肝臟疾病中的自噬與能量代謝

張璐懿 龔作炯

肝臟是人體最主要的代謝器官。肝臟疾病影響著全世界千千萬萬的人，隨著生活水平的提高和免疫技術的應用，病毒性肝炎的發病率已在下降，但是代謝性肝病的患病率正在逐步上升，這些代謝性肝病將最終導致末期肝病的發生[1]。在這樣的趨勢下，對肝臟疾病中的代謝情況進行研究將有利于肝病的防治。

在生理條件下，肝細胞穩定的自噬在維持正常功能方面起著十分重要的作用。但是饑餓、氧化應激以及多余的細胞器堆積等可能誘導或抑制自噬現象，從而對肝功能造成一定的影響。目前已發現多種肝臟疾病與自噬有關。自噬可以通過三種途徑對細胞的代謝帶來影響：一是自噬可將現有的大分子物質降解，以提供能量需求的基本成分；二是細胞器自噬，如線粒體自噬和內質網自噬，該途徑可以除去質量不佳的細胞器以進行更高效的物質合成和能量代謝[2]；三是自噬通過調節代謝途徑中的一些酶來影響代謝過程。本文將闡述肝臟疾病主要是代謝性肝病及終末期肝病中自噬與能量代謝的關系。

一、自噬簡介

自噬最早被視為一種非選擇性的降解系統，后來發現在某些條件下，自噬體會選擇性地吞噬一些細胞質物質，即脂類自噬、糖原自噬以及線粒體自噬等，這些自噬與能量代謝密切相關。自噬體掐斷脂滴與溶酶體融合，以提供游離脂肪酸，這些脂肪酸會經過β氧化最終產生能量，這就是脂自噬；當然糖原也可以被自噬小體選擇性包裹，分解為葡萄糖，稱為糖原自噬[3]；線粒體自噬是通過特定的線粒體外膜受體或與線粒體表面與蛋白質結合的泛素分子在線粒體周圍形成自噬體，它可以除去損壞或者多余的線粒體，保證線粒體質量和數量的穩定[4]。線粒體是細胞內能量產生的重要場所，因此線粒體自噬對于能量代謝的作用十分重要。雖然自噬的對象很多，但是自噬具有一個穩定的流程，其大致分為五個階段：自噬的起始、膜的延伸、自噬體形成、自噬體溶酶體融合以及降解[5]。

自噬最基本的作用是適應代謝的需求，因此能量供應因素對于自噬的調節十分重要。營養方面的傳感器雷帕霉素(rapamycin, mTOR)的靶點，是很關鍵的自噬抑制劑。可用的營養物質以及生長因子會激活mTOR，mTOR通過抑制自噬激活劑UNC-51樣激酶1(UNC-51-like kinase 1，ULK1)即磷酸化其絲氨酸757位點來阻止自噬的發生。該抑制條件保證了在營養充足的情況下不會造成無意義的降解。與之相反，當處于饑餓環境時，饑餓相關的細胞單磷酸腺苷(adenosine monophosphate, AMP)增加會激活單磷酸腺苷活化蛋白激酶(adenosine monophosphate protein kinase, AMPK)，活性AMPK通過磷酸化ULK1的絲氨酸317和777位點來誘導自噬，從而加速降解細胞質內物質，使得營養物質得到補充[6]。此外，自噬對于細胞器的穩定和機體穩態也十分重要，自噬的缺失會導致各種疾病的發生[7]。

二、肝臟疾病

(一)酒精性肝病 酒精性肝病(alcoholic liver disease, ALD)是西方國家最普遍的慢性肝病類型。ALD可以從酒精性脂肪肝(alcoholic fatty liver, AFL)發展為酒精性脂肪性肝炎(alcoholic steatohepatitis, ASH)。慢性ASH最終會導致肝纖維化和肝硬化，部分可導致肝細胞癌(hepatocellular cancer, HCC)的發生。ALD的發病機制包括肝脂肪變性、氧化應激、乙醛介導的毒性及細胞因子和趨化因子誘導的炎癥[8]。

酒精被證明可以激活或抑制自噬，具體視模型的不同而有差異，急性的酗酒模型中酒精表現為誘導自噬，而慢性酒精喂養的小鼠模型則可能激活自噬也可能抑制自噬。短時間內大量酒精攝入導致的自噬激活依賴于酒精代謝、活性氧的產生和mTOR的抑制[9]。近年來，酒精攝入對自噬產生抑制影響的研究較多。在一項含酒精飲食喂養的動物實驗中，小鼠肝細胞表達的自噬調控多功能蛋白p62/SQSTM1 (sequestosome1，SQSTM1)和細胞凋亡的標志物增加，顯示了自噬通量被破壞，肝細胞的凋亡率增加[10]。這種情況下，自噬抑制是由于缺乏可用于和自噬體融合的溶酶體，被稱為“自噬不足”，自噬不足可能是因為長期攝入酒精損害了轉錄因子EB的功能，轉錄因子EB是溶酶體生物發生的主要調節因子，其損傷使溶酶體生物合成減少，從而導致小鼠肝脂肪變性和肝損傷[11]。其實酒精可以靶向自噬途徑中的多個步驟來影響自噬。有研究表明，酒精可以通過增加micro- RNA155的外泌體產生來影響mTOR，也影響溶酶體關聯膜蛋白1(Lysosomal Associated Membrane Protein1，LAMP1)和溶酶體關聯膜蛋白2(Lysosomal Associated Membrane Protein，LAMP2)，其共同對自噬水平造成了負面影響[12]。

盡管急性和慢性的酒精干預對自噬的誘導作用可能會不同，但是自噬的激活對酒精引起的肝損傷和脂肪變性是具有保護作用的[13]。這與脂自噬密切相關。早期ALD的特征即為肝脂肪變性，這是由于大量酒精攝取后，肝內脂肪會加速生成，從血漿進入肝臟的脂肪酸會增加，從肝臟進入血漿的脂蛋白分泌缺陷，且脂自噬過程受到了抑制[14]。脂質過度積累，被包裹在稱為脂滴的脂質儲存細胞器中。脂自噬即借助細胞質中的脂肪甘油三酯脂肪酶(adipose triglyceride lipase, ATGL)將大脂滴分解為小脂滴，隨后進入自噬體內將其清除[15]。更具體的脂滴生成降解機制將在非酒精性脂肪性肝病的部分作進一步闡述。

(二)非酒精性脂肪性肝病 非酒精性脂肪性肝病(nonalcoholic fatty liver disease，NAFLD)是與肥胖、胰島素抵抗、2型糖尿病、高脂血癥等代謝綜合征相關的肝病，是目前成年人和兒童慢性肝病的主要形式。據估計，NAFLD在普通人群中的患病率為25%[16]。

肝臟中代謝底物的超負荷是造成NAFLD肝損傷的主要原因。在長期能量過剩的情況下，運送至肝臟的脂肪酸增加，并促使肝細胞甘油三酯的合成。脂滴是細胞內儲存脂質的主要場所，在內質網中合成，大多數大小在0.1～10 μm之間，在脂肪細胞中的大小能達到100 μm。脂滴的降解受到機體營養環境的調控，且與自噬存在一定的聯系。在饑餓的條件下，脂肪細胞中脂解刺激因素會激活蛋白激酶A，使圍脂滴蛋白(perilipin1, PLIN1)磷酸化，PLIN1降解后可促進細胞溶質脂肪酶募集到脂滴表面。研究表明，自噬的抑制顯著增加了基礎狀態或暴露于游離脂肪酸培養的肝細胞中的脂滴含量，且自噬缺陷細胞中脂滴含量的增加不是由甘油三酯的合成增加引起的，而是由于甘油三酯衰變和線粒體β氧化速率降低所導致的。饑餓會激活自噬，因此自噬溶酶體系統可能在分解脂滴以向饑餓細胞提供游離脂肪酸方面發揮作用[17]。自噬水平的增加可以通過增加對脂滴的降解來緩解NAFLD中脂質堆積的壓力，眾多研究成果證實了這一點。有研究顯示，運動和飲食的干預可以通過不同途徑提高脂類自噬水平來改善NAFLD。運動可以激活AMPK/ULK1通路增加自噬，而飲食干預可以通過抑制Akt/mTOR/ULK1通路的過度激活而上調自噬水平[18]。與ALD相同，脂自噬與NAFLD也密切相關。通過肝臟特異性過表達自噬相關蛋白7(autophagy related protein, ATG7)誘導肝臟自噬已被證明可以減輕NAFLD小鼠模型的代謝應激和肝臟脂肪變性。NAFLD中的自噬缺陷與胰島素抵抗有關，通過過度表達小鼠肝細胞中的ATG7恢復自噬可以增加胰島素敏感性并改善葡萄糖耐受性。短期使用自噬激活劑類藥物可以降低肝臟脂肪變性以及肝臟和血液中的甘油三酯水平[19]。

脂質的堆積還可觸發一系列的二次打擊，比如線粒體功能障礙、過度氧化應激、內質網應激和炎癥等。線粒體是細胞氧化代謝的重要場所，因此線粒體的破壞進一步惡化了細胞氧化供能的環境，加劇了脂質堆積[20]。線粒體質量對于NAFLD發展十分重要，有研究發現，酰基輔酶A心磷脂酰基轉移酶(Acyl-Co A lysocardiolipin acyltransferase 1, ALCAT1)缺乏可恢復線粒體結構、線粒體DNA保真度和氧化磷酸化，而在小鼠中特異性敲低ALCAT1可以防止NAFLD的發生[21]。去乙酰化酶3(Sirtuin3，Sirt3)是一種主要在線粒體中表達的NAD依賴性蛋白去乙酰化酶，其可以通過激活ERK-CREB-Bnip3線粒體自噬通路治療NAFLD[22]。因此通過線粒體自噬途徑去除受損的線粒體是NAFLD的一種保護機制。

(三)肝癌 原發性肝癌是全世界癌癥相關死亡的第四大常見原因，其發病率正在穩定上升，肝癌發生期間的代謝變化特征具有廣泛的意義[23]。自噬對于癌癥發生及進展的影響是具有爭議的。最初，由于發現癌基因的激活和抑癌基因的失活會抑制自噬，在小鼠實驗中刪除自噬基因會導致腫瘤的發生，自噬被認為具有腫瘤抑制作用。但是那只是自噬部分減弱，因為自噬關鍵調控蛋白Beclin1的功能在這些小鼠中其實是完好的。研究證實需要完整的自噬才能導致惡性腫瘤的發生，因此自噬又被認為具有促腫瘤的作用。自噬損失時葡萄糖攝取和乳酸的產量會小幅度增加，氧化磷酸化會顯著降低，即自噬的缺失會損害線粒體代謝[24]。

具體來說，自噬可以通過調節代謝途徑中的酶水平來影響肝癌中的代謝情況。在一項肝癌的研究中發現，自噬是糖酵解的調節劑。己糖激酶2(hexokinase2, HK2)可以被E3連接酶TNF受體相關因子6(TNF receptor associated factor 6,TRAF6)泛素化(尤其是Lys41)，從而促進其被SQSTM1識別并導致其選擇性降解[25]。由此看來，HK2為一個重要的調節因子，自噬在此對糖酵解表現為負調控，其作用可能為抑制應激條件下癌細胞的過度增殖。也有研究發現，肝細胞生長因子(hepatocyte growth factor, HGF)與其受體MET的HGF-MET信號在肝癌中通過抑制丙酮酸脫氫酶復合體(pyruvate dehydrogenase complex, PDHC)來促進Warburg效應，HGF-MET激酶靶向藥可以通過MET的Y1234/1235位點去磷酸化，激活MET介導的自噬來促進肝癌的發生、發展；而自噬阻滯劑可以協同MET抑制劑抑制小鼠肝癌的生長[26]。在該研究中，自噬促進腫瘤的有氧糖酵解并支持肝癌的生長。在腫瘤發展的不同階段自噬對代謝的影響可能起著不同的作用。

(四)肝衰竭 急性肝衰竭(acute liver failure, ALF)是一種罕見的肝細胞嚴重損傷綜合征，在沒有慢性肝病的情況下會導致凝血功能和精神狀態的改變。ALF發病迅速，往往會導致致命的后果[27]。自噬在限制肝細胞因應激引起的肝損傷而死亡方面具有關鍵作用。當對乙酰氨基酚過量時會導致線粒體損傷、氧化應激和肝細胞壞死，自噬清除受損的線粒體被視作一種防御機制[28]。線粒體受損使肝細胞的能量產生能力下降，進一步威脅了肝細胞的生存。ALF中的代謝變化規律還有待進一步研究。

慢加急性肝衰竭(Acute-on-Chronic Liver Failure, ACLF)是慢性肝病的急性失代償導致肝外器官系統衰竭[27]。有近一半的ACLF患者沒有明顯的誘發因素；另一半患者中，敗血癥，大量飲酒和慢性病毒性肝炎的復發誘發了ACLF[29]。在肝臟中，慢性疾病伴隨著大量的肝細胞凋亡，干預肝細胞的凋亡可以延緩疾病的進展。據觀測，ACLF患者的自噬水平是降低的，線粒體素2(mitofusin2, Mfn2)具有促進線粒體外膜融合和內膜對接的作用，其在ACLF中可以增加自噬水平并減少細胞凋亡，線粒體是凋亡的關鍵調節器，線粒體損傷在ACLF的進展中起著重要作用，線粒體功能的恢復及自噬水平的增加可保護ACLF中的肝細胞[30]。在代謝規律方面，有研究證實，乙型肝炎病毒(Hepatitis B, HBV)相關ACLF患者的糖酵解、三羧酸循環受抑制，脂肪酸氧化增加[31]。ACLF中自噬與代謝的具體關系還有待進一步研究。

三、展望

不管是ALD和NAFLD等代謝性肝病以及肝癌，還是肝衰竭這樣急性的肝病，能量代謝的變化對疾病的發生和發展都起著十分重要的作用。其中自噬對能量代謝的影響十分關鍵，其在各類肝臟疾病中的作用也在持續研究中，得到了一些相當有意義的結論。通過調節特定位置的自噬來調節能量代謝，將可能使肝臟疾病的防治得到新發展。