肥胖状态下不同组织细胞与自噬关系的研究进展

冯欢欢，宋向凤

(新乡医学院 免疫学研究中心，河南 新乡453003)

自噬是机体应对各种外界刺激及内在变化而产生的细胞内自我更新、自我修复的机制，在细胞分化、物质代谢和能量平衡中起重要作用。能量的代谢失衡导致体内三酰甘油过度堆积会造成肥胖，以至于产生代谢紊乱。自噬可以改善肥胖引起的代谢紊乱，调控细胞的脂代谢。本文将综述脂肪细胞、肝细胞、胰岛β-细胞、骨骼肌细胞与自噬之间关系的最新研究进展。

1 自噬相关基因和蛋白及其自噬体的形成

自噬是广泛存在于真核细胞中、进化上高度保守、用于降解和回收利用细胞内生物大分子和细胞器的复杂过程。根据细胞将其底物运送到溶酶体内途径的不同分为3种类型:大自噬(macroautophagy)、微自噬(microautophagy)和分子伴侣介导的自噬(chaperone-mediated autophagy，CMA)。本文主要阐述大自噬在肥胖相关的代谢性疾病中所起的作用。目前已确认有30多种自噬相关基因(autophagy-related gene，Atg)和蛋白[1]。经典的自噬信号通路如图1[2]，在营养不足或雷帕霉素诱导下，哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin，mTOR)活性受到抑制，mTOR 对ULK1 和Atg13的抑制作用减弱，使得ULK1 激活并磷酸化Atg13、FIP200 和ULK1 自身，进而诱发自噬，进入自噬的启动阶段;接着在Beclin-1、Vps34、Vps15 和Atg14L组成的复合体作用下共同参与囊泡成核过程。囊泡延伸主要涉及到两个泛素样结合系统的参与，分别是Atg12-Atg5-Atg16L 和Atg8/LC3-磷脂酰乙醇胺(phosphatidyl ethanolamine，PE)。Atg7 在自噬膜的延伸中起关键作用，Atg12和Atg5 结合是在哺乳动物E1 样泛素活化酶Atg7 和E2 样泛素连接酶Atg10的作用下形成的，Atg16L 富集大量Atg12-Atg5 复合物，促进膜的延伸。自噬时LC3-I 被Atg7活化，并且LC3-Ⅰ在Atg12-Atg5-Atg16L 复合物的帮助下与磷脂酰乙醇胺结合形成LC3-Ⅱ，定位于自噬体膜上，参与自噬体的形成和延伸。最后自噬体与溶酶体融合形成自噬溶酶体，降解和回收细胞内长寿蛋白和一些受损的细胞器。自噬的基础代谢机制主要是通过与溶酶体作用，参与降解受损的细胞成分，为机体生物大分子的合成提供能量和化合物的供应，来维持细胞内稳态:同样自噬对蛋白、碳水化合物及脂类的降解也起重要作用。自噬缺陷与各种代谢紊乱如胰岛素抵抗、糖尿病、肥胖和骨质疏松症等密切相关[3]。

图1 在营养不足或雷帕霉素作用下自噬信号通路[2]Fig1 Autophagy signaling pathways under the effect of nutritional deficiencies or rapamycin

2 脂肪细胞特异性自噬基因Atg7 和Atg5敲除减轻高脂饮食诱导的肥胖

脂肪细胞主要有两类，包括白色脂肪细胞和棕色脂肪细胞，当脂肪组织中白色脂肪细胞过多聚集会导致肥胖[4]。有体内实验表明，在动物肥胖模型小鼠特异性脂肪细胞自噬基因Atg7 敲除后会引起小鼠体质量减轻，瘦素和胆固醇含量均下降，游离的脂肪酸和三酰甘油的贮存以及白色脂肪数量都出现减少，而且Atg7F/F-aP2-Cre(Atg7ΔAd)小鼠白色脂肪出现棕色脂肪的特性，同时小鼠对胰岛素的敏感性增强，并抵抗高脂饮食诱导的肥胖[5-6];同样地，体外实验研究发现3T3-L1 前脂肪细胞沉默自噬基因Atg7后抑制脂滴积累和脂肪细胞分化因子的蛋白水平，沉默自噬基因Atg5 或者用药物抑制自噬或溶酶体的功能也起到相同的效果。这些研究说明不管是体外还是体内实验，干扰自噬基因Atg7 和Atg5，可以改善胰岛素的敏感性和缓解肥胖。

脂肪细胞的分化发育过程需要许多转录因子的参与，而过氧化物酶体增殖物激活受体γ(peroxisome proliferator-activated receptor-γ，PPAR-γ)是调控脂肪细胞分化的主要转录因子[7]。有研究用自噬抑制剂氯喹(chloroquine，CQ)和RNA干扰Atg5后，发现3T3-L1 前脂肪细胞PPAR-γ2 蛋白水平减少，阻止成脂的分化[8]，这提示自噬确实在脂肪细胞的分化发育中发挥着不可替代的作用。但是，自噬对脂肪细胞机制的调控还未完全阐明，需要进一步研究期望发现一些潜在的治疗靶点来有效地干预肥胖。

3 增强自噬提高肝细胞代谢功能

生理条件下，自噬维持肝脏的能量平衡，是通过降解脂滴释放游离脂肪酸、降解蛋白释放氨基酸和分解肝糖提高血糖水平为机体供能。肥胖状态下，过多的能量和营养进入机体，导致其无法适应和保持平衡，最终出现代谢紊乱、炎性反应和细胞器功能障碍。研究发现大鼠肝细胞系(RALA255-10G)加入自噬抑制剂3-甲基腺嘌呤(3-MA)之后，肝细胞三酰甘油成分增多[9]。同样地，在高脂饮食诱导的16～22 周肥胖鼠和基因模型(肥胖症和糖尿病)小鼠中发现肝细胞自噬严重受到抑制，胰岛素的敏感性也遭到损伤。相反，通过腺病毒介导Atg7 过表达来恢复高脂饮食诱导的肥胖鼠或ob/ob 模型小鼠肝细胞自噬，发现内质网应激减少，胰岛素抵抗缓解，并能提高肝脏的脂代谢功能[10]。这些研究显示肝细胞的自噬水平对其功能的维持至关重要。

当脂肪在肝脏大量聚集时，会导致脂肪肝。增加自噬可以降解脂滴，减少脂肪肝和肝损伤[11]。另外有实验提示自噬溶酶体途径也可以降解肝脏细胞内脂类水平[12]。随着肥胖和代谢性疾病的不断增加，非酒精性脂肪肝病(nonalcoholic fatty liver disease，NAFLD)发生率在全球不断上升，通过药物作用上调自噬，可以减少胰岛素抵抗和三酰甘油水平，来对抗氧化损伤和细胞死亡[13];相反，用自噬抑制剂3-MA 会减缓脂滴的分解和β-氧化，造成肝细胞内三酰甘油水平增加，不利于肝脏的代谢。抑制自噬对脂肪细胞而言，会向着有利的方向发展，但在肝细胞中却得到相反的结果，说明自噬在不同细胞中发挥着不同的功效。针对肝细胞可以靶向应用自噬激活剂提高其代谢功能。

4 自噬缺陷损伤胰岛β细胞的功能

胰岛β细胞对调节血糖水平起重要作用，当胰岛β细胞功能受损会导致糖尿病的发生。调查显示，70%～80%的肥胖者中存在不同程度的胰岛素抵抗，胰岛素抵抗会诱发自噬来保护胰岛β细胞。但过度的营养会损伤自噬，从而导致胰岛β细胞功能紊乱[14]。不管是在正常条件下，还是在应激条件下，自噬失调都会对胰岛β细胞的增殖、生存和功能有不同程度的损伤，严重时甚至会加速胰岛β细胞的死亡[15]，所以维持正常的自噬水平对胰岛β细胞的功能和生存非常重要。实验中还发现小鼠特异性胰岛β细胞自噬基因Atg7(Atg7Δβcell)敲除后，出现线粒体肿胀、粗面内质网和高尔基体复合物池状膨胀[16]，这表明正常的自噬功能不仅对胰岛β细胞重要，对其他细胞器也发挥着重要的调节作用。

既然自噬对维持胰岛β细胞功能发挥着重要作用，那么胰岛β细胞自噬缺陷可能是糖尿病发生的重要原因，进一步研究对比Atg7Δβcell-ob/ob小鼠与同窝出生的Atg7Δβcell-ob/w 或Atg7F/F-ob/ob小鼠，发现胰岛β细胞凋亡数量明显增多，出现葡萄糖不耐受的显著恶化和糖尿病，证明胰岛β细胞自噬缺陷确实是糖尿病发生的重要原因[17]，因此，可以通过调节胰岛β细胞的自噬水平来改善其功能，这为糖尿病的治疗和预防提供了新的发展方向。

5 适宜的自噬水平改善骨骼肌细胞的稳态

骨骼肌是人体糖类主要的储存场所，承担了71%以上糖类的储存，对人体血糖平衡具有极其重要的缓冲作用。肥胖以及代谢紊乱常伴随有骨骼肌脂质沉积增加，进一步脂质超载会影响胰岛素信号通路[18]。研究发现骨骼肌特异性自噬基因Atg7 敲除(Atg7Δsm)的小鼠会出现脂肪含量下降，避免高脂诱导的肥胖和胰岛素抵抗，其机制是自噬缺陷促进Fgf21的表达，导致脂肪酸氧化增加和白色脂肪向棕色脂肪的转变[19]。临床上糖尿病患者会出现骨骼肌弱化甚至萎缩现象。在小鼠为研究对象的实验中发现骨骼肌特异性自噬基因Atg7 敲除小鼠出现肌节瓦解、肌肉萎缩和肌力下降[20]。另外，不管是在肌营养不良症模型鼠(MDX mice)，还是在杜氏肌营养不良(Duchenne muscular dystrophy，DMD)患者中发现自噬都是缺陷的，恢复自噬可以改善营养障碍的表型，抑制肌肉损伤和炎性反应，维护肌肉的再生能力[21]。由此可见，激活自噬在改善肌纤维的存活和抵抗肌肉萎缩中起关键作用[22]。

黑腹果蝇DOR 蛋白的同族体TP53INP2(tumour protein 53 induced nuclear protein 2)通过激活自噬负性调节骨骼肌数量，在2型糖尿病患者和糖尿病小鼠模型的肌肉中TP53INP2的表达被显著抑制[23]。研究显示自噬和泛素-蛋白酶体系统在肌肉萎缩的发病机制中起重要作用，自噬溶酶体或泛素蛋白酶的活性过高或不足都会损害肌肉内环境，这两个系统调节异常会导致肌纤维变性和肌无力[24]，因此自噬对维持骨骼肌内环境的稳态至关重要，自噬必须维持在适宜水平，过高或不足都会引起骨骼肌质量的下降，不利于骨骼肌的健康[25]。

6 展望

自噬与肥胖的研究越来越受到关注，特别是全球肥胖人数的逐年上升，由此引发的一系列慢性疾病如2型糖尿病、高血压、高脂血症、动脉粥样硬化和脂肪肝等发生率也在上升，通过研究自噬的分子机制，阐明自噬与不同代谢性疾病的关系，探寻潜在的治疗靶点，为临床治疗提供新的方法和药物干预奠定基础。

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