自噬与PI3K—AKT/mTOR信号通路在足细胞损伤中的研究进展

于子凯 李刘生 张昱

[摘要] 自噬是广泛存在于真核细胞中的生命现象，是生物体在其发育、老化过程中都存在的一个净化自身多余或受损细胞器的共同机制，生命体通过自噬清除细胞废物、进行结构重建以维持蛋白代谢平衡及细胞环境稳定。足细胞是肾脏固有细胞，其损伤是导致肾病蛋白尿和肾小球硬化的重要原因。PI3K-Akt/mTOR是广泛存在于足细胞内的重要信号通路，对足细胞自噬有一定调控作用。本文旨在对PI3K-Akt/mTOR信号通路与足细胞自噬的关系进行综述，以期探讨足细胞损伤所致肾病蛋白尿和肾小球硬化的治疗靶点。

[关键词] 足细胞；自噬；信号通路；肾脏病

[中图分类号] R329.2 [文献标识码] A [文章编号] 1673-7210（2016）03（c）-0084-04

[Abstract] Autophagy is a life phenomenon widely exists in eukaryotic cells. It is the common mechanism of biosome that purify its excess or damaged organelle during the process of growth and aging. Organism can remove the cell waste by autophagy and reconstruct the structure in order to maintain the balance of protein metabolism and stable cell environment. Podocyte is the inherent cells of kidney. Podocyte injury is a major cause of nephrotic proteinuria and glomerular sclerosis. PI3K-Akt/mTOR is an important signaling pathway exists in podocytes， which has a certain role in the regulation of autophagy of podocyte. The purpose of this paper is to review the relationship between PI3K-Akt/mTOR signaling pathway and podocyte autophagy， in order to explore the therapeutic targets of proteinuria and glomerular sclerosis induced by podocyte injury.

[Key words] Podocyte； Autophagy； Signaling pathway； Kidney disease

足细胞是肾小球脏层上皮细胞，是一种高度分化的终末细胞，其作为肾小球滤过屏障的重要部分，通过抵消肾小球高强度的透壁膨胀力、分泌可溶性因子调控其他肾小球细胞来维持正常的肾滤过屏障功能，在免疫因子、肾毒物、缺血缺氧等各种理化因素刺激过程中，均会受到损伤或功能障碍，严重者出现细胞死亡，进而导致肾小球硬化、肾功能损伤[1]。自噬（autophagy）作为细胞内的再循环系统（recycling system），在细胞的生长、发育和疾病发生中起着重要的作用。自从2003年Asanuma等[2]发现足细胞的分化和损伤修复过程存在自噬现象，足细胞自噬在足细胞损伤发生、发展中所扮演的角色已成为新的研究方向。自噬功能失调可导致多种疾病的发生，包括肾脏疾病、肿瘤、感染性疾病和神经退行性疾病等，但肾脏疾病相关自噬研究，相对于肿瘤和神经学等学科仍然处于起步阶段[3]。因此，了解足细胞自噬机制以及相关信号传导通路的特点，为肾小球足细胞损伤所导致的肾脏疾病提供新的治疗靶点显得尤为重要。

1 自噬与足细胞

早在1962年，Ashford和Porter就提出“self-eating（自食）”，De Duve将这一生命现象命名为“autophagy（自噬）”。虽然50年前就开始对自噬进行了研究，但是自噬只是被认为一种正常的生理过程，并未得到人们的广泛关注。在生理状态下，自噬是细胞内的物质成分利用溶酶体被降解过程的统称，为真核细胞所特有的一种生命现象，细胞在细胞外（营养成分、缺血缺氧、生长因子浓度等）及细胞内（代谢压力、破坏的细胞器等）因素的诱发下，保持很基础的自噬活性，通过对受损细胞器等大分子物质进行降解，为合成新的蛋白质和更新细胞器提供所需的原料，维持蛋白代谢平衡及细胞内环境稳定[4]。根据细胞内底物运送到溶酶体腔内方式的不同，自噬分为微自噬（micro-autophagy）、巨自噬（macroautophagy）和分子伴侣介导的自噬（chaperone-mediated autophagy），其中，巨自噬最为普遍[5]。以巨自噬为例，其形成过程大致为：在各种因素诱导下，胞浆中降解物包裹类似“脂质体”样的杯状孤立双层膜结构形成自噬体，自噬体与溶酶体融合形成自噬溶酶体，最终自噬溶酶体被分解为其组成成分，释放入代谢再循环系统供细胞再利用。近年来又根据自噬对降解底物的选择性分为选择性和非选择性自噬，其中，选择性自噬可分为线粒体自噬（mitophagy）、過氧化物酶体自噬（pexophagy）、内质网自噬（reticulophagy）、核糖体自噬（ribophagy）[6]。各种方式的自噬在生理状态下是细胞的“管家”，均可以维持细胞内环境的稳定，促进细胞存活，然而，在疾病发生发展过程中，自噬可以说是一把双刃剑，自噬过度可以向凋亡转化，共同促进细胞死亡[7]。研究表明，自噬在高度分化的有丝分裂后细胞——足细胞中的作用尤为明显[8]。足细胞易于损伤，且足细胞损伤必然导致肾小球滤过屏障的破坏，进而出现相应的临床表现——蛋白尿。相关研究也证实，足细胞分裂增殖能力有限，一旦损伤或缺失就很难再生，其损伤后可直接引起蛋白尿[9-12]。可见，保护足细胞是预防相关肾脏疾病或者阻断其病程进展的重要途径，同时了解足细胞自噬的机制可为防治足细胞损伤提供理论依据。

酵母蛋白自噬相关基因（autophagy-related gene，Atg）和哺乳动物同族物微管相关蛋白1轻链3（microtubule-associated protein 1 light chain 3，MAP1-LC3）是在自噬进程中发挥核心作用的自噬蛋白[11]。Asanuma等[2]及Mizushima等[13]开展相关基础分子遗传学研究，结果显示，LC3在小鼠肾小球足细胞中表达显著，表明肾小球足细胞具有高水平的基础自噬活性。通过敲除Atg5（autophagy-related gene 5）构建大鼠肾小球足细胞自噬抑制模型，Hartleben等[14]发现，模型组大鼠肾小球足细胞较正常组对致损因素明显易感，进一步实验表明，敲除Atg5的足细胞清除废物的能力明显下降，导致氧化蛋白及受损细胞器堆积，引起内质网应激后表现出蛋白尿，进而引起足细胞缺损或肾小球硬化，结果指出自噬作为一种重要的保护机制，可抑制足细胞损伤，维持其稳态及功能的完整性。因此，自噬与足细胞的命运息息相关，探索足细胞自噬平衡机制可为保障足细胞结构和功能的正常提供新的依据，为干预足细胞损伤防治肾脏病提供新的治疗靶点。

2 自噬与PI3K/AKT/mTOR信号通路

自噬可以被营养压力、氧化压力、缺氧、热休克等环境压力和损伤的细胞器、蛋白质聚集体、病原体感染等内在压力所诱导，上调的自噬可以清除这些压力。当这些压力被清除后，自噬回复到基本水平。而这些压力条件需要通过不同的信号传导通路对自噬水平进行调控，而这些信号通路陆续得到鉴定。

2.1 PI3K/AKT/mTOR信号通路组成

磷脂酰肌醇3-激酶（phosphatidylinositol 3-kinase，PI3K）是真核生物体内重要的信号分子。最初证明PI3K参与到自噬的证据是1982年发现的Ⅲ型PI3K分子的抑制剂3-甲基腺嘌呤（3-thyladenine，3-MA）能够抑制自噬，是调控自噬的重要分子，其由一个相对分子质量为110×103的催化亚基p110和一个相对分子质量为85×103的调节亚基p85构成[15]。它可以调控细胞核内活动、细胞骨架系统、细胞内信号传递和膜运动。Akt又称为蛋白激酶B（protein kinase B，PKB），是一种丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶，是PI3K/Akt信号转导通路的核心。足细胞自噬过程中牵涉到的信号传递、自噬体运动、囊泡融合都与PI3K/Akt信号通路有关。mTOR是由2549个氨基酸组成的一类大分子蛋白，属于磷脂酰肌醇激酶相关激酶（phosphatidylinositol kinase-related kinase，PIKK）家族成员，其也是调控细胞生长和增殖以及自噬的重要信号通路。mTOR由mTORC1和mTORC2两种复合物形式，mTORC2包含有Rictor、Sin1和mLST8，而调节细胞增殖、凋亡和自噬等的主要为mTORC1[16]。mTORC1的构成包括具有底物识别功能的脚手架蛋白Raptor、负调控蛋白PRAS40、正向调节蛋白mLST8（又叫GβL），其可整合生长因子、氨基酸、营养分子和能量感受信号，调控细胞生长增殖、营养运输、蛋白合成和自噬。

mTOR活性有赖于PI3K/Akt途径的调节，生理情况下，酪氨酸激酶受体被细胞外和胞内因子活化进而激活PI3K，激活的PI3K将底物PIP2催化为PIP3，PIP3与磷酸肌醇依赖的激酶-1（PDK-1）协同完全激活Akt，Akt活化后将信号下传至mTOR[17]，活化后的mTOR激活其下游的相关因子，促进细胞的蛋白质合成、增殖及生长，加速细胞代谢，抑制细胞的自噬作用[18]。通过调节PI3K/Akt信号通路与mTOR通路的稳态，对维持足细胞自噬过程的活性具有重要意义[19-20]。

2.2 足细胞自噬与PI3K/AKT/mTOR信号通路

由足细胞相关分子（nephrin、podocin、CD2AP、α-actin-4等）组成的裂孔隔膜复合体（SD complex），对维持肾小球滤过屏障的稳定起关键作用[21]。SD complex在PI3K/Akt信号通路激活过程中扮演重要角色[22]，活化后的PI3K/AKT通路可调控足细胞自噬，损伤足细胞，破坏SD complex的稳定性[23]。研究证实，PI3K/Akt通路通过调控足细胞自噬诱导足细胞损伤参与糖尿病肾病、脓毒症肾脏损伤的形成[24]。同时，PI3K/Akt通路及足细胞自噬也参与其他肾脏组织的损伤以及肾脏疾病的发生[25]。因此，干预PI3K/Akt通路和自噬轴可能成为足细胞损伤所致肾脏病治疗的新靶点。生理状态下，足细胞的动态平衡通常也依赖较高水平的自噬活性及极低水平的mTOR活性，当mTOR活性和自噬活性的平衡被打破，则会导致足细胞损伤。研究显示，通过敲除足细胞mTOR扰乱生理性自噬轴构建小鼠模型，模型组小鼠最终发生蛋白尿并发展至肾小球硬化，可见mTOR过度抑制可引起足细胞损伤[26]。同时，在糖尿病肾病患者及小鼠模型中发现mTOR活性增强，并伴有足细胞自噬水平下降[27]。除此之外，过度激活mTOR会引起小鼠足细胞胞体增大、足突消失、肾小球硬化，最终因肾衰竭而死亡[23]。可见，mTOR表达抑制或者过度激活均引起足细胞自噬平衡失调，最终导致其结构和功能的紊乱。

综上所述，在众多信号通路及介质（Beclin-1、Bcl-2、ClassⅢ、PI3K/AKT、mTOR、p53、JNK、SIRT1-FoxO等）参与的自噬调控机制中[28]，PI3K/AKT/mTOR信号通路在调控足细胞自噬軸、维持足细胞内环境稳态、防止其损伤的过程中发挥重要作用。

3 小结与展望

自噬和人类病理生理存在着许多种微妙的关系，然而现今对自噬的理解，尤其是对它们在人类健康和疾病中所扮演的角色认识远远不够。自噬是一个相对复杂的过程，在特定的病理条件下，自噬做出的反应以及随之引起的后续结果都不相同。而目前的大多数研究仅仅表明了自噬和足细胞损伤相关，但并不能阐明它们之间的因果关系，除了离体细胞实验，研究人员通过在动物体内剔除相关基因，在特定组织中观察了自噬活性随时间的变化，并了解自噬能力失活带来的影响。足细胞可通过自噬清除细胞内损伤及衰老的细胞器，维持细胞内内环境的稳定，防止其自身的损伤引起肾脏疾病。但是自噬在足细胞损伤所致的肾病蛋白尿和肾小球硬化中所起到的具体作用机制，有待于进一步研究。

自噬作为维持细胞生存、应对内外压力的重要代谢过程，需要受到细胞严密的调控，过去的数十年中，人们对于自噬分子机制的研究取得了长足的进步，明确了若干参与自噬通路的相關蛋白，对于参与自噬过程的相关基因，调控自噬的信号网络研究已经逐渐揭示了自噬调控的分子机制，包括30多种Atg蛋白、细胞骨架系统、内吞分泌途径、关键的原癌基因和免疫蛋白在内的亚细胞组分对于自噬的调控均发挥着重要的作用，自噬的调控通路也逐渐显现。然而，对于自噬调控过程，特别是其如何与信号通路关联（自噬是如何接受上游信号、如何启动下游通路、如何与旁路相关联）都还知之甚少，在这个庞大的信号转导通路中每条信号通路中仍然有许多环节需要进一步阐明，各条信号通路的对话更需深入研究。在调控足细胞自噬的过程中，PI3K/Akt信号通路及mTOR信号通路是目前研究较多的信号通路，其充当重要角色。因此，深入研究PI3K/Akt信号通路及mTOR信号通路与足细胞自噬的关系，可从微观上认清其调控方式，可对足细胞损伤的发生发展提供理论指导，并为足细胞损伤所致肾病蛋白尿和肾小球硬化的治疗提供新的治疗靶点。

为了精确调控足细胞自噬，使其对肾病蛋白尿和肾小球硬化可以进行响应或者防御，需要更清楚地了解自噬调控通路的每一个环节。尽管目前关于自噬的分子机制（包括膜的来源、囊泡形成的机制以及自噬选择性包括降解物质的机制等）不太清楚，但人们对自噬的理解正在迅速进步，如何运用现代化生物医学技术和手段来进一步探索和研究自噬在足细胞损伤所致肾病蛋白尿和肾小球硬化发生发展中的作用和分子调控机制进行观察研究，将会是今后肾脏病研究和临床治疗领域里一个重要方向。总之，在今后的研究中，随着基因技术、自噬检测技术等的不断改进，在分子水平上对自噬认识的不断积累，相信对自噬的了解将会更全面更深入，并为肾脏病发病机制的研究及临床治疗提供新的思路。

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（收稿日期：2015-12-20 本文编辑：程 铭）