自噬在肝脏脂质代谢中的意义及其与胰岛素抵抗的关系

汪 雯，牛春燕

西安医学院第一附属医院消化内科，陕西 西安 710077

自噬是细胞对代谢应激和环境变化的一种适应性反应，通过一种溶酶体降解途径，将细胞质内的成分包括损坏的蛋白质、脂质、糖类、衰老和功能异常的细胞器、多余的细胞质甚至病原体降解或去除，以保证细胞的生存，维持细胞的稳态。自噬是哺乳动物细胞降解和回收利用大分子和细胞器(即自我降解)的主要代谢通路，是三大经典细胞死亡途径之一。自噬缺陷或自噬过度耗竭与人类多种疾病有关，近期研究发现了自噬在脂肪代谢中的作用。由于肥胖症在全球的流行，肥胖症相关疾病如代谢综合征(metabolic syndrome，MS)、2 型糖尿病(T2DM)、非酒精性脂肪肝(non-alcoholic fatty liver disease，NAFLD)等逐年递增，76%的肥胖、几乎100%的病理性肥胖，以及80%的T2DM合并 NAFLD，而21% ～45%的 NAFLD合并T2DM，NAFLD已被公认为代谢综合征的肝脏表现和肝脏结局，以及糖尿病及心血管疾病的独立危险因子，而所有这些代谢紊乱又均与胰岛素抵抗(insulin resistance，IR)、脂质代谢紊乱密切相关[1]。

本文回顾了自噬的研究历史、NAFLD的研究现状，并对自噬及其在肝脏脂肪代谢中的作用作一综述，以期对代谢综合征及其相关脂肪性肝病的发病机制能够进一步了解。

1 自噬及其机制

经典的形态学意义上的细胞死亡(程序化细胞死亡，PCD)主要有3种形式:Ⅰ型(凋亡性细胞死亡)、Ⅱ型(自噬性细胞死亡)及Ⅲ型(坏死性细胞死亡)。凋亡和坏死均导致细胞不可逆性死亡，而自噬的结局则是促进细胞存活。自噬最早是由Ashford和Porten于1962年用电子显微镜在人的肝细胞中观察到的一种现象[2]。自噬有两大基本功能:①在营养供应受限情况下，产生为维持细胞的能量内稳态、保持细胞健康所需的底物;②清除衰老、损伤或多余的细胞器，降解细胞内成分，促进长寿蛋白和细胞器、大分子物质的循环和再利用。自噬与肿瘤发生、神经退化性疾病、心肌病、克罗恩病、脂肪肝、2型糖尿病以及衰老有关，并且具有抵御细胞内病原、抗原呈递功能[3]。

自噬过程从机制上可分为一系列不同的步骤:诱导、载体的识别与选择、自噬体囊泡形成、自噬体-空泡融合，自噬体崩解，以及降解产物重新释放进入细胞质[4]。迄今研究揭示，在自噬的分子机制中，参与自噬体形成的蛋白质和多分子复合物有:PI(3)-结合蛋白、PI3-磷酸酶类、Rab蛋白、Atg1/ULK1蛋白激酶复合体、Atg9·Atg2-Atg18复合体、Vps34-Atg6/beclin1Ⅲ型PI3-激酶复合体及Atg12和Atg8/LC3共轭系统。自噬－溶酶体系统和泛素样蛋白酶体系统是2种主要的蛋白降解系统。自噬的信号通道调节包括营养信号、胰岛素/生长因子通路、能量感知、应激反应、病原体感染等[5]。

2 自噬在肝细胞脂质代谢中的作用及机制

2.1 自噬与肝脏脂质代谢紊乱 除了上述基本功能外，近年在代谢综合征及其相关脂肪肝、脂代谢异常领域的研究中发现了自噬的其他功能:(1)作为一种重要调节因子参与肝细胞内脂质贮存的降解和脂质代谢[6]，在脂肪肝(fatty liver disease，FLD)的发生、发展中有重要病理生理意义[7];(2)生长和分化，代谢调节，作为营养缺乏状态下的另外一种能量来源，参与维持脂肪稳态[8];(3)胰岛素敏感性[9]。

自噬是一个复杂而高度调控的过程，需要30多种自噬相关蛋白参与。免疫荧光双标记研究显示的脂滴和TG的结构蛋白与自噬的标志物－自噬体相关蛋白LC3(micro-tubule-associated protein 1 light chain 3，MAP1-LC3)的共定位，证实了脂滴与自噬体的直接关系即自噬参与脂滴的代谢。在不存在脂质聚积刺激时，脂滴/LC3共定位在溶酶体抑制的情况下更加显著，支持自噬在脂滴代谢中的调节功能。LC3的表达强度与自噬泡数量的多少呈正相关，当哺乳动物细胞内发生自噬时，细胞内LC3的含量明显增加。因此，LC3被认为是自噬体的标志分子，通过检测细胞内LC3的含量，可以判断细胞状态，判断其自噬是被诱导还是被抑制[10]。另外一种自噬相关基因Beclin1基因也称BECN1基因，是酵母自噬相关基因Atg6的同系物，也是哺乳动物中最早发现的参与自噬的特异性基因，主要通过与磷脂酰肌醇-3-激酶(phosphatidylinositol-3-kinase，PI3-K)形成复合体来调节其他的Atg蛋白在自噬前体结构中定位，调节自噬活性[11]，其表达强度与自噬活性密切相关。通过免疫印记检测Beclin1的表达水平，结合其他生化指标，可对细胞的自噬活性进行动态监测和判断。

对培养的肝细胞用3-甲基腺嘌呤(3-MA)干预，或用针对自噬相关基因Atg5和Atg7的RNA进行干扰，或将自噬相关基因Atg5敲除，使细胞的自噬被抑制或缺失后发现，与对照组比较肝细胞内脂质负荷(TG聚积)增加;电镜下也发现细胞内脂滴数量的体积也显著增加。哺乳动物在饥饿情况下，自噬可被诱导，继而发生脂质的降解功能;而当肝细胞被给予生脂刺激(如生脂培养基、去胆碱培养基、甲硫氨酸培养基)时，将会出现甘油三酯(triglycerides，TGs)的聚积。体实验发现，延长培养肝细胞/鼠高脂肪营养/饮食的时间后，这些模型系统内即存在细胞内贮脂的自噬代谢下调甚至衰竭。以上结果提示，自噬的上调有利于促进肝脏脂肪的清除，而下调则促进脂质的聚积[12];高脂肪饮食、肥胖情况下肝细胞内脂质积聚反过来也会负性调节自噬活性即下调自噬，自噬的下调或减弱又进一步加重了肝细胞内的脂质聚积，形成恶性循环[13]，这或许可以解释肥胖人群为何易患FLD。

2.2 肝脏脂质代谢紊乱与IR IR是指靶组织对胰岛素的反应不敏感，使得胰岛素促进葡萄糖的摄取和利用的生物学效应低于预计正常水平，胰岛β细胞代偿性超量分泌胰岛素的一种状态，表现为高胰岛素血症伴代谢应激综合征[14]，IR最初是细胞在应激状况下的一种生理性反应，此时其功能主要为参与代谢，但当IR持续存在并成为系统性时则演变为病理状态[15]，IR已成为贯穿多种代谢相关疾病的主线和共同病理生理基础，与多种病理状态相关:心血管疾病(CVD)、高血压、多囊卵巢综合征(PCOS)、血脂紊乱、高血糖、T2DM、肥胖、NAFLD等。

肝脏是脂肪、葡萄糖、蛋白质代谢的中心器官，而且是胰岛素效应的终末器官，在胰岛素信号控制之下(与胰岛素自身受体结合)维持碳水化合物稳态、机体的系统性能量稳态中起着关键的调节作用，胰岛素可促进脂质合成、抑制脂质降解，也可通过间接抑制来自由脂肪组织向肝脏转运的血清游离脂肪酸(FFA)而抑制极低密度脂蛋白(VLDL)的产生，当肝脏胰岛素信号缺陷及IR发生时将严重影响能量平衡和代谢[16]。肝脏脂肪沉积是由于肝脏内TGs的供给、合成与消耗和氧化、清除之间的平衡发生了紊乱。在外源性高脂饮食、内脏肥胖(脂肪组织是最大的游离脂肪酸供给源，游离脂肪酸促进肝脏和肌肉IR，而且产生大量炎性因子，加剧脂质代谢紊乱)、营养过剩等情况下，FFA增加，导致FFA向肝脏转移的瀑布式效应，VLDL产生增多、高密度脂蛋白(HDL)产生减少，当FFA从血浆摄取并且重新合成超过FFA氧化和以甘油三酯形式从肝脏输出时，合成的TG不能形成VLDL分泌入血而聚集在肝细胞内，在细胞内FFA以及促炎因子、细胞因子、线粒体功能障碍共同作用下，引起氧化应激并导致:①骨骼肌葡萄糖摄取减少、肝糖原合成增加、β细胞功能障碍，胰岛素活动中断，高血糖症;② 肝脏内的FFA通过抑制胰岛素诱导的糖原分解和糖原异生抑制作用，促进肝脏IR产生→胰岛素清除减少，肝糖原合成增多，上述葡萄糖和脂质代谢紊乱使肝脏脂质过度合成[17];③ 肝细胞凋亡、星状细胞活化及后继的炎症、肝纤维化、肝硬化[18]。Tatarczyk 等[19]经过系列研究后认为肝脏脂肪变可能是导致肝脏IR的直接原因，其机制可能与线粒体脂肪酸β氧化速率增加从而加重ROS产生即氧应激有关。

2.3 自噬在IR与肝脏脂质代谢之间可能的关联作用 磷脂酰肌醇-3-激酶(phosphatidylinositol-3-kinase，PI3-K)途径是胰岛素信号四大经典通路中的一个重要途径，参与调节胰岛素的糖、脂、蛋白质代谢效应[20]，最近研究发现，PI3-K途径同时也是参与自噬调节脂质代谢的重要途径[21];肝脏自噬不仅严重抑制饮食诱发的肥胖和糖尿病鼠及遗传性肥胖/糖尿病鼠(ob/ob，db/db)模型的饮食(表现为＞90%的Atg相关蛋白LC3、Beclin-1、Atg5 和 Atg7 的严重下调)，而且显著削弱上述动物模型体内的胰岛素敏感性[22]，表明自噬与胰岛素抵抗密切相关[23]。那么，自噬在脂质代谢与胰岛素敏感性之间(生理性)、FLD与IR之间(病理性)很可能起到一种重要的关联作用，这种关联又将影响肝脏脂质代谢及FLD的发展和预后。

3 自噬在代谢性疾病治疗中的潜在应用前景

FLD是一个由单纯性脂质积聚(脂肪变)到炎症及细胞损伤的连续过程，在慢性持续炎症、氧化应激/脂质过氧化、代谢应激损伤等状态下，细胞内脂滴被自噬体隔离后运送至溶酶体并与其融合，最后被降解的效率明显下降。此时肝细胞自噬功能的减弱不仅促进炎症发生，而且因抵御细胞死亡的自噬性保护功能丧失而导致肝脏损伤和脂肪性肝炎的进展[15，24]。自噬与肝脏脂质之间的动态相互联系(dynamic cross-talk)直接指向了代谢综合征的肝脏表现NAFLD。长期摄入富含脂肪饮食，导致血浆及肝细胞内脂质过度聚积，将可能削弱自噬功能。那么在肝脏脂肪变时，自噬能否能起到一种中心作用，即不仅防御脂肪变而且能够阻断脂肪性肝炎和终末期肝病的发展?自噬是细胞对于环境变化的有效反应，对新陈代谢起着十分重要的作用，提高细胞对低氧的耐受力，保护细胞免于凋亡和坏死的危险。然而，过度自噬或衰竭的自噬也会引起细胞的损伤或死亡或其他病理生理过程[13]。因此，自噬对细胞、组织的作用具有两面性，是敌是友可能取决于疾病进展的不同阶段、细胞周围环境的变化，甚至决定了治疗干预措施的不同。

鉴于自噬与肝细胞脂质代谢的密切关系，明确自噬活性在NAFLD发病中的动态变化，关乎NAFLD的发病机制及潜在的靶向治疗可能性。自噬作为一重要的细胞活动被用于维持能量稳态，为治疗脂质过度积聚和自噬功能减弱的相关代谢性疾病如FLD提供了新的途径。因此，若能发现自噬过程中每一步或某几步的特异性关键分子靶向，则有望开辟肥胖相关代谢性疾病的靶向治疗药物研发新领域。

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