時藝榕,郝微微,張爾馨,王珠環(huán),李 樂

時藝榕,郝微微,張爾馨,王珠環(huán),李樂,上海中醫(yī)藥大學附屬曙光醫(yī)院 上海市 200120

0 引言

潰瘍性結(jié)腸炎(ulcerative colitis,UC)是一種病因和發(fā)病機制尚不十分明確的反復(fù)發(fā)作的慢性非特異性炎癥性腸病,以粘膜炎癥為特征,病變主要限于大腸黏膜與黏膜下層,呈連續(xù)性彌漫性分布.多從直腸開始,逆行向近端擴展,可累及全結(jié)腸甚至末端回腸.臨床起病多緩慢,少數(shù)急驟偶有暴發(fā).病程多遷延,呈發(fā)作與緩解期交替,少數(shù)可持續(xù)并逐漸加重.以反復(fù)發(fā)作的腹瀉、腹痛、粘液膿血便等為臨床特征[1,2].

UC的發(fā)病機制復(fù)雜,尚未形成統(tǒng)一的共識.普遍認為疾病的發(fā)作是由于擾亂粘膜屏障、改變腸道微生物群的健康平衡和異常刺激腸道免疫反應(yīng)的事件觸發(fā)的,和遺傳易感、環(huán)境、免疫、微生物組和腸道菌群等密切相關(guān)[3].現(xiàn)代科學家不斷深入研究,探索UC的發(fā)病機制,發(fā)現(xiàn)細胞自噬功能障礙與腸道異常炎癥有關(guān)[4],還會引起腸上皮細胞損傷,調(diào)控自噬可以改善腸粘膜的功能;而潰瘍性結(jié)腸炎便是以粘膜炎癥為特征,因此細胞自噬與潰瘍性結(jié)腸炎的聯(lián)系值得研究.本篇綜述旨在淺析細胞自噬在潰瘍性結(jié)腸炎發(fā)病機制中的作用,為進一步闡釋UC的發(fā)病機制提供新的思路.

1 細胞自噬概述

1.1 細胞自噬概念 自噬是指細胞內(nèi)成分被輸送到溶酶體室進行降解和再循環(huán)的復(fù)合分子途徑.細胞自噬是細胞組分降解與再利用的重要機制.自噬有三種形式: 微自噬、伴侶介導(dǎo)的自噬和大自噬.微自噬是溶酶體膜延伸內(nèi)陷細胞內(nèi)容物的降解過程.伴侶介導(dǎo)的自噬需要蛋白質(zhì)中的KFERQ序列進行降解,具有這種序列的蛋白質(zhì)被一種伴侶蛋白HSC70識別,將它們帶到溶酶體膜上,被膜受體轉(zhuǎn)運到溶酶體中,并在溶酶體腔內(nèi)降解[5].大自噬是一種選擇性的大細胞自噬,需要特殊的結(jié)構(gòu)自噬體以包埋細胞內(nèi)容物和靶向蛋白質(zhì).自噬體與溶酶體融合,并將其內(nèi)容物輸送到腔內(nèi)降解.其機制通常包括自噬體的生長發(fā)育、與溶酶體的融合以及最終的降解等一系列事件[6].在這三種類型中,大自噬是細胞清除受損細胞器和其他相關(guān)碎片的主要或普遍的途徑,因此細胞自噬通常指的是大自噬[7].細胞自噬需要自噬(小)體和多種自噬相關(guān)的蛋白等參與和介導(dǎo),和自噬相關(guān)的基因亦有關(guān)系.

1.2 細胞自噬對維持腸道正常功能發(fā)揮作用 腸道的第一道防線是由單層上皮細胞賦予的,腸道上皮細胞(intestinal epithelial cells,IEC)和緊密連接復(fù)合物是構(gòu)成腸上皮屏障的主要組成物,IEC還建立了粘膜屏障[8,9].腸上皮屏障是保護腸道微生物群穩(wěn)態(tài)和最小化腸道炎癥反應(yīng)的重要防線[10],細胞自噬在保護上皮屏障功能方面起著一定的作用[11],其可以通過調(diào)節(jié)細胞因子來誘導(dǎo)IEC程序性死亡,限制腸道炎癥[12];自噬調(diào)節(jié)細胞應(yīng)激和保護細胞免受應(yīng)激誘導(dǎo)的凋亡是自噬在IEC死亡中發(fā)揮作用的另一個方面[13].缺陷的細胞自噬可能導(dǎo)致IEC過度死亡,而防止細胞死亡對維持功能性的腸上皮屏障是至關(guān)重要的[11].腸道對細菌毒素和病原體的防御是由緊密連接蛋白控制的[14],自噬介導(dǎo)的調(diào)節(jié)緊密連接蛋白正常功能有助于維持腸道屏障作用[13].緊密連接蛋白的破壞會導(dǎo)致腸道通透性增加,有研究表明細胞自噬可通過誘導(dǎo)緊密連接蛋白降解降低腸上皮緊密連接通透性,從而維持腸道功能[9].

細胞自噬和腸道菌群之間存在相互作用的關(guān)系,細胞自噬功能失調(diào)與腸道菌群失調(diào)有關(guān).自噬通過限制侵入性病原體從腸腔向腸外部位的傳播抑制其在腸道微生物群中的持久性[15].有實驗發(fā)現(xiàn)自噬缺乏的小鼠腸道菌群失調(diào),微生物群組成改變,多樣性降低,控制炎癥反應(yīng)的菌群數(shù)量減少;糞便微生物群組成改變,細菌總數(shù)增加,促炎細菌群富集[16].覆蓋在腸道上皮、由高度糖基化蛋白(粘蛋白)組成的粘液層是限制腔內(nèi)微生物與上皮接觸的重要物理屏障[17],在維持宿主與腸道微生物的共生關(guān)系中起著關(guān)鍵作用[18].粘液通過杯狀細胞分泌到腸腔,而自噬可調(diào)節(jié)杯狀細胞的分泌功能從而維持腸道菌群的穩(wěn)態(tài).Yeom等[19]認為: 腸道菌群中的部分有益菌可刺激細胞自噬促進杯狀細胞的粘蛋白生成.自噬和自噬相關(guān)蛋白亦可通過調(diào)節(jié)腸細胞、免疫細胞等釋放一些抗菌化合物到腸腔影響腸道微生物群的組成等[20].

細胞自噬在維持腸道免疫穩(wěn)態(tài)中的作用被廣泛研究.自噬可調(diào)節(jié)天然免疫和適應(yīng)性免疫細胞功能從而影響免疫應(yīng)答的結(jié)果.其可促進免疫細胞如中性粒細胞、單核細胞、巨噬細胞和樹突狀細胞等,包括非典型免疫細胞,如上皮細胞、內(nèi)皮細胞和間充質(zhì)細胞參與固有免疫應(yīng)答[21].亦可通過調(diào)節(jié)CD4+T細胞、CD8+T細胞、調(diào)節(jié)性T(Treg)細胞、Th17細胞等多種T細胞誘導(dǎo)適應(yīng)性免疫應(yīng)答并使之處于平衡,保護腸道免受侵襲[13].細胞自噬還可通過破壞免疫突觸的穩(wěn)定性負向調(diào)節(jié)適應(yīng)性免疫反應(yīng)[22].Sun等[23]發(fā)現(xiàn)細胞自噬具有介導(dǎo)觸發(fā)和調(diào)節(jié)先天免疫和適應(yīng)性免疫應(yīng)答的關(guān)鍵功能,如抗原提呈、細胞因子分泌和抗菌肽產(chǎn)生等.

正常狀態(tài)下,細胞自噬在維持腸道穩(wěn)態(tài)、調(diào)節(jié)腸道微生物群與天然免疫和適應(yīng)性免疫的相互作用以及宿主防御腸道病原體等方面發(fā)揮重要作用[24].因此,細胞自噬功能失調(diào)可能會引起腸道穩(wěn)態(tài)的失衡和功能障礙等,從而導(dǎo)致腸道疾病的發(fā)生.

2 細胞自噬在潰瘍性結(jié)腸炎發(fā)病機制中的作用

大量研究表明細胞自噬的缺乏與UC的發(fā)生發(fā)展有著很大的聯(lián)系,其可通過誘發(fā)腸道功能紊亂和腸道炎癥導(dǎo)致UC的發(fā)生發(fā)展[25].機體氧化應(yīng)激,細胞發(fā)生自噬,包括通過激活一系列信號通路,引起信號轉(zhuǎn)導(dǎo)級聯(lián)反應(yīng),分泌促炎因子,發(fā)生免疫應(yīng)答和炎癥反應(yīng).因此,我們發(fā)現(xiàn)UC會出現(xiàn)細胞自噬功能的障礙,與多種蛋白、基因的表達異常,信號通路激活導(dǎo)致過度的免疫和炎癥反應(yīng)等有關(guān).但細胞自噬在UC的發(fā)病機制中究竟扮演怎樣的角色以及發(fā)揮怎樣的作用仍值得我們不斷深入探索和總結(jié).

2.1 UC和自噬體及參與自噬的蛋白之間的關(guān)系 細胞自噬離不開很多蛋白的參與和調(diào)節(jié),其最后的過程是自噬體與溶酶體融合后,溶酶體酶降解并回收包裹的物質(zhì)[26].其中自噬體的形成以分層的方式涉及一組自噬相關(guān)蛋白(autophagy-related proteins,ATG).ATG參與調(diào)節(jié)自噬的起始以及延伸階段,為一類自噬組成蛋白.自噬相關(guān)基因微管相關(guān)蛋白1輕鏈3(microtubule-associated protein 1 light chain 3,LC3)前體分子被蛋白酶ATG4剪去C端的5肽,裂解形成胞漿型LC3(LC3-Ⅰ).ATG9和ATG8的募集促進了吞噬細胞膜的擴張[27],在泛素激活酶ATG7、泛素結(jié)合酶ATG3和泛素連接酶復(fù)合物ATG5-ATG12-ATG16L作用下,LC3-Ⅰ與膜脂磷脂酰乙醇胺結(jié)合而被活化[28],轉(zhuǎn)變?yōu)槟ば蚅C3(LC3-Ⅱ).在吞噬細胞中插入LC3-II完成自噬體的伸長和成熟.因此,LC3參與自噬體形成到成熟的全部過程,是自噬過程中最重要的蛋白質(zhì)分子.同時,ATG12與ATG5的結(jié)合對于LC3脂質(zhì)化和自噬體的形成也是必不可少的.LC3是自噬標志物,通常以LC3-Ⅱ/LC3-Ⅰ的比值來判斷自噬水平的高低[29,30].鄧慧君等發(fā)現(xiàn)AGT7在小鼠結(jié)腸組織中的表達下降,與臨床UC患者血清中ATG7降低的檢測結(jié)果一致[31,32].

此外,泛素結(jié)合蛋白62(sequestosome 1,p62)在自噬體與溶酶體融合后賦予自噬降解的選擇性[33].p62作為自噬底物可與泛素化蛋白及LC3-Ⅱ結(jié)合,從而參與自噬體形成,而p62本身與異常蛋白質(zhì)結(jié)合可進入溶酶體中降解.因此p62能夠反映自噬活性[34].自噬相關(guān)因子肌球蛋白樣BCL2結(jié)合蛋白(myosin-like BCL2 interacting protein,Beclin-1)Beclin-1復(fù)合物是自噬途徑中最重要的蛋白質(zhì)復(fù)合物之一.ATG14可以通過正調(diào)控Beclin-1復(fù)合物促進自噬體的產(chǎn)生;該復(fù)合體亦可促進自噬小體膜的形成與延伸[35,36].

研究表明UC以參與自噬的蛋白LC3-Ⅱ/LC3-Ⅰ比值、Beclin-1表達增加,p62蛋白的表達減少為特征[37],自噬相關(guān)蛋白ATG表達以降低為主.當然,參與自噬的蛋白不勝枚舉,最具有代表性的就是LC3-Ⅱ/LC3-Ⅰ、Beclin-1、p62以及ATG家族.參與自噬的蛋白表達異常會抑制細胞自噬,從而引起UC的發(fā)生.

2.2 UC和自噬相關(guān)基因的關(guān)系 micro RNA(mi RNA)是非編碼RNA中的一員,可以從轉(zhuǎn)錄后水平影響蛋白的合成.mi RNA在細胞自噬發(fā)生過程的不同階段中起到重要的作用,可通過對下游靶基因表達的調(diào)控,參與機體慢性炎癥反應(yīng)[38].SCHAEFER等先使用寡核苷酸微陣列篩選出具有研究意義的自噬基因,再通過qRT-PCR等分析發(fā)現(xiàn)mi R-21、mi R-31和mi R-142在UC患者的結(jié)腸組織、外周血、唾液中升高[39].曹勇等[40]發(fā)現(xiàn)mi R-26a的表達在UC患者組織及血清中明顯升高.Xu等[41]研究表明,miR-29a可直接靶向ATG9A抑制細胞自噬,并間接影響B(tài)eclin-1、ATG5、ATG16L1的表達,抑制細胞自噬參與UC的調(diào)節(jié).

此外,與自噬相關(guān)蛋白相對應(yīng)的自噬相關(guān)基因(autophagy-related genes,ATG)亦可調(diào)控細胞自噬,其在UC結(jié)腸組織的表達中有所改變.Beclin-1基因是哺乳動物中第一個被確認的自噬調(diào)控基因,它通過與磷脂酰肌醇-3激酶(phosphatidylinositol 3-kinase,PI3K)結(jié)合形成復(fù)合物,主要在自噬早期階段的形成中發(fā)揮作用[42].陸嘉偉[43]從GEO數(shù)據(jù)庫中挖掘490個UC相關(guān)結(jié)腸標本,采用加權(quán)相關(guān)網(wǎng)絡(luò)分析的方法分析基因與疾病嚴重性的關(guān)系,利用CIBERSORT免疫浸潤分析免疫細胞譜與自噬調(diào)節(jié)基因的相關(guān)性,結(jié)果發(fā)現(xiàn)促自噬的關(guān)鍵基因如ATG5、Beclin-1、LC3等與UC嚴重程度呈負相關(guān),而且和組織中浸潤促炎細胞的浸潤呈負相關(guān);抑制自噬的關(guān)鍵基因如雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin,mTOR)、絲氨酸/蘇氨酸激酶(protein kinase B,AKT)與UC的進展呈正相關(guān).鄧慧君等[32]在實驗中也發(fā)現(xiàn),葡聚糖硫酸鈉鹽(dextran sulfate sodium salt,DSS)誘導(dǎo)的UC小鼠結(jié)腸組織中自噬相關(guān)基因LC3-b、P62以及ATG7均表達下降.為了確定ATG16L1基因多態(tài)性在UC 中的作用,Palomino-Morales等[44]研究了425名UC患者以及相匹配對照組的ATG16L1 G等位基因進行Meta分析,表明自噬相關(guān)基因ATG16L1變異與UC的發(fā)病存在相關(guān)性.

2.3 UC中細胞自噬和炎癥反應(yīng)的關(guān)系 細胞自噬受上游蛋白激酶mTOR的負調(diào)控,mTOR是一種高度保守的絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶,由mTOR復(fù)合物1和mTOR復(fù)合物2組成.越來越多的證據(jù)表明,mTOR復(fù)合物1的激活與多種復(fù)雜的信號通路有關(guān),包括下游的炎癥反應(yīng)[45,46].核因子-κB(nuclear factor kappa-B,NF-κB)信號通路是免疫及炎癥反應(yīng)的經(jīng)典通路;研究發(fā)現(xiàn)UC的發(fā)生與PI3K/AKT/mTOR、NF-κB等信號通路的過度激活相關(guān)[47,48].Cosin-Roger等[45]采用脂多糖(lipopolysaccharide,LPS)誘導(dǎo)BALB/c小鼠、人結(jié)腸腺癌細胞株Caco-2和HT-29細胞發(fā)生實驗性結(jié)腸炎和氧化應(yīng)激,結(jié)果顯示上游Toll樣受體4(toll-like receptor4,TLR4)信號通路激活mTOR并抑制自噬,從而使mTOR依賴的自噬下游NF-κB被激活,導(dǎo)致抗炎性細胞因子的產(chǎn)生和氧化應(yīng)激.此外,在活動性UC患者的大腸組織中進一步證實發(fā)生了mTOR磷酸化和自噬相關(guān)蛋白的功能異常,TLR4-MYD88-MAPK信號通路和NF-κB通路參與了UC的異常調(diào)節(jié).體外和體內(nèi)研究進一步表明在UC的發(fā)病機制中,TLR4-MYD88-MAPK信號轉(zhuǎn)導(dǎo)和NF-κB通路與細胞依賴性自噬的調(diào)節(jié)異常有關(guān)[4,49].Dong等[48]通過LPS誘導(dǎo)的UC細胞模型和DSS誘導(dǎo)的UC小鼠模型發(fā)現(xiàn)PI3K/AkT/mTOR信號通路被激活,腸道菌群失調(diào).同時阻斷DSS誘導(dǎo)的急性UC小鼠PI3K/AKT/mTOR信號通路激活,結(jié)果促進細胞自噬,抑制了炎性細胞因子的分泌,腸上皮屏障功能修復(fù),腸道菌群得到調(diào)節(jié),調(diào)控了Th17/Treg免疫細胞的平衡[50].腺苷酸激活蛋白激酶(adenosine 5'-monophosphate-activated protein kinase,AMPK)是自噬調(diào)控的重要因子,亦有實驗表明可通過調(diào)控AMPK/mTOR信號通路促進UC細胞的自噬,降低UC結(jié)腸粘膜的氧化應(yīng)激[51,52].因此,我們有理由認為細胞自噬的異常使mTOR相關(guān)的信號通路過度激活,促進炎癥反應(yīng),從而導(dǎo)致UC的發(fā)生.

NOD樣受體熱蛋白結(jié)構(gòu)域相關(guān)蛋白3(NOD-like receptor thermal protein domain associated protein 3,NLRP3)炎性小體是一個多分子復(fù)合體,激活后啟動促炎細胞因子白細胞介素(interleukin,IL)-1β和IL-18的分裂和分泌.IL-1β通過直接誘導(dǎo)IL-2表達和招募中性粒細胞來增強炎癥級聯(lián)和釋放其他促炎細胞因子和趨化因子: 如腫瘤壞死因子-α(tumor necrosis factor-α,TNF-α)和IL-6來加速炎癥;而IL-18則促進干擾素-γ(interferon-γ,IFN-γ)的釋放,從而促進Th1細胞的增殖,進一步調(diào)節(jié)炎癥[53,54].UC中NLRP3上游啟動信號被刺激,激活NLRP3炎癥小體相關(guān)通路,從而發(fā)生炎癥反應(yīng).主要的信號通路有TLR4/NFκB/NLRP3通路、mi RNAs/NLRP3通路等[55,56].同時,越來越多的證據(jù)表明NLRP3炎性小體和細胞自噬途徑通過相互調(diào)節(jié)聯(lián)系在一起,自噬途徑被抑制可增強NLRP3炎癥小體的激活[57,58].正常情況下,細胞自噬可以去除NLRP3炎性小體激活因子,NLRP3炎癥小體可被自噬小體吞噬和降解[58],NLRP3的降解也是通過自噬進行的[59].而NLRP3可以與Beclin-1相互作用調(diào)節(jié)細胞自噬;NLRP3炎癥小體的信號通路也可以調(diào)節(jié)細胞自噬的過程[60].在大量證據(jù)的基礎(chǔ)上推測UC的發(fā)生與細胞自噬的抑制作用,可能與NLRP3炎癥小體的信號通路被激活,導(dǎo)致一系列炎癥反應(yīng)有關(guān).

Slit是在免疫系統(tǒng)中表達的糖蛋白[61],Slit可以與環(huán)形受體Robo結(jié)合以激活Slit/Robo信號[62].Zhou等[63]發(fā)現(xiàn)Slit2和Robo1特異性地表達于腸隱窩的LGR5+干細胞中,促進LGR5+干細胞向上皮細胞分化以維持腸道的完整性.Xie研究表明[64]Slit2/Robo1信號參與調(diào)節(jié)LGR5+干細胞的自噬過程,使促炎性細胞因子過量產(chǎn)生,導(dǎo)致炎癥反應(yīng),從而影響UC的發(fā)生發(fā)展等.

很多信號通路通過調(diào)控細胞自噬參與了UC的過程,發(fā)揮著重要作用.細胞自噬的缺乏會引起一系列信號通路異常,引發(fā)炎癥反應(yīng),從而導(dǎo)致UC的發(fā)生.

3 結(jié)論

UC是胃腸道難治的慢性炎癥性疾病.其特點是復(fù)發(fā)性和彌漫性黏膜炎癥,從直腸開始,持續(xù)延伸到結(jié)腸近端[65].流行病學研究表明,UC的發(fā)病率和患病率在西方國家乃至一些亞洲國家都呈上升趨勢,病情遷延難愈[66].臨床以腹痛,腹瀉,粘液膿血便等為主要表現(xiàn).現(xiàn)代研究認為遺傳易感性、上皮屏障破壞、腸道菌群失調(diào)等因素導(dǎo)致的免疫反應(yīng)紊亂和炎癥信號異常等是其發(fā)生發(fā)展的主要原因,但對UC的確切病因和發(fā)病機制尚不清楚[67].其中,細胞自噬逐漸進入科學家的視野,對其研究也越來越多,細胞自噬或?qū)⒊蔀橹委烾C新的靶點.

本篇綜述介紹了細胞自噬在維持腸道穩(wěn)態(tài)、調(diào)節(jié)腸道微生物群與天然免疫和適應(yīng)性免疫、宿主防御腸道病原體等方面發(fā)揮重要作用,自噬缺乏可激活一系列信號通路,引起信號轉(zhuǎn)導(dǎo)級聯(lián)反應(yīng),分泌促炎因子,發(fā)生免疫應(yīng)答和炎癥反應(yīng),誘發(fā)腸道功能紊亂和腸道炎癥導(dǎo)致UC的發(fā)生發(fā)展,這與參與自噬的蛋白和基因異常密切相關(guān).在探討UC與自噬和炎癥反應(yīng)的關(guān)系時,有大量證據(jù)證明UC與炎癥有關(guān),自噬抑制會導(dǎo)致炎癥反應(yīng),從而推斷三者之間的聯(lián)系,但細胞自噬、炎癥反應(yīng)和UC的確切關(guān)系值得更深入的研究證實.此外,Slit2/Robo1等信號通路研究不多,有待進一步探索和驗證.

當然,細胞自噬只是UC發(fā)病機制中的一個因素,每個個體基因的不同、所處環(huán)境的差異、生活習慣的區(qū)別等使得UC的發(fā)生發(fā)展是多個因素共同作用的綜合結(jié)果.一些研究者在參與自噬的信號通路基礎(chǔ)上研究治療UC藥物的作用機制,比如基于AMPK/mTOR信號通路探討白頭翁湯、黃柏堿、薯蕷皂甙等對UC的治療效果[51,52,68],載卡格列凈殼聚糖-透明質(zhì)酸微球通過調(diào)節(jié)AMPK NF-κB/NLRP3軸治療UC或?qū)⒊蔀橐粋€新模式[69].未來在細胞自噬的基礎(chǔ)上研發(fā)治療UC的新藥將成為一個新思路.細胞自噬在其他領(lǐng)域如腫瘤、心血管、神經(jīng)退行性疾病等已成為研究熱點,其在炎癥性腸病發(fā)病機制中的作用也逐漸受到重視,在不影響其他生物過程的情況下嚴格選擇自噬途徑或靶點是基于自噬的炎癥性腸病治療策略的關(guān)鍵.未來,還需進一步驗證自噬作為炎癥性腸病治療靶點的適用性,并確定其有效性和可行性.