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黃雷招唐德燊
《醫(yī)學(xué)綜述》2012年19期
【作者單位】：廣東醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院腎病研究所
【摘要】：
活性氧簇與自噬的關(guān)系復(fù)雜，活性氧簇作為一種信號(hào)分子具有多種功能，不僅參與細(xì)胞的增殖和分化，還參與細(xì)胞內(nèi)自噬的形成。現(xiàn)對(duì)活性氧簇與自噬的相關(guān)聯(lián)系，包括調(diào)節(jié)自噬的活性氧分子，活性氧簇介導(dǎo)自噬的機(jī)制，以及活性氧簇和自噬在缺血/再灌注損傷、腫瘤和感染中的作用進(jìn)行綜述，以期為相關(guān)疾病的治療提供新的策略。
傳統(tǒng)觀念認(rèn)為，活性氧簇(reactive oxygen species，ROS)只是一類造成細(xì)胞損傷的有害物質(zhì)，近年的研究發(fā)現(xiàn)，ROS作為一種信號(hào)分子不僅參與細(xì)胞的增殖分化，還與其凋亡等生理作用有關(guān)。自噬是一種依賴溶酶體對(duì)細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)和細(xì)胞器降解的過程，在生理及病理狀態(tài)下發(fā)揮著重要的作用，維持機(jī)體內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)定。新的研究表明，ROS作為信號(hào)分子參與細(xì)胞內(nèi)自噬的調(diào)節(jié)。現(xiàn)對(duì)ROS與自噬的關(guān)系，以及ROS介導(dǎo)的自噬在相關(guān)疾病中的作用等進(jìn)行綜述。
1 ROS
ROS是體內(nèi)一類氧的電子還原產(chǎn)物，是電子在未傳遞到末端氧化酶之前漏出呼吸鏈并消耗氧生成，包括氧的一電子還原產(chǎn)物超氧陰離子(O2-)、二電子還原產(chǎn)物過氧化氫(hydrogen peroxide，H2O2)和三電子還原產(chǎn)物羥自由基(·OH-)以及一氧化氮等。細(xì)胞內(nèi)產(chǎn)生ROS的主要部位是線粒體，通過呼吸鏈上漏出的電子與O2結(jié)合生成ROS。除線粒體外，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和很多氧化酶類也可以產(chǎn)生ROS。ROS的生理作用研究表明，ROS參與細(xì)胞內(nèi)應(yīng)激反應(yīng)，防衛(wèi)有害物質(zhì)的入侵，還可以激活轉(zhuǎn)錄因子(如激活蛋白1、核因子κB、c-Jun氨基末端激酶等)，調(diào)節(jié)細(xì)胞的生長(zhǎng)和(或)凋亡。過多的ROS對(duì)細(xì)胞內(nèi)各組分有損害作用，包括生物體的核酸、脂肪、蛋白質(zhì)。盡管ROS的半衰期很短，但它可引起自由基鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，將其他物質(zhì)變成自由基，從而引起脂質(zhì)過氧化，導(dǎo)致細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)及其功能受到損傷，膜的通透性增加，細(xì)胞內(nèi)離子平衡紊亂。損傷的DNA分子構(gòu)型和完整性被破壞，導(dǎo)致細(xì)胞的死亡，神經(jīng)退行性疾病及糖尿病的發(fā)生。
2自噬
Ashford等在小鼠肝細(xì)胞中觀察到細(xì)胞自噬現(xiàn)象。自噬是細(xì)胞通過來源于自身粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、高爾基體等雙層膜結(jié)構(gòu)，包裹細(xì)胞內(nèi)需要降解的細(xì)胞器、蛋白質(zhì)等成分形成自噬體，然后與自身溶酶體形成自噬溶酶體，降解其所包裹的內(nèi)容物的過程。自噬主要有三種形式：大自噬、小自噬和分子伴侶介導(dǎo)的自噬。在正常生理狀態(tài)下，細(xì)胞內(nèi)自噬表現(xiàn)出較低的水平；在應(yīng)激狀態(tài)下，細(xì)胞內(nèi)的自噬水平會(huì)迅速上調(diào)，所以說自噬在很多生理過程(如清除多余蛋白質(zhì))及損傷衰老的細(xì)胞器上發(fā)揮著重要的作用。目前，Klionsky等在酵母細(xì)胞自噬相關(guān)基因(autophagy associatedgene，Atg)研究中發(fā)現(xiàn)并鑒定了20余種Atg，按照不同的功能分成三類：
①磷脂酰肌醇3磷酸激酶復(fù)合物；
②一對(duì)泛素樣蛋白結(jié)合系統(tǒng)，包括Atg8和Atg12，與自噬泡的延伸和形成有關(guān)；
③一個(gè)絲蘇氨酸激酶復(fù)合物，包括Atg1、Atg13和Atg17，與自噬的誘導(dǎo)相關(guān)。參與自噬的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路非常復(fù)雜，目前研究較為透徹的主要有兩條：哺乳動(dòng)物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin，mTOR)通路和Ⅲ型磷脂酰肌醇三磷酸激酶/蛋白激酶B通路。
3 ROS與自噬
3．1 ROS在調(diào)節(jié)自噬中的作用
在生理狀態(tài)下，ROS在信號(hào)通路、免疫應(yīng)答以及基因調(diào)控等方面起著非常重要的作用。越來越多的研究發(fā)現(xiàn)，ROS不僅參與細(xì)胞的增殖、分化及凋亡等生理過程，還可作為一種信號(hào)分子參與細(xì)胞的自噬激活。自噬是一個(gè)眾所周知的細(xì)胞內(nèi)應(yīng)激誘導(dǎo)的細(xì)胞保護(hù)機(jī)制，在氧化應(yīng)激下，機(jī)體內(nèi)大量的ROS產(chǎn)生，氧化蛋白質(zhì)與損傷其功能，同時(shí)線粒體膜與細(xì)胞內(nèi)其他細(xì)胞器受到損害，自噬激活并選擇性降解這些氧化的蛋白質(zhì)與受損的細(xì)胞器，維持細(xì)胞的穩(wěn)態(tài)。Mathew等的研究表明，在iBMK細(xì)胞剔除自噬關(guān)鍵基因beclin-1和Atg5，可觀察到細(xì)胞內(nèi)大量積累異常的線粒體與ROS水平增高。另一項(xiàng)研究證實(shí)，在ROS清除系統(tǒng)異常的轉(zhuǎn)基因小鼠體內(nèi)，盡管細(xì)胞內(nèi)ROS水平升高，但可通過激活mTOR，使自噬的產(chǎn)生增多，從而代償性地清除多余ROS，維持細(xì)胞內(nèi)正常功能。而ROS的過量累積會(huì)對(duì)細(xì)胞造成毒性傷害，可誘導(dǎo)過度的自噬產(chǎn)生直接導(dǎo)致細(xì)胞死亡。同時(shí)自噬在維持機(jī)體穩(wěn)態(tài)方面發(fā)揮著重要作用，隨著機(jī)體老化白噬的活性減弱，機(jī)體內(nèi)的ROS及氧化蛋白不能被有效地清除，導(dǎo)致衰老及一些老年性疾病的發(fā)生。
3．2調(diào)節(jié)自噬的ROS分子
目前多數(shù)文獻(xiàn)認(rèn)為能調(diào)節(jié)自噬的自由基主要是H2O2和O2-，而O2-的半衰期很短且不穩(wěn)定，能很快由超氧歧化酶催化成為較穩(wěn)定的H2O2，而H2O2又進(jìn)一步由過氧化氫酶催化成H2O2和O2。H2O2相對(duì)其他的自由基化學(xué)性質(zhì)較穩(wěn)定且半衰期較長(zhǎng)，能自由通過線粒體。事實(shí)上它不僅作為信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)分子在各種信號(hào)通路中發(fā)揮作用，還可誘導(dǎo)自噬的生成。Scherz-Shouval等研究發(fā)現(xiàn)，機(jī)體在饑餓狀態(tài)下可通過Ⅲ型磷脂酰肌醇三磷酸激酶通路在線粒體內(nèi)產(chǎn)生大量H2O2，H2O2通過氧化自噬相關(guān)蛋白Atg4，氧化的Atg4則不能降解與溶酶體膜共價(jià)結(jié)合的Atg8從而激活自噬。Zhang等研究發(fā)現(xiàn)，體外培養(yǎng)惡性膠質(zhì)瘤細(xì)胞給予外源性H2O2刺激后能同時(shí)誘導(dǎo)自噬與凋亡的產(chǎn)生。qavaheri-Mergny等也同樣證實(shí)給予外源性H2O2可調(diào)節(jié)自噬的形成。
近期的研究表明，線粒體產(chǎn)生的O2-可作為一種信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)分子調(diào)節(jié)自噬。Kim等研究發(fā)現(xiàn)，抗癌藥物亞硒酸鈉可致惡性膠質(zhì)瘤細(xì)胞線粒體的損傷，導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)O2-的增多，誘導(dǎo)細(xì)胞內(nèi)自噬的生成。Chen等研究在長(zhǎng)期的饑餓/葡萄糖剝奪的狀態(tài)下，機(jī)體內(nèi)都能產(chǎn)生O2-的大量積累，O2-是主要的ROS分子調(diào)節(jié)細(xì)胞自噬的發(fā)生。
以上的研究表明區(qū)別不同的ROS種類很重要，這可幫助人們正確評(píng)估各個(gè)ROS分子在信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路中的作用。目前檢測(cè)分析ROS分子種類的方法較少且有局限性，新的實(shí)驗(yàn)方法亟待研究。
3．3 ROS調(diào)節(jié)自噬的分子機(jī)制
雖然許多研究顯示ROS可以誘導(dǎo)自噬發(fā)生，但調(diào)節(jié)自噬機(jī)制還未闡明。研究表明，ROS可通過mTOR和Ⅲ型磷脂酰肌醇三磷酸激酶通路對(duì)自噬產(chǎn)生影響：在U251型人腦膠質(zhì)瘤細(xì)胞中，H2O2誘導(dǎo)自噬是通過激活Ⅲ型磷脂酰肌醇三磷酸激酶信號(hào)通路，抑制磷脂酰肌醇三磷酸激酶/蛋白激酶B/mTOR通路中的蛋白激酶B和mTOR的活性；在C6型人腦膠質(zhì)瘤細(xì)胞中，ROS誘導(dǎo)自噬是通過抑制依賴髓核細(xì)胞線粒體蛋白(Bcl-2/adenovirusE1B 19-kDa-interacting protein 3，BNIP)的mTOR通路。此外，研究發(fā)現(xiàn)促分裂原活化蛋白激酶也與自噬形成相關(guān)。一種新型的化合物可刺激腫瘤細(xì)胞中ROS的產(chǎn)生，通過激活細(xì)胞外調(diào)節(jié)蛋白激酶和JNK信號(hào)通路，從而誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞自噬性死亡。水飛薊賓可以通過ROS-p38信號(hào)途徑激活p53誘導(dǎo)HT1080型人纖維肉瘤細(xì)胞發(fā)生自噬型細(xì)胞死亡。在心肌細(xì)胞中，脂多糖誘導(dǎo)自噬產(chǎn)生，這一過程也受ROS-p38信號(hào)途徑調(diào)節(jié)。
還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶家族產(chǎn)生的ROS可引起吞噬細(xì)胞膜脂質(zhì)過氧化和細(xì)胞內(nèi)細(xì)胞器損傷，這可能作為一種細(xì)胞信號(hào)激活自噬修復(fù)細(xì)胞膜的損傷。ROS還能與一些離子通道蛋白相互作用從而擾亂其正常功能。Grotemeier等認(rèn)為細(xì)胞內(nèi)Ca2+的增加通過腺苷酸活化蛋白激酶激活mTOR的抑制作用，表明ROS可能通過影響細(xì)胞內(nèi)Ca2+含量而誘導(dǎo)自噬。
雖然研究證實(shí)ROS通過一些信號(hào)通路調(diào)節(jié)自噬，但是越來越多證據(jù)顯示，ROS可能是通過某一條或多條信號(hào)通路相互交叉引起自噬，研究ROS的下游信號(hào)與自噬的交叉通路有助于確定ROS調(diào)節(jié)自噬的機(jī)制。
4 ROS介導(dǎo)的自噬與相關(guān)疾病
4．1缺血/再灌注損傷
心肌再灌注時(shí)有大量的ROS產(chǎn)生，造成BH3-Only蛋白(如BNIP3)調(diào)節(jié)的線粒體損傷。Vande等初次證實(shí)BNIP3介導(dǎo)非凋亡型細(xì)胞死亡，在心肌細(xì)胞中也觀察到BNIP3介導(dǎo)細(xì)胞死亡的類似結(jié)果。Hamacher-Brady等在體外用HL-1心肌細(xì)胞證實(shí)BNIP3通過上調(diào)自噬和清除損傷線粒體啟動(dòng)應(yīng)激反應(yīng)對(duì)心肌缺血/再灌注起保護(hù)作用。Matsui等自噬在心臟缺血/再灌注期間不同的作用研究認(rèn)為在缺血階段自噬起著保護(hù)作用，而在再灌注階段自噬卻是有害的。再灌注期的氧化應(yīng)激導(dǎo)致線粒體通透性轉(zhuǎn)換孔和線粒體損傷，這可能與BNIP3(低氧誘導(dǎo)自噬的關(guān)鍵因子)有關(guān)，能夠促進(jìn)營(yíng)養(yǎng)缺乏狀態(tài)下自噬體的形成。然而，Quinsay等在研究人心肌細(xì)胞中BNIP3誘導(dǎo)細(xì)胞自噬的機(jī)制，發(fā)現(xiàn)在BNIP3誘導(dǎo)心肌細(xì)胞自噬模型中，BNIP3誘導(dǎo)自噬觸發(fā)是不依賴于Ca2+、ROS產(chǎn)生和和線粒體通透性轉(zhuǎn)換孔開放。現(xiàn)對(duì)BNIP5誘導(dǎo)自噬機(jī)制甚不明確。
4．2腫瘤
惡性腫瘤由于快速生成而血液供運(yùn)不足，腫瘤細(xì)胞出現(xiàn)生長(zhǎng)因子缺乏、供氧不足，誘發(fā)細(xì)胞內(nèi)的自噬，通過降解胞內(nèi)蛋白質(zhì)及細(xì)胞器為腫瘤細(xì)胞的生長(zhǎng)提供營(yíng)養(yǎng)及能量。基因剔除Beclin-1或Atg5的上皮瘤細(xì)胞病死率并沒有下降，但發(fā)生氧化應(yīng)激時(shí)細(xì)胞病死率上升，原因可能是腫瘤細(xì)胞由于產(chǎn)生過多的ROS導(dǎo)致自噬性死亡。人們研究發(fā)現(xiàn)，腫瘤細(xì)胞在缺氧的狀態(tài)下，產(chǎn)生的ROS可以激活缺氧誘導(dǎo)因子和核因子κB，使缺氧誘導(dǎo)因子或核因子κB胞內(nèi)水平增多，導(dǎo)致上皮來源的腫瘤生成速度加快。而缺氧誘導(dǎo)因子通過活化BNIP-3誘導(dǎo)自噬的激活清除過多的ROS，有利于腫瘤細(xì)胞在缺氧條件下存活。所以自噬對(duì)腫癌細(xì)胞的作用是雙面的，都可通過ROS的介導(dǎo)，是否可以通過調(diào)節(jié)自噬在抗腫瘤治療上尚需進(jìn)一步的研究。
4．3感染
近期研究表明自噬與胞內(nèi)微生物感染的聯(lián)系比較密切，一方面，自噬可以降解并清除細(xì)胞內(nèi)的病原體；另一方面，有些病原體能夠通過某種機(jī)制逃避自噬而利于生存。機(jī)體內(nèi)的細(xì)胞依賴模式識(shí)別受體識(shí)別外源病原體，膜結(jié)合受體TLRs與胞內(nèi)受體NOD樣受體被激活后，能誘導(dǎo)ROS依賴性殺菌作用，并能誘導(dǎo)抗病原體的自噬產(chǎn)生。Lam等的近期研究顯示，ROS參與自噬清除細(xì)胞內(nèi)的病原微生物這一病理過程，老鼠骨髓來源的中性粒細(xì)胞在受到病原微生物入侵時(shí)，膜上的還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶激活產(chǎn)生的ROS，誘導(dǎo)細(xì)胞內(nèi)自噬的發(fā)生，從而降解細(xì)菌的細(xì)胞膜和病毒的蛋白質(zhì)，清除入侵病原體。另一項(xiàng)研究也證實(shí)在人中性粒細(xì)胞膜受到病原微生物感染時(shí)膜上的還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶激活產(chǎn)生ROS誘導(dǎo)自噬。因此，ROS在病原體誘導(dǎo)的自噬中起著重要的作用。
5結(jié)語
ROS可作為一種信號(hào)分子參與細(xì)胞自噬的激活，ROS介導(dǎo)的自噬在某種程度上對(duì)機(jī)體有積極作用，但過度的ROS能誘導(dǎo)自噬性細(xì)胞死亡，ROS誘導(dǎo)的自噬性細(xì)胞存活和死亡之間的關(guān)系仍待于進(jìn)一步研究。盡管許多ROS介導(dǎo)的自噬產(chǎn)生途徑被發(fā)現(xiàn)，但其誘導(dǎo)自噬的具體機(jī)制和通路還不是很清楚，需要不斷地深入研究，以完善相關(guān)信號(hào)通路。ROS和自噬與人類疾病息息相關(guān)，可否通過影響機(jī)體內(nèi)ROS水平來調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)自噬，從而達(dá)到防治疾病的目的亟待研究。