脓毒症时肝细胞自噬的相关机制研究进展

刘奇，赵洪强，李为民

(解放军总医院肝胆胰外科医学部，北京 100853)

脓毒症是宿主对感染的免疫反应失控而导致的危及生命的器官功能障碍，全球每年新发病例超过1 800万，发病率从1.5%上升至8%[1]，且发达国家的病死率仍较高。抗炎和促炎反应失衡导致的细胞因子风暴是脓毒症的主要致病机制。脓毒症期间，入侵的细菌及其产物首先被肝细胞捕获并清除，同时肝免疫细胞释放促炎介质，可能导致急性肝损伤[2]。肝损伤或功能障碍被认为是脓毒症的早期事件，可能严重影响疾病的发展[3]。在脓毒症所涉及的器官衰竭(肺、心、肾等)中，肝功能障碍是一个强有力的独立死亡预测因子[4]。有证据表明，急性肝功能不全和肝衰竭可能直接导致脓毒症患者的疾病恶化和死亡，而改善肝损伤或恢复肝功能可能降低脓毒症的发病率和病死率[5]。研究发现，脓毒症患者和脓毒症小鼠模型中肝脏自噬体增加，且在脓毒症小鼠模型中，抑制或阻断肝脏自噬后，小鼠的死亡率增加，死亡时间缩短，表明自噬在脓毒症中发挥了保护作用[6]。因此，研究脓毒症时肝细胞自噬的机制对脓毒症的治疗有一定指导意义。现就脓毒症时肝细胞自噬的相关机制予以综述，以为脓毒症肝损伤的临床诊治提供新思路。

1 自噬的发生机制

自噬是一种进化保守的降解系统，细胞内的蛋白质、细胞器和脂质以溶酶体依赖的方式被降解，在不同刺激下，该过程作为基本的自我保护机制被激活。根据细胞物质转运至溶酶体的途径不同，自噬分为巨自噬、微自噬以及分子伴侣介导自噬三种类型，巨自噬指由内质网来源的膜包绕待降解物形成自噬体，然后与溶酶体融合并降解其内容物；微自噬指溶酶体的膜直接包裹长寿命蛋白等，并在溶酶体内降解；分子伴侣介导自噬指胞质内蛋白结合到分子伴侣后被转运到溶酶体腔中，然后被溶酶体酶消化。分子伴侣介导自噬的底物是可溶的蛋白质分子，可选择性地清除蛋白质，而巨自噬和微自噬无明显选择性。通常所说的“自噬”指“巨自噬”。

自噬可以分解许多细胞质底物，包括蛋白质聚集物、受损的细胞器、碳水化合物、脂类、核酸和病原体，这些物质反过来能再生代谢前体，如氨基酸、脂肪酸和核苷酸，以便在生物合成途径中被重新利用，并在细胞存活中起重要作用。自噬基本步骤包括起始和成核、延伸、自噬体形成、自噬体-溶酶体融合和降解。分离膜最初在膜内系统(如高尔基体和内质网)由Beclin-1/Vps34复合物启动，该复合物受Unc-51自噬激活激酶复合物调控，成核后，自噬相关蛋白(autophagy related protein，Atg)12-Atg5复合物和微管相关蛋白1轻链3(microtubule-associated protein 1 light chain 3，LC3)Ⅱ可能在自噬体形成中起重要作用，Atg12-Atg5复合物始终与吞噬细胞外膜结合，并在成熟的自噬体形成后分离，最终由LC3Ⅱ完成[7-10]。在这一过程中，成熟自噬体与溶酶体的融合是自噬性底物降解的关键；融合过程需要用到溶酶体关联膜蛋白1和溶酶体关联膜蛋白2[11-12]。自噬对于细胞的命运和功能至关重要，自噬机制的启动对于细胞存活和功能具有重要意义，不仅可以清除受损的细胞器和异常的蛋白沉积，还可以提供额外的能量。

2 脓毒症时肝细胞发生自噬的相关机制

2.1线粒体含FUN14域1(FUN14 domain containing 1，FUNDC1)/LC3Ⅱ自噬通路 线粒体作为腺苷三磷酸的主要来源，对于多种细胞内过程至关重要，并在引发程序性细胞死亡中发挥重要作用[13]，然而，线粒体受损会明显破坏细胞代谢稳态，因此，保持线粒体的稳态数量和质量控制是治疗各种疾病的前提，线粒体自噬是线粒体损伤后线粒体质量控制的重要轴[14]。FUNDC1是位于线粒体外膜上的一种蛋白质，作为线粒体吞噬受体，可清除在应激和缺氧时功能失调的线粒体[15]。在正常情况下，FUNDC1被位于LC3相互作用区基序中的酪氨酸18位的Src激酶和酪蛋白激酶2磷酸化，抑制细胞中的线粒体自噬过程。在缺氧或其他危险情况下，Src被灭活，FUNDC1被磷酸甘油酸变位酶5去磷酸化，导致FUNDC1和LC3Ⅱ之间的共定位及相互作用增加，最终形成包裹受损线粒体的隔离膜[16]。闫梦莹[17]的研究显示，脓毒症诱发小鼠肝损伤可能与抑制FUNDC1/LC3Ⅱ信号通路激活有关。Yan等[18]研究表明，2%氢气吸入3 h可通过调节FUNDC1依赖的线粒体自噬减轻肝损伤，可能是败血症诱导肝损伤的有效治疗策略。

2.2真核翻译启动因子2α激酶4-真核翻译启动因子2A/真核翻译启动因子2α-激活转录因子4(EIF2AK4-EIF2A/eIF2α-ATF4)信号通路 黏附侵袭性大肠埃希菌参考菌株LF82感染人肠上皮T84细胞，可使磷酸-EIF2AK4、磷酸-EIF2A和ATF4水平升高；ATF4与LC3B、Beclin1、SQSTM1、Atg3和Atg7等自噬基因的启动子结合，可诱导肠细胞自噬基因转录和自噬反应的发生，证明了ATF4可直接靶向自噬基因诱导细胞功能性自噬[19]；B′chir等[20]报道，Atg5和Atg16L1基因的转录也被EIF2A-ATF4信号通路激活诱导细胞自噬，以应对细胞应激。Xiong等[21]的研究发现，脂多糖处理小鼠48 h后肝脏ATF4表达受到抑制，经奥贝胆酸刺激处理后，ATF4的表达逆转，推测奥贝胆酸可能激活ATF4依赖性细胞自噬。脓毒症时，肝脏是否通过激活EIF2AK4-EIF2A/eIF2α-ATF4途径诱导细胞功能性自噬仍需进一步研究证明。

2.3溶酶体雷帕霉素机制性靶标蛋白复合体2(mechanistic target of rapamycin complex 2，mTORC2)/1型蛋白磷酸酶Pleckstrin同源序列富亮氨酸重复片段蛋白磷酸酶[pleckstrin homology(PH)domain leucine-rich repeat protein phosphatase 1，PHLPP1]/蛋白激酶B(protein kinase B，PKB/Akt)自噬轴 基础状态下，抑制分子伴侣介导自噬活性的内源性机制为mTORC2通过磷酸化溶酶体相关Akt负向调控溶酶体关联膜蛋白2A组装进入分子伴侣介导自噬易位复合物，进而抑制分子伴侣介导自噬，部分负向调控通过神经胶质原纤维酸性蛋白的磷酸化完成；应激条件下，分子伴侣介导自噬的活化则通过募集PHLPP1(对Akt去磷酸化)与GTPaseRac1(在膜上稳定PHLPP1)降低Akt去磷酸化的活性，从而增加溶酶体膜上分子伴侣介导自噬易位复合物的稳定性，增强分子伴侣介导自噬，提示分子伴侣介导自噬的激活受溶酶体Akt磷酸化状态的调控[22]。根据Wells等[23]对感染埃立克体所致脓毒症和肝炎性损伤小鼠模型的研究显示，Ⅰ型干扰素通过诱导自噬损害抗细菌免疫，埃立克体可利用自噬蛋白质维持自身的生存和复制，证实了Ⅰ型干扰素介导的Akt/mTORC2自噬轴是小鼠肝细胞先天性炎症反应的关键调节因子，为治疗脓毒症期间炎症和肝损伤提供了理论依据。

2.4Parkin和Bcl-2/腺病毒E1B 19 kDa结合蛋白3(Bcl-2/adenovirus E1B 19 kDa-interacting protein 3，BNIP3)介导的线粒体自噬通路 大多数哺乳动物细胞中，PINK1和Parkin在介导经典线粒体自噬途径中起主要作用，PINK1作为线粒体损伤的传感器，能够在受损线粒体外膜上积累诱导Parkin从细胞质转移到受损线粒体[24]。BNIP3是一种Bcl-2相关蛋白，可诱导线粒体功能障碍和随后的细胞死亡。研究表明，BNIP3能与PINK1相互作用抑制其裂解，导致Parkin招募增加和线粒体清除增强[25]。Park等[26]的研究显示，盲肠结扎穿孔诱导脓毒症小鼠的肝脏PINK1蛋白表达水平升高，而Parkin和BNIP3蛋白表达水平降低，血红素加氧酶-1可减弱上述变化，表明血红素加氧酶-1增强了Parkin和BNIP3介导的线粒体自噬，可能是脓毒症肝损伤治疗的新方向。

2.5叉头框蛋白(forkhead box protein，Fox)O1介导的自噬 应激条件下，FoxO1被乙酰化激活，参与自噬诱导，FoxO1通过与sirtuin-2(一种烟酰胺腺嘌呤二核苷酸+依赖的组蛋白去乙酰化酶)解离而乙酰化，并与Atg7结合，进而诱导细胞自噬[27]。Lee等[28]的研究表明，CAPP-112(新合成的组蛋白去乙酰化酶抑制剂)可通过激活FoxO1介导的自噬改善盲肠结扎穿孔诱导的脓毒性损伤。

2.6钙蛋白酶系统 钙蛋白酶是Ca2+依赖性半胱氨酸蛋白酶，参与各种青藤碱盐酸盐生物学事件，包括信号转导途径、细胞凋亡和自噬。钙蛋白酶1和钙蛋白酶2(钙蛋白酶的两种主要类型)的活性分别受Ca2+水平的调节，因此，Ca2+稳态的失调会影响钙蛋白酶活性，导致器官损伤[29]。在整个自噬过程中，钙蛋白酶系统通过直接切割Atg蛋白来抑制自噬进展[30-31]。Jiang等[32]的研究显示，同源结构域相互作用蛋白激酶2过表达通过抑制钙蛋白酶信号转导增加自噬通量，并恢复盲肠结扎穿孔诱导的小鼠肝脏中的自噬体和自体溶酶体形成，通过恢复自噬改善败血症诱导的肝损伤，可能是脓毒症临床治疗的有效靶标。

卡马西平作为一种抗癫痫药物，脓毒症时可能通过完全激活自噬保护肝脏[33]，还可通过激活自噬途径减轻表达折叠突变体1-抗胰蛋白酶Z小鼠的肝损伤程度[34]。Kim等[35]的研究表明，卡马西平可通过防止钙超载与钙蛋白酶的激活，抑制缺血再灌注损伤小鼠肝细胞中Atg7和Beclin-1消耗所致的自噬缺陷。在脓毒症时，卡马西平激活自噬的作用及机制还需要进一步的研究。

2.7AMP活化蛋白激酶(AMP-activated protein kinase，AMPK)-S期激酶关联蛋白2(S-phase kinase-associated protein 2，SKP2/p45)-辅激活蛋白关联精氨酸甲基转移酶1(coactivatorassociated arginine methyltransferase 1，CARM1)自噬轴 CARM1是哺乳动物自噬的重要组成部分，在营养缺乏的条件下，细胞核中FoxO3a的AMPK依赖性磷酸化抑制SKP2，导致精氨酸甲基转移酶1蛋白水平以及H3 Arg17二甲基化的增加。全基因组分析显示，精氨酸甲基转移酶1通过转录因子EB在自噬相关和溶酶体基因上发挥转录共激活因子功能，在营养缺乏条件下，AMPK-SKP2-CARM1轴被确定为调控自噬诱导过程中新的信号轴[36]。Inata等[37]研究表明，AMPK对脓毒症期间肝脏代谢的恢复非常重要，其功能可能随年龄的增长而减弱，因此药物激活AMPK可能具有治疗作用。脓毒症时，AMPK能否通过激活AMPK-SKP2-CARM1自噬轴对肝脏起保护作用仍需进一步探讨。

2.8高迁移率族蛋白B1介导的自噬 高迁移率族蛋白B1作为自噬调节因子，通过结合Beclin-1促进自噬[38-39]。细胞核和细胞外的高迁移率族蛋白B1分别通过调节热激蛋白β1和结合晚期糖基化终末产物受体的表达维持自噬[40-41]。孙健等[42]的研究表明，脓毒症时，高迁移率族蛋白B1可介导自噬，从而调控白细胞介素-1β，减轻肝细胞损伤，促进肝脏功能的恢复。

2.9Beclin-1自噬效应因子 Beclin-1是最早发现的哺乳动物自噬效应因子之一[43-44]。纯合缺失Beclin-1基因可导致早期胚胎发育不良[45]。Beclin-1通过与PtdIns(3)-kinase (Vps34)相互作用，在自噬启动过程中起作用，参与启动自噬的成核步骤，开始自噬通量，并参与自噬体与溶酶体融合的后续步骤[46-49]。Lee等[50]的研究表明，在盲肠结扎穿孔诱导的多菌性脓毒症小鼠模型中，一氧化碳依赖自噬蛋白Beclin-1诱导自噬提高了小鼠的存活率，故认为一氧化碳可能是一种新的败血症治疗手段。

2.10其他机制 甲泼尼龙[51]、霉酚酸酯[52]、京尼平[53]、青藤碱盐酸盐[54]、雌激素[55]均可诱导肝细胞自噬，改善脓毒症时肝损伤，但具体机制尚不明确。自噬通过对特定细胞器的质量控制，在抵御各种疾病方面显示出巨大优势，从而维持细胞的生存和功能。此外，多个细胞器之间的相互作用也与脓毒症发病机制密切相关[56]。

3 小 结

自噬是肝细胞调节细胞代谢的策略之一，也是抵御应激状态下肝损伤的手段[57]。脓毒症为宿主对感染的反应失调，伴有多器官功能障碍和高死亡率，是重症监护病房患者预后差的主要原因。脓毒症引发复杂的免疫反应，伴随着促炎和抗炎反应同时发生，大多数脓毒症患者在最初的炎症反应后很快进入持久的免疫抑制期，这可能是造成不良后果的主要原因。因此，恢复宿主炎症反应的平衡和维持细胞命运在脓毒症的治疗中具有重要意义。自噬因清除细胞内异常蛋白的能力及其在多细胞器质量控制中的作用而被认为是脓毒症潜在的治疗靶点，在清除病原体与维持病原体或其相关产物(如病毒DNA或脂多糖)诱导炎症反应的平衡中起重要作用，缺乏自噬会导致感染失控和过度炎症，两者均是脓毒症发生的主要原因。