細胞自噬與腦缺血

彭擁軍 喬玉 李忠仁 傅淑平 儲繼紅 姜鵬君 朱冰梅

[摘要] 細胞自噬與腦缺血聯系密切，兩者相互影響，相互作用，腦缺血可激發細胞自噬作用，同時細胞自噬可加重或減輕腦缺血后神經細胞的損傷。腦缺血可導致細胞自噬的發生，細胞自噬適度激活，有利于腦缺血后神經細胞的修復，但是細胞自噬激活過度或不足，又可導致細胞凋亡，加重腦損傷。因此，細胞自噬激活的度需要一定的控制和把握，同時需要進一步的研究自噬對腦缺血作用的具體信號通路及干預信號通路具體手段等問題。本文探討近年來國內外關于細胞自噬與腦缺血之間的關系進展，為其臨床研究提供新思路。

[關鍵詞] 自噬;腦缺血;信號通路;綜述

[中圖分類號] R743? ? ? ? ? [文獻標識碼] A? ? ? ? ? [文章編號] 1673-7210（2019）08（a）-0046-04

[Abstract] Autophagy is closely related to cerebral ischemia， and the two interact with each other. Cerebral ischemia can stimulate autophagy， and meanwhile， autophagy can aggravate or reduce the damage of nerve cells after cerebral ischemia. Cerebral ischemia can lead to cell autophagy and cell autophagy activation moderately， conducive to the repair of nerve cell after cerebral ischemia， but excessive or insufficient cell autophagy activation， and can lead to cell apoptosis， increase brain damage， so the cell autophagy activation takes control and grasp the degrees， also need further to study the roles of autophagy in cerebral ischemia specific signal and interference signal pathways in concrete means and so on. This article explores the relationship between autophagy and cerebral ischemia at home and abroad in recent years， and to provide new ideas for its clinical research.

[Key words] Autophagy; Cerebral ischemic; Signaling pathways; Overview

細胞自噬又可稱為Ⅱ型細胞死亡，是指在自噬相關基因調控下，細胞利用溶酶體降解自身已受損的細胞器和大分子物質，降解和回收利用多余或異常蛋白、細胞器的過程，是細胞適應惡劣環境、維持內環境穩定的一種重要方式[1]。最早由比利時科學家Christian de Duve于1963年溶酶體國際會議上首先提出“自噬”。根據細胞底物運送至溶酶體腔方式的不同，細胞自噬可分大自噬、小自噬和分子伴侶介導自噬[2]。隨著細胞自噬的提出及臨床研究的不斷探索，細胞自噬的觀點被越來越多的人接受，其在細胞生理和人類疾病中扮演了重要角色，如細胞的生長分化、代謝以及腫瘤、衰老、神經性疾病、缺血性疾病等[3]。特別是腦缺血損傷，腦缺血作為一種神經系統疾病，其病理過程十分復雜，嚴重危害人類健康，且尚無有效治療手段。近年來，既往研究[4]表明，自噬與腦缺血損傷的發生發展有著密切聯系。成功的自噬靶向治療干預的關鍵在于了解自噬如何影響腦缺血的發生及進展的生物學機制。本文結合既往的臨床試驗結果、自噬依賴和反應生物標志物的運用，探討細胞自噬與腦缺血的關系及如何通過細胞自噬來治療腦缺血疾病。

1 細胞自噬

1.1 細胞自噬的含義

自噬是一種保守的細胞自消化、分解代謝的過程，通過溶酶體，負責降解已受損的蛋白質和細胞器，以維持細胞的內穩態和正常的功能[5-6]。自噬在基礎水平情況下可出現，在各種壓力下亦可出現，如饑餓、缺氧、異常蛋白質的積累、細胞器損傷、病原體感染等。自噬通過降解相應靶點，來維持細胞內穩態[7]。細胞自噬主要包括形成隔離膜（噬菌體）、形成自噬體，溶酶體和自噬體融合、自溶體降解這幾個步驟。在這個過程中，隔離膜通過一系列過程形成一個雙膜結構，即為自噬體;自噬體直接或間接與溶酶體融合（溶酶體是真核細胞中分解蛋白質、核酸、多糖等生物大分子的細胞器），即為自溶體，從而消化分解掉被隔離的物質[8-9]。在上述幾個步驟中，任何一個步驟出現問題，細胞自噬都不能正常發生。

1.2 細胞自噬的分類

隨著對自噬研究的不斷深入，目前對自噬的分類有兩種，其中根據細胞物質運到溶酶體內的途徑不同，自噬分為：①大自噬：是最常見的自噬類型，由內質網來源的膜包繞待降解物形成自噬體，自噬體（雙膜液泡）將細胞質含量轉移到溶酶體，并降解其內容物，具有發展過程迅速、批量降解、可誘導性、保守性等特征[10];②小自噬：溶酶體膜自身變形，直接包裹長壽命蛋白等底物，并在溶酶體內降解;③分子伴侶介導的自噬：胞質內蛋白與分子伴侶結合后被轉運到溶酶體腔中，在由溶酶體酶消化，是一種有選擇性和獨特性的細胞自噬機制[2]。根據自噬對降解底物的選擇性有可分為兩類：選擇性自噬和非選擇性自噬。選擇性自噬是對降解的底物蛋白具有專一性，臨床上可分為線粒體自噬、內質網自噬、脂肪自噬、過氧化物酶體自噬等，非選擇性自噬是值細胞質的內容物隨機運輸到溶酶體降解[11]。

2 腦缺血對腦神經細胞的影響

腦缺血后最先發生的改變是腦血流減少和能量衰竭[12]，腦組織血流中斷時，可引起的能量代謝障礙、蛋白質合成異常、膽堿受體缺失、神經遞質改變、突觸異常、神經元缺失和腦白質損害等改變[13]，會引起神經細胞腫脹、變性、壞死、凋亡等一系列繼發反應，喪失其正常功能，產生中樞神經癥候[14]。

腦缺血后其神經細胞可以呈現3種死亡方式：壞死、凋亡和自噬[15]。缺血性腦卒中后，缺血、缺氧可導致細胞經過一系列的病理過程，包括氨基酸毒性作用、線粒體功能障礙、酸中毒、離子失衡、氧自由基損傷和炎癥，繼而導致細胞凋亡、壞死或者自噬[16]。

3 腦缺血與細胞自噬的關系

自噬在神經系統的代謝過程中發揮著重要作用，尤其是當神經細胞處于應激狀態（如缺血缺氧）時，自噬可及時清除細胞內受損的細胞器和異常蛋白，維持細胞內環境穩定，保持細胞的活性和自我更新能力。腦缺血缺氧后多種信號分子激活自噬，腦缺血后細胞自噬激活可能成為一種治療缺血性卒中的新靶點[17]。自噬是一把雙刃劍：過度或不足的自噬可誘導細胞自噬性死亡;同時自噬作為自我修復的重要過程，適度激活清除受損的細胞器和異常蛋白、防止蛋白聚集，對細胞具有保護作用[18]。

3.1 自噬激活對腦組織的作用。

自噬激活可保護神經細胞，減輕腦損傷，對缺血周圍腦組織具有保護作用。Wang等[5]通過靶向ATG5表達，發現mIR-9A-5P的過度表達可以緩解大腦中動脈缺血（MCAO）引起的缺血損傷，即細胞自噬激活對缺血性腦損傷起保護作用。黃海廣[19]發現使用自噬抑制劑3-MA抑制神經干細胞的自噬后，對神經干細胞造成顯著損傷，影響細胞存活;相反，正常低氧下自噬被激活，對細胞有明顯保護作用。有學者[20]通過對局部腦缺血模型小鼠進行研究發現，小鼠局部腦缺血再灌注損傷可誘導TMEM166的表達，TMEM166表達趨勢與自噬特異性標志物LC3-Ⅱ基本吻合，通過誘導 TMEM166表達相應的激活LC3-Ⅱ，引起神經細胞自噬，從而改善腦缺血的損傷。

李建榮等[21]發現，小鼠腦缺血模型中，LC3-Ⅱ和Sirt3在缺血損傷后表達量均呈逐漸上升趨勢，目前臨床證明，Sirt3通過各種方式調節活性氧物質（ROS）的產生，從而提高了皮層神經元對氧化性急性損傷的抵抗能力，而作為自噬的標志分子LC3增高表明自噬激活的增強;而皮層Sirt3與自噬蛋白LC3具有正向相關性，提示自噬的激活可促進皮層中Sirt3水平的提高，從而起到保護作用。李麗茹等[22]通過觀察亞低溫對大鼠局腦缺血再灌注后認知障礙的影響，發現亞低溫組在腦缺血再灌注后，LC3的表達明顯增強，神經細胞丟失數量較對照組明顯減少，可減輕認知障礙程度，促進神經恢復。Peng等[10]通過體外模型使用自噬相關藥物（Mitofusin 2），發現Mitofusin 2上調可增加自噬體的形成，促進自噬體和溶酶體的融合，從而改善腦缺血再灌注損傷，提示腦缺血再灌注損傷是由自噬不足引起的，并因自噬退化受損而加重。

3.2 自噬抑制對腦組織的作用

在腦缺血中，越來越多的證據表明，自噬可導致自噬細胞死亡，并促進缺血性腦損傷。抑制自噬可減少局灶性腦缺血后的神經退行性改變。因此，越來越多的人認為抑制自噬可能是改善缺血性腦損傷的一種新策略[1]。Wang等[5]發現作為自噬誘導的重要基因ATG7，其選擇性缺失后，使得自噬得以抑制，自噬抑制后缺氧缺血性損傷的神經元死亡得以改善。何堅等[23]通過實驗發現，電針刺激“曲池”“足三里”穴可激活腦缺血后大鼠皮質神經細胞PI3K-mTOR信號通路，抑制細胞自噬，減少了腦梗死范圍，減少神經細胞凋亡數量，保護腦神經細胞組織。王潔等[24]通過對大鼠腦缺血再灌注模型進行對應處理，發現丁苯酞通過活化p53蛋白、激活AMPK，從而抑制mTOR通路，減輕細胞自噬，可降低腦神經組織結構的破壞。Liu等[25]發現慢性腦灌注不足（CCH）后大鼠體內的miR-96水平升高，抑制miR-96水平后，LC3和Beclin-1水平降低，自噬體數量減少，減少了自噬的激活，改善了由水迷宮實驗檢測到的雙側頸總動脈結扎術引起的認知障礙。Mei等[26]發現mIR-30D-5P通過靶向Beclin-1和ATG5抑制缺血誘導的自噬，可減輕體內和體外自噬介導的炎性反應，抑制缺血誘導的神經元損傷。

3.3自噬在腦缺血中相關信號通路

3.3.1 mTOR 信號通路在腦缺血損傷中的作用? mTOR是一種絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶，屬于磷脂酰肌醇激酶相關激酶（PIKK）家族成員之一。由2個不同的蛋白質復合物組成，mTOR復合物1（mTORC1）和mTOR復合物2（mTORC2），具有不同的下游信號事件[27]。mTOR在血管生成、神經元再生、神經元調亡、消除神經毒性物質等方面發揮著關鍵性作用[13]。mTOR信號通路是調控細胞生長増殖和蛋白質合成的重要信號通路，在神經系統，mTOR信號通路調節神經元發育、突觸可塑性，并調控氧化應激、自噬。mTOR信號通路在大鼠腦缺血-再灌注后被激活，抑制劑雷帕霉素可誘導自噬，可能通過自噬減少腦梗死體積，減少神經元死亡，抑制小膠質細胞活性來保護缺血再灌注對大腦造成的損傷[28]。

3.3.2 AMPK在腦缺血損傷中的作用? AMPK是由催化亞基α、調節亞基β和γ組成的異源三聚體蛋白激酶復合物。AMPK是細胞內重要的代謝和應激感受器，是自噬的關鍵調控蛋白[29]，AMPK通過直接或間接方式調控下游的信號通路來維持氧化還原平衡，其對細胞的自噬、增殖、凋亡、極化等有調節作用。AMPK激活與缺氧、低糖、運動相關，其在細胞水平的上調和疾病的預防的過程中有潛在的有利因素。AMPK在能量剝奪的情況下被快速激活，促使自噬的發生，激活的AMPK能調節多條參與細胞內能量穩態的信號通路，可維持細胞的正常功能。腦缺血后腦組織局部缺血缺氧出現能量代謝障礙，產生如氧化應激性損傷、炎性反應、細胞凋亡等一系列的反應，在能量缺乏的時候，AMPK將被激活，可誘導細胞自噬，通過自身消化來獲得能量，同時刺激脂肪酸氧化產生和利于ATP，來補充細胞代謝所需的能量，從各種途徑來保護腦組織的正常功能。

3.3.3 Beclin1-Bcl-2在腦缺血損傷中的作用? Beclin-1是自噬發生與調控的關鍵蛋白，是自噬通路重要的調節器，直接執行自噬的過程，被作為自噬啟動的標志物，并且調節細胞自噬與凋亡之間的平衡，在腦缺血再灌注大鼠缺血半暗帶灰質的表達明顯升高，提示在腦損傷中自噬激活[30-31]。在缺血半暗帶中，Beclin-1的上調和相關的LC3變化可能代表著增強的自噬作用，作為一種循環損傷細胞和減少損傷的機制或導致細胞死亡的過程。Beclin-1的發現源于抗凋亡蛋白Bcl-2，Bcl-2是Bcl-2家族蛋白的奠基者，具有抗細胞凋亡作用，同時可與其他蛋白的相互作用介導細胞自噬，來維持細胞的存活。Bcl-2與Beclin-1相互作用可阻止細胞過度自噬的作用。因此，Beclin1-Bcl-2復合物能夠保證自噬水平維持在生理穩態范圍內，防止過度自噬導致的細胞死亡。

4 小結與展望

通過對國內外文獻的閱讀研究，發現細胞自噬與腦缺血的聯系密切，細胞自噬已成為當今治療腦缺血的一個較新的突破點，越來越多的醫家從細胞自噬角度來尋找解決腦缺血這一疾病的有效治療方法。目前醫學界對細胞自噬主要有兩種觀點：①適度的自噬對腦缺血后神經細胞損傷起保護作用;②過度或不足的自噬，會導致細胞的凋亡，加重損傷。因此，如何把握細胞自噬的度很重要，也是目前所遇到的比較棘手的問題。

由于細胞自噬與凋亡共享部分信號通路，兩者的關系很復雜，目前就細胞自噬和凋亡在腦缺血中的信號通路及兩者的具體調節機制有許多不明了的地方，需要進一步的研究，具體如下：①如何干預細胞自噬和細胞凋亡兩者的信號通路在腦缺血中的作用;②腦缺血后細胞自噬開始干預的具體階段和時間;③尋找安全有效的干預細胞自噬的手段，如針灸、中藥等。這些問題的突破對腦缺血疾病有重要的意義。此外，針灸對細胞自噬有明顯的調控作用，對抗腦缺血損傷具有顯著意義，針灸對腦缺血的細胞自噬的影響及作用機制將成為下一階段研究的方向。

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（收稿日期：2019-02-13? 本文編輯：王? ?蕾）