黃雷招唐德燊
《醫學綜述》2012年19期
【作者單位】：廣東醫學院附屬醫院腎病研究所
【摘要】：
活性氧簇與自噬的關系復雜，活性氧簇作為一種信號分子具有多種功能，不僅參與細胞的增殖和分化，還參與細胞內自噬的形成。現對活性氧簇與自噬的相關聯系，包括調節自噬的活性氧分子，活性氧簇介導自噬的機制，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行綜述，以期為相關疾病的治療提供新的策略。
傳統觀念認為，活性氧簇(reactive oxygen species，ROS)只是一類造成細胞損傷的有害物質，近年的研究發現，ROS作為一種信號分子不僅參與細胞的增殖分化，還與其凋亡等生理作用有關。自噬是一種依賴溶酶體對細胞內蛋白質和細胞器降解的過程，在生理及病理狀態下發揮著重要的作用，維持機體內環境的穩定。新的研究表明，ROS作為信號分子參與細胞內自噬的調節。現對ROS與自噬的關系，以及ROS介導的自噬在相關疾病中的作用等進行綜述。
1 ROS
ROS是體內一類氧的電子還原產物，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物超氧陰離子(O2-)、二電子還原產物過氧化氫(hydrogen peroxide，H2O2)和三電子還原產物羥自由基(·OH-)以及一氧化氮等。細胞內產生ROS的主要部位是線粒體，通過呼吸鏈上漏出的電子與O2結合生成ROS。除線粒體外，內質網和很多氧化酶類也可以產生ROS。ROS的生理作用研究表明，ROS參與細胞內應激反應，防衛有害物質的入侵，還可以激活轉錄因子(如激活蛋白1、核因子κB、c-Jun氨基末端激酶等)，調節細胞的生長和(或)凋亡。過多的ROS對細胞內各組分有損害作用，包括生物體的核酸、脂肪、蛋白質。盡管ROS的半衰期很短，但它可引起自由基鏈式反應，將其他物質變成自由基，從而引起脂質過氧化，導致細胞膜結構及其功能受到損傷，膜的通透性增加，細胞內離子平衡紊亂。損傷的DNA分子構型和完整性被破壞，導致細胞的死亡，神經退行性疾病及糖尿病的發生。
2自噬
Ashford等在小鼠肝細胞中觀察到細胞自噬現象。自噬是細胞通過來源于自身粗面內質網、高爾基體等雙層膜結構，包裹細胞內需要降解的細胞器、蛋白質等成分形成自噬體，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的自噬。在正常生理狀態下，細胞內自噬表現出較低的水平；在應激狀態下，細胞內的自噬水平會迅速上調，所以說自噬在很多生理過程(如清除多余蛋白質)及損傷衰老的細胞器上發揮著重要的作用。目前，Klionsky等在酵母細胞自噬相關基因(autophagy associatedgene，Atg)研究中發現并鑒定了20余種Atg，按照不同的功能分成三類：
①磷脂酰肌醇3磷酸激酶復合物；
②一對泛素樣蛋白結合系統，包括Atg8和Atg12，與自噬泡的延伸和形成有關；
③一個絲蘇氨酸激酶復合物，包括Atg1、Atg13和Atg17，與自噬的誘導相關。參與自噬的信號轉導通路非常復雜，目前研究較為透徹的主要有兩條：哺乳動物雷帕霉素靶蛋白(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在調節自噬中的作用
在生理狀態下，ROS在信號通路、免疫應答以及基因調控等方面起著非常重要的作用。越來越多的研究發現，ROS不僅參與細胞的增殖、分化及凋亡等生理過程，還可作為一種信號分子參與細胞的自噬激活。自噬是一個眾所周知的細胞內應激誘導的細胞保護機制，在氧化應激下，機體內大量的ROS產生，氧化蛋白質與損傷其功能，同時線粒體膜與細胞內其他細胞器受到損害，自噬激活并選擇性降解這些氧化的蛋白質與受損的細胞器，維持細胞的穩態。Mathew等的研究表明，在iBMK細胞剔除自噬關鍵基因beclin-1和Atg5，可觀察到細胞內大量積累異常的線粒體與ROS水平增高。另一項研究證實，在ROS清除系統異常的轉基因小鼠體內，盡管細胞內ROS水平升高，但可通過激活mTOR，使自噬的產生增多，從而代償性地清除多余ROS，維持細胞內正常功能。而ROS的過量累積會對細胞造成毒性傷害，可誘導過度的自噬產生直接導致細胞死亡。同時自噬在維持機體穩態方面發揮著重要作用，隨著機體老化白噬的活性減弱，機體內的ROS及氧化蛋白不能被有效地清除，導致衰老及一些老年性疾病的發生。
3．2調節自噬的ROS分子
目前多數文獻認為能調節自噬的自由基主要是H2O2和O2-，而O2-的半衰期很短且不穩定，能很快由超氧歧化酶催化成為較穩定的H2O2，而H2O2又進一步由過氧化氫酶催化成H2O2和O2。H2O2相對其他的自由基化學性質較穩定且半衰期較長，能自由通過線粒體。事實上它不僅作為信號轉導分子在各種信號通路中發揮作用，還可誘導自噬的生成。Scherz-Shouval等研究發現，機體在饑餓狀態下可通過Ⅲ型磷脂酰肌醇三磷酸激酶通路在線粒體內產生大量H2O2，H2O2通過氧化自噬相關蛋白Atg4，氧化的Atg4則不能降解與溶酶體膜共價結合的Atg8從而激活自噬。Zhang等研究發現，體外培養惡性膠質瘤細胞給予外源性H2O2刺激后能同時誘導自噬與凋亡的產生。qavaheri-Mergny等也同樣證實給予外源性H2O2可調節自噬的形成。
近期的研究表明，線粒體產生的O2-可作為一種信號轉導分子調節自噬。Kim等研究發現，抗癌藥物亞硒酸鈉可致惡性膠質瘤細胞線粒體的損傷，導致細胞內O2-的增多，誘導細胞內自噬的生成。Chen等研究在長期的饑餓/葡萄糖剝奪的狀態下，機體內都能產生O2-的大量積累，O2-是主要的ROS分子調節細胞自噬的發生。
以上的研究表明區別不同的ROS種類很重要，這可幫助人們正確評估各個ROS分子在信號轉導通路中的作用。目前檢測分析ROS分子種類的方法較少且有局限性，新的實驗方法亟待研究。
3．3 ROS調節自噬的分子機制
雖然許多研究顯示ROS可以誘導自噬發生，但調節自噬機制還未闡明。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自噬產生影響：在U251型人腦膠質瘤細胞中，H2O2誘導自噬是通過激活Ⅲ型磷脂酰肌醇三磷酸激酶信號通路，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型人腦膠質瘤細胞中，ROS誘導自噬是通過抑制依賴髓核細胞線粒體蛋白(Bcl-2/adenovirusE1B 19-kDa-interacting protein 3，BNIP)的mTOR通路。此外，研究發現促分裂原活化蛋白激酶也與自噬形成相關。一種新型的化合物可刺激腫瘤細胞中ROS的產生，通過激活細胞外調節蛋白激酶和JNK信號通路，從而誘導腫瘤細胞自噬性死亡。水飛薊賓可以通過ROS-p38信號途徑激活p53誘導HT1080型人纖維肉瘤細胞發生自噬型細胞死亡。在心肌細胞中，脂多糖誘導自噬產生，這一過程也受ROS-p38信號途徑調節。
還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶家族產生的ROS可引起吞噬細胞膜脂質過氧化和細胞內細胞器損傷，這可能作為一種細胞信號激活自噬修復細胞膜的損傷。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等認為細胞內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可能通過影響細胞內Ca2+含量而誘導自噬。
雖然研究證實ROS通過一些信號通路調節自噬，但是越來越多證據顯示，ROS可能是通過某一條或多條信號通路相互交叉引起自噬，研究ROS的下游信號與自噬的交叉通路有助于確定ROS調節自噬的機制。
4 ROS介導的自噬與相關疾病
4．1缺血/再灌注損傷
心肌再灌注時有大量的ROS產生，造成BH3-Only蛋白(如BNIP3)調節的線粒體損傷。Vande等初次證實BNIP3介導非凋亡型細胞死亡，在心肌細胞中也觀察到BNIP3介導細胞死亡的類似結果。Hamacher-Brady等在體外用HL-1心肌細胞證實BNIP3通過上調自噬和清除損傷線粒體啟動應激反應對心肌缺血/再灌注起保護作用。Matsui等自噬在心臟缺血/再灌注期間不同的作用研究認為在缺血階段自噬起著保護作用，而在再灌注階段自噬卻是有害的。再灌注期的氧化應激導致線粒體通透性轉換孔和線粒體損傷，這可能與BNIP3(低氧誘導自噬的關鍵因子)有關，能夠促進營養缺乏狀態下自噬體的形成。然而，Quinsay等在研究人心肌細胞中BNIP3誘導細胞自噬的機制，發現在BNIP3誘導心肌細胞自噬模型中，BNIP3誘導自噬觸發是不依賴于Ca2+、ROS產生和和線粒體通透性轉換孔開放。現對BNIP5誘導自噬機制甚不明確。
4．2腫瘤
惡性腫瘤由于快速生成而血液供運不足，腫瘤細胞出現生長因子缺乏、供氧不足，誘發細胞內的自噬，通過降解胞內蛋白質及細胞器為腫瘤細胞的生長提供營養及能量。基因剔除Beclin-1或Atg5的上皮瘤細胞病死率并沒有下降，但發生氧化應激時細胞病死率上升，原因可能是腫瘤細胞由于產生過多的ROS導致自噬性死亡。人們研究發現，腫瘤細胞在缺氧的狀態下，產生的ROS可以激活缺氧誘導因子和核因子κB，使缺氧誘導因子或核因子κB胞內水平增多，導致上皮來源的腫瘤生成速度加快。而缺氧誘導因子通過活化BNIP-3誘導自噬的激活清除過多的ROS，有利于腫瘤細胞在缺氧條件下存活。所以自噬對腫癌細胞的作用是雙面的，都可通過ROS的介導，是否可以通過調節自噬在抗腫瘤治療上尚需進一步的研究。
4．3感染
近期研究表明自噬與胞內微生物感染的聯系比較密切，一方面，自噬可以降解并清除細胞內的病原體；另一方面，有些病原體能夠通過某種機制逃避自噬而利于生存。機體內的細胞依賴模式識別受體識別外源病原體，膜結合受體TLRs與胞內受體NOD樣受體被激活后，能誘導ROS依賴性殺菌作用，并能誘導抗病原體的自噬產生。Lam等的近期研究顯示，ROS參與自噬清除細胞內的病原微生物這一病理過程，老鼠骨髓來源的中性粒細胞在受到病原微生物入侵時，膜上的還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶激活產生的ROS，誘導細胞內自噬的發生，從而降解細菌的細胞膜和病毒的蛋白質，清除入侵病原體。另一項研究也證實在人中性粒細胞膜受到病原微生物感染時膜上的還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶激活產生ROS誘導自噬。因此，ROS在病原體誘導的自噬中起著重要的作用。
5結語
ROS可作為一種信號分子參與細胞自噬的激活，ROS介導的自噬在某種程度上對機體有積極作用，但過度的ROS能誘導自噬性細胞死亡，ROS誘導的自噬性細胞存活和死亡之間的關系仍待于進一步研究。盡管許多ROS介導的自噬產生途徑被發現，但其誘導自噬的具體機制和通路還不是很清楚，需要不斷地深入研究，以完善相關信號通路。ROS和自噬與人類疾病息息相關，可否通過影響機體內ROS水平來調節細胞內自噬，從而達到防治疾病的目的亟待研究。