任晨霞 麻麗霞 郭 萍 郭 穎 曹文君

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細(xì)胞自噬在糖尿病性心肌病中的研究進(jìn)展

任晨霞 麻麗霞 郭 萍 郭 穎 曹文君

細(xì)胞自噬是受多基因調(diào)控的動(dòng)態(tài)過(guò)程。自噬可通過(guò)控制蛋白質(zhì)質(zhì)量，維持心肌細(xì)胞的能量平衡與存活，心肌細(xì)胞自噬水平異常降低或升高都會(huì)導(dǎo)致心肌損傷。不同情況下自噬在糖尿病性心肌病損傷中作用不同。1型糖尿病動(dòng)物模型中心肌自噬水平降低，對(duì)心肌細(xì)胞起保護(hù)作用；2型糖尿病動(dòng)物模型中自噬被激活。該文就自噬在糖尿病心肌病中的研究進(jìn)展作簡(jiǎn)要介紹。

自噬；糖尿病性心肌??；心肌細(xì)胞

自噬是真核細(xì)胞的重要代謝途徑，是指一些蛋白質(zhì)和受損細(xì)胞器傳送到溶酶體中降解的過(guò)程。在應(yīng)對(duì)饑餓和各種刺激時(shí)，細(xì)胞會(huì)激活自噬途徑降解細(xì)胞內(nèi)某些組分(如損傷的細(xì)胞器或過(guò)量?jī)?chǔ)存的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)等)，并分解這些組分成為可利用的氨基酸，維持細(xì)胞的存活與能量平衡[1]。然而，自噬也可導(dǎo)致非凋亡形式的細(xì)胞死亡，稱(chēng)為Ⅱ型程序性細(xì)胞死亡。在生物體生長(zhǎng)發(fā)育及多種疾病發(fā)生發(fā)展過(guò)程中都存在自噬活性的變化。因此，自噬具有雙向調(diào)節(jié)作用，一方面可以維持細(xì)胞存活，另一方面也會(huì)誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡。研究表明，自噬在糖尿病性心肌病(diabetic cardiomyopathy，DCM)動(dòng)物模型的心肌病變中起關(guān)鍵作用。

1 DCM

DCM是引起糖尿病患者心力衰竭和死亡的高風(fēng)險(xiǎn)因素之一，其臨床表現(xiàn)為不同程度的左心室舒張功能不全，31P非侵入性核磁共振可檢測(cè)到左心室三磷酸腺苷(ATP)水平降低[2-3]，主要病理特征為心肌細(xì)胞肥大、凋亡以及心肌間質(zhì)纖維化[4-5]。糖尿病的高血糖、胰島素缺乏、胰島素抵抗或高胰島素血癥等因素均可引發(fā)心肌細(xì)胞毒性、微血管病變、代謝紊亂和氧化應(yīng)激[6]。

近年來(lái)代謝組學(xué)、基因組學(xué)方向的研究發(fā)現(xiàn)，DCM的發(fā)生機(jī)制包括心肌細(xì)胞內(nèi)脂肪酸過(guò)度氧化導(dǎo)致氧化應(yīng)激甚至線(xiàn)粒體功能障礙[7-8]，晚期糖基化終產(chǎn)物引起心肌細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)、脂質(zhì)及核酸的結(jié)構(gòu)與功能異常[9]，微小RNA介導(dǎo)的基因異常表達(dá)等[10]。 DCM的發(fā)病機(jī)制有待進(jìn)一步明確，目前仍缺少有效的治療手段。

2 細(xì)胞自噬

自噬有3種形式：宏自噬、微自噬和分子伴侶介導(dǎo)的自噬。目前研究主要是針對(duì)宏自噬，其機(jī)制也最為清楚, 被認(rèn)為是狹義的細(xì)胞自噬。自噬啟動(dòng)后細(xì)胞內(nèi)會(huì)形成一種雙膜囊泡結(jié)構(gòu)，以針對(duì)性地隔離細(xì)胞成分，該結(jié)構(gòu)稱(chēng)為自噬體。自噬體成熟后與溶酶體融合，形成自噬溶酶體，其內(nèi)膜和內(nèi)容物被溶酶體酶降解。目前已發(fā)現(xiàn)30多個(gè)自噬相關(guān)基因(autophagy-related genes, ATG)參與自噬的啟動(dòng)與自噬體的成熟。當(dāng)細(xì)胞受到不良刺激時(shí)，哺乳動(dòng)物雷帕霉素靶蛋白復(fù)合體1(mammalian target of rapamycin complex 1，mTORC1)的活性受到抑制，導(dǎo)致ATG13磷酸化受阻，啟動(dòng)自噬；Ⅲ型磷脂酰肌醇3-激酶(PI3K)是自噬啟動(dòng)所必須的關(guān)鍵因子，其與VPS15、Beclin1/ATG6、 ATG14L、UVRAG、Ambra1及Bif-1等自噬相關(guān)因子形成復(fù)合體后，磷酸化磷脂酰肌醇的第3位羥基生成磷脂酰肌醇3-磷酸(PI3P)，PI3P募集含有FYVE或PX結(jié)構(gòu)域的下游信號(hào)蛋白，啟動(dòng)自噬體的裝配。自噬啟動(dòng)后，微管相關(guān)蛋白1輕鏈3(microtubule-associated protein 1 light chain 3, LC3-Ⅰ)通過(guò)ATG7和ATG3的作用與磷脂酰乙醇胺(phosphatidylethanolamine, PE)共軛連接形成LC3-Ⅱ，隨后LC3-Ⅱ被整合到自噬體的內(nèi)膜與外膜上，自噬體與溶酶體融合形成自噬溶酶體后，內(nèi)膜上的LC3-Ⅱ與內(nèi)容物一起被降解，外膜上的LC3-Ⅱ成為L(zhǎng)C3-Ⅰ釋放到細(xì)胞質(zhì)被重新利用[11]。

3 自噬與DCM

3.1 自噬與心肌代謝

成年哺乳動(dòng)物心肌細(xì)胞的增殖能力有限，蛋白質(zhì)質(zhì)量控制(protein quality control，PQC)是維持心肌細(xì)胞長(zhǎng)期良好運(yùn)行必不可少的環(huán)節(jié)，胞內(nèi)錯(cuò)誤折疊或功能異常的蛋白質(zhì)堆積會(huì)直接導(dǎo)致細(xì)胞死亡。除了控制蛋白質(zhì)折疊外，細(xì)胞還可通過(guò)蛋白質(zhì)降解來(lái)實(shí)現(xiàn)PQC，包括蛋白酶體降解途徑和自噬降解途徑。在饑餓或缺血等壓力條件下，心肌細(xì)胞通過(guò)自噬回收利用細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)以維持能量平衡與存活[12]。敲除自噬相關(guān)基因ATG5會(huì)導(dǎo)致10個(gè)月齡的小鼠發(fā)生心臟肥大、左心室功能受損甚至心力衰竭[13-14]。自噬基因Beclin 1的單倍體缺失會(huì)加速結(jié)蛋白相關(guān)心肌病患者的心力衰竭，并抑制雷帕霉素對(duì)心肌細(xì)胞缺血性損傷的保護(hù)作用[15]。對(duì)于慢性心肌缺血患者，細(xì)胞自噬增強(qiáng)可以降低心肌細(xì)胞的凋亡水平[16]。人類(lèi)和嚙齒類(lèi)動(dòng)物的衰老過(guò)程伴隨著自噬水平的降低[17]，自噬可能是老年人心臟病高發(fā)的原因之一。

然而，也有研究表明，在某些特殊環(huán)境下，自噬會(huì)引起病理性反應(yīng)甚至死亡。特異性敲除小鼠心臟中的胰島素樣生長(zhǎng)因子受體后，自噬水平升高，導(dǎo)致心力衰竭或過(guò)早死亡[18]；白喉毒素與抗腫瘤藥物阿霉素都可誘導(dǎo)自噬，引發(fā)心力衰竭大鼠模型的自噬性死亡[19]。因此，不同情況下自噬對(duì)心肌細(xì)胞的作用不同，針對(duì)不同病因有效地激活或抑制自噬可能成為一種可行的治療策略。

3.2 DCM的心肌細(xì)胞自噬

對(duì)于健康動(dòng)物，雄性的心肌細(xì)胞自噬水平高于雌性，而女性DCM的發(fā)病率顯著高于男性[20]。這表明自噬水平的改變可能與DCM發(fā)病有關(guān)。OVE26小鼠或鏈脲佐菌素(STZ)誘導(dǎo)的1型糖尿病小鼠模型自噬水平降低。Beclin 1單倍體缺失小鼠(Beclin 1+/-)與ATG16敲除小鼠(ATG16-/-)誘導(dǎo)1型糖尿病后，心肌纖維化、氧化應(yīng)激和細(xì)胞凋亡等水平低于野生型1型糖尿病小鼠模型[21]。給予Beclin 1+/-、ATG16-/-小鼠Beclin后，心肌損傷程度加重，加重程度與Beclin補(bǔ)給程度呈計(jì)量相關(guān)性，自噬水平越高，因1型糖尿病引起的心肌纖維化及細(xì)胞凋亡程度越嚴(yán)重。對(duì)于2型糖尿病動(dòng)物模型，如高脂飲食誘導(dǎo)的肥胖和代謝綜合征小鼠模型中，心肌細(xì)胞自噬受到抑制，但在由果糖誘導(dǎo)的胰島素抵抗和高血糖癥動(dòng)物模型中，自噬卻被激活[22]。

1型糖尿病小鼠心肌細(xì)胞自噬水平降低的主要機(jī)制為，單磷酸腺苷激活的蛋白激酶(AMPK)信號(hào)通路受到抑制，而絲氨酸/蘇氨酸激酶(Akt)/mTORC1信號(hào)通路被激活。Akt/mTORC1通路可以被胰島素、生長(zhǎng)因子等代謝信號(hào)激活，在小鼠的大部分器官中，胰島素激活A(yù)kt/mTORC1通路后，促使細(xì)胞蛋白質(zhì)合成增強(qiáng)，同時(shí)抑制自噬發(fā)生[23]。AMPK可通過(guò)多種機(jī)制促進(jìn)自噬。AMPK與哺乳動(dòng)物雷帕霉素靶蛋白(mTOR)競(jìng)爭(zhēng)結(jié)合ATG1，磷酸化并激活A(yù)TG1；AMPK能磷酸化并激活FOXO轉(zhuǎn)錄因子，后者可促進(jìn)自噬的發(fā)生；此外，AMPK可分別磷酸化c-Jun氨基末端激酶1(JNK1)和Beclin 1，從而激活PI3K復(fù)合體[24-25]。然而，在1型糖尿病胰島素缺失、2型糖尿病胰島素抵抗以及因受體缺失而失去胰島素信號(hào)應(yīng)答這3種情況下，心肌細(xì)胞內(nèi)Akt/mTORC1通路并不是由胰島素激活的，這說(shuō)明存在胰島素以外的其他因素參與心肌細(xì)胞自噬的調(diào)控。體外實(shí)驗(yàn)證明，高濃度的葡萄糖可直接抑制心肌細(xì)胞自噬。增加培養(yǎng)基中棕櫚酸的濃度也可誘導(dǎo)H9C2心肌細(xì)胞自噬[26]。

目前心肌細(xì)胞自噬的保護(hù)及損傷作用“開(kāi)關(guān)”機(jī)制仍不明確。深入研究DCM心肌細(xì)胞自噬的具體作用及其調(diào)控機(jī)制至關(guān)重要。

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(收稿：2016-03-03 修回：2016-05-31)

(本文編輯：胡曉靜)

山西省基礎(chǔ)研究計(jì)劃項(xiàng)目(2015021185)；長(zhǎng)治醫(yī)學(xué)院科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目(CX201507)；長(zhǎng)治醫(yī)學(xué)院普及項(xiàng)目(QDZ201503)

046000 長(zhǎng)治醫(yī)學(xué)院，山西省高等學(xué)校血脂代謝與血液病重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

曹文君，Email：wjcao16@hotmail.com

10.3969/j.issn.1673-6583.2016.05.005