fā)揮降低氧化損傷作用所必須的；而非氧化應激所導致的自噬則不依賴于JNK信號通路。Yan等［23］研究發(fā)現(xiàn)，非肥胖糖尿病GK大鼠的糖代謝受損、氧化應激增加、線粒體功能下降，而這些功能紊亂與自噬途徑關鍵因子LC3B、Beclin1和DRP1的表達有關；高血糖導致的氧化應激可通過上調ROS-ERK/JNK-p53途徑誘導自噬；用EGCG治療GK大鼠，可改善大鼠的葡萄糖穩(wěn)態(tài)、降低氧化應激、改善線粒體功能，表明EGCG可作為潛在的自噬調節(jié)劑，用于治療IR。

3.2 自噬、氧化應激與胰島β細胞 胰島β細胞，又名胰島B細胞，位于胰島中央部，是胰島細胞的一種，因其合成、分泌胰島素，對維持機體血糖的平衡至關重要。研究證實，氧化應激可損壞胰島β細胞的結構，使胰島β細胞功能受損，進而抑制胰島素的分泌［14］。而自噬是胰島β細胞的自我保護機制之一，對于維持胰島β細胞的結構、數(shù)量和功能方面都非常重要。

Ebato等［24］研究發(fā)現(xiàn)，T2DM db/db小鼠的胰島β細胞內存在活化的自噬體；還發(fā)現(xiàn)自噬相關基因Atg7缺陷的Atg7f/f：Cre小鼠，其胰島功能退化，并含有多個囊狀結構，這些囊狀結構可能與Caspase-3陽性的凋亡細胞有關，在退化胰島周邊存在腫脹的“氣球樣”細胞，這些細胞即是退化的胰島β細胞，這些細胞含有包涵體、異常同心膜結構和異常的線粒體結構，還發(fā)現(xiàn)有泛素化蛋白和LC3結合蛋白p62的聚積；胰島β細胞結構的改變導致了細胞功能的改變，降低胰島素分泌水平；給予Atg7βf/f：Cre小鼠高脂飲食，發(fā)現(xiàn)胰島β細胞凋亡數(shù)量增加，代償性增殖能力受損。Jung等［25］同樣用Atg7突變的小鼠模型研究自噬在T2DM中的作用，研究發(fā)現(xiàn)，Atg7突變小鼠的細胞數(shù)量和胰島素含量顯著降低，胰島β細胞內出現(xiàn)了許多異常的超微結構，如腫脹的線粒體、膨脹的粗面內質網(wǎng)和高爾基體等，胰島素分泌功能也嚴重受損，結果表明自噬對維持胰島β細胞結構、數(shù)量、功能是必需的。Marsh等［26］對胰島素功能失調的Rab3A-/-突變小鼠研究發(fā)現(xiàn)，盡管突變小鼠出現(xiàn)胰島素產生超過分泌的異常失衡，但由于細胞內β顆粒降解增加，使胰島素儲存水平得以維持，這是由細胞內自噬水平上調導致的；并且自噬水平上調與溶酶體相關性膜蛋白-2（lysosome-associated membrane protein-2，LAMP-2）表達水平降低有關，而LAMP-2是自噬的負調控蛋白，結果表明自噬在維持胰島素正常水平中發(fā)揮重要作用。

Shin等［27］利用8-羥基鳥嘌呤（8-OHG）作為生物標記物探究T2DM患者的氧化損傷，發(fā)現(xiàn)T2DM患者血清8-OHG水平顯著高于非T2DM者，結果證實T2DM患者長期高血糖狀態(tài)可產生氧化應激，進而導致機體氧化損傷。Sakai等［28］研究發(fā)現(xiàn)高糖處理15min后，胰島β細胞內ROS增加；用ROS代表性分子H2O2處理可抑制高糖誘導的胰島β細胞胰島素的分泌。氧化應激和ERS在胰島β細胞功能損傷中是相互關聯(lián)的，URP可誘導產生ROS，而氧化應激又可干擾內質網(wǎng)的氧化還原狀態(tài)［29］。Laybutt等［30］研究發(fā)現(xiàn)，棕櫚酸酯處理胰島素分泌細胞MIN6可誘發(fā)ERS，并使ERS的相關標志分子表達上調，同時使細胞凋亡數(shù)量顯著增加，結果表明T2DM的高脂狀態(tài)可誘發(fā)ERS，促進胰島β細胞凋亡，導致胰島β細胞數(shù)量減少，胰島素分泌不足。如上所述，ROS與細胞自噬之間存在著密切關系，氧化應激狀態(tài)下產生的ROS能誘導自噬的發(fā)生，自噬可通過吞噬和降解產生的氧化物來減少氧化損傷，維持胰島β細胞結構、數(shù)量、功能［25］。

綜上所述，IR和胰島β細胞功能受損是T2DM發(fā)病機制的兩個中心環(huán)節(jié)，氧化應激可導致胰島β細胞功能紊亂，引起IR，進而導致T2DM的發(fā)生。自噬作為真核細胞的一種重要保護機制，可通過吞噬和降解產生的氧化物來減少氧化損傷，對維持胰島β細胞結構、數(shù)量、功能，以及降低IR是至關重要的，通過調節(jié)自噬來保護胰島β細胞免受內外環(huán)境所致的損傷對于治療糖尿病有重要的意義。但是，自噬是否直接參與T2DM的發(fā)生發(fā)展及其具體分子機制和信號轉導過程仍不十分清楚，在應激刺激時細胞如何精密調節(jié)自噬仍有待進一步研究。因此，研究者應對自噬和氧化應激在T2DM發(fā)生發(fā)展中發(fā)揮的作用及其分子機制與信號通路進行深入研究，明確自噬與T2DM的關系，以期研制出以自噬相關信號轉導分子為靶點的新藥物治療T2DM。

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