葡萄糖水平對自噬的影響研究進展

楊瀾，楊磊，周春雷，范彩紅，王東強，穆紅

(1.天津醫(yī)科大學一中心臨床學院，天津 300192； 2.天津市第一中心醫(yī)院 a.檢驗科，b.中西醫(yī)結(jié)合科，天津 300192)

自噬是膜包裹部分胞質(zhì)和細胞內(nèi)受損、老化的蛋白質(zhì)或細胞器等成分形成自噬體，自噬體再與溶酶體融合形成自噬溶酶體，進而內(nèi)容物被溶酶體酶降解，物質(zhì)得以重新利用和更新的生物學過程[1]。自噬除了發(fā)生在營養(yǎng)饑餓、能量耗盡等應激壓力下，也發(fā)生于細胞正常狀態(tài)。自噬不僅與機體的饑餓反應、細胞分化、早期生長發(fā)育等生理活動有關(guān)，近年的研究證實其也參與腫瘤的發(fā)生、糖尿病、神經(jīng)退行性病變等病理過程[2]。自噬具有雙重作用，一方面，適度的自噬可以實現(xiàn)物質(zhì)的循環(huán)利用，保障細胞內(nèi)物質(zhì)質(zhì)量；另一方面，過度自噬可引起細胞凋亡，癌細胞也可利用自噬促進自身成活[3]。因此，自噬也成為神經(jīng)退行性疾病、胰腺癌、乳腺癌、其他腫瘤發(fā)生及耐藥性的治療靶點[4-7]。

葡萄糖是一種單糖，是體內(nèi)主要的能源物質(zhì)。當機體血糖水平異常時，細胞會通過一系列分子物質(zhì)的調(diào)控表現(xiàn)為促進或抑制自噬。自噬的有益或有害作用與細胞類型、細胞狀態(tài)、自噬的激活形式等因素有關(guān)[1]。現(xiàn)從葡萄糖水平與自噬的關(guān)系出發(fā)，綜述近年葡萄糖影響自噬的機制，旨在為葡萄糖失衡狀態(tài)下調(diào)控正常細胞成活或癌細胞凋亡提供新的方向和途徑。

1 細胞自噬的分類

根據(jù)細胞內(nèi)需降解物質(zhì)進入溶酶體的途徑不同，自噬可分為巨自噬、微自噬和分子伴侶介導的自噬[8]。巨自噬是自噬最常見的類型，其以依賴環(huán)境的方式促進細胞成活或加速細胞凋亡，其特征性標志是具有部分細胞質(zhì)的雙膜結(jié)構(gòu)自噬體的形成。大致過程為：首先在自噬體形成部位產(chǎn)生隔離膜，隨后膜邊緣伸長和閉合，形成自噬體，再與含有水解酶的溶酶體融合，自噬體成熟為具有高電子密度的單膜結(jié)構(gòu)自噬溶酶體，最后膜內(nèi)容物被降解[9]。微自噬是通過液泡內(nèi)膜或溶酶體的直接吞噬作用降解細胞中大分子物質(zhì)，近年研究提出根據(jù)被降解物質(zhì)進入溶酶體的分子機制可將其細分為兩種微自噬：依賴轉(zhuǎn)運必需內(nèi)體分選復合物的裂變型微自噬和需要自噬核心蛋白、可溶性N-乙酰基亞胺敏感因子附著蛋白受體的融合型微自噬[10]。分子伴侶介導的自噬選擇性降解具有特定氨基酸序列賴氨酸-苯丙氨酸-谷氨酸-精氨酸-谷氨酰胺樣基序的細胞蛋白質(zhì)[11]，底物蛋白與分子伴侶熱激蛋白70結(jié)合并被轉(zhuǎn)運到溶酶體，然后被溶酶體酶消化。

根據(jù)底物降解的選擇性，自噬分為非選擇性自噬和選擇性自噬[12]，非選擇性自噬主要用于饑餓條件下大量細胞質(zhì)的更新[13]，隨機降解細胞質(zhì)成分。選擇性自噬則專門針對受損或多余的細胞器，由自噬體中選擇性自噬受體和銜接蛋白決定，包括線粒體自噬、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)自噬、過氧化物酶體自噬、核糖體自噬、細胞核自噬等[14]。

2 葡萄糖水平與自噬

2.1血糖相關(guān)調(diào)控通路 在哺乳動物中，葡萄糖剝奪會引起細胞內(nèi)AMP/ATP比值增加，進而激活AMP活化的蛋白激酶(AMP-activated protein kinase，AMPK)，AMPK是一種葡萄糖傳感器，也是細胞能量傳感器，幾乎存在于所有真核生物中。AMPK一旦激活后，便促進產(chǎn)生ATP的分解代謝途徑，抑制消耗ATP的合成代謝途徑[15]。AMPK激活后,哺乳動物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin，mTOR)復合體1(mTOR complex 1,mTORC1)受抑制，p53、p27 Kip1激活，誘導細胞自噬。自噬是細胞的主要分解代謝過程，可在面對代謝壓力時促進成活。它受到一系列對營養(yǎng)狀況有反應的激酶的嚴格調(diào)控，包括mTORC1、AMPK、促分裂原活化的蛋白激酶2/3、Rho相關(guān)激酶1、c-Jun氨基端激酶、酪蛋白激酶等[16]。自噬的調(diào)控機制復雜，其上游信號通路主要涉及mTOR依賴性通路和mTOR非依賴性通路，mTOR非依賴性通路包括AMPK、磷脂酰肌醇-3-激酶(phosphatidylinositol-3-kinase，PI3K)、人第10號染色體缺失的磷酸酶及張力蛋白同源基因等[1]。同時葡萄糖剝奪和高水平的葡萄糖會改變氧化磷酸化，導致線粒體超極化，活性氧增加，信號傳遞給AMPK、p38促分裂原活化的蛋白激酶、c-Jun氨基端激酶、胞外信號調(diào)節(jié)激酶等激酶，進而誘導細胞自噬。葡萄糖調(diào)控自噬除了與能量變化和活性氧誘導相關(guān)的信號通路有關(guān)外，還與IκB激酶/核因子κB、煙酰胺腺嘌呤二核苷酸-依賴性去乙酰化酶和叉頭框蛋白O1或叉頭框蛋白3有關(guān)[17]。

2.2葡萄糖剝奪與非選擇性自噬 Liu和Wang[18]發(fā)現(xiàn)第9號染色體上開放閱讀框72基因是營養(yǎng)應激反應期間自噬溶酶體途徑負反饋控制的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子。第9號染色體上開放閱讀框72基因缺乏的細胞，會出現(xiàn)共激活因子相關(guān)精氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶1異常積累，并在葡萄糖饑餓應激下出現(xiàn)細胞自噬和脂質(zhì)代謝異常。共激活因子相關(guān)精氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶1 是一種轉(zhuǎn)錄共激活因子，而且是一種自噬表觀遺傳調(diào)節(jié)劑。在營養(yǎng)缺乏時，共激活因子相關(guān)精氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶1 不僅可被細胞核中的蛋白酶體泛素化降解，也可進入溶酶體降解，而且第9號染色體上開放閱讀框72基因是共激活因子相關(guān)精氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶1 在溶酶體降解所必需，可防止自噬和脂質(zhì)代謝的過度激活。Yoon等[19]發(fā)現(xiàn)，亮氨酸-轉(zhuǎn)移RNA合成酶1可負向調(diào)控葡萄糖剝奪產(chǎn)生的自噬反應。葡萄糖剝奪時，亮氨酸-轉(zhuǎn)移RNA合成酶1的亮氨酸結(jié)合殘基在unc-51樣激酶1的作用下磷酸化。磷酸化的亮氨酸-轉(zhuǎn)移RNA合成酶1亮氨酸結(jié)合減少，進而蛋白質(zhì)合成受到抑制，自噬激活。通過這種方式，磷酸化的亮氨酸-轉(zhuǎn)移RNA合成酶1可以減少ATP消耗并將亮氨酸用于ATP的生成，提高細胞對葡萄糖饑餓的耐受性。

Liu等[20]發(fā)現(xiàn)葡萄糖剝奪時，Toll樣受體9和自噬相關(guān)蛋白(autophagy related,ATG)Beclin1會相互作用，并隨著能量應激，蛋白質(zhì)相互作用增加，但這種相互作用不受其他應激因素(如氨基酸剝奪或線粒體損傷)的影響。Toll樣受體9/Beclin1相互作用可改變含Beclin1的Ⅲ類PI3K復合物的構(gòu)象進而誘導自噬。Cui等[21]發(fā)現(xiàn)，葡萄糖剝奪激活AMPK使β-轉(zhuǎn)導重復相容蛋白1磷酸化，并促進β-轉(zhuǎn)導重復相容蛋白2對β-轉(zhuǎn)導重復相容蛋白1的泛素化和降解，但不促進β-轉(zhuǎn)導重復相容蛋白1對β-轉(zhuǎn)導重復相容蛋白2的降解。β-轉(zhuǎn)導重復相容蛋白2優(yōu)先降解mTORC1的抑制劑以激活mTORC1，從而抑制自噬和細胞生長。

Yao等[22]發(fā)現(xiàn)，ATG11是啟動葡萄糖饑餓誘導的自噬所必需，在葡萄糖饑餓時，ATG11促進酵母中AMPK同系物Snf1和ATG1之間的相互作用。吞噬細胞組裝位點的形成需要ATG11控制ATG17與ATG29-ATG31的結(jié)合，因此ATG11可作為控制葡萄糖饑餓誘導的自噬中多個步驟的關(guān)鍵起始因子。Yang和Klionsky[23]使用多種細胞系證明了一種依賴于5-磷酸磷脂酰肌醇合成的新型非經(jīng)典自噬途徑。該通路受AMPK-unc-51樣激酶1-含F(xiàn)YVE鋅指磷酸肌醇激酶軸調(diào)節(jié)。Unc-51樣激酶1在葡萄糖饑餓時被AMPK激活，導致S1548上的脂質(zhì)激酶含F(xiàn)YVE鋅指磷酸肌醇激酶磷酸化。激活的含F(xiàn)YVE鋅指磷酸肌醇激酶增強了含有5-磷酸磷脂酰肌醇的自噬體的形成，從而驅(qū)動自噬上調(diào)。

Bao等[24]發(fā)現(xiàn)，葡萄糖饑餓可以誘導依賴鎂/錳離子的蛋白磷酸酶1B從RAS蛋白激活類似物2解離，蛋白磷酸酶1B從RAS蛋白激活類似物2的S351位點被AMPKα1磷酸化，然后磷酸化的RAS蛋白激活類似物2與Ⅲ類PI3K-ATG14-Beclin1復合物結(jié)合，增強Ⅲ類PI3K的活性并促進自噬。研究表明，蛋白磷酸酶1B從RAS蛋白激活類似物2 S351的磷酸化可以作為分子開關(guān)來抑制或促進AMPK介導的自噬。Jiang等[25]證明了鈉-葡萄糖協(xié)同轉(zhuǎn)運蛋白2抑制劑可抑制心肌細胞自噬性細胞凋亡，對心臟有保護作用，可降低糖尿病患者的心血管病死率。鈉-葡萄糖協(xié)同轉(zhuǎn)運蛋白2可直接抑制心肌細胞中Na+/H+交換器1的活性，以調(diào)節(jié)過度自噬。Na+/H+交換器1的過表達可加重饑餓引起的心肌細胞凋亡，而鈉-葡萄糖協(xié)同轉(zhuǎn)運蛋白2治療可有效緩解饑餓引發(fā)的細胞凋亡。

2.3葡萄糖剝奪與選擇性自噬 有報道顯示葡萄糖饑餓時，AMPK通過調(diào)節(jié)細胞內(nèi)還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸的穩(wěn)態(tài)促進癌細胞成活。在營養(yǎng)缺乏和缺氧期間，細胞內(nèi)AMP/ATP的比值增加，肝激酶B1通過磷酸化激活AMPK，通過葡萄糖饑餓誘導的氧化應激觸發(fā)肝激酶B1-AMPK信號通路促進選擇性自噬，從而增強Kelch樣環(huán)氧氯丙烷相關(guān)蛋白-1降解，激活核轉(zhuǎn)錄因子紅系2相關(guān)因子[26]。Zheng等[27]利用氧-葡萄糖剝奪和再灌注神經(jīng)元模型模擬腦缺血，在這種情況下已被證實會發(fā)生線粒體損傷和線粒體自噬。通過選擇性標記軸突線粒體，發(fā)現(xiàn)這些受損的軸突線粒體會逆行出現(xiàn)在神經(jīng)元胞體中，并優(yōu)先通過自噬體消除。通過該機制，神經(jīng)元可以識別、分類受損的軸突線粒體，并將其輸送到神經(jīng)元胞體中進行降解。

Kulkarni等[28]發(fā)現(xiàn)在缺乏或含有葡萄糖的人工腦脊液中，饑餓培養(yǎng)原代星形膠質(zhì)細胞會抑制原代星形膠質(zhì)細胞的自噬流量，并抑制其選擇性自噬水平。他們通過將星形膠質(zhì)細胞饑餓在以碳酸氫鹽和磷酸鹽緩沖的含有5.6 mmol/L葡萄糖的Earle′s平衡鹽溶液和以4-羥乙基哌嗪乙磺酸緩沖的人工腦脊液溶液中，發(fā)現(xiàn)饑餓誘導的自噬流量依賴于饑餓溶液的緩沖系統(tǒng)。處理于4-羥乙基哌嗪乙磺酸緩沖液中的原代星形膠質(zhì)細胞抑制了自噬流量，而處理于碳酸氫鹽和磷酸鹽緩沖液中的細胞誘導了自噬流量。除此之外，他們還發(fā)現(xiàn)強烈激活星形膠質(zhì)細胞自噬的饑餓條件對神經(jīng)元自噬的影響較小，這也充分說明在不同的代謝應激模式下，大腦不同細胞類型調(diào)節(jié)自噬的復雜性。

聚合酶相關(guān)因子1復合物是ATG基因的轉(zhuǎn)錄抑制因子，其通過結(jié)合ATG32基因的啟動子在富含葡萄糖的條件下維持低水平的線粒體自噬[29-30]。在葡萄糖饑餓時，聚合酶相關(guān)因子1復合物與ATG32的解離，導致該基因表達增加，同時誘導線粒體自噬。在葡萄糖剝奪的細胞中，Lee等[31]發(fā)現(xiàn)了一種控制溶酶體膜轉(zhuǎn)換的機制，葡萄糖饑餓的細胞表現(xiàn)出顯著但選擇性的溶酶體膜蛋白轉(zhuǎn)換，這種選擇性轉(zhuǎn)換由自噬蛋白通過微自噬調(diào)節(jié)。選擇性微自噬與微管相關(guān)蛋白1輕鏈3脂質(zhì)化有關(guān)，脂質(zhì)化又可通過微自噬調(diào)節(jié)溶酶體的大小和活性。

2.4高糖水平與非選擇性自噬 高糖可誘導血管內(nèi)皮細胞發(fā)生氧化應激、線粒體損傷等改變，導致內(nèi)皮細胞發(fā)生自噬和凋亡[32-33]。Niu等[34]發(fā)現(xiàn)二甲雙胍通過以膠質(zhì)瘤相關(guān)癌基因同源1 (Hedgehog通路的轉(zhuǎn)錄因子)依賴性方式激活Hedgehog信號通路，下調(diào)高糖觸發(fā)的內(nèi)皮自噬，減輕高糖引起的內(nèi)皮損傷。熊果苷已廣泛用于治療皮膚色素沉著癥，Lv等[35]研究了在高糖誘導的人腎皮質(zhì)近曲小管上皮細胞中，熊果苷對凋亡和自噬的作用，發(fā)現(xiàn)通過熊果苷上調(diào)微RNA(microRNA,miRNA/miR)-27a/c-Jun氨基端激酶/mTOR軸抑制高糖狀態(tài)下的人腎皮質(zhì)近曲小管上皮細胞凋亡和自噬，對糖尿病腎病有保護作用。Zhou等[36]發(fā)現(xiàn)，高血糖水平與胰腺癌患者的不良預后相關(guān)。固醇調(diào)節(jié)元件結(jié)合蛋白1在胰腺癌組織和胰腺癌細胞系中均過表達。高糖微環(huán)境通過增加固醇調(diào)節(jié)元件結(jié)合蛋白1的表達促進腫瘤細胞增殖、抑制細胞凋亡和自噬水平，證明了固醇調(diào)節(jié)元件結(jié)合蛋白1與自噬之間存在負反饋調(diào)節(jié)。

Zhao等[37]發(fā)現(xiàn)高糖環(huán)境下，血管內(nèi)皮細胞的長鏈非編碼RNA CA7-4通過誘導miR-5680和miR-877-3p作為競爭性內(nèi)源性RNA，促進內(nèi)皮細胞自噬和凋亡。其機制為miR-877-3p可通過與β聯(lián)蛋白相互作用蛋白1的3′非編碼區(qū)結(jié)合,下調(diào)β聯(lián)蛋白相互作用蛋白1，進而上調(diào)β1聯(lián)蛋白；miR-5680通過靶向二肽基肽酶4，抑制AMPK的磷酸化。Bai等[38]發(fā)現(xiàn)高糖通過抑制AMPK-mTOR-PI3K途徑，抑制小窩蛋白-小窩相關(guān)蛋白-微管相關(guān)蛋白1輕鏈3B介導的小窩蛋白自噬降解，進而小窩蛋白在胞質(zhì)中積累，積累的小窩蛋白可促進低密度脂蛋白跨內(nèi)皮細胞轉(zhuǎn)運，增加導致動脈粥樣硬化的脂質(zhì)在內(nèi)皮下的滯留。Chang等[39]研究了高糖誘導的自噬在骨髓間充質(zhì)干細胞衰老中的作用，發(fā)現(xiàn)高糖環(huán)境增加了Beclin1、ATG5、ATG7、ATG12的表達、微管相關(guān)蛋白1輕鏈3-Ⅱ的產(chǎn)生以及自噬體形成，但抗氧化劑可減少活性氧，從而減少自噬和細胞衰老。脂肪組織干細胞在高糖應激下表現(xiàn)出自噬、活性氧水平、凋亡增加[40]。活性氧/c-Jun氨基端激酶信號轉(zhuǎn)導參與了高糖狀態(tài)下上調(diào)的自噬，且增加的自噬在高糖誘導的脂肪組織干細胞凋亡中具有保護作用。

2.5高糖水平與選擇性自噬 線粒體功能障礙和過量的線粒體活性氧是糖尿病狀態(tài)下內(nèi)皮損傷的根本原因。Zhu等[41]觀察到人臍靜脈內(nèi)皮細胞暴露于高糖會引發(fā)線粒體損傷，導致線粒體斷裂和活性氧生成，在高糖狀態(tài)下人臍靜脈內(nèi)皮細胞線粒體自噬會減弱，從而加速功能障礙的線粒體積累，啟動線粒體凋亡途徑，并最終導致內(nèi)皮功能障礙。他們進一步研究發(fā)現(xiàn)，間充質(zhì)干細胞可以通過人第10號染色體缺失的磷酸酶及張力蛋白同源基因誘導激酶1/Parkin(由PARK2基因編碼的一種蛋白)介導的線粒體自噬改善線粒體功能障礙，從而保護內(nèi)皮細胞免受高血糖誘導的損傷。

3 自噬與細胞凋亡方式的轉(zhuǎn)化

有研究使用抗糖酵解劑和自噬抑制劑對腫瘤細胞進行共處理，發(fā)現(xiàn)這種共處理對腫瘤細胞的能量剝奪產(chǎn)生了加強作用，腫瘤細胞在這種治療干預下凋亡增多，說明饑餓療法聯(lián)合細胞自噬抑制可有效促進腫瘤細胞凋亡[42]。這也說明了在面對應激反應時，自噬在細胞成活和凋亡之間處于重要地位。已被證實哺乳動物細胞主要有3種凋亡方式：凋亡、自噬性細胞凋亡和壞死[43]。自噬與這3種凋亡方式之間具有復雜的相互作用，同時這3種凋亡方式也可單獨或共同誘導細胞凋亡。自噬在細胞凋亡中的作用可以分為4種[44-45]：①自噬相關(guān)的細胞凋亡，自噬的誘導與其他細胞凋亡途徑的誘導一致，其中自噬只是伴隨細胞凋亡過程而在其中沒有積極作用；②自噬介導的細胞凋亡，其中自噬誘導觸發(fā)細胞凋亡或壞死；③自噬性細胞凋亡，這是一種獨立于細胞凋亡或壞死發(fā)生的獨特細胞凋亡機制；④自噬聯(lián)合性細胞凋亡：特定于某環(huán)境的細胞凋亡模式涉及細胞凋亡或壞死和自噬的協(xié)同作用，這是由刺激形式、強度和任一凋亡方式的閾值決定[46]。

4 小 結(jié)

葡萄糖水平與自噬相關(guān)，兩者之間的作用機制近年來又有了新的完善。通過葡萄糖調(diào)控自噬有望達到“趨利避害”的目的，自噬調(diào)節(jié)成為疾病治療的潛在靶點，但需要臨床實踐進一步驗證，明確熱量限制的具體劑量、周期、葡萄糖與相應自噬調(diào)控的水平、表觀現(xiàn)象等。未來可進一步豐富相關(guān)的基礎研究，然后將理論機制逐步大量應用到動物模型，進而再應用于臨床實踐，通過調(diào)整應用方案為疾病早日探求有效的治療措施。