自噬相关通路在糖尿病心肌病中的研究进展

李 帅，鲍翠玉，李 晶

(湖北科技学院1. 药学院、2. 糖尿病心脑血管病变湖北省重点实验室，湖北 咸宁 437100)

糖尿病心肌病(diabetic cardiomyopaihy，DCM)是糖尿病患者的重要心脏并发症，是增加糖尿病患者心力衰竭风险和死亡率的主要原因之一，而不依赖血管病理学。众所周知，DCM的特点是心脏结构和功能异常，包括左心室功能障碍、心肌细胞凋亡和心肌纤维化[1]。然而，DCM的发病机制仍然不清楚，并且尚无有效的策略来防止糖尿病患者出现DCM或心力衰竭。自噬是一种细胞内分解代谢途径，体内饥饿或各种压力可激活自噬，降解和循环细胞物质，以维持能量代谢和细胞存活[2]。近年来，越来越多证据证明，自噬已成为DCM的一个重要分子机制，其在DCM的发生、发展中扮演着重要角色。

1 自噬的体内过程

自噬是一个高度保守的细胞内溶酶体分解代谢过程，降解、清除细胞内部分非功能性蛋白或胞内细胞器和细胞质成分，以维持细胞内环境能量新陈代谢[3]。自噬有3种主要途径：宏自噬、微自噬和伴侣介导的自噬。宏自噬是最普遍的形式，通常称为自噬。一般的宏观自噬被认为是一种大规模的非选择性过程，不加区分地消除了细胞成分。然而，当特定细胞器被完全靶向并运送进入自噬体时，自噬降解可能变得有选择性。在自噬过程中，一个分离膜(最初称为噬菌体)出现在细胞质中，形成一个称为自噬体的双膜泡，自噬相关蛋白参与分离膜的扩增。自噬体外膜与溶酶体融合形成自体溶酶体，溶酶体的组分和内膜被溶酶体水解酶降解为蛋白质、脂类、碳水化合物、核酸和细胞器，并被转运到胞质中再利用[4]。当细胞缺乏自噬能力时，胞内损伤的细胞器以及变性蛋白等没有及时清除，导致内部环境稳态被破坏。而过度的自噬会破坏大部分的胞质溶胶和细胞器，最终导致细胞自噬性死亡。

1.1 自噬相关信号通路

1.1.1哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin，mTOR)信号通路 mTOR是一种高度保守的丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶，能够融合多种刺激信号，包括氨基酸、能量水平、生长因子和应激，以协调细胞生长和维持代谢平衡。mTOR有两个多蛋白信号复合物，称为mTOR复合物1(mTORC1)和mTOR复合物2(mTORC2)。当mTORC1被激活时，可刺激蛋白质、脂质、核苷酸等生物合成途径，并通过自噬途径，抑制细胞分解代谢，从而促进细胞生长和增殖。同时，通过亮氨酸拉链类转录因子中的家族成员和UNC51样激酶1，抑制溶酶体生物发生和分解过程，从而抑制自噬[5]。mTORC1是细胞能量和营养代谢的感受器，当营养缺乏及细胞缺氧时，mTOR活性受到抑制，从而激活自噬。AMP激活的蛋白激酶(adenosine 5'-monophosphate-activated protein kinase，AMPK)是心脏能量代谢的关键调节因子，还参与心肌细胞生长、蛋白质合成和自噬。AMPK对细胞AMP/ATP比例和AMP变构的变化敏感。mTORC1的调节能量状态通过AMPK介导，当细胞耗能增加或者ATP生成减少时，AMPK通过结节性硬化蛋白2磷酸化激活，促进mTORC1抑制，从而促进自噬恢复细胞能量，通过PI3K/Akt途径激活mTOR，抑制自噬[6]。由此可见，mTOR可以负向调节自噬的发生。

1.1.2Beclin-1信号通路 Beclin-1是酵母自噬相关蛋白(autophagy associated protein，ATG)6/液泡蛋白分选相关蛋白(vacuolar protein sorting-associated protein，VPS)30的哺乳动物同系物，是III类磷脂酰肌醇3激酶(class III phosphoinositide 3-kinase，PI3KC3)/VPS34复合物的支架蛋白。Beclin-1刺激PI3KC3/VPS34的活性，从而调节自噬活性。Bcl-2是同源性-3结构域唯一的蛋白，促进Beclin-1和VPS34之间的解离，并负调控自噬体的形成[7]。AMPK信号通过磷酸化Beclin-1的苏氨酸388位点，从而调控细胞自噬。Zhu等[8]报道，在心脏缺血灌注期，Beclin-1蛋白水平升高，体内自噬增强。在相同的应激条件下，Beclin-1杂合子敲除小鼠心脏的自噬减弱，这与细胞凋亡减少和心脏损伤的改善有关。结果表明，Beclin-1对缺血/再灌注心脏有损伤作用。

2 DCM中自噬的影响因素

2.1 高糖血症高血糖通过加剧葡萄糖氧化和线粒体活性氧(reactive oxygen species, ROS)，增加氧化应激，导致DNA损伤，诱导细胞凋亡。慢性高血糖通过电子传递链生成过量的ROS，并激活聚腺苷酸二磷酸核糖转移酶，通过介导糖基化并抑制磷酸甘油醛脱氢酶，将葡萄糖从糖酵解途径转移至高糖诱导心肌损伤的其他生化级联反应，参与高糖诱导的细胞损害[9]。有文献报道，高糖能抑制心肌细胞的自噬，而自噬对高糖诱导的心肌细胞损伤有保护作用。研究发现[10]，培养新生大鼠心肌细胞建立高血糖模型，高糖条件下新生大鼠生物钟基因(brain and muscle arnt-like 1，Bmal1)基因通过mTOR信号通路，调控心肌细胞的自噬活性，Bmal1基因过表达通过下调mTOR通路，诱导高糖条件下心肌细胞的自噬，从而保护心肌细胞；Bmal1基因低表达通过诱导mTOR通路，抑制高糖环境下心肌细胞的自噬，从而诱导心肌细胞损伤。由此可见，在高糖环境下，自噬的调控对缓解心肌细胞损伤具有重要的作用。

2.2 游离脂肪酸(free fatty acid，FFA)过度积累FFA是心脏的主要供能物质，心脏收缩的所需能量大部分直接来自于脂肪酸氧化。在DCM中，心肌葡萄糖氧化利用率下降，同时增加脂肪酸氧化速率，甘油三酯和FFA等脂滴在心肌细胞内聚集，导致胞质中容积分布不均衡而影响心肌舒张和收缩功能。脂肪酸是饥饿条件下重要的细胞能量来源，但细胞质中过量的FFA蓄积会引起细胞的脂毒性损伤[11]。FFA水平升高，抑制丙酮酸脱氢酶，从而降低心肌能量产生，并引起糖酵解中间体和神经酰胺的积累，促进心肌细胞凋亡[12]。Nguyen等[13]报道，自噬相关蛋白Beclin-1和LC3-Ⅱ的表达随着FFA浓度增高，诱导心肌细胞自噬增强。研究表明，mTORC1调节的自噬中释放的FFA，选择性通过二酰甘油酰基转移酶1(diacylgycerol acyltransferase，DGAT1)成为甘油三酯丰富的脂滴。而DGAT1依赖脂滴隔离脂肪酸，并防止酰基肉碱的积累，否则会直接破坏线粒体完整性。脂滴在自噬过程中减轻脂毒性的细胞损伤。可见，在FFA过度累积环境下，自噬的调控与心肌细胞损伤密切相关。

2.3 氧化应激氧化应激是心血管疾病、2型糖尿病和糖尿病并发症发生的基础。ROS产生过多和内皮抗氧化屏障失衡，导致了氧化应激的产生[14]。糖尿病或高血糖会增加细胞内ROS，长期暴露于糖尿病氧化应激可引起损伤和慢性炎症。在DCM氧化应激过程中，氧化应激过度，细胞会因自噬调控异常而导致死亡。据报道，氧化应激降低Beclin-1和ATG 5蛋白的表达，导致心肌细胞自噬功能受损及心肌肥厚[15]，而用抗氧化剂N-乙酰半胱氨酸处理心肌细胞，可以阻断自噬反应的增加，并恢复谷胱甘肽水平，防止早期心肌细胞进一步损伤。另有研究表明，氧和线粒体中的电子传递链是通过氧化磷酸化产生ATP所必需的，缺氧导致ATP水平降低，从而激活AMPK，并使mTOR失活，诱导自噬，以其他方式产生能量。因此，细胞在应激的条件下，自噬作为一种存活机制，ROS抑制mTOR，激活Beclin-1通路诱导自噬。自噬受到抑制或过量的ROS未及时清除，也会引起心肌细胞的凋亡。由此可见，自噬参与氧化应激诱导的心肌细胞损伤过程。

2.4 胰岛素抵抗胰岛素抵抗是合并细胞功能障碍引起的一种复杂的代谢紊乱，与心血管疾病、肾功能衰竭密切相关[16]。2型糖尿病发病的主要因素是胰岛素抵抗，目前认为，胰岛素抵抗也可涉及到心肌组织等多个代谢器官，伴有慢性心功能不全时，DCM的进展加快。在DCM中，胰岛素抵抗除了会诱导心肌能量供应缺乏外，还可以直接导致心肌细胞功能障碍及凋亡。胰岛素抵抗诱发高胰岛素血症和随后的胰岛素受体脱敏，这种脱敏是由于胰岛素受体底物1丝氨酸磷酸化增加所致。胰岛素受体底物1的丝氨酸磷酸化降低了胰岛素受体底物蛋白吸引磷脂酰肌醇3激酶的能力，从而降低了胰岛素受体底物蛋白和下游胰岛素信号的激活。有文献报道[17]，叉头框转录因子(forkhead transcription factors，FOXO)为自噬相关蛋白转录因子，通过转录上调激活ATG基因或自噬调节基因。研究证实，在小鼠心肌细胞中表达特异激活的FOXO，可以使细胞膜葡萄糖转运蛋白4的水平降低，心肌细胞摄取葡萄糖利用率减少，能量代谢减弱，进而导致胞内脂质堆积，损伤心肌细胞。同时，细胞核FOXO活性增强，胰岛素受体底物1蛋白表达水平下降，促使心肌细胞对胰岛素敏感性进一步下降，加重胰岛素抵抗引起的DCM。另一项研究表明，敲除胰岛素抵抗的2型DCM小鼠中FOXO后，能诱导自噬相关基因表达，改变心肌细胞损伤[18]。因此，自噬在胰岛素抵抗的2型DCM中，FOXO敲除后导致脂肪酸和葡萄糖转运水平发生改变，从而保护心肌细胞功能。

2.5 内质网应激(endoplasmic reticulum stress，ERS)内质网(endoplasmic reticulum，ER)是真核生物一个中心细胞器，负责脂质合成、钙稳态、蛋白质折叠和成熟，对维持细胞内环境的稳态及胞内钙离子的水平具有重要作用。ER在多种病理因素下，如氧化应激、缺血、钙稳态紊乱以及正常或错误折叠蛋白的过度表达等，导致未折叠蛋白质的积累[19]，从而改变细胞正常生理功能，称为ERS，并进一步激活展开未折叠蛋白质反应(unfolded protein response，UPR)。葡萄糖调节蛋白-78(glucose-regulated protein 78，GRP78)是ERS的经典标志物。GRP78的表达增加，将避免未折叠蛋白的聚集，进而引导正确新生蛋白折叠[20]。最新研究发现，UPR也是引发细胞自噬和凋亡的一个重要途径。UPR是由3种跨膜蛋白介导的，包括蛋白激酶RNA样内质网激酶(protein kinase R-like ER kinase，PERK)、肌醇需酶1(inositol requiring protein-1，IRE1)、活化转录因子6(activating transcription factor 6，ATF6)。在生理状态下，GRP78结合UPR的3种效应器(ATF6、PERK和IRE1)来抑制它们的活性。细胞出现ERS时，当错误折叠的蛋白质聚集在ER腔中时，GRP78从这些效应物中分离而恢复活性，引起UPR[20]。在1型和2型糖尿病动物模型中发现，ERS可促进心肌细胞凋亡。CHOP是ERS相关凋亡途径中重要的信号分子，DCM中CHOP的过度表达可间接导致细胞凋亡[21]。研究发现，链脲佐菌素诱导的糖尿病大鼠模型中，心肌CHOP表达上调，心肌出现纤维化，并且发生重构，表明DCM的发生与ERS有关[21]；而PERK、ATF6和IRE1已被证实是ERS诱导自噬的调节者[22]。可见，在DCM发病过程中，ERS与心肌细胞损伤有关，而在这一过程中自噬也发挥一定作用。

3 展望

综上所述，自噬作为一种存在于真核细胞中普遍的生命现象，广泛参与了许多生理病理过程。自噬在DCM发病机制中的各个重要环节中起重要的调控作用，包括糖代谢异常、FFA增高而导致心肌细胞脂毒性，以及氧化应激、胰岛素抵抗、ERS导致心肌功能障碍和心脏结构的改变。自噬不仅在正常生理条件下维持细胞的稳定性，更是在应激或病理状态下启动自我保护机制。然而，过量的自噬会导致细胞死亡和心肌细胞的损伤，从而进一步加重DCM的发展。有效调控和干预自噬信号通路，发挥对心肌细胞的保护作用，将吸引大量的临床学者们的关注，为临床治疗DCM提供更多的理论依据，并为以后提供有效治疗方案奠定基础。