劉金艷,張彬,許賽君,趙曉宏,許揚(yáng),謝勇
·綜述·
衰老進(jìn)程中非酒精性脂肪肝病自發(fā)產(chǎn)生的分子機(jī)制的研究進(jìn)展
劉金艷,張彬,許賽君,趙曉宏,許揚(yáng),謝勇
100193 北京,中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院藥用植物研究所中草藥物質(zhì)基礎(chǔ)與資源利用教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室
非酒精性脂肪性肝?。∟AFLD)是肝細(xì)胞從單純性脂肪變性(SS)逐步發(fā)展到非酒精性脂肪性肝炎(NASH)、肝纖維化、肝硬化甚至肝細(xì)胞癌進(jìn)程中一系列疾病的統(tǒng)稱[1]。流行病學(xué)調(diào)查顯示在全球范圍內(nèi),NAFLD 的發(fā)病率約為 25%,且呈現(xiàn)日益增長趨勢[2],在男性中,NAFLD 的患病率傾向于從年輕到中年人群增加,并且與 NAFLD 的非老年患者相比,老年患者的 NASH 和晚期纖維化患病率更高[3]。美國器官共享網(wǎng)絡(luò)聯(lián)合會(huì)統(tǒng)計(jì)顯示,2005 – 2017 年,NAFLD 發(fā)展為急慢性肝衰竭(ACLF)患者的候補(bǔ)注冊人數(shù)從 134 名增加到 574 名,增長了 331.6%,隨著NAFLD-ACLF 注冊人數(shù)的持續(xù)增長和年齡增長,患者死亡的風(fēng)險(xiǎn)激增[4]。一項(xiàng)對日本 1829 名女性的調(diào)查顯示,NAFLD 的患病率在該群體中隨年齡增長而增加,且與體重增加或代謝綜合征的影響無關(guān),表明衰老是絕經(jīng)前婦女 NAFLD 的危險(xiǎn)因素[5]。隨著年齡增加,NAFLD 發(fā)病率和惡化程度也隨之增加,已被世界衛(wèi)生組織(WHO)確認(rèn)為危害身體健康的慢性病。迄今為止,NAFLD 的發(fā)病機(jī)制有“雙重打擊”和“多重打擊”學(xué)說。雙重打擊學(xué)說針對肝臟病變機(jī)制,認(rèn)為肝細(xì)胞內(nèi)脂肪增加,突出表現(xiàn)為甘油三酯蓄積和胰島素抵抗引起的肝脂肪變性為第一重打擊;肝細(xì)胞內(nèi)的炎癥反應(yīng)、線粒體功能障礙和氧化應(yīng)激等增強(qiáng)誘導(dǎo) NAFLD 發(fā)展為 NASH、肝纖維化以及肝硬化為第二重打擊[6]。多重打擊學(xué)說針對肝臟以外的誘導(dǎo)肝臟病變機(jī)制,認(rèn)為遺傳和環(huán)境因素的相互作用以及不同組織器官,諸如脂肪組織、胰腺、腸、肝臟等的代謝循環(huán)紊亂引發(fā)的廣泛代謝失調(diào)誘發(fā) NAFLD[7]。近年來的研究表明,伴隨衰老導(dǎo)致的肝細(xì)胞代謝失調(diào)和炎癥與 NAFLD 發(fā)生和惡化呈現(xiàn)正相關(guān)性。伴隨細(xì)胞逐漸衰老,“雙重打擊”和“多重打擊”隨之增強(qiáng)是導(dǎo)致 NAFLD 發(fā)生和惡化的重要因素。動(dòng)物細(xì)胞衰老主要表現(xiàn)為從正常分化二倍體細(xì)胞進(jìn)入細(xì)胞周期停滯狀態(tài)并喪失其增殖能力,導(dǎo)致細(xì)胞分裂能力下降[8]。在光學(xué)顯微鏡下可見衰老細(xì)胞的特征是細(xì)胞和細(xì)胞核明顯變大。細(xì)胞的代謝失調(diào)被衰老進(jìn)程中染色質(zhì)病灶(SAHF)和分泌表型(SASP)增加等促進(jìn)[9]。SASP 涉及促炎細(xì)胞因子、生長因子、蛋白酶、纖連蛋白、活性氧(ROS)和一氧化氮等的含量變化,細(xì)胞內(nèi)這些物質(zhì)含量顯著增加表明細(xì)胞已經(jīng)衰老。迄今為止,伴隨衰老NAFLD 自發(fā)產(chǎn)生的分子機(jī)制尚不清楚。全面深入研究衰老進(jìn)程中 NAFLD 自發(fā)產(chǎn)生的分子機(jī)制不僅補(bǔ)充 NAFLD 的發(fā)病機(jī)制認(rèn)識的空白點(diǎn),而且能為研發(fā) NAFLD 新藥提供新思路。
細(xì)胞衰老進(jìn)程中 SAHF 增加的表型之一是端粒縮短。端粒位于染色體末端,為重復(fù) DNA 序列和端粒結(jié)合蛋白組成的復(fù)合體,端粒長度變短證明細(xì)胞已經(jīng)衰老[10]。端粒酶是端粒酶逆轉(zhuǎn)錄酶(hTERT)和端粒酶 RNA(hTERC)形成的復(fù)合體,具有核糖核酸蛋白酶功能,可催化真核生物端粒 DNA 的延伸[11]。正常肝臟中,伴隨肝細(xì)胞衰老端粒酶活性也隨之降低,導(dǎo)致端??s短。在年齡相仿情況下,NAFLD 患者的肝細(xì)胞端粒短于作為對照組的正常肝[12],表明端??s短與脂肪變性存在緊密關(guān)聯(lián),同時(shí)也顯示在同齡的人類中,細(xì)胞衰老進(jìn)程加快的個(gè)體肝細(xì)胞內(nèi)脂肪變性程度顯著增加,可迅速發(fā)展為 NAFLD。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)表明,端粒酶功能障礙導(dǎo)致小鼠肝臟再生受損,并響應(yīng)慢性肝損傷而加速了肝硬化的發(fā)展[13],有學(xué)者認(rèn)為端粒長度減少可作為判斷肝組織硬化發(fā)生的一種標(biāo)志[14]。在 NASH 發(fā)展為肝硬化的年輕患者來源的肝細(xì)胞內(nèi)的端粒長度明顯短于作為對照的正常人[15],且細(xì)胞衰老標(biāo)記物諸如 β-半乳糖苷酶、p16、p21 和 p53 等在肝細(xì)胞中表達(dá)量也顯著高于正常人,SASP 為嚴(yán)重衰老型[16]。此外,端粒縮短也增加 NAFLD 介導(dǎo)的癌癥易感性。從健康肝臟到 NAFLD-肝硬化-肝細(xì)胞癌(HCC)的發(fā)展進(jìn)程中,外周血白細(xì)胞的端粒長度逐漸降低[17]。因此,衰老進(jìn)程中端粒縮短導(dǎo)致 SAHF 增加,是 NAFLD 加速惡化推動(dòng)力之一。
細(xì)胞抵抗外部和內(nèi)部環(huán)境變化產(chǎn)生的應(yīng)激反應(yīng)導(dǎo)致 DNA 損傷稱為 DNA 損傷反應(yīng)(DDR)。已經(jīng)存在 DDR 的細(xì)胞通常激活 DNA 修復(fù)機(jī)制或通過抑制細(xì)胞周期來抵抗 DDR 對生命活動(dòng)帶來的不良影響。在抑制細(xì)胞周期的情況下,DDR 觸發(fā)共濟(jì)失調(diào)-毛細(xì)血管擴(kuò)張突變(ATM)和提高 Rad3 相關(guān)的蛋白激酶表達(dá)量,提高 p53 磷酸化水平并激活 p21,導(dǎo)致細(xì)胞周期停滯[18]。同時(shí),p21 和 p16抑制視網(wǎng)膜母細(xì)胞瘤因子(Rb)的磷酸化,使其與 E2F 轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合并終止細(xì)胞周期的進(jìn)程[19],有利于肝細(xì)胞內(nèi)變性脂肪蓄積。對比易發(fā)生 NAFLD 大鼠與 NAFLD 抵抗大鼠肝臟蛋白表達(dá)也觀察到這樣的 p21 和 p16 變化差異,但這種差異是由組蛋白的修飾差異引起的。與 NAFLD 抵抗大鼠相比,易發(fā)生 NAFLD 大鼠 p16 啟動(dòng)子和編碼區(qū)組蛋白 H4 的乙?;斤@著升高,p16 編碼區(qū)中組蛋白 H3 賴氨酸 27 甲基化水平較低。在 p21 啟動(dòng)子上,組蛋白 H3 和 H4 的乙?;骄@著增加,p21 啟動(dòng)子組蛋白 H3 賴氨酸 27 三甲基化降低而二甲基化顯著升高[20]。由此可見,衰老細(xì)胞內(nèi) DDR 和特定的組蛋白修飾差異具有正相關(guān)性,p21、p16 等蛋白的表達(dá)增加可作為判斷 NAFLD 發(fā)生或惡化的標(biāo)志[21]。
DNA 甲基化水平降低是衰老細(xì)胞SAHF 的另一種表型。比較缺乏膽堿和葉酸飼料喂養(yǎng)引起的 NAFLD 小鼠的 DNA 甲基化水平發(fā)現(xiàn),肝臟 DNA 甲基化水平較低的小鼠更容易發(fā)生肝損傷[22]。而在人類肝臟活檢中發(fā)現(xiàn),相對于輕度 NAFLD,晚期 NAFLD 表現(xiàn)出明顯的 DNA 低甲基化現(xiàn)象。在重度 NAFLD 中,纖維細(xì)胞生長因子受體 2(FGR2)和胱天蛋白酶 1(CASP1)甲基化水平顯著降低,蛋氨酸腺苷甲基轉(zhuǎn)移酶 1A(MAT1A)基因的甲基化水平升高[23]。肝臟內(nèi)這些蛋白質(zhì)基因的甲基化水平增加和 DNA 甲基化水平降低也可以作為判斷 NAFLD 是否惡化的標(biāo)志。
衰老基因表達(dá)變化促進(jìn)肝臟內(nèi)脂肪變性。Zhang 等[20]通過研究高脂飲食(HFD)誘導(dǎo)的易肥胖和抗肥胖大鼠的衰老基因表達(dá)差異發(fā)現(xiàn)在基因轉(zhuǎn)錄水平上,易肥胖大鼠的 p16 和 p21 的 mRNA 水平顯著升高;在蛋白水平上,NAFLD 大鼠肝臟中 p21 蛋白水平明顯升高,激活 p16 的轉(zhuǎn)錄因子的 Ets1 蛋白質(zhì)表達(dá)量也增加了 2.5 倍,但是 Rb 磷酸化水平卻顯著降低。衰老標(biāo)記蛋白 30(SMP30)是一種抗凋亡蛋白,具有隨著年齡的增加而減少的特點(diǎn)。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)顯示,與單純 db/db 小鼠相比,敲除 SMP30 的 db/db 小鼠的肝脂質(zhì)和脂質(zhì)過氧化水平升高,內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激增加,顯示出伴有炎性反應(yīng)和氧化應(yīng)激的脂肪肝[24]。由此可見,SMP30 表達(dá)量減少和 p16、p21 等蛋白表達(dá)量增加有關(guān),可能是篩選治療 NAFLD 新藥潛在的靶標(biāo)。
線粒體生物合成減少是衰老的一項(xiàng)顯著特征。細(xì)胞衰老可以通過誘導(dǎo)線粒體功能障礙,導(dǎo)致脂肪代謝活性低下,從而導(dǎo)致細(xì)胞脂肪變性。體外實(shí)驗(yàn)表明,與代謝年輕的肝細(xì)胞相比,代謝衰老肝細(xì)胞的線粒體分解棕櫚酸誘導(dǎo)蓄積在細(xì)胞內(nèi)脂質(zhì)的能力降低[25]。因此衰老細(xì)胞中變性脂肪容易積累。在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中,與幼年和青年鼠相比,中年小鼠更容易產(chǎn)生飲食誘導(dǎo)的胰島素抵抗,發(fā)展為 NAFLD 的敏感性更高,同時(shí)細(xì)胞內(nèi)線粒體質(zhì)量減少,肝臟中檸檬酸合酶活性降低,可能與核因子類紅細(xì)胞衍生因子 2 樣蛋白 2(NFE2L2)介導(dǎo)的肝線粒體的脂肪酸氧化能力降低有關(guān)[26],意味著衰老動(dòng)物體內(nèi)的三羧酸循環(huán)活性低下。人類肝臟活檢發(fā)現(xiàn),與輕度脂肪變性相比,NASH 患者肝臟中線粒體編碼的 NADH 脫氫酶 6(MT-ND6)高度甲基化,DNA 甲基轉(zhuǎn)移酶水平也升高,線粒體出現(xiàn)形態(tài)缺陷和過氧化物酶體增殖等[27]是促進(jìn)變性脂肪蓄積的原因。
近期我們發(fā)現(xiàn)肌苷酸(IMP)、腺苷酸基琥珀酸(S-AMP)、腺苷酸(AMP)等嘌呤核苷酸都能和人體內(nèi)AMP 活化蛋白激酶(AMPK)的γ 亞基形成復(fù)合體,提高AMPK α 亞基上Thr172 的磷酸化水平而活化AMPK[28-29]。應(yīng)用油酸誘導(dǎo)的脂質(zhì)蓄積的 HepG2 細(xì)胞的降脂實(shí)驗(yàn)顯示,AMPK 被 IMP 等嘌呤核苷酸活化后顯示出比洛伐他汀更強(qiáng)的降脂活性,細(xì)胞內(nèi)甘油三酯脂肪酶(ATGL)和乙酰輔酶 A 羧化酶 2(ACC2)的表達(dá)量和磷酸化顯著上升,表明細(xì)胞內(nèi)的脂肪分解為脂肪酸以及脂肪酸被氧化代謝的活性被顯著增加[28-29]。對飲食誘導(dǎo)產(chǎn)生 NAFLD 的 3 月齡小鼠以劑量 300 mg/kg 的 S-AMP 灌胃給藥 18 d 后能導(dǎo)致小鼠的血脂濃度和肝細(xì)胞內(nèi)脂質(zhì)蓄積降低[28],而對 6 月齡 db/db 小鼠以劑量 50 mg/kg 的 IMP 灌胃給藥 8 周后發(fā)現(xiàn)小鼠肝細(xì)胞內(nèi)蓄積增加,血清中總膽固醇(TC)含量比未給藥 db/db 小鼠增加約 3 倍,磷酸化的乙酰輔酶 A 羧化酶 2(ACC2)的表達(dá)量顯著上升,肝臟內(nèi)乙酰輔酶 A 含量也顯著增加,不同于體外實(shí)驗(yàn)結(jié)果,肝細(xì)胞內(nèi)ATGL 表達(dá)量未見顯著變化,NAFLD 癥狀反而惡化[29],造成上述差別的原因是嘌呤核苷酸激活 AMPK 后促進(jìn)肝細(xì)胞體內(nèi)脂肪酸加速氧化,乙酰輔酶 A 是脂肪酸 β 氧化的重要中間產(chǎn)物,是體內(nèi)合成 TC、TG 和經(jīng)由三羧酸循環(huán)(TCA)分解為 CO2和 H2O 的原料。伴隨身體衰老 TCA 循環(huán)活性隨之降低[30],當(dāng) TCA 循環(huán)不能消耗因脂肪酸過度氧化產(chǎn)生的乙酰輔酶 A 時(shí),乙酰輔酶 A 蓄積在肝臟內(nèi)主要被用于合成 TC 和 TG。TC 進(jìn)入到小腸內(nèi)促進(jìn)脂肪消化為脂肪酸,脂肪酸被吸收后直接進(jìn)入肝臟后加大肝細(xì)胞內(nèi)脂肪酸氧化水平,于是形成了嘌呤核苷酸驅(qū)動(dòng)的膽固醇介導(dǎo)的肝臟內(nèi)利用外源脂肪酸合成新甘油三酯的通路。肝臟組織形態(tài)學(xué)分析表明,正常飼料飼養(yǎng)的 8 月齡小鼠已經(jīng)存在明顯的 NAFLD 癥狀,而 4 月齡小鼠尚未有明顯的肝臟細(xì)胞內(nèi)脂質(zhì)蓄積[28-29]。因此,這個(gè)通路的活性隨衰老導(dǎo)致的 TCA 循環(huán)活性降低而更加活躍,是肝臟受到第一重打擊的重要推動(dòng)力。此外,由于脂肪酸加速氧化,肝臟內(nèi)需要產(chǎn)生更多的活性氧來完成相應(yīng)的脂肪酸氧化,因此形成了肝臟氧化應(yīng)激,使得SAHF 和 SASP顯著提高,這是肝臟受到第二重打擊的重要推動(dòng)力。結(jié)合已有的自然衰老小鼠體內(nèi)發(fā)生 NAFLD 的作用機(jī)制,嘌呤核苷酸促進(jìn) NAFLD 發(fā)生和分子機(jī)制如圖 1 所示。
圖 1 衰老小鼠的肝細(xì)胞內(nèi) IMP 等嘌呤核苷酸啟動(dòng)雙重打擊誘發(fā) NAFLD 的分子機(jī)制(衰老小鼠體內(nèi)活性低下的 TCA 通路用細(xì)線表示,此時(shí),嘌呤核苷酸活化 AMPK 促進(jìn)脂肪酸氧化產(chǎn)生的乙酰輔酶 A 主要被用于合成 TC 和 TG,TC 促進(jìn)腸道中脂肪的消化和生成的脂肪酸被吸收進(jìn)入肝臟,加大了對肝臟的二重打擊)
高脂、高糖等特殊飼料誘導(dǎo)產(chǎn)生 NAFLD 的小鼠或大鼠以及敲除瘦素受體或瘦素基因的小鼠等是常用于研究 NAFLD 的發(fā)病機(jī)制和藥物研究的模型動(dòng)物[31],從中發(fā)現(xiàn)了用于篩選治療 NAFLD 藥物的靶蛋白。在新藥研發(fā)方面國內(nèi)外都取得了重大進(jìn)展,一些候選藥物已進(jìn)入到 III 期臨床試驗(yàn),但迄今為止依然沒有新藥獲批上市[32-33]。中華醫(yī)學(xué)會(huì)肝病分會(huì)藥物性肝病學(xué)組組長茅益民教授認(rèn)為迄今為止還沒有任何動(dòng)物模型能夠完全模擬 NASH 等的病理特征、發(fā)病機(jī)制等是造成這一困境的重要原因(上海國際肝病高峰論壇,上海,2020.12.11 – 13)。鑒于人、小鼠等動(dòng)物在自然衰老進(jìn)程中會(huì)自發(fā)產(chǎn)生 NAFLD,正常飼養(yǎng)小鼠產(chǎn)生 NAFLD 的年齡段是小鼠從發(fā)育成熟期到中年衰老期間[28-29],這個(gè)正好和人體自發(fā)產(chǎn)生 NAFLD 的年齡段高度吻合,因此 4 ~8 月齡小鼠的 NAFLD 發(fā)病機(jī)制能更準(zhǔn)確地模擬人體內(nèi)對應(yīng)病癥的病理特征、發(fā)病機(jī)制,應(yīng)該作為研究 NAFLD 發(fā)病機(jī)制的新模型,深入開展不同衰老時(shí)間點(diǎn)的代謝失調(diào)機(jī)制研究。
自然衰老小鼠體內(nèi)發(fā)生 NAFLD 以及外源性嘌呤核苷酸促進(jìn)衰老 db/db 小鼠的 NAFLD 發(fā)展的分子機(jī)制提示我們,衰老進(jìn)程中動(dòng)物體內(nèi)嘌呤核苷酸代謝障礙可能隨之加重,一旦肝臟內(nèi)形成嘌呤核苷酸蓄積就促進(jìn) NAFLD 發(fā)生和惡化。今后的研究應(yīng)該聚焦于衰老導(dǎo)致嘌呤核苷酸代謝障礙的變化規(guī)律及其誘導(dǎo)NAFLD 產(chǎn)生的作用機(jī)制。如果證明衰老導(dǎo)致身體內(nèi)嘌呤核苷酸蓄積,降低嘌呤核苷酸蓄積應(yīng)該作為研發(fā) NAFLD 藥物的新思路。因?yàn)榻档土怂ダ蟿?dòng)物體內(nèi)的嘌呤核苷酸含量,脂肪酸過度氧化引起肝細(xì)胞內(nèi)乙酰輔酶 A 蓄積將被抑制,由此引起的TG 過度合成、膽固醇過度合成等都可能隨之降低,同時(shí)線粒體功能紊亂和 DDR 等都可能隨之降低,二重打擊造成肝損傷將缺乏推動(dòng)力,最終改善 NAFLD 癥狀。
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中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院創(chuàng)新工程(2019-I2M-1-005);國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(81473114)
謝勇,Email:yxie@implad.ac.cn
2021-01-17
10.3969/j.issn.1673-713X.2021.03.008