李興岳 郭潤民 梁偉鈞

缺血缺氧導致心肌自噬的分子機制*

李興岳①郭潤民①梁偉鈞①

自噬是自噬是細胞維持內環(huán)境穩(wěn)態(tài)的重要方式之一，在各種生命活動中扮演著十分重要的角色。在能量缺乏或者缺血缺氧的情況下，通過自噬能夠提供能量的中間產物以及降解異常的細胞器以維持細胞的正常生理活動。適當的自噬保護了在缺血缺氧情況下的細胞。本文在缺血缺氧情況下導致的心肌自噬的分子機制作一綜述。

自噬； 缺血； 缺氧； 心肌細胞； 分子機制

自噬（autophagy）是由 Ashford和Porter在1962年發(fā)現細胞內有“自己吃自己”的現象后提出的，是指具有雙層膜結構的自噬小泡將損害的蛋白或細胞器包裹后送至溶酶體中降解并完成細胞器更新的過程［1］。

1 自噬的過程

細胞自噬主要包括3類：微自噬（microautophagy）、巨自噬（macroautophagy）和分子伴侶介導的自噬（Chaperone-mediated autophagy）。其中大自噬就是通常所說的自噬。自噬的發(fā)生一般經過4個階段：首先發(fā)生的是自噬膜的發(fā)生，即是當自噬信號傳至細胞時，在胞漿形成一個扁平的膜結構，并不斷擴張，類似于脂質體，像一個由2層脂雙層組成的碗，被稱為自噬膜，這是細胞自噬的證據。其次是自噬體的形成，其過程是自噬膜繼續(xù)延伸，形成一個球狀自噬體，把胞漿需要降解的東西包裹。這是自噬發(fā)生的證據之二。再次是自噬體的運輸、融合，在這一過程中，形成的自噬體可與胞漿中的溶酶體、吞噬泡等融合，形成一個大囊泡，當然，這些情況在自噬過程不一定都經過。最后的階段是自噬體的降解。這個過程就是將廢物再利用。形成的自噬體與溶酶體融合，自噬體內容物會降解形成營養(yǎng)物質再次輸送至胞漿為細胞提供養(yǎng)分，而不能利用的廢物則可能被輸送至胞外或者直接留在胞漿中。

2 缺血缺氧誘導心肌自噬的分子機制

2.1 缺氧誘導因子（HIF-1）與缺血缺氧導致的心肌自噬 缺氧誘導因子是哺乳動物機體功能在缺氧條件下一個非常重要的轉調節(jié)因子。于1992年Semenza和Wang首先發(fā)現的，隨后確立了HIF-1的結構。在正常發(fā)育或者病理的細胞中，當其氧張力改變時，細胞的部分調節(jié)是由HIF完成的。HIF是DNA結合轉錄因子，通過轉錄激活多種基因編碼的蛋白質，在缺氧的情況下減輕缺氧對細胞的損傷。人類有3種不同的亞型：HIF-1α，由HIF-1A編碼的；HIF-2α，由內皮PAS1編碼的；和HIF-3α，它是由復合物HIF-3a剪接變異體的表達。HIF活性主要是通過翻譯后修飾和HIF-1α和HIF-2α蛋白質的穩(wěn)定性控制。HIF-1主要是由HIF-1α和HIF-1β兩個亞單位構成的異源二聚體。在缺氧狀態(tài)下，1α和1β亞基結合形成有活性的HIF-1，并調節(jié)細胞核中多種基因轉錄。從基因調控研究中可見，心肌缺血時HIF-la表達增多主要對心肌起保護作用。Czibik等［2］研究通過預處理轉染HIF基因至小鼠的股四頭肌，形成小鼠心梗模型觀察心梗面積可發(fā)現經過預處理的心梗面積減少以及心功能改善。Cai等通過小鼠肢體缺氧再灌注預處理觀察小鼠心肌梗死模型，發(fā)現小鼠心肌梗死面積縮小，其可能與HIF-1a激活相關，其誘導劑可能IL-10［3］；Zhao等［4］發(fā)現經低氧后處理誘導的低氧誘導因子-1α表達上調減輕H9c2心肌細胞低氧/復氧損傷。從動物和細胞缺血缺氧模型中均可發(fā)現HIF-la參與了心肌缺血預處理的保護作用。

2.2 AMPK與缺血缺氧導致的心肌自噬 AMPK，絲氨酸/蘇氨酸激酶，在真核生物中廣泛存在，目前研究發(fā)現冠心病、糖尿病等多種疾病的發(fā)生、發(fā)展均與AMPK異常有關。AMPK是由催化亞基a和調節(jié)亞基β、γ組成的異源三聚體。AMPK作為一種提高AMP和ADP的能量傳感器［5-6］。在營養(yǎng)缺乏的情況下，AMPK能通過抑制代謝和分解途徑激活儲存的能量［7］。AMPK是能夠通過2個獨立的機制促進啟動自噬：1）抑制mTORC1通路和2）（ULK-1）磷酸化（自噬啟動復雜物）。在第1種情況下，AMPK可以通過磷酸化或TSC2調節(jié)mTORC1的活性。TSC2通過磷酸化增加GAP的活性引起GTP酶的失活［5，8］。在第2種情況下，最近的研究已經表明AMPK磷酸化和激活自噬的主要誘因是ULK1。Ulk1是許多其他的調節(jié)蛋白，包括Atg13，FIP200和Atg10，包括ULK1復雜物。其中ULK1復合物活動依靠其磷酸化狀態(tài)，需取決于細胞的營養(yǎng)條件。研究表明，Ulk1復雜物的活動也受mTORC1調節(jié)。營養(yǎng)豐富條件，mTORC1激活磷酸化Ulk1和Atg13，從而抑制ULK1激酶的活動。相反，在營養(yǎng)不足的情況下mTORC1失活，從而阻止它的激活磷酸化的ULK1［9-10］。氧和葡萄糖剝奪處理心臟組織都能刺激AMPK活性。一旦激活AMPK活性，上調自噬途徑刺激細胞代謝的糖酵解增加糖的攝入量［11-12］。有學者通過研究白藜蘆醇，發(fā)現其可以通過AMPK增強自噬作用來保護缺血的心肌，其途徑可能與抑制mTORC1通路相關［13］。

2.3 mTOR與缺血缺氧導致心肌自噬 mTOR是一種在真核生物中廣泛存在絲/蘇氨酸蛋白激酶，且其結構十分保守。mTOR屬于PIKK超家族，最先在酵母中被發(fā)現。mTOR信號通路在酵母中的作用主要是通過感受酵母自身的營養(yǎng)狀況控制細胞的生長，在適宜條件下mTOR通路就會被激活促進酵母細胞的生長和出芽。mTOR通路最初在研究調控細胞生長與增殖時發(fā)現mTOR信號通路是其中的一個關鍵通路，可對細胞外包括生長因子、胰島素、營養(yǎng)素、氨基酸、葡萄糖等多種刺激產生應答，并將其信號傳至細胞，調節(jié)細胞的生理過程，其中包括細胞器的自我降解、蛋白質的合成和分解等。mTOR表現為兩種不同的復合物形式：第1種為對雷帕霉素敏感的mTOR復合物1（mTOR complex1，mTORC1），第2種為對雷帕霉素不敏感的mTOR復合物2 （mTOR complex 2， mTORC2）。而mTORC1直接通過生長因子信號轉導通路感知營養(yǎng)物質，另外，限制生長的細胞同樣也能激活mTORC1；mTORC2尚未了解清楚，似乎只感知生長因子。mTOR信號作為控制細胞的代謝和能量平衡的重要通路，若該通路調節(jié)失衡可引起自噬過程的不可控制，并能引起如癌癥、冠心病、高血壓等疾病的發(fā)生［14］。mTOR通路在自噬中最為復雜，在腫瘤領域報告較多，經典途徑是主要通過P13K/Akt/mTOR途徑來實現對自噬的調控作用［15］。為了調節(jié)細胞生長，mTORC1通過直接磷酸化兩個蛋白質翻譯的調節(jié)器，p70-S6 kinase 1（S6K1）和4E binding protein 1（4E-BP1）［16］。另外，mTORC1還通過直接磷酸化激酶UNC-51-樣（ULK1）負調節(jié)自噬控制細胞生長［17］。相比mTORC1，目前研究發(fā)現mTORC2的功能和調節(jié)相當少。生長因子激活mTORC2至少部分是通過PI3K信號通路，但機制不明［18］。在缺血缺氧的研究中，Zhou等［19］研究發(fā)現通過給予芪藶強心1 d后發(fā)現，小鼠的心肌梗死面積相比對照組明顯減少，免疫蛋白印跡結果表明心肌梗死面積的減少可能與mTOR通路激活有關。

2.4 線粒體自噬與缺血缺氧導致的心肌自噬 線粒體自噬是指機體通過自噬的方式降解或者清除受損和無用的線粒體的一個過程。線粒體影響細胞的存活［20］。線粒體的功能有很多，包括能量轉換、細胞增殖與細胞代謝的調控、控制細胞程序性死亡等。所以，線粒體受損可對細胞有害，可造成多種疾病的發(fā)生，如心衰、老年癡呆癥以及癌癥［21-22］。為了維持細胞的生理功能，線粒體自噬可以去除損傷或者無用的線粒體。線粒體為機體最為重要的細胞器之一，因此深入研究有維持線粒體功能的線粒體自噬的分子機制是目前細胞自噬的焦點。目前認為，幾種蛋白質受體，包括酵母Atg32以及哺乳動物系統(tǒng)NIX/BNIP3L、BNIP3和FUNDC1都在線粒體自噬中直接發(fā)揮作用。其中Atg32與Atg8及Atg11在線粒體表面發(fā)生相互作用［23-25］，促進了核心Atg組裝以實現線粒體自噬［26-27］。NIX/BNIP3L、BNIP3和FUNDC1則通過LC3互作區(qū)域（LIR）直接結合LC3（哺乳動物中Atg8同系物）來激活線粒體自噬［28-29］。

2.5 內質網自噬與缺血缺氧導致的心肌自噬 內質網自噬是指細胞內受損的內質網或無用內質網片段被細胞自噬選擇性清除的過程。內質網自噬作為選擇性自噬研究的新領域，目前研究尚未十分清楚。Bernales等［30］通過電鏡證實內質網自噬的存在。內質網自噬主要通過兩種途徑選擇性將內質網選擇性清除。第1種途徑是自噬體識別并吞噬從內質網脫離的含有未折疊的蛋白的內質網片段；第2種途徑是自噬體直接包裹破損的內質網。內質網作為細胞內分泌蛋白和膜蛋白的折疊、加工和修飾的一種重要細胞器。當內質網的受到某種破壞，可引起一系列改變，例如消除未折疊蛋白反應、內質網應激以及內質網自噬等。如果內質網中仍存大量未能及時折疊的蛋白或者因某些原因而錯誤折疊的蛋白時，內質網無法及時修復便可損失內質網，繼而激活細胞的消除未折疊蛋白反應。而在內質網膜上分布了3個應激傳感蛋白，它們參與了消除未折疊蛋白反應，分別是肌醇依賴酶1α（IRE-1α）、激活轉錄因子6（ATF6）和蛋白激酶樣內質網激酶（PERK）。當內質網在接受信號開始消除未折疊蛋白反應時，會激活內質網膜上的應激傳感蛋白，從而減少或降解未折疊的蛋白并改善蛋白折疊功能［31］。當UPR無法明顯改善內質網功能時，細胞就會激活內質網自噬，并導致細胞激活自我保護機制，如增強蛋白折疊能力，加速蛋白質的降解等方式去除異常蛋白［32］。內質網自噬可以清除損傷的內質網和錯誤加工的蛋白以維持細胞內穩(wěn)態(tài)［33］。內質網自噬是個十分復雜的過程，可伴隨其他自噬共同存在，取決于自噬處于哪個階段。內質網和核糖體功能相似，當細胞出現異常的核糖體時，可激活核糖體自噬以避免蛋白質翻譯錯誤。同樣，線粒體作為維持機體穩(wěn)定的重要細胞器，當細胞穩(wěn)態(tài)失衡時，常會伴有線粒體自噬。Rubio等［34］在研究小鼠纖維肉瘤L929細胞內質網自噬的時候發(fā)現當ROS誘導的內質網產生損傷6 h后，在電鏡下觀察自噬體，其內含的破損的內質網的數量明顯多于所包含的線粒體的數量，但此時的線粒體的形態(tài)也同樣發(fā)生變化。而當ROS損傷16 h后，自噬體含有的內質網的數量卻明顯少于線粒體的數量。這提示在ROS損傷小鼠纖維肉瘤L929細胞的早期，內質網自噬占主要作用，而隨著內質網自噬作用的不斷增強，內質網通過傳遞磷脂氫過氧化物損傷附近線粒體，從而激活線粒體自噬，因而在后期線粒體自噬占主導作用。內質網自噬是當前研究的熱點，但是仍有很多問題沒有解決。在缺血缺氧的心肌中，內質網損害是必然的，通過研究內質網自噬的機制有可能用于保護缺血缺氧心肌。

3 問題與展望

綜上所述，心肌自噬參與缺血缺氧情況下心肌所出現的生理病理改變，在一定程度保護缺血缺氧所致的心肌損害，其可能HIF，mTOR，AMPK，線粒體自噬和內質網自噬等機制相關。雖然自噬的研究不斷深入，但目前對缺血缺氧所致的心肌細胞自噬的具體分子機制仍不十分清楚，仍進一步研究。調控心肌自噬，研究其具體的保護心肌的機制可能為缺血缺氧所致的心肌損害提供治療思路。

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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） （本文編輯：蔡元元）

廣東省科技計劃項目（20110316）

①廣東醫(yī)學院附屬醫(yī)院 廣東 湛江 524000通信作者：梁偉鈞

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