糖尿病肾病与自噬相关信号通路关系的研究进展

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(上海中医药大学附属普陀医院肾内科，上海 200062)

糖尿病肾病是糖尿病的主要并发症之一，大约30-40%的Ⅰ型和Ⅱ型糖尿病患者会发展成DN，同时，糖尿病也被认为是引起心血管疾病的重要危险因素之一。近年来，随着糖尿病发病率的升高，DN的发病率也随之升高。尽管临床上可以通过控制血糖和血压的方式来控制病情，但仍有很多糖尿病肾病患者会发展成为终末期肾病。临床研究表明，超过40%的终末期肾病患者是由DN进展而来[1]。DN不仅在临床表现和疾病进程方面有别于其他免疫介导的肾脏疾病，且多数DN患者一旦出现肾功能的损害，其进展速度远快于其他非DN患者，因此由DN进展成的终末期肾病的患者往往预后皆差，这使得寻求能够控制DN病情发展的有效靶点变得愈加重要。自噬属于细胞的一种应激反应，而糖尿病肾病状态下，肾脏中高糖高脂等复杂的病理条件都会使自噬受到抑制，足细胞的自噬活性降低，磷酸腺苷活化蛋白激酶(AMP-activated protein kinase，AMPK)信号通路阻断及哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin，mTOR)通路活化，这些现象都说明自噬与糖尿病肾病的发病机制具有极大联系。因此，通过调控自噬相关的信号通路来改善肾脏内自噬受损情况可能是阻止糖尿病肾病的发生发展进程的一种有效方法。

1 细胞自噬

自噬(源于希腊语“self-eating”)是广泛存在于真核细胞中的一种特有的生命现象，主要通过溶酶体途径降解和循环利用细胞内的蛋白质，以及去除受损的细胞器来维持细胞稳态和完整性。早期的研究表明自噬是在细胞外环境(营养不足、缺血缺氧、生长因子浓度等)和细胞内环境(代谢压力、细胞器损坏)的情况下，细胞自身产生的一种应激适应性反应应答，是通过对细胞内物质的再利用来为应激状态下的细胞提供营养和能量的一种分解代谢过程[2]。近年来许多的研究表明自噬参与机体内许多的生理过程和疾病的发生过程，包括炎症和自身免疫、发育和衰老、肾脏病变和肿瘤等[3-4]。

根据细胞内底物运送到溶酶体方式的不同，自噬分为微自噬、巨自噬和分子伴侣介导的自噬，其中巨自噬是细胞自噬的主要类型，本文中提及的自噬皆指巨自噬。自噬的过程简要分为四个阶段：吞噬泡形成、自噬体形成并成熟、自噬溶酶体形成和底物降解。即最先在胞浆内形成一种杯状双层膜结构的吞噬泡，随后通过逐渐延长和弯曲来包绕需被降解的蛋白质或细胞器形成自噬体，接着自噬体与溶酶体融合形成自噬溶酶体，最后自噬溶酶体内成分被酸性水解酶分解，用于细胞内物质的再循环[5]。

自噬是一个多步骤调节的过程，由多个蛋白激酶复合体和自噬相关基因(Autophagy related Gene，Atg)共同协调完成。蛋白激酶复合体主要包括ULK(UNC-51 like kinase)复合体(ULK1/2-Atg13-FIP200)、磷脂酰肌醇3-激酶(phosphatidylinositol 3-hydroxy kinase，PI3K)复合体(PI3K/Vps34-Vps15-Beclin1-Barkor)、Atg12-Atg5-Atg16L和Atg8/LC3，其中ULK复合体参与自噬的启动，PI3K复合体膜泡的成核和自噬体的形成，Atg12-Atg5-Atg16L和Atg8/LC3共同调节自噬体的延伸以及自噬溶酶体的形成，在此步骤中，LC3会在Atg4作用下形成LC3Ⅰ，紧接着LC3Ⅰ会在磷脂酰乙醇胺(phosphatidylethanolamine，PE)等作用下转变成LC3Ⅱ;p62是自噬的重要标志蛋白，能与LC3Ⅱ形成复合物，因此通常用细胞内LC3Ⅰ/Ⅱ和p62的表达情况来共同评价自噬流量。另外，细胞自噬的整个过程除了以上提及的自噬相关基因外，还有其他Atg的参与，到目前为止，已有三十余种Atg已被确定[6]。

2 DN与自噬相关的信号通路

自噬不足是有害的，过度的自噬同样有害。因此，在所有真核生物细胞中，自噬受到严密的调控，有多个信号通路参与细胞自噬过程调控，目前比较公认的信号通路是mTOR通路和AMPK通路。此外，沉默信息调节因子(silent information regulator 1，SIRT1)通路也参与自噬的调控，但其机制目前还未完全清楚。糖尿病条件下这些自噬通路状态的改变可以调控由胞内压力引起的机体自噬反应，从而导致细胞内环境紊乱的情况加剧，最终导致DN的发生。因此，研究清楚自噬相关信号通路与DN发生机制的具体联系具有重大意义。

2.1 DN与mTOR信号通路mTOR是存在于真核生物体内的一种与细胞内营养状态和氧化还原相关丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶，因与不同的蛋白结合形成两个结构和功能不同的复合物，即mTORC1和mTORC2, mTORC1对雷帕霉素极为敏感[7]。mTORC1主要参与细胞生长、增殖和凋亡过程，其活性可通过整合许多信号进行调节，包括生长因子、胰岛素、营养以及细胞胁迫因子(如缺氧、活性氧类和病毒感染等)，mTORC1可通过直接磷酸化ULK1和Atg13来抑制自噬发生[8]，被认为是细胞自噬的负性调控因子。

研究表明，DN的发病机制可能与mTORC1的过度活化导致的自噬受损有关。临床发现无论是在Ⅰ型还是Ⅱ型糖尿病导致的DN患者中均可见到mTORC1的活性增强[9]。结节性硬化复合物1和2(Tuberous sclerosis complex 1/2，TSC1/2)是mTORC1的负性调控因子，体内实验发现，在特异性敲除足细胞TSC1基因后，实验小鼠出现了许多DN的病理表现，如系膜扩张、基底膜增厚、足细胞损伤以及蛋白尿等，表明活化mTORC1后激活的相关通路与DN的发生息息相关。Xiao[10]等人研究发现，在应用抑制剂雷帕霉素后，链脲佐菌素(Streptozocin，STZ)诱导的糖尿病小鼠的肾功能及足细胞损伤均得到改善，同时，足细胞内LC3Ⅱ的表达也升高，证实抑制mTOR可以改善自噬受损进而提高保护肾脏；另外，应用螺内酯干预应激状态下的足细胞，通过PI3K/AKT/mTOR通路下调mTOR后发现，足细胞内LC3Ⅱ以及Atg5的表达升高，足细胞自噬活性得到改善，这表明通过调控mTOR相关信号通路可以有效改善自噬受损，进而起到保护足细胞和肾脏的作用[11]。值得一提的是，在实际临床治疗中，尽管可以通过使用雷帕霉素等mTOR抑制剂抑制mTOR通路，但过度抑制mTOR通路可导致肾小球足细胞功能不全[10]。由此可见，mTOR信号通路在DN的发生发展中起到重要的作用，如何精确的调控该通路仍需要进一步深入的研究。

2.2 DN与AMPK信号通路磷酸腺苷活化蛋白激酶(AMPK)是一种十分重要的能量感受器，由α、β、γ 3种亚基组成，其中α亚基是AMPK的主要催化亚基。AMPK的活性主要受细胞内AMP和ATP的相对数量调控，AMPK调控自噬的机制是当细胞处于饥饿、缺氧等不利条件时，细胞内AMP/ATP的比值会升高，引起一些AMPK的上游蛋白如肝素酶B1(liver kinase B1，LKB1)和钙/钙调蛋白激酶β(calcium/calmodulin-dependent protein kinase kinase beta，CaMKKβ)的活化，进而磷酸化AMPK，激活自噬[12]。

前文提到，AMPK会在细胞能量缺失状态下活化，而在糖尿病高糖环境下，其活性必然受到抑制，导致自噬受损，因此AMPK的失活与糖尿病肾病的发生发展有很大的关联。大量动物实验表明，在由STZ诱导的Ⅰ型糖尿病动物模型的肾脏内，AMPK活性和自噬水平均显著降低，与此同时，动物出现肾脏肥大、蛋白尿和肾功能不全等病理表现，而在应用AMPK激动剂后，上述症状得到明显改善，Lim，等[13]人发现，西那卡赛可以通过上调CaMKKβ- LKB1-AMPK通路改善db/db小鼠体内的自噬受损，并且小鼠肾脏的硬化和纤维化程度得到改善，这一结论在高糖诱导的足细胞损伤模型中得到验证。一方面，作为细胞自噬的正性调控蛋白,AMPK可以通过磷酸化TSC1/2或Raptor来抑制mTORC1活化；另一方面，AMPK也可以通过直接磷酸化ULK1来促进自噬。Jin，等[14]在研究小鼠足细胞时发现，高糖条件下AMPK活性被抑制后，足细胞自噬水平同样受到抑制，在给与药物干预后，AMPK活性升高的同时ULK1的活性也随之升高，表明AMPK被活化后进一步激活了下游的ULK复合物以及下游的自噬通路来激活自噬。需要注意的是，mTORC1和AMPK通路都可以通过磷酸化ULK1复合物来介导各自的作用，但因其磷酸化位点不同而作用不同，前者磷酸化Ser757位点，后者磷酸化Ser317和Ser777位点[15]。以上的研究表明，糖尿病可以导致AMPK信号通路的阻断，进而使得肾脏内的细胞自噬水平降低，机体出现各种病理表现，最终导致DN的发生。

2.3 DN与SIRT1信号通路沉默信息调控因子1(SIRT1)是一种NAD+依赖的去乙酰化酶，属于沉默信息调节因子2家族，是自噬第二种主要正调控因子。但是，有关其诱导自噬的具体机制目前还未研究清楚。有学者认为，SIRT1形成了一种大分子复合物，这种大分子复合物包含像Atg5、Atg7和LC3这类的自噬相关蛋白，通过NAD依赖的方式直接脱乙酰化来诱导自噬[16]；另一方面,Liqun Ma[17]等人研究发现，Ⅱ型糖尿病大鼠体内的SIRT1 mRNA的表达减少，与此同时，Foxo3和Bnip3以及一些Atg5和Atg7等自噬相关基因的表达也随之减少，而这些指标在应用SIRT1激动剂白藜芦醇之后均同时得到改善，表明SIRT1可能通过与Foxo3作用，来增强Bnip3的表达，进而诱导自噬增加[18]。

在肾脏中，SIRT1主要在肾髓质和肾间质中表达，之前的研究表明SIRT1可以通过对抗氧化应激反应来保护肾脏，而在自噬角度而言，目前大多数的研究都认为SIRT1与AMPK的作用相似，是自噬的正向调节蛋白。这一观点在实验中得到了验证，研究发现，在糖尿病肾病动物模型中，伴随着自噬水平明显受损，SIRT1的表达和活性均明显降低。同样，在糖尿病肾病患者的肾小球内，SIRT1的活性也明显降低[19]。另一方面，在应用SIRT1激动剂白藜芦醇后，糖尿病肾病大鼠体内的SIRT1表达升高，自噬受损情况得到改善，蛋白尿明显减少，肾功能得到改善；体外方面，白藜芦醇也可以通过激活SIRT1改善高糖诱导的肾小球系膜细胞损伤[17, 20]。由此可见，SIRT1除了具有与AMPK相似的自噬调节作用外，还具有明显的肾脏保护作用。

3 小结与展望

糖尿病肾病是世界范围内引起终末期肾病的最主要原因，也是糖尿病患者的主要死因之一，目前临床上只能通过控制血压和血糖的方法来控制病情。糖尿病的高发病率和终末期肾病的高死亡率使得寻找新且有效的DN防治手段成为目前临床上的一个迫切需要。目前已有大量研究证实细胞自噬在DN的发病机制以及病程发展过程中都起到十分重要的作用，但其具体机制仍有待探究。随着对自噬相关的mTOR、AMPK以及SIRT1通路的深入研究，将有可能对DN的治疗提供新的治疗思路。综上所述，充分了解细胞自噬及其相关的信号通路对于调控DN时期肾脏内的自噬受损具有重要意义，也能为未来的临床治疗糖尿病肾病提供有力的理论依据。