自噬相關(guān)通路在糖尿病心肌病中的研究進(jìn)展

李 帥，鮑翠玉，李 晶

(湖北科技學(xué)院1. 藥學(xué)院、2. 糖尿病心腦血管病變湖北省重點(diǎn)實驗室，湖北 咸寧 437100)

糖尿病心肌病(diabetic cardiomyopaihy，DCM)是糖尿病患者的重要心臟并發(fā)癥，是增加糖尿病患者心力衰竭風(fēng)險和死亡率的主要原因之一，而不依賴血管病理學(xué)。眾所周知，DCM的特點(diǎn)是心臟結(jié)構(gòu)和功能異常，包括左心室功能障礙、心肌細(xì)胞凋亡和心肌纖維化[1]。然而，DCM的發(fā)病機(jī)制仍然不清楚，并且尚無有效的策略來防止糖尿病患者出現(xiàn)DCM或心力衰竭。自噬是一種細(xì)胞內(nèi)分解代謝途徑，體內(nèi)饑餓或各種壓力可激活自噬，降解和循環(huán)細(xì)胞物質(zhì)，以維持能量代謝和細(xì)胞存活[2]。近年來，越來越多證據(jù)證明，自噬已成為DCM的一個重要分子機(jī)制，其在DCM的發(fā)生、發(fā)展中扮演著重要角色。

1 自噬的體內(nèi)過程

自噬是一個高度保守的細(xì)胞內(nèi)溶酶體分解代謝過程，降解、清除細(xì)胞內(nèi)部分非功能性蛋白或胞內(nèi)細(xì)胞器和細(xì)胞質(zhì)成分，以維持細(xì)胞內(nèi)環(huán)境能量新陳代謝[3]。自噬有3種主要途徑：宏自噬、微自噬和伴侶介導(dǎo)的自噬。宏自噬是最普遍的形式，通常稱為自噬。一般的宏觀自噬被認(rèn)為是一種大規(guī)模的非選擇性過程，不加區(qū)分地消除了細(xì)胞成分。然而，當(dāng)特定細(xì)胞器被完全靶向并運(yùn)送進(jìn)入自噬體時，自噬降解可能變得有選擇性。在自噬過程中，一個分離膜(最初稱為噬菌體)出現(xiàn)在細(xì)胞質(zhì)中，形成一個稱為自噬體的雙膜泡，自噬相關(guān)蛋白參與分離膜的擴(kuò)增。自噬體外膜與溶酶體融合形成自體溶酶體，溶酶體的組分和內(nèi)膜被溶酶體水解酶降解為蛋白質(zhì)、脂類、碳水化合物、核酸和細(xì)胞器，并被轉(zhuǎn)運(yùn)到胞質(zhì)中再利用[4]。當(dāng)細(xì)胞缺乏自噬能力時，胞內(nèi)損傷的細(xì)胞器以及變性蛋白等沒有及時清除，導(dǎo)致內(nèi)部環(huán)境穩(wěn)態(tài)被破壞。而過度的自噬會破壞大部分的胞質(zhì)溶膠和細(xì)胞器，最終導(dǎo)致細(xì)胞自噬性死亡。

1.1 自噬相關(guān)信號通路

1.1.1哺乳動物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin，mTOR)信號通路 mTOR是一種高度保守的絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶，能夠融合多種刺激信號，包括氨基酸、能量水平、生長因子和應(yīng)激，以協(xié)調(diào)細(xì)胞生長和維持代謝平衡。mTOR有兩個多蛋白信號復(fù)合物，稱為mTOR復(fù)合物1(mTORC1)和mTOR復(fù)合物2(mTORC2)。當(dāng)mTORC1被激活時，可刺激蛋白質(zhì)、脂質(zhì)、核苷酸等生物合成途徑，并通過自噬途徑，抑制細(xì)胞分解代謝，從而促進(jìn)細(xì)胞生長和增殖。同時，通過亮氨酸拉鏈類轉(zhuǎn)錄因子中的家族成員和UNC51樣激酶1，抑制溶酶體生物發(fā)生和分解過程，從而抑制自噬[5]。mTORC1是細(xì)胞能量和營養(yǎng)代謝的感受器，當(dāng)營養(yǎng)缺乏及細(xì)胞缺氧時，mTOR活性受到抑制，從而激活自噬。AMP激活的蛋白激酶(adenosine 5'-monophosphate-activated protein kinase，AMPK)是心臟能量代謝的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子，還參與心肌細(xì)胞生長、蛋白質(zhì)合成和自噬。AMPK對細(xì)胞AMP/ATP比例和AMP變構(gòu)的變化敏感。mTORC1的調(diào)節(jié)能量狀態(tài)通過AMPK介導(dǎo)，當(dāng)細(xì)胞耗能增加或者ATP生成減少時，AMPK通過結(jié)節(jié)性硬化蛋白2磷酸化激活，促進(jìn)mTORC1抑制，從而促進(jìn)自噬恢復(fù)細(xì)胞能量，通過PI3K/Akt途徑激活mTOR，抑制自噬[6]。由此可見，mTOR可以負(fù)向調(diào)節(jié)自噬的發(fā)生。

1.1.2Beclin-1信號通路 Beclin-1是酵母自噬相關(guān)蛋白(autophagy associated protein，ATG)6/液泡蛋白分選相關(guān)蛋白(vacuolar protein sorting-associated protein，VPS)30的哺乳動物同系物，是III類磷脂酰肌醇3激酶(class III phosphoinositide 3-kinase，PI3KC3)/VPS34復(fù)合物的支架蛋白。Beclin-1刺激PI3KC3/VPS34的活性，從而調(diào)節(jié)自噬活性。Bcl-2是同源性-3結(jié)構(gòu)域唯一的蛋白，促進(jìn)Beclin-1和VPS34之間的解離，并負(fù)調(diào)控自噬體的形成[7]。AMPK信號通過磷酸化Beclin-1的蘇氨酸388位點(diǎn)，從而調(diào)控細(xì)胞自噬。Zhu等[8]報道，在心臟缺血灌注期，Beclin-1蛋白水平升高，體內(nèi)自噬增強(qiáng)。在相同的應(yīng)激條件下，Beclin-1雜合子敲除小鼠心臟的自噬減弱，這與細(xì)胞凋亡減少和心臟損傷的改善有關(guān)。結(jié)果表明，Beclin-1對缺血/再灌注心臟有損傷作用。

2 DCM中自噬的影響因素

2.1 高糖血癥高血糖通過加劇葡萄糖氧化和線粒體活性氧(reactive oxygen species, ROS)，增加氧化應(yīng)激，導(dǎo)致DNA損傷，誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡。慢性高血糖通過電子傳遞鏈生成過量的ROS，并激活聚腺苷酸二磷酸核糖轉(zhuǎn)移酶，通過介導(dǎo)糖基化并抑制磷酸甘油醛脫氫酶，將葡萄糖從糖酵解途徑轉(zhuǎn)移至高糖誘導(dǎo)心肌損傷的其他生化級聯(lián)反應(yīng)，參與高糖誘導(dǎo)的細(xì)胞損害[9]。有文獻(xiàn)報道，高糖能抑制心肌細(xì)胞的自噬，而自噬對高糖誘導(dǎo)的心肌細(xì)胞損傷有保護(hù)作用。研究發(fā)現(xiàn)[10]，培養(yǎng)新生大鼠心肌細(xì)胞建立高血糖模型，高糖條件下新生大鼠生物鐘基因(brain and muscle arnt-like 1，Bmal1)基因通過mTOR信號通路，調(diào)控心肌細(xì)胞的自噬活性，Bmal1基因過表達(dá)通過下調(diào)mTOR通路，誘導(dǎo)高糖條件下心肌細(xì)胞的自噬，從而保護(hù)心肌細(xì)胞；Bmal1基因低表達(dá)通過誘導(dǎo)mTOR通路，抑制高糖環(huán)境下心肌細(xì)胞的自噬，從而誘導(dǎo)心肌細(xì)胞損傷。由此可見，在高糖環(huán)境下，自噬的調(diào)控對緩解心肌細(xì)胞損傷具有重要的作用。

2.2 游離脂肪酸(free fatty acid，F(xiàn)FA)過度積累FFA是心臟的主要供能物質(zhì)，心臟收縮的所需能量大部分直接來自于脂肪酸氧化。在DCM中，心肌葡萄糖氧化利用率下降，同時增加脂肪酸氧化速率，甘油三酯和FFA等脂滴在心肌細(xì)胞內(nèi)聚集，導(dǎo)致胞質(zhì)中容積分布不均衡而影響心肌舒張和收縮功能。脂肪酸是饑餓條件下重要的細(xì)胞能量來源，但細(xì)胞質(zhì)中過量的FFA蓄積會引起細(xì)胞的脂毒性損傷[11]。FFA水平升高，抑制丙酮酸脫氫酶，從而降低心肌能量產(chǎn)生，并引起糖酵解中間體和神經(jīng)酰胺的積累，促進(jìn)心肌細(xì)胞凋亡[12]。Nguyen等[13]報道，自噬相關(guān)蛋白Beclin-1和LC3-Ⅱ的表達(dá)隨著FFA濃度增高，誘導(dǎo)心肌細(xì)胞自噬增強(qiáng)。研究表明，mTORC1調(diào)節(jié)的自噬中釋放的FFA，選擇性通過二酰甘油酰基轉(zhuǎn)移酶1(diacylgycerol acyltransferase，DGAT1)成為甘油三酯豐富的脂滴。而DGAT1依賴脂滴隔離脂肪酸，并防止酰基肉堿的積累，否則會直接破壞線粒體完整性。脂滴在自噬過程中減輕脂毒性的細(xì)胞損傷。可見，在FFA過度累積環(huán)境下，自噬的調(diào)控與心肌細(xì)胞損傷密切相關(guān)。

2.3 氧化應(yīng)激氧化應(yīng)激是心血管疾病、2型糖尿病和糖尿病并發(fā)癥發(fā)生的基礎(chǔ)。ROS產(chǎn)生過多和內(nèi)皮抗氧化屏障失衡，導(dǎo)致了氧化應(yīng)激的產(chǎn)生[14]。糖尿病或高血糖會增加細(xì)胞內(nèi)ROS，長期暴露于糖尿病氧化應(yīng)激可引起損傷和慢性炎癥。在DCM氧化應(yīng)激過程中，氧化應(yīng)激過度，細(xì)胞會因自噬調(diào)控異常而導(dǎo)致死亡。據(jù)報道，氧化應(yīng)激降低Beclin-1和ATG 5蛋白的表達(dá)，導(dǎo)致心肌細(xì)胞自噬功能受損及心肌肥厚[15]，而用抗氧化劑N-乙酰半胱氨酸處理心肌細(xì)胞，可以阻斷自噬反應(yīng)的增加，并恢復(fù)谷胱甘肽水平，防止早期心肌細(xì)胞進(jìn)一步損傷。另有研究表明，氧和線粒體中的電子傳遞鏈?zhǔn)峭ㄟ^氧化磷酸化產(chǎn)生ATP所必需的，缺氧導(dǎo)致ATP水平降低，從而激活A(yù)MPK，并使mTOR失活，誘導(dǎo)自噬，以其他方式產(chǎn)生能量。因此，細(xì)胞在應(yīng)激的條件下，自噬作為一種存活機(jī)制，ROS抑制mTOR，激活Beclin-1通路誘導(dǎo)自噬。自噬受到抑制或過量的ROS未及時清除，也會引起心肌細(xì)胞的凋亡。由此可見，自噬參與氧化應(yīng)激誘導(dǎo)的心肌細(xì)胞損傷過程。

2.4 胰島素抵抗胰島素抵抗是合并細(xì)胞功能障礙引起的一種復(fù)雜的代謝紊亂，與心血管疾病、腎功能衰竭密切相關(guān)[16]。2型糖尿病發(fā)病的主要因素是胰島素抵抗，目前認(rèn)為，胰島素抵抗也可涉及到心肌組織等多個代謝器官，伴有慢性心功能不全時，DCM的進(jìn)展加快。在DCM中，胰島素抵抗除了會誘導(dǎo)心肌能量供應(yīng)缺乏外，還可以直接導(dǎo)致心肌細(xì)胞功能障礙及凋亡。胰島素抵抗誘發(fā)高胰島素血癥和隨后的胰島素受體脫敏，這種脫敏是由于胰島素受體底物1絲氨酸磷酸化增加所致。胰島素受體底物1的絲氨酸磷酸化降低了胰島素受體底物蛋白吸引磷脂酰肌醇3激酶的能力，從而降低了胰島素受體底物蛋白和下游胰島素信號的激活。有文獻(xiàn)報道[17]，叉頭框轉(zhuǎn)錄因子(forkhead transcription factors，F(xiàn)OXO)為自噬相關(guān)蛋白轉(zhuǎn)錄因子，通過轉(zhuǎn)錄上調(diào)激活A(yù)TG基因或自噬調(diào)節(jié)基因。研究證實，在小鼠心肌細(xì)胞中表達(dá)特異激活的FOXO，可以使細(xì)胞膜葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白4的水平降低，心肌細(xì)胞攝取葡萄糖利用率減少，能量代謝減弱，進(jìn)而導(dǎo)致胞內(nèi)脂質(zhì)堆積，損傷心肌細(xì)胞。同時，細(xì)胞核FOXO活性增強(qiáng)，胰島素受體底物1蛋白表達(dá)水平下降，促使心肌細(xì)胞對胰島素敏感性進(jìn)一步下降，加重胰島素抵抗引起的DCM。另一項研究表明，敲除胰島素抵抗的2型DCM小鼠中FOXO后，能誘導(dǎo)自噬相關(guān)基因表達(dá)，改變心肌細(xì)胞損傷[18]。因此，自噬在胰島素抵抗的2型DCM中，F(xiàn)OXO敲除后導(dǎo)致脂肪酸和葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)水平發(fā)生改變，從而保護(hù)心肌細(xì)胞功能。

2.5 內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激(endoplasmic reticulum stress，ERS)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)(endoplasmic reticulum，ER)是真核生物一個中心細(xì)胞器，負(fù)責(zé)脂質(zhì)合成、鈣穩(wěn)態(tài)、蛋白質(zhì)折疊和成熟，對維持細(xì)胞內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)態(tài)及胞內(nèi)鈣離子的水平具有重要作用。ER在多種病理因素下，如氧化應(yīng)激、缺血、鈣穩(wěn)態(tài)紊亂以及正常或錯誤折疊蛋白的過度表達(dá)等，導(dǎo)致未折疊蛋白質(zhì)的積累[19]，從而改變細(xì)胞正常生理功能，稱為ERS，并進(jìn)一步激活展開未折疊蛋白質(zhì)反應(yīng)(unfolded protein response，UPR)。葡萄糖調(diào)節(jié)蛋白-78(glucose-regulated protein 78，GRP78)是ERS的經(jīng)典標(biāo)志物。GRP78的表達(dá)增加，將避免未折疊蛋白的聚集，進(jìn)而引導(dǎo)正確新生蛋白折疊[20]。最新研究發(fā)現(xiàn)，UPR也是引發(fā)細(xì)胞自噬和凋亡的一個重要途徑。UPR是由3種跨膜蛋白介導(dǎo)的，包括蛋白激酶RNA樣內(nèi)質(zhì)網(wǎng)激酶(protein kinase R-like ER kinase，PERK)、肌醇需酶1(inositol requiring protein-1，IRE1)、活化轉(zhuǎn)錄因子6(activating transcription factor 6，ATF6)。在生理狀態(tài)下，GRP78結(jié)合UPR的3種效應(yīng)器(ATF6、PERK和IRE1)來抑制它們的活性。細(xì)胞出現(xiàn)ERS時，當(dāng)錯誤折疊的蛋白質(zhì)聚集在ER腔中時，GRP78從這些效應(yīng)物中分離而恢復(fù)活性，引起UPR[20]。在1型和2型糖尿病動物模型中發(fā)現(xiàn)，ERS可促進(jìn)心肌細(xì)胞凋亡。CHOP是ERS相關(guān)凋亡途徑中重要的信號分子，DCM中CHOP的過度表達(dá)可間接導(dǎo)致細(xì)胞凋亡[21]。研究發(fā)現(xiàn)，鏈脲佐菌素誘導(dǎo)的糖尿病大鼠模型中，心肌CHOP表達(dá)上調(diào)，心肌出現(xiàn)纖維化，并且發(fā)生重構(gòu)，表明DCM的發(fā)生與ERS有關(guān)[21]；而PERK、ATF6和IRE1已被證實是ERS誘導(dǎo)自噬的調(diào)節(jié)者[22]。可見，在DCM發(fā)病過程中，ERS與心肌細(xì)胞損傷有關(guān)，而在這一過程中自噬也發(fā)揮一定作用。

3 展望

綜上所述，自噬作為一種存在于真核細(xì)胞中普遍的生命現(xiàn)象，廣泛參與了許多生理病理過程。自噬在DCM發(fā)病機(jī)制中的各個重要環(huán)節(jié)中起重要的調(diào)控作用，包括糖代謝異常、FFA增高而導(dǎo)致心肌細(xì)胞脂毒性，以及氧化應(yīng)激、胰島素抵抗、ERS導(dǎo)致心肌功能障礙和心臟結(jié)構(gòu)的改變。自噬不僅在正常生理條件下維持細(xì)胞的穩(wěn)定性，更是在應(yīng)激或病理狀態(tài)下啟動自我保護(hù)機(jī)制。然而，過量的自噬會導(dǎo)致細(xì)胞死亡和心肌細(xì)胞的損傷，從而進(jìn)一步加重DCM的發(fā)展。有效調(diào)控和干預(yù)自噬信號通路，發(fā)揮對心肌細(xì)胞的保護(hù)作用，將吸引大量的臨床學(xué)者們的關(guān)注，為臨床治療DCM提供更多的理論依據(jù)，并為以后提供有效治療方案奠定基礎(chǔ)。