徐 薇，王 強，賀 媛，劉 友，邵 國，4，姜樹原，5

（1.內(nèi)蒙古科技大學(xué)包頭醫(yī)學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014060；

2.內(nèi)蒙古科技大學(xué)包頭醫(yī)學(xué)院內(nèi)蒙古自治區(qū)低氧轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)重點實驗室，內(nèi)蒙古 包頭 014060；3.內(nèi)蒙古科技大學(xué)包頭醫(yī)學(xué)院基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)與法醫(yī)學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014060；4.首都醫(yī)科大學(xué)宣武醫(yī)院低氧適應(yīng)轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)北京重點實驗室，北京 100053；5.泰國格勒大學(xué)國際學(xué)院公共健康學(xué)院，曼谷 10220）

氧（oxygen，O）是生物必需的生命元素，是機體能量來源的分子基礎(chǔ)。大氣中氧大約占總含量的21%[1]。低氧是指空氣當(dāng)中氧氣濃度低于20.9%，在低氧狀態(tài)下，機體會出現(xiàn)生理性含氧量不足或者組織供氧量不足的情況。研究表明[2，3]，適度低氧有利于細胞的增殖和發(fā)育，但過度低氧可導(dǎo)致腦損傷。長期低氧會使大腦發(fā)生神經(jīng)退行性變化，且導(dǎo)致大腦的認知能力和學(xué)習(xí)記憶能力下降[4，5]。近年來，隨著對低氧致腦損傷機制研究的深入，自噬（autophagy）在低氧致腦損傷中的作用成為人們關(guān)注的熱點。自噬是一種保守的真核細胞的自我降解過程，通常也被認為是一種生存機制，對于在應(yīng)激條件下維持細胞內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)十分重要[6]。自噬在維持細胞的正常生理功能有著非常重要的作用，當(dāng)細胞受到一些刺激，如營養(yǎng)不良、缺氧、細胞器受損、及錯誤折疊蛋白的堆積等，會導(dǎo)致應(yīng)激現(xiàn)象的發(fā)生，自噬對細胞有著一定的保護作用[7]。自噬是細胞代謝調(diào)節(jié)和質(zhì)量把控的重要途徑，當(dāng)外界出現(xiàn)如低氧等刺激時，可發(fā)揮出重要的調(diào)節(jié)作用。本文從低氧致腦損傷的研究、自噬的作用機制、自噬與腦部疾病三方面進行綜述，以明確自噬在低氧致腦損傷中的作用。

1 低氧致腦損傷

造成腦損傷的因素有復(fù)雜多樣，低氧是其中之一。有研究發(fā)現(xiàn)[8]，低氧性腦性損傷的患者出現(xiàn)了不同程度的腦結(jié)構(gòu)損傷，損傷的部位主要位于患者顳葉中下回。另外，低氧能夠?qū)е麓笫罂臻g記憶能力顯著下降[8，9]。Regard M 等[10]發(fā)現(xiàn)極端高海拔低氧暴露能夠造成相關(guān)腦功能的慢性不可逆損傷。但低氧致腦損傷的確切分子機制尚不明確。

研究表明[11-13]，低氧為自噬的一個重要的誘導(dǎo)因素。低氧誘導(dǎo)因子-1（hypoxia-inducible factor-1，HIF-1）是一種在低氧條件下具有高穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)錄活性的蛋白，它主要存在于哺乳動物和人體的細胞中，對于細胞適應(yīng)低氧環(huán)境具有重要意義[14]。研究發(fā)現(xiàn)[15]，HIF-1 在氧分壓的感受方面有高度特異性。重度的腦損傷中，HIF-1 參與了細胞的自噬及凋亡，在低氧致腦損傷的發(fā)病機制中起著重要作用[16]。楊曌[17]通過建立體外氧糖剝奪模型，采用MTT 法檢測細胞生存率，結(jié)果發(fā)現(xiàn)使用了HIF-1α 的抑制劑阻斷HIF-1α 的表達水平后，小膠質(zhì)細胞的死亡率下降，細胞存活率增加，細胞自噬也隨之減少。低氧誘導(dǎo)自噬的發(fā)生機制十分復(fù)雜，需要多條信號通路的交互參與。自噬的發(fā)生根據(jù)是否有HIF-1 的參與，可將自噬途徑大致分為兩類：HIF-1 依賴途徑和HIF-1非依賴途徑。在HIF-1 非依賴途徑中，由于低氧等因素的刺激，可導(dǎo)致細胞中AMPK 信號通路被激活，進而抑制mTOR 的活性，最終導(dǎo)致細胞自噬的發(fā)生。還可直接激活ULK1，進而激活細胞自噬。在HIF-1 依賴途徑中，BNIP3 和BNIP3L 屬于Bcl-2 家族，是HIF-1 下游的靶基因。HIF-1 可以促進BNIP3和BNIP3L 的表達上調(diào)，導(dǎo)致游離的Beclin-1 的釋放并與相關(guān)蛋白結(jié)合形成PI3K 復(fù)合物，從而通過PI3K/Akt 途徑促進細胞自噬。Zhang H 等[18]研究發(fā)現(xiàn)低氧能誘導(dǎo)HIF-1 作用于下游BNIP3 進而誘導(dǎo)細胞自噬。Bellot G 等[19]通過實驗發(fā)現(xiàn)，細胞在低氧下可以誘導(dǎo)HIF-1 促進BNIP3 和BNIP3L 的表達，從而細胞自噬增加。Beclin-1 是低氧誘導(dǎo)細胞自噬的關(guān)鍵因子。研究表明[20]，在低氧缺血致細胞損傷時，Beclin-1 的表達增加，細胞自噬的過程也增強。

由此推測低氧致腦損傷的分子發(fā)病機制可能與細胞自噬相關(guān)。當(dāng)腦組織中氧含量過低，會導(dǎo)致腦損傷，如高原低氧造成的腦部疾病、腦卒中、腦缺血導(dǎo)致的神經(jīng)退行性疾病、低氧導(dǎo)致新生兒腦癱等[21]。低氧也是腦部惡性腫瘤增殖過快的原因之一。因此，低氧致腦損傷發(fā)病機制的研究有助于人們對加強相關(guān)疾病的認識，并促進低氧致腦損傷相關(guān)疾病的防治。

2 自噬的作用機制

自噬是生物進化過程中高度保守的細胞功能，對于細胞穩(wěn)態(tài)是必不可少的，主要存在于真核細胞中[22]。根據(jù)胞內(nèi)物質(zhì)運到溶酶體內(nèi)的途徑不同，自噬的方式分為三種：大自噬（macroautophagy）、小自噬（microautophagy）及分子伴侶介導(dǎo)的自噬（chaperonemediated autophagy，CMA）[23]。

雷帕霉素靶蛋白（mammalian target of rapamycin，mTOR）是一種非典型的保守進化的蛋白激酶，在自噬的起始階段扮有著重要的作用[24]。mTOR存在兩種信號復(fù)合物mTORC1 和mTORC2，其中mTORC1 與自噬的關(guān)系更為緊密[25]。mTOR 是AMPK的作用底物，可以通過作用于mTOR 來調(diào)節(jié)自噬的水平[26]。在低氧條件下，PI3K/Akt/mTOR 和HIF-1α/BNIP3/Beclin-1 兩條信號通路被激活，從而導(dǎo)致細胞自噬的上調(diào)。mTOR 是PI3K/Akt 的下游靶點，mTOR 被激活后可以作用于的下游轉(zhuǎn)錄因子（如HIF1α、c-Myc、FoxO 等）進而誘導(dǎo)自噬。研究發(fā)現(xiàn)[27]，低氧可通過激活自噬相關(guān)蛋白（如BNIP 3、AMPK、Redd 1、PML 等）以及未折疊的蛋白質(zhì)應(yīng)答相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子ATF 4 和CHOP 來誘導(dǎo)自噬。

近年來，大量的研究發(fā)現(xiàn)低氧致神經(jīng)細胞損傷的過程中有細胞自噬的參與，但自噬對神經(jīng)細胞是保護還是抑制作用，尚且沒有定論。自噬的激活水平在低氧導(dǎo)致的各類腦部疾病中是否相同，對神經(jīng)細胞造成的損傷影響是否一致，目前這些問題還存著很多不同的意見，需要更加深入的探討。

3 自噬與腦部疾病

自噬可以促進錯誤折疊堆積的清除，可以有效延緩腦損傷，對腦起保護作用；保護作用隨著溶酶體蛋白酶的降解而降低，變性蛋白聚積物增多，最終導(dǎo)致細胞的過度自噬，加重腦損傷[28]。研究表明[29]，自噬作為維持細胞穩(wěn)態(tài)的重要機制，其與許多腦部疾病發(fā)生的分子作用機制聯(lián)系緊密。

3.1 自噬與腦缺血再灌注損傷 低氧誘導(dǎo)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激是腦缺血再灌注損傷（cerebral ischemia reperfusion，CIR）過程中的重要環(huán)節(jié)[30]。研究表明[31]，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激也是自噬的誘導(dǎo)因素之一。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)是真核細胞內(nèi)重要的細胞器，是負責(zé)細胞內(nèi)蛋白的合成、折疊和翻譯后修飾的主要場所，還負責(zé)脂質(zhì)合成和鈣離子的貯存等功能[32，33]。在外源病例因素的刺激下，如細胞營養(yǎng)供給匱乏、低氧、毒物、Ca2+穩(wěn)態(tài)失衡、病毒感染等情況時，可導(dǎo)致細胞內(nèi)蛋白質(zhì)折疊錯誤、未折疊蛋白增多、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)內(nèi)鈣離子水平紊亂等反應(yīng)，從而引起內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激。當(dāng)細胞處于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激的狀態(tài)時，激活未折疊蛋白反應(yīng)和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)相關(guān)降解（ER-associated degradation，ERAD），進而在一定程度上緩解細胞內(nèi)壓力，保持細胞內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)態(tài)[34]。目前已知的通過內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激引起細胞自噬的途徑主要有三種，分別是MAPK 途徑、JNK（c-Jun 氨基末端激酶，c-Jun Nterminal kinase）途徑和AMPK-mTORC1 途徑。

研究表明[35]，在腦缺血再灌注中，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激-自噬扮演了重要的角色。自噬在腦缺血再灌注的起始階段有著一定修復(fù)的作用，當(dāng)自噬被激活后，它可以使細胞內(nèi)堆積的錯誤折疊蛋白被降解，使內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的壓力大幅度下降，從而防止造成內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激的激活過度；但細胞自噬被過度激活后，胞內(nèi)物質(zhì)發(fā)生極其嚴重的自我消化和降解，進而導(dǎo)致缺血性腦損傷加重。王偉偉[36]研究表明，腦缺血再灌注時，自噬可減輕對氧化應(yīng)激和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激反應(yīng)的過度激活。Carloni S 等[37]選取出生后7 d 的SD 大鼠模擬腦缺血缺氧模型，實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，海馬及大腦皮質(zhì)中自噬相關(guān)蛋白Beclin-1 水平顯著升高；在使用自噬抑制劑處理后，Beclin-1 蛋白表達水平明顯下調(diào)；在使用自噬誘導(dǎo)劑后，Beclin-1 蛋白表達水平顯著上升。

自噬的作用對維持大腦功能的穩(wěn)定著重要作用，自噬在腦缺血再灌注損傷中的作用受許多因素的影響，其對腦缺血再灌注損傷中具體作用機制尚不清楚。關(guān)于自噬如何通過內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激引起腦缺血再灌注損傷，其中具體是涉及到哪條信號通路，關(guān)鍵的基因和蛋白又是怎樣的變化，需要進一步的研究。

3.2 自噬與神經(jīng)退行疾病 自噬在神經(jīng)系統(tǒng)疾病中的作用引起了人們的重視。許多神經(jīng)退行性疾病發(fā)病的分子機制與低氧誘導(dǎo)下的細胞自噬相關(guān)，如阿爾茨海默?。ˋlzheimer disease，AD）[38]、亨廷頓舞蹈癥（Huntington’s disease，HD）[39]、和 帕金森?。≒arkinson’s disease，PD）[40]等。低氧是AD 發(fā)生的重要影響因素，降低低氧的有害影響有助于預(yù)防或減緩AD 的發(fā)生[41]。衰老或低氧時腦組織氧和葡萄糖供應(yīng)的逐漸減少是導(dǎo)致代謝低下的原因之一。易發(fā)生低代謝的腦區(qū)是海馬、內(nèi)嗅皮層和認知相關(guān)的新皮層，如頂葉、顳葉和額葉。在AD 患者中，代謝低下的腦區(qū)可引起淀粉樣前體蛋白的過度表達，降低Aβ 的清除率[42]。Zhou X 等[43]研究發(fā)現(xiàn)自噬溶酶體途徑受損發(fā)生在AD 早期階段甚至是AD 發(fā)病的起始階段，且早于病理性蛋白沉積。研究表明，AD 的發(fā)病機制中可能有自噬的參與[44]。適度的自噬能夠促進異常堆積的Aβ 及tau 蛋白的清除從而使AD 的病理變化減輕，但自噬的過度激活則會造成溶酶體膜的穩(wěn)定性下降，并使溶酶體內(nèi)的水解酶溢出，從而加速細胞的死亡。Cho MH 等[45]發(fā)現(xiàn)自噬可通過PRKAAα-1 信號通路降解異常堆積的Aβ，而Aβ 堆積過多又會造成小膠質(zhì)細胞中LC3B-II 和Atg12-Atg15 復(fù)合物增多，由此猜想，自噬與異常堆積的Aβ 有一定的關(guān)聯(lián)。研究表明[46]，mTOR 的適度激活可以延緩AD 的病理進展，也可與p70S6K 共同作用抑制Aβ 的毒性損傷作用。

HD 是一種常染色體顯性遺傳疾病，可導(dǎo)致患者運動功能障礙。HD 患者的發(fā)病機制可能是由于泛素蛋白酶體系統(tǒng)功能異常，造成大量不溶性亨廷頓蛋白（huntingtin，htt）的堆積。Ravikumar B 等[47]發(fā)現(xiàn)使用自噬激活劑可以使細胞中htt 的堆積減少，從而使細胞的存活率大大增加。Qin ZH 等[48]使用自噬抑制劑抑制htt 氨基端肽段的細胞的自噬活動后，發(fā)現(xiàn)細胞內(nèi)該片段及其聚集物的表達水平顯著增加，且細胞存活率大幅度下降。

PD 是一種常見的神經(jīng)退行性疾病，多見于中老年人。在其發(fā)病機制中，多巴胺被氧化后可誘導(dǎo)SH-SY5Y 細胞自噬的發(fā)生[49]。Redmann M 等[50]研究發(fā)現(xiàn)，PD 小鼠模型中LC3 的蛋白表達量增加，自噬水平上調(diào)。Parkin 是PD 的發(fā)病機制中的關(guān)鍵因子，Parkin 與PINK1 相結(jié)合促進了自噬的發(fā)生[51]。

總之，神經(jīng)退行性疾病發(fā)病機制復(fù)雜且不可治愈，大大降低了患者的生活質(zhì)量。這些疾病的發(fā)病機制可能是由于細胞內(nèi)錯誤折疊蛋白的堆積過多，造成自噬水平被破壞。但自噬在經(jīng)神經(jīng)退行性疾病中的具體作用機制還需進一步的驗證。

3.3 自噬與神經(jīng)膠質(zhì)瘤 神經(jīng)膠質(zhì)瘤是常見的中樞神經(jīng)系統(tǒng)腫瘤，術(shù)后復(fù)發(fā)率高，且難以根本清除，其發(fā)病機制與腫瘤細胞的無限增殖和侵襲的特性有關(guān)。在腫瘤細胞的生長、增殖、侵襲等過程中，低氧的環(huán)境起著十分關(guān)鍵的作用。神經(jīng)膠質(zhì)瘤細胞中存在著活躍的自噬現(xiàn)象，且已有研究表明低氧是誘導(dǎo)神經(jīng)膠質(zhì)瘤細胞發(fā)生自噬的一個重要因素，但具體作用機制尚不清楚。薛皓[52]研究表明，低氧條件氧條件下膠質(zhì)母細胞瘤自噬上調(diào)是通過“低氧/IL-6/p-STAT3/miR-155-3p/CREBRF/CREB3/ATG5/LC3B/自噬”這一全新完整信號通路實現(xiàn)的，且證實低氧誘導(dǎo)的IL-6 導(dǎo)致自噬可保護膠質(zhì)瘤細胞免受凋亡的影響。李詠梅[53]研究表明，低氧可誘導(dǎo)mt-p53 蛋白上調(diào)，而葡萄糖剝奪則誘導(dǎo)mt-p53 下調(diào)。HIF-1α及mt-p53 在低氧下均同時上調(diào)可能對腦膠質(zhì)瘤細胞耐極限低氧中有協(xié)同作用。HIF-1α 是腦膠質(zhì)瘤細胞適應(yīng)低氧狀態(tài)的轉(zhuǎn)錄因子，并參與了細胞自噬的過程。隨著研究的深入，改善低氧微環(huán)境，促進HIF-1α 的表達，或許能成為治療膠質(zhì)瘤的手段之一。

4 總結(jié)

細胞自噬是真核生物中一種維持細胞存活和穩(wěn)態(tài)的基本的生命現(xiàn)象，廣泛地參與了許多疾病的發(fā)生和發(fā)展的過程。自噬作用機制的研究對于了解疾病的發(fā)生發(fā)展過程以及治療方法的探索具有重要意義。適度的低氧條件下，自噬處于對機體細胞質(zhì)量的把控，可清除衰老蛋白，修復(fù)機體，這有利于細胞的存活。持續(xù)的低氧會導(dǎo)致自噬程度加強，過度的低氧也會導(dǎo)致自噬過度的現(xiàn)象發(fā)生，最終導(dǎo)致神經(jīng)細胞的死亡。但目前研究也存在一系列的問題，如低氧致腦部疾病與自噬之間是否存在某種特定的聯(lián)系、自噬對神經(jīng)細胞是保護機制還是損傷機制、各種腦部疾病中神經(jīng)細胞的自噬水平是否存在差異等都有待研究。隨著研究的深入，自噬在低氧致腦部疾病的發(fā)病機制中作用也逐漸完善，可為低氧致腦部疾病的研究和治療提供潛在靶點。