陳 立,柳敏娜,趙欣怡,席春生△

(1.中國人民解放軍聯(lián)勤保障部隊第九四〇醫(yī)院腎臟內(nèi)科,蘭州 730000;2.甘肅中醫(yī)藥大學第一臨床學院,蘭州 730000)

足細胞排列在毛細血管環(huán)的外側(cè),通過錯綜復雜的足突網(wǎng)絡(luò)連接到腎小球基底膜。典型成熟足細胞可分為細胞體、主要突起、足突3個部分。足細胞的足突由裂孔隔膜細胞連接,在形成包裹腎小球交錯毛細血管網(wǎng)絡(luò)中發(fā)揮作用。每個裂孔隔膜的細胞一側(cè)都有一個電子密度高且富含蛋白質(zhì)的區(qū)室結(jié)構(gòu),這對裂孔隔膜的完整性和信號轉(zhuǎn)導具有重要意義[1]。裂孔隔膜是防止蛋白丟失所建立的最后一道濾過屏障。足細胞在維持腎功能方面高度專一,并具有自噬活性以維持腎臟健康。當足細胞功能受損時,未過濾的大分子物質(zhì)進入尿液,導致蛋白尿的形成。與腎小球系膜細胞和內(nèi)皮細胞不同,足細胞損傷后無法有效地增殖和補充受損細胞,導致細胞數(shù)量進行性減少。自噬對足細胞、腎小管上皮細胞及健康腎臟中的免疫細胞動態(tài)平衡和生存至關(guān)重要。足細胞有絲分裂后與其他腎小球細胞相比具有更強的基礎(chǔ)自噬。這種細胞保護性質(zhì)量控制機制有助于避免細胞退化。本文就足細胞損傷及自噬的可能機制和靶向信號通路綜述如下。

1 足細胞損傷

足細胞損傷是指足突肥大、扁平及消失。與腎小球的其他常駐細胞、系膜細胞和內(nèi)皮細胞不同,足細胞不能進行適當?shù)挠薪z分裂過程,足細胞缺乏后無法有效地增殖和補充受損細胞,導致足細胞數(shù)量進行性減少,對腎臟產(chǎn)生不可逆轉(zhuǎn)的損傷。足細胞是高度分化的終末細胞,更新能力有限,依賴于調(diào)節(jié)和組織肌動蛋白細胞骨架、細胞外基質(zhì)來維持其復雜結(jié)構(gòu)。這對足細胞施加了巨大的能量需求,使足細胞需要維持足夠的線粒體數(shù)量及適當?shù)墓δ躘2]。足細胞通過肌動蛋白細胞骨架以大量的腺苷三磷酸(adenosine triphosphate,ATP)來維持足突表面積,而線粒體DNA和蛋白質(zhì)的突變可能導致ATP丟失、濾過屏障的破壞等[3]。研究指出,足細胞和血管內(nèi)皮細胞具有額外的線粒體功能,能控制脂肪酸代謝[4]。腎臟依靠線粒體脂肪酸代謝產(chǎn)生能量,一旦出現(xiàn)能量代謝障礙可引起腎臟足細胞、腎小管損傷。

2 足細胞自噬

自噬是一種保護機制[5]。其通過膜包裹部分細胞質(zhì)和細胞中需要降解的細胞器、蛋白質(zhì)來形成自噬體,自噬體與溶酶體融合形成自噬溶酶體,降解損傷蛋白質(zhì)內(nèi)容物,實現(xiàn)細胞內(nèi)動態(tài)平衡。自噬的保護作用可以概括為提供能量來維持穩(wěn)態(tài),通過消除細胞中有缺陷的大分子和細胞器來修復細胞,在細胞的生存和維持中發(fā)揮著重要作用。因此,自噬的功能障礙導致了許多人類疾病的發(fā)生。

足細胞自噬是一種維持細胞內(nèi)動態(tài)平衡的降解系統(tǒng),作為一種高分化細胞在基礎(chǔ)水平下表現(xiàn)出高度自噬活性[6],也可作為慢性腎臟疾病的治療靶點[7]。足細胞的基礎(chǔ)自噬水平高于其他類型的腎小球細胞,是一種細胞保護的質(zhì)量控制機制。自噬對腎細胞(如足細胞和腎小管上皮細胞)及健康腎臟中免疫細胞的動態(tài)平衡和生存至關(guān)重要。作為有絲分裂細胞,足細胞無法將潛在危險的細胞成分稀釋到其子代細胞中。為消除這些成分,足細胞需要較高的基線自噬水平。自噬的激活與足細胞損傷呈負相關(guān),足細胞損傷是腎小球疾病蛋白尿進展的原因。對小鼠的研究表明,足細胞表現(xiàn)出有大量自噬小體及高水平自噬。足細胞特異性Atg5基因的缺失導致衰老小鼠的腎小球病變,其氧化、泛素化蛋白的積累及足細胞內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激最終導致足細胞損傷、蛋白尿增加和腎小球硬化[8-9]。

在腎臟中,需要生理水平的雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin,mTOR)和腺苷5’-單磷酸活化蛋白激酶(adenosine 5’-monophosphate-activated protein kinase, AMPK)活性來支持腎細胞的生長和分化,并維持腎臟細胞完整性和正常腎單位功能,包括電解質(zhì)、水和葡萄糖的轉(zhuǎn)運。足細胞自噬的調(diào)控機制復雜,其上游信號通路主要涉及mTOR依賴途徑和mTOR非依賴途徑。mTOR和AMPK在控制細胞生長、增殖、分化、代謝和存活方面具有關(guān)鍵作用,有助于腎臟在內(nèi)的各種器官的生理發(fā)育和功能[10]。mTOR可形成兩種功能性多蛋白激酶復合物,mTOR復合體1(mTOR complex 1,mTORC1)和mTORC2[11-12]。mTORC1的過度激活導致足細胞和腎小管細胞功能障礙和易受損傷,從而促進慢性腎臟疾病的發(fā)展。靶向調(diào)控mTOR或AMPK途徑,可能是控制或預防這些疾病的有效治療方法(圖1)。

PLA2R:磷脂酶A2受體;SPAG5:精子相關(guān)抗原5;CFTR:囊性纖維化跨膜傳導調(diào)節(jié)因子;SGLT-2:鈉-葡萄糖協(xié)同轉(zhuǎn)運蛋白2;TSC:結(jié)節(jié)性硬化癥復合體;NF-κB:核因子-κB;NLRP3:含NLR家族Pyrin域蛋白3;MAPK:絲裂原活化蛋白激酶;SPLA2-IB:分泌型磷脂酶A2 IB; TNT:隧道納米管;2DG:2-脫氧-D-葡萄糖。

3 足細胞自噬相關(guān)潛在信號通路

3.1 mTOR

mTOR信號通路的靶標在調(diào)節(jié)細胞生長、增殖、存活和代謝方面起著關(guān)鍵作用。mTOR信號失調(diào)與許多疾病有關(guān),包括糖尿病、神經(jīng)退行性疾病和癌癥。mTOR是一種絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶,形成兩個較大多蛋白復合體的催化亞單位,即mTORC1和mTORC2。這兩種酶在自噬過程中發(fā)揮不同作用。mTOR信號傳導是通過控制UNC-51樣激酶1(UNC51-like kinase 1,ULK1)復合物和球形孢子絲菌液泡分選蛋白34(vacuolar protein sorting 34,VPS34)復合物的活性、TFEB/TFE3的細胞內(nèi)分布和原溶酶體小管重建來調(diào)節(jié)自噬過程的多個方面[13]。研究人員用果蠅腎臟細胞建立足細胞模型,發(fā)現(xiàn)阻止mTOR信號傳導可致裂隙隔膜間距增加[14]。mTOR途徑激活的自噬保護足細胞免受細胞凋亡、足突消失和慢性腎臟疾病進展的影響。

在健康狀態(tài)下,腎小球足細胞通過維持低水平的mTOR基礎(chǔ)活性和高水平的基礎(chǔ)自噬活動來促進細胞更新,清除受損的細胞器、多余的脂類、長壽或錯誤折疊的蛋白質(zhì)[15]。mTORC1活性可在體內(nèi)誘導足細胞自噬,但長期雷帕霉素治療對足細胞mTORC1的基因抑制并不能實質(zhì)上誘導自噬。在糖尿病腎病的早期階段,適當激活mTOR可保護足細胞免受損傷,并參與蛋白質(zhì)合成和足細胞修復過程[16]。研究人員發(fā)現(xiàn),抑制PLA2R后可激活足細胞中的PI3K/Akt/mTOR通路,有助于保護足細胞免受凋亡的影響,并為mTOR用于治療膜性腎病提供細胞學證據(jù)[17]。XU等[18]研究表明,SPAG5在膀胱尿路上皮癌中激活了Akt/mTOR信號通路,提示SPAG5可能調(diào)節(jié)自噬并在足細胞損傷中發(fā)揮作用。在高糖處理下,SPAG5 mRNA和蛋白表達水平均上調(diào)。沉默SPAG5可逆轉(zhuǎn)高糖處理的足細胞凋亡增加和自噬減少現(xiàn)象。ZHOU等[19]指出,自噬抑制劑加重了足細胞的損傷,表明足細胞自噬是狼瘡腎炎保護的靶點。此外,研究表明,mTORC1抑制劑、mTOR類似物可以在嚙齒動物模型中預防或延緩腎臟疾病的發(fā)生、發(fā)展[20]。

3.2 AMPK

AMPK是能量代謝的重要調(diào)節(jié)因子,由一個催化α亞基、β亞基和γ亞基組成的異源三聚體蛋白構(gòu)成[10]。AMPK活化后可直接啟動自噬體磷酸化形成的關(guān)鍵分子ULK1并促進自噬,作用于多個下游靶點,通過抑制合成代謝過程和增加分解代謝過程來增加ATP的生成和減少消耗。mTOR抑制劑(如雷帕霉素類似物)和AMPK激活劑(如二甲雙胍)可特異性敲除動物模型和細胞培養(yǎng)物中的細胞作用,有較高的臨床價值。AMPK通過磷酸化ULK1刺激自噬。相反,mTORC1通過阻止ULK1的激活和擾亂AMPK與ULK1之間的相互作用來抑制自噬[21]。

二甲雙胍是一種口服治療糖尿病藥物,研究發(fā)現(xiàn)通過在小鼠模型中激活AMPK和抑制mTOR可改善細胞自噬,保護足細胞,減少蛋白尿,增加高血壓大鼠足細胞中血管內(nèi)皮生長因子的產(chǎn)生,重建糖尿病大鼠腎臟中足細胞或腎上腺素的表達[22]。此外,二甲雙胍抑制CFTR介導和mTOR參與靶標。研究發(fā)現(xiàn),SGLT-2抑制劑通過作用于TSC或氨基酸敏感機制來抑制mTORC1的活性,這種機制將導致mTORC1活性的特異性部分抑制,同時伴隨著AMPK的激活[23-24]。

山奈酚(kaempferol,KPF)具有促進自噬和抑制細胞凋亡的特性,通過增加AMPK和降低mTOR表達來調(diào)控AMPK/mTOR信號通路,減輕糖尿病蛋白尿和糖脂代謝功能障礙,緩解腎小球基底膜增厚及足細胞的丟失或融合[25]。Sestrin2是多種信號通路的上游信號分子,具有增強細胞自噬、減弱內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激、強化氧化防御調(diào)節(jié)細胞穩(wěn)態(tài)的作用。在糖尿病動物模型中Sestrin2高表達,不僅會阻礙糖尿病腎上皮-間充質(zhì)轉(zhuǎn)化和細胞外基質(zhì)積累,還能增強AMPK、Nrf2信號傳導及抑制mTORC1表達,改善足細胞損傷、系膜增生、蛋白尿和腎纖維化,延緩糖尿病腎病發(fā)展[26]。

3.3 sirtuins(SIRT)

SIRT是煙酰胺腺嘌呤二核苷酸依賴性脫乙酰酶,包括SIRT1～7。SIRT活性與DNA修復、細胞凋亡、細胞存活和發(fā)育、炎癥和健康衰老有關(guān)[27]。SIRT對足細胞損傷相關(guān)的腎小球疾病有多效性保護作用,如改善免疫炎癥狀態(tài)和氧化應激水平、維持線粒體穩(wěn)態(tài)、增強自噬和調(diào)節(jié)脂質(zhì)代謝[28]。激活SIRT對不同足細胞損傷相關(guān)的腎小球疾病具有保護作用,包括糖尿病腎病、局灶節(jié)段性腎小球硬化癥、膜性腎病、免疫球蛋白A(IgA)腎病和狼瘡性腎炎。研究表明,這些效應與SIRT1的蛋白質(zhì)量和活性降低、AMPK磷酸化降低相關(guān)[29-30]。

LIU等[31]發(fā)現(xiàn),在兩個獨立的小鼠模型中,SIRT6通過對Notch信號的表觀遺傳調(diào)節(jié)來保護足細胞。SIRT6在足細胞中具有多效性保護作用,包括抗炎和抗凋亡作用,并參與肌動蛋白細胞骨架維持和自噬促進。其中,SIRT6通過去乙酰化組蛋白H3K9促進Notch1和Notch4的轉(zhuǎn)錄。研究報道,叉頭框蛋白M1(forkhead box M1,FOXM1)對急性腎損傷具有保護作用,改善了小鼠的腎功能,增加了腎組織中足細胞標志物腎病蛋白的表達[32]。FOXM1與SIRT4的啟動子結(jié)合可以誘導轉(zhuǎn)錄激活,反之,下調(diào)SIRT4可阻斷FOXM1在體內(nèi)和體外的保護作用。FOXM1轉(zhuǎn)錄激活SIRT4并抑制NF-κB信號傳導和NLRP3炎癥小體,以減輕糖尿病腎病的腎損傷和足細胞損傷。這些發(fā)現(xiàn)均表明SIRT是預防足細胞損傷潛在治療靶點之一。

3.4 MAPK

MAPK信號通路是真核細胞功能的高度保守調(diào)節(jié)劑[33],調(diào)節(jié)細胞周期、細胞凋亡、分化、蛋白質(zhì)生物合成和腫瘤發(fā)生等多個生物過程。激酶使MAPK磷酸化,啟動和控制激活幅度。相反,MAPK磷酸酶使MAPK去磷酸化,下調(diào)和控制信號的持續(xù)時間。

研究發(fā)現(xiàn),特發(fā)性膜性腎病患者的SPLA2-IB和M型磷脂酶A2受體水平明顯高于非腎病蛋白尿者,自噬小體明顯少于非腎病蛋白尿者[34]。在體外,SPLA2-IB誘導足細胞自噬不足,并通過激活p38 mTOR/ULK1ser757信號通路促進足細胞損傷。抑制p38 MAPK明顯抑制了SPLA2-IB誘導的自噬和mTOR/ULK1ser757的激活。用siRNA干擾PLA2R的表達明顯減弱了SPLA2-IB對足細胞自噬的影響。SPLA2-IB通過激活p38 MAPK/mTOR/ULK1ser757信號通路下調(diào)特發(fā)性膜性腎病足細胞自噬。MAPK通路可以誘導細胞在不同類型的細胞中自噬[35],自噬在防御脂多糖誘導的足細胞損傷中發(fā)揮了積極的作用,證明lncRNA?；撬嵘险{(diào)基因1(lncRNA taurine-upregulated gene 1,TUG1)通過激活MAPK通路靶向miR-197對內(nèi)毒素誘導的足細胞損傷具有保護作用。

3.5 肌動蛋白細胞骨架通路

在足細胞中,自噬是一種自穩(wěn)機制,有助于肌動蛋白細胞骨架形態(tài)和功能完整性的形成和保持。足細胞損傷以細胞骨架重塑和足突融合為特征。在體內(nèi),鳥氨酸脫羧酶抑制劑即二氟甲基鳥氨酸(difluoromethylornithine,DFMO)可減少小鼠的尿白蛋白排泄,減輕足細胞足突融合。2-DG誘導足細胞mTOR信號激活和細胞骨架重塑,鳥氨酸脫羧酶基因敲除可減輕這一作用。從機制上,鳥氨酸分解代謝的代謝產(chǎn)物腐胺可以激活GTP酶Ras同系物,后者為mTOR信號的感受器,表明糖尿病條件下足細胞糖酵解受損可增強鳥氨酸分解代謝,鳥氨酸分解代謝產(chǎn)物激活mTOR信號,促進糖尿病腎病足細胞骨架重構(gòu)。

4 其他信號通路

新出研究表明,Breviscapine(Bre)對糖尿病大鼠具有腎保護作用[36]。在鏈脲佐菌素誘導糖尿病腎病的試驗小鼠模型中發(fā)現(xiàn)Bre能大幅提高足細胞活力,改善足細胞損傷,如α-平滑肌肌動蛋白表達減少。Bre通過抑制NF-κB/NLRP3-mediated信號通路介導細胞凋亡,減輕高糖誘導的足細胞損傷并改善了糖尿病小鼠的腎功能。

TNT是一種開放式通道,可遠距離連接細胞。細胞在受到刺激時,細胞間可形成TNT將細胞分組(如小細胞器)轉(zhuǎn)移至受損細胞,通過替換受損的細胞器以增加受體細胞對損傷的抵抗力。細胞質(zhì)蛋白腫瘤壞死因子α誘導蛋白2(tumor necrosis factor alpha induced protein 2,TNFAIP2)在TNT形成中發(fā)揮關(guān)鍵作用,TNT是瞬時連接細胞的膜通道,允許細胞器轉(zhuǎn)移[37]。TNFAIP2過表達增強了TNT介導轉(zhuǎn)移,并阻止了晚期糖基化終產(chǎn)物誘導的自噬、溶酶體功能障礙和細胞凋亡。TNFAIP2通過允許TNT介導的自噬體和溶酶體交換,對糖尿病腎病背景下的足細胞中起重要的保護作用,并且可能代表一種新的藥物靶標。

5 小結(jié)與展望

足細胞自噬可能是預防足細胞損傷和蛋白尿的潛在治療靶點。自噬能及時清除異常積累蛋白質(zhì)、功能失調(diào)的細胞器、入侵的細菌,以維持細胞的正常生理功能。自噬在其他足細胞相關(guān)疾病(如微小病變性疾病和局灶節(jié)段性腎小球硬化)中的作用仍有待研究。SIRT在調(diào)節(jié)mTOR信號通路、AMPK、自噬激活及足細胞健康相關(guān)的各種關(guān)鍵通路和代謝中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。為評估靶向細胞自噬是否是預防和治療腎臟疾病的關(guān)鍵,還需要進行更多基礎(chǔ)臨床研究,以幫助臨床開發(fā)針對足細胞自噬功能的靶向藥物。