細胞自噬對糖尿病及其慢性并發(fā)癥的作用研究

何姍姍　李艷波

[摘要] 糖尿病發(fā)病涉及多種因素。糖尿病及其慢性并發(fā)癥可引起全身多器官、多系統(tǒng)損害。自噬是真核生物中高度保守的分解代謝過程，其調(diào)節(jié)機制十分復雜，涉及許多通路在不同階段之間的配合。研究發(fā)現(xiàn)自噬與糖尿病及其慢性并發(fā)癥的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)，本文就細胞自噬在糖尿病及其慢性并發(fā)癥中的調(diào)節(jié)作用的最新研究進展作一綜述。

[關(guān)鍵詞] 糖尿病;慢性并發(fā)癥;細胞自噬;研究進展

[中圖分類號] R318.15? ? ? ? ? [文獻標識碼] A? ? ? ? ? [文章編號] 1673-7210（2020）06（c）-0033-04

[Abstract] Many factors are involved in the pathogenesis of diabetes mellitus. Diabetes mellitus and its chronic complications can cause damage to multiple organs and systems of the whole body. Autophagy is a highly conservative catabolism process in eukaryotes. Its regulatory mechanism is very complex and involves the coordination of many pathways at different stages. It has been found that autophagy is closely related to the occurrence and development of diabetes mellitus and its chronic complications. In this paper， the latest research progress on the regulatory role of cell autophagy in diabetes and its chronic complications are reviewed.

[Key words] Diabetes mellitus; Chronic complications; Cell autophagy; Research progress

隨著人口老齡化以及人們生活方式的改變，糖尿病患者人數(shù)逐年增加，糖尿病及其慢性并發(fā)癥的發(fā)生發(fā)展給家庭和社會造成了巨大的經(jīng)濟負擔，因此對糖尿病及其慢性并發(fā)癥發(fā)病機制的研究及早期預防變得尤為重要。糖尿病是一組由多病因引起的胰島素分泌和/或作用缺陷，進而導致糖代謝異常的疾病。自噬是維持細胞穩(wěn)態(tài)的保守的分解代謝過程，與腫瘤、神經(jīng)退行性疾病、代謝病等多種疾病相關(guān)，在饑餓和其他壓力條件下，自噬功能常作為細胞存活的重要機制。自噬通過內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激、炎性反應等多種途徑和病理生理過程參與糖尿病及其慢性并發(fā)癥的發(fā)生發(fā)展，深入研究細胞自噬對糖尿病及其慢性并發(fā)癥的作用有助于進一步揭示其發(fā)病機制，也為防治提供靶點，因此本文旨在總結(jié)細胞自噬對糖尿病及其慢性并發(fā)癥作用研究的最新進展，以期為自噬的進一步研究提供新的思路。

1 自噬（autophagy）

1.1 自噬概述

自噬是真核生物中一種高度保守的分解代謝過程，細胞內(nèi)受損的細胞器和大分子物質(zhì)通過多種途徑運送至溶酶體進行降解并循環(huán)利用，從而維持細胞穩(wěn)態(tài)。在饑餓和其他壓力條件下，自噬功能常作為細胞存活的重要機制。自噬與多種疾病相關(guān)，包括神經(jīng)退行性疾病、癌癥、炎癥、代謝等疾病[1]。研究發(fā)現(xiàn)自噬在糖尿病及其慢性并發(fā)癥發(fā)生發(fā)展中扮演重要角色。

根據(jù)運送途徑不同，自噬有3種主要類型：微自噬、伴侶介導的自噬（CMA）和宏觀自噬（即巨細胞自噬）[2]。宏觀自噬被認為是自噬的主要類型，下文所說的自噬即指宏觀自噬。

1.2 自噬過程

自噬的調(diào)節(jié)機制十分復雜，其中涉及許多通路在不同階段之間的配合。自噬過程可以分為4個不同階段，包括：①誘導;②囊泡成核;③自噬體膜伸長;④終止/融合和降解[3]。哺乳動物的靶標雷帕霉素（mTOR）對自噬起始階段的調(diào)控起重要作用[4]。正常情況下mTORC1與UNC-51樣激酶1（ULK1）復合物（ULK1/2-ATG13-FIP200-ATG101）相互作用;在饑餓、缺氧等應激情況下，mTORC1從ULK1復合體中解離出來，啟動自噬。ULK1復合體和Bcl-2相互作用形成的肌球蛋白樣卷曲蛋白（Beclin 1）復合體在自噬成核階段起著核心作用，Beclin 1與第3類磷脂酰肌醇-3-激酶Vps34結(jié)合形成復合物，招募含有磷脂酰肌醇-3-磷酸（PI3P）的蛋白1（DFCP1）、PI3P結(jié)合的效應蛋白（WIPI2）和自噬相關(guān)蛋白ATG，形成隔離膜并構(gòu)成成核[5]。膜在自噬相關(guān)蛋白ATG12-ATG5和微管相關(guān)蛋白1/輕鏈3（MAP1LC3B/LC3）兩個泛素樣聯(lián)接物系統(tǒng)的指導下發(fā)生伸長。自噬相關(guān)蛋白ATG12、ATG5和ATG16L1結(jié)合促進微管相關(guān)蛋白1輕鏈（LC3-Ⅰ）與磷脂酰乙醇胺的募集和脂化，形成結(jié)合的LC3-Ⅱ，相關(guān)自噬受體識別膜兩側(cè)LC3-Ⅱ，最終被溶酶體溶解[6]。因此，LC3-Ⅱ/LC3-Ⅰ常作為自噬標志性蛋白。

2 自噬與糖尿病（diabetes mellitus）

糖尿病是一組由多病因引起的糖代謝異常的疾病[7]。預計到2025年全球患有糖尿病的成年人可達7億，是世界范圍內(nèi)最普遍的代謝紊亂之一[8]。糖尿病及其慢性并發(fā)癥可引起多器官、多系統(tǒng)損害，已成為嚴重危害人類健康的世界性公共衛(wèi)生問題，因此早期發(fā)現(xiàn)及防治是目前醫(yī)療工作的關(guān)鍵。研究發(fā)現(xiàn)1型糖尿病（type 1 diabetes mellitus）主要由胰島β細胞的慢性炎性反應引起[9]。2型糖尿病（type 2 diabetes mellitus）的基本特征是胰島素抵抗和胰島β細胞功能障礙[10]。

胰島β細胞是人體中調(diào)節(jié)血糖水平的重要細胞之一[11]。自噬是維持線粒體和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)等多種細胞器的關(guān)鍵，在維持胰島β細胞穩(wěn)態(tài)中起不可或缺的作用。自噬缺陷可引起β細胞功能失調(diào)，導致糖尿病發(fā)生。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激（ER）在2型糖尿病相關(guān)的β細胞衰竭中起關(guān)鍵作用。未折疊蛋白反應（UPR）是ER狀態(tài)下維持細胞穩(wěn)態(tài)的重要信號通路。UPR對內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激具有適應性[12]。自噬缺陷的β細胞中，UPR表達減低。自噬相關(guān)基因Atg7基因敲除的ob/ob小鼠β細胞凋亡增加，并引發(fā)嚴重糖尿病[13]，這表明自噬缺陷性β細胞易受肥胖引起的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激的影響。研究發(fā)現(xiàn)Atg7缺陷的小鼠的血清胰島素水平明顯下降，胰島β細胞的功能出現(xiàn)退化，形態(tài)學分析顯示β細胞線粒體腫脹、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)擴張和空泡改變，證明自噬對維持胰島β細胞結(jié)構(gòu)和功能的重要性[14-15]。胰高血糖素樣肽-1受體激動劑（利拉魯肽）是一類具有降糖作用的內(nèi)源性促胰島素肽。研究發(fā)現(xiàn)它可能通過調(diào)節(jié)AMPK途徑調(diào)節(jié)自噬，保護胰島β細胞[16]。自噬可以通過多種途徑在糖尿病發(fā)病機制中扮演重要角色，因此，正確利用自噬可為糖尿病的早期診斷、預防和治療帶來新的契機。

3 自噬與糖尿病慢性并發(fā)癥

3.1 自噬與糖尿病腎病（diabetic nephropathy，DN）

DN是糖尿病慢性并發(fā)癥之一，已經(jīng)成為世界范圍內(nèi)終末期腎臟疾病的主要原因[17]。DN的早期癥狀是尿蛋白增多，其特征是系膜結(jié)節(jié)增生和腎小球基底膜（GBM）增厚。足細胞作為終末分化細胞，是腎小球中重要的功能細胞，它們的損傷和凋亡可導致腎小球濾過屏障的破壞[18]。研究發(fā)現(xiàn)自噬溶酶體系統(tǒng)在維持足細胞動態(tài)平衡中起著關(guān)鍵作用，它的改變參與了DN的發(fā)病機制[19]。

在正常生理條件下，足細胞表現(xiàn)出較高的基礎自噬水平，表明在非應激條件下自噬在維持足細胞內(nèi)環(huán)境平衡中起著關(guān)鍵作用[20]。在自噬相關(guān)基因Agt5敲除的DN小鼠中提取足細胞，發(fā)現(xiàn)LC3B-Ⅱ表達減低，自噬作用消失[21]。Lenoir等[20]利用高糖刺激足細胞，得到相同結(jié)論。說明自噬在應激狀態(tài)下也參與維持足細胞功能。而研究發(fā)現(xiàn)用鏈脲佐菌素（STZ）誘導1型糖尿病，足細胞的自噬活性降低[21]，說明高血糖降低了足細胞的自噬活性，而高糖促進足細胞自噬。另外，Wei等[22]發(fā)現(xiàn)高糖還促進足細胞積累自噬小體。自噬也可以被炎性機制調(diào)節(jié)在DN中起作用[23]。研究顯示核苷酸寡聚結(jié)構(gòu)域樣受體3（NLRP3）通過負向調(diào)控自噬，參與DN的發(fā)生發(fā)展[24]。最近研究也顯示各種組蛋白脫乙酰基酶（HDAC）在DN的自噬調(diào)節(jié)中也起著至關(guān)重要的作用，但是具體作用機制仍需進一步研究[25]。盡管自噬在DN中的作用機制還不夠清楚，但是可以肯定的是自噬可以通過多種途徑參與DN發(fā)生發(fā)展，自噬有望成為治療DN的新方法。

3.2 自噬與糖尿病視網(wǎng)膜病變（diabetic retinopathy，DR）

DR是糖尿病常見的并發(fā)癥之一，也是成人失明的主要原因。微血管功能障礙是DR的特征性病變，包括血-視網(wǎng)膜屏障破壞、毛細血管基底膜（BM）增厚、周細胞丟失和增加的無細胞毛細血管[26]。自噬在DR中的調(diào)節(jié)機制十分復雜。

自噬可參與DR新生血管的形成。血管內(nèi)皮生長因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）是誘導DR生成新生血管的特異性因子。高糖刺激視網(wǎng)膜Muller細胞，自噬底物表達增加，VEGF大量釋放[27]，說明自噬在DR新生血管的形成扮演重要角色，也為眼底新生血管性疾病的治療提供新靶點和理論依據(jù)。值得注意的是，自噬在DR中具有雙重作用。高血糖狀態(tài)下，通過觸發(fā)ROS介導的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激啟動自噬，保護高糖對視網(wǎng)膜色素上皮細胞RPE的損害;而過度激活自噬又可誘導細胞凋亡[28]，因此把握和利用好自噬，是今后需要進一步研究和解決的重點。此外，研究發(fā)現(xiàn)受損的血視網(wǎng)膜屏障會釋放細胞質(zhì)脂蛋白，而血管外修飾的低密度脂蛋白（LDL）通過內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激，氧化應激和自噬促進RPE的凋亡[29]，而降低血脂水平的激動劑非諾貝酸可明顯改善RPE凋亡[30]，這也為DR的治療提供新的思路。

3.3 自噬與糖尿病心肌病變（diabetic cardiomyopathy，DCM）

DCM被定義為糖尿病患者發(fā)生的心室功能障礙。DCM占糖尿病相關(guān)發(fā)病率和死亡率的一半以上，具體發(fā)病機制尚不清楚，研究發(fā)現(xiàn)心肌的過度氧化應激、炎癥、長期自噬激活、糖脂毒性等多種因素均可導致其發(fā)生發(fā)展[31-32]。而自噬在其中發(fā)揮重要作用，但是在1型糖尿病和2型糖尿病中的作用不盡相同。

研究發(fā)現(xiàn)STZ誘導的1型糖尿病中，LC3、ATG5和ATG12等自噬相關(guān)蛋白在心臟組織中減少[33]。He等[34]在1型糖尿病動物模型中，也得到相同結(jié)論，使用二甲雙胍治療后，自噬能力增強并改善心功能，可以推測1型糖尿病中自噬被抑制。在2型糖尿病中報道了相反的觀察結(jié)果。不同時段喂食HFD小鼠可發(fā)現(xiàn)，心臟心肌細胞自噬通量最初增加，但在2個月后下降;敲除自噬相關(guān)因子ATG7或Parkin后線粒體功能受損，小鼠的心臟舒張功能障礙增加[35]。Li等[32]高脂刺激大鼠心肌細胞（H9c2）前24 h內(nèi)自噬囊泡的數(shù)量增加，在36 h內(nèi)減少并且自噬相關(guān)因子Atg12-Atg5、Atg16L1、Atg3表達減低，細胞凋亡率增加，以上研究可推測2型糖尿病中自噬激活初期對心肌細胞有保護作用，長時間激活自噬不利于心肌細胞生存。盡管自噬作用有所不同，但是靶向激活自噬可能有助于治療進展中的DCM的胰島素抵抗。

3.4 自噬與糖尿病勃起功能障礙（DMED）

勃起功能障礙（erectile dysfunction，ED）是威脅中老年男性健康的常見疾病之一[36]。DMED是糖尿病自主神經(jīng)病變常見的并發(fā)癥。臨床研究表明50%～75%的DM患者在一定程度上患有DMED[37]。自噬和細胞凋亡被認為是DMED發(fā)生發(fā)展的重要過程[38]。

Miranda等[30]用SZT誘導大鼠DMED模型，自噬和凋亡水平升高;給予自噬激活劑雷帕霉素干預后，自噬水平進一步提高，凋亡減少，大鼠勃起功能也得到改善，說明自噬可參與DMED的發(fā)生發(fā)展。普羅布考在臨床上被廣泛用于預防冠狀動脈粥樣硬化和降低膽固醇水平的藥物，Zhang等[38]研究發(fā)現(xiàn)采用普羅布考治療12周后，STZ誘導的DMED大鼠勃起功能得到改善，大鼠陰莖組織中自噬增強，凋亡減少，說明普羅布考能抑制STZ誘導的糖尿病大鼠的細胞凋亡和自噬，為DMED提供了新的治療思路。盡管具體作用機制尚不清楚，但是可以肯定的是，自噬為DMED的預防和治療提供了新的靶點。

4 小結(jié)

著名科學家Yoshinori Ohsumi在2016年因自噬獲得諾貝爾獎后，自噬得到更廣泛的研究，成為近幾年研究的熱點。自噬對糖尿病及其慢性并發(fā)癥的作用機制仍需進一步研究，不可否認的是自噬途徑為糖尿病及其慢性并發(fā)癥的預防和治療提供了新的方向，為藥物研發(fā)提供新的靶點和理論依據(jù)。

[參考文獻]

[1]? Zhao YG，Zhang H. Core autophagy genes and human diseases [J]. Curr Opin Cell Biol，2019，61：117-125.

[2]? Mizushima N，Komatsu M. Autophagy：renovation of cells and tissues [J]. Cell，2011，147（4）：728-741.

[3]? Yang JS，Lu CC，Kuo SC，et al. Autophagy and its link to type Ⅱ diabete mellitus [J]. Biomedicine（Taipei），2017，7（2）：8.

[4]? Rosa MD，Distefano G，Gagliano C，et al. Autophagy in Diabetic Retinopathy [J]. Curr Neuropharmacol，2016，14（8）：810-825.

[5]? Lee YH，Kim J，Park K，et al. β-Cell autophagy： mechanism and role in β-Cell dysfunction [J]. Mol Metab，2019，27S（Suppl）：S92-S103.

[6]? Benito-Cuesta I，Ordó？觡ez-Gutiérrez L，Wandosell F. AMPK activation does not enhance autophagy in neurons in contrast to MTORC1 inhibition：different impact on β-amyloidclearance [J]. Autophagy，2020：1-6. doi：10.1080/15548627.2020.1728095.

[7]? 陳灝珠，鐘南山，陸再英，等.內(nèi)科學[M].9版.北京：人民衛(wèi)生出版社，2018：725.

[8]? NCD Risk Factor Collaboration（NCD-RisC）. Worldwide trends in diabetes since 1980：a pooled analysis of 751 population-based studies with 4.4 million participants [J]. Lancet，2016，387（10027）：1513-1530.

[9]? Guo J，Liu Z，Gong R. Long noncoding RNA：an emerging player in diabetes and diabetic kidney disease [J]. Clin Sci（Lond），2019，133（12）：1321-1339.

[10]? Yang Y，Chen Q，Zhao Q，et al. Inhibition of COX2/PGD2-Related Autophagy Is Involved in the Mechanism of Brain Injury in T2DM Rat [J]. Front Cell Neurosci，2019，13：68. doi：10.3389/fncel.2019.00068.

[11]? Weir GC，Bonner-Weir S. Five stages of evolving beta-cell dysfunction during progression to diabetes [J]. Diabetes，2004，53 Suppl 3：S16-S21.

[12]? Ishibashi T，Iwama Y，Nakashima H，et al. Nicotinic acetylcholine receptor signaling regulates inositol-requiring enzyme 1α activation to protect β-cells against terminal unfolded protein response under irremediable endoplasmic reticulum stress [J]. J Diabetes Investig，2020. doi：10.1111/jdi.13211.

[13]? Quan W，Hur KY，Lim Y，et al. Autophagy deficiency in beta cells leads to compromised unfolded protein response and progression from obesity to diabetes in mice [J]. Diabetologia，2012，55（2）：392-403.

[14]? Riahi Y，Wikstrom JD，Bachar-Wikstrom E. Autophagy is a major regulator of beta cell insulinhomeostasis [J]. Diabetologia，2016，59（7）：1480-1491.

[15]? Jung HS，Chung KW，Won Kim J，et al. Loss of autophagy diminishes pancreatic b-cell mass and function with resultant hyperglycemia [J]. Cell Metab，2008，8（4）：318-324.

[16]? Miao X，Gu Z，Liu Y，et al. The glucagon-like peptide-1 analogue liraglutide promotes autophagy through the modulation of 5′-？譧MP-activated protein kinase in INS-1β-cells under high glucose conditions [J]. Peptides，2018，100：127-139.

[17]? Tesch GH. Diabetic nephropathy-is this an immune disorder？ [J]. Clin Sci（Lond），2017，131（16）：2183-2199.

[18]? Dai H，Liu Q，Liu B. Research Progress on Mechanism of Podocyte Depletion in Diabetic Nephropathy [J]. J Diabetes Res，2017：2615286.

[19]? Tagawa A，Yasuda M，Kume S，et al. Impaired Podocyte Autophagy Exacerbates Proteinuria in Diabetic Nephr-opathy [J]. Diabetes，2016，65（3）：755-767.

[20]? Lenoir O，Jasiek M，Hénique C，et al. Endothelial cell and podocyte autophagy synergistically protect from diabetes-induced glomerulosclerosis [J]. Autophagy，2015， 11（7）：1130-1145.

[21]? Liu WJ，Huang WF，Ye L，et al. The activity and role of autophagy in the pathogenesis of diabetic nephropathy [J]. Eur Rev Med Pharmacol Sci，2018，22（10）：3182-3189.

[22]? Wei M，Li Z，Yang Z. Crosstalk between protective autophagy and NF-kappaB signal in high glucose -induced podocytes [J]. Mol Cell Biochem，2014，394（1/2）：261-273.

[23]? G？觟del M，Hartleben B，Herbach N，et al. Role of mTOR in podocyte function and diabetic nephropathy in humans and mice [J]. J Clin Invest，2011，121（6）：2197-2209.

[24]? Hou Y，Lin S，Qiu J，et al. NLRP3 inflammasome negatively regulates podocyte autophagy in diabetic nephropathy [J]. Biochem Biophys Res Commun，2020，521（3）：791-798.

[25]? Li X，Li C，Sun G. Histone acetylation and its modifiers in the pathogenesis of diabetic nephropathy [J]. J Diabetes Res，2016：4065382

[26]? Feit-Leichman RA，Kinouchi R，Takeda M，et al. Vascular damage in a mouse model of diabetic retinopathy：relation to neuronal and glial changes [J]. Invest Ophthalmol Vis Sci，2005，46（11）：4281-4287.

[27]? Lopes de Faria JM，Duarte DA，Montemurro C. Defective autophagy in diabetic retinopathy [J]. Invest Ophthalmol Vis Sci，2016，57（10）：4356-4366.

[28]? Yao J，Tao ZF，Li CP，et al. Regulation of autophagy by high glucose in human retinal pigment epithelium [J]. Cell Physiol Biochem，2014，33（1）：107-116.

[29]? Fu D，Yu JY，Yang S，et al. Survival or death：a dual role for autophagy in stress induced pericyte loss in diabetic retinopathy [J]. Diabetologia，2016，59（10）：2251-2261.

[30]? Miranda S，González-Rodríguez ？魣，García-Ramírez M，et al. Beneficial effects of fenofibrate in retinal pigment epithelium by the modulation of stress and survival signaling under diabetic conditions [J]. J Cell Physiol，2012， 227（6）：2352-2362.

[31]? Zhu Y，Qian X， Li J，et al. Astragalos de -IV protects H9C2（2 -1） cardiomyocytes from high glucose -induced injury via miR -34a -mediated autophagy pathway [J]. Artf Cells Nanomed Biotechnol，2019，47（1）：4172-4181.

[32]? Li S，Li H，Yang D，et al. Excessive Autophagy Activation and Increased Apoptosis Are Associated with Palmitic Acid -Induced Cardiomyocyte Insulin Resistance [J]. J Diabetes Res，2017：2376893.

[33]? Xu X，Hua Y，Nair S，et al. Akt2 knockout preserves cardiac function in high -fat diet -induced obesity by rescuing cardiac autophagosome maturation [J]. J Mol Cell Biol，2013，5（1）：61-63.

[34]? He C，Zhu H，Li H，et al. Dissociation of Bcl -2 -Beclin1 complex by activated AMPK enhances cardiac autophagy and protects against cardiomyocyte apoptosis indiabetes [J]. Diabetes，2013，62（4）：1270-1281.

[35]? Tong M，Saito T，Zhai P，et al. Mitophagy is essential for maintaining cardiac function during high fat diet -induced diabetic cardiomyopathy [J]. Circ Res，2019，124（9）：1360-1371.

[36]? Cankurtaran V， Ozates S， Ozler S. Association of pupil responses with severity? of erectile dysfunction in diabetes mellitus [J]. Indian J Ophthalmol，2019，67（8）：1319-1340.

[37]? Rew KT， Heidelbaugh JJ. Erectile dysfunction [J]. Am Fam Physician，2016，94（10）：820-827.

[38]? Zhang KQ，Tian T，Hu LL，et al. Effect of probucol on autophagy and apoptosis in the penile tissue of streptozotocin-induced diabetic rats [J]. Asian J Androl，2019. doi： 10.4103/aja.aja_89_19.

（收稿日期：2020-01-22? 本文編輯：顧家毓）