自噬因子在肾脏的进展研究

吴旦，李清初

(通信作者*)(桂林医学院，广西 桂林 541000)

1 自噬概述

自噬是真核细胞中普遍的细胞生物学过程。它消除了受伤的细胞器和生物大分子。它被证明是维持细胞内稳态的重要且高度保守的调节机制。与选择性降解短寿蛋白的泛素-蛋白酶体系统(UPS)相比，自噬更倾向于衰老和功能异常的细胞质蛋白[1]。通常，哺乳动物的基线自噬是一个生理过程，但可以由饥饿或各种条件触发，包括缺血性，毒性，免疫性和氧化性损伤。自噬过程包括两个主要步骤：自噬体的诱导和自噬体与溶酶体的融合[2,3]。自噬过程涉及大量自噬相关(ATG)蛋白。ATG蛋白可分为五类，即ATG1激酶复合物(ATG1 / Unc-51样激酶(ULK)1/2)，ATG9，III类磷酸肌醇3-激酶复合物(PI3KC3)，ATG12缀合系统和ATG8共轭系统[1]。

2 免疫细胞中的自噬

免疫细胞中的自噬会显着改变免疫活性。在先天免疫中，自噬可增强免疫细胞的活性并有助于抵抗感染。细菌，病毒和寄生虫可通过自噬降解，其中自噬对这些病原体起保护作用。自噬还通过与某些信号传导途径相互作用和吞噬炎症触发因素来限制炎症。在自噬溶酶体中，toll样受体(TLR)可能会将损伤相关分子模式分子(DAMPs)和病原体相关分子模式分子(PAMPs)识别为自体抗原，并导致免疫反应的有效激活[4]，破坏免疫耐受并导致自身免疫的发展[5]。先天性免疫系统中的一些分子通过自噬在一定程度上受到调节，例如巨噬细胞和树突状细胞。巨噬细胞通过细胞内消化帮助消除病原体。自噬缺陷型巨噬细胞在通过TLR途径引起炎症刺激时上调IL-18和IL-1β的产生[6]。自噬还有助于不依赖半胱天冬酶的巨噬细胞死亡，从而减轻炎症[7]。在树突状细胞中，自噬是病毒检测，抗原呈递和干扰素生产所必需的[8,9]。自噬活性可以增强几种适应性免疫反应，例如淋巴细胞发育和抗原呈递[10]。自噬介导的II类MHC呈递就是一个例子。细胞外抗原被捕获到抗原呈递细胞的自噬体中。然后，自噬体将抗原降解成免疫原性肽，并将其加载到CD4+T细胞的MHCII分子上。越来越多的证据表明自噬在T细胞的选择和存活中起着关键作用。例如，在选择胸腺中幼稚的T细胞库时，胸腺上皮细胞中的高自噬活性可将内源蛋白传递给MHC-II分子并有助于TCR选择，从而消除了自身反应性CD4 + T细胞[11]。活化的T细胞中的自噬可促进细胞因子(例如IL-2和IFN-γ)的存活和分泌，从而影响Th细胞的极化。对于B细胞，自噬起着复杂的作用。与成熟的T细胞不同，成熟的外周B细胞的存活似乎不一定需要自噬。一方面，自噬是B细胞分化过程中必不可少的，即Atg5缺失会导致B-1细胞死亡[12]。另一方面，自噬也可以诱导自噬相关的细胞死亡[13]。因此，B细胞受体结扎诱导的自噬可能在消除自身反应性B细胞，从而降低自身免疫力中至关重要。另外，最近的数据表明自噬调节内质网稳态以控制浆细胞中免疫球蛋白(Ig)的分泌，而删除Atg5可能导致过量的Ig产生[14]。

3 肾驻留细胞自噬

3.1 足细胞终末分化的足细胞易受各种损伤的影响

从病理学的角度来看，足细胞的丢失被认为是进行性肾小球疾病的关键特征。足细胞损伤是蛋白尿的关键因素，而由于细胞死亡或脱离引起的足细胞损失是肾小球疾病进展和衰老的关键步骤[15]。自噬似乎可以“监视”生理和病理生理条件下足细胞的质量。与局灶性节段性肾小球硬化症(FSGS)的患者相比，患有最小变化疾病(MCD)的患者的足细胞显示更高水平的Beclin 1介导的自噬活性[7,16]。此外，MCD患者足细胞自噬水平高通常预示疾病状态稳定，而自噬水平降低的MCD患者则进展为FSGS[17]。

足细胞自噬的丧失导致对各种肾脏疾病模型的易感性明显增加。最近的研究表明，具有Atg5或Atg7功能丧失突变的小鼠具有人类FSGS的组织学和临床特征。分别沉默Atg5或Atg7，也显示出明显的足细胞交替。肾切除术后一天，Atg7缺乏的足细胞小鼠在肾脏活检中表现出更高的蛋白尿，足突改善和足细胞丢失[18]。足细胞特异性Atg5基因敲除小鼠在8至12个月大时出现轻度蛋白尿，并通过线吞噬作用降解受损的线粒体软骨[19]。通过沉默其他ATG基因抑制自噬也破坏了足细胞的功能。足细胞特异性缺失Vps34的小鼠在9周时发展为早期蛋白尿，进行性肾小球硬化和肾功能衰竭[20]。这些基因敲除小鼠的足细胞表现出自噬通量受损的表型，并带有增大的液泡积累，表明Vps34参与维持足细胞自噬通量。

同样，足细胞特异性肾上腺素受体(PRR-)敲除小鼠在出生后2-3周内发展为肾病综合征，并在第4周时死亡。电子显微镜显示，小鼠表现出进行性足细胞损伤，足突增生和空泡化以及足细胞死亡[21,22]。泛素化蛋白和泛素结合型突触蛋白p62/螯合物1(SQSTM1)的大量积累进一步表明，泛素化蛋白聚集体的自噬清除受到阻滞[23]。这些研究共同强调了自噬作为关键的特殊重要性生理和应激条件下足细胞的稳态机制。

调节mTOR以改变自噬活性也影响足细胞的结构和功能。Mtor基因小鼠的足细胞选择性敲除在3周龄时发展为蛋白尿，并在5周龄时进行性足细胞损伤和终末期肾衰竭[24]。同样，在永生化的人足细胞中，用mTOR抑制剂雷帕霉素治疗可诱导不完全自噬，显示出良好的细胞保护作用。然而，还需要mTOR来再生功能性溶酶体并完成自噬过程[25]。因此，mTOR的长时间激活可能导致自噬底物的缺乏，从而导致自噬的不足。考虑到自噬途径的破坏可能在蛋白尿的发病机制中起作用，因此使用mTOR抑制剂进行治疗可能会导致持续时间不同的有利和不利结果。

简而言之，自噬对足细胞的存活和生理功能至关重要。通过抑制ATG5，ATG7，mTOR，Vps34和PRR阻断自噬可导致足细胞损伤，死亡或功能失调，并最终导致肾功能下降。

3.2 肾小球毛细血管的内皮细胞

在来自法布里病的培养细胞的报告中，来自患者的细胞显示出自噬增加，LC3的基础水平更高。在这项研究中，在治疗3年之前和之后都进行了肾脏活检。结果表明，经过3年的治疗，内皮细胞和肾小球系膜细胞中的液泡积累大大减少了[26]。这些数据表明，内皮细胞自噬过程中的损伤可能是Fabry疾病引起的内皮细胞损伤。近期研究还表明，自噬可以保护肾小球内皮细胞与活性氧化剂(ROS)发生反应[27]。肾小球内皮细胞和造血细胞特异性Atg5缺陷型小鼠肾小球和ROS积累表现出异常形态，可通过施用ROS清除剂来减轻。这些数据表明上皮细胞中的自噬可以保护肾小球毛细血管免受氧化应激并保持其完整性。

3.3 肾小球系膜细胞

肾小球系膜细胞位于称为肾小球膜的小叶中心区域，为肾小球结构提供支持并调节肾小球滤过[28]。肾小球系膜细胞还产生组成mesan-gium的细胞外基质，从而维持肾脏间质的稳态。但是，它们也可以作为许多肾小球疾病即IgA肾病发展中的恶化因素。当肾脏患有进行性肾脏疾病时，肾小球膜细胞增殖并产生过多的细胞外基质，从而导致肾小球硬化和肾脏纤维化的发展。

观察到镉诱导肾小球膜细胞自噬和凋亡。但是自噬的阻断导致细胞活力的增加而没有影响细胞凋亡，这表明自噬在暴露于镉的系膜细胞中在细胞死亡中起作用[29]。据报道，镉通过钙外细胞信号调节的激酶依赖性途径，部分通过增加活性氧(ROS)的产生和糖原合酶激酶3b(GSK-3b)的活化来诱导自噬细胞死亡[30]。

自噬也有助于肾小球系膜细胞的存活。在血清剥夺的情况下，系膜细胞发生凋亡。转化生长因子-β1(TGF-β1)通过抑制肾小球系膜细胞凋亡，促进自噬并提高细胞存活率。LC3-/-肾小球系膜细胞消除了TGF-β1从血清剥夺诱导的细胞凋亡中解救出来，表明自噬在肾小球膜细胞中的细胞保护作用[31]。自噬还通过促进降解由肾小球膜细胞产生的细胞内I型胶原蛋白(Col-I)的降解过程，在下调肾小球膜细胞中基质的产生中也发挥作用[31]。Beclin 1 +/-小鼠的肾脏胶原蛋白沉积明显增加。从Beclin 1 +/-小鼠分离或用Beclin 1 siRNA转染的肾小球系膜细胞表达较高的基础水平的Col-1。同样，用自噬抑制剂处理的肾小球系膜细胞显示Col-1蛋白水平升高。因此，用三氟哌嗪(自噬的诱导剂)处理导致由TGF-β1诱导的Col-1蛋白水平降低。

因此，提示自噬可以通过抑制细胞凋亡和促进肾小球系膜细胞的存活而构成对肾小球损伤的适应性机制。这些发现还暗示了自噬作为一种细胞保护机制的新作用，可以负调节并防止肾小球中过多的胶原蛋白积聚，并有望成为减轻肾小球硬化和纤维化发病机理的新治疗靶标。

3.4 肾小管上皮细胞

TEC与足细胞不同，在正常情况下，肾小管显示低水平的基础自噬。在近端肾小管中具有Atg5缺失的小鼠逐渐形成变形的线粒体并积累胞质内含物，从而导致近端肾小管细胞肥大并最终导致变性。末梢小管中Atg5缺失的小鼠也显示出p62 / SQSTM1和氧化应激标志物的大量积累，直至12个月大时肾功能没有明显改变[32]。整个肾小管系统中Atg5的缺失导致p62 / SQSTM1在整个肾小管节段中积累，并在5个月时血清肌酐显着增加[32]。因此，虽然仅在近端或远端肾小管细胞中的ATG5缺乏并不会引起明显的肾功能不全，但所有肾小管节段中的ATG5缺乏都导致了肾功能的损害，这表明肾小管自噬对于肾脏功能的维持至关重要。

在面对环境毒素的暴露中，在管状细胞中也观察到活化的自噬。在注射顺铂的小鼠近端小管中检测到凋亡之前，自噬的上调。抑制自噬增强了顺铂处理的近端肾小管细胞中胱天蛋白酶的激活和凋亡。这表明自噬保护了肾小管细胞免于凋亡[33]。顺铂治疗后，近端小管特异性自噬缺陷小鼠发展为更严重的AKI和凋亡增加[34,35]。此外，自噬缺陷型近端小管显示出增加的DNA损伤，p53和c-Jun N末端激酶(JNK)活化以及顺铂处理后有毒蛋白质聚集物和ROS的积累。当用马兜铃酸或环孢菌素A处理TECs时，也观察到类似现象。当施用毒素时，自噬活性被激活，抑制自噬可诱导更高水平的细胞凋亡[36-38]。

在单侧输尿管梗阻(UUO)诱发的梗阻性肾病模型中，可以观察到mTOR被抑制，细胞自噬活性增强，以去除异常的细胞内成分。类似地，自噬被确认为面对肾脏I / R损伤的保护作用。它表明，阻断自噬可增强缺氧诱导的肾近端肾小管细胞凋亡[35]。使用在近端小管中有条件的Atg5或Atg7基因缺失的小鼠进行的研究证实，自噬可保护近端小管免受I / R损伤。这些结果为自噬在肾小管中的细胞保护作用提供了进一步的支持。

在其他情况下，肾小管中的自噬是疾病发展的一个重要因素。小鼠的另一种UUO模型显示自噬与肾纤维化有关。抑制自噬可通过下调纤维化因子来抑制肾脏纤维化[39]。抑制自噬可降低胱氨酸症肾近端TECs的细胞凋亡率。亚砷酸钠在体外和体内均可诱导肾小管细胞自噬细胞死亡，并抑制自噬减弱细胞死亡。自噬还与近端肾小管细胞中纳米材料的细胞毒性有关。毫摩尔浓度的富勒烯醇暴露诱导的细胞死亡与细胞骨架破坏，自噬空泡积累和线粒体功能障碍有关。此外，自噬抑制剂3-MA改善了线粒体膜电位的丧失和ATP耗竭，表明自噬可能有助于富勒烯醇诱导的细胞死亡。

4 总结

总之，在目前阶段，自噬在肾脏损伤反应和发病机理中的精确作用尚不清楚。已经有研究提供证据支持自噬的细胞保护作用，而其他研究则支持自噬的有害作用。可能是上下文相关的。损伤类型和损伤严重程度的不同可能会导致自噬的不同结果，因为一定程度的自噬活性可以维持组织稳态，而过多的自噬活性则导致细胞死亡。