馮歡歡，宋向鳳

(新鄉(xiāng)醫(yī)學(xué)院 免疫學(xué)研究中心，河南 新鄉(xiāng)453003)

自噬是機(jī)體應(yīng)對(duì)各種外界刺激及內(nèi)在變化而產(chǎn)生的細(xì)胞內(nèi)自我更新、自我修復(fù)的機(jī)制，在細(xì)胞分化、物質(zhì)代謝和能量平衡中起重要作用。能量的代謝失衡導(dǎo)致體內(nèi)三酰甘油過(guò)度堆積會(huì)造成肥胖，以至于產(chǎn)生代謝紊亂。自噬可以改善肥胖引起的代謝紊亂，調(diào)控細(xì)胞的脂代謝。本文將綜述脂肪細(xì)胞、肝細(xì)胞、胰島β-細(xì)胞、骨骼肌細(xì)胞與自噬之間關(guān)系的最新研究進(jìn)展。

1 自噬相關(guān)基因和蛋白及其自噬體的形成

自噬是廣泛存在于真核細(xì)胞中、進(jìn)化上高度保守、用于降解和回收利用細(xì)胞內(nèi)生物大分子和細(xì)胞器的復(fù)雜過(guò)程。根據(jù)細(xì)胞將其底物運(yùn)送到溶酶體內(nèi)途徑的不同分為3種類(lèi)型:大自噬(macroautophagy)、微自噬(microautophagy)和分子伴侶介導(dǎo)的自噬(chaperone-mediated autophagy，CMA)。本文主要闡述大自噬在肥胖相關(guān)的代謝性疾病中所起的作用。目前已確認(rèn)有30多種自噬相關(guān)基因(autophagy-related gene，Atg)和蛋白[1]。經(jīng)典的自噬信號(hào)通路如圖1[2]，在營(yíng)養(yǎng)不足或雷帕霉素誘導(dǎo)下，哺乳動(dòng)物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin，mTOR)活性受到抑制，mTOR 對(duì)ULK1 和Atg13的抑制作用減弱，使得ULK1 激活并磷酸化Atg13、FIP200 和ULK1 自身，進(jìn)而誘發(fā)自噬，進(jìn)入自噬的啟動(dòng)階段;接著在Beclin-1、Vps34、Vps15 和Atg14L組成的復(fù)合體作用下共同參與囊泡成核過(guò)程。囊泡延伸主要涉及到兩個(gè)泛素樣結(jié)合系統(tǒng)的參與，分別是Atg12-Atg5-Atg16L 和Atg8/LC3-磷脂酰乙醇胺(phosphatidyl ethanolamine，PE)。Atg7 在自噬膜的延伸中起關(guān)鍵作用，Atg12和Atg5 結(jié)合是在哺乳動(dòng)物E1 樣泛素活化酶Atg7 和E2 樣泛素連接酶Atg10的作用下形成的，Atg16L 富集大量Atg12-Atg5 復(fù)合物，促進(jìn)膜的延伸。自噬時(shí)LC3-I 被Atg7活化，并且LC3-Ⅰ在Atg12-Atg5-Atg16L 復(fù)合物的幫助下與磷脂酰乙醇胺結(jié)合形成LC3-Ⅱ，定位于自噬體膜上，參與自噬體的形成和延伸。最后自噬體與溶酶體融合形成自噬溶酶體，降解和回收細(xì)胞內(nèi)長(zhǎng)壽蛋白和一些受損的細(xì)胞器。自噬的基礎(chǔ)代謝機(jī)制主要是通過(guò)與溶酶體作用，參與降解受損的細(xì)胞成分，為機(jī)體生物大分子的合成提供能量和化合物的供應(yīng)，來(lái)維持細(xì)胞內(nèi)穩(wěn)態(tài):同樣自噬對(duì)蛋白、碳水化合物及脂類(lèi)的降解也起重要作用。自噬缺陷與各種代謝紊亂如胰島素抵抗、糖尿病、肥胖和骨質(zhì)疏松癥等密切相關(guān)[3]。

圖1 在營(yíng)養(yǎng)不足或雷帕霉素作用下自噬信號(hào)通路[2]Fig1 Autophagy signaling pathways under the effect of nutritional deficiencies or rapamycin

2 脂肪細(xì)胞特異性自噬基因Atg7 和Atg5敲除減輕高脂飲食誘導(dǎo)的肥胖

脂肪細(xì)胞主要有兩類(lèi)，包括白色脂肪細(xì)胞和棕色脂肪細(xì)胞，當(dāng)脂肪組織中白色脂肪細(xì)胞過(guò)多聚集會(huì)導(dǎo)致肥胖[4]。有體內(nèi)實(shí)驗(yàn)表明，在動(dòng)物肥胖模型小鼠特異性脂肪細(xì)胞自噬基因Atg7 敲除后會(huì)引起小鼠體質(zhì)量減輕，瘦素和膽固醇含量均下降，游離的脂肪酸和三酰甘油的貯存以及白色脂肪數(shù)量都出現(xiàn)減少，而且Atg7F/F-aP2-Cre(Atg7ΔAd)小鼠白色脂肪出現(xiàn)棕色脂肪的特性，同時(shí)小鼠對(duì)胰島素的敏感性增強(qiáng)，并抵抗高脂飲食誘導(dǎo)的肥胖[5-6];同樣地，體外實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)3T3-L1 前脂肪細(xì)胞沉默自噬基因Atg7后抑制脂滴積累和脂肪細(xì)胞分化因子的蛋白水平，沉默自噬基因Atg5 或者用藥物抑制自噬或溶酶體的功能也起到相同的效果。這些研究說(shuō)明不管是體外還是體內(nèi)實(shí)驗(yàn)，干擾自噬基因Atg7 和Atg5，可以改善胰島素的敏感性和緩解肥胖。

脂肪細(xì)胞的分化發(fā)育過(guò)程需要許多轉(zhuǎn)錄因子的參與，而過(guò)氧化物酶體增殖物激活受體γ(peroxisome proliferator-activated receptor-γ，PPAR-γ)是調(diào)控脂肪細(xì)胞分化的主要轉(zhuǎn)錄因子[7]。有研究用自噬抑制劑氯喹(chloroquine，CQ)和RNA干擾Atg5后，發(fā)現(xiàn)3T3-L1 前脂肪細(xì)胞PPAR-γ2 蛋白水平減少，阻止成脂的分化[8]，這提示自噬確實(shí)在脂肪細(xì)胞的分化發(fā)育中發(fā)揮著不可替代的作用。但是，自噬對(duì)脂肪細(xì)胞機(jī)制的調(diào)控還未完全闡明，需要進(jìn)一步研究期望發(fā)現(xiàn)一些潛在的治療靶點(diǎn)來(lái)有效地干預(yù)肥胖。

3 增強(qiáng)自噬提高肝細(xì)胞代謝功能

生理?xiàng)l件下，自噬維持肝臟的能量平衡，是通過(guò)降解脂滴釋放游離脂肪酸、降解蛋白釋放氨基酸和分解肝糖提高血糖水平為機(jī)體供能。肥胖狀態(tài)下，過(guò)多的能量和營(yíng)養(yǎng)進(jìn)入機(jī)體，導(dǎo)致其無(wú)法適應(yīng)和保持平衡，最終出現(xiàn)代謝紊亂、炎性反應(yīng)和細(xì)胞器功能障礙。研究發(fā)現(xiàn)大鼠肝細(xì)胞系(RALA255-10G)加入自噬抑制劑3-甲基腺嘌呤(3-MA)之后，肝細(xì)胞三酰甘油成分增多[9]。同樣地，在高脂飲食誘導(dǎo)的16～22 周肥胖鼠和基因模型(肥胖癥和糖尿病)小鼠中發(fā)現(xiàn)肝細(xì)胞自噬嚴(yán)重受到抑制，胰島素的敏感性也遭到損傷。相反，通過(guò)腺病毒介導(dǎo)Atg7 過(guò)表達(dá)來(lái)恢復(fù)高脂飲食誘導(dǎo)的肥胖鼠或ob/ob 模型小鼠肝細(xì)胞自噬，發(fā)現(xiàn)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激減少，胰島素抵抗緩解，并能提高肝臟的脂代謝功能[10]。這些研究顯示肝細(xì)胞的自噬水平對(duì)其功能的維持至關(guān)重要。

當(dāng)脂肪在肝臟大量聚集時(shí)，會(huì)導(dǎo)致脂肪肝。增加自噬可以降解脂滴，減少脂肪肝和肝損傷[11]。另外有實(shí)驗(yàn)提示自噬溶酶體途徑也可以降解肝臟細(xì)胞內(nèi)脂類(lèi)水平[12]。隨著肥胖和代謝性疾病的不斷增加，非酒精性脂肪肝病(nonalcoholic fatty liver disease，NAFLD)發(fā)生率在全球不斷上升，通過(guò)藥物作用上調(diào)自噬，可以減少胰島素抵抗和三酰甘油水平，來(lái)對(duì)抗氧化損傷和細(xì)胞死亡[13];相反，用自噬抑制劑3-MA 會(huì)減緩脂滴的分解和β-氧化，造成肝細(xì)胞內(nèi)三酰甘油水平增加，不利于肝臟的代謝。抑制自噬對(duì)脂肪細(xì)胞而言，會(huì)向著有利的方向發(fā)展，但在肝細(xì)胞中卻得到相反的結(jié)果，說(shuō)明自噬在不同細(xì)胞中發(fā)揮著不同的功效。針對(duì)肝細(xì)胞可以靶向應(yīng)用自噬激活劑提高其代謝功能。

4 自噬缺陷損傷胰島β細(xì)胞的功能

胰島β細(xì)胞對(duì)調(diào)節(jié)血糖水平起重要作用，當(dāng)胰島β細(xì)胞功能受損會(huì)導(dǎo)致糖尿病的發(fā)生。調(diào)查顯示，70%～80%的肥胖者中存在不同程度的胰島素抵抗，胰島素抵抗會(huì)誘發(fā)自噬來(lái)保護(hù)胰島β細(xì)胞。但過(guò)度的營(yíng)養(yǎng)會(huì)損傷自噬，從而導(dǎo)致胰島β細(xì)胞功能紊亂[14]。不管是在正常條件下，還是在應(yīng)激條件下，自噬失調(diào)都會(huì)對(duì)胰島β細(xì)胞的增殖、生存和功能有不同程度的損傷，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)铀僖葝uβ細(xì)胞的死亡[15]，所以維持正常的自噬水平對(duì)胰島β細(xì)胞的功能和生存非常重要。實(shí)驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)小鼠特異性胰島β細(xì)胞自噬基因Atg7(Atg7Δβcell)敲除后，出現(xiàn)線粒體腫脹、粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和高爾基體復(fù)合物池狀膨脹[16]，這表明正常的自噬功能不僅對(duì)胰島β細(xì)胞重要，對(duì)其他細(xì)胞器也發(fā)揮著重要的調(diào)節(jié)作用。

既然自噬對(duì)維持胰島β細(xì)胞功能發(fā)揮著重要作用，那么胰島β細(xì)胞自噬缺陷可能是糖尿病發(fā)生的重要原因，進(jìn)一步研究對(duì)比Atg7Δβcell-ob/ob小鼠與同窩出生的Atg7Δβcell-ob/w 或Atg7F/F-ob/ob小鼠，發(fā)現(xiàn)胰島β細(xì)胞凋亡數(shù)量明顯增多，出現(xiàn)葡萄糖不耐受的顯著惡化和糖尿病，證明胰島β細(xì)胞自噬缺陷確實(shí)是糖尿病發(fā)生的重要原因[17]，因此，可以通過(guò)調(diào)節(jié)胰島β細(xì)胞的自噬水平來(lái)改善其功能，這為糖尿病的治療和預(yù)防提供了新的發(fā)展方向。

5 適宜的自噬水平改善骨骼肌細(xì)胞的穩(wěn)態(tài)

骨骼肌是人體糖類(lèi)主要的儲(chǔ)存場(chǎng)所，承擔(dān)了71%以上糖類(lèi)的儲(chǔ)存，對(duì)人體血糖平衡具有極其重要的緩沖作用。肥胖以及代謝紊亂常伴隨有骨骼肌脂質(zhì)沉積增加，進(jìn)一步脂質(zhì)超載會(huì)影響胰島素信號(hào)通路[18]。研究發(fā)現(xiàn)骨骼肌特異性自噬基因Atg7 敲除(Atg7Δsm)的小鼠會(huì)出現(xiàn)脂肪含量下降，避免高脂誘導(dǎo)的肥胖和胰島素抵抗，其機(jī)制是自噬缺陷促進(jìn)Fgf21的表達(dá)，導(dǎo)致脂肪酸氧化增加和白色脂肪向棕色脂肪的轉(zhuǎn)變[19]。臨床上糖尿病患者會(huì)出現(xiàn)骨骼肌弱化甚至萎縮現(xiàn)象。在小鼠為研究對(duì)象的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)骨骼肌特異性自噬基因Atg7 敲除小鼠出現(xiàn)肌節(jié)瓦解、肌肉萎縮和肌力下降[20]。另外，不管是在肌營(yíng)養(yǎng)不良癥模型鼠(MDX mice)，還是在杜氏肌營(yíng)養(yǎng)不良(Duchenne muscular dystrophy，DMD)患者中發(fā)現(xiàn)自噬都是缺陷的，恢復(fù)自噬可以改善營(yíng)養(yǎng)障礙的表型，抑制肌肉損傷和炎性反應(yīng)，維護(hù)肌肉的再生能力[21]。由此可見(jiàn)，激活自噬在改善肌纖維的存活和抵抗肌肉萎縮中起關(guān)鍵作用[22]。

黑腹果蠅DOR 蛋白的同族體TP53INP2(tumour protein 53 induced nuclear protein 2)通過(guò)激活自噬負(fù)性調(diào)節(jié)骨骼肌數(shù)量，在2型糖尿病患者和糖尿病小鼠模型的肌肉中TP53INP2的表達(dá)被顯著抑制[23]。研究顯示自噬和泛素-蛋白酶體系統(tǒng)在肌肉萎縮的發(fā)病機(jī)制中起重要作用，自噬溶酶體或泛素蛋白酶的活性過(guò)高或不足都會(huì)損害肌肉內(nèi)環(huán)境，這兩個(gè)系統(tǒng)調(diào)節(jié)異常會(huì)導(dǎo)致肌纖維變性和肌無(wú)力[24]，因此自噬對(duì)維持骨骼肌內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)態(tài)至關(guān)重要，自噬必須維持在適宜水平，過(guò)高或不足都會(huì)引起骨骼肌質(zhì)量的下降，不利于骨骼肌的健康[25]。

6 展望

自噬與肥胖的研究越來(lái)越受到關(guān)注，特別是全球肥胖人數(shù)的逐年上升，由此引發(fā)的一系列慢性疾病如2型糖尿病、高血壓、高脂血癥、動(dòng)脈粥樣硬化和脂肪肝等發(fā)生率也在上升，通過(guò)研究自噬的分子機(jī)制，闡明自噬與不同代謝性疾病的關(guān)系，探尋潛在的治療靶點(diǎn)，為臨床治療提供新的方法和藥物干預(yù)奠定基礎(chǔ)。

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