自噬——脑缺血损伤中的双刃剑

李巍巍，王群，郭安臣，王拥军，李俊发

卒中具有高患病率、高复发率、高致残率和高死亡率的特点，目前已成为世界公认的第三大致死性疾病[1-2]。卒中分为出血性和缺血性两大类，其中发病率较高的为缺血性卒中，占卒中总数的60%～80%[3]。近20年监测结果显示，我国约有700万缺血性卒中患者，年死亡人数逾200万，且年增长速率达8.7%。缺血性卒中急性期治疗的主要有效手段为发病4.5 h内给予重组组织型纤溶酶原激活剂（recombinant tissue plasminogen activator，rt-PA）溶栓，但由于受时间窗限制，即使像美国这样医疗发达的国家，也只有3.4%～5.2%缺血性卒中患者有机会接受rt-PA溶栓治疗[4]。此外，到目前为止已超过2000种神经保护性药物临床前期试验失败。为此，开发用于缺血性卒中治疗的新药物、新靶点是一项亟待解决的工作。Wen等[5]研究表明，细胞自噬在脑缺血后激活且可能成为一种治疗缺血性卒中的新靶点。但自噬和脑缺血之间的关系仍存在争议，如Carloni等[6]研究表明，自噬的激活可以对抗神经元死亡，但Koike等[7]则发现细胞自噬具有更大的破坏性作用。据此，本文主要介绍细胞自噬在脑缺血/低氧损伤中的作用及其可能的信号转导通路。

1 细胞自噬及其信号通路简述

自噬是真核细胞广泛存在的降解/再循环系统，细胞通过自身形成的囊泡，吞噬胞质内变性蛋白质和细胞器，通过微管相关蛋白，以动力依赖性的方式转运至溶酶体并与之融合，降解其所包裹的内容物，是一种通过蛋白质和受损细胞器重复利用来维持细胞稳态的过程[8-9]。根据细胞内底物运送到溶酶体腔方式的不同，哺乳动物细胞自噬可分为3种主要方式：巨自噬、微自噬和分子伴侣介导的自噬[10-11]。巨自噬指细胞受到信号诱导后，在胞内产生双层膜，膜包裹部分细胞质和需要降解的细胞器及蛋白质形成自噬体，双膜结合囊泡与溶酶体融合形成自噬溶酶体随后降解蛋白质。微自噬指溶酶体直接吞噬胞质成分的一种方式。分子伴侣介导的自噬指通过一些分子伴侣如热休克蛋白70（hot shock protein，HSP70）帮助未折叠蛋白转位入溶酶体，参与自噬。分子伴侣介导的自噬具有高度选择性，不能降解细胞器，只能降解特定蛋白，如HSP70识别底物蛋白分子的特定氨基端序列并与之结合，分子伴侣-底物复合物与溶酶体膜上的受体溶酶体相关膜蛋白2A（lysosome-associated membrane protein 2a，LAMP-2A）结合后，底物去折叠，溶酶体腔中的另外一种分子伴侣介导底物在溶酶体膜的转位，进入溶酶体腔中的底物在水解酶作用下分解为其组成成分，被细胞再利用（图1）。

2 自噬与脑缺血损伤

自噬在脑缺血后数小时内发生，Zhu等[13]在小鼠低氧暴露及缺血（hypoxic ischemia，HI）损伤8 h后，检测到自噬体标志分子微管相关蛋白1轻链3（microtubule-associated protein 1 light chain 3，LC3-Ⅱ）表达的增加及大量自噬体形成，24～72 h尤为明显。Xia等[14]在大鼠脑缺血预适应（ischemic preconditioning，IPC）模型中发现IPC可通过诱导细胞自噬来减轻缺血损伤，而3-甲基腺嘌呤（3-methyladenine，3-MA）可通过抑制细胞自噬，解除IPC的神经保护作用。同样Yan等[15]也发现，细胞自噬参与高压氧预适应对大鼠缺血脑组织的保护作用。Yang等[16]也发现传统中药雷公藤甲素在大鼠局灶脑缺血后的神经保护作用也是通过上调自噬水平而实现。

图1 自噬的3种方式[12]注：LAMP-2A：溶酶体相关膜蛋白

但也有研究提出相反的结论认为细胞自噬加重缺血性卒中的损伤。Gao等[17]在大鼠缺血后适应模型中使用雷帕霉素诱导自噬，发现雷帕霉素抑制了缺血后适应诱导的脑保护作用。Puyal等[18]在大鼠脑局灶性缺血再灌注3 h内注射3-MA，梗死体积明显减小，因此，该研究认为局灶性脑缺血再灌注后，抑制自噬可以保护神经组织。Zheng等[19]运用核糖核酸干扰技术（（ribonucleic acid interference，RNAi），采用侧脑室注射连结有Beclin-1干扰片段的慢病毒载体技术，发现缺血大鼠脑内自噬相关分子Beclin-1表达下调，可减轻缺血性脑损伤。Koike等[7]证明，在小鼠缺血低氧模型中发现，LC3-II蛋白水平显著升高，海马锥体细胞层自噬体的形成和海马神经元广泛死亡，而Atg7基因（诱导自噬的必需基因）缺陷小鼠的神经元死亡显著减少，由此认为自噬导致神经元损伤。Yang等[20]在小鼠局灶缺血模型中抑制小胶质细胞自噬可减轻神经炎症反应，改善小鼠神经功能缺失的评分，该研究同样支持自噬加重神经元损伤的观点。Wu等[21]报道也指出，电针刺预适应所产生的对缺血损伤的耐受性也是因为自噬被抑制。近年来关于自噬的研究逐年增加，它在脑缺血中发挥的作用已引起广泛关注，尽管其作用可能是对神经元的保护也可能是加重损伤，但无论如何，基于自噬的研究都将为卒中治疗提供新思路。

3 自噬在脑缺血损伤中可能参与的信号通路

脑缺血可以激活多条信号通路并随之伴发自噬。哺乳动物雷帕霉素靶蛋白（mammalian target of rapamycin，mTOR）是一种分子量为289kDa的丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶，通过与不同的辅助分子结合参与调控转录、细胞骨架组装、细胞生长和存活等功能。Chong等[22]研究表明，PI3K/Akt/mTOR信号通路参与调控脑缺血过程中的急性神经损伤，PI3K磷酸化激活Akt使其磷酸化，抑制结节硬化复合物（tuberous sclerosis complex 1/2，TSC1/2）活化，TSC1/2失活后激活Ras蛋白脑组织同源类似物（Ras homolog enriched in brain，Rheb），mTOR随之被激活，自噬被活化的mTOR所抑制，PI3K由组件Ⅰ、组件Ⅱ和组件Ⅲ三部分组成，Beclin-1是组件Ⅲ中的组成成分，在自噬的起始阶段发挥重要作用，并通过与PI3K信号通路中的其他组分相互作用在脑缺血过程中激活自噬[23-24]。过氧化物酶体增殖物激活受体γ（peroxisome proliferatoractivated receptor-γ，PPAR-γ）作为核激素受体超家族中的一员，是配体激活的转录因子。PPAR-γ活化通过上调B淋巴细胞瘤相关蛋白2（B-cell lymphoma-2，BCL-2）/B淋巴细胞瘤特大型蛋白（B-cell lymphoma-extra large，BCL-XL）表达拮抗Beclin-1介导的自噬[25]。Bcl-2磷酸化激活自噬并减轻线粒体损伤[26]。

AMP活化蛋白激酶［adenosine 5’-monophosphate（AMP）-activated protein kinase，AMPK］是一种丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶，由3个亚基组成：α催化亚基、β和γ调节亚基。目前研究认为，α催化亚基包含的一个苏氨酸磷酸化位点，当其磷酸化时，激活AMPK，AMPK的激活抑制mTOR活性以诱导自噬[27-28]。

核因子κB（nuclear factor kappa B，NF-κB）是一种转录因子，调节多种基因的表达[29]。Li等报道，在脑缺血过程中NF-κB1（p50）敲除可抑制mTOR活性而增强自噬[30]。NF-κB依赖的p53信号转导途径也与脑缺血再灌后的自噬和细胞凋亡相关[31]。MAPK是mTORC1的上游调节因子，脑缺血/再灌注过程中 MAPK-mTOR信号通路也可诱导自噬[32]。

低氧诱导因子1（hypoxia-inducible factor 1，HIF-1）是由一个组成型表达的HIF-1β亚基和一个可诱导表达的HIF-1α亚基构成，在脑缺血期间响应于低氧激活的关键转录因子[33]。由于泛素化在低氧条件下被抑制，HIF-1α可与HIF-1β形成二聚体，这些二聚体激活低氧反应的若干下游基因，如血管内皮生长因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）、促红细胞生成素（erythropoietin，EPO）、葡萄糖转运蛋白1和糖酵解酶等[34]。Bcl-2和腺病毒E1B 19 kDa的相互作用蛋白3（Bcl-2 and adenovirus E1B 19 kDa interacting proteins 3，BNIP3）具有一个Bcl-2的同源结构域3（BH3），是Bcl-2家族的亚家族，也是HIF-1α的重要靶基因[35]。BNIP3可以和Beclin-1竞争结合Bcl-2，而Beclin-1则被释放出来而触发自噬[23]。BNIP3也可抑制mTOR的上游活化剂Rheb，最终通过抑制mTOR活性激活自噬。然而，这些因子的相关作用仍然需要在体内试验中证明[36]。HIF-1α也可通过上调另一靶基因——肿瘤蛋白p53在局部缺血后自噬激活中发挥重要作用[34]。

自噬样细胞死亡在神经系统氧化应激情况下被激活[37]。氧化应激发生在脑缺血过程，可引起活性氧自由基增多如超氧化物、羟基自由基和过氧化氢。Mehta等[38]研究报道，硒通过保护线粒体功能，减少活性氧生产和自噬而提供神经保护。自噬也被兴奋性毒性诱导[39]。虽然可兴奋性谷氨酸可阻断自噬，但也可能在海马神经元诱导自噬[40]。Ouyang[41]报道，脑缺血过程中内质网应激，当内质网周围的兴奋性神经递质达到毒性水平，钙离子通过兰尼碱受体和IP3R的激活而释放，从而导致线粒体内Ca2+超载，激活细胞凋亡，期间内质网应激，钙内流也可能激活自噬。

综上，总结自噬在脑缺血损伤过程中可能参与的信号通路如图2。

自噬是一把双刃剑：一方面过度的自噬可诱导自噬性细胞死亡，并与凋亡信号存在交互作用；另一方面自噬作为自体修复的重要过程，适度激活可能在受损细胞帮助清除受损的细胞器和异常蛋白、防止蛋白聚集，从而对细胞损伤起保护作用。尽管自噬在脑缺血损伤中的作用仍存在争议，但与自噬相关联的信号通路可能为制订新的神经保护策略提供潜在靶点。

图2 脑缺血/低氧损伤过程中可能参与自噬的信号通路注：HIF-1α：低氧诱导因子1；BNIP3：Bcl-2和腺病毒E1B 19 kDa的相互作用蛋白3；Beclin-1：哺乳动物同源的酵母自噬相关基因Atg6；p53：肿瘤蛋白p53；PPAR-γ：过氧化物酶体增殖物激活受体γ；BCL-2：B淋巴细胞瘤相关蛋白2；BCL-XL：B淋巴细胞瘤特大型蛋白；AMP：腺苷-5’-单磷酸；AMPK：AMP活化蛋白激酶；PI3K：磷酸肌醇3-激酶；Akt：蛋白酶B；NF-κB：核因子κB；ROS：活性氧自由基，ER stress：内质网应激；mTOR：哺乳动物雷帕霉素靶蛋白

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【点睛】

本文对自噬在脑缺血/低氧神经损伤中双重作用及其可能的信号通路进行综述。

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