自噬調節衰老相關疾病的研究進展

劉亞輝 王萱 金明

(延邊大學醫學院生物化學與分子生物學教研室，吉林 延吉 133002)

1963年，de Duve C〔1〕基于當時溶酶體研究領域的成果，將溶酶體降解細胞內物質的方式稱為“自噬”。衰老指年齡增長導致的機體抗氧化能力、細胞防御能力等減弱，相關疾病發病率上升的現象。隨全球老齡化加劇，衰老相關疾病研究已成為全球關注的焦點。研究發現，自噬在維持機體生存、內環境穩態和細胞內組織成分循環再利用中均起到重要作用，并參與調節代謝、衰老和神經退行性病變等〔2～4〕。本文關注于細胞自噬在衰老相關疾病中的進展，并對其進行綜述。

1 自噬的概述

自噬是一種在真核細胞生物中高度保守的進化過程〔5〕，是胞內成分的一種降解途徑。自噬的過程是細胞受到胞內外刺激后，細胞中過量和受損成分、細胞器及有害物質等轉運到溶酶體中進行降解，其降解產物中可再利用的成分，被釋放到胞質，供細胞使用并為細胞提供能量〔2,6〕。

1.1自噬的分類 根據胞內物質轉運到溶酶體內的途徑不同，將自噬分為巨自噬、微自噬和分子伴侶介導的自噬(CMA)三類。①巨自噬：始于自噬小體形成，在細胞質中，自噬小體是由小的膜囊延伸封閉形成的雙膜小泡結構。自噬小體與溶酶體融合后其內膜和內容物被溶酶體機制降解；②微自噬：溶酶體膜內陷或凸起捕獲胞質中較小成分，轉移到溶酶體中進行降解的過程；③CMA：胞內伴侶蛋白HSC70識別KFERQ樣基序，促進胞質蛋白通過溶酶體膜受體(LAMP)-2A的直接運輸，在溶酶體中降解的過程〔7,8〕。巨自噬是研究最多，最廣泛的自噬類型；微自噬的研究進展則相對緩慢；CMA僅在哺乳動物中被發現〔6〕。

1.2自噬過程 以巨自噬為例，自噬始于自噬體形成，并涉及多種自噬相關基因(ATGs)。機體誘導自噬后，抑制哺乳動物雷帕霉素靶蛋白(mTOR)1復合物、激活單磷酸腺苷活化激酶(AMPK) 促使UNC-51樣激酶(ULK)1 復合物易位至內質網，與液泡膜蛋白(VMP)1短暫締合，激活含有Beclin1(酵母ATG6的哺乳動物同源物)、ATG14L、液泡分選蛋白(Vps)34和15的Ⅲ類磷脂酰肌醇3激酶(PI3K) 復合物，同時招募雙FYVE結構域蛋白(DFCP)1 與磷酸肌醇相互作用蛋白(WIPI)2〔9〕。隔離膜(形成自噬小體的膜結構)的擴展延伸需要兩種泛素樣結合系統共同完成，一種是ATG5-ATG12耦聯系統，另一種是微管相關蛋白1輕鏈3-磷脂酰乙醇胺(LC3-PE) 系統〔10〕。在ATG7與ATG10的介導下，ATG5和ATG12形成ATG5-ATG12復合體，進一步與ATG16L1結合形成ATG5-ATG12-ATG16L1復合體。該復合體與DFCP1和WIPI2共同附著在隔離膜外表面，增加隔離膜的適當曲率并參與LC3的脂質化〔11〕。ATG4切割LC3后形成LC3-Ⅰ，ATG5-ATG12-ATG16L1復合體、ATG7和ATG3促使LC3-Ⅰ與PE結合生成LC3-Ⅱ，延長并封閉隔離膜，形成自噬小體。LC3-Ⅱ附著在自噬小體內、外表面，直至與溶酶體融合，自噬小體中的內容物被降解，至此完成一次自噬過程。在自噬小體形成的過程中，細胞內容物的選擇與自噬銜接蛋白P62/SQSTM1有關。膜表面的LC3-Ⅱ與P62相互作用，P62包含泛素結合域和LC3相互作用區來螯合并遞送泛素化蛋白〔12〕，并且P62可以獨立募集蛋白聚集體，進而在溶酶體中進行降解。

2 自噬與衰老

衰老是從細胞到個體中普遍存在的現象，衰老細胞代謝功能減弱，細胞中異常及受損細胞器累積，致使組織器官生理功能下降，最終導致疾病的發生發展。衰老是不可避免的，但自噬的清除能力可緩解這種現象。

2.1自噬通路與衰老 AMPK和mTOR信號通路是自噬的經典途徑，當機體出現營養缺乏，可導致細胞能量和ATP水平降低，激活AMPK啟動自噬；還可誘導mTORC1的失活，進一步促進ULK1與ATGs形成ULK1復合物，激活Beclin1促進自噬〔13,14〕。在AMPK磷酸化并激活ULK1的同時又抑制mTORC1的磷酸化，提示AMPK和mTOR途徑可以協同調節自噬〔9〕。Chen等〔15〕研究發現，尿石素A通過抑制mTOR信號通路增強自噬，可逆轉D-半乳糖誘導的小鼠腦衰老。Li等〔16〕通過對高糖刺激心肌細胞的衰老機制研究發現，外源性H2S可通過激活SIRT6/AMPK信號通路，上調自噬相關蛋白ATG5、ATG12、ATG16L1和AMPK、LC3-Ⅱ/Ⅰ，Beclin1等的表達，誘導自噬，抑制心肌細胞衰老并改善糖尿病性心肌纖維化。

2.2選擇性自噬與衰老 自噬銜接蛋白(例P62和NBR1等)識別細胞器或細胞內特定物質并對其進行降解的過程稱為選擇性自噬。自噬銜接蛋白可選擇性識別線粒體(線粒體自噬)、過氧化物酶體(過氧化物酶體自噬)、脂滴(脂噬)和蛋白質聚集體(聚集體自噬)等物質〔17～19〕。細胞內過量或損傷的線粒體被特異性識別并降解的過程稱為線粒體自噬。線粒體與能量和ROS的產生有關，饑餓狀態下，線粒體ROS激活ATG4誘導線粒體自噬，進而調節ROS水平，減緩老化〔14〕。排除外界因素，線粒體損傷后膜電位降低可啟動線粒體自噬，PTEN誘導假定激酶(PINK)1和E3泛素連接酶(Parkin)激活可參與調解自噬，清除受損線粒體〔20〕。通過Parkin介導的泛素化和NAD+/NADH的比值升高對線粒體的質量控制進行調節〔21,22〕，平衡線粒體的自噬與合成，促進長壽〔23〕。溶酶體降解系統特異性識別并降解脂滴的過程稱為脂噬，在多種臟器或組織中均可發生，脂噬影響細胞內脂質存儲量的適宜、能量供應及機體健康〔24，25〕。自噬進程伴隨大量能量消耗，通過降解產能或儲能的物質(線粒體或脂滴)從而影響衰老。

3 自噬與衰老相關疾病

大量研究表明，自噬普遍參與生理及病理過程，是調節衰老的關鍵機制之一。隨著年齡增長，機體的溶酶體功能減弱、自噬活力下降，導致受損或過量的細胞器和蛋白質累積、抵御細菌病毒感染機體的能力減弱。而適當增加自噬能延緩衰老相關疾病發生。

3.1神經退行性疾病 自噬被認為是蛋白質的循環穩定系統，維持細胞和神經元中的蛋白質動態平衡。隨著機體逐漸衰老，神經退行性疾病的患病概率顯著增加。其中最常見的神經退行性疾病包括阿爾茨海默病(AD)、帕金森病(PD)和亨廷頓舞蹈病(HD)等。AD是老年人進行性癡呆癥最常見的形式，其主要病理特征表現為神經細胞外β-淀粉樣蛋白(Aβ)的異常聚集〔26〕。相關研究發現AD大腦中的自噬小泡遠多于正常大腦，大腦中早老蛋白(PS)1跨膜蛋白促進自噬體與溶酶體融合，增強自噬作用，減少Aβ積累，而PS1突變或PS1 Ser367磷酸化水平降低，可減緩自噬，造成Aβ積累，促進AD進程〔27～29〕。研究表明，在衰老大腦和AD大腦中Beclin1表達水平降低，并通過體內實驗發現Beclin1缺乏導致自噬水平下降，Aβ在神經元內積累導致神經變性〔30，31〕。Zhu等〔32〕研究證實牛蒡子苷可通過增強自噬促進Aβ的清除，減少AD小鼠老年斑的形成，改善AD小鼠的記憶障礙。Bi等〔33〕發現不飽和甘露糖醛酸低聚糖通過降低Aβ1-42表達，促進自噬，對AD進行有效干預。

PD是與年齡相關的神經變性所致疾病，主要特征為黑質中的多巴胺能神經元進行性丟失。神經元中具有富含α-突觸核蛋白的路易小體和路易神經突，其中α-突觸核蛋白的表達水平與疾病進程相關，機體可以通過選擇性自噬清除α-突觸核蛋白，延緩PD的發生〔34,35〕。PD分為常染色體顯性遺傳和隱性遺傳兩種，富含亮氨酸的重復激酶(LRRK)2突變是最常見的PD常染色體顯性遺傳因素，但LRRK2對自噬的作用尚存爭議，PD常染色體隱性遺傳由PINK1和Parkin的突變引起，PINK1與Parkin共同調節線粒體自噬〔34〕。線粒體受損后，PINK1在受損線粒體外膜上累積，激活并募集Parkin，使線粒體泛素化，誘導線粒體自噬發生，而基因突變破壞了Parkin在線粒體中的募集，抑制Parkin的活性等變化，使自噬受損，誘發PD〔36，37〕。PD的發生與線粒體功能障礙有關，馬琳等〔38〕研究發現，衰老可加重線粒體功能障礙，加速PD進展。

HD是一種聚谷氨酰胺(polyQ)擴增性常染色體顯性遺傳病，由亨廷頓蛋白(HTT) 中的基因突變引起，突變HTT(mHTT) 引起自噬小體轉運障礙，識別降解受損線粒體的能力減弱，mTOR通路誘導自噬，可以減少mHTT聚集，減輕對神經元細胞的毒性作用〔39,40〕。在HD中，mHTT可以募集Beclin1并與之結合，抑制細胞自噬發生〔41〕。Li等〔42〕通過自噬途徑研發了一種小分子綁定化合物(ATTEC)，ATTEC將LC3與mHTT或其他致病物質特異性黏合至自噬小體中進行降解以治療HD。

3.2代謝性疾病 機體的代謝能力隨年齡增長逐漸降低，相關疾病越來越多。骨質疏松由骨代謝平衡失調引起，且原發性骨質疏松中老年性骨質疏松最為常見。自噬在維持骨代謝的成骨細胞、破骨細胞及骨細胞中發揮重要作用，自噬相關基因P62、LC3、Beclin1、ATG等對細胞的分化及生理功能具有重要作用〔43〕。多種應激源誘導骨代謝失衡后，自噬異常可以加速骨質疏松的發展。Sabbieti等〔44〕發現，P62DNA在炎癥性骨丟失小鼠模型中，通過主要炎癥細胞因子的急劇下調及骨髓基質細胞對內源性P62蛋白表達上調發揮抗骨質疏松活性。Ma等〔45〕研究表明，在衰老骨髓間充質干細胞中，ATG7、Beclin1和LC3Ⅱ/Ⅰ蛋白表達下調，P62蛋白表達上調，抑制自噬發生，而激活自噬可以恢復其分化及增殖功能，減輕小鼠的骨質衰老。Zhang等〔46〕的一項人類基因研究發現,調控自噬通路的基因與橈骨遠端骨密度變化密切相關。上述研究證實自噬對骨代謝具有一定的調控作用，有望成為未來臨床治療骨質疏松的重要手段。

3.3腫瘤 腫瘤屬于典型衰老進行性疾病，自噬在腫瘤進程中起促進或抑制作用。自噬的短暫激活根據細胞環境和腫瘤分期等因素促進或抑制腫瘤進程，自噬的持續激活通過降解細胞存活所必需的成分致使細胞衰老〔47〕。在癌癥早期，Hamurcu等〔48〕通過降低Beclin1和LC3水平，可明顯抑制乳腺癌細胞的增殖、侵襲和遷移。但Liu等〔49,50〕及Xie等〔51〕發現通過減少ATG5或ATG7的表達，可延緩衰老促進黑色素瘤的細胞增殖與發展。在癌癥晚期，自噬的功能能夠滿足腫瘤細胞增殖的高要求，克服缺氧壓力或營養耗竭壓力。Beclin1、ATG5水平降低促進膠質母細胞瘤轉移，而通過營養限制增強自噬后，轉移作用被抑制〔52〕。Lawson等〔53〕研究結果表明，自噬基因在腫瘤微環境中可介導腫瘤的免疫逃逸。

總之，大量研究顯示自噬在癌前抑制癌癥發生，在惡性病變后促進疾病發展。基于自噬對不同腫瘤類型、自噬相關基因敲除及癌癥進程等方面具有不同的效果，通過自噬治療腫瘤仍存有許多未知及挑戰，進一步了解自噬在腫瘤方面的差異性和潛在機制，或許會取得更好地臨床療效。

4 靶向自噬對衰老相關疾病的治療藥物及方法

自噬抑制劑及誘導劑通過調節自噬來調節衰老相關疾病。3-甲基腺嘌呤(MA)和LY294002是最常見的自噬抑制劑，通過抑制Ⅲ類PI3K復合物的形成抑制自噬；溶酶體抑制劑氯喹(CQ)，羥氯喹(HCQ)和巴佛洛霉素(Baf)A1等通過抑制自噬體與溶酶體融合阻斷自噬通量抑制自噬〔54〕。自噬抑制劑通過消除癌癥治療中的耐藥性，增強抗腫瘤療法對癌癥患者的治療效果〔55〕。而許多生物活性物質可促進自噬：雷帕霉素已被證實對細胞及生物體具有抗衰老作用，最新研究發現雷帕霉素通過增強自噬水平抑制ROS的產生，減緩紫外線誘導的成纖維細胞的光老化〔56〕；二甲雙胍通過增強自噬減輕糖尿病腎病的氧化應激〔57〕；小檗堿通過抑制衰老中的神經炎癥減輕術后的認知障礙〔58〕；尿石素A可以預防與年齡相關的肌肉功能喪失(肌肉減少癥)并對腦衰老小鼠具有保護作用〔15，59〕。

流行病學顯示，熱量限制(CR)是一種維持人體健康水平的長壽因素，并且已經證實CR可以激活或改善自噬〔60〕。CR是指機體在不缺少生存所必需的營養物質的情況下，減少機體總熱量攝入的30%～40%。基于mTOR在能量方面的敏感性，CR期間，mTOR活性降低，啟動自噬。這有助于延長果蠅、蠕蟲、昆蟲、酵母、小鼠及靈長類等生物的壽命〔14,61〕。針對哺乳動物的大量CR研究結果顯示，動物的組織器官中出現了不同程度的自噬，激活AMPK途徑，增加自噬基因表達，維持血糖水平〔62～64〕，延長動物壽命，并且延緩衰老相關疾病的發病速度〔65〕。綜上，自噬是維持體內平衡的重要機制之一，其異常可誘發多種疾病。大量研究證實在衰老機體中，增強自噬可以延緩衰老，適當調節自噬活力可以延緩疾病進程。但自噬在改善疾病方面目前仍處于探索階段，很多結論仍存在爭議。隨著研究深入，自噬范疇不斷擴大，但自噬在臨床及生活中的進一步應用尚待探究，期望把其變成臨床治療和保健的有效手段，從而延長壽命。