細胞自噬在糖尿病性心肌病中的研究進展

任晨霞 麻麗霞 郭 萍 郭 穎 曹文君

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細胞自噬在糖尿病性心肌病中的研究進展

任晨霞 麻麗霞 郭 萍 郭 穎 曹文君

細胞自噬是受多基因調控的動態過程。自噬可通過控制蛋白質質量，維持心肌細胞的能量平衡與存活，心肌細胞自噬水平異常降低或升高都會導致心肌損傷。不同情況下自噬在糖尿病性心肌病損傷中作用不同。1型糖尿病動物模型中心肌自噬水平降低，對心肌細胞起保護作用；2型糖尿病動物模型中自噬被激活。該文就自噬在糖尿病心肌病中的研究進展作簡要介紹。

自噬；糖尿病性心肌??；心肌細胞

自噬是真核細胞的重要代謝途徑，是指一些蛋白質和受損細胞器傳送到溶酶體中降解的過程。在應對饑餓和各種刺激時，細胞會激活自噬途徑降解細胞內某些組分(如損傷的細胞器或過量儲存的營養物質等)，并分解這些組分成為可利用的氨基酸，維持細胞的存活與能量平衡[1]。然而，自噬也可導致非凋亡形式的細胞死亡，稱為Ⅱ型程序性細胞死亡。在生物體生長發育及多種疾病發生發展過程中都存在自噬活性的變化。因此，自噬具有雙向調節作用，一方面可以維持細胞存活，另一方面也會誘導細胞凋亡。研究表明，自噬在糖尿病性心肌病(diabetic cardiomyopathy，DCM)動物模型的心肌病變中起關鍵作用。

1 DCM

DCM是引起糖尿病患者心力衰竭和死亡的高風險因素之一，其臨床表現為不同程度的左心室舒張功能不全，31P非侵入性核磁共振可檢測到左心室三磷酸腺苷(ATP)水平降低[2-3]，主要病理特征為心肌細胞肥大、凋亡以及心肌間質纖維化[4-5]。糖尿病的高血糖、胰島素缺乏、胰島素抵抗或高胰島素血癥等因素均可引發心肌細胞毒性、微血管病變、代謝紊亂和氧化應激[6]。

近年來代謝組學、基因組學方向的研究發現，DCM的發生機制包括心肌細胞內脂肪酸過度氧化導致氧化應激甚至線粒體功能障礙[7-8]，晚期糖基化終產物引起心肌細胞內蛋白質、脂質及核酸的結構與功能異常[9]，微小RNA介導的基因異常表達等[10]。 DCM的發病機制有待進一步明確，目前仍缺少有效的治療手段。

2 細胞自噬

自噬有3種形式：宏自噬、微自噬和分子伴侶介導的自噬。目前研究主要是針對宏自噬，其機制也最為清楚, 被認為是狹義的細胞自噬。自噬啟動后細胞內會形成一種雙膜囊泡結構，以針對性地隔離細胞成分，該結構稱為自噬體。自噬體成熟后與溶酶體融合，形成自噬溶酶體，其內膜和內容物被溶酶體酶降解。目前已發現30多個自噬相關基因(autophagy-related genes, ATG)參與自噬的啟動與自噬體的成熟。當細胞受到不良刺激時，哺乳動物雷帕霉素靶蛋白復合體1(mammalian target of rapamycin complex 1，mTORC1)的活性受到抑制，導致ATG13磷酸化受阻，啟動自噬；Ⅲ型磷脂酰肌醇3-激酶(PI3K)是自噬啟動所必須的關鍵因子，其與VPS15、Beclin1/ATG6、 ATG14L、UVRAG、Ambra1及Bif-1等自噬相關因子形成復合體后，磷酸化磷脂酰肌醇的第3位羥基生成磷脂酰肌醇3-磷酸(PI3P)，PI3P募集含有FYVE或PX結構域的下游信號蛋白，啟動自噬體的裝配。自噬啟動后，微管相關蛋白1輕鏈3(microtubule-associated protein 1 light chain 3, LC3-Ⅰ)通過ATG7和ATG3的作用與磷脂酰乙醇胺(phosphatidylethanolamine, PE)共軛連接形成LC3-Ⅱ，隨后LC3-Ⅱ被整合到自噬體的內膜與外膜上，自噬體與溶酶體融合形成自噬溶酶體后，內膜上的LC3-Ⅱ與內容物一起被降解，外膜上的LC3-Ⅱ成為LC3-Ⅰ釋放到細胞質被重新利用[11]。

3 自噬與DCM

3.1 自噬與心肌代謝

成年哺乳動物心肌細胞的增殖能力有限，蛋白質質量控制(protein quality control，PQC)是維持心肌細胞長期良好運行必不可少的環節，胞內錯誤折疊或功能異常的蛋白質堆積會直接導致細胞死亡。除了控制蛋白質折疊外，細胞還可通過蛋白質降解來實現PQC，包括蛋白酶體降解途徑和自噬降解途徑。在饑餓或缺血等壓力條件下，心肌細胞通過自噬回收利用細胞內物質以維持能量平衡與存活[12]。敲除自噬相關基因ATG5會導致10個月齡的小鼠發生心臟肥大、左心室功能受損甚至心力衰竭[13-14]。自噬基因Beclin 1的單倍體缺失會加速結蛋白相關心肌病患者的心力衰竭，并抑制雷帕霉素對心肌細胞缺血性損傷的保護作用[15]。對于慢性心肌缺血患者，細胞自噬增強可以降低心肌細胞的凋亡水平[16]。人類和嚙齒類動物的衰老過程伴隨著自噬水平的降低[17]，自噬可能是老年人心臟病高發的原因之一。

然而，也有研究表明，在某些特殊環境下，自噬會引起病理性反應甚至死亡。特異性敲除小鼠心臟中的胰島素樣生長因子受體后，自噬水平升高，導致心力衰竭或過早死亡[18]；白喉毒素與抗腫瘤藥物阿霉素都可誘導自噬，引發心力衰竭大鼠模型的自噬性死亡[19]。因此，不同情況下自噬對心肌細胞的作用不同，針對不同病因有效地激活或抑制自噬可能成為一種可行的治療策略。

3.2 DCM的心肌細胞自噬

對于健康動物，雄性的心肌細胞自噬水平高于雌性，而女性DCM的發病率顯著高于男性[20]。這表明自噬水平的改變可能與DCM發病有關。OVE26小鼠或鏈脲佐菌素(STZ)誘導的1型糖尿病小鼠模型自噬水平降低。Beclin 1單倍體缺失小鼠(Beclin 1+/-)與ATG16敲除小鼠(ATG16-/-)誘導1型糖尿病后，心肌纖維化、氧化應激和細胞凋亡等水平低于野生型1型糖尿病小鼠模型[21]。給予Beclin 1+/-、ATG16-/-小鼠Beclin后，心肌損傷程度加重，加重程度與Beclin補給程度呈計量相關性，自噬水平越高，因1型糖尿病引起的心肌纖維化及細胞凋亡程度越嚴重。對于2型糖尿病動物模型，如高脂飲食誘導的肥胖和代謝綜合征小鼠模型中，心肌細胞自噬受到抑制，但在由果糖誘導的胰島素抵抗和高血糖癥動物模型中，自噬卻被激活[22]。

1型糖尿病小鼠心肌細胞自噬水平降低的主要機制為，單磷酸腺苷激活的蛋白激酶(AMPK)信號通路受到抑制，而絲氨酸/蘇氨酸激酶(Akt)/mTORC1信號通路被激活。Akt/mTORC1通路可以被胰島素、生長因子等代謝信號激活，在小鼠的大部分器官中，胰島素激活Akt/mTORC1通路后，促使細胞蛋白質合成增強，同時抑制自噬發生[23]。AMPK可通過多種機制促進自噬。AMPK與哺乳動物雷帕霉素靶蛋白(mTOR)競爭結合ATG1，磷酸化并激活ATG1；AMPK能磷酸化并激活FOXO轉錄因子，后者可促進自噬的發生；此外，AMPK可分別磷酸化c-Jun氨基末端激酶1(JNK1)和Beclin 1，從而激活PI3K復合體[24-25]。然而，在1型糖尿病胰島素缺失、2型糖尿病胰島素抵抗以及因受體缺失而失去胰島素信號應答這3種情況下，心肌細胞內Akt/mTORC1通路并不是由胰島素激活的，這說明存在胰島素以外的其他因素參與心肌細胞自噬的調控。體外實驗證明，高濃度的葡萄糖可直接抑制心肌細胞自噬。增加培養基中棕櫚酸的濃度也可誘導H9C2心肌細胞自噬[26]。

目前心肌細胞自噬的保護及損傷作用“開關”機制仍不明確。深入研究DCM心肌細胞自噬的具體作用及其調控機制至關重要。

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(收稿：2016-03-03 修回：2016-05-31)

(本文編輯：胡曉靜)

山西省基礎研究計劃項目(2015021185)；長治醫學院科技創新團隊項目(CX201507)；長治醫學院普及項目(QDZ201503)

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曹文君，Email：wjcao16@hotmail.com

10.3969/j.issn.1673-6583.2016.05.005