自噬、氧化应激与2型糖尿病的关系

于顺，倪月秋

（1.沈阳医学院基础医学院临床医学专业2015级9班，辽宁 沈阳 110034；2.基础医学院生理学教研室）

细胞自噬是真核细胞中普遍而又重要的生命现象，在真核细胞中高度保守。自噬能感受细胞所处环境的各种信号，使细胞对应激刺激做出应激反应，在不利条件下存活；同时，也能清除、降解自身受损的细胞器及细胞内生物大分子，维持细胞内环境的稳态［1］。氧化应激是指当机体受到有害刺激时，体内自由基的产生与抗氧化防御之间严重失衡，活性氧自由基蓄积引起组织细胞损伤的过程［2］。糖尿病是一种以高血糖为主要特征的代谢紊乱综合征，而糖尿病中多以2型为主，占 90%以上［3］。2型糖尿病（type 2 diabetes mellitus，T2DM）的发病原因是胰岛素分泌不足和胰岛素抵抗（IR）合并存在。研究表明，自噬与氧化应激参与了T2DM的发生发展，同时，自噬与氧化应激也有着密切的联系。本文就自噬和氧化应激与T2DM相关性的研究进展进行综述。

1 自噬

1.1 自噬的分类 细胞自噬，又名Ⅱ型程序性细胞死亡，是细胞内的长效大分子以及受损细胞器通过自噬途径降解和回收利用，在维持细胞内稳态，促进细胞在恶劣条件下生存和保持细胞健康过程中起重要作用［4］。自噬大致分为3种：巨自噬、微自噬和分子伴侣介导的自噬。巨自噬的形态学特征是形成有独特双层膜结构的自噬体，自噬体包裹待降解的胞质成分，最终与溶酶体融合。而微自噬不形成自噬体，由溶酶体内陷，将部分胞质吞入溶酶体并水解。分子伴侣介导的细胞自噬具有较强的选择性，由热激关联蛋白70所介导。目前研究主要集中在巨自噬，本文所指的自噬均为巨自噬。另外，根据自噬发生的程度及细胞所处环境的不同，还可将自噬分为基础自噬和诱导自噬。基础自噬在大多数细胞内持续发生，而水平较低，但对于维持蛋白质代谢平衡及细胞内环境稳态具有关键性作用；诱导自噬相对于基础自噬发生程度明显强烈，是细胞应对外界刺激的一种保护性反应［5］。自噬对细胞的作用包括［6］：维持细胞的生存；维持细胞内环境稳态；参与部分组织重构；诱导细胞死亡。

1.2 调节自噬的信号通路 哺乳动物西罗莫司靶蛋白（mammalian target of rapamycin，mTOR），又名雷帕霉素靶蛋白，是一种非典型丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶，为磷脂酰肌醇激酶相关激酶蛋白家族成员［7］。mTOR主要通过磷酸化其下游靶蛋白40S核糖体S6蛋白激酶来调节下游蛋白翻译，从而参与调控细胞生长、增殖等过程。mTOR是调节自噬的关键酶，是调节细胞生长、增殖和自噬等上游信号转导通路的汇集点［8］。mTOR存在2种不同的复合物形式，分别是对雷帕霉素敏感的mTORC1和不敏感的mTORC2。前者主要在细胞生长、凋亡和自噬中发挥作用；后者主要和细胞骨架蛋白重组和细胞存活有关，不直接调节自噬［9］。mTOR在细胞生长中参与了多条信号通路的传导，如PI3K/Akt通路、PKB/TSC/Rheb通路和LKB1-AMPK-TSC通路［10］等。

AMPK（AMP-activated protein kinase）为 AMP活化蛋白激酶，是细胞内高度保守的能量感受器。当细胞缺乏葡萄糖时，ATP/AMP比值降低，为获取能量，细胞会启动AMPK，AMPK活化后可通过磷酸化TSC 1/2复合体抑制mTOR激酶活性，或者直接由AMPK磷酸化mTOR抑制其活性，激活细胞自噬［11］。

磷脂酰肌醇-3-激酶（phosphatidylinositol 3-kinase，PI3K）是真核细胞内重要的信号分子，依据其结构可分为Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型。PI3K-Ⅰ的组分包括Vps15、Atg6（Beclin1）、Vps34、Atg14 和Atg38。该复合体定位在PAS结构或者哺乳动物细胞的自噬前体上，可以结合膜组分，并将脂分子中的磷脂酰肌醇（phosphatidylinositol，PI）转化成 PI3P，而PI3P与 PDK-1协同激活Akt/PKB，从而活化mTOR，抑制自噬［12］。

2 氧化应激

氧化应激是指机体氧化和抗氧化作用失衡，组织细胞内自由基产生过多，超过内源性抗氧化防御系统对其的清除能力，从而导致机体组织细胞损伤，造成细胞功能障碍或死亡。氧化应激产生的活性氧自由基有活性氧簇（reactive oxygen species，ROS）和活性氮簇。ROS包括超氧阴离子、羟自由基、过氧化氢和脂质过氧化物等。T2DM时的高血糖状态，ROS产生增多，而ROS引起的氧化应激反应与糖尿病的发生发展密切相关［13］。有研究指出，氧化应激参与了T2DM发生的2个重要环节，即胰岛素分泌功能受损和IR［14］。

3 自噬、氧化应激与T2DM

IR和胰岛细胞功能受损是T2DM发病机制的2个中心环节，经研究证实，二者均与细胞自噬和氧化应激有着密切的联系。

3.1 自噬、氧化应激与IR IR是指胰岛素的靶器官或靶组织对胰岛素的敏感性及反应性减弱，导致正常剂量胰岛素所产生的生物学效应低于正常，是T2DM发病的主要机制之一。IR的机制尚未完全阐明，研究表明内质网应激（ERS）、氧化应激、线粒体功能障碍和自噬紊乱之间的复杂相互作用在IR中起重要作用［15］。这些通路均与c-Jun氨基末端激酶（c-junNH2-terminal kinase，JNK）信号通路的激活相关，JNK可磷酸化胰岛素受体底物1（IRS1）的丝氨酸残基，进而抑制胰岛素诱导的IRS1的酪氨酸磷酸化及下游信号分子，从而抑制胰岛素信号途径［16］。当细胞受到内外因素刺激时，可导致内质网内稳态紊乱，诱发ERS，导致大量错误折叠或未折叠蛋白质在内质网腔中聚集，此即未折叠蛋白反应（URP）［15］。在ERS条件下，一些URP介质能通过激活若干丝氨酸/苏氨酸激酶，间接促进JNK的激活［16］。糖尿病患者长期高血糖和高血脂状态导致机体氧自由基产生，使细胞内抗氧化能力失衡，导致氧化应激介导的细胞损伤加重，线粒体功能破坏严重，ROS水平升高而ATP生成减少，从而损伤胰岛β细胞；ROS还可通过激活IKKβ，进而磷酸化IRS1的丝氨酸残基，抑制胰岛素信号途径，引起IR［17］。氧化应激可激活多种信号通路，如p38MAPK、JNK信号通路，从而抑制胰岛素信号通路，引起 IR［18］。Iwakami等［19］用过氧化氢（H2O2）作为代表性ROS处理H4IIEC肝细胞，发现高浓度H2O2（25～50 μmol/L）可降低胰岛素诱导的Akt的磷酸化，并使JNK及其底物的磷酸化水平升高，而低浓度H2O2（5～10μmol/L）则促进了Akt的磷酸化，结果提示细胞内ROS的浓度大小可能是决定其是否抑制胰岛素信号通路，产生IR的主要因素。自噬在维持细胞生存和内稳态中发挥重要作用，Yang等［20］研究发现在基因和饮食肥胖模型中，均可观察到肝脏自噬水平下调，进而导致ERS增强和IR产生；恢复肥胖小鼠的自噬功能，可维持葡萄糖稳态、加强胰岛素作用、改善ERS；结果表明自噬在胰岛素信号途径中发挥重要调控作用，自噬水平降低是产生IR的重要原因。

ROS与细胞自噬之间存在密切的关系，ROS过量累积导致氧化应激和线粒体功能损伤，同时可诱导自噬，而自噬可通过吞噬和降解产生的氧化物来减少氧化损伤［21］。Wu等［22］利用果蝇作为动物模型，研究发现氧化应激诱导自噬的产生需要JNK信号通路的参与，JNK活化可诱导自噬相关基因的表达（ATG基因），这些基因是JNK信号通路发挥降低氧化损伤作用所必须的；而非氧化应激所导致的自噬则不依赖于JNK信号通路。Yan等［23］研究发现，非肥胖糖尿病GK大鼠的糖代谢受损、氧化应激增加、线粒体功能下降，而这些功能紊乱与自噬途径关键因子LC3B、Beclin1和DRP1的表达有关；高血糖导致的氧化应激可通过上调ROS-ERK/JNK-p53途径诱导自噬；用EGCG治疗GK大鼠，可改善大鼠的葡萄糖稳态、降低氧化应激、改善线粒体功能，表明EGCG可作为潜在的自噬调节剂，用于治疗IR。

3.2 自噬、氧化应激与胰岛β细胞 胰岛β细胞，又名胰岛B细胞，位于胰岛中央部，是胰岛细胞的一种，因其合成、分泌胰岛素，对维持机体血糖的平衡至关重要。研究证实，氧化应激可损坏胰岛β细胞的结构，使胰岛β细胞功能受损，进而抑制胰岛素的分泌［14］。而自噬是胰岛β细胞的自我保护机制之一，对于维持胰岛β细胞的结构、数量和功能方面都非常重要。

Ebato等［24］研究发现，T2DM db/db小鼠的胰岛β细胞内存在活化的自噬体；还发现自噬相关基因Atg7缺陷的Atg7f/f：Cre小鼠，其胰岛功能退化，并含有多个囊状结构，这些囊状结构可能与Caspase-3阳性的凋亡细胞有关，在退化胰岛周边存在肿胀的“气球样”细胞，这些细胞即是退化的胰岛β细胞，这些细胞含有包涵体、异常同心膜结构和异常的线粒体结构，还发现有泛素化蛋白和LC3结合蛋白p62的聚积；胰岛β细胞结构的改变导致了细胞功能的改变，降低胰岛素分泌水平；给予Atg7βf/f：Cre小鼠高脂饮食，发现胰岛β细胞凋亡数量增加，代偿性增殖能力受损。Jung等［25］同样用Atg7突变的小鼠模型研究自噬在T2DM中的作用，研究发现，Atg7突变小鼠的细胞数量和胰岛素含量显著降低，胰岛β细胞内出现了许多异常的超微结构，如肿胀的线粒体、膨胀的粗面内质网和高尔基体等，胰岛素分泌功能也严重受损，结果表明自噬对维持胰岛β细胞结构、数量、功能是必需的。Marsh等［26］对胰岛素功能失调的Rab3A-/-突变小鼠研究发现，尽管突变小鼠出现胰岛素产生超过分泌的异常失衡，但由于细胞内β颗粒降解增加，使胰岛素储存水平得以维持，这是由细胞内自噬水平上调导致的；并且自噬水平上调与溶酶体相关性膜蛋白-2（lysosome-associated membrane protein-2，LAMP-2）表达水平降低有关，而LAMP-2是自噬的负调控蛋白，结果表明自噬在维持胰岛素正常水平中发挥重要作用。

Shin等［27］利用8-羟基鸟嘌呤（8-OHG）作为生物标记物探究T2DM患者的氧化损伤，发现T2DM患者血清8-OHG水平显著高于非T2DM者，结果证实T2DM患者长期高血糖状态可产生氧化应激，进而导致机体氧化损伤。Sakai等［28］研究发现高糖处理15min后，胰岛β细胞内ROS增加；用ROS代表性分子H2O2处理可抑制高糖诱导的胰岛β细胞胰岛素的分泌。氧化应激和ERS在胰岛β细胞功能损伤中是相互关联的，URP可诱导产生ROS，而氧化应激又可干扰内质网的氧化还原状态［29］。Laybutt等［30］研究发现，棕榈酸酯处理胰岛素分泌细胞MIN6可诱发ERS，并使ERS的相关标志分子表达上调，同时使细胞凋亡数量显著增加，结果表明T2DM的高脂状态可诱发ERS，促进胰岛β细胞凋亡，导致胰岛β细胞数量减少，胰岛素分泌不足。如上所述，ROS与细胞自噬之间存在着密切关系，氧化应激状态下产生的ROS能诱导自噬的发生，自噬可通过吞噬和降解产生的氧化物来减少氧化损伤，维持胰岛β细胞结构、数量、功能［25］。

综上所述，IR和胰岛β细胞功能受损是T2DM发病机制的两个中心环节，氧化应激可导致胰岛β细胞功能紊乱，引起IR，进而导致T2DM的发生。自噬作为真核细胞的一种重要保护机制，可通过吞噬和降解产生的氧化物来减少氧化损伤，对维持胰岛β细胞结构、数量、功能，以及降低IR是至关重要的，通过调节自噬来保护胰岛β细胞免受内外环境所致的损伤对于治疗糖尿病有重要的意义。但是，自噬是否直接参与T2DM的发生发展及其具体分子机制和信号转导过程仍不十分清楚，在应激刺激时细胞如何精密调节自噬仍有待进一步研究。因此，研究者应对自噬和氧化应激在T2DM发生发展中发挥的作用及其分子机制与信号通路进行深入研究，明确自噬与T2DM的关系，以期研制出以自噬相关信号转导分子为靶点的新药物治疗T2DM。

［1］冯文之，陈扬，俞立.细胞自噬分子机制的进展［J］.生命科学，2015，27（7）：859-866.

［2］ Varga ZV，Giriez Z，Liaudet L，et al.Interplay of oxidative，nitrosative/nitrative stress，inflammation，cell death and autophagy in diabetic cardiomyopathy［J］.Biochim Biophys Acta， 2014，1852（2）：232-242.

［3］ American Diabetes Association.Diagnosis and classification of diabetes mellitus［J］.Diabetes Care， 2013， 36 （Suppl 1）：S67-74.

［4］高海霞，刘宏伟.自噬在糖尿病血管损害发病中的作用及与创面难愈关联性的研究［J］.感染、炎症、修复，2016，17（4）：243-247.

［5］ Lenoir O，Tharaux PL，Huber TB.Autophagy in kidney disease and aging：lessons from rodentmodels［J］.Kidney Int，2016，90（5）：950-964.

［6］魏星，李文星.自噬的相关研究进展［J］.中华临床医师杂志（电子版），2015，9（13）：2564-2568.

［7］白艳梅，刘海杰，高微，等.mTOR在炎性自身免疫性疾病中的作用［J］.中国免疫学杂志， 2017，33（2）：301-304.

［8］ Click D， Barth S， Macleod KF.Autophagy： cellular and molecularmechanisms［J］.JPatbol， 2010， 221（1）：3-12.

［9］Efeyan A，Zoncu R，Chang S.Regulation ofmTORCl by the Rag GTPases is necessary for neonatal autophagy and survival［J］.Nature，2013， 493（7434）： 679-683.

［10］于子凯，李刘生，张昱.自噬与PI3K-AKT/mTOR信号通路在足细胞损伤中的研究进展［J］.中国医药导报，2016，13（9）：84-87.

［11］ Shaekelford DB， Shaw RJ.The LKBl-AMPK pathway：metabolism and growth control in tumour suppression［J］.Nat Rev Caner， 2009，9（8）： 563-575.

［12］Nagy P， Hegedűs K， Pircs K， etal.Differenteffects of Atg2 and Atg18 mutations on Atg8a and Atg9 trafficking during starvation in Drosophila［J］.FEBS Lett， 2014， 588 （3）：408-413

［13］史亦男，张楠，崔圆，等.氧化应激与糖尿病及其血管并发症研究进展［J］.中国老年学杂志，2016，36（18）：4664-4666.

［14］范强，杨丽霞，薛燕芳，等.2型糖尿病氧化应激与单味中药干预研究［J］.时珍国医国药， 2017，28（7）：1718-1721.

［15］ Zhou Y， Lee J， Reno CM， et al.Regulation of glucose homeostasis through a XBP-1-FoxO1 interaction［J］.NatMed，2011，17（3）：356-365.

［16］ Li H，Yu X.Emerging role of JNK in insulin resistance［J］.CurrDiabetesRev，2013，9（5）： 422-428.

［17］时丽丽，张莉，谭初兵，等.线粒体功能损伤与胰岛素抵抗［J］.中国药理学通报，2012，28（11）：1481-1486.

［18］ Gao D，Nong S，Huang X， et al.The effects of palmitate on hepatic insulin resistance are mediated by NADPH Oxidase 3-derived reactive oxygen species through JNK and p38MAPK pathways［J］.JBiolChem，2010，285（39）：29965-29973.

［19］ Iwakami S， Misu H， Takeda T， et al.Concentrationdependent dual effects of hydrogen peroxide on insulin signal transduction in H4IIEC hepatocytes［J］.Plos One， 2011， 6（11）：e27401.

［20］ Yang L，Li P， Fu S，et al.Defective hepatic autophagy in obesity promotes ER stress and causes insulin resistance［J］.CellMetab， 2010，11（6）：467-478.

［21］Li L，Tan J，Miao Y，etal.Rosand Autophagy： Interactions and Molecular Regulatory Mechanisms［J］.Cell Mol Neurobiol，2015，35（5）：615-621.

［22］Wu H，Wang MC，Bohmann D.JNK protects Drosophila from oxidative stress by trancriptionally activating autophagy ［J］.Mech Dev，2009，126（8-9）：624-637.

［23］ Yan J，Feng ZH，Liu J，et al.Enhanced autophagy plays a cardinal role in mitochondrial dysfunction in type 2 diabetic Goto-Kakizaki（GK） rats：ameliorating effects of（-） -epigallocatechin-3-gallate［J］.JNutr Biochem， 2012， 23（7）：716-724.

［24］Ebato C，Uchida T，Arakawa M，etal.Autophagy is important in islet homeostasis and compensatory increase of beta cellmass in response to high-fat diet［J］.Cell Metab，2008，8 （4）：325-332.

［25］ Jung HS， Lee MS.Role of autophagy in diabetes and mitochondria［J］.Ann NY Acad Sci，2010，1201：79-83.

［26］ Marsh BJ， Soden C，Alarcón C，et al.Regulated autophagy controls hormone content in secretory-deficient pancreatic endocrine beta-cells［J］.Mol Endocrinol， 2007， 21 （9）：2255-2269.

［27］Shin CS，Moon BS，Park KS，etal.Serum 8-hydroxy-guanine levels are increased in diabetic patients［J］.Diabetes Care，2001，24（4）：733-737.

［28］ Sakai K， Matsumoto K，Nishikawa T，et al.Mitochondrial reactive oxygen species reduce insulin secretion by pancreatic beta-cells［J］.Biochem Biophys Res Commun， 2003， 300（1）：216-222.

［29］ Wang J， Yang X， Zhang J.Bridges between mitochondrial oxidative stress， ER stress andmTOR signaling in pancreatic β cells［J］.Cell Signal， 2016，28（8）：1099-1104.

［30］Laybutt DR，Preston AM， Akerfeldt MC，et al.Endoplasmic reticulum stress contributes to beta cell apoptosis in type 2 diabetes［J］.Diabetologia，2007，50（4）：752-763.