自噬與糖尿病心肌病關系的研究進展

劉婷婷

(?？谑腥嗣襻t(yī)院·中南大學湘雅醫(yī)學院附屬?？卺t(yī)院，?？?70208)

糖尿病是一個日益嚴重的全球健康負擔，其發(fā)病率逐年升高[1]。糖尿病心肌病(DCM)是由糖尿病引起的左心室肥大和舒張功能降低的心血管并發(fā)癥，獨立于冠狀動脈疾病、高血壓及其他心臟疾病引起的心室功能紊亂，伴或不伴有收縮功能障礙，最終會導致心力衰竭，嚴重影響糖尿病患者的生活質量。充分認識及研究DCM的發(fā)病機制對于診治DCM、改善患者生活質量具有重要意義。自噬是存在于真核細胞中的應對內(nèi)外能力壓力的一種代謝方式，廣泛參與各種生理和病理過程。近年來，關于自噬與DCM的研究日漸增加，逐漸成為研究熱點。

1 DCM的流行病學及病理生理機制

心血管并發(fā)癥是糖尿病患者病死的主要原因之一。DCM在1型和2型糖尿病中導致早發(fā)性舒張功能和遲發(fā)性收縮功能障礙?；|代謝、氧化應激、內(nèi)質網(wǎng)壓力、細胞外基質蛋白和晚期糖基終產(chǎn)物的形成構成了DCM的早期階段。而DCM晚期將出現(xiàn)心肌細胞的脂肪變性(脂滴的積累)，細胞凋亡，免疫反應的改變，繼而出現(xiàn)纖維化增加，心肌細胞重建，以及心功能減退。迄今已有眾多研究表明，心肌細胞糖脂代謝改變，內(nèi)質網(wǎng)應激、氧化應激、Ca2+穩(wěn)態(tài)失衡等細胞內(nèi)穩(wěn)態(tài)失衡，胰島素信號、腎素-血管緊張素系統(tǒng)激活等信號通路的改變，自噬等均參與了DCM的發(fā)生發(fā)展。

1.1 DCM流行病學 由于缺乏來自不同糖尿病人群的大型研究結果，目前DCM的流行病學情況尚不明朗。研究顯示，2型糖尿病患者中舒張功能不全的發(fā)生率為40%～60%。另有一項關于1型糖尿病患者的前瞻性研究結果表明，心衰及心肌功能紊亂的發(fā)生率在7年隨訪結束時分別達到3.7%和14.5%。舒張型心衰占全部心衰的比例為85%[2]。

1.2 DCM的病理生理機制 高血糖在DCM的發(fā)生發(fā)展中發(fā)揮了重要作用。持續(xù)的高血糖會導致心肌細胞許多分子和代謝的改變。高血糖帶來的葡萄糖代謝增加能通過線粒體產(chǎn)生活性氧，增加氧化應激。線粒體呼吸鏈產(chǎn)生的過量超氧化物引起的氧化應激能降低心肌收縮性，最終導致心肌纖維化。胰島素抵抗和高胰島素血癥是2型糖尿病及糖尿病前期的典型病理改變。高胰島素血癥可以通過不同機制導致心肌細胞形態(tài)及結構改變，其中，在糖尿病狀態(tài)下主要是通過調節(jié)轉錄水平引起心肌細胞肥大，即通過各種表觀遺傳和基因改變激活多種轉錄因子，調節(jié)細胞外和細胞蛋白的表達，細胞外基質蛋白沉積及心肌細胞肥大，最終導致局部心肌纖維化。晚期糖基化終產(chǎn)物引起心肌細胞內(nèi)蛋白質、脂質及核酸的結構和功能異常，微小RNA介導的基因異常表達等亦參與了DCM的發(fā)生發(fā)展。大量文獻記載，糖尿病患者心臟的氧化和氮化壓力增加可能引發(fā)心肌細胞和內(nèi)皮細胞凋亡的應激信號通路的激活[3]。然而，最近的證據(jù)表明，除了凋亡外，其他的過程如自噬、吞噬和PARP依賴性細胞死亡途徑也可能在控制心血管疾病和DCM細胞死亡過程中起著重要的作用[4]。但DCM的發(fā)病機制仍有待進一步研究明確，且目前仍缺少有效的治療手段。

2 自噬概述

自噬是發(fā)生在真核細胞中的一種溶酶體依賴性非特異性物質降解過程，是一種細胞整理過程，它對清除受損或不需要的細胞器、蛋白質和脂質聚集至關重要。自噬可以吞噬自身細胞器或細胞蛋白使其進入囊泡，并在細胞質中與溶酶體結合形成自噬溶酶體；還可以降解變性的大分子物質及受損的細胞器，這有助于消除細胞中錯誤折疊的蛋白質和受損的細胞器，確保細胞在饑餓狀態(tài)下能以氨基酸的形式提供營養(yǎng)，以此實現(xiàn)細胞本身代謝需要及細胞器的更新。自噬是一種細胞應激和自我防御的機制，以胞質中出現(xiàn)雙層膜結構的自噬體為主要特征。細胞正常功能的維持需要自噬這種管家功能的維持。在心臟中，自噬不僅是維持心臟結構和功能的一種穩(wěn)態(tài)機制而且對心臟細胞完整性的維護也非常重要。然而，自噬的紊亂和破壞有導致心衰的可能。

根據(jù)底物進入溶酶體途徑的不同，自噬分為巨自噬、微自噬和分子伴侶介導的自噬，通常所講的自噬即巨自噬，發(fā)揮主要的吞噬作用。自噬啟動后，通過雙層膜結構包裹細胞質內(nèi)物質形成自噬囊泡，待成熟后再與溶酶體膜融合形成自噬溶酶體，并降解底物。自噬的誘導主要是通過UNC51樣激酶1(ULK1)介導。在營養(yǎng)富足的狀態(tài)下，哺乳動物雷帕霉素靶蛋白復合體1(mTORC1)激活并與ULK1、自噬相關蛋白13(Atg13)以及200 kD FAK家族相互作用蛋白(FIP200)結合成一個復合體。這將導致ULK1的磷酸化而失活，進而抑制自噬。當細胞營養(yǎng)不足時，mTORC1受抑制而與ULK復合物分離，此時ULK1去磷酸化成為有酶活性的物質，能磷酸化Atg13和FIP200，從而誘導自噬。自噬誘導后，Bcl-2相互作用蛋白(Beclin 1)與Bcl-2分離并與Vps34、Vps15及Atg14L(或紫外線輻射抵抗相關基因UVRAG)形成復合物，誘導自噬小體的形成和成熟。自噬小體的擴展和完成包含了兩條泛素化修飾過程；自噬相關基因12和微管相關蛋白1輕鏈3(LC3)。最終是由LC3-Ⅱ定位于自噬小體膜上來完成。其中，LC3是p62的受體，其與LC3的相互作用是將泛素化蛋白轉運至自噬體降解所必需的。

自噬的發(fā)生與體內(nèi)多種因素有關，包括激素、饑餓、高糖、氧化應激、脂毒性、線粒體功能障礙、細胞內(nèi)穩(wěn)態(tài)失衡等。胰島素對于自噬亦有調節(jié)作用，其通過兩條機制抑制自噬：首先，通過活化mTORC1導致ULK1的抑制；其次，通過活化蛋白激酶B，因其能抑制Atg基因表達的轉錄因子FoxO3。胰高血糖素能激活自噬，特別是在肝細胞中。除了在細胞或機體代謝穩(wěn)定中的重要作用外，營養(yǎng)及代謝性激素對自噬的調節(jié)還充分體現(xiàn)了其在代謝性疾病，包括糖尿病及其并發(fā)癥中的潛在重要性。近年來，越來越多的研究表明自噬已成為DCM的一個重要靶分子，其在DCM的發(fā)生、發(fā)展中扮演著重要角色。

3 自噬與DCM的關系

3.1 自噬的調節(jié) 與在其他組織中一樣，自噬在心肌細胞中包含了蛋白復合體，能在多種信號分子的嚴密監(jiān)測下選擇和降解細胞內(nèi)成分，對心肌代謝異常做出的應答以達到補充心肌能量的目的。在體實驗中空腹和能量限制、體外實驗中的營養(yǎng)剝奪都是心肌細胞強有力的自噬激活劑。胰島素信號通路是調節(jié)心肌自噬的重要路徑。在心肌胰島素信號損害的小鼠中，其出生后的自噬增加沒有通過進食而改善，進而導致心肌細胞丟失、心衰及早產(chǎn)死亡[5]。自噬的激活是為維持饑餓狀態(tài)下心肌正常功能，而自噬的過度活化與胰島素樣生長因子1缺陷的禁食小鼠心肌肥大有關。

對心臟能量應激做出應答的自噬調節(jié)是由5磷酸腺苷活化蛋白激酶(AMPK)和胰島素信號途徑構成的網(wǎng)絡系統(tǒng)介導。AMPK是細胞和全身能量平衡的主要調節(jié)劑。在運動、缺氧、氧化應激和葡萄糖缺乏的情況下，它被激活，以應對細胞內(nèi)的胰島素和AMP/ATP值的增加。新的證據(jù)表明，AMPK不僅調節(jié)細胞能量，還調節(jié)其他細胞過程，如細胞生長、蛋白質合成和自噬。AMPK活性在高糖濃度下活性降低，導致自噬紊亂。哺乳動物雷帕霉素靶蛋白mTOR對細胞生長、代謝具有重要的調節(jié)作用，能抑制自噬發(fā)生。mTOR途徑在用高膽固醇高果糖飲食喂養(yǎng)的肥胖、高脂血癥老鼠中被削弱了，這顯示了2型糖尿病的大部分特征[6]。mTORC1是mTOR的形式之一，能從AMPK和胰島素信號途徑中接收信號，在誘導自噬過程中具有重要意義。AMPK是mTOR上游區(qū)域的活化區(qū)，AMPK激活后可抑制mTOR，從而激活自噬；也可通過PI3K/AKT途徑激活mTOR，抑制自噬。由此可見，mTOR負向調節(jié)自噬的發(fā)生。

研究表明，Beclin 1是調節(jié)心臟自噬重要基因[7]，是酵母Atg6/Vps30的同源基因，主要通過與Ⅲ型磷脂酰肌醇3磷酸激酶形成復合物來調節(jié)自噬相關基因編碼蛋白，從而調節(jié)自噬活性。Bcl-2或Bcl-2樣蛋白1與Beclin 1結合，負向調節(jié)自噬。磷酸化作用能調節(jié)這種相互作用，Beclin 1的第108位酪氨酸磷酸化能促進Bcl-2和Beclin 1的相互作用，抑制心肌細胞自噬[8]。反之，Beclin 1的第119位酪氨酸磷酸化則可促進Bcl-2和Beclin 1的相互分離，進而激活自噬[9]。然而，目前尚缺乏關于心肌細胞中Beclin 1磷酸化的直接證據(jù)，還需進一步得到證實。

3.2 自噬對心肌的保護作用 自噬是存在于真核生物細胞中的一種高度保守 、維持細胞內(nèi)環(huán)境自身穩(wěn)定的重要細胞內(nèi)降解機制。生理情況下，細胞自噬功能保持在較低基礎水平，心肌細胞自噬對維持心肌功能有重要作用。由β-腎上腺素自身抗體誘導的心肌細胞死亡被報道與自噬減少有關，而通過雷帕霉素激活自噬體現(xiàn)出對心功能的保護作用。小泛素樣修飾蛋白與自噬蛋白的黏附能上調自噬，增進蛋白質量控制，降低心臟蛋白毒性疾病的發(fā)病率。在心肌急性能量應激事件發(fā)生時，誘導自噬無疑是有益的。部分研究表明，在饑餓、營養(yǎng)剝奪和心肌缺血情況下，抑制自噬將導致心功能嚴重惡化[9]。更重要的是，自噬能對缺血再灌注損傷心肌提供及時保護作用。最近的一項研究報告顯示，通過激活AMPK，促使Beclin1與Bcl-2的分離能增強心臟自噬能力，保護糖尿病性心肌細胞[10]。用二甲雙胍治療OVE26大鼠，可通過提高AMPK活性，增強細胞自噬能力，預防DCM的發(fā)生[11]。Zhang等[12]的研究顯示利拉魯肽作為一種降糖藥物，能通過AMPK-mTOR信號通路促進心臟自噬而減輕糖尿病心肌損傷。然而，心肌細胞能否適應持續(xù)的自噬目前尚不清楚，因為已有研究表明過少或過多的自噬都對心肌帶來一定的負面影響，在各種因素造成的心肌損傷如DCM中發(fā)揮一定作用。

3.3 自噬對DCM的病理作用 盡管自噬對維持及保護心肌細胞正常功能發(fā)揮著不可或缺的作用，但仍不斷有研究結果顯示自噬小體的積累參與了各種因素造成的心肌受損的病理過程，如慢性心衰[13]、心肌肥大和擴張型心肌病[14]、缺血再灌注損傷[15]等，在DCM中的病理作用也逐漸受到關注。自噬在高葡萄糖濃度下(如糖尿病)能被抑制，這可能與DCM的發(fā)生發(fā)展有關。此外，糖尿病心臟具有過量的脂肪酸吸收和氧化作用，導致有毒的脂質中間體，如長鏈?；?、二?；视汀⑸窠?jīng)酰胺等的積累，被稱為脂毒性。心臟脂毒性進一步導致胰島素抵抗、線粒體功能受損、細胞凋亡，最終導致心臟左心室重塑。最早在研究DCM自噬紊亂的動物模型中，顯示的自噬表達情況并不一致。首先，在果糖喂養(yǎng)構建的2型糖尿病模型小鼠中檢測到心功能異常，心肌細胞自噬小體積聚，自噬上調，其機制很可能是由于自噬小體形成的增加和降解的減少；幾乎同時，自噬的下調在用鏈脲霉素誘導的1型糖尿病小鼠模型中被報道[11]，此后的研究認為其機制主要是AMPK信號通路受抑制，抑制自噬發(fā)生。在2型糖尿病合并缺血性心臟病患者中，右心耳LC3和Beclin 1的表達是增加的，而p62的表達下降，并且心肌細胞LC3和Beclin 1的免疫可視化擴大了自噬小體的沉積，p62蛋白是自噬標志蛋白LC3的結合蛋白，它的減少證實心肌細胞內(nèi)自噬增加。Russo等在用牛奶及高脂飲食誘導的DCM小鼠模型中觀察到心肌細胞肥大，自噬激活。然而，在另一部分2型糖尿病人群中觀察到，心臟Atg5的表達是降低的，而LC3的表達沒有變化。在用鏈脲菌素誘導的1型糖尿病模型小鼠中，α-MHC-Beclin 1過表達能活化心肌細胞自噬，進而加速糖尿病導致的心肌細胞損傷。自噬的上調對心肌細胞究竟帶來保護還是破壞仍是學術界值得爭議的問題，心肌細胞自噬仍存在很多知識空白，仍需要大量的臨床和基礎研究證實。

3.4 自噬對DCM的調節(jié) 考慮到自噬在DCM中所扮演的角色，我們或許可以推測以調節(jié)心臟自噬作為DCM的治療方法之一。然而，在糖尿病及其并發(fā)癥中發(fā)現(xiàn)的自噬的改變是復雜的，在不同的組織中是不同的，而且還沒有完全被理解。因此，在潛在的藥物用于臨床之前需要進一步研究。未來的一種方法，可能是針對有自噬改變的糖尿病患者，旨在使自噬正常生理化。然而,這還需要一個篩查自噬是否有改變的方法，而此方法目前尚不能實現(xiàn)。已有部分研究中顯示某些藥物可能調節(jié)自噬，包括二甲雙胍和羅格列酮在內(nèi)的常規(guī)降血糖藥物，能通過刺激自噬，保護胰島β細胞不受脂肪酸攻擊而導致細胞死亡。此外，針對葡萄糖樣肽信號的制劑，如利拉魯肽和埃塞那肽等均被證明可以保護胰島β細胞，改善自噬缺陷的β細胞功能。然而，目前關于通過調節(jié)自噬改善DCM的研究報道仍較少。

自噬作為廣泛存在于真核細胞中的維持機體平衡的生命現(xiàn)象，越來越受到學者關注。自噬在DCM的保護及損傷作用的機制尚不明確?，F(xiàn)有的研究也尚未完全闡明DCM病變時如何誘導心肌細胞產(chǎn)生自噬以及自噬在糖尿病發(fā)展到DCM的過程中相關分子機制，針對自噬對DCM的治療更是處于初步探索階段。因此，關于自噬與DCM的關系還需要更大力度的投入和研究。

[1] Guariguata L, Whiting DR, Hambleton I, et al. Global estimates of diabetes prevalence for 2013 and projections for 2035[J]. Diabetes Res Clin Pract, 2014,103(2):137-149.

[2] Konduracka E, Cieslik G, Galicka-Latala D, et al. Myocardial dysfunction and chronic heart failure in patients with long-lasting type 1 diabetes: a 7-year prospective cohort study[J]. Acta Diabetol, 2013,50(4):597-606.

[3] Cai L, Kang YJ. Cell death and diabetic cardiomyopathy[J]. Cardiovasc Toxicol, 2003,3(3):219-228.

[4] Mei Y, Thompson MD, Cohen RA, et al. Autophagy and oxidative stress in cardiovascular diseases[J]. Biochim Biophys Acta, 2015,1852(2):243-251.

[5] Riehle C, Wende AR, Sena S, et al. Insulin receptor substrate signaling suppresses neonatal autophagy in the heart[J]. J Clin Invest, 2013,123(12):5319-5333.

[6] Deng JY, Huang JP, Lu LS, et al. Impairment of cardiac insulin signaling and myocardial contractile performance in high-cholesterol/fructose-fed rats[J]. Am J Physiol Heart Circ Physiol, 2007,293(2):H978-987.

[7] Maejima Y, Isobe M, Sadoshima J. Regulation of autophagy by Beclin 1 in the heart[J]. J Mol Cell Cardiol, 2016,95:19-25.

[8] Maejima Y, Kyoi S, Zhai P, et al. Mst1 inhibits autophagy by promoting the interaction between Beclin1 and Bcl-2[J]. Nat Med, 2013,19(11):1478-1488.

[9] Gurkar AU, Chu K, Raj L, et al. Identification of ROCK1 kinase as a critical regulator of Beclin1-mediated autophagy during metabolic stress[J]. Nat Commun, 2013,4:2189.

[10] He C, Zhu H, Li H, et al. Dissociation of Bcl-2-Beclin1 complex by activated AMPK enhances cardiac autophagy and protects against cardiomyocyte apoptosis in diabetes[J]. Diabetes, 2013,62(4):1270-1281.

[11] Xie Z, Lau K, Eby B, et al. Improvement of cardiac functions by chronic metformin treatment is associated with enhanced cardiac autophagy in diabetic OVE26 mice[J]. Diabetes, 2011,60(6):1770-1778.

[12] Zhang Y, Ling Y, Yang L, et al. Liraglutide relieves myocardial damage by promoting autophagy via AMPK-mTOR signaling pathway in zucker diabetic fatty rat[J]. Mol Cell Endocrinol, 2017,448:98-107.

[13] Shirakabe A, Zhai P, Ikeda Y, et al. Drp1-Dependent Mitochondrial Autophagy Plays a Protective Role Against Pressure Overload-Induced Mitochondrial Dysfunction and Heart Failure[J]. Circulation, 2016,133(13):1249-1263.

[14] Saito T, Asai K, Sato S, et al. Autophagic vacuoles in cardiomyocytes of dilated cardiomyopathy with initially decompensated heart failure predict improved prognosis[J]. Autophagy, 2016,12(3):579-587.

[15] Gustafsson AB, Gottlieb RA. Autophagy in ischemic heart disease[J]. Circ Res, 2009,104(2):150-158.