缺血缺氧导致心肌自噬的分子机制*

李兴岳 郭润民 梁伟钧

缺血缺氧导致心肌自噬的分子机制*

李兴岳①郭润民①梁伟钧①

自噬是自噬是细胞维持内环境稳态的重要方式之一，在各种生命活动中扮演着十分重要的角色。在能量缺乏或者缺血缺氧的情况下，通过自噬能够提供能量的中间产物以及降解异常的细胞器以维持细胞的正常生理活动。适当的自噬保护了在缺血缺氧情况下的细胞。本文在缺血缺氧情况下导致的心肌自噬的分子机制作一综述。

自噬； 缺血； 缺氧； 心肌细胞； 分子机制

自噬（autophagy）是由 Ashford和Porter在1962年发现细胞内有“自己吃自己”的现象后提出的，是指具有双层膜结构的自噬小泡将损害的蛋白或细胞器包裹后送至溶酶体中降解并完成细胞器更新的过程［1］。

1 自噬的过程

细胞自噬主要包括3类：微自噬（microautophagy）、巨自噬（macroautophagy）和分子伴侣介导的自噬（Chaperone-mediated autophagy）。其中大自噬就是通常所说的自噬。自噬的发生一般经过4个阶段：首先发生的是自噬膜的发生，即是当自噬信号传至细胞时，在胞浆形成一个扁平的膜结构，并不断扩张，类似于脂质体，像一个由2层脂双层组成的碗，被称为自噬膜，这是细胞自噬的证据。其次是自噬体的形成，其过程是自噬膜继续延伸，形成一个球状自噬体，把胞浆需要降解的东西包裹。这是自噬发生的证据之二。再次是自噬体的运输、融合，在这一过程中，形成的自噬体可与胞浆中的溶酶体、吞噬泡等融合，形成一个大囊泡，当然，这些情况在自噬过程不一定都经过。最后的阶段是自噬体的降解。这个过程就是将废物再利用。形成的自噬体与溶酶体融合，自噬体内容物会降解形成营养物质再次输送至胞浆为细胞提供养分，而不能利用的废物则可能被输送至胞外或者直接留在胞浆中。

2 缺血缺氧诱导心肌自噬的分子机制

2.1 缺氧诱导因子（HIF-1）与缺血缺氧导致的心肌自噬 缺氧诱导因子是哺乳动物机体功能在缺氧条件下一个非常重要的转调节因子。于1992年Semenza和Wang首先发现的，随后确立了HIF-1的结构。在正常发育或者病理的细胞中，当其氧张力改变时，细胞的部分调节是由HIF完成的。HIF是DNA结合转录因子，通过转录激活多种基因编码的蛋白质，在缺氧的情况下减轻缺氧对细胞的损伤。人类有3种不同的亚型：HIF-1α，由HIF-1A编码的；HIF-2α，由内皮PAS1编码的；和HIF-3α，它是由复合物HIF-3a剪接变异体的表达。HIF活性主要是通过翻译后修饰和HIF-1α和HIF-2α蛋白质的稳定性控制。HIF-1主要是由HIF-1α和HIF-1β两个亚单位构成的异源二聚体。在缺氧状态下，1α和1β亚基结合形成有活性的HIF-1，并调节细胞核中多种基因转录。从基因调控研究中可见，心肌缺血时HIF-la表达增多主要对心肌起保护作用。Czibik等［2］研究通过预处理转染HIF基因至小鼠的股四头肌，形成小鼠心梗模型观察心梗面积可发现经过预处理的心梗面积减少以及心功能改善。Cai等通过小鼠肢体缺氧再灌注预处理观察小鼠心肌梗死模型，发现小鼠心肌梗死面积缩小，其可能与HIF-1a激活相关，其诱导剂可能IL-10［3］；Zhao等［4］发现经低氧后处理诱导的低氧诱导因子-1α表达上调减轻H9c2心肌细胞低氧/复氧损伤。从动物和细胞缺血缺氧模型中均可发现HIF-la参与了心肌缺血预处理的保护作用。

2.2 AMPK与缺血缺氧导致的心肌自噬 AMPK，丝氨酸/苏氨酸激酶，在真核生物中广泛存在，目前研究发现冠心病、糖尿病等多种疾病的发生、发展均与AMPK异常有关。AMPK是由催化亚基a和调节亚基β、γ组成的异源三聚体。AMPK作为一种提高AMP和ADP的能量传感器［5-6］。在营养缺乏的情况下，AMPK能通过抑制代谢和分解途径激活储存的能量［7］。AMPK是能够通过2个独立的机制促进启动自噬：1）抑制mTORC1通路和2）（ULK-1）磷酸化（自噬启动复杂物）。在第1种情况下，AMPK可以通过磷酸化或TSC2调节mTORC1的活性。TSC2通过磷酸化增加GAP的活性引起GTP酶的失活［5，8］。在第2种情况下，最近的研究已经表明AMPK磷酸化和激活自噬的主要诱因是ULK1。Ulk1是许多其他的调节蛋白，包括Atg13，FIP200和Atg10，包括ULK1复杂物。其中ULK1复合物活动依靠其磷酸化状态，需取决于细胞的营养条件。研究表明，Ulk1复杂物的活动也受mTORC1调节。营养丰富条件，mTORC1激活磷酸化Ulk1和Atg13，从而抑制ULK1激酶的活动。相反，在营养不足的情况下mTORC1失活，从而阻止它的激活磷酸化的ULK1［9-10］。氧和葡萄糖剥夺处理心脏组织都能刺激AMPK活性。一旦激活AMPK活性，上调自噬途径刺激细胞代谢的糖酵解增加糖的摄入量［11-12］。有学者通过研究白藜芦醇，发现其可以通过AMPK增强自噬作用来保护缺血的心肌，其途径可能与抑制mTORC1通路相关［13］。

2.3 mTOR与缺血缺氧导致心肌自噬 mTOR是一种在真核生物中广泛存在丝/苏氨酸蛋白激酶，且其结构十分保守。mTOR属于PIKK超家族，最先在酵母中被发现。mTOR信号通路在酵母中的作用主要是通过感受酵母自身的营养状况控制细胞的生长，在适宜条件下mTOR通路就会被激活促进酵母细胞的生长和出芽。mTOR通路最初在研究调控细胞生长与增殖时发现mTOR信号通路是其中的一个关键通路，可对细胞外包括生长因子、胰岛素、营养素、氨基酸、葡萄糖等多种刺激产生应答，并将其信号传至细胞，调节细胞的生理过程，其中包括细胞器的自我降解、蛋白质的合成和分解等。mTOR表现为两种不同的复合物形式：第1种为对雷帕霉素敏感的mTOR复合物1（mTOR complex1，mTORC1），第2种为对雷帕霉素不敏感的mTOR复合物2 （mTOR complex 2， mTORC2）。而mTORC1直接通过生长因子信号转导通路感知营养物质，另外，限制生长的细胞同样也能激活mTORC1；mTORC2尚未了解清楚，似乎只感知生长因子。mTOR信号作为控制细胞的代谢和能量平衡的重要通路，若该通路调节失衡可引起自噬过程的不可控制，并能引起如癌症、冠心病、高血压等疾病的发生［14］。mTOR通路在自噬中最为复杂，在肿瘤领域报告较多，经典途径是主要通过P13K/Akt/mTOR途径来实现对自噬的调控作用［15］。为了调节细胞生长，mTORC1通过直接磷酸化两个蛋白质翻译的调节器，p70-S6 kinase 1（S6K1）和4E binding protein 1（4E-BP1）［16］。另外，mTORC1还通过直接磷酸化激酶UNC-51-样（ULK1）负调节自噬控制细胞生长［17］。相比mTORC1，目前研究发现mTORC2的功能和调节相当少。生长因子激活mTORC2至少部分是通过PI3K信号通路，但机制不明［18］。在缺血缺氧的研究中，Zhou等［19］研究发现通过给予芪苈强心1 d后发现，小鼠的心肌梗死面积相比对照组明显减少，免疫蛋白印迹结果表明心肌梗死面积的减少可能与mTOR通路激活有关。

2.4 线粒体自噬与缺血缺氧导致的心肌自噬 线粒体自噬是指机体通过自噬的方式降解或者清除受损和无用的线粒体的一个过程。线粒体影响细胞的存活［20］。线粒体的功能有很多，包括能量转换、细胞增殖与细胞代谢的调控、控制细胞程序性死亡等。所以，线粒体受损可对细胞有害，可造成多种疾病的发生，如心衰、老年痴呆症以及癌症［21-22］。为了维持细胞的生理功能，线粒体自噬可以去除损伤或者无用的线粒体。线粒体为机体最为重要的细胞器之一，因此深入研究有维持线粒体功能的线粒体自噬的分子机制是目前细胞自噬的焦点。目前认为，几种蛋白质受体，包括酵母Atg32以及哺乳动物系统NIX/BNIP3L、BNIP3和FUNDC1都在线粒体自噬中直接发挥作用。其中Atg32与Atg8及Atg11在线粒体表面发生相互作用［23-25］，促进了核心Atg组装以实现线粒体自噬［26-27］。NIX/BNIP3L、BNIP3和FUNDC1则通过LC3互作区域（LIR）直接结合LC3（哺乳动物中Atg8同系物）来激活线粒体自噬［28-29］。

2.5 内质网自噬与缺血缺氧导致的心肌自噬 内质网自噬是指细胞内受损的内质网或无用内质网片段被细胞自噬选择性清除的过程。内质网自噬作为选择性自噬研究的新领域，目前研究尚未十分清楚。Bernales等［30］通过电镜证实内质网自噬的存在。内质网自噬主要通过两种途径选择性将内质网选择性清除。第1种途径是自噬体识别并吞噬从内质网脱离的含有未折叠的蛋白的内质网片段；第2种途径是自噬体直接包裹破损的内质网。内质网作为细胞内分泌蛋白和膜蛋白的折叠、加工和修饰的一种重要细胞器。当内质网的受到某种破坏，可引起一系列改变，例如消除未折叠蛋白反应、内质网应激以及内质网自噬等。如果内质网中仍存大量未能及时折叠的蛋白或者因某些原因而错误折叠的蛋白时，内质网无法及时修复便可损失内质网，继而激活细胞的消除未折叠蛋白反应。而在内质网膜上分布了3个应激传感蛋白，它们参与了消除未折叠蛋白反应，分别是肌醇依赖酶1α（IRE-1α）、激活转录因子6（ATF6）和蛋白激酶样内质网激酶（PERK）。当内质网在接受信号开始消除未折叠蛋白反应时，会激活内质网膜上的应激传感蛋白，从而减少或降解未折叠的蛋白并改善蛋白折叠功能［31］。当UPR无法明显改善内质网功能时，细胞就会激活内质网自噬，并导致细胞激活自我保护机制，如增强蛋白折叠能力，加速蛋白质的降解等方式去除异常蛋白［32］。内质网自噬可以清除损伤的内质网和错误加工的蛋白以维持细胞内稳态［33］。内质网自噬是个十分复杂的过程，可伴随其他自噬共同存在，取决于自噬处于哪个阶段。内质网和核糖体功能相似，当细胞出现异常的核糖体时，可激活核糖体自噬以避免蛋白质翻译错误。同样，线粒体作为维持机体稳定的重要细胞器，当细胞稳态失衡时，常会伴有线粒体自噬。Rubio等［34］在研究小鼠纤维肉瘤L929细胞内质网自噬的时候发现当ROS诱导的内质网产生损伤6 h后，在电镜下观察自噬体，其内含的破损的内质网的数量明显多于所包含的线粒体的数量，但此时的线粒体的形态也同样发生变化。而当ROS损伤16 h后，自噬体含有的内质网的数量却明显少于线粒体的数量。这提示在ROS损伤小鼠纤维肉瘤L929细胞的早期，内质网自噬占主要作用，而随着内质网自噬作用的不断增强，内质网通过传递磷脂氢过氧化物损伤附近线粒体，从而激活线粒体自噬，因而在后期线粒体自噬占主导作用。内质网自噬是当前研究的热点，但是仍有很多问题没有解决。在缺血缺氧的心肌中，内质网损害是必然的，通过研究内质网自噬的机制有可能用于保护缺血缺氧心肌。

3 问题与展望

综上所述，心肌自噬参与缺血缺氧情况下心肌所出现的生理病理改变，在一定程度保护缺血缺氧所致的心肌损害，其可能HIF，mTOR，AMPK，线粒体自噬和内质网自噬等机制相关。虽然自噬的研究不断深入，但目前对缺血缺氧所致的心肌细胞自噬的具体分子机制仍不十分清楚，仍进一步研究。调控心肌自噬，研究其具体的保护心肌的机制可能为缺血缺氧所致的心肌损害提供治疗思路。

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The Molecular Mechanism of Myocardial Autophagy Induced by Ischemia and Hypoxia

LI Xing-yue，GUO Run-min，LIANG Wei-jun.//Medical Innovation of China，2015，12（36）：153-156

Autophagy is one of the important ways to maintain cellular homeostasis and plays a very important role all kinds of life activities. In the absence of energy or in the case of ischemia and hypoxia， It would maintain the normal physiological activity of the cells via autophagy which can provide the intermediate product for the energy and degrade the abnormal cells . Appropriate autophagy protects cells in the condition of ischemia and hypoxia. In this article， we summarize the molecular mechanism of myocardial autophagy caused by ischemia and hypoxia.

Autophagy； Ischemia； Hypoxia； Myocardia； Molecular mechanism

10.3969/j.issn.1674-4985.2015.36.050

2015-08-18） （本文编辑：蔡元元）

广东省科技计划项目（20110316）

①广东医学院附属医院 广东 湛江 524000通信作者：梁伟钧

First-author’s address：Affiliated Hospital of Guangdong Medical College， Zhanjiang 524000 ，China