糖皮質激素與細胞自噬關系的研究進展

瞿功玲,郭佳男,何 葦

(遵義醫科大學附屬口腔醫院口腔頜面外科,貴州遵義 563000)

糖皮質激素(glucocorticoids, GC)作為臨床常用藥物,在對某些疾病的治療中發揮著不可替代的作用,它不僅可以調節生物體中脂肪、糖及蛋白質的合成和分解,還具有抗炎、抗過敏及抗休克等免疫調節作用[1]。 根據療效時長可將糖皮質激素分為短效GC(如可的松)、中效GC(如潑尼松)和長效GC(如地塞米松),尤以地塞米松(dexamethasone,DEX)在臨床應用中最為常見,其副作用可引起骨骼肌萎縮、骨質疏松、股骨頭壞死及庫欣綜合征(cushing syndrome, CS)等等,此外,流行病學及動物實驗研究也發現DEX 的使用與母體中胎兒出現死胎、流產以及先天性畸形(如唇腭裂)等情況有關[2]。

自噬(autophagy)是一種細胞“自食”的死亡方式,也被稱之為II 型細胞程序性死亡。 自噬可分為三類,即大分子自噬(macroautophagy)、小分子自噬(microautophagy) 以及分子伴侶介導的自噬(chaperone-mediated autophagy, CMA)。 通常所指的自噬是大分子自噬,即細胞通過產生自噬囊泡將細胞內壞死的細胞器、蛋白質及胞質等內容物分解后重新利用的過程[3]。 在一般情況下,自噬通常保持在一個相對穩定的水平以保持細胞內環境的穩態,當外界環境變化時,如饑餓、缺氧、藥物、應激及感染等,可以通過激活自噬,使細胞得以在應激條件下生存,此時自噬會與凋亡呈現負相關調控關系,從而表現出對細胞的保護作用[4]。 但當細胞處于應激過剩狀態時,一方面可通過自噬方式“自殺”誘導細胞凋亡[5];另一方面,由于自噬降解了大量細胞器及胞漿出現自噬“過剩”的狀態而導致細胞死亡,且這種細胞死亡過程不同于凋亡[6]。

研究表明,GC 的干預可使細胞自噬水平發生變化[7],本文將就這一領域的新進展作一綜述。

1 GC 與細胞自噬的關系

臨床上,應用不同劑量的GC 會有不同程度的療效及副作用,有研究發現不同劑量的GC 均能誘導成骨細胞的自噬水平升高,但高劑量的DEX(≥10-6mol/L)可加速成骨細胞凋亡,而低劑量的DEX(10-8mol/L)卻使其自噬水平與細胞活力顯著增加,凋亡減少[8]。

此外,關于對GC 作用時間對自噬的影響也有學者進行實驗研究。 如Gao 等[9]發現在24 h 內,成骨細胞自噬程度隨DEX 作用時間延長而逐步上升。而Han 等[10]的研究發現DEX 對成骨細胞自噬水平的誘導在48 h 達到峰值,而后隨著時間延長逐步下降。 原因可能是GC 過高濃度和長時間的作用過度激活了自噬而蛋白質合成速度無法跟上導致了細胞凋亡;但在適度的自噬下,蛋白質分解與合成有序,以延緩細胞衰老。

2 GC 誘導自噬的機制

2.1 內質網應激

內質網應激( endoplasmic reticulum stress,ERS)是指細胞的內質網內異常折疊或不折疊的蛋白質大量堆積,并能引起一系列復雜的后續反應。有文獻報道,ERS 與細胞自噬之間存在有交互作用,即ERS 可通過促進或抑制自噬在不同的細胞類型中誘導細胞死亡或功能障礙[11-12]。 Gao 等[13]發現GC 可誘導內皮細胞產生ERS,并導致未折疊蛋白質反應(unfolded protein response, UPR),它可以對內質網的折疊能力即降解能力做出動態調整。故推測GC 可能通過誘導細胞ERS 調節細胞自噬。

2.2 mTOR 信號通路

雷帕霉素靶蛋白( mammalian target of rapamycin, mTOR)是一種絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶,具有高度保守性,作為調節多種細胞表型上游信號通路的重要交叉匯合點,特別是mTOR 復合體1(mTORC1)對自噬的發生機制及信號調控發揮著至關重要的作用[14]。 通常所說的mTOR 信號通路即經典PI3K-Akt-mTOR 信號通路(見圖1),是調控自噬最常見且重要的信號通路,也是目前已知的唯一自噬抑制性通路。 當外界刺激(如生長因子)與膜蛋白結合后激活PI3K,產生的PIP3 可作為第二信使, 進一步激活磷酸肌醇依賴性激酶-1(phosphoinositide dependent kinase-1, PDK1)和蛋白激酶B(protein kinase B, AKt),Akt 既可直接磷酸化AKt 的底物蛋白(prolin-rich Akt substrate of 40 kD, PRAS40),解除對 mTORC1 的抑制,即經典PI3K-Akt-mTOR 通路;也可以通過磷酸化TSC-2,抑制了TSC-1/2 復合物的形成,繼而解除對Rheb 的抑制效果,結果使mTOR 信號通路被激活。 反之,抑制mTORC1 可以促進自噬體的形成并提高自噬水平[15]。 有學者在GC 對關節軟骨細胞的衰老和自噬研究中發現GC 可能是通過抑制mTOR 信號通路來激活細胞自噬,并且猜測這可能對GC 造成的細胞衰老具有代償性的保護作用[16]。 在非經典mTOR 信號通路中,有文獻報道ERS 分子伴侶——葡萄糖調節蛋白78(glucose regulated protein78,GRP78)可抑制Akt 的磷酸化,繼而抑制下游信號通路即mTOR 信號通路,得以激活自噬[17]。 亦有研究表明ERS 可導致大量Ca2+流入胞漿中,而Ca2+能激活腺苷酸激活蛋白激酶(5-AMP activated protein kinase, AMPK)依賴途徑,從而抑制mTOR 活性來激活自噬[18]。

2.3 ROS 介導的氧化應激

圖1 GC 通過抑制經典PI3K-Akt-mTOR 通路誘導細胞自噬Figure 1 GC induces autophagy by inhibiting the classical PI3K-Akt-mTOR pathway

氧化應激(oxidative Stress, OS)指的是在體內中的氧化作用和抗氧化能力失去平衡,而更傾向于氧化作用,造成大量炎癥細胞浸潤,產生大量活性氧物質(reactive oxygen species, ROS),ROS 可作為第二信使通過調節下游轉導信號參與細胞生長發育甚至衰老和損傷。 在某些條件下ROS 可誘導細胞自噬發生,在另外條件下也可抑制自噬,研究表明GC 可促進細胞內線粒體產生大量ROS[19],且在小鼠成骨細胞系MC3T3-E1 細胞中發現GC 促進了ROS 產生,而ROS 又通過誘導細胞自噬和ERS 促進細胞凋亡[20];有趣的是,在另外一項研究中卻發現,氧化劑誘導產生的ROS 能直接誘導細胞死亡且能降低細胞的基礎自噬水平,而應用DEX 處理后自噬的升高能保護細胞免受OS 引起的細胞死亡[21]。

2.4 MAPK 信號通路

絲裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated Protein Kinases, MAPK)也是一類絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶,它能夠將胞外的刺激信號轉導進入細胞內,繼而可引起細胞不同的反應。 MAPK 通路有4 種主要的分支路線:JNK、ERK、p38/MAPK 和 ERK5,而與自噬相關的MAPK 通路常見的有ERK、JNK 及p38/MAPK 這三條[22-24]。 有研究發現 GC 激活自噬可以通過 MAPK/ERK 信號通路,并且發現 MAPK/ERK 是自噬的正性調節因子,抑制這一途徑可以在基礎條件下減少自噬[21]。

3 GC 在疾病治療中的應用及副作用

3.1 支氣管哮喘的治療

規律性地服用激素類藥物是常用的治療哮喘的方法,有學者分離急性支氣管患者外周血CD4+T、CD8+T 細胞并與DEX 共培養后檢測其自噬水平,發現DEX 可以誘導患者外周血中CD4+T 細胞自噬水平增高,CD8+T 細胞自噬則不受影響,表明GC 對急性哮喘患者的治療作用可能與促進CD4+T 細胞自噬水平有關[25]。

3.2 腫瘤的治療

在癌癥的治療方面,目前通常將GC 與多種化療藥物聯合應用以減輕化療過程中的副作用。 王培宇等[26]研究了DEX 治療對前列腺癌PC3 細胞自噬的影響,發現DEX 可促進PC3 細胞的自噬水平,同時PC3 細胞存活率逐漸降低,而在加入DEX 后加入自噬抑制劑氯喹(chloroquine,CQ)發現PC3 細胞存活率回復至正常水平,表明DEX 誘導的自噬可能是降低癌細胞增殖水平的重要機制。 Ustach等[27]在研究DEX 對胰腺癌的治療作用中也發現了CQ 與DEX 的聯合能夠通過抑制自噬來增加癌細胞對其他抗癌藥物治療的敏感性,從而增強了治療效果。

3.3 骨質疏松的發生

骨質疏松是GC 治療最常見的副作用之一。 正常情況下,破骨細胞-成骨細胞兩者活動保持一個相對平衡穩定的狀態,當成骨細胞的減少和(或)破骨細胞活動增強時,就會出現成骨-破骨失衡從而引起骨質疏松。 此外,骨質疏松還與骨細胞、骨髓間充質干細胞有關。 研究發現低劑量的DEX 可以促進成骨細胞自噬水平顯著增加,其細胞活力也明顯增加,凋亡減少,而高劑量的DEX 作用下自噬水平相對降低,成骨細胞凋亡增加[8];王龍[28]發現低濃度的GC 由于自噬水平的升高而有利于骨髓間充質干細胞向成骨細胞及骨細胞分化,高濃度GC 則可引起其凋亡、影響增殖。 這些數據表明自噬可能為在GC 暴露后的細胞提供一種使其能夠自我保護以免受細胞損傷機制,但在高濃度GC 下細胞凋亡占據主要優勢。 過量GC 對于破骨細胞則通過抑制經典 mTOR 信號通路來激活自噬維持其持續激活[7]。 在另一項研究中發現,在DEX 誘導自噬后,通過PI3K/Akt/mTOR 信號通路介導成骨細胞連接蛋白43(Connexin 43, Cx43)被內化為自噬體/自溶體并被降解、損害骨細胞-細胞連接性[9]。 過量的GC 引起成骨細胞、骨髓間充質干細胞等的凋亡和通過自噬使破骨細胞壽命增加而最終導致骨質疏松;另外,長時間使用GC 誘發成骨細胞凋亡也是造成骨質疏松的另外一個重要原因[10]。

3.4 骨骼肌萎縮的發生

GC 長期大劑量應用所導致的另一個常見副作用是骨骼肌萎縮。 在通常情況下,自噬仍是維持骨骼肌細胞正常生理功能的一個重要機制,適度的自噬可以維持神經-肌肉接頭的穩定性[29],但研究發現在大量GC 作用主要通過抑制mTOR 信號途徑促進細胞自噬過度激活,從而調控肌肉生長抑制素等,進而抑制骨骼肌蛋白質合成,誘發肌萎縮[30]。

4 GC 誘導的自噬與凋亡的關系

盡管自噬作為一種維持細胞活力的生策略,但也可能導致細胞死亡,由于過度激活這種自降解系統,會引起自噬體的過度增多并最終造成細胞死亡。 因此,自噬被報道為“雙刃劍”[31-32]。 在某些情況下細胞自噬與凋亡出現相互作用關系(見圖2)。在眾多學者的研究中發現兩者幾乎共存。 因此提起細胞自噬時,不得不提及其與凋亡的關系,目前認為二者之間以三種方式相互作用,即合作、促進和對抗[33-35]。 合作是自噬與凋亡都造成細胞死亡這一共同結果,如孟晨陽等[36]認為GC 誘導的骨細胞/成骨細胞凋亡是引起股骨頭缺血壞死的主要原因,而長期的大劑量使用GC 誘導細胞自噬過度分解細胞器/蛋白,導致細胞受損,也同樣促成股骨頭缺血壞死;促進指自噬可通過提供凋亡所需的蛋白/能量而間接導致凋亡,如Liu 等[20]發現DEX 可以誘導成骨細胞自噬,從而激活caspase-3 的表達促進細胞凋亡。 對抗指自噬可通過更新細胞內物質抑制凋亡,當自噬被激活時,可以通過 Bax/Bcl-2、caspase 家族來抑制細胞凋亡,反之凋亡增加,說明了自噬可以通過抑制細胞凋亡來起到對細胞的保護效果[37-38]。 這可能是由于GC 使用的劑量與時間不同、作用靶細胞激活通路不同導致自噬與凋亡呈現不同的相互關系。

圖2 GC 誘導細胞自噬與凋亡的關系Figure 2 The relationship between autophagy and apoptosis induced by GC

5 總結與展望

綜上所述,GC 是一種臨床上作用非常廣泛的免疫抑制劑,有著不可替代的作用,在眾多研究中發現GC 在發揮其作用時主要通過自噬和凋亡來實現,然而由于自噬和凋亡之間的不同關系則又顯示出不同的結果,但在這個過程中自噬似乎具有更為重要的調節作用,主要是因為低水平自噬可以通過自我降解和重新組裝利用來維持細胞的正常生理功能以及拮抗細胞凋亡,而高水平自噬能誘導細胞凋亡。 在臨床上長期大量使用GC 造成的骨質疏松和骨骼肌萎縮等副作用均是由于自噬與凋亡的關系不協調引起細胞衰老死亡,所以,如果在沒有更好的替代藥品或者必須長時間大劑量使用GC 時,以自噬為切入點來改變細胞的命運從而預防副作用的發生;GC 所引發的自噬并不一定對疾病的治療都具有積極意義,例如在對癌癥的靶向治療中,在某些程度上自噬可以抑制癌細胞凋亡、促進其生長,不利于癌癥的治療,通過自噬調節劑對自噬水平的改變,以增強抗癌藥物的治療效果[39-40]。 雖然自噬沒有像凋亡那樣更為人所知,對自噬機制研究也只是冰山一角,但更加深入地研究GC 作用下自噬與凋亡的關系,通過調整自噬水平、協調自噬與凋亡的關系,對在不同的治療方案中使用GC 以達到治療效果及預防其副作用將具有重大貢獻。