膽固醇調(diào)節(jié)自噬信號通路的研究進展

馬爍爍，張登勇，雷佳聲，魯 正

(1.蚌埠醫(yī)學院；2.蚌埠醫(yī)學院第一附屬醫(yī)院普外科，安徽 蚌埠 233000)

膽固醇是真核細胞中普遍存在的脂質(zhì)小分子，在維持生物膜的完整性、流動性和通透性方面發(fā)揮重要作用。同時，膽固醇還構(gòu)成腎上腺皮質(zhì)醇、類固醇性激素、維生素D以及醛固酮等物質(zhì)的骨架。然而，越來越多的研究指出，膽固醇與許多疾病的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)，如動脈粥樣硬化、帕金森病、惡性腫瘤等。此外，膽固醇在自噬的發(fā)生發(fā)展過程扮演重要角色[1-2]。自噬能夠降解錯誤折疊的蛋白質(zhì)、功能受損的細胞器以及細菌、病毒等微生物，是細胞生存所必需的一種代謝過程。從低等生物到高等生物均存在自噬現(xiàn)象，其復雜過程涉及了多種信號通路。例如MAPK信號通路，mTOR信號通路，缺氧誘導因子(HIF-1α)信號通路，p53通路等等。隨著對脂質(zhì)代謝的研究，膽固醇調(diào)節(jié)自噬的機制逐漸被發(fā)現(xiàn)。但是相關(guān)信號通路錯綜復雜，仍有許多未知因素有待探索。本文就膽固醇調(diào)節(jié)自噬的信號通路的相關(guān)研究進行綜述。

1 膽固醇的生物合成

膽固醇生物合成的原料是細胞質(zhì)內(nèi)的乙酰CoA。兩個乙酰CoA在硫解酶的作用下合成乙酰乙酰CoA，后者再與一個乙酰CoA合成3-羥基-3-甲基戊二酸單酰輔酶A(3-hydroxy-3-methyl glutaryl coenzyme A，HMG-CoA)。細胞質(zhì)內(nèi)HMG-CoA在一系列的酶促作用下，經(jīng)歷甲羥戊酸、焦磷酸法尼酯、鯊烯、羊毛固醇等過程后，轉(zhuǎn)化成膽固醇。膽固醇的生物合成受到內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上的固醇調(diào)節(jié)元件結(jié)合蛋白(sterol regulatory element binding protein,SREBP)反饋控制調(diào)節(jié)[3]。當內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上甾醇的水平較低時，固醇調(diào)節(jié)元件結(jié)合蛋白裂解激活蛋白(SREBP cleavage activating protein,SCAP)構(gòu)象發(fā)生改變，SREBP從內(nèi)質(zhì)網(wǎng)轉(zhuǎn)移到高爾基體，在高爾基體經(jīng)過酶促作用，進入細胞核調(diào)節(jié)甾醇合成相關(guān)通路基因的表達。反之，當內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上的膽固醇含量增加時，通過抑制SREBP從內(nèi)質(zhì)網(wǎng)到高爾基體的轉(zhuǎn)移，進而抑制膽固醇的生物合成。此外，肝X受體(liver X receptors, LXRs)、核因子E2相關(guān)因子1(Nuclear respiratory factor 1,NRF1)等也參與膽固醇生物合成的調(diào)控。

2 膽固醇調(diào)節(jié)自噬

越來越多的研究揭示了膽固醇的狀態(tài)變化對細胞自噬的影響。哌立福新可以通過干擾膽固醇從質(zhì)膜向內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的轉(zhuǎn)運，損害肝癌細胞中的自噬流量。小鼠胰腺細胞在與膽固醇共同孵育后，電鏡觀察到自噬小體的形成，蛋白質(zhì)組學分析顯示LC3的增加，進一步支持了自噬的發(fā)生[4]。Lai CH等[5]在研究幽門螺桿菌逃避免疫的實驗中指出，攜帶CGT的野生型幽門螺桿菌調(diào)節(jié)膽固醇以觸發(fā)自噬，并抑制自噬體與溶酶體的融合。此外，有研究發(fā)現(xiàn)，頜下腺導管細胞中過量的膽固醇合成抑制自噬[1]。也有研究發(fā)現(xiàn)斑馬魚C反應(yīng)蛋白可以通過干擾宿主細胞膜中的膽固醇比率來降低自噬活性，增加溶酶體PH值[2]。還有研究指出，細胞內(nèi)游離膽固醇的減少誘導巨噬細胞在分枝桿菌感染后自噬。Kim H等[6]發(fā)現(xiàn)，BIX01294(BIX)通過抑制調(diào)節(jié)膽固醇生物合成途徑的組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶，誘導自噬進而抑制非小細胞肺癌細胞活力，而膽固醇生物合成抑制劑25-羥基膽固醇(25-Hydroxycholesterol,25-HC)的處理，逆轉(zhuǎn)了上述現(xiàn)象。在體內(nèi)試驗中，Sharma L等[7]發(fā)現(xiàn)高膽固醇食物喂食的小鼠，肝臟存在自噬阻斷現(xiàn)象；而Ding Z等[8]發(fā)現(xiàn)高膽固醇飲食的野生型小鼠，主動脈段無論是自噬還是凋亡都有所增加。此外，還有研究指出，晚期自噬體的運輸和定位依賴于膽固醇?？傊陨蠑?shù)據(jù)表明，細胞內(nèi)外膽固醇的含量變化可以影響細胞自噬過程。

3 膽固醇調(diào)節(jié)自噬的信號通路

3.1 mTOR通路哺乳動物雷帕霉素靶點復合物(mTOR)是一種具有絲氨酸/蘇氨酸激酶活性的蛋白，通過協(xié)調(diào)合成與分解代謝來維持體內(nèi)狀態(tài)平衡。mTOR由兩個復合物mTORC1和mTORC2組成，它們調(diào)節(jié)細胞內(nèi)穩(wěn)態(tài)的不同方面。mTOR是自噬過程中重要的調(diào)節(jié)因子，通過抑制ULK1來抑制自噬的啟動。在一項以豬為模型的試驗研究中，研究者發(fā)現(xiàn)與正常膽固醇血癥組相比，高膽固醇組豬的心肌mTOR水平顯著升高而自噬水平降低，并與血清膽固醇水平直接相關(guān)[9]。此外，對添加2%膽固醇飲食12周的小鼠心臟組織進行蛋白印跡，相比于正常飲食的小鼠，自噬標記物LC3-II表達顯著降低，作為mTOR活性的替代標記的核糖體S6的磷酸化增加[10]。Wu W等[11]還發(fā)現(xiàn)，膽固醇可以通過影響MTORC1活性誘導BmRpd3/HsHDAC1的大量去磷酸化和細胞質(zhì)定位，從而誘導自噬。從上述內(nèi)容我們不難發(fā)現(xiàn),mTOR通路是膽固醇調(diào)節(jié)自噬過程的通路之一。

3.2 PI3K/Akt通路磷脂酰肌醇3激酶(phosphatidylinositol 3kinase,PI3K)和Akt作為mTOR的上游分子，可以通過PI3K/Akt-mTOR軸來調(diào)節(jié)自噬水平，影響生物體的生長代謝。一些研究揭示了膽固醇通過影響PI3K/Akt調(diào)節(jié)自噬的現(xiàn)象。有研究指出，使用甲基-β-環(huán)糊精(Methyl-beta-cyclodextrin，MBCD)消耗培養(yǎng)基中的膽固醇后，通過免疫印跡和免疫熒光顯微鏡檢測到人成纖維細胞中LC3-II的顯著增加，而這一現(xiàn)象可被PI3K抑制劑所抑制[12]。在一項多發(fā)性骨髓瘤的研究中，研究者發(fā)現(xiàn)抗雌激素結(jié)合位點(antiestrogenbinding site,AEBS)與特異性配體結(jié)合后引起膽固醇代謝的改變，特別是甾醇的積累，觸發(fā)保護性自噬。而自噬可被巴佛洛霉素A1(bafilomycin A1)和3-甲基腺苷(3-methylaclenine,3-MA)等藥物抑制。這表明，AEBS通過調(diào)節(jié)膽固醇的穩(wěn)態(tài)誘導的保護性自噬部分是通過PI3K/Akt/mTOR通路來介導。在另一項研究中發(fā)現(xiàn)，他汀類藥物通過降低細胞內(nèi)膽固醇水平，誘導白血病細胞自噬，進一步的研究指出自噬反應(yīng)與脂筏中磷酸化Akt水平的降低以及雷帕霉素的激活減少密切相關(guān)[13]。此外，還有研究發(fā)現(xiàn)溶解膽固醇的試劑和增溶膽固醇可以通過Akt-mTOR通路的誘導自噬。以上實驗結(jié)果表明，膽固醇可以通過PI3K/Akt途徑誘導自噬。

3.3 ROS通路機體氧化還原狀態(tài)的失衡會引起氧化應(yīng)激，活性氧自基(Reactive oxygen species,ROS)可以通過影響p53、Nrf2、Atg4等的表達來影響自噬。在一項研究骨髓間充質(zhì)干細胞衰老特征的實驗中，研究者發(fā)現(xiàn)膽固醇可以通過ROS/p53/p21Cip1/Waf1信號通路調(diào)節(jié)自噬[14]。在另一項關(guān)于阿爾茨海默癥的研究中，發(fā)現(xiàn)高腦膽固醇介導的線粒體谷胱甘肽的耗竭導致氧化應(yīng)激加劇，促進自噬體形成。而在體內(nèi)用谷胱甘肽乙酯恢復線粒體谷胱甘肽，可以抑制自噬體的合成。此外，在研究膽固醇對肌腱源性干細胞(tendon-derived stem cells,TDSCs)的生物學效應(yīng)時，用膽固醇處理大鼠肌腱源性干細胞24 h，檢測到自噬流量的出現(xiàn)和LC3-II的積累，證明了膽固醇對自噬的誘導。而ROS清除劑N-乙酰半胱氨酸(N-acetyl-L-cysteine，NAC)能阻斷膽固醇誘導的細胞自噬。以上數(shù)據(jù)表明，膽固醇可以通過ROS途徑調(diào)節(jié)自噬，而具體的詳細機制需要進一步的研究。

3.4 內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激相關(guān)通路內(nèi)質(zhì)網(wǎng)(endoplasmic reticulum,ER)中未展開或錯誤折疊蛋白質(zhì)積累可引起內(nèi)質(zhì)網(wǎng)穩(wěn)態(tài)失衡，稱為內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激可激活自噬，利用溶酶體去除異常的蛋白質(zhì)來降低內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激。在探討膽固醇誘導的胰腺β細胞脂毒性的試驗中，用膽固醇處理胰腺細胞，結(jié)果顯示微管相關(guān)蛋白1輕鏈3(LC3)-II上調(diào)，用內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激抑制劑4-苯丁酸(4-Phenylbutyric acid，4-PBA)處理可抑制膽固醇誘導的自噬。進一步的研究表明，膽固醇上調(diào)β細胞的自噬可能與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激誘導的PERK-EIF2a途徑的激活有關(guān)[15]。此外，在一項非酒精性脂肪性肝炎進展作用的研究中，發(fā)現(xiàn)高膽固醇飲食抑制小鼠肝臟細胞的自噬過程，這與p-IRE-1表達的降低抑制內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激相關(guān)[16]。還有研究發(fā)現(xiàn)，用膽固醇處理培養(yǎng)兔的心肌細胞，高膽固醇刺激內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激反應(yīng)的IRE-1/JNK分支，誘導心臟組織細胞自噬。總之，以上數(shù)據(jù)表明，膽固醇可以通過內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激的PERK-EIF2a和IRE-1/JNK分支參與調(diào)節(jié)自噬。

3.5 其他信號通路除以上的幾種信號通路外，許多研究還發(fā)現(xiàn)其他信號通路介導膽固醇調(diào)節(jié)自噬。Li K等[17]指出高膽固醇通過激活肌腱衍生干細胞中的AKT/FOXO1信號誘導細胞凋亡和自噬。Zhang L等[18]在體內(nèi)試驗中，也發(fā)現(xiàn)類似現(xiàn)象。甲基-β-環(huán)糊精對膜膽固醇的破壞增強沙門氏菌感染細胞中LC3II蛋白的表達和點狀LC3，這被Atg16L1 小干擾RNA抵消，這表明膽固醇可以通過Atg16L1調(diào)節(jié)自噬；低密度脂蛋白膽固醇可以通過抑制自噬相關(guān)基因ULK1的表達，從而抑制巨噬細胞的自噬。另外，在研究辛伐他汀的抗結(jié)核活性機制研究中，研究者發(fā)現(xiàn)辛伐他汀激活了AMPK，阻斷了mTOR1，并有利于轉(zhuǎn)錄因子EB(transcription factor EB,TFEB)的核易位，進而誘導結(jié)核分枝桿菌感染的宿主細胞的自噬。重要的是，辛伐他汀對AMPK-mTORC1-TFEB-自噬軸的生物學效應(yīng)可以通過向細胞中添加外源性膽固醇來逆轉(zhuǎn)。

4 小結(jié)與展望

綜上所述，我們不難發(fā)現(xiàn)膽固醇可以通過多種多樣的信號通路調(diào)節(jié)自噬。而且，膽固醇和自噬之間的關(guān)系并非單純的正相關(guān)或負相關(guān)，在不同的生理或病理狀態(tài)下，膽固醇可以扮演誘導或者抑制的角色。此外，他汀類降膽固醇藥物、膽固醇代謝相關(guān)的酶、膽固醇代謝物等也可在一定程度上對自噬進行調(diào)節(jié)，這也從側(cè)面揭示膽固醇和自噬之間的密切關(guān)系。然而，自噬過程是一個涉及多分子、多步驟的過程，各種通路之間相互關(guān)聯(lián)，調(diào)控網(wǎng)絡(luò)錯綜復雜，膽固醇調(diào)節(jié)自噬的許多機制仍有待發(fā)掘。