自噬與宮內發育遲緩

張頂梅，路小倩，黃鶴歸，李 景，汪 暉

(1.武漢大學基礎醫學院藥理學系，2.發育源性疾病湖北省重點實驗室，湖北 武漢 430071；3.武漢市第一醫院藥學部，湖北 武漢 430022；4.武漢大學人民醫院藥學部，湖北 武漢 430060)

自噬(autophagy)是指真核細胞內特定物質成分被溶酶體降解的過程。作為真核生物中一種應對環境應激的高保守分解代謝途徑，自噬可以驅動生物體發育所必需的細胞快速反應。生理條件下，生物體可通過基礎自噬來維持蛋白質和細胞器的更新，以保證生命活動的正常供能及代謝。宮內發育遲緩(intrauterine growth restriction，IUGR)主要指發育時期胎兒生長受限。在胚胎發育過程中，多種因素可致IUGR發生，并使子代圍產期發病率、死亡率以及成年后多種疾病易感性增加。自噬在胎兒發育中發揮著關鍵作用，自噬缺陷個體往往表現出發育遲緩。本文綜述了自噬的分類及調節過程，并闡明自噬在IUGR發生中的作用及可能發生機制，為探尋IUGR胎源性疾病的早期防治策略提供理論依據。

1 自噬概述

自噬普遍存在于生物體的發育和老化過程中，多表現為真核細胞清除自身多余或受損的細胞器。生理狀態下，細胞可通過自噬實現物質重新利用和自身不斷更新，保證新陳代謝等基本生命活動的正常進行，此時自噬處于一個基礎或低水平狀態。應激狀態下，如細胞缺少營養成分、缺血缺氧和生長因子濃度降低時，自噬通過降解細胞自身物質為細胞提供能量以保證其存活，此時被激活的自噬處于高水平狀態。

1.1 自噬的分類自噬的發生可分為起始、囊泡核化、囊泡延伸、溶酶體融合和降解階段。根據底物在細胞內被運送到溶酶體的方式不同，可將自噬分為分子伴侶介導的自噬、小自噬和大自噬。

分子伴侶介導的自噬(chaperone-mediated autophagy，CMA)是指分子伴侶熱休克同源蛋白(heat shock cognate protein 70，Hsc70)識別特定的KFERQ序列后，與底物蛋白結合形成分子伴侶-底物復合物從而使得底物蛋白降解。CMA只能降解結合到熱休克蛋白上且含有KFERQ序列的底物蛋白，不能降解細胞器，且KFERQ這個五肽序列突變時會阻止其他大分子物質(如脂質和核酸)降解。

小自噬(microautophagy)是指液泡或溶酶體通過膜內陷直接攝取細胞質底物并使其降解，以供細胞再利用，其特點是膜直接變形包裹底物[1]。Dubouloz 等[2]發現，雷帕霉素靶蛋白(target of rapamycin,TOR)和EGO信號通路通過調節液泡膜的吸收與降解參與小自噬發生，從而補償了雷帕霉素誘導的大自噬所引起的大量膜流入。這表明小自噬可部分減少大自噬的不利影響，對于保持細胞器的大小和膜組成至關重要。

大自噬(macroautophagy)即人們常說的自噬(在該文中的自噬均是指大自噬)，其基本過程包括誘導、隔離膜生成與延伸、自噬體形成與成熟、與溶酶體融合、自噬溶酶體降解及小分子循環再利用等。

1.2 自噬的調控自噬的整個發生過程需要多個自噬相關蛋白參與調節(Fig 1)。自噬的起始步驟受unc-51樣自噬激活激酶1(unc-51 like autophagy activating kinase 1，ULK1)-自噬相關基因13(autophagy related 13，Atg13)-RB1可誘導螺旋結構(RB1 inducible coiled-coil 1，FIP200)復合體調控。哺乳動物Atg6的同源物Beclin1從與凋亡調節蛋白Bcl-2的結合中解離，繼而與空泡蛋白分類34(vacuolar protein sorting 34，vps34)、Atg14/Barkor和vps15/p150一起形成Ⅲ型磷脂酰肌醇3-激酶(phosphatidylinositol 3-kinase，PI3K)復合體；隨后，受mTOR和腺苷酸活化蛋白激酶(5-AMP activated protein kinase，AMPK)調控活化的ULK復合體從胞質轉移到內質網或其他位置，通過對Beclin1的Ser14位點進行磷酸化增加PI3K活性，從而誘導自噬發生。激活的PI3K促進隔離膜的核化并募集另外的Atg蛋白到自噬泡上，從而促進自噬體膜形成。

Fig 1 Process of autophagy and molecular regulatory mechanism

自噬體的延伸閉合需要Atg12-Atg5泛素化系統和LC3/Atg8-PE結合系統參與。在Atg12-Atg5泛素化系統中，Atg12被Atg7激活，進而轉運到Atg10上，最終與Atg5結合形成Atg12-Atg5復合物；該復合物在Atg16L的寡聚化作用下形成Atg12-Atg5-Atg16復合體，構成自噬囊泡的雙層膜骨架結構，促進微管相關蛋白3(microtubule associated protein 1 light chain 3，LC3)與磷脂酰乙醇胺(phosphoethanolamine，PE)結合。在LC3/Atg8-PE結合系統中，Atg4剪切LC3/Atg8，可溶性LC3-Ⅰ在Atg7和Atg3作用下結合到PE，形成脂溶性LC3(即LC3-Ⅱ蛋白)，使自噬體閉合。所以，LC3-Ⅱ可以看作是自噬標志物，附著有LC3-Ⅱ的自噬體能通過LC3與p62的相互作用識別并捕獲底物。

自噬的最后階段是溶酶體與包含有需降解物質的自噬體融合形成自噬溶酶體，溶酶體中的水解酶完成對自噬底物的降解。很多蛋白參與調控自噬體-溶酶體融合、溶酶體生成、激活、更新與轉運，如N-乙酰馬來酰亞胺敏感因子附著蛋白(soluble N-ethylmaleimide-sensitive fusion protein attachment protein receptor，SNARE)、細胞骨架蛋白和小的GTP酶等。在自噬體-溶酶體融合過程中，自噬體和溶酶體的膜脂組分可影響其融合能力。

2 自噬與胚胎發育

在哺乳動物中，自噬貫穿了胚胎發育整個階段，是胚胎發育的重要調節者。自噬相關基因缺失可致小鼠在胚胎早期或圍產期代謝異常甚至死亡[3]。如在自噬基因Atg5敲除的小鼠中，其氨基酸代謝異常，主要表現為血漿和組織的氨基酸含量顯著降低[4]；小鼠卵細胞Atg5敲除后可致胚胎死亡；Beclin1敲除小鼠在胚胎6.5 d時出現發育延遲，未形成羊膜褶，在胚胎7.5 d時晶胚出現大量的細胞死亡且前羊膜管未閉合；Ambra1敲除小鼠在胚胎期d 10-14時死亡；Fip200缺失小鼠在胚胎期13.5-16.5 d由于心臟和肝臟發育異常而出現胚胎死亡；敲除Atg3、Atg5、Atg7、Atg9、Atg16L的小鼠雖不存在胚胎致死性，但在出生后1 d內均會死亡。以上研究表明，自噬在胚胎發育中發揮著至關重要的作用。

3 自噬與IUGR

IUGR是指胎兒體重低于同孕齡胎兒平均體質量的10%或低于同孕齡平均體質量的2個標準差。IUGR 胎兒為了維持其生存和發育，會改變自身的新陳代謝過程，將有限的能量進行重新分配，限制次要器官(如骨、腎、性腺)的能量消耗，以確保重要器官(如腦和肝)的發育，即胎兒變得“節儉”，這種改變會持續很長時間，甚至是永久性的。生物體的發育是一個受到精準調節的生物學過程，在此過程中，自噬可以通過降解折疊錯誤或多余的蛋白質和破損的細胞器來維持細胞的生存，通過降解部分蛋白質和細胞器，為細胞重建提供原料和能量，也可通過特異性降解某些蛋白質或細胞因子來改變細胞的組成，決定細胞分化、發育的方向等。如小鼠Atg9a 和Beclin1缺失均會導致胎鼠生長遲緩，說明胎兒自噬功能紊亂與IUGR密切相關。Tab 1列出了近年來自噬在IUGR發生中的相關研究。因此，自噬可能是IUGR胎兒為維持自身重要器官發育而限制次要器官發育的一個重要機制，以代償IUGR胎兒生長。

Tab 1 Studies on autophagy and intrauterine growth retardation fetus

Tab 2 Studies on autophagy and intrauterine growth retardation organ development

3.1 自噬與IUGR的胎盤發育胎盤作為妊娠期連接母體和胎兒的臨時器官，可維持胎兒的正常發育。胎盤結構與功能異常是IUGR常見的誘因之一。自噬是胎盤維持正常生理功能的重要過程。1970年,Jones 和 Fox發現滋養層細胞中存在自噬，之后有研究表明妊娠晚期絨毛滋養細胞中也有自噬存在。自噬是胎盤屏障中對抗病原體的關鍵機制。近期研究表明，IUGR的胎盤中自噬水平比正常胎盤中的高，且IUGR胎盤中同時存在自噬與凋亡，提示自噬異常與胎盤發育遲緩密切相關[6]。在孕婦感染茲卡病毒(ZIKV)所致的IUGR胎盤中，自噬活性升高[18]。但敲除自噬關鍵基因Atg16L的小鼠胎盤中ZIKA病毒滴度明顯降低，胎盤的損傷程度也低于野生型小鼠胎盤，提示自噬可能是病毒感染所致IUGR胎盤發育受損的一個治療靶點[18]。p53信號通路作為上游調控因子可負向調節自噬，在胎盤滋養層細胞分化過程中，p53基因和蛋白水平下降，自噬通量增加[19]。此外，IUGR胎盤中自噬相關基因出現甲基化改變，且升高的自噬水平與凋亡存在相互作用[6]。在羊IUGR胎盤中，mTOR信號參與了內質網應激和自噬激活[20]。以上研究表明，自噬可在多個信號分子的調控下參與IUGR胎盤的發育。

3.2 自噬與IUGR的多器官發育自噬參與多器官的早期發育，與多器官疾病的發生發展密切相關。如自噬異常可致IUGR仔豬的肝臟功能改變[10]、IUGR大鼠腎上腺發育不良及腦發育異常等[16]。Tab 2總結了自噬在IUGR個體多器官發育中的具體作用及其可能發生機制，這些研究表明了自噬在IUGR子代多臟器發育中發揮著重要作用。

3.3 自噬與細胞增殖與分化自噬參與多種干細胞的自我更新、定向分化和凋亡衰老。近期研究發現，肌肉特異性敲除自噬基因Atg7導致新生小鼠體型小、肌肉質量降低、肌肉中衛星細胞的增殖和分化受損，從而導致新生小鼠肌生成障礙，表明自噬對肌肉細胞的分化至關重要[22]。海膽的發育過程中自噬水平增加，而抑制自噬則導致卵子發生過程中細胞凋亡增加，影響海膽的發育[23]。此外，在Ambra1缺失小鼠神經系統發育早期，自噬缺失導致細胞過度增殖，并且神經細胞凋亡增加。在ZIKV感染的胎兒神經細胞中，AKT-mTOR信號抑制可使自噬上調，同時使神經細胞增殖與分化受損[24]。自噬也可以減少骨髓間充質干細胞(bone marrow mesenchymal stem cell，BMSC)分化過程中ROS的產生并促進BMSC向成骨細胞分化[25]。這提示自噬與IUGR胎兒神經細胞的增殖和分化存在關聯，但具體作用機制需進一步探索。

4 研究展望

綜上，自噬基因表達異常和自噬功能改變可通過調控細胞增殖和分化，影響胎盤及其他臟器發育，從而導致子代IUGR的發生。但在IUGR相關胎源性疾病中，自噬的具體生理過程及病理發生機制仍未明確。雖大量研究發現自噬與IUGR關系密切，但在孕期不良環境暴露(如尼古丁、地塞米松和咖啡因[26])所致的IUGR模型下，自噬在IUGR各臟器發育異常中的作用、是否存在宮內編程機制以及是否介導子代成年后的疾病易感等問題有待進一步探究。本綜述可為探尋IUGR相關胎源性疾病的防治靶點提供新理論和新思路。