自噬在肥胖中的研究进展*

王李洁， 杨 怡,2， 孙永红， 郑筱祥,2△

(浙江大学 1生物医学工程教育部重点实验室,2求是高等研究院， 浙江 杭州 310027)

1000-4718(2012)07-1341-04

2012-02-06

2012-05-08

中国博士后科学基金资助项目(No.20100481427)；中国博士后科学基金特别资助(No.201104735)

△通讯作者Tel:0571- 87951091; E-mail:zxx@mail.bme.zju.edu.cn

·综述·

自噬在肥胖中的研究进展*

王李洁1， 杨 怡1,2， 孙永红1， 郑筱祥1,2△

(浙江大学1生物医学工程教育部重点实验室,2求是高等研究院， 浙江 杭州 310027)

自噬是广泛存在于真核细胞内的一种溶酶体依赖性降解途径。它是细胞对内外界环境压力变化的一种反应。根据细胞将其底物运送到溶酶体腔内方式的不同，自噬可分为大自噬、小自噬和分子伴侣介导的自噬[1-2]。生理条件下大自噬(以下简称自噬)主要受外界提供的营养物质调节；此外，还受一些与营养物质供应有关的激素调控，包括高血糖素和胰岛素等。肥胖是体内脂肪过多的状态[3]，大多是由缺乏体力活动和(或)摄取能量过多所造成的能量失衡所致，与胰岛素抵抗和高胰岛素血症密切相关。本文主要从自噬与胰岛素抵抗的关系、自噬对脂肪组织构成中棕色脂肪组织(brown adipose tissue，BAT)和白色脂肪组织(white adipose tissue，WAT)数量关系的影响、自噬对脂滴形成及甘油三酯积累的影响等方面详细介绍自噬与肥胖的关系。

1 自噬的一般特点

在饥饿状态下，自噬可通过降解细胞内的长寿蛋白和细胞器提供细胞必要的营养，维持其生存。因此，自噬水平的升高往往伴随着热量的限制。此外，自噬还能消除机体内错误折叠、受损的大分子，衰老以及一些失能的细胞器。而老化/失能的线粒体或者内质网可能会导致线粒体氧化应激和内质网应激，两者均与胰岛素抵抗相关。胰岛素抵抗是肥胖的关键指征[4]。

2 自噬的机制

自噬活化过程中的关键步骤之一是自噬体的形成，其形成方式受到多种自噬相关基因(autophagy-related gene,Atg)的严格调控[5]。目前已知的30多种Atg蛋白中，18种Atg蛋白参与自噬体的形成过程，包括Atg1-10、Atg12-14、Atg16-18、Atg29和Atg31[6]。自噬体的形成正是由Atg12-Atg5和Atg8-磷脂酰乙醇胺2种泛素样结合体系共同介导的[7]。

Atg7可以活化Atg8/轻链3(light chain 3,LC3)和Atg12。Atg12与Atg5结合，形成Atg12-Atg5结合体，再与通过自身寡聚化的Atg16结合，形成一个350 kD的聚合体，这个聚合体对于膜的延伸十分重要。哺乳动物Atg12-Atg5与酵母Atg16的类似物Atg16L结合，形成一个约为800 kD的结构。

另外一条泛素样结合体系是由Atg8-磷脂酰乙醇胺所介导的。哺乳动物Atg8的同源物LC3首先经历Atg5依赖性的泛素化修饰过程。LC3合成之后，在酵母Atg4同源物的催化下，形成活化的LC3-Ⅰ(18 kD)，定位于胞浆中。随后，在哺乳动物泛素E1样活化酶Atg7和泛素E2样活化酶Atg3的催化下，LC3-Ⅰ经过一系列泛素化反应，与自噬体表面的磷脂酰乙醇胺相结合，形成LC3-Ⅱ(16 kD)。

3 自噬与肥胖的关系

3.1自噬调节BAT和WAT的数量 肥胖的主要特点之一是脂肪组织扩展，而脂肪组织的扩展则是由脂肪细胞数量增多和体积增大所引起的。脂肪以BAT和WAT的形式储存在人体的不同部位。这2种不同类型的脂肪组织在新陈代谢方面有着不同的功能。WAT的主要功能是将体内过剩的能量以脂肪形式储存起来，并将甘油三酯(triglyceride,TG)分解为脂肪酸迅速释放出来。这一过程中产生的热能则为BAT利用[8]。由于BAT的代谢活动消耗机体能量，因此WAT和BAT的数量是影响肥胖的重要因子。研究发现，尽管成年人中BAT的含量极少，但BAT含量的多少对于人体状况非常重要[9-12]，这也再次证明了WAT和BAT是肥胖发展的重要因素[13]。

经免疫学手段证明，敲除Atg7基因的小鼠(Atg7F/F-aP2-Cre mice)内，LC3Ⅰ表达量增多，LC3Ⅱ表达量减少。普通食物饲养6周后，Atg7F/F-aP2-Cre 小鼠比对照组小鼠(Atg7F/Fmice)体重减轻27%。高脂食物饲养的Atg7F/F-aP2-Cre小鼠比高脂食物饲养的对照组Atg7F/F的小鼠的体重减少37%～45%[14]。

此外，Atg7F/F-aP2-Cre小鼠体内的WAT和BAT含量也发生了改变。WAT的体积显著减少，反之，BAT体积显著增多，且WAT在组织学上具有BAT的特征。与对照组相比，基因敲除小鼠的WAT中脂肪细胞体积减少，脂滴减少，细胞质含量增加。这些结果表明，自噬活性的下降，可减少WAT中脂肪细胞的数量[8]。在电子显微镜下发现，基因敲除小鼠的WAT中脂肪细胞内细胞器更多，细胞质空泡部分更少。相比于对照组，线粒体数量和面积显著提高，提示自噬活性的下调可诱导WAT分化成为BAT。这些研究结果同时也表明，基因敲除小鼠中BAT与WAT的变化是密切相关的。哺乳动物体内的BAT将在其出生后被部分替代为WAT。自噬可介导BAT替换为WAT的过程，或者促使蛋白降解，在BAT的维持中起着非常重要的作用[15]。

3.2自噬减缓胰岛素抵抗 肥胖发生时，脂肪组织中脂肪积累已经达到一定的水平，此时的脂肪堆积不仅发生在脂肪组织中，还发生在肝脏和骨骼肌等非脂肪组织中，这种现象称为异位脂肪堆积。异位脂肪堆积的发生将导致胰岛素抵抗[16]。因此肥胖者通常伴随有胰岛素抵抗。胰岛素敏感性一旦降低，机体将分泌更多的胰岛素，而胰岛素分泌的增加又会促进更多的脂肪堆积，从而加剧胰岛素抵抗。因此，减缓胰岛素抵抗，对于解决肥胖问题十分重要。

最近的一项研究结果显示，抑制肝脏自噬可导致全身胰岛素抵抗[17]。而胰岛素通过2条途径抑制自噬：和氨基酸类协同激活哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin, mTOR)信号通路，导致蛋白激酶Atg1的磷酸化和抑制[18]；蛋白激酶B介导转录因子叉头框蛋白O3(forkhead box O3,FoxO3)的磷酸化和抑制[19]。现有研究发现，胰岛素抵抗/高胰岛素血症患者的自噬活性降低[20]。有2种可能调节自噬的方式：营养物质过剩和胰岛素过剩抑制自噬，氧化应激激活自噬。自噬活性最终取决于两者的平衡[21]。胰岛素抵抗的氧化应激可激活自噬。另有研究表明，给予小鼠高脂饮食后，敲除Atg7的小鼠较对照组小鼠胰岛素抵抗情况显著减轻，而自噬对胰岛素抵抗的调节作用还需要进一步研究[15]。与此结论相同，研究人员发现，自噬相关基因敲除的小鼠不仅体重下降，而且胰岛素抵抗性减轻，并且对饮食导致的肥胖具有一定的抵抗力[22-23]。

此外，自噬通过调节内质网应激调控胰岛素信号通路，减缓胰岛素抵抗。内质网是调节蛋白质产生和代谢的重要细胞器，内质网压力与肥胖引起的胰岛素抵抗密切相关[24]。内质网压力可导致大分子物质如脂质、肝糖原代谢效率的低下，从而损坏肝脏的正常代谢功能，促进胰岛素抵抗。人体内过多的胰岛素可抑制自噬，通过内质网应激进一步加剧胰岛素抵抗。此外，内质网压力也可诱发自噬，说明两者之间具有关联性。

哈佛大学公共卫生学院Seimon等[25]对自噬和肥胖及其相关的胰岛素抵抗之间的关系进行了研究，证实细胞自噬是细胞器功能和胰岛素信号的重要调节因子，细胞自噬水平低下是肥胖者胰岛素作用缺陷的重要原因。研究发现，在遗传性肥胖鼠和高脂饮食所致的肥胖鼠中，自噬相关蛋白LC3、Atg5、Atg6和Atg7水平均显著下调。电镜分析发现，肥胖鼠组织内自噬体形成显著减少，肝脏的内质网压力较瘦小鼠高。当恢复肥胖小鼠的细胞自噬水平后，其胰岛素抵抗症状减缓，内质网压力减小。在降低瘦小鼠肝脏内的Atg7时，瘦小鼠表现出胰岛素抵抗和内质网功能受损现象。该研究也进一步证实，细胞自噬可能与胰岛素抵抗的内在机制有关。

最近Seimon等[26]的一项研究发现，肥胖能引发内质网压力。内质网压力会影响胰岛素信号通路，并在下游调节胰岛素受体水平，引发与胰岛素受体下游调节相关的胰岛素抵抗。在胰岛素抵抗动物中，由于内质网压力，胰岛素受体水平显著减少。因而，减少内质网压力能减少胰岛素受体的降解。实验结果证明，自噬抑制剂3-甲基腺嘌呤(3-methyladenine,3MA)[27]可有效抑制内质网压力引发的胰岛素受体降解。然而，在3T3-L1成熟脂肪细胞中，抑制自噬无法减轻内质网压力导致的胰岛素信号下游的调节，说明在内质网压力下，尽管自噬能挽救胰岛素受体，但其功能可能已受损。具体内在机制有待进一步研究。

3.3敲除自噬基因能抑制脂滴形成和TG积累 最近Shibata等[28]的一项最新研究发现，饥饿可诱导肝细胞中脂滴数量增加，敲除Atg7基因抑制自噬后，脂滴的形成显著减少。另一项最新研究表明，敲除Atg7基因抑制自噬的同时，脂肪组织中总脂肪堆积量减少。由此推测，脂肪组织中自噬对于脂滴的形成和脂肪的堆积都有着不可忽视的重要作用。Atg7基因沉默的3T3-L1细胞中，分化形成的脂滴数量减少，且脂滴体积减小。说明在3T3-L1细胞分化过程中，抑制自噬能减少脂滴的形成[14]。Kovsan等[29]研究发现，自噬与脂滴形成和脂肪组织表型调控等方面密切相关。他们推测，在肥胖个体内，脂肪组织的自噬行为中可能存在着脂质积聚和分布依赖性改变，并与胰岛素抵抗伴随。在肥胖个体中，自噬水平上调，尤其是内脏脂肪。

肥胖主要是由脂肪组织和非脂肪组织中TG的积累所引起的。TG由3分子脂肪酸与1分子甘油结合而成，是脂肪酸的主仓库。TG的积累取决于脂滴中TG的合成与分解。根据身体所需，脂肪酸被作为热量能源加以利用。最近一项研究发现，敲除Atg5的3T3-L1细胞，在分化中TG的水平显著减少。在3T3-L1细胞分化过程中，抑制自噬能有效抑制细胞脂滴中TG的积累，敲除Atg7的细胞中脂滴积聚也减少[16]。用自噬抑制剂3MA作用于3T3-L1细胞， TG水平显著下降。

决定TG积累的另一个因素是脂解作用。研究发现，脂肪分解不仅需要脂肪水解酶，还需要其它蛋白如脂肪甘油三酯脂肪酶(adipose triglyceride lipase,ATGL)、围脂滴蛋白(perilipin)、比较基因鉴定-58(comparative gene identification-58,cgi-58)等的参与[30-32]。而重要的是，自噬也是脂肪分解进程所必须的。空腹时，自噬标志蛋白以及其它一些蛋白等补充进入脂滴而形成双膜小泡或自噬体，含有脂质的自噬体与溶酶体融合形成自噬溶酶体，并降解所含脂肪。随年龄增长，自噬作用减弱，这也可以解释为什么脂肪随着年龄增长变得容易堆积。在培养的肝细胞或小鼠肝脏中敲除Atg7，会导致肝细胞和肝脏脂肪的堆积。其研究结果表明：自噬对于分解储存脂肪和脂解肝细胞是一个必要过程[16]。

4 展望

自噬与肥胖之间存在着密切的关联，且这种关联使得自噬在肥胖发展中发挥重要作用。人们已开始认识到自噬通过WAT和BAT的数量调节肥胖，抑制甘油三酯的积累，并在胰岛素抵抗方面发挥作用。在自噬与脂滴形成和脂肪组织表型调控方面的研究，也取得了一定进展。总之，自噬是压力下的一种应激反应，对保持细胞的正常代谢和生理功能必不可少[33]。但是，还有很多问题有待于研究，包括自噬在胰岛素信号通路中的具体作用，肥胖者自噬水平的改变，自噬与胰岛素抵抗的内在机制，以及自噬调控脂滴形成的方式等等。对这些问题的研究，将加深人们对自噬认识的深入。

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Researchadvanceinautophagyinobesity

WANG Li-jie1, YANG Yi1,2, SUN Yong-hong1, ZHENG Xiao-xiang1,2
(1KeyLaboratoryforBiomedicalEngineeringofMinistryofEducation,2QiushiAcademyforAdvancedStudies,
ZhejiangUniversity,Hangzhou310027,China.E-mail:zxx@mail.bme.zju.edu.cn)

Obesity is a harmful nutritional metabolic disorder to human health. Autophagy is a catabolic mechanism whereby cells degrade intracellular substances. Recent studies show that autophagy was closely correlated with insulin resistance, fat composing, and lipid droplet and triglyceride accumulation. Here, we review the association between autophagy and obesity, which may provide theoretical and experimental evidence for prevention of obesity and related diseases.

自噬； 肥胖； 能量代谢； 胰岛素抵抗

Autophagy; Obesity; Energy metabolism; Insulin resistance

R339.6

A

10.3969/j.issn.1000-4718.2012.07.037