自噬與自噬通量在急性腦損傷中的研究進展

(1臨沂市中醫(yī)醫(yī)院，山東 臨沂 276000；2 臨沂市人民醫(yī)院)

自噬在真核生物中主要起到清除受損或老化蛋白質以及內質網(wǎng)、核糖體、線粒體等細胞器的作用。各種應激下，自噬在維持細胞存活、恢復細胞穩(wěn)態(tài)方面起到至關重要的作用。然而，在特定的情況下會引起細胞死亡。自噬通量定義為貨物通過自噬系統(tǒng)的整個過程，從吞噬體形成到自噬體形成，再到自噬體與溶酶體融合，以及最終的貨物降解與回收再利用[1]。自噬通量受損參與了許多人類疾病，包括癌癥、心血管疾病、免疫介導疾病、肌病和神經(jīng)變性疾病[2]。研究清楚腦損傷后自噬的機制有助于為其提供新的治療靶點。本文對自噬的發(fā)生機制以及在腦損傷后細胞內自噬及自噬通量的變化進行綜述。

1 細胞自噬

1.1自噬的分類 自噬可分為：分子伴侶介導的自噬(CMA)、小自噬、大自噬[3]。CMA是一種高度選擇性的途徑，只有含有伴侶識別位點的可溶性蛋白才能被識別，如熱休克蛋白70(Hsc70)復合物或其他。一旦Hsc70復合物與溶酶體相關膜蛋白2A(LAMP2A)結合后，底物就會運送到溶酶體被降解[4]。與大自噬不同的是，小自噬不需要形成自噬體，底物直接被溶酶體吞噬降解[5]。在這三種自噬中，大自噬被研究得最為廣泛，是最具特征的自噬形式。通常意義上的自噬指的是大自噬。本文主要探討大自噬(以下簡稱自噬)。

1.2自噬的過程 自噬的過程包括四個步驟：誘導吞噬體的形成；自噬體的形成；自噬體與溶酶體結合；降解再循環(huán)誘導吞噬體的形成。在酵母自噬中，自噬體形成的誘導受Atg1-Atg13-Atg17-Atg31-Atg29激酶復合物的調節(jié)。在哺乳動物細胞中，該復合物由一個來自Unc-51樣激酶家族(ULK1或ULK2)的Atg1同系物、哺乳動物Atg13同系物(ATG13)和一個RB1誘導的卷曲線圈1(RB1CC1/FIP200)組成。

在自噬體形成的過程中，吞噬體的伸長導致典型的雙膜囊泡自噬體的形成。做到這一點，需要同時執(zhí)行兩種不同的途徑。第一種是Atg7激活Atg12，然后Atg10介導Atg12和Atg5的結合，該Atg12-Atg5復合物隨后與Atg16連接，產(chǎn)生一個Atg12-Atg5-Atg16復合物。第二個與吞噬泡延長相關的泛素樣蛋白系統(tǒng)是Atg8/LC3。LC3被ATG4處理以顯示C-末端甘氨酸(LC3-I)，ATG7是一種E1樣酶，激活LC3-I并將其轉移到E2樣酶ATG3，ATG12-ATG5-ATG16L1復合體可以作為E3連接酶參與PE與LC3-I的結合創(chuàng)造LC3-Ⅱ，它可以和吞噬體聯(lián)系在一起。LC3-Ⅱ隨后可被ATG4切割以釋放LC3。不斷延長的吞噬泡最終會成熟并融合為完整的自噬體。接著，自噬體與溶酶體融合成自噬溶酶體，并且LC3-Ⅱ從自噬溶酶體的膜中完全解離。隨后，p62與自噬體內膜上的泛素化底物和LC3結合物在自噬溶酶體中被降解[6]。自噬體的底物在自噬溶酶體中被溶酶體水解酶降解，由此產(chǎn)生的小分子物質被循環(huán)再利用。3-甲基腺嘌呤(3-MA) 和渥曼青霉素作為自噬抑制劑都具有抑制PIK3C3的作用[7]。而巴弗洛霉素A1和氯喹則通過中和溶酶體溶酶體pH值和阻斷自噬體與溶酶體的融合起到抑制自噬的作用[8]。

2 自噬與腦損傷

2.1自噬與創(chuàng)傷性腦損傷 創(chuàng)傷性腦損傷(TBI)包括大腦的最初物理損傷及繼發(fā)性、長期的腦組織退化。繼發(fā)性損傷相對于原發(fā)性損傷對腦組織的損傷更嚴重更持久，并涉及許多并發(fā)癥，例如Ca2+濃度失調、自由基產(chǎn)生、缺血、水腫及顱內壓增高等[9]。

自噬在TBI中的作用存在爭議。在一項大鼠液壓沖擊腦外傷模型的研究中，大鼠腦損傷后自噬被LC3-Ⅱ、自噬體和自噬溶酶體的積累激活，從而起到神經(jīng)保護的作用。相反，Luo等運用自由落體制備TBI小鼠模型，在制造模型前使用自噬抑制劑3-MA和巴弗洛霉素A1，發(fā)現(xiàn)LC3-Ⅱ、Beclin 1水平升高，p62水平降低，并且提高了水迷宮學習能力，減少了細胞凋亡，反證了自噬具有腦損傷作用[10]。

2.2自噬與腦缺血性損傷 與TBI一樣，自噬在缺血性腦損傷中的作用也存在爭議。多項研究表明，使用雷帕霉素增強自噬具有神經(jīng)保護作用，包括使用新生兒缺氧缺血模型和短暫性和永久性大腦中動脈阻塞(MCAO)模型[11]。在一項對10天大的大鼠單側頸動脈結扎和低氧血癥后的最新研究中，使用Antagomir(AT)抑制miR-30d-5p后使自噬增強，抑制細胞凋亡，從而減少了梗塞體積并改善了神經(jīng)功能[12]。在經(jīng)歷氧-葡萄糖剝奪(OGD)的星形膠質細胞和神經(jīng)元共培養(yǎng)物中，雷帕霉素增強星形膠質細胞自噬并且減少神經(jīng)元凋亡，而用3-MA或抗Atg5小分子干擾RNA(siRNA)抑制星形膠質細胞自噬后增加神經(jīng)元凋亡[13]。Wang等人觀察到使用3-MA后缺血再灌注后的梗塞面積減小[14]。這些研究表明增強自噬加重了腦缺血再灌注損傷。

3 自噬通量與腦損傷

3.1自噬通量與TBI 對上述爭議的一種解釋是：如果自噬通量不受阻礙，增強自噬可能起到神經(jīng)保護作用；但是當自噬通量受損時，增強自噬則可能起到神經(jīng)損害的作用。許多研究對自噬的衡量標準都依賴于LC3-Ⅱ的水平，但LC3-Ⅱ濃度的升高不一定等同于自噬水平的升高。在一項模擬小鼠TBI的控制性皮層撞擊腦損傷(CCI)腦損傷研究中，LC3-Ⅱ的增加并非來自自噬的增加，而是自噬通量的損害，這是由SQSTM1/p62水平升高所證明的，SQSTM1/p62通常在自噬通量正常的情況下被消耗[15]。由于自噬通量是異常蛋白質和細胞器降解所必需的，其破壞將導致其堆積而不是消除。

在對小鼠局灶性小腦病變TBI模型的研究中可以找到進一步支持自噬通量在決定自噬的神經(jīng)保護或破壞方面起著一定作用的證據(jù)。在這項研究中，Beclin1雜合Becn1+/-小鼠相比于野生型小鼠p62水平升高，LC3-Ⅱ/LC3-I比率降低，表明Becn1+/-小鼠中自噬通量受損。隨后對自噬增強劑雷帕霉素對野生型和Becn1+/-小鼠的作用研究發(fā)現(xiàn)，用雷帕霉素處理的野生型小鼠與未接受雷帕霉素的野生型小鼠相比，產(chǎn)生的LC3-Ⅱ量明顯更高，而產(chǎn)生的p62則明顯更低，并且神經(jīng)存活率與NSS評分升高。這些數(shù)據(jù)表明，當自噬通量正常時，促進自噬誘導具有神經(jīng)保護作用，然而當自噬通量受損后有助于神經(jīng)細胞的死亡[16]。

另外，有研究顯示自噬通量是否受損取決于腦損傷的嚴重程度。Zeng等研究了不同嚴重程度的CCI后自噬和自噬通量的誘導變化[17]，在同側皮質組織中，第1天和第3天LC3-Ⅱ的豐度以損傷嚴重程度依賴性的方式增加，輕度CCI后，自噬相關蛋白Beclin 1和ATG12-ATG5 復合物的增加，伴隨p62/SQSTM1和自噬小體的減少，并觀察到自噬溶酶體的增加，這一系列的數(shù)據(jù)表明自噬通量的增加。

3.2自噬通量與腦缺血性損傷 關于腦缺血后自噬通量，尚未使用類似TBI小鼠系的研究。 但是相似結果可以在大鼠和小鼠的心臟缺血再灌注(I/R)損傷的研究中找到。這些研究發(fā)現(xiàn)，當自噬通量不受損害時，誘導自噬可增強心臟保護作用，但是通過抑制溶酶體破壞自噬通量后誘導自噬無此保護作用[17]。

4 總結與展望

總的來說，尚不清楚的是急性TBI或腦缺血后抑制或增強自噬是否會產(chǎn)生有害或有益作用，因為所有組合均已在各種實驗模型中進行了報道。但是似乎一致的結論是，可以減輕自噬體細胞內負擔的干預措施(減少自噬體形成、刺激自噬通量、提高清除率)對急性腦損傷后具有神經(jīng)保護作用。不足的是，由于缺乏高度選擇性的自噬抑制劑和自噬增強劑來操縱自噬，最終的研究受到了阻礙。因此，在未來的研究中，使用高度選擇性自噬干預藥物或者細胞特異性轉基因動物有助于我們更了解急性腦損傷中的自噬的變化，從而找到治療或減輕急性腦損傷的干預靶點。