脂噬在腎臟疾病中的作用研究進展

商益瑋 何強

長期以來，人們認為脂質不能作為自噬底物被選擇性降解，直到2009年Singh等[1]在培養(yǎng)的肝細胞中第一次明確定義了自噬在調節(jié)細胞內脂質儲存中的作用。隨后，脂噬在下丘腦細胞、紋狀體神經元、膠質細胞、脂肪細胞、成纖維細胞和腸細胞等不同種類的細胞中也被發(fā)現[2-5]。在不同類型的細胞中，脂噬對脂質穩(wěn)態(tài)起了重要的調節(jié)作用，并且與許多疾病的病理、生理有關。脂質的異常累積也參與了許多腎臟疾病的病理過程，且大多數腎臟疾病目前并無根治方法，通過尋找可靠靶點改善相關疾病的脂質累積，或許能成為延緩疾病發(fā)展，改善疾病預后的可靠途徑。本文就脂噬在腎臟疾病中的作用研究進展，包括脂噬維持腎臟生理功能、降低腎透明細胞癌（clear cell renal cell carcinoma,CCRCC）和糖尿病腎?。╠iabetic kidney disease,DKD）中脂質累積的作用作一綜述。

1 脂噬的概述

1.1 自噬 自噬是由Ashford等[6]在1962年發(fā)現細胞內有“自己吃自己”的現象后提出的。1963年De Duve[7]將自噬描述為細胞的某些部分不知何故在細胞自身的溶酶體中找到了自己的路徑，并被分解。自噬是細胞在一定刺激下將其細胞內物質傳遞到溶酶體并在溶酶體中降解的動態(tài)過程。哺乳動物中有3種主要的自噬類型，包括巨自噬、微自噬和分子伴侶介導的自噬[8]。巨自噬是最普遍的自噬形式，在此過程中，細胞形成一個稱為自噬體的雙膜隔離室，成熟為自噬體。這是巨自噬最明顯的特征，并且有許多研究者認為在電鏡下觀察這種現象是判斷巨自噬活性的“金標準”。自噬體在輸送到液泡或溶酶體后，內容物被降解，產生的大分子被釋放回細胞質中供再次使用[9]。巨自噬的底物包括多余和受損的細胞器、胞質蛋白、部分細胞核、入侵微生物甚至溶酶體本身，以適應細胞面對的各種應激條件，包括饑餓、缺氧、激素刺激和微生物入侵，以此來保護細胞[10]。相反，微自噬不涉及自噬體作為運輸中間產物，而是由溶酶體單獨以溶酶體包裹機制完成吞噬過程[11]。而熱激同源蛋白70（heat shock cognate protein 70,HSC70）通過微自噬可以介導選擇性的蛋白降解[12]，微自噬的主要作用是維持細胞器的大小、膜內穩(wěn)態(tài)和氮限制下的細胞存活。微自噬與巨自噬、分子伴侶介導的自噬（chaperone-mediated autophagy,CMA）和其他自噬途徑相互協(xié)調并互為補充[13]。CMA是目前研究較少的一種自噬類型。CMA以蛋白質為唯一降解底物，蛋白質必須在其氨基酸序列中包含特定的靶向基序才能成為CMA底物，該基序與HSC70結合，后者將底物蛋白帶到溶酶體表面內化然后進行快速的溶酶體內降解[14]。CMA通過降解受損蛋白質，有助于細胞質量控制。此外，CMA還能降解未受損的蛋白質以終止其功能，通過這種方式，它有助于調節(jié)多種細胞活動（包括T細胞活化、細胞周期、細胞代謝、細胞生長和存活等）[15]。非選擇性自噬用于饑餓條件下大量細胞質的轉換，而選擇性自噬專門針對受損或多余的細胞器以及入侵的微生物。根據特定細胞器的不同，選擇性自噬擁有各種特征性的名字，比如以線粒體為目標的線粒體自噬（mitophagy）、以內質網為目標的內質網自噬（ER-phagy）、以溶酶體為目標的溶酶體自噬（lysophagy）和以脂滴（lipid droplets,LDs）為目標的脂噬等[16]。

1.2 脂噬 LDs是可以儲存脂質的真核細胞器。脂噬是指LDs被自噬體隔離，與溶酶體融合形成自噬溶酶體。LDs中的TG和膽固醇酯隨后被自溶酶體中的溶酶體水解酶降解為游離脂肪酸（free fatty acids,FFAs），這些FFAs被再循環(huán)回細胞質中進行線粒體β-氧化[17]。脂噬主要是通過巨自噬和CMA兩種途徑完成的。脂肪組織甘油三酯脂肪酶（adipose triglyceride lipase,ATGL）和磷脂酶patatin樣域包含蛋白8（patatinlike phospholipase domain-containing enzyme 8,PNPLA8）被認為是脂噬的選擇性自噬受體[18-19]。自噬相關基因（autophagy related gene,ATG）14內的磷酯酰乙醇胺（phosphatidyl ethanolamine,PE）與Unc-51樣自噬激活激酶1（unc-51-like kinase 1,ULK1）和微管相關蛋白Ⅰ輕鏈3（microtubule associated protein Ⅰ light 3,LC3）相互作用，誘導脂噬，導致FFAs的釋放。腺苷酸活化蛋白激酶（adenosine 5'-monophosphate-activated protein kinase,AMPK）可以通過抑制雷帕霉素靶蛋白促進自噬起始復合物（ULK1、ATG13、ATG101、200 kDa的FAK家族激酶相互作用蛋白）的表達從而調節(jié)脂噬。CMA同樣也在脂噬中起到了重要作用，CMA可以通過HSC70和溶酶體相關膜蛋白2A（lysosomeassociatedmembraneprotein2A,LAMP2A）受體的協(xié)同作用降解LDs的外殼蛋白脂滴包被蛋白（perilipin,PLIN）2和PLIN3，從而調節(jié)細胞內的脂質儲存[20]。Kaushik等[21]發(fā)現，CMA活性受損時，無法從LDs表面移除PLIN，會阻止ATGL和自噬相關蛋白進入脂質核心，并通過兩種途徑（胞質脂肪酶和巨自噬）的調節(jié)抑制脂肪分解。不同的PLIN成員似乎可以識別不同大小或成熟狀態(tài)的LDs進行結合[22]，但至今每個PLIN家族成員調節(jié)脂噬的機制尚未明確。脂噬作為一種選擇性自噬，對LDs降解的調節(jié)作用已得到充分證明，在營養(yǎng)缺乏或者細胞脂質積聚過多時，脂噬可以被刺激，從而降解LDs并為細胞提供能量來源。在不同類型的細胞中，脂噬對脂質穩(wěn)態(tài)起了重要的調節(jié)作用，并與酒精性和非酒精性脂肪肝、肝纖維化、肝細胞癌、動脈粥樣硬化等多種疾病的病理生理有關[23-27]（圖1）。

圖1 脂噬的模式圖（LDs表面蛋白PLIN2和PLIN3在CMA途徑中被HSC70識別并結合形成復合物，HSC70和PLIN復合物與LAMP2A結合，導致它們被溶酶體攝取并降解。這有助于其脂質核心進入胞質脂肪酶ATGL降解或被自噬小體錨定進入巨自噬途徑被降解。在巨自噬途徑中經過隔離膜形成、隔離膜的伸長和閉合導致自噬體的形成、自噬體隨后與溶酶體融合形成自噬溶酶體等，最終被吞噬的LDs降解為FFAs成為供能來源）

2 脂噬與腎臟生理

腎臟雖然只占人體0.5%的體重，但其耗氧量卻占到了人體總耗氧量的10%。FFAs的β-氧化是腎ATP產生的主要來源，尤其是在近端小管，因為近端小管具有較高的能量需求和相對較小的糖酵解能力[28]。FFAs是代謝中間產物，可通過飲食獲得或內源性合成。它不僅是脊椎動物能量生產的最有效基質，也是構成生物膜脂質的基本成分[29]。除了作為一種重要的能源外，它還產生各種有益和有害的影響，通過與核受體或膜受體結合在調節(jié)代謝途徑的信號分子中發(fā)揮重要作用。然而，在FFAs超負荷的情況下，它們會變得有毒，誘導活性氧（reactive oxygen species,ROS）產生、內質網應激、細胞凋亡和炎癥[30]。LDs的存在不僅可以作為能量儲存的倉庫，還可以防止由FFAs過量產生的細胞毒性，而這些儲存的能量可以通過脂肪酶的活性迅速降解。根據目前的研究，主要有3種脂肪酶參與LDs中TG的降解：ATGL、激素敏感性脂肪酶和單酰甘油脂肪酶，分別在降解途徑中催化TG、甘油二脂和單酰甘油[31]。但最近的研究表明，在腎臟LDs的降解中，除了傳統(tǒng)的脂肪分解外，脂噬也發(fā)揮著重要作用。Minami等[32]發(fā)現，在長期饑餓時，腎近端小管細胞的免疫熒光中可以看到氟硼二吡咯標記的LDs和微管相關蛋白1A/1B輕鏈3B標記的自噬體的共定位明顯增多，并且使用自噬抑制劑氯喹后，共定位增多更加明顯。說明在長期饑餓的情況下腎近端小管細胞發(fā)生了脂噬，電子顯微鏡的觀察結果也印證了這一現象。使用ATP比色/熒光分析試劑盒和細胞活力測定四氮唑藍法檢測發(fā)現，對照組比脂噬抑制組（atg5-/-）ATP含量和細胞存活率更高。經過可以促進LDs形成的油酸處理后，對照組ATP含量再次上升，而脂噬抑制組無變化。說明在長期饑餓時，脂噬可以維持腎近端小管的能量穩(wěn)態(tài)，提高腎近端小管的存活率。并且該研究還發(fā)現在腎臟中脂噬和傳統(tǒng)的自噬具有不同的階段周期，但脂噬和傳統(tǒng)自噬之間的分子轉換機制仍有待闡明。

3 脂噬與CCRCC

CCRCC是成人腎細胞癌（renal cell carcinoma,RCC）的最常見形式，約占RCC的75%。CCRCC的一個明確的形態(tài)學特征是脂質的異常細胞質積累，包括膽固醇、膽固醇酯和中性脂質，這一特征是“透明細胞”名稱的由來[33]。近35%的腎切除術后CCRCC患者有局部浸潤或遠處轉移，需要進一步化療或放療，不幸的是，CCRCC對目前的化療和放療方式并不敏感[34]。Wettersten等[33]發(fā)現CCRCC通常伴隨著葡萄糖和脂肪酸代謝以及三羧酸循環(huán)的改變，這些變化為CCRCC新的治療策略、生物標志物和成像方式提供了機會。研究證明，脂質代謝在腫瘤生長和轉移中具有關鍵作用，而他汀類等藥物可以通過干擾脂質代謝影響腫瘤生長[35]。微管相關蛋白1S（microtubule associated protein1S,MAP1S）是微管相關蛋白家族1的成員，可以與LC3-Ⅰ和LC3-Ⅱ亞型相互作用，已被證實是自噬的積極調節(jié)因子[36]。Xu等[37]發(fā)現正常組織、癌旁組織和CCRCC組織中MAP1S含量呈遞減變化，并且擁有更好預后的CCRCC患者MAP1S水平往往更高。在小鼠腎上皮細胞中，敲除MAP1S基因后發(fā)現自噬通量下降，脂質累積也伴隨增多，轉染MAP1S基因后發(fā)現自噬通量上升，脂質累積伴隨減少。說明由MAP1S缺陷引起的脂噬缺陷可能促進CCRCC的發(fā)生和發(fā)展，降低CCRCC患者的生存率。而提高MAP1S的表達可以通過增強脂噬作用改善CCRCC患者的預后。近年來，首次從傳統(tǒng)中草藥雷公藤根中分離出的活性成分雷公藤紅素已被發(fā)現在各種癌癥中的潛在抗腫瘤特性，包括胃癌、鼻咽癌和肝細胞癌[38-40]。Zhang等[41]發(fā)現，雷公藤紅素可以濃度依賴性地通過上調腫瘤組織中的肝X受體α和三磷酸腺苷結合盒轉運體A1(ATP binding cassette transporter A1,ABCA1)增強脂噬作用以及促進ABCA1介導的膽固醇外流改善CCRCC患者的脂質累積，抑制上皮-間質轉化的進展，最終抑制細胞增殖、遷移和侵襲以及腫瘤生長。但脂噬作用的增強在CCRCC中并不全是正向作用。索拉非尼作為CCRCC治療的一線藥物長期被其獲得性耐藥機制所困擾[42]。Liu等[43]研究顯示，與非耐藥細胞相比，索拉菲尼耐藥細胞具有較高的自噬水平，LDs儲存水平降低，FFAs含量上升，并且自噬抑制劑3-甲基腺嘌呤（3-Methyladenine,3-MA）的使用可以降低其耐藥性，表明索拉非尼耐藥細胞可能通過增強脂噬作用代謝LDs以適應腫瘤細胞大量的能量消耗。而蛋白激酶B通路在耐藥細胞中被明顯激活，可能對自噬起負調控作用，使耐藥細胞不至于過度自噬。

4 脂噬與DKD

DKD是糖尿病的一種嚴重并發(fā)癥，已成為世界范圍內最常見的導致慢性腎臟?。╟hronic kidney disease,CKD）和終末期腎病的原發(fā)疾病，也與心血管疾病和高昂的公共衛(wèi)生保健費用有關[44]。盡管有研究表明腎小球腎炎是發(fā)展中國家導致CKD更主要的病因[45]，但根據Zhang等[46]的研究，在最近幾十年中國糖尿病患病率不斷上升的背景下，中國普通人群和城市住院人群與糖尿病相關的CKD比與腎小球腎炎相關的CKD更為常見。DKD的特征是GFR降低、腎小球肥大、蛋白尿、腎小球基底膜增厚、系膜擴張、足細胞減少、腎小球硬化和間質纖維化[47]。導致DKD發(fā)生、發(fā)展的機制目前尚不清楚，盡管血糖控制和腎素-醛固酮系統(tǒng)拮抗劑有一定的作用，但大多數DKD患者的病情仍會進展。遺傳學因素可能在DKD發(fā)生、發(fā)展中起關鍵作用，但除此之外，血脂的異常代謝可能也是一個重要機制[48]。血漿中TG和FFAs水平過高會導致非脂肪組織中的脂質積累和脂毒性[49]，并且腎臟細胞會因異位脂質沉積而受損，與DKD腎臟中的炎癥、ROS生成、線粒體功能障礙和細胞死亡有關[50]。據此，脂噬可能通過清除腎臟的脂質累積對DKD的進展起調控作用。Han等[51]發(fā)現電鏡下可以看到DKD患者腎臟切片LDs數量和大小明顯多于對照組，自噬體數量少于對照組，并且免疫熒光顯示DKD患者自噬相關蛋白表達也明顯低于對照組，說明在DKD患者的腎臟中，脂噬顯著減弱了。研究證實脂聯(lián)素可以激活AMPK和過氧化物酶體增殖物激活受體-α通路上調自噬水平[52]。在db/db DKD小鼠模型中使用脂聯(lián)素受體激動劑Adipo-Ron后發(fā)現自噬相關蛋白明顯上調、脂噬作用增強，并且DKD小鼠的腎臟損傷、細胞凋亡、ROS含量、脂質沉積都明顯好轉。更出乎意料的是，通過對纖維化相關的纖維粘連蛋白和Ⅰ型膠原進行標記，發(fā)現加強脂噬作用對DKD患者腎臟的改善作用不僅發(fā)生在脂質沉積上，也發(fā)生在纖維化上[51]。Lee等[53]發(fā)現給DKD小鼠補充維生素D3可以上調脂噬表達，從而改善DKD患者的生化指標和腎臟損害。脂噬缺陷在DKD的脂質沉積和脂肪相關的腎損害中至關重要。因此，脂噬作用的加強有望成為治療DKD或者延緩其發(fā)展的一大靶點。

5 小結

脂噬在腎臟的生理和病理過程中具有一定的調控作用，可以清除腎臟的脂質累積并為饑餓狀態(tài)下的腎臟提供能量來源。在許多與脂質累積相關的腎臟疾病中，脂噬可以通過對脂質的清除作用改善疾病的進展和預后。但目前對脂噬作用機制的研究仍不完善，比如在索拉非尼耐藥的CCRCC細胞中，通過烏苯美司促進細胞脂噬或通過3-MA抑制脂噬都可導致耐藥細胞耐藥性的減弱[43]。且目前的研究多關注于脂噬對單一器官或細胞的作用，但許多疾病的改變并不是發(fā)生在單一器官上的，脂噬的作用也并不止于此，比如脂噬不僅可以作用于DKD的脂質沉積，也有大量證據證明脂噬對糖尿病的胰島抵抗也有改善作用[54]。因此，脂噬對腎臟的確切機制和與整個機體的動態(tài)關系有待于進一步探索。