细胞自噬对糖尿病及其慢性并发症的作用研究

何姗姗　李艳波

[摘要] 糖尿病发病涉及多种因素。糖尿病及其慢性并发症可引起全身多器官、多系统损害。自噬是真核生物中高度保守的分解代谢过程，其调节机制十分复杂，涉及许多通路在不同阶段之间的配合。研究发现自噬与糖尿病及其慢性并发症的发生发展密切相关，本文就细胞自噬在糖尿病及其慢性并发症中的调节作用的最新研究进展作一综述。

[关键词] 糖尿病;慢性并发症;细胞自噬;研究进展

[中图分类号] R318.15          [文献标识码] A          [文章编号] 1673-7210（2020）06（c）-0033-04

[Abstract] Many factors are involved in the pathogenesis of diabetes mellitus. Diabetes mellitus and its chronic complications can cause damage to multiple organs and systems of the whole body. Autophagy is a highly conservative catabolism process in eukaryotes. Its regulatory mechanism is very complex and involves the coordination of many pathways at different stages. It has been found that autophagy is closely related to the occurrence and development of diabetes mellitus and its chronic complications. In this paper， the latest research progress on the regulatory role of cell autophagy in diabetes and its chronic complications are reviewed.

[Key words] Diabetes mellitus; Chronic complications; Cell autophagy; Research progress

隨着人口老龄化以及人们生活方式的改变，糖尿病患者人数逐年增加，糖尿病及其慢性并发症的发生发展给家庭和社会造成了巨大的经济负担，因此对糖尿病及其慢性并发症发病机制的研究及早期预防变得尤为重要。糖尿病是一组由多病因引起的胰岛素分泌和/或作用缺陷，进而导致糖代谢异常的疾病。自噬是维持细胞稳态的保守的分解代谢过程，与肿瘤、神经退行性疾病、代谢病等多种疾病相关，在饥饿和其他压力条件下，自噬功能常作为细胞存活的重要机制。自噬通过内质网应激、炎性反应等多种途径和病理生理过程参与糖尿病及其慢性并发症的发生发展，深入研究细胞自噬对糖尿病及其慢性并发症的作用有助于进一步揭示其发病机制，也为防治提供靶点，因此本文旨在总结细胞自噬对糖尿病及其慢性并发症作用研究的最新进展，以期为自噬的进一步研究提供新的思路。

1 自噬（autophagy）

1.1 自噬概述

自噬是真核生物中一种高度保守的分解代谢过程，细胞内受损的细胞器和大分子物质通过多种途径运送至溶酶体进行降解并循环利用，从而维持细胞稳态。在饥饿和其他压力条件下，自噬功能常作为细胞存活的重要机制。自噬与多种疾病相关，包括神经退行性疾病、癌症、炎症、代谢等疾病[1]。研究发现自噬在糖尿病及其慢性并发症发生发展中扮演重要角色。

根据运送途径不同，自噬有3种主要类型：微自噬、伴侣介导的自噬（CMA）和宏观自噬（即巨细胞自噬）[2]。宏观自噬被认为是自噬的主要类型，下文所说的自噬即指宏观自噬。

1.2 自噬过程

自噬的调节机制十分复杂，其中涉及许多通路在不同阶段之间的配合。自噬过程可以分为4个不同阶段，包括：①诱导;②囊泡成核;③自噬体膜伸长;④终止/融合和降解[3]。哺乳动物的靶标雷帕霉素（mTOR）对自噬起始阶段的调控起重要作用[4]。正常情况下mTORC1与UNC-51样激酶1（ULK1）复合物（ULK1/2-ATG13-FIP200-ATG101）相互作用;在饥饿、缺氧等应激情况下，mTORC1从ULK1复合体中解离出来，启动自噬。ULK1复合体和Bcl-2相互作用形成的肌球蛋白样卷曲蛋白（Beclin 1）复合体在自噬成核阶段起着核心作用，Beclin 1与第3类磷脂酰肌醇-3-激酶Vps34结合形成复合物，招募含有磷脂酰肌醇-3-磷酸（PI3P）的蛋白1（DFCP1）、PI3P结合的效应蛋白（WIPI2）和自噬相关蛋白ATG，形成隔离膜并构成成核[5]。膜在自噬相关蛋白ATG12-ATG5和微管相关蛋白1/轻链3（MAP1LC3B/LC3）两个泛素样联接物系统的指导下发生伸长。自噬相关蛋白ATG12、ATG5和ATG16L1结合促进微管相关蛋白1轻链（LC3-Ⅰ）与磷脂酰乙醇胺的募集和脂化，形成结合的LC3-Ⅱ，相关自噬受体识别膜两侧LC3-Ⅱ，最终被溶酶体溶解[6]。因此，LC3-Ⅱ/LC3-Ⅰ常作为自噬标志性蛋白。

2 自噬与糖尿病（diabetes mellitus）

糖尿病是一组由多病因引起的糖代谢异常的疾病[7]。预计到2025年全球患有糖尿病的成年人可达7亿，是世界范围内最普遍的代谢紊乱之一[8]。糖尿病及其慢性并发症可引起多器官、多系统损害，已成为严重危害人类健康的世界性公共卫生问题，因此早期发现及防治是目前医疗工作的关键。研究发现1型糖尿病（type 1 diabetes mellitus）主要由胰岛β细胞的慢性炎性反应引起[9]。2型糖尿病（type 2 diabetes mellitus）的基本特征是胰岛素抵抗和胰岛β细胞功能障碍[10]。

胰岛β细胞是人体中调节血糖水平的重要细胞之一[11]。自噬是维持线粒体和内质网等多种细胞器的关键，在维持胰岛β细胞稳态中起不可或缺的作用。自噬缺陷可引起β细胞功能失調，导致糖尿病发生。内质网应激（ER）在2型糖尿病相关的β细胞衰竭中起关键作用。未折叠蛋白反应（UPR）是ER状态下维持细胞稳态的重要信号通路。UPR对内质网应激具有适应性[12]。自噬缺陷的β细胞中，UPR表达减低。自噬相关基因Atg7基因敲除的ob/ob小鼠β细胞凋亡增加，并引发严重糖尿病[13]，这表明自噬缺陷性β细胞易受肥胖引起的内质网应激的影响。研究发现Atg7缺陷的小鼠的血清胰岛素水平明显下降，胰岛β细胞的功能出现退化，形态学分析显示β细胞线粒体肿胀、内质网扩张和空泡改变，证明自噬对维持胰岛β细胞结构和功能的重要性[14-15]。胰高血糖素样肽-1受体激动剂（利拉鲁肽）是一类具有降糖作用的内源性促胰岛素肽。研究发现它可能通过调节AMPK途径调节自噬，保护胰岛β细胞[16]。自噬可以通过多种途径在糖尿病发病机制中扮演重要角色，因此，正确利用自噬可为糖尿病的早期诊断、预防和治疗带来新的契机。

3 自噬与糖尿病慢性并发症

3.1 自噬与糖尿病肾病（diabetic nephropathy，DN）

DN是糖尿病慢性并发症之一，已经成为世界范围内终末期肾脏疾病的主要原因[17]。DN的早期症状是尿蛋白增多，其特征是系膜结节增生和肾小球基底膜（GBM）增厚。足细胞作为终末分化细胞，是肾小球中重要的功能细胞，它们的损伤和凋亡可导致肾小球滤过屏障的破坏[18]。研究发现自噬溶酶体系统在维持足细胞动态平衡中起着关键作用，它的改变参与了DN的发病机制[19]。

在正常生理条件下，足细胞表现出较高的基础自噬水平，表明在非应激条件下自噬在维持足细胞内环境平衡中起着关键作用[20]。在自噬相关基因Agt5敲除的DN小鼠中提取足细胞，发现LC3B-Ⅱ表达减低，自噬作用消失[21]。Lenoir等[20]利用高糖刺激足细胞，得到相同结论。说明自噬在应激状态下也参与维持足细胞功能。而研究发现用链脲佐菌素（STZ）诱导1型糖尿病，足细胞的自噬活性降低[21]，说明高血糖降低了足细胞的自噬活性，而高糖促进足细胞自噬。另外，Wei等[22]发现高糖还促进足细胞积累自噬小体。自噬也可以被炎性机制调节在DN中起作用[23]。研究显示核苷酸寡聚结构域样受体3（NLRP3）通过负向调控自噬，参与DN的发生发展[24]。最近研究也显示各种组蛋白脱乙酰基酶（HDAC）在DN的自噬调节中也起着至关重要的作用，但是具体作用机制仍需进一步研究[25]。尽管自噬在DN中的作用机制还不够清楚，但是可以肯定的是自噬可以通过多种途径参与DN发生发展，自噬有望成为治疗DN的新方法。

3.2 自噬与糖尿病视网膜病变（diabetic retinopathy，DR）

DR是糖尿病常见的并发症之一，也是成人失明的主要原因。微血管功能障碍是DR的特征性病变，包括血-视网膜屏障破坏、毛细血管基底膜（BM）增厚、周细胞丢失和增加的无细胞毛细血管[26]。自噬在DR中的调节机制十分复杂。

自噬可参与DR新生血管的形成。血管内皮生长因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）是诱导DR生成新生血管的特异性因子。高糖刺激视网膜Muller细胞，自噬底物表达增加，VEGF大量释放[27]，说明自噬在DR新生血管的形成扮演重要角色，也为眼底新生血管性疾病的治疗提供新靶点和理论依据。值得注意的是，自噬在DR中具有双重作用。高血糖状态下，通过触发ROS介导的内质网应激启动自噬，保护高糖对视网膜色素上皮细胞RPE的损害;而过度激活自噬又可诱导细胞凋亡[28]，因此把握和利用好自噬，是今后需要进一步研究和解决的重点。此外，研究发现受损的血视网膜屏障会释放细胞质脂蛋白，而血管外修饰的低密度脂蛋白（LDL）通过内质网应激，氧化应激和自噬促进RPE的凋亡[29]，而降低血脂水平的激动剂非诺贝酸可明显改善RPE凋亡[30]，这也为DR的治疗提供新的思路。

3.3 自噬与糖尿病心肌病变（diabetic cardiomyopathy，DCM）

DCM被定义为糖尿病患者发生的心室功能障碍。DCM占糖尿病相关发病率和死亡率的一半以上，具体发病机制尚不清楚，研究发现心肌的过度氧化应激、炎症、长期自噬激活、糖脂毒性等多种因素均可导致其发生发展[31-32]。而自噬在其中发挥重要作用，但是在1型糖尿病和2型糖尿病中的作用不尽相同。

研究发现STZ诱导的1型糖尿病中，LC3、ATG5和ATG12等自噬相关蛋白在心脏组织中减少[33]。He等[34]在1型糖尿病动物模型中，也得到相同结论，使用二甲双胍治疗后，自噬能力增强并改善心功能，可以推测1型糖尿病中自噬被抑制。在2型糖尿病中报道了相反的观察结果。不同时段喂食HFD小鼠可发现，心脏心肌细胞自噬通量最初增加，但在2个月后下降;敲除自噬相关因子ATG7或Parkin后线粒体功能受损，小鼠的心脏舒张功能障碍增加[35]。Li等[32]高脂刺激大鼠心肌细胞（H9c2）前24 h内自噬囊泡的数量增加，在36 h内减少并且自噬相关因子Atg12-Atg5、Atg16L1、Atg3表达减低，细胞凋亡率增加，以上研究可推测2型糖尿病中自噬激活初期对心肌细胞有保护作用，长时间激活自噬不利于心肌细胞生存。尽管自噬作用有所不同，但是靶向激活自噬可能有助于治疗进展中的DCM的胰岛素抵抗。

3.4 自噬与糖尿病勃起功能障碍（DMED）

勃起功能障碍（erectile dysfunction，ED）是威胁中老年男性健康的常见疾病之一[36]。DMED是糖尿病自主神经病变常见的并发症。临床研究表明50%～75%的DM患者在一定程度上患有DMED[37]。自噬和细胞凋亡被认为是DMED发生发展的重要过程[38]。

Miranda等[30]用SZT誘导大鼠DMED模型，自噬和凋亡水平升高;给予自噬激活剂雷帕霉素干预后，自噬水平进一步提高，凋亡减少，大鼠勃起功能也得到改善，说明自噬可参与DMED的发生发展。普罗布考在临床上被广泛用于预防冠状动脉粥样硬化和降低胆固醇水平的药物，Zhang等[38]研究发现采用普罗布考治疗12周后，STZ诱导的DMED大鼠勃起功能得到改善，大鼠阴茎组织中自噬增强，凋亡减少，说明普罗布考能抑制STZ诱导的糖尿病大鼠的细胞凋亡和自噬，为DMED提供了新的治疗思路。尽管具体作用机制尚不清楚，但是可以肯定的是，自噬为DMED的预防和治疗提供了新的靶点。

4 小结

著名科学家Yoshinori Ohsumi在2016年因自噬获得诺贝尔奖后，自噬得到更广泛的研究，成为近几年研究的热点。自噬对糖尿病及其慢性并发症的作用机制仍需进一步研究，不可否认的是自噬途径为糖尿病及其慢性并发症的预防和治疗提供了新的方向，为药物研发提供新的靶点和理论依据。

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（收稿日期：2020-01-22  本文編辑：顾家毓）