急性胰腺炎中自噬及其相關信號通路的研究進展

楊慧瑩，吳青，唐國都

(1.廣西醫科大學第一附屬醫院消化內科，南寧 530021； 2.廣西醫科大學第二附屬醫院消化內科，南寧 530007)

急性胰腺炎(acute pancreatitis，AP)是臨床緊急住院的最常見消化道疾病之一，其臨床結局具有不可預測性及潛在的致命性。近年來，隨著全球人口的增長、飲酒和吸煙模式的改變、肥胖率的上升以及診療水平的提高，其發病率及死亡率呈逐年上升趨勢[1]。研究表明，全球AP的發病率約為34/10萬，死亡率約為1.16/10萬，且男性與女性發病率比較差異無統計學意義[2]。AP的發病機制涉及多種分子機制及復雜信號通路。目前研究普遍認為，胰酶在胰腺內異常激活導致的胰腺損傷及全身炎癥反應是AP的主要病理生理機制[1]。而隨著對藥物誘導的AP動物模型的深入探索，近年關于AP病理生理機制的研究重點已轉移至AP發生的早期事件——胰腺腺泡細胞內胰酶的異常激活[3]。研究發現，自噬紊亂與胰腺腺泡細胞損傷密切相關[4-5]，自噬失調對AP的影響受到多種自噬調控因子及相關信號通路的調控[6-7]。因此，深入研究自噬相關信號通路在AP自噬中的具體調控機制有望尋找到自噬的有效干擾靶點，進而為AP的預防和治療提供新思路。現就自噬及其相關信號通路在AP發生發展中的作用及機制予以綜述。

1 自噬概述

1.1自噬的概念及類型 自噬是細胞在代謝過程中對胞質中出現的受損或老化的細胞器、變性蛋白質或脂類等的自身降解清除作用和循環再利用過程；是存在于真核生物中由自噬相關基因(autophagy-related gene，Atg)嚴格調控的高度保守的細胞過程[8]。1963年，de Duve[9]首次在饑餓的大鼠肝臟中觀察到線粒體及其他細胞器在溶酶體內降解，并將此現象稱為自噬，在希臘語中譯為“eating of self(自食)”。隨后，研究發現自噬在生物界哺乳動物中廣泛存在，自噬受損現象也在多種疾病研究模型中被發現[10]。因此，自噬成為一個全新的研究領域，自噬的細胞分子機制也成為近年研究熱點。

在哺乳動物細胞中，根據底物與溶酶體結合的途徑不同，可將自噬分為3種類型：巨自噬、微自噬及分子伴侶介導的自噬。巨自噬是細胞內的雙層膜結構重排，包繞廢棄或老化的細胞器或蛋白質，形成具有雙層膜結構自噬小體后，再將其運送至溶酶體內，形成自噬溶酶體，最終由自噬溶酶體內的水解酶對細胞內廢棄物質進行酶解并循環再利用的過程。微自噬則是細胞內的廢棄物質通過溶酶體膜的內陷或變形進入溶酶體，在溶酶體中進行酶解代謝及循環利用的過程。迄今為止，分子伴侶介導的自噬只在哺乳動物中發現，它不同于能吞噬較大廢棄產物的巨自噬和微自噬，其需要伴侶蛋白(熱激蛋白70等)介導方可使細胞內的廢棄產物跨過溶酶體膜進入溶酶體內，進而被降解及再利用[11]。目前，巨自噬是生物體中最普遍也是研究最多的自噬途徑，以下所涉及自噬類型主要指巨自噬。

1.2自噬的發生過程 自噬的發生過程是涉及多個囊泡融合的復雜過程，主要包括以下幾個階段：①自噬啟動。自噬的啟動依賴于UNC-51樣激酶1(UNC-51-like kinase 1，ULK1)復合體的活化。當機體出現營養缺乏或受饑餓刺激時，ULK1發生去磷酸化；此時，由ULK1、ATG13蛋白、ATG101蛋白及分子量為200 000的黏著斑激酶家族相互作用蛋白組成的ULK1復合體從哺乳動物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin，mTOR)復合體(mammalian target of rapamycin complex，mTORC)1中脫離出來；隨后，活化的ULK1可使ULK1復合體中的ATG13蛋白和分子量為200 000的黏著斑激酶家族發生磷酸化，最終ULK1復合體活化，自噬啟動[12-13]。②雙層膜囊泡形成。活化的ULK1復合體在自噬調節蛋白Ambra1及泛素連接酶腫瘤壞死因子受體相關因子6等的協同作用下招募Beclin1-Vps34復合體至自噬體形成位置，并誘導細胞內雙層膜囊泡形成[14]。③自噬體形成。雙層膜囊泡的延伸和擴張是由多種ATG蛋白介導組裝成兩個泛素化偶聯系統而進行；與此同時，雙層膜囊泡在泛素化受體(p62蛋白、組蛋白脫乙酰酶6、核點蛋白52等)的作用下對廢棄細胞器或蛋白進行選擇和識別；隨后，泛素化受體與底物相結合，經與微管相關蛋白1輕鏈3(microtubule-associated protein 1 light chain 3，LC3)特異性相互作用后，最終廢棄細胞器或蛋白被包繞進入雙層膜囊泡中形成自噬體，這一過程中，LC3陸續被多種自噬相關蛋白剪切修飾，最終形成LC3-Ⅱ并大量附著于自噬體膜上，作為自噬形成的標志蛋白并參與自噬體的延伸及移動[15]。④自噬體與溶酶體的融合及酶解。成熟的自噬體延伸及移動主要由細胞骨架介導，其中肌動蛋白絲是自噬體成熟及移動的關鍵；此外，肌球蛋白、微管等在自噬體移動及與溶酶體融合過程中也起重要作用[16]。當自噬體與溶酶體相遇時，自噬體膜通過某些蛋白(SNARE蛋白、Rab7蛋白、HOPS復合物等)作用與溶酶體膜相融合[17-19]。而當自噬體膜與溶酶體膜融合后，激活的溶酶體釋放許多蛋白水解酶溶解廢棄內容物。最后，在機體營養或缺氧糾正后，mTOR的重新激活使自噬得以終止。

1.3自噬受損 自噬受損可以發生在自噬的任何階段，包括自噬小體形成障礙，自噬體與溶酶體融合受阻以及溶酶體蛋白水解酶活性降低等。近年來，研究已證實在神經系統疾病、心血管疾病、肺部疾病、克羅恩病及腫瘤等眾多疾病中均可出現自噬受損現象[10]。自噬小體形成障礙可表現為細胞內自噬空泡的減少，而自噬體與溶酶體融合障礙可導致自噬體的累積，溶酶體蛋白水解酶活性降低則可出現自噬體內廢棄產物的累積。此外，自噬受損還可導致p62和泛素聚集物的積累，這一現象在神經系統疾病中尤為突出[20]。以上自噬各階段的受損最終將使細胞穩態失衡，并誘發或加重疾病的發生發展。

2 AP中的自噬

生物體中，各類細胞基礎自噬所降解的廢棄細胞器及蛋白質可作為細胞的能量來源，以促進新的有功能的細胞器及蛋白質合成。因此，基礎自噬水平在維持生物體細胞穩態中至關重要。一旦自噬失調，細胞代謝穩態失衡，將誘發各種疾病[21]。因此，胰腺腺泡細胞內基礎自噬失衡可誘導AP的發生，而隨著AP發生發展，自噬過程隨之變化并最終出現自噬受損。

2.1胰腺外分泌部的基礎自噬 胰腺外分泌部由腺泡及導管組成，腺泡細胞分泌消化液后，經胰腺導管排至十二指腸，以助消化。近年來研究顯示，胰腺腺泡細胞中存在生理性自噬，對維持細胞穩態及胰腺外分泌部功能具有重要作用[22]。Antonucci等[5]敲除小鼠Atg7基因后發現，Atg7基因的缺失不僅導致胰腺腺泡細胞自噬受抑制，同時導致線粒體及內質網功能失調及蛋白質合成障礙，最終使胰腺腺泡細胞嚴重變性，胰腺出現炎癥及纖維化，提示胰腺腺泡細胞的基礎自噬時對維持細胞內穩態及蛋白合成至關重要。Gukovsky和Gukovskaya[23]研究發現，敲除小鼠Atg5基因后，自噬受損可誘發慢性胰腺炎。Mareninova等[24]研究發現，溶酶體相關膜蛋白(lysosome-associated membrane protein，LAMP)對于維持胰腺腺泡細胞穩態至關重要，敲除小鼠Lamp基因后，可導致胰腺炎的發生。此外，研究還發現胰腺腺泡細胞內過度自噬活動可能與胰腺癌的發生密切相關，抑制自噬可使腫瘤生長受到抑制[25-26]。可見，胰腺外分泌部，尤其是腺泡細胞內的基礎自噬對維持胰腺正常外分泌功能至關重要，一旦自噬受損，將誘發各種胰腺疾病。

2.2AP發生發展中自噬的變化 1980年，Helin等[27]首次在急性壞死性胰腺炎(acute necrotizing pancreatitis，ANP)手術患者中觀察到胰腺腺泡細胞內出現含有細胞器殘體的大液泡，并觀察到腺泡細胞膜內陷表現，提示AP中有自噬體及自噬溶酶體形成。隨后，自噬在AP中的作用逐漸受到重視。Biczo等[28]研究發現，線粒體功能障礙和自噬受損可能是促進AP發生發展的重要因素。Iwahashi等[29]研究認為，胰腺腺泡細胞內自噬受損可導致酶原顆粒堆積和胰腺炎。另有研究發現，AP時，胰腺腺泡細胞內出現的自噬空泡的積累、線粒體的損傷和胰蛋白酶原的過早激活是自噬受損的標志[30]。因此，自噬是AP發生發展的重要機制之一，進一步研究AP中自噬的變化可能能為AP的治療提供新思路。

近年來，研究已證實AP時胰腺腺泡細胞內的自噬激活，但自噬完成受到抑制[4]。AP發生早期，胰腺腺泡細胞中自噬空泡數量和大小增加，LC3-Ⅰ向質膜LC3-Ⅱ轉移，提示AP早期，自噬體形成，自噬激活，自噬體大量在腺泡細胞的積累導致腺泡細胞空泡化；隨著AP發病時間延長，胰腺腺泡細胞內自噬標志蛋白p62水平上調，溶酶體與自噬體融合所需蛋白LAMP2水平下降，提示溶酶體與自噬體融合受阻，這一變化反過來進一步促進自噬體在腺泡細胞內的堆積，加重腺泡細胞空泡化，破壞細胞穩態；同時，溶酶體降解功能受損，溶酶體內的水解酶活性下降，溶酶體對細胞內廢棄產物清除受阻，可導致細胞內代謝穩態失衡，進而誘發腺泡細胞內胰酶過早激活，最終引發AP[22,31-32]。

近年來，越來越多的研究發現AP中的自噬受許多因素的影響及調控。如Yasunaga等[33]認為，淀粉酶參與AP時自噬的發生，可能誘導AP胰腺腺泡細胞內胰腺自噬空泡的形成。另有研究發現，氧化應激可能是胰腺炎自噬損傷的中介因子，抑制氧化應激可誘導或激活自噬緩解AP[30]。此外，mTOR相關信號通路、鈣超載、細胞骨架及其相關蛋白等也參與自噬的發生發展，這些信號通路及相關調控蛋白相互影響，共同調控自噬，參與AP的發生發展[34-37]。

3 自噬相關信號通路

研究認為，自噬在生物體生長過程中具有雙重作用，當細胞處于缺氧、饑餓及營養不足等應激狀態下，短時間內自噬的產生有助于清除細胞內產生的代謝產物，延緩細胞凋亡，保護細胞；而在長時間的應激狀態下，自噬的產生則可能損害細胞，加速細胞凋亡或死亡[38]。鑒于自噬對細胞的這種雙重作用，研究自噬相關信號通路顯得尤為重要。明確自噬相關信號通路有助于研究者把握自噬在不同疾病中的發生發展規律，進而尋找適當干預靶點以期緩解或治愈疾病。自噬相關信號通路的相互作用錯綜復雜，相關調控因子也多種多樣，目前研究尚未能完全明確。近年來，研究較多的有mTOR相關信號通路、活性氧類(reactive oxygen species，ROS)信號通路及核因子κB(nuclear factor-kappa B，NF-κB)信號通路等。

3.1mTOR相關信號通路 mTOR屬于磷脂酰肌醇-3-激酶(phosphatidylinositol-3-kinase，PI3K)相關激酶家族，是一個高度保守的絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶，主要通過整合細胞外及細胞內的信號變化，激活下游效應蛋白，調控細胞的生長增殖、能量代謝及蛋白合成等，是細胞自噬的關鍵調控蛋白[6]。mTOR與其他調節蛋白相互作用可形成兩種復合物(mTORC1和mTORC2)，其中mTORC1是自噬負向調控的關鍵蛋白之一，而mTORC2主要參與細胞骨架及細胞運動的調控[13]。mTOR是多種自噬相關信號通路的匯合點，它能通過整合細胞內外的信號調控自噬。其上游信號通路有PI3K/蛋白激酶B(protein kinase B，PKB或Akt)/mTOR、促分裂原活化的蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase，MAPK)/mTOR、p53/mTOR等。

PI3K/Akt/mTOR信號通路是調控自噬的主要通路，在多種細胞中對自噬呈負向調控作用[6]。當細胞接受營養物質信號時，來自細胞膜生長因子受體激活的信號傳遞至PI3K，PI3K在調節亞基p85與靶蛋白結合并激活p110催化亞基的作用下被活化，活化的PI3K產生第二信使磷脂酰肌醇-3，4，5-三磷酸，進一步使Akt發生磷酸化，激活Akt，活化的Akt可解除對mTORC1的抑制作用，最終使PI3K/Akt/mTOR信號通路激活，激活的PI3K/Akt/mTOR信號通路使ATG13蛋白等活性降低，LC3-Ⅰ轉化為LC3-Ⅱ能力下降，自噬體形成減少，從而抑制自噬[39-40]。

除PI3K/Akt/mTOR信號通路外，mTOR的上游通路還有MAPK/mTOR通路及p53/mTOR通路等。當細胞生存所需能量缺乏時，MAPK被激活，活化的MAPK磷酸化結節硬化癥復合體2和mTOR調控相關蛋白，進而抑制mTORC1活性，激活自噬。此外，MAPK還可通過活化ULK1，進而活化ULK1復合物，啟動自噬[41]。而在缺氧、氧化應激等刺激下，p53被活化，在細胞質中通過直接或間接方式激活mTOR的上游調節蛋白，進而影響自噬[41]。

3.2ROS信號通路 研究發現，氧化應激與自噬既相互作用又相互影響，氧化應激中所產生的大量ROS可能通過破壞細胞穩態，誘導自噬；而自噬反過來又可以通過吞噬和降解氧化產物而緩解氧化損傷[42]。氧化應激調控自噬的機制可分為轉錄前和轉錄后調控，涉及多種信號通路，包括ROS-叉頭框轉錄因子O3-LC3/Bcl-2/腺病毒E1B 19kDa相互作用蛋白3(Bcl-2/adenovirus E1B 19kDa interacting protein 3，BNIP3)、ROS-核因子E2相關因子2-p62、ROS-缺氧誘導因子-1-BNIP3/NIP3樣蛋白X以及ROS-TP53誘導的糖酵解和凋亡調節因子等信號通路。當細胞處于缺血再灌注、腫瘤或饑餓等病理條件下時，細胞發生氧化應激，并產生大量ROS，隨后缺氧誘導因子-1、p53、叉頭框轉錄因子O3和核因子E2相關因子2等調控因子被順序激活，進而刺激BNIP3/NIP3樣蛋白X、TP53誘導的糖酵解和凋亡調節因子、LC3/BNIP3和p62的轉錄，最終誘導自噬；而自噬的激活又可以通過分子伴侶介導的自噬、p62、線粒體自噬等途徑吞噬和降解氧化產物，減少ROS，緩解氧化損傷[43-45]。目前，ROS信號通路調控自噬的分子機制在不同疾病中不同，仍需進一步深入研究。

3.3NF-κB信號通路 目前已有研究發現，在細胞因子復雜的網絡關聯中起著中心調控作用的NF-κB可以通過Akt/mTOR信號通路調控自噬[46]。NF-κB信號通路對自噬的調控作用較復雜，在不同疾病中各有差異。在某些疾病模型的研究中，NF-κB可負向調節自噬。如Yi等[47]在脂多糖誘導的人退變性髓核細胞的研究中發現，通過抑制NF-κB活性，可進一步抑制Akt/mTOR通路，進而激活自噬，并抑制炎癥及凋亡。Yang等[48]在谷氨酸刺激的大腦皮質星形膠質細胞研究中證實，氯胺酮可激活NF-κB信號通路，抑制自噬，通過負向調節自噬減輕細胞凋亡。而在另一些疾病模型中，NF-κB可正向調控自噬，如在葡萄糖缺乏的乳腺癌MCF-7體外細胞模型中，學者發現NF-κB信號通路的激活可促進自噬，抑制細胞凋亡[49]。且禽流感病毒H5N1誘導的肺炎模型研究也證實，NF-κB信號通路的激活可促進自噬，進而加重肺部炎癥[50]。另外，在NF-κB調控自噬的同時，自噬相關調控因子也反過來調控NF-κB的活性。Peng等[51]研究證實在腎損傷中，腎小管上皮細胞ATG5蛋白介導的自噬可抑制NF-κB信號通路緩解炎癥反應。然而，目前NF-κB信號通路對自噬的調控作用及具體分子機制仍未完全明確，其在不同疾病中存在保護作用或損害作用仍存在爭議，有待進一步深入探索。

3.4其他信號通路 除了以上提及的信號通路以外，因信號通路中各調節因子之間的激活可存在多種交聯，故各信號通路之間可能相互聯系并形成網絡結構共同調控細胞內自噬的變化，這一交聯過程可能涉及更多的調控因子及信號通路，如Beclin-1/Bcl-2、Hedgehog信號通路等。在Beclin-1/Bcl-2信號通路的研究中發現，Beclin-1具有誘導自噬的作用，而Bcl-2具有抑制自噬的作用；正常生理情況下，Beclin-1與Bcl-2相結合形成復合體，動態調節細胞內自噬，維持細胞穩態；而當細胞營養缺乏或受到其他刺激時，兩者發生解離，進而導致細胞內自噬紊亂，細胞穩態失衡[52]。另有研究發現，Hh信號通路具有調節細胞內自噬的作用，但其在不同疾病中對自噬的調節作用不盡相同，具體分子調控機制仍存在較大爭議，需進一步深入研究[53]。

4 自噬相關信號通路在AP自噬中的作用

4.1mTOR相關信號通路 近年來，有關mTOR相關信號通路在AP自噬中的作用越來越受到關注。研究發現，柴胡皂苷D或泛癸利酮可通過激活PI3K/Akt/mTOR信號通路抑制胰腺星狀細胞的自噬，改善胰腺纖維化[54-55]。Wang等[56]研究發現，在雨蛙肽誘導的AP小鼠模型中，雨蛙肽能夠激活mTOR，抑制自噬，并減少胰腺腺泡細胞內溶酶體的數量，導致小鼠胰腺自噬不足。Ji等[37]研究發現，硫化氫可通過激活MAPK，抑制mTOR，使自噬過度激活，從而加重牛磺膽酸誘導的AP。Mei等[57]在高三酰甘油誘導的AP模型的研究中發現，高三酰甘油可使AP自噬通量受損加重，這可能與內質網應激密切相關，而mTOR抑制劑雷帕霉素可通過抑制mTORC1/核糖體蛋白S6激酶通路減輕高三酰甘油對AP自噬的加重。Zhang等[58]研究發現，miR-155可通過與mTORC2結構中的主要靶點mTOR調控相關蛋白相互作用，加重雨蛙肽刺激的胰腺腺泡細胞自噬受損。Fan等[59]研究證實，p38 MAPK通路中的亞結構p38α通過調控炎癥因子和自噬加重雨蛙肽誘導的AP。然而，目前mTOR信號通路復雜，涉及多種調控因子相互作用，故其在AP中的作用及分子機制仍需深入研究。

4.2ROS信號通路及NF-κB信號通路 近年來，除了mTOR相關信號通路外，ROS信號通路及NF-κB信號通路在AP自噬中的作用及分子機制也逐漸受到重視。在ROS信號通路方面，目前研究已證實砷可以通過線粒體ROS-自噬-溶酶體途徑導致胰腺功能障礙[60]；此外，還有研究證實泛癸利酮可通過ROS/mTOR信號通路改善胰腺纖維化[61]。然而，關于ROS信號通路在AP自噬中的作用機制研究仍較少，其具體分子調控機制仍有待進一步研究。

鑒于AP發生自噬受損過程的復雜變化，NF-κB信號通路在AP自噬中的調控作用仍存在較大爭議。已有研究發現，在ANP時，NF-κB信號通路可能誘導自噬，使自噬過度激活，加重ANP，而靶向抑制NF-κB信號通路則可降低ANP的嚴重程度[62]。此外，Piao等[63]研究發現玄參提取物胡黃連苷Ⅱ可通過抑制NF-κB依賴性自噬提高大鼠重癥AP模型中的抗氧化和抗炎活性來改善重癥AP。Wan等[64]研究證實，3-甲基腺苷可通過抑制NF-κB信號通路降低自噬通量，改善由雨蛙肽+脂多糖及左旋精氨酸誘導的兩種AP小鼠的全身器官損傷。可見，NF-κB信號通路的激活可能正向調控AP自噬，促進AP自噬的發生，增加AP的炎癥反應，加重AP對機體的損害。然而，目前有關NF-κB信號通路在AP自噬調控中的具體分子機制仍需進一步研究。

4.3其他信號通路 除了mTOR、ROS及NF-κB等自噬相關信號通路外，目前仍有一些其他信號通路與AP自噬相關。如Hu等[65]在研究長鏈非編碼RNA與自噬的關系時，發現長鏈非編碼RNA漿細胞瘤變異易位1在牛磺膽酸鈉誘導的AP中表達上調，且能夠靶向調節miR-30a-5p/ beclin-1介導的自噬信號通路，進而使AP腺泡細胞中的自噬異常活化。Zhang等[66]對雨蛙肽誘導的AP模型進行研究發現，丙二醇海藻酸鈉通過抑制MAPK/胞外信號調節激酶信號通路抑制自噬和凋亡，減輕AP損傷。

5 小 結

自噬是AP發生的早期重要事件，自噬相關信號通路相互交聯影響AP發生發展的進程。在AP發生早期，自噬激活，自噬小體形成，但自噬體與溶酶體融合障礙，自噬過程不能完成，自噬受損。然而這一過程涉及多種復雜的自噬相關信號通路的調控，包括PI3K/Akt/mTOR、MAPK/mTOR、p53/mTOR等mTOR相關信號通路、ROS信號通路、NF-κB信號通路及其他信號通路等，這些自噬相關信號通路之間存在廣泛的關聯，相互影響，共同調控自噬，影響AP發生發展。目前針對自噬及自噬相關信號通路在AP的研究仍處于初步階段，信號通路之間的協調和相互影響仍未完全明確，仍可能存在未知的新的信號通路和調控機制。相信隨著自噬相關信號通路及分子調控機制的深入研究，靶向干預細胞自噬分子調控信號通路有望成為AP預防和治療的新手段，為AP的臨床治療提供新方法。