許金枝，洪榮華，譚玉珍

(復(fù)旦大學(xué) 上海醫(yī)學(xué)院 1.臨床醫(yī)學(xué)系；2.基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院 人體解剖與組織胚胎學(xué)系，上海 200032)

短篇綜述

自噬在心肌衰老中作用的研究進(jìn)展

許金枝1，洪榮華1，譚玉珍2*

(復(fù)旦大學(xué) 上海醫(yī)學(xué)院 1.臨床醫(yī)學(xué)系；2.基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院 人體解剖與組織胚胎學(xué)系，上海 200032)

在心肌衰老過程中，自噬對(duì)于維持心肌細(xì)胞存活起著關(guān)鍵性作用。通過調(diào)節(jié)心肌細(xì)胞自噬有助于細(xì)胞清除受損線粒體和有害代謝產(chǎn)物，從而緩解細(xì)胞的氧化應(yīng)激，維持心肌細(xì)胞存活和減少細(xì)胞凋亡，故激活自噬可能成為延緩心肌衰老的有效途徑。

心肌細(xì)胞；衰老；自噬

自噬與人類的疾病和健康關(guān)系密切，不僅參與細(xì)胞的增殖、分化、代謝及凋亡等正常生理過程，還參與人體諸多疾病，如腫瘤、神經(jīng)系統(tǒng)退行性疾病、糖尿病和心血管疾病等的發(fā)生發(fā)展過程[1- 3]。近年來研究表明，自噬與心肌衰老同樣有著密不可分的聯(lián)系，通過干預(yù)自噬來延緩心肌衰老將成為一個(gè)誘人的研究方向。

1 心肌衰老的形態(tài)與功能變化及其影響因素

1.1 心肌衰老的形態(tài)結(jié)構(gòu)及其功能改變

衰老的心臟呈現(xiàn)以膠原含量增多為特點(diǎn)的左心室纖維化以及心室壁的增厚，并伴有心肌細(xì)胞數(shù)目的減少。在小鼠心肌衰老模型[4]的研究中發(fā)現(xiàn)，衰老的心肌細(xì)胞內(nèi)多數(shù)線粒體腫脹變圓，并伴有線粒體氧化蛋白積累和線粒體DNA突變?cè)黾?。衰老可直接影響在心臟內(nèi)起重要作用的多種離子通道、受體、酶和信號(hào)分子的表達(dá)和功能[5- 6]。例如，隨著年齡增長(zhǎng)，對(duì)ATP敏感的鉀離子通道的表達(dá)和功能下降可影響心肌細(xì)胞的生物電活動(dòng)，從而影響興奮-收縮偶聯(lián)，使衰老的心臟收縮力下降、博出量減少、心力儲(chǔ)備下降及心肌順應(yīng)性降低。

1.2 心肌衰老的影響因素及其機(jī)制

目前的研究表明，心肌衰老可能與肌球蛋白重鏈同功酶改變、閏盤結(jié)構(gòu)改變及線粒體損傷等有關(guān)，但其中最具說服力的是與線粒體損傷有關(guān)的機(jī)制。在心肌細(xì)胞中，線粒體約占心肌細(xì)胞總?cè)莘e的30%，并提供心肌所需的90%以上的能量[7]，不僅如此，線粒體還是活性氧(reactive oxygen species，ROS)和自由基的主要來源，而ROS和自由基是介導(dǎo)衰老相關(guān)細(xì)胞損傷的主要物質(zhì)，因而線粒體被認(rèn)為是介導(dǎo)心肌細(xì)胞衰老的關(guān)鍵細(xì)胞器[8]。ROS是線粒體氧化磷酸化過程中電子轉(zhuǎn)移時(shí)的副產(chǎn)物，正常情況下可作為影響細(xì)胞內(nèi)信號(hào)傳導(dǎo)級(jí)聯(lián)反應(yīng)的第二信使分子，調(diào)控基因的表達(dá)。但隨著ROS的不斷產(chǎn)生，大量的ROS亦可直接氧化脂質(zhì)、蛋白質(zhì)和線粒體DNA等，造成線粒體氧化損傷。此外，ROS可使線粒體內(nèi)外膜交接處的線粒體通透性轉(zhuǎn)換孔(mitochondrial permeablity transition pore，mPTP)開放，mPTP開放可引起細(xì)胞色素C和凋亡誘導(dǎo)因子釋放，引起caspase活化，觸發(fā)細(xì)胞凋亡。再加上損傷的線粒體DNA其修復(fù)能力有限，隨著時(shí)間進(jìn)展，累積的線粒體DNA突變導(dǎo)致電子傳遞鏈的不正常表達(dá)，于是線粒體產(chǎn)生ATP的能力下降而產(chǎn)生大量的ROS，隨后出現(xiàn)線粒體損傷加重與ROS產(chǎn)生增多的惡性循環(huán)，最終導(dǎo)致心肌細(xì)胞死亡[9- 10]。

2 自噬的發(fā)生過程及其調(diào)節(jié)途徑

2.1 自噬的概述

自噬是以細(xì)胞質(zhì)空泡為特征的溶酶體依賴性的降解過程,按照被降解物進(jìn)入溶酶體方式的不同，可將自噬分為3類：巨自噬(macroautophagy)、微自噬(microautophagy)和分子伴侶介導(dǎo)的自噬(chaperon-mediated autophagy，CMA)[11- 12]。巨自噬是細(xì)胞最主要的自噬形式，以下所述的自噬均為巨自噬。

2.2 自噬的調(diào)節(jié)途徑

哺乳動(dòng)物的自噬調(diào)節(jié)途徑可分為兩類，即依賴mTOR途徑和非依賴mTOR途徑。在此，我們將重點(diǎn)敘述依賴mTOR的自噬調(diào)節(jié)途徑[13- 14]。

mTOR(mammalian Target of Rapamycin)是一種絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶，是自噬調(diào)節(jié)的關(guān)鍵中間物質(zhì)，主要作用于自噬的誘導(dǎo)環(huán)節(jié)。mTOR復(fù)合物有兩種功能類型，即mTORC1和mTORC2。

2.2.1 mTORC1對(duì)自噬的調(diào)節(jié)：mTORC1對(duì)雷帕霉素敏感，其組成包含mTOR催化亞單位、mTOR調(diào)節(jié)相關(guān)蛋白 (regulatory associated protein of mTOR，raptor)、GβL、分子質(zhì)量為40 ku 的富含脯氨酸的Akt底物 (proline-rich Akt substrate of 40 ku，PRAS40)及含有DEP 結(jié)構(gòu)域的mTOR 相關(guān)蛋白(DEP domain-containing mTOR-interacting protein，Deptor)。在營(yíng)養(yǎng)充足、某些激素如胰島素刺激和能量供應(yīng)充足等條件下，mTORC1被激活并磷酸化ULK1/2復(fù)合物，ULK1/2復(fù)合物與Atg13、FIP2OO(focal adhesion kinase family interacting protein of 200 ku)和Atg101結(jié)合形成一個(gè)更大的復(fù)合物，定位于自噬前體膜上，從而抑制ULK1/2復(fù)合物的激酶活性，進(jìn)而抑制自噬；而在饑餓、應(yīng)激和雷帕霉素作用等條件下，mTORC1的激酶活性被抑制，故對(duì)ULK1/2復(fù)合物的磷酸化作用被解除，導(dǎo)致ULK1/2復(fù)合物的激酶活性增強(qiáng)，ULK1/2復(fù)合物發(fā)生自身磷酸化并磷酸化Atg13和FIP200，最終導(dǎo)致自噬增強(qiáng) (圖1)。

2.2.2 mTORC2對(duì)自噬的調(diào)節(jié)：mTORC2對(duì)雷帕霉素不敏感，它通過磷酸化Akt的第473位絲氨酸殘基而調(diào)節(jié)自噬。磷酸化后的Akt下調(diào)轉(zhuǎn)錄因子FoxO3的轉(zhuǎn)錄功能，F(xiàn)oxO3對(duì)自噬相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄減少，導(dǎo)致自噬功能下調(diào)。

3 自噬對(duì)心肌衰老的調(diào)節(jié)作用

3.1 心肌衰老過程中的自噬功能變化

在心肌細(xì)胞衰老模型的研究中發(fā)現(xiàn)，心肌細(xì)胞自噬功能下調(diào)，這可能與承載脂褐素的次級(jí)溶酶體無法與自噬體融合形成自噬溶酶體有關(guān)[15]。脂褐素是脂質(zhì)和蛋白質(zhì)殘基經(jīng)過過氧化作用形成的不可降解的棕黃色色素，隨衰老在心肌細(xì)胞中呈進(jìn)行性堆積。交叉連接的多聚脂褐素?zé)o法被溶酶體酶降解而且可能導(dǎo)致溶酶體酶優(yōu)先分配到承載脂褐素的溶酶體內(nèi)，從而減少了自噬溶酶體的形成。此外，在衰老過程中伴隨的激素水平和葡萄糖代謝的改變對(duì)自噬功能下調(diào)也有一定的作用。例如，衰老時(shí)內(nèi)皮素-1(endothelin-1，ET-1)水平升高，ET-1可引起自噬下調(diào)，進(jìn)而引起心肌肥大[16]。

3.2 通過激活自噬調(diào)節(jié)心肌衰老

大量研究表明，激活自噬可延緩心肌衰老而抑制自噬則促進(jìn)心肌衰老， 如何通過激活自噬來延緩心肌衰老成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。長(zhǎng)期的熱量限制可明顯改善衰老心肌的舒張功能，熱量限制的抗老化作用亦可能是通過上調(diào)自噬而實(shí)現(xiàn)的[17]。在哺乳動(dòng)物細(xì)胞中，ATP水平的下降可被AMP依賴的蛋白激酶(AMP-dependent protein kinase，AMPK)感知，ATP/AMP比值的下降通過上游的LKB1激酶激活A(yù)MPK，激活的AMPK磷酸化并活化TSC1/2復(fù)合物，活化后的TSC1/2復(fù)合物通過Rheb抑制mTORC1的活性，增強(qiáng)自噬。激活的AMPK還可以獨(dú)立于TSC2，通過磷酸化raptor的第863位絲氨酸殘基抑制mTORC1活性，同樣增強(qiáng)自噬。在糖尿病小鼠模型的研究中發(fā)現(xiàn)，將小鼠H9c2心肌母細(xì)胞株置于高葡萄糖環(huán)境可降低AMPK的活性，抑制JNK1與Bcl-2間的信號(hào)傳導(dǎo)，促進(jìn)Bcl-2與Beclin-1的結(jié)合，進(jìn)而抑制與自噬體形成和成熟相關(guān)的Beclin-1:hVps34(PI3K)：Atg14復(fù)合物的活性，從而下調(diào)自噬；反之，二甲雙胍(metformin)可激活A(yù)MPK，激活的AMPK直接磷酸化JNK1，JNK1被激活并磷酸化Bcl-2，導(dǎo)致Bcl-2與Beclin-1分離，Bcl-2對(duì)Beclin-1:hVps34：Atg14復(fù)合物的抑制作用減弱，從而增強(qiáng)心肌細(xì)胞自噬，減少由高葡萄糖環(huán)境引起的心肌細(xì)胞凋亡[18- 19]。以上研究結(jié)果顯示，AMPK至少通過3條不同的途徑來調(diào)節(jié)心肌自噬。與心肌衰老中自噬調(diào)節(jié)相關(guān)的還有Insulin/IGF-1信號(hào)傳導(dǎo)途徑，生長(zhǎng)激素缺陷的小鼠和IGF-1受體變異的小鼠兩者都顯示有壽命延長(zhǎng)的現(xiàn)象[20]。

圖1 mTORC1調(diào)節(jié)自噬的信號(hào)途徑Fig 1 The signaling pathway of autophagy regulated by mTORC1

值得注意的是，激活自噬對(duì)心肌細(xì)胞的存活具有雙重作用，既可通過清除受損細(xì)胞成分來維持細(xì)胞穩(wěn)態(tài)，起到保護(hù)作用，也可能過度降解必需細(xì)胞成分導(dǎo)致細(xì)胞死亡[21]。

4 總結(jié)與展望

基于以上心肌衰老的主要機(jī)制和自噬對(duì)心肌衰老的影響，有兩條基本思路來延緩心肌衰老：1) 使用線粒體抗氧化劑，以中和能量代謝產(chǎn)生的ROS和自由基，減少細(xì)胞成分的氧化損傷，延緩心肌衰老；2) 適當(dāng)增強(qiáng)心肌細(xì)胞的自噬作用(如熱量限制、內(nèi)皮素受體基因敲除及自噬促進(jìn)藥物的使用等)，以清除衰老受損線粒體及蓄積的有害代謝產(chǎn)物，緩解細(xì)胞的氧化應(yīng)激，延緩心肌衰老。不過兩條基本思路只是提供了可能的研究方向，在具體實(shí)施過程中，還應(yīng)考慮實(shí)際的功效及可能產(chǎn)生的不良反應(yīng)。安全、有效的延緩心肌衰老的臨床治療方案的實(shí)現(xiàn)，雖然還有待進(jìn)一步的研究，但在將來有望成為廣大心血管疾病患者的福音。

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Research progress of autophagy in cardiomyocyte aging

XU Jin-zhi1, HONG Rong-hua1, TAN Yu-zhen2*

(1.Dept. of Clinical Medicine; 2.Dept. of Anatomy, Histology and Embryology, Shanghai Medical College ofFudan University, Shanghai 200032, China)

Autophagy plays an important role in sustaining the survival of cardiomyocytes during aging process. Regulating autophagy contributes to the elimination of impaired mitochondria and other harmful metabolites within cardiomyocytes, which relieves oxidative stress,sustains the survival of cardiomyocytes and reduces cell apoptosis. Activation of autophagy may serve as an effective way for rescuring cardiomyocyte aging.

cardiomyocyte; aging; autophagy

2013- 10- 12

2013- 12- 23

國(guó)家自然科學(xué)基金(30971674，81270200)；國(guó)家基礎(chǔ)科學(xué)人才培養(yǎng)基金(J1210041);高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金(20130071110079)

*通信作者(correspondingauthor)： yztan@shmu.edu.cn

1001-6325(2014)08-1121-04

R 322.1+1

A