王治國，王麗

（1.上海光明荷斯坦牧業(yè)有限公司，上海 201436；2.中國奶業(yè)協(xié)會，北京 100193）

細胞自噬對肝臟代謝的調(diào)控

王治國1，王麗2

（1.上海光明荷斯坦牧業(yè)有限公司，上海 201436；2.中國奶業(yè)協(xié)會，北京 100193）

自噬在細胞功能的調(diào)控上具有重要作用，首次發(fā)現(xiàn)的功能是調(diào)控肝細胞的能量平衡，隨著近年對細胞自噬的深入研究，發(fā)現(xiàn)自噬和肝細胞能量平衡的調(diào)控有著緊密和復(fù)雜的聯(lián)系。本文對肝細胞自噬調(diào)控細胞代謝的生理機制進行了回顧，討論細胞自噬的類型及肝細胞自噬對肝臟能量代謝的作用，以期未來在反芻動物營養(yǎng)研究上，通過調(diào)控肝細胞自噬而調(diào)控肝臟代謝成為一種可能。

肝臟；自噬；能量代謝

細胞內(nèi)成分的循環(huán)利用是細胞生存的基礎(chǔ)，循環(huán)利用有助于減少細胞內(nèi)的廢物，保持細胞內(nèi)能量的供應(yīng)，同時細胞更容易適應(yīng)環(huán)境的挑戰(zhàn)[1,2]。細胞自噬是溶酶體對細胞內(nèi)容物降解的過程，是最有效的細胞內(nèi)容物循環(huán)再利用的例子，自噬具有控制細胞質(zhì)量和細胞能量的作用[2]，有助于保持細胞能量的正平衡。當有研究發(fā)現(xiàn)饑餓和胰高血糖素能夠誘導(dǎo)肝自噬時，細胞代謝與自噬就有了緊密的聯(lián)系[3]。從那時起，人們將自噬與許多新功能聯(lián)系起來，例如細胞周期的控制、免疫反應(yīng)、分化或細胞死亡[4,5]。然而，自噬在細胞代謝上的作用一直是其主要功能。

細胞自噬除了分解蛋白[6]補充細胞內(nèi)的氨基酸，有助于細胞內(nèi)脂質(zhì)[7]、糖原[8]的動員和水解以外，還通過線粒體自噬的形式，對線粒體網(wǎng)絡(luò)的數(shù)量和功能進行控制[9]。自噬通過選擇性降解參與糖酵解、脂自噬和脂質(zhì)分解的酶，在代謝通路上調(diào)控能量的供應(yīng)[10]。

1 自噬的種類

由于自噬在肝臟中表現(xiàn)的生理功能的多樣性，使得自噬在肝臟代謝調(diào)控中顯得最為突出，在同一細胞中自噬不同路徑的降解和再利用的兩個關(guān)鍵步驟是同時存在的，允許了自噬功能的多樣性。巨自噬、微自噬和伴侶自噬可共同出現(xiàn)在肝臟中，這三種自噬與肝臟能量平衡具有緊密的聯(lián)系。

1.1 巨自噬

巨自噬起始于自噬體膜的形成，它是一個雙層囊泡狀結(jié)構(gòu)，可將細胞內(nèi)要降解的物質(zhì)送入溶酶體進行降解。饑餓時自噬體膜開始將降解的物質(zhì)封存起來，應(yīng)對于不同刺激而產(chǎn)生的自噬具有其獨特的特點，巨自噬對主要降解物質(zhì)具有選擇性[11]。在這種情況下，自噬前體結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)歸功于自噬的受體，例如P62SQSTM1、NBR1、NDP52[11]。這些受體同時綁定自噬路徑上的重要成分，例如熟知的自噬相關(guān)蛋白（ATGs）。在ATGs的協(xié)同作用下，自噬體膜延著要降解的細胞內(nèi)容物的延長[12]，自噬體膜密封的自噬體沿著微管與溶酶體結(jié)合，將要降解的物質(zhì)交給這個水解的細胞器。然而細胞是如何感知需要發(fā)生自噬尚未定義，這種復(fù)雜的機制取決于刺激的類型。最近的研究揭示了這些機制之一，營養(yǎng)不足能夠被感知而引起某些自噬通路的開啟[13]。

1.2 伴侶自噬

以組成型表達的熱休克蛋白70(HSC70)作為分子伴侶參與細胞自噬作用，這種方式稱為伴侶自噬(CMA)[14,15]。伴侶自噬由分子伴侶HSC70 識別帶有KFERQ 序列的可溶性胞質(zhì)蛋白底物。分子伴侶-底物復(fù)合物與溶酶體膜上的受體LAMP-2a結(jié)合后，底物去折疊，位于溶酶體腔中的HSC70介導(dǎo)底物在溶酶體膜轉(zhuǎn)位，進入溶酶體腔中的底物在水解酶作用下分解為其組成成分，被細胞再利用[16]。

1.3 微自噬

當單層膜的小泡在溶酶體膜上形成并且內(nèi)陷向溶酶體吞噬細胞質(zhì)成分時，微自噬便發(fā)生了[17]。盡管在肝臟上對這個過程的原始形態(tài)學(xué)進行了描述，但是對其分子機制及與肝臟微自噬的生理相關(guān)性知之甚少。事實上，對溶酶體微自噬的大部分了解來自于酵母菌對于細胞器、脂質(zhì)甚至是細胞擬核部分的選擇性降解[18～20]。

2 自噬通過降解和再利用實現(xiàn)肝臟的能量平衡

饑餓最容易誘導(dǎo)細胞自噬，在細胞營養(yǎng)不足的最初4～6h抑制了細胞自噬的一種內(nèi)源抑制酶（mTor）的活性，從而誘發(fā)了自噬[21]。溶酶體降解細胞質(zhì)和蛋白產(chǎn)生的氨基酸維持細胞內(nèi)蛋白的合成，同時細胞通過克雷布斯循環(huán)生成ATP和葡萄糖。有趣的是，生成的氨基酸抑制了細胞自噬。目前抑制mTor而誘導(dǎo)細胞自噬的機理已經(jīng)被闡明，mTor通過磷酸化而抑制相關(guān)自噬基因的表達，例如細胞自噬體形成關(guān)鍵酶（ULK1）。在很多類細胞中，如果饑餓超過8h，則通過巨自噬降解的蛋白質(zhì)貢獻逐漸減弱，取而代之的是伴侶自噬，伴侶自噬在饑餓24h出現(xiàn)峰值且持續(xù)3d[22]。研究已經(jīng)表明細胞在饑餓時缺乏CMA會引起細胞能量負平衡[10]。CMA在饑餓的條件下不僅提供氨基酸而且還介導(dǎo)蛋白質(zhì)組的變化而促進其調(diào)控代謝，以便使之適應(yīng)長久的營養(yǎng)缺乏。

3 自噬降解能量物質(zhì)機制

目前為止研究最多的是細胞自噬降解蛋白，近來自噬降解細胞中其他能量物質(zhì)也受到了關(guān)注。溶酶體中包含有多種水解酶，除蛋白質(zhì)水解酶外，還有碳水化合物、脂質(zhì)和核酸水解酶。當機體不能從食物攝入葡萄糖時，肝糖原成為葡萄糖的一個重要來源，巨自噬和微自噬可將糖原以選擇性的形態(tài)送到溶酶體，然后依靠溶酶體酶將糖原降解。目前細胞如何感知血糖的下降而選擇性地開啟糖自噬還不清楚。此外，在完整的細胞中通過改進的技術(shù)方法可監(jiān)控自噬的過程，同時在分子水平上通過化學(xué)的手段調(diào)控自噬也促進了對糖自噬因子的識別。環(huán)磷酸酸酐和mTor通路調(diào)控著新肝臟糖自噬[23]，同時也提出了生長激素和肝葡萄糖之間的關(guān)系[24]。骨骼肌上的研究發(fā)現(xiàn)了微自噬在糖原降解上的作用，但是在肝糖原上這種認識還存在爭議。

近年，溶酶體對肝細胞脂質(zhì)的降解也頗受關(guān)注。除了細胞外的脂質(zhì)通過與溶酶體接觸并降解外，巨自噬可將細胞內(nèi)脂滴中的甘油三脂和膽固醇以選擇性的形態(tài)與溶酶體結(jié)合而進行降解[7]，脂質(zhì)小滴分解而成的脂肪酸是細胞營養(yǎng)物質(zhì)缺乏情況下的動力來源。事實上，經(jīng)過8h的饑餓，自噬體內(nèi)容物會出現(xiàn)從細胞降解糖類向脂質(zhì)小滴的轉(zhuǎn)變[7]。自噬現(xiàn)象促進了一個模型的改變，在這個模型中，胞質(zhì)脂酶負責降解甘油三酯，而在降解甘油三酯的過程中是胞質(zhì)脂酶和溶酶體酶的聯(lián)合作用。當然，兩個代謝途徑在什么情況下會相互協(xié)作仍然存在爭議。

細胞自噬選擇脂滴進行降解的機制還不清楚，最近的研究表明基因RAB7可將脂滴推到細胞核區(qū)域，在那里通過程序啟動了脂自噬[25]。然而中性的胞質(zhì)脂酶需要伴侶自噬除去脂滴上的圍脂蛋白，才能與脂滴核心接觸，這是脂質(zhì)分解的去火條件[26]。因此，到目前為止，微自噬對脂肪的降解只在酵母中有發(fā)現(xiàn)。

目前進行的調(diào)查研究揭示了一些脂自噬的調(diào)控機制，TFEB通過對脂滴溶酶體酶量的調(diào)整進行調(diào)控，另外TFEB保持過氧化物酶受體γ的激活，共同激活因子PEC1α和過氧化物酶激活受體α（PPAPα）[15,16]。有趣的是，脂自噬在極端的情況下被激活，除了饑餓，通過飲食到達肝臟的高水平脂質(zhì)也會觸發(fā)脂自噬以預(yù)防肝臟脂中毒[7]。在這種情況下，自噬有效激活的背后是FFA的完善過度[27]。同樣，環(huán)磷酸腺苷反應(yīng)結(jié)合蛋白的激活增加了自噬，涉及蛋白激酶AMP的激活，ULK1基因的α磷酸化[28,29]。另一方面，脂代謝的終產(chǎn)物——膽汁酸在轉(zhuǎn)錄水平上對脂自噬有抑制作用，酯衍生物X受體能夠感受基礎(chǔ)的營養(yǎng)物質(zhì)狀態(tài)[30]，通過改變與自噬體形成相關(guān)的RAB7基因來減少自噬溶酶體的形成。CMA選擇性移除脂包被蛋白的特殊信號機制目前尚不清楚，然而，脂包被蛋白的磷酸化是將脂滴運送到溶酶體的條件，支持了脂滴感受器酶參與該過程的說法[26]。

盡管脂自噬中CMA被激活以應(yīng)對細胞內(nèi)脂質(zhì)的迅速增加，通過改變自噬體和溶酶體內(nèi)容物來調(diào)整自噬進程[31]。事實上，通過對自噬控制細胞內(nèi)脂肪作用的描述，發(fā)現(xiàn)自噬的抑制也許與陳舊器官脂代謝失常有關(guān)。隨著年齡的增長，自噬行為減少會引起細胞內(nèi)脂質(zhì)的積累，反過來進一步抑制脂自噬，產(chǎn)生惡性循環(huán)。

4 細胞自噬對線粒體代謝能力的調(diào)整

線粒體是細胞內(nèi)ATP的主要來源，通過脂肪酸氧化、檸檬酸循環(huán)、血紅素和磷酸的生物合成及鈣儲存等不同過程影響著細胞代謝，因此維持線粒體的數(shù)量和形態(tài)對細胞穩(wěn)態(tài)至關(guān)重要。通過線粒體膜的高膜電位或質(zhì)子動力能引起活性氧的過量產(chǎn)生，進而導(dǎo)致膜蛋白和線粒體DNA的氧化損傷而引起線粒體功能障礙。這些經(jīng)常會導(dǎo)致線粒體滲透性轉(zhuǎn)換，引起完全不可逆的線粒體去極化[32]。在這種情況下，通過自噬選擇性地去除去極化和受損的線粒體能夠防止無用的ATP消耗，并且限制自由基的產(chǎn)生。線粒體自噬通過這種方式幫助恢復(fù)細胞的能量和減少細胞損傷，避免細胞死亡通路的激活。

最近對線粒體自噬的詳細剖析表明，自噬對線粒體的識別和清除具有協(xié)同機制[9,17]。最好的描述是PTEN誘導(dǎo)PINK1/帕金PBRE3泛素蛋白膜損傷導(dǎo)致線粒體表面PINK1積累，促進了泛素蛋白連接酶的積累聚集。為了應(yīng)對不同的環(huán)境細胞信號，如缺氧和環(huán)境變化，另外的受體也促進了線粒體自噬，線粒體所誘導(dǎo)的能量需要調(diào)控的出現(xiàn)至少一部分是由AMPK引起的ULK1磷酸來進行[33]，并且在線粒體生成和自噬之間保持嚴格的平衡，由TFEP-PECIa軸來調(diào)控[34]。

5 酶的選擇性調(diào)控

細胞自噬還可以通過對調(diào)控著不同細胞代謝循環(huán)酶的降解來調(diào)節(jié)細胞的能量平衡，這需要具備對降解不同蛋白高度的選擇性的功能。該功能首次在CMA中發(fā)現(xiàn)，CMA對糖酵解酶降解的生理證據(jù)是癌細胞的代謝，因為最近發(fā)現(xiàn)CMA能夠調(diào)控PKM2酶的降解（葡萄糖代謝的關(guān)鍵酶，通常在胚胎細胞中表達）[35]。PKM2的異構(gòu)體在癌細胞的含量更豐富，因為它有利于糖酵解的啟動而不是氧化磷酸化生產(chǎn)ATP，稱為Warburg效應(yīng)。由于PKM2比PKM1有更低的活性（在大多細胞中表達），這種代謝的轉(zhuǎn)換對于快速增長的細胞具有代謝的好處，同時也增加了糖代謝中間產(chǎn)物的量[36]。PKM2的乙酸化導(dǎo)致了它的轉(zhuǎn)換通過CMA，進一步促進了腫瘤的生長，因為中間產(chǎn)物的積累[35]。

后來的研究發(fā)現(xiàn)在CMA和癌代謝之間有著復(fù)雜的互作。在超過14種以上的癌癥中，CMA具有減低腫瘤的生長和轉(zhuǎn)移的作用[37]?；钴S的CMA在不同的癌細胞中對Warburg效應(yīng)具有保護作用[37]。在肝細胞上抑制CMA研究發(fā)現(xiàn)其具有重要的生理作用，涉及在基本的生理情況下脂質(zhì)、碳水化合物、氨基酸代謝相關(guān)酶的降解[13]。因此，肝臟不能進行CMA表明糖酵解酶的基本水平在增加，導(dǎo)致糖酵解增加，這種持續(xù)的葡萄糖消耗會引起糖異生的缺陷和肝臟新生糖原的不足。這些研究表明了CMA在肝臟代謝平衡中的重要性，同時也是適應(yīng)機體營養(yǎng)變化的重要組成部分。

6 小結(jié)與展望

在過去的十年中，關(guān)于自噬與細胞及機體之間的相互作用關(guān)系有了更廣泛深入的理解，通過自噬使機體適應(yīng)營養(yǎng)過剩和缺乏。然而，關(guān)于自噬和能量平衡之間的關(guān)系依然沒有解決，雖然已經(jīng)充分證明自噬可選擇性降解細胞器和蛋白質(zhì)，但自噬對脂質(zhì)和糖原選擇降解機理知之甚少。同時，在控制細胞能量平衡上，不同類型的自噬之間的相互作用及貢獻有待進一步去探究。目前在反芻動物營養(yǎng)乃至在動物營養(yǎng)的研究領(lǐng)域上，關(guān)于自噬與機體代謝機能之間的關(guān)系研究甚少，通過本文的綜述期望為這一領(lǐng)域的研究提供一點思路。

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The Autophagy Regulate the Liver Metabosim

WANG Zhi-guo1, WANG Li2
(1.Shanghai Bright Holstan Co., Ltd, Shanghai 201436; 2.Dairy Association of China, Beijing 100193 )

Cell autophagy is unique to eukaryotes material catabolism, evolutionary relatively conservative, Which can eliminate cell injury proteins and organelles, maintain cell health and stable internal environment, Autophagy play an important role to protect important life activities in the cell metabolism need under nutritional stress. As our understanding of autophagy has increased, we have found its connections to energy regulation in liver cells to be tight and complex. We review the mechanisms by which hepatic autophagy monitors and regulates cellular metabolism. Autophagy provides essential components (amino acids, lipids, and carbohydrates) required to meet the cell’s energy needs, and it also regulates energy supply by controlling the number, quality, and dynamics of the mitochondria. This paper will discuss the types of cell autophagy and the effect of liver cell autophagy on hepatic energy metabolism, so regulating the liver metabolism will be possible through regulating the liver cell autophagy in animal nutrition.

Liver; Autophagy; Energy metabolism

S858.23

A

1004-4264（2017）07-0038-05

10.19305/j.cnki.11-3009/s.2017.07.010

2017-02-25

國家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)（奶業(yè)）產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系（CARS-37）；山東省牛產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系（SDAIT-12-011-06）。

王治國(1977-)，男，碩士，主要從事反芻動物營養(yǎng)研究。王治國、王麗為并列第一作者。