细胞自噬与炎症反应相互作用的研究进展

何贤辉， 何 健， 欧阳东云

(暨南大学生命科学技术学院组织移植与免疫研究中心，免疫生物学系，广东广州510632)

细胞自噬(autophagy)是真核生物普遍存在的自稳机制，在胚胎发育、细胞自我保护和生存等过程中发挥关键作用［1－2］。细胞在应激情况下，启动细胞自噬通路，清除细胞内受损的蛋白质、细胞器或入侵的病原体，通过溶酶体途径进行降解并回收利用降解产物以应对不利环境。根据被降解物传送至溶酶体方式的不同，将细胞自噬分为巨自噬、微自噬和分子伴侣介导的自噬，这里介绍的细胞自噬为巨自噬［2］。值得注意的是，细胞自噬与炎症反应之间存在密切联系［1］。炎症是微生物病原体感染或组织损伤所激活的机体保护性反应，引起中性粒细胞和单核细胞等免疫细胞聚集至损伤处。炎症反应的引发主要通过固有免疫系统利用胚系基因编码的产物—模式识别受体(pattern recognition receptor，PRR)，识别病原相关分子模式(pathogen-associated molecular pattern，PAMP)或损伤相关分子模式。细胞通过Toll样受体(toll-like receptor，TLR)和核苷酸寡聚化结构域NOD样受体(nucleotide oligomerization domain-like receptor，NLR)识别外源性或内源性的配体，导致受体活化，继而引起多蛋白的信号转导级联反应，分泌促炎因子，激活适应性免疫应答。近年来的研究显示，多种TLR的配体PAMP在诱发炎症反应的同时，能够诱导细胞自噬的发生，而细胞自噬对TLR信号和炎症反应有明显的负向调控作用，细胞自噬的缺陷或自噬相关蛋白的变异与炎症性疾病的发生有密切关联［1－2］。本文简要介绍细胞自噬与炎症反应关联作用的研究进展，并以克隆氏病(Crohn's disease)为例，说明细胞自噬在炎症性疾病中的作用，为深入研究细胞自噬调控炎症反应的机制提供参考。

1 TLR信号对细胞自噬的调控作用

调控炎症过程的信号通路能够调节细胞自噬，反之亦然。除了饥饿和能量耗竭等经典信号之外，多个PAMP分子也能通过TLR而激活细胞自噬［1－3］。TLR 信号可能通过连接蛋白 MyD88 或TRIF的活化激活细胞自噬过程。Xu等［4］于2007年首先报道，PAMP分子脂多糖(lipopolysaccharide，LPS)刺激TLR4引起VPS34依赖的胞浆LC3的聚集(自噬小体形成的标志)，从而增强巨噬细胞清除被吞噬的分支杆菌;此过程中，LC3聚集的形成需要TRIF而非MyD88，同时募集RIP1和p38。TLR9的配体细菌CpG基序，能够诱导人类和鼠类肿瘤细胞发生自噬［5］。Delgado等［3］利用 LC3 点状结构的形成为指标筛查显示，两个TLR7的模型配体单链RNA和咪喹莫特是相对较强的自噬诱导因子，结合配体的TLR7诱导依赖于MyD88的细胞自噬，促进BCG杆菌的自噬性清除。Shi等［6］揭示TLR激活的细胞自噬受MyD88或TRIF与Beclin-1相互作用所调控，TLR与配体的结合诱导这种相互作用，因而降低了Bcl-2与Beclin-1的结合，解除Bcl-2对Beclin-1的抑制，促进自噬的发生。虽然mTOR是细胞自噬的主要调控蛋白，但它在TLR诱导的细胞自噬中的作用尚不清楚［2］。总之，TLR诱导细胞自噬的确切机制仍然需要深入研究阐明。

2 细胞自噬对TLR信号和炎症的调控作用

PAMP分子通过TLR等受体诱发细胞发生自噬，而细胞自噬反过来调控TLR信号和炎症反应。现有的研究表明，细胞自噬及其相关蛋白往往对于TLR信号和炎症反应具有明显的负调控作用［1］。最近的观察揭示，自噬相关蛋白与巨噬细胞的炎症小体相关的促炎因子的成熟有关［7］。炎症小体是胞浆多蛋白复合体，属于一类新的炎症信号通路，控制多种炎症因子如白细胞介素(interleukin，IL)IL-1β、IL-18和 IL-33 等的成熟和分泌［8］。胞浆 NLR家族的成员(如NLRP3和NLRP1)与连接蛋白相互作用形成炎症小体复合物。在野生型巨噬细胞内，TLR的激动剂LPS，不能诱导炎症小体的激活和分泌产生 IL-1β。当自噬调控基因 ATG16L1［9］或者ATG7被删除时，或是应用化学抑制剂抑制细胞自噬，LPS依赖的炎症小体被激活，说明自噬能调控炎症小体的激活并且限制炎症细胞因子IL-1β和IL-18 的产生［7，9］。

迄今为止，细胞自噬抑制炎症小体的机制还不甚清楚。一种解释是炎症小体可能通过细胞自噬而被直接降解;另一更有可能的解释是，细胞自噬会下调ROS的产生，进而抑制炎症小体［10］。在自噬相关基因如ATG5、ATG7、ATG12和ATG16L1缺失的细胞中，细胞自噬不能正常进行，这导致线粒体的不正常积聚，造成ROS的释放增多。ROS能够被固有免疫细胞内的炎症小体识别，释放促炎因子，引起炎症反应［8］。细胞自噬可以减少线粒体的聚集和清除泄漏的线粒体和过氧化物酶体，以此对胞内ROS起到负调控作用。说明ROS激活自噬可能是一个负反馈调节机制。

此外，细胞自噬还能通过促进凋亡细胞的清除而弱化炎症反应。最近的研究发现，在细胞凋亡阶段，细胞自噬也是会被激活的。当发育进程中需要清除大量细胞时，细胞凋亡被频繁地激活。这样的细胞自噬在凋亡细胞清除的作用中具有重要意义［11］。假如缺失或者抑制这些细胞自噬，凋亡细胞的清除就会不足，会导致死亡细胞发生次级坏死［12］。坏死的细胞与凋亡细胞不同，是炎症反应的强力诱导因素。所以，细胞自噬的激活通过阻止次级坏死的发生而下调炎症反应。

3 细胞自噬在机体抗感染中的作用

来源于病原体的PAMP通过TLR等受体诱导细胞自噬的现象，激发人们探索细胞自噬在抗感染免疫中的作用。研究显示，细胞自噬通路以及自噬相关蛋白在多细胞生物抵抗病毒、细菌和原生动物感染中发挥重要作用［2］。在果蝇中，自噬相关基因的突变增加其对病毒和细菌感染的敏感性［13］。通过筛选果蝇的9种Toll分子的研究显示，依赖于Toll-7的细胞自噬是果蝇抗水疱性口炎病毒(vesicular stomatitis virus，VSV)所必需，Toll-7沉默的果蝇不能抵抗非致死性VSV的感染;而VSV在细胞表面与Toll-7发生作用诱导细胞自噬，不依赖于经典的信号通路［14］。同样，ATG5缺失的巨噬细胞和鼠胚胎成纤维细胞应对单链RNA病毒感染而产生的I型干扰素增加［10］。针对感染的干扰素的放大作用，可归因于因自噬过程受损而致的线粒体质控缺位及线粒体ROS产生增强［10］。另一方面，病毒通过抑制细胞自噬而降低细胞的抗性，如mTOR的激活和细胞自噬的抑制在人乳头瘤病毒16感染角质细胞的早期阶段发挥关键作用［15］;Ⅰ型单纯疱疹病毒通过其Us11蛋白与蛋白激酶PKR相互作用抑制细胞自噬［16］。然而，自噬相关蛋白介导的体内抗感染效应的确切机制尚不够清楚。

4 细胞自噬在炎症性疾病中的作用

细胞自噬在炎症性疾病中的作用研究较多，以克隆氏病为例，介绍细胞自噬与炎症性疾病的关系。克隆氏病是一种慢性炎症性肠炎，其特点是小肠上皮中出现炎症、溃疡及粒细胞进入，其发病机制尚不清楚，但可能与过度的炎症反应、Paneth细胞颗粒分泌异常以及胞内细菌清除受损相关［17］。最新的研究提示细胞自噬与克隆氏病存在关联［18］。人类全基因组关联研究揭示，自噬相关基因(如ATG16L1)和其他已知影响自噬过程的基因中的微小单核苷酸多态性位点，与克隆氏病的易感性有相关性［19－22］。首先发现的是，自噬相关的ATG16L1基因存在一个T300A的变异体，为克隆氏病相关危险因子［20］。ATG16L1在自噬小体形成中发挥关键作用，遗传删除ATG16L1能损害自噬小体的形成以及蛋白通过自噬途径的清除，而且还导致TLR激动剂诱导的巨噬细胞促炎因子分泌的增强［9］，葡聚糖硫酸钠诱导的结肠炎加重［9，23］，以及 Paneth细胞炎症基因转录谱的改变［23－24］。小鼠ATG16L1基因突变导致与克隆氏病的病理相似的异常［2］。从携带克隆氏病相关的ATG16L1(T300A)危险变异体病人中分离的树突状细胞，其提呈细菌抗原至CD4+T细胞的途径存在缺陷［25］。

然而，目前仍然不清楚T300A突变如何影响哺乳动物ATG16L1蛋白的功能。我们发现存在T300A突变的前列腺癌LNCaP细胞其细胞自噬的通路是完整的［26］，提示T300A突变并不会明显影响经典的自噬通路。ATG16L1的T300A突变位于羧基端的WD重复结构域，该结构域在酵母ATG16中不存在，而且不是自噬所必需［2］。尽管有些研究提示，ATG16L1(T300A)突变体能降低某些肠道病原菌经自噬途径清除，然而ATG16L1(T300A)危险变异体与保护性ATG16L1等位基因之间是否存在稳定性或抗菌自噬活性的差异，仍然有争议［2］。进一步的研究需要阐明T300A突变的ATG16L1蛋白的功能，从而了解ATG16L1(T300A)危险突变体蛋白在克隆氏病的病理进程中的作用。

5 结语

细胞自噬对炎症反应有重要的调控作用，而炎症反应也能影响细胞自噬。细胞自噬不仅影响感染性疾病的缓解和炎症性疾病的病理过程，而且在无细菌感染的组织损伤诱发的炎症反应中也能发挥抗炎效应。虽然细胞自噬与炎症反应的相互作用的现象及部分通路已有初步了解，但涉及的更为具体的信号通路尚不清楚。未来将基因组和蛋白质组学的研究策略应用于细胞自噬和炎症的研究［2］，有助于深入了解细胞自噬在炎症和免疫应答中的作用机制，可望开辟操纵细胞自噬治疗炎症性疾病的新途径。

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