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自噬在结构性心脏疾病中的作用及机制
中华医学杂志, 2017,97(33): 2635-2637. DOI: 10.3760/cma.j.issn.0376-2491.2017.33.018
摘要
引用本文: 肖杨, 吴青青, 昌薇, 等.  自噬在结构性心脏疾病中的作用及机制 [J]. 中华医学杂志,2017,97( 33 ): 2635-2637. DOI: 10.3760/cma.j.issn.0376-2491.2017.33.018
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自噬是细胞内受损、变性或衰老的蛋白质和各种细胞器被运输到溶酶体内进行消化降解的过程。机体正常情况下,自噬为细胞自我更新与凋亡保持着动态平衡,但当这种平衡被打破,自噬出现不足或者过度时都有可能导致疾病的发生发展[1]。按底物的不同,自噬可分为一般自噬、选择性自噬和线粒体自噬三种类型。根据细胞物质运送到溶酶体内的途径不同,自噬又分为巨自噬、微自噬和分子伴侣介导的自噬三种类型,其中以巨自噬为最重要也是最典型的形式[2]。大量研究表明,自噬对心脏疾病中心功能和细胞内稳态的维持起到尤为重要的作用,在多种心脏疾病中,均伴随有心肌细胞自噬的改变,且影响着疾病的发生发展。在不同的病理模型中,自噬通过影响不同的信号通路发挥不同的作用。本文旨在根据当前国内外研究进展,就自噬对多种结构性心脏疾病发生发展的影响作一综述。

一、自噬概述

自噬的发生发展过程主要包括:自噬的激活、成核、延伸和成熟几个阶段。在饥饿等条件下,腺苷酸活化蛋白激酶(AMP-activated protein kinase, AMPK)活化,哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of Rapamycin, mTOR)失活,活化的AMPK催化Unc样激酶1(ULK1)磷酸化,促进了ULK1/ATG13/FIP200三聚体复合物的形成,启动自噬。自噬激活后进一步促进ULK1复合体的形成,构成一个正反馈,酵母Atg6的哺乳动物同源物(Beclin1)被激活,增强Beclin1-ATG14-VPS34-VPS15的3型PI3K复合体的活性从而促进自噬成核。关于自噬的延伸,其吞噬小泡的延展、完整的自噬小体的形成都需要依赖于两种泛素样蛋白结合系统,即ATG12-ATG5-ATG16L1和微管相关蛋白(LC3)-磷脂酰乙醇胺(PE)。ATG12被ATG7(E1样酶)激活后在ATG10(E2样酶)的作用下与ATG5偶联,随后与ATG16L1结合形成一个多聚复合体[3]。Atg4蛋白酶切割LC3前体蛋白C端22个残基形成细胞质LC3-Ⅰ,在Atg3(E2样酶)、ATG16L1复合体、ATG7的催化下,LC3-Ⅰ与PE通过泛素样反应结合形成LC3-Ⅱ。LC3-Ⅱ特异性定位于自噬体膜上,因此也被认为是自噬的特异性标志物,一个成熟的自噬小体可直接与溶酶体融合或先与核内体融合再融合到溶酶体从而形成自噬溶酶体。自噬溶酶体形成后吞噬胞内衰老变性的蛋白质、损伤的细胞器等,随后自噬体与被吞噬的物质一起由酸性水解酶水解,最后,水解生成的小分子物质如氨基酸、糖类、脂质等通过渗透膜释放入胞质。

二、自噬的信号通路和调控机制

自噬对细胞内稳态的维持发挥着重要作用,与多种信号通路相关,包括磷脂酰肌醇3激酶(phosphatidylinositol 3 kinase,PI3K)、蛋白激酶B(protein kinase B,AKT)、AMPK、自噬相关基因(autophagy related gene, Atg)和其他诸多调控因子。

mTOR激酶作为哺乳动物雷帕霉素靶蛋白敏感型复合体1(mTORC1)的一部分发挥着自噬抑制作用。用AKT/mTOR抑制剂NVP-BEZ235处理H9C2细胞,2 h后细胞内自噬和凋亡显著增加从而减轻缺氧/复氧对心肌细胞带来的损害[4]。在小鼠HL-1心肌细胞中转染mTOR siRNA,5 h后可观测到细胞内自噬明显增强,且呈时间依赖性[5]。RAPTOR是mTORC1的重要组装蛋白,在成年小鼠心脏特异性敲除RAPTOR后出现心功能严重恶化伴心室扩张,此外细胞自噬和凋亡明显增加[6]。以上研究表明,mTOR对心肌细胞的自噬及生长发育起重要调控作用。

AMPK就像细胞内能量平衡和代谢的感应器,当细胞内能耗增加或ATP/AMP比值下降时被激活。AMPK可通过四条通路来激活自噬:第一,AMPK可直接使ULK1磷酸化而启动自噬;第二,AMPK可使TSC2活化,活化的TSC2通过小G蛋白Rheb抑制mTOR来发挥自噬调节作用;第三,AMPK可通过激活c-Jun氨基末端激酶1(c-Jun NH2-terminal kinase1,JNK1)使Beclin1-VPS34-VPS15复合体活化来上调自噬;第四,AMPK还可调节叉头框(forkhead box,Fox)O转录因子的表达,从而调节自噬相关基因的表达[7]

FoxO转录因子可通过激活Atg5,Atg12,VPS34和Beclin 1等自噬基因的表达在转录水平调节自噬[7]。当能量水平较低时,FoxO被AMPK激活;生长因子丰富时FoxO被AKT抑制。FoxO介导的自噬的活化可抑制细胞毒性蛋白质和损伤的细胞器的聚集,预防或逆转肥大。然而,FoxO蛋白在心肌中过度激活可导致心脏重量大幅减少,自噬过强和早期死亡。也就是说,尽管FoxO蛋白激活在心脏疾病中表现出良好的治疗潜力,但过度活化却对心脏组织产生严重威胁。

丝裂原活化蛋白激酶(MAPK)参与细胞炎症反应、细胞生长、分裂、死亡等生理过程,MAPK亚家族包括细胞外信号调节激酶(ERK1/2)、JNK家族、p38激酶。JNK主要调节促凋亡基因Bax和抗凋亡基因Bcl-2的表达。Bcl家族可通过BH3结构域与Beclin1相互作用从而抑制其激活,当促自噬信号通路激活时这种相互作用便消失。Wu等[8]研究表明,组织蛋白酶B通过调节JNK信号通路抑制压力过负荷诱导的肥大反应。JNK是如何通过介导的Bcl-2磷酸化使自噬与凋亡产生相互作用的呢?近年研究显示,Bcl-2快速磷酸化时,通过解离Bcl-2-Beclin1复合物促进细胞存活同时活化自噬;当自噬不足以保证细胞存活时,Bcl-2磷酸化使Bcl-2-Bax复合物解离并诱导细胞凋亡[9]

三、自噬在心肌疾病中的作用
1.自噬在心肌肥厚中的作用:

虽然近年来,大量研究报道了自噬与心肌肥厚发生发展的关系,但其具体作用机制仍未有定论。有研究发现,在给予苯肾上腺素刺激的大鼠心肌细胞中沉默Atg7后,细胞肥大程度显著加剧;而过表达Sestrin1可通过激活AMPK、抑制mTORC1来刺激自噬活化从而抑制心肌肥厚的发生发展[10]。抑制钙敏感受体可减轻异丙肾上腺素诱导的成年大鼠心肌肥厚,而这种作用可被自噬抑制剂3-甲基腺嘌呤阻断[11]。而另外的研究则认为自噬对心肌肥厚是不利的。研究发现在肾动脉狭窄引起的实验性高血压猪模型中自噬蛋白含量的升高与左室肥厚程度呈显著相关性[12]。用胸主动脉缩窄术构建小鼠心肌肥厚模型,发现早期自噬便被激活,紫丁香苷处理后可抑制自噬减轻心肌肥厚、改善心功能[13]。综上可认为,心肌肥厚早期自噬作为代偿机制被激活,在一定程度上发挥保护作用;随着疾病进展,自噬降低会使得细胞质组件降解减少而促进肥厚;但过度的自噬破坏了自噬流的平衡,损伤了必要的蛋白质与细胞器从而引起细胞凋亡并推动疾病向失代偿性心衰进展。

2.自噬在心肌梗死中的作用:

当出现缺血损伤时,心肌组织同时面临着氧和能量的缺乏,此时由AMPK介导的自噬迅速被激活,因此在缺血阶段抑制自噬会诱导细胞凋亡和死亡。另一方面,再灌注给组织带来所需的氧和能量的同时会造成二次伤害。目前对于再灌注阶段自噬的变化趋势仍存在争议。有研究表明再灌注损伤通过上调Beclin1和BNIP3进一步促进自噬[14]。另外,再灌注损伤导致Beclin1上调的同时LAMP2下调而Mst1上调,下调的LAMP2表明自噬小体的清除障碍、自噬流受阻;Mst1可磷酸化Beclin1提高其与Bcl-2和Bcl-XL的亲和力,抑制PI3K对Atg14L-Beclin1-VPS34复合体的激活从而降低自噬[9]

另有研究表明,大鼠缺血-再灌注模型中检测到自噬流和自噬和凋亡相关蛋白的表达增高,心肌细胞的存活率下降,心功能受损[15]。心肌梗死的大鼠LC3Ⅱ/Ⅰ比例,Beclin1,Atg5和Atg7表达均升高,自噬过度活化损伤心肌细胞,七氟醚处理可促进自噬体清除发挥心肌保护作用[16]。以上均提示自噬在梗死心肌中的致病作用。

与此相反,在兔的心肌梗死模型,用组蛋白去乙酰化酶治疗后显著地增强了自噬流、减少了心肌梗死面积,而在沉默掉Atg5、Atg7之后这种心脏保护作用被抑制[17]。神经鞘氨醇磷酸胆碱可通过调节脂筏/PTEN/AKT1/mTOR信号通路激活自噬从而减轻心肌缺血性细胞凋亡[18]。PT1通过解除催化亚基的阻抑作用而激活AMPKα1及AMPKα2,3HOI-BA-01作为一种新型mTOR抑制剂均可通过增加自噬流对梗死心肌发挥保护作用[19]

总之,在心肌梗死中自噬作为一种适应性反应,对抗心肌缺氧和能量供给不足带来的损伤,在心肌缺血阶段发挥着保护性作用。而在再灌注阶段自噬的作用及其机制仍不明确,但达到共识的是,促进正常自噬、抑制异常自噬及凋亡可对抗缺血/再灌注心肌细胞死亡,发挥心脏保护作用。

3.自噬在糖尿病性心肌病中的作用:

目前,研究已证实在1型糖尿病性心肌病中自噬水平降低,但其作用机制仍有争议。有研究表明,用链脲霉素构建大鼠1型糖尿病模型,模型组自噬水平显著下降,给予1,25-二羟维生素D3可通过抑制mTOR信号通路从而激活自噬来发挥作用[20]。非诺贝特也可以通过增加成纤维细胞生长因子21使去乙酰化酶1介导的自噬上调以防止1型糖尿病引起的心脏结构和功能异常[21]。以上研究均表明,自噬受损会导致功能失调的细胞器和蛋白质大量聚集而促进疾病进展,增强自噬可以限制1型糖尿病导致的心脏损害。与此对立的是,有研究者认为,1型糖尿病时自噬减少是一种防止过度自噬降解细胞成分的适应性反应。Xiao等[22]研究发现,硫化氢可能通过上调PI3K/AKT信号通路抑制自噬从而改善糖尿病诱导的心肌纤维化。同样在1型糖尿病小鼠心脏特异性敲除Beclin1和Atg16后,其心功能显著改善,氧化应激、间质纤维化及心肌细胞凋亡也明显降低[23]

2型糖尿病性心肌病中自噬又发挥何种作用呢?有研究表明,在2型糖尿病小鼠中检测其多种自噬标志物均显著降低,用雷帕霉素诱导自噬激活后,小鼠心脏功能明显改善[24]。另外,早期应用曲美他嗪恢复细胞自噬,或者对小鼠进行AKT2心脏特异性敲除降低mTORC1活性使自噬增加也可延缓2型糖尿病性心肌病进展[25]。而Munasinghe等[26]研究发现,2型糖尿病患者心脏组织中LC3及Beclin1含量明显增加、P62含量减少,促凋亡蛋白caspase-3明显激活;在成年大鼠心肌细胞中沉默Beclin1后自噬及细胞凋亡均被抑制。大鼠2型糖尿病模型的自噬及氧化应激水平显著升高,持续摄入硫酸锌56 d后,自噬被抑制而心功能明显改善[27]

四、结语

自噬与心血管疾病的发生发展、诊治以及预后都存在着密切联系,近年来对自噬机制的研究也不断深入,抑制心肌肥厚和心梗缺血阶段中的自噬对心脏产生不利影响;但过度激活也可能是有害的。因此,未来的研究应该旨在准确地阐明自噬在心肌梗死再灌注阶段和糖尿病性心脏病中的作用及其机制。现代研究已证实多种药物可调节自噬,未来研究应着力于这些的药物的治疗应用,一旦机制全面阐明,靶向药物将可能成为多种结构性心脏疾病的有效治疗方法之一。此外,自噬与心脏再生也是未来值得关注的领域。

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