自噬与心律失常的关系研究

赵鸣鸾 吴晓羽

“自噬”一词是由诺贝尔奖获得者Christian de Duve于1963年提出的，他假设存在将细胞质成分运输到溶酶体以进行消化的细胞内机制[1]。自噬是一种进化保守的细胞质元素降解机制，在蛋白质和细胞器的质量控制中起着举足轻重的作用[2-4]。底物的自噬消化为合成ATP、蛋白质和细胞器提供氨基酸和脂肪酸。同时自噬也参与调节分泌和细胞内运输[2-4]。虽然自噬最初被认为是一种非特异性的降解机制，但是目前又发现了载体特异性的自噬形式。其中，线粒体自噬是一种特殊形式的自噬，用于去除和消化受损线粒体[5-7]。自噬被应激，如氧化应激、代谢应激、遗传毒性应激以及内质网应激迅速激活。在大多数情况下，自噬是适应性的，并限制细胞紊乱和死亡。然而，在某些情况下，自噬会促进细胞死亡，包括细胞凋亡和坏死[2-4]。自噬还可以诱导具有独特形态特征和调节机制的细胞死亡，称为自死亡[8]。在过去的十年中，自噬已成为心脏稳态和功能的主要调节器。

1 自噬的分类

根据细胞物质运送到溶酶体的途径不同，现在已知有三种自噬存在。主要分为巨自噬(macroautophagy)、微自噬(microautophagy)和分子伴侣介导的自噬(chaperonemediated autophagy, CMA)。①巨自噬：巨噬细胞吞噬作用形成双层膜囊泡的自噬体，自噬体将细胞蛋白质、糖类、脂质和细胞器隔离，然后将其递送到溶酶体进行降解。②微自噬：微自噬是指细胞因子被溶酶体直接吞噬的过程[2-4]。③分子伴侣介导的自噬：分子伴侣介导的自噬仅存在于哺乳动物细胞中，细胞胞浆中分子伴侣如热休克蛋白70 (heat shock cognate protein of 70 kd, HSC70) 可以识别底物蛋白质分子的特定氨基酸序列 (如KFERQ样模体) 并与之结合, 分子伴侣-底物复合物再与溶酶体膜上受体如Lamp2 (lysosome associated membrane protein type 2, Lamp2 ) 结合后, 底物去折叠，溶酶体腔中的另外一种分子伴侣介导底物在溶酶体膜转位，进入溶酶体腔的底物被水解酶分解为其组成成分, 被细胞再利用。巨自噬(以下称为自噬)对于广泛调节细胞质量控制过程、细胞器降解和应激适应至关重要，而其他两种形式涉及更专门的细胞功能[2-4]。

2 自噬的信号转导机制

自噬是由特异性自噬相关基因(Atg)调控的，这些基因编码调节自噬体的启动和蛋白质成熟，以及自噬体与溶酶体的融合以形成自噬溶酶体[2-4]。一些关键的信号机制直接调节心肌细胞在基础和应激反应时的自噬。主要包括以下几种主要机制。

2.1哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(target of Repmaycin,TOR) mTOR是一种丝氨酸/苏氨酸激酶，通过两个多蛋白复合物起作用[9]。mTORC1是蛋白质合成、细胞生长、代谢、线粒体生物合成和自噬的主要调节因子。它被营养和生长因子激活，在饥饿时被抑制。mTORC2调节细胞存活、胰岛素敏感性和细胞极性[10]。mTORC1通过翻译后修饰和转录机制负调控自噬。mTORC1在丝氨酸 757位点磷酸化Ulk1，从而抑制自噬体形成[11]。

2.25-AMP激活激酶(AMPK)和糖原合成酶激酶-3β(GSK-3β)调节 当ATP耗竭时AMPK激活，并刺激自噬。AMPK激活TSC1/2，抑制ReNB，为mTORC1激活剂[12]。类似于AMPK，GSK-3β在能量应激和磷酸化过程中被刺激，并激活TSC1/2，导致mTORC1抑制和刺激自噬[12]。

2.3Mst1 Mst1(mammalian sterile20-like kinase 1)是一种丝氨酸/苏氨酸激酶，由氧化应激等促凋亡刺激激活，并通过苏氨酸108磷酸化Beclin 1抑制自噬。应激诱导MST1激活，通过抑制自噬和刺激细胞凋亡促进心肌细胞死亡。相反，抑制Mst1通过刺激自噬和抑制细胞凋亡保护心肌细胞免受心脏应激[13]。

2.4活性氧(ROS) ROS通过在半胱氨酸81氧化Atg4来促进饥饿过程中的自噬激活[14]。Atg4氧化抑制其蛋白酶活性，从而增加脂质LC3的生成和自噬体的形成。在心肌细胞营养剥夺和缺血过程中，自噬激活需要生理水平的ROS[15]。但过度氧化应激会损害心脏自噬。

2.5转录机制 转录因子TFEB通过ERK2和mTOR的磷酸化调节其核定位和活性，通过上调Atg基因和溶酶体酶，促进自噬体的形成、自噬体-溶酶体的融合和饥饿期间的底物降解[16]。

2.6代谢产物 最近的研究发现，代谢途径中的几个关键中间体对自噬的激活、失活至关重要。胞浆乙酰辅酶A(乙酰-CoA)是丙酮酸脱氢酶或β-氧化酶促反应的产物，通过激活p300负调节自噬。己糖激酶2 (HK2)，一种糖酵解酶，激活心肌细胞的自噬。HK2在葡萄糖剥夺过程中与mTORC1相互作用，失活mTORC1，上调自噬[17]。烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD+)，作为吡啶核苷酸和电子载体，也积极调节自噬。

此外还有许多自噬相关蛋白分子参与自噬的发生及调节，通过了解自噬的分子机制，可以更好地利用自噬途径中常用的分子生物学指标判断自噬活性，从而研究自噬与疾病的关系。

3 自噬与心律失常

在正常情况下,心脏冲动来自窦房结,依次经过心房、房室束及浦肯野纤维,最后传至心室肌，引起心脏节律性收缩。在病理或药物的影响下,冲动形成异常或传导发生障碍，就产生心律失常。最近研究表明，在心律失常的情况下自噬激活增加。连接蛋白43(Cx43)形成缝隙连接，这些缝隙连接负责心肌细胞之间心脏动作电位的传播。近年来，关于自噬在Cx43降解中作用的文献日益增多[18]。Cx43的低表达也与心律失常有关：其中，Shu等[19]显示在快速心房起搏(RAP)诱导的心房颤动(AF)的犬模型中Cx43蛋白表达降低。在心律失常条件下，Cx43表达降低是否通过自噬降解介导，尚待确定。此外，Yuan等[20]的研究发现，在AF患者中LC3B-II的蛋白表达与窦性心律的患者相比显著增加，p-AMPK蛋白表达无论是犬类,还是人类AF中都明显增高。因此，推测在AF患者中，AMPK的磷酸化能够增加LC3和自噬体的产生，并促进它们相互转化。缺血-再灌注后的过度炎症活动引起细胞应激，此时心肌细胞的Beclin-1、LC3B-Ⅱ以及LC3Ⅱ/LC3-Ⅰ比值较未发生心律失常的细胞水平升高，导致致命性心律失常，特别是心室颤动[21]。这些自噬介质水平的增加表明心律失常引起的自噬激活增加，因此作为潜在的治疗靶点是有意义的。然而，自噬与心律失常之间的确切机制关系仍然有待阐明。

4 抗心律失常药物影响自噬途径

目前，对心律失常条件下自噬的发生和调控的研究有限，迄今为止，仅有少数研究集中于抗心律失常药物对自噬激活的影响。抗心律失常药物通过对心脏动作电位的靶点的作用进行分类。Ⅰ类药物阻断Na+通道，Ⅱ类药物是肾上腺素能受体拮抗剂，Ⅲ类药物是K+通道阻滞剂，Ⅳ类药物通常通过阻断L型钙通道(LTCCs)来减慢房室结传导。Huang等[22]发现，Na+通道阻滞剂雷诺嗪，对HL-1细胞和离体大鼠心肌细胞有诱导自噬作用。常用的β-受体阻滞剂普萘洛尔被报道为自噬抑制剂：在HepG2细胞中测量到LC3-Ⅱ水平升高，自噬体形成和p62(在自噬刺激期间降解)水平，提示普萘洛尔在晚期由于降解减少，抑制肝脏的自噬作用。Ⅲ类抗心律失常药物胺碘酮抑制mTORC1，导致自噬途径激活，这在体外进行了研究[23]。在另一项体外研究中，Ji等[24]发现胺碘酮及其合成的类似物决奈达隆对溶酶体有损伤，导致内向整流钾通道Kir2.1表达增加和细胞内积聚。众所周知胺碘酮的缺点是其副作用的高发生率，包括甲状腺毒性、肺毒性、肝毒性、神经毒性，这些副作用似乎与药物的终生累积剂量有关[25]。然而，胺碘酮自噬的药理活性已被证明能够改善小鼠部分肝切除术后的肝再生[26]。用作动脉血管扩张剂的LTCC阻滞剂硝苯地平，能够增加自噬流，如增加自噬小体和LC3-Ⅱ水平，以及降低离体大鼠心肌细胞中的p62水平[27]。用于治疗心绞痛和心律失常的LTCC阻断剂维拉帕米增加了自噬通量，PC12细胞和一系列人类细胞系中LC3-Ⅱ水平升高表明了这一点，后者还包括自噬空泡的发育增加[28-29]。这些研究虽然数量有限，但清楚地表明了抗心律失常药物和自噬之间存在联系，其直接结果可以是激活和抑制自噬。

5 总结

到目前为止，从一些实验中获得的数据表明，自噬调节是治疗心律失常的一种很有前途的模式，有证据表明自噬激活会改变心律失常状态。此外，一些抗心律失常药物已被证明会影响自噬途径，抗心律失常药物的复杂潜在机制对心脏自噬调节的直接影响仍有待于进一步确定。需要进一步完善自噬检测指标，通过消除自噬途径紊乱来指导药物开发以提供更安全的抗心律失常药物。通过不断完善自噬对于心律失常疾病的发生发展机制，将为今后心律失常疾病的研究和治疗开拓新的思路。