糖尿病腎病與自噬相關(guān)信號通路關(guān)系的研究進(jìn)展

,, ， ，

(上海中醫(yī)藥大學(xué)附屬普陀醫(yī)院腎內(nèi)科，上海 200062)

糖尿病腎病是糖尿病的主要并發(fā)癥之一，大約30-40%的Ⅰ型和Ⅱ型糖尿病患者會發(fā)展成DN，同時，糖尿病也被認(rèn)為是引起心血管疾病的重要危險因素之一。近年來，隨著糖尿病發(fā)病率的升高，DN的發(fā)病率也隨之升高。盡管臨床上可以通過控制血糖和血壓的方式來控制病情，但仍有很多糖尿病腎病患者會發(fā)展成為終末期腎病。臨床研究表明，超過40%的終末期腎病患者是由DN進(jìn)展而來[1]。DN不僅在臨床表現(xiàn)和疾病進(jìn)程方面有別于其他免疫介導(dǎo)的腎臟疾病，且多數(shù)DN患者一旦出現(xiàn)腎功能的損害，其進(jìn)展速度遠(yuǎn)快于其他非DN患者，因此由DN進(jìn)展成的終末期腎病的患者往往預(yù)后皆差，這使得尋求能夠控制DN病情發(fā)展的有效靶點變得愈加重要。自噬屬于細(xì)胞的一種應(yīng)激反應(yīng)，而糖尿病腎病狀態(tài)下，腎臟中高糖高脂等復(fù)雜的病理條件都會使自噬受到抑制，足細(xì)胞的自噬活性降低，磷酸腺苷活化蛋白激酶(AMP-activated protein kinase，AMPK)信號通路阻斷及哺乳動物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin，mTOR)通路活化，這些現(xiàn)象都說明自噬與糖尿病腎病的發(fā)病機制具有極大聯(lián)系。因此，通過調(diào)控自噬相關(guān)的信號通路來改善腎臟內(nèi)自噬受損情況可能是阻止糖尿病腎病的發(fā)生發(fā)展進(jìn)程的一種有效方法。

1 細(xì)胞自噬

自噬(源于希臘語“self-eating”)是廣泛存在于真核細(xì)胞中的一種特有的生命現(xiàn)象，主要通過溶酶體途徑降解和循環(huán)利用細(xì)胞內(nèi)的蛋白質(zhì)，以及去除受損的細(xì)胞器來維持細(xì)胞穩(wěn)態(tài)和完整性。早期的研究表明自噬是在細(xì)胞外環(huán)境(營養(yǎng)不足、缺血缺氧、生長因子濃度等)和細(xì)胞內(nèi)環(huán)境(代謝壓力、細(xì)胞器損壞)的情況下，細(xì)胞自身產(chǎn)生的一種應(yīng)激適應(yīng)性反應(yīng)應(yīng)答，是通過對細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)的再利用來為應(yīng)激狀態(tài)下的細(xì)胞提供營養(yǎng)和能量的一種分解代謝過程[2]。近年來許多的研究表明自噬參與機體內(nèi)許多的生理過程和疾病的發(fā)生過程，包括炎癥和自身免疫、發(fā)育和衰老、腎臟病變和腫瘤等[3-4]。

根據(jù)細(xì)胞內(nèi)底物運送到溶酶體方式的不同，自噬分為微自噬、巨自噬和分子伴侶介導(dǎo)的自噬，其中巨自噬是細(xì)胞自噬的主要類型，本文中提及的自噬皆指巨自噬。自噬的過程簡要分為四個階段：吞噬泡形成、自噬體形成并成熟、自噬溶酶體形成和底物降解。即最先在胞漿內(nèi)形成一種杯狀雙層膜結(jié)構(gòu)的吞噬泡，隨后通過逐漸延長和彎曲來包繞需被降解的蛋白質(zhì)或細(xì)胞器形成自噬體，接著自噬體與溶酶體融合形成自噬溶酶體，最后自噬溶酶體內(nèi)成分被酸性水解酶分解，用于細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)的再循環(huán)[5]。

自噬是一個多步驟調(diào)節(jié)的過程，由多個蛋白激酶復(fù)合體和自噬相關(guān)基因(Autophagy related Gene，Atg)共同協(xié)調(diào)完成。蛋白激酶復(fù)合體主要包括ULK(UNC-51 like kinase)復(fù)合體(ULK1/2-Atg13-FIP200)、磷脂酰肌醇3-激酶(phosphatidylinositol 3-hydroxy kinase，PI3K)復(fù)合體(PI3K/Vps34-Vps15-Beclin1-Barkor)、Atg12-Atg5-Atg16L和Atg8/LC3，其中ULK復(fù)合體參與自噬的啟動，PI3K復(fù)合體膜泡的成核和自噬體的形成，Atg12-Atg5-Atg16L和Atg8/LC3共同調(diào)節(jié)自噬體的延伸以及自噬溶酶體的形成，在此步驟中，LC3會在Atg4作用下形成LC3Ⅰ，緊接著LC3Ⅰ會在磷脂酰乙醇胺(phosphatidylethanolamine，PE)等作用下轉(zhuǎn)變成LC3Ⅱ;p62是自噬的重要標(biāo)志蛋白，能與LC3Ⅱ形成復(fù)合物，因此通常用細(xì)胞內(nèi)LC3Ⅰ/Ⅱ和p62的表達(dá)情況來共同評價自噬流量。另外，細(xì)胞自噬的整個過程除了以上提及的自噬相關(guān)基因外，還有其他Atg的參與，到目前為止，已有三十余種Atg已被確定[6]。

2 DN與自噬相關(guān)的信號通路

自噬不足是有害的，過度的自噬同樣有害。因此，在所有真核生物細(xì)胞中，自噬受到嚴(yán)密的調(diào)控，有多個信號通路參與細(xì)胞自噬過程調(diào)控，目前比較公認(rèn)的信號通路是mTOR通路和AMPK通路。此外，沉默信息調(diào)節(jié)因子(silent information regulator 1，SIRT1)通路也參與自噬的調(diào)控，但其機制目前還未完全清楚。糖尿病條件下這些自噬通路狀態(tài)的改變可以調(diào)控由胞內(nèi)壓力引起的機體自噬反應(yīng)，從而導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)環(huán)境紊亂的情況加劇，最終導(dǎo)致DN的發(fā)生。因此，研究清楚自噬相關(guān)信號通路與DN發(fā)生機制的具體聯(lián)系具有重大意義。

2.1 DN與mTOR信號通路mTOR是存在于真核生物體內(nèi)的一種與細(xì)胞內(nèi)營養(yǎng)狀態(tài)和氧化還原相關(guān)絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶，因與不同的蛋白結(jié)合形成兩個結(jié)構(gòu)和功能不同的復(fù)合物，即mTORC1和mTORC2, mTORC1對雷帕霉素極為敏感[7]。mTORC1主要參與細(xì)胞生長、增殖和凋亡過程，其活性可通過整合許多信號進(jìn)行調(diào)節(jié)，包括生長因子、胰島素、營養(yǎng)以及細(xì)胞脅迫因子(如缺氧、活性氧類和病毒感染等)，mTORC1可通過直接磷酸化ULK1和Atg13來抑制自噬發(fā)生[8]，被認(rèn)為是細(xì)胞自噬的負(fù)性調(diào)控因子。

研究表明，DN的發(fā)病機制可能與mTORC1的過度活化導(dǎo)致的自噬受損有關(guān)。臨床發(fā)現(xiàn)無論是在Ⅰ型還是Ⅱ型糖尿病導(dǎo)致的DN患者中均可見到mTORC1的活性增強[9]。結(jié)節(jié)性硬化復(fù)合物1和2(Tuberous sclerosis complex 1/2，TSC1/2)是mTORC1的負(fù)性調(diào)控因子，體內(nèi)實驗發(fā)現(xiàn)，在特異性敲除足細(xì)胞TSC1基因后，實驗小鼠出現(xiàn)了許多DN的病理表現(xiàn)，如系膜擴張、基底膜增厚、足細(xì)胞損傷以及蛋白尿等，表明活化mTORC1后激活的相關(guān)通路與DN的發(fā)生息息相關(guān)。Xiao[10]等人研究發(fā)現(xiàn)，在應(yīng)用抑制劑雷帕霉素后，鏈脲佐菌素(Streptozocin，STZ)誘導(dǎo)的糖尿病小鼠的腎功能及足細(xì)胞損傷均得到改善，同時，足細(xì)胞內(nèi)LC3Ⅱ的表達(dá)也升高，證實抑制mTOR可以改善自噬受損進(jìn)而提高保護(hù)腎臟；另外，應(yīng)用螺內(nèi)酯干預(yù)應(yīng)激狀態(tài)下的足細(xì)胞，通過PI3K/AKT/mTOR通路下調(diào)mTOR后發(fā)現(xiàn)，足細(xì)胞內(nèi)LC3Ⅱ以及Atg5的表達(dá)升高，足細(xì)胞自噬活性得到改善，這表明通過調(diào)控mTOR相關(guān)信號通路可以有效改善自噬受損，進(jìn)而起到保護(hù)足細(xì)胞和腎臟的作用[11]。值得一提的是，在實際臨床治療中，盡管可以通過使用雷帕霉素等mTOR抑制劑抑制mTOR通路，但過度抑制mTOR通路可導(dǎo)致腎小球足細(xì)胞功能不全[10]。由此可見，mTOR信號通路在DN的發(fā)生發(fā)展中起到重要的作用，如何精確的調(diào)控該通路仍需要進(jìn)一步深入的研究。

2.2 DN與AMPK信號通路磷酸腺苷活化蛋白激酶(AMPK)是一種十分重要的能量感受器，由α、β、γ 3種亞基組成，其中α亞基是AMPK的主要催化亞基。AMPK的活性主要受細(xì)胞內(nèi)AMP和ATP的相對數(shù)量調(diào)控，AMPK調(diào)控自噬的機制是當(dāng)細(xì)胞處于饑餓、缺氧等不利條件時，細(xì)胞內(nèi)AMP/ATP的比值會升高，引起一些AMPK的上游蛋白如肝素酶B1(liver kinase B1，LKB1)和鈣/鈣調(diào)蛋白激酶β(calcium/calmodulin-dependent protein kinase kinase beta，CaMKKβ)的活化，進(jìn)而磷酸化AMPK，激活自噬[12]。

前文提到，AMPK會在細(xì)胞能量缺失狀態(tài)下活化，而在糖尿病高糖環(huán)境下，其活性必然受到抑制，導(dǎo)致自噬受損，因此AMPK的失活與糖尿病腎病的發(fā)生發(fā)展有很大的關(guān)聯(lián)。大量動物實驗表明，在由STZ誘導(dǎo)的Ⅰ型糖尿病動物模型的腎臟內(nèi)，AMPK活性和自噬水平均顯著降低，與此同時，動物出現(xiàn)腎臟肥大、蛋白尿和腎功能不全等病理表現(xiàn)，而在應(yīng)用AMPK激動劑后，上述癥狀得到明顯改善，Lim，等[13]人發(fā)現(xiàn)，西那卡賽可以通過上調(diào)CaMKKβ- LKB1-AMPK通路改善db/db小鼠體內(nèi)的自噬受損，并且小鼠腎臟的硬化和纖維化程度得到改善，這一結(jié)論在高糖誘導(dǎo)的足細(xì)胞損傷模型中得到驗證。一方面，作為細(xì)胞自噬的正性調(diào)控蛋白,AMPK可以通過磷酸化TSC1/2或Raptor來抑制mTORC1活化；另一方面，AMPK也可以通過直接磷酸化ULK1來促進(jìn)自噬。Jin，等[14]在研究小鼠足細(xì)胞時發(fā)現(xiàn)，高糖條件下AMPK活性被抑制后，足細(xì)胞自噬水平同樣受到抑制，在給與藥物干預(yù)后，AMPK活性升高的同時ULK1的活性也隨之升高，表明AMPK被活化后進(jìn)一步激活了下游的ULK復(fù)合物以及下游的自噬通路來激活自噬。需要注意的是，mTORC1和AMPK通路都可以通過磷酸化ULK1復(fù)合物來介導(dǎo)各自的作用，但因其磷酸化位點不同而作用不同，前者磷酸化Ser757位點，后者磷酸化Ser317和Ser777位點[15]。以上的研究表明，糖尿病可以導(dǎo)致AMPK信號通路的阻斷，進(jìn)而使得腎臟內(nèi)的細(xì)胞自噬水平降低，機體出現(xiàn)各種病理表現(xiàn)，最終導(dǎo)致DN的發(fā)生。

2.3 DN與SIRT1信號通路沉默信息調(diào)控因子1(SIRT1)是一種NAD+依賴的去乙?；?，屬于沉默信息調(diào)節(jié)因子2家族，是自噬第二種主要正調(diào)控因子。但是，有關(guān)其誘導(dǎo)自噬的具體機制目前還未研究清楚。有學(xué)者認(rèn)為，SIRT1形成了一種大分子復(fù)合物，這種大分子復(fù)合物包含像Atg5、Atg7和LC3這類的自噬相關(guān)蛋白，通過NAD依賴的方式直接脫乙?；瘉碚T導(dǎo)自噬[16]；另一方面,Liqun Ma[17]等人研究發(fā)現(xiàn)，Ⅱ型糖尿病大鼠體內(nèi)的SIRT1 mRNA的表達(dá)減少，與此同時，F(xiàn)oxo3和Bnip3以及一些Atg5和Atg7等自噬相關(guān)基因的表達(dá)也隨之減少，而這些指標(biāo)在應(yīng)用SIRT1激動劑白藜蘆醇之后均同時得到改善，表明SIRT1可能通過與Foxo3作用，來增強Bnip3的表達(dá)，進(jìn)而誘導(dǎo)自噬增加[18]。

在腎臟中，SIRT1主要在腎髓質(zhì)和腎間質(zhì)中表達(dá)，之前的研究表明SIRT1可以通過對抗氧化應(yīng)激反應(yīng)來保護(hù)腎臟，而在自噬角度而言，目前大多數(shù)的研究都認(rèn)為SIRT1與AMPK的作用相似，是自噬的正向調(diào)節(jié)蛋白。這一觀點在實驗中得到了驗證，研究發(fā)現(xiàn)，在糖尿病腎病動物模型中，伴隨著自噬水平明顯受損，SIRT1的表達(dá)和活性均明顯降低。同樣，在糖尿病腎病患者的腎小球內(nèi)，SIRT1的活性也明顯降低[19]。另一方面，在應(yīng)用SIRT1激動劑白藜蘆醇后，糖尿病腎病大鼠體內(nèi)的SIRT1表達(dá)升高，自噬受損情況得到改善，蛋白尿明顯減少，腎功能得到改善；體外方面，白藜蘆醇也可以通過激活SIRT1改善高糖誘導(dǎo)的腎小球系膜細(xì)胞損傷[17, 20]。由此可見，SIRT1除了具有與AMPK相似的自噬調(diào)節(jié)作用外，還具有明顯的腎臟保護(hù)作用。

3 小結(jié)與展望

糖尿病腎病是世界范圍內(nèi)引起終末期腎病的最主要原因，也是糖尿病患者的主要死因之一，目前臨床上只能通過控制血壓和血糖的方法來控制病情。糖尿病的高發(fā)病率和終末期腎病的高死亡率使得尋找新且有效的DN防治手段成為目前臨床上的一個迫切需要。目前已有大量研究證實細(xì)胞自噬在DN的發(fā)病機制以及病程發(fā)展過程中都起到十分重要的作用，但其具體機制仍有待探究。隨著對自噬相關(guān)的mTOR、AMPK以及SIRT1通路的深入研究，將有可能對DN的治療提供新的治療思路。綜上所述，充分了解細(xì)胞自噬及其相關(guān)的信號通路對于調(diào)控DN時期腎臟內(nèi)的自噬受損具有重要意義，也能為未來的臨床治療糖尿病腎病提供有力的理論依據(jù)。