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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?，F(xiàn)對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作為信號分子參與細(xì)胞內(nèi)自噬的調(diào)節(jié)?，F(xiàn)對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)胞的生長和(或)凋亡。過多的ROS對細(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，還可作為一種信號分子參與細(xì)胞的自噬激活。自噬是一個眾所周知的細(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。另一項研究證實，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的過量累積會對細(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相對其他的自由基化學(xué)性質(zhì)較穩(wěn)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(zhuǎn)導(dǎo)分子在各種信號通路中發(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刺激后能同時誘導(dǎo)自噬與凋亡的產(chǎn)生。qavaheri-Mergny等也同樣證實給予外源性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估各個ROS分子在信號轉(zhuǎn)導(dǎo)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(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ROS通過一些信號通路調(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(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BNIP3通過上調(diào)自噬和清除損傷線粒體啟動應(yīng)激反應(yīng)對心肌缺血/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?，F(xiàn)對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不足，腫瘤細(xì)胞出現(xiàn)生長因子缺乏、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)胞的生長提供營養(yǎng)及能量?；蛱蕹鼴eclin-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)胞依賴模式識別受體識別外源病原體，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，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。另一項研究也證實在人中性粒細(xì)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(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。