肥胖与脂肪组织自噬

2021-03-07

文体用品与科技 2021年11期

（沈阳体育学院辽宁沈阳 110102）

前言

自我国深化改革开放以来,人们的日常生活方式、作息规律、饮食习惯都发生了重大的改变。虽然我们的生活方式已经有所改变，但是现在的人们不太重视肥胖对于身体的影响。物质的丰富以及吃的食物越来越“细致”，导致人们更容易发生肥胖，研究发现，肥胖会引起心血管疾病，二型糖尿病以及其他的并发症。由于人们摄入能量过多，过多的能量在体内被合成脂肪，导致出现肥胖。对于脂肪的分解，过去人们认为是通过激素敏感性脂肪酶和甘油三酯脂肪酶有关，有研究发现，脂滴可以通过自噬途径降解，并把这种现象定义为：噬脂。

1、自噬的定义

“自噬 (autophagy)”的这一概念由由 christiandeduve在1963年上首次提出，指体内需要进行降解的成分被自噬包裹，随后送到溶酶体当中,并与酶体进行融合,从而降解内容物的一个生理过程，自噬通过降解后所产生的氨基酸和其他一些微小分子的物质就可被再利用或者在体内产生更多的能量。自噬对于生命体非常重要，自噬在体内发挥着重要的作用，它与细胞的生长、分化、凋亡有着密切的联系，同样自噬基础水平的改变将会导致各种疾病的产生。自噬有三种不同的类型。巨自噬依赖于胞质双膜囊泡的从头形成，即自噬小体，以隔离和运输货物到溶酶体。伴侣介导的自噬将单个未折叠的蛋白直接运输到溶酶体膜上。微自噬包括通过内陷溶酶体膜直接摄取货物。所有这三种类型的自噬都会导致货物的降解，并将分解产物释放回细胞质中，供细胞重复使用。在对自噬的研究中，大多都是对巨自噬进行的研究，所以我们在文章中如果没有特别的指出，一般会认为主要研究的就是巨自噬。

2、自噬过程

自噬过程由许多自噬相关(ATG)蛋白介导，其主要过程包括以下几个部分：

启动：在细胞受到损伤，机体感到饥饿等情况时，自噬将会被诱导。ULK1复合物的激活是自噬激活的第一步，当ULK1复合物被激活时，自噬开始发生，在生理状态发生改变的时候，会使Unc-51样激酶复合体发生脱磷酸化作用，并激活ULK1，活化的ULK1可使Atg13和FIP200磷酸化进而形成ULK1-Atg13-Atg101-FIP200复合体，并激活自噬。

成核：然后自噬进入成核阶段。这个成核阶段需要由Beclin1、Vps15、Vps34、AMBRA1、Atg14或UVRAG组成的复合体参与，自噬成核最主要的蛋白是Beclin1，自噬受到抑制的时候，Bcl-2和Bcl-XL会与Beclin1结合，导致Vps34和Beclin1的交互作用受到影响，当Bcl-2或Beclin1二者分离时，需要被磷酸化，Beclin1与Vps34、AMBRA1形成复合体进而募集 Atg12-Atg5和 LC3-PE进行吞噬泡的延伸阶段。

延伸：吞噬细胞膜的延长和自噬体的完成需要两条类泛素结合途径。第一种需要和ATG16L形成多聚复合物：ATG5-ATG12结合物，而第二种产生磷脂酰乙醇胺(PE)与LC3（微管相关蛋白1轻链3，酵母Atg8的主要哺乳动物同源物）的结合物，即ATG8-PE。这两种结合复合物都存在于PAS（前自噬体）上，一旦自噬被诱导，它们都定位于扩展的自噬泡上。

融合：融合对自噬过程非常重要，在这个过程中自噬体、溶酶体会融合在一起，从而形成自噬溶酶体。

降解：自噬体与溶酶体结合后，里面的内容物会在其中降解，这需要Rab7和LAMP-1、LAMP-2等一些蛋白的参与。

3、自噬主要相关的通路

雷帕霉素靶在调控自噬方面起着独特的作用，是一个重要的蛋白。近年来的研究结果表明，mtor作为细胞自噬发生和起始终端的一个细胞分子时，它在控制人体细胞的营养、能量、压力等各个方面都会发挥重要的功能。

3.1、PI3K-AKT-mTOR信号通路

磷脂酰肌醇3-激酶(PI3K)蛋白家族调节细胞的多种功能，在体内发挥着重要作用。当PI3K靠近质膜内侧的底物的时候它就会被活化。质膜上磷酸化IRS-1产生第二信使PIP3，这需要PI3K激活，PIP3会与细胞内含有PH结构域的信号蛋白AKT、PDK1结合，促使PDK1磷酸化AKT蛋白的Ser308导致AKT活化。活化后的AKT会磷酸化mTOR分子并使mTOR激活，导致自噬受到抑制，或通过磷酸化TSC1/2，阻止其对小G蛋白Rheb的负调控，使Rheb富集，从而上调mTOR抑制自噬发生。

mTOR相当于自噬的一个开关。在饥饿过程中，mTOR被抑制，从而诱导自噬，而当mTOR活性升高时，自噬被抑制。在研究自噬过程中，可以通过抑制mTOR的活性来激活自噬，从而探究自噬在其中发挥的作用。在研究过程中，大多数研究者选用mTOR作为研究自噬的指标。

3.2、AMPK信号通路

AMP激活的蛋白激酶(AMPK)是一种能量状态感受器，当代谢应激激活时，通过开启分解代谢途径和关闭ATP消耗过程来维持细胞能量稳态。在哺乳动物中当细胞能量状态受到损害时，AMPK是通过AMP/ATP或ADP/ATP比率的增加而被激活。AMPK通过激活生成ATP，替代分解代谢过程，同时抑制ATP需求过程，从而恢复能量稳态。在不同情况下，AMPK发挥着不同的作用。当Ser317和Ser777被磷酸化是，就会导致Ulk1被激活，这时就会促进自噬。Ulk1Ser757磷酸化后就会导致Ulk1和AMPK之间的相互作用被破坏，mtor在其中发挥作用。然后Ulk1激活的激活就会被阻止，从而抑制自噬。

3.3、MAPK信号通路

MAPK信号转导通路是真核细胞中最重要的调节机制之一。其信号转导通过MAPKKK（线粒激活蛋白3激酶）、MAPKK（线粒活性蛋白2激酶）和MAPK的连续磷化发生。MAPK，一种高度保守的血清蛋白激酶，是关键信号转导系统的一部分。其功能和调控在从酵母等单细胞生物到包括人类在内的复杂生物的进化过程中一直是保守的。MAPKs是由3个依次激活的激酶组成的磷酸接力系统的一部分，与其底物一样，MAPKs受磷酸化调控。至少有3个MAPK家族被鉴定：细胞外信号调节激酶(ERK)，Jun激酶(JNK/SAPK)和p38MAPK，他们都可以影响细胞内mTOR信号通路的改变进而影响自噬。

3.4、P53 信号通路

肿瘤抑制因子P53是应激信号传导和适应的另一个关键成分。P53可以抑制mTOR信号通路，从而在自噬过程中发挥重要的作用。广泛的应激源：DNA损伤、代谢应激和氧化应激，都会激活P53。P53通常存在于细胞质中，但在被许多不同的应激激活激酶磷酸化后，在DNA损伤时移位到细胞核。P53在细胞质中有关研究表明，P53缺失的癌细胞中，自噬水平是上调的，在细胞质中重新载入P53可以使细胞自噬水平下降。因此，有研究者提出 P53发挥出不同的功能是因为它在细胞中的定位不同导致的。而且P53在细胞中的“穿梭功能”，可能是P53调控细胞自噬水平的基础。

4、自噬在脂滴中的作用

肥胖是机体的能量摄入和消耗之间失衡的结果，表现为脂肪合成的增加和分解的减少。当机体摄入的能量超过人体所需时，多余的能量就会以脂肪的形式储存在体内。脂肪组织是机体中储存能量的最主要的器官，在脂肪细胞中能量以甘油三酯的形式储存在脂滴。在过去，人们认为脂肪是一种“惰性”的组织，随着研究的深入，人们发现其表面镶嵌多种蛋白：脂滴相关蛋白。到目前，人们发现120多种脂滴蛋白，其中很多与脂代谢相关，说明脂滴在分解与合成过程中发挥重要的作用。

自噬在脂滴中发挥着独特的作用：它可以调节脂肪细胞的分化。有研究者发现发现细胞无法进行分化，当他通过抑制剂对3T3-L1细胞的自噬进行干预时。白脂肪细胞中自噬的作用是清除细胞组织成分，如细胞器，以适应不断增长的 LD。在自噬相关基因ATG7敲除的小鼠体内，不仅白色脂肪减少，而且脂肪细胞体积变小，电子显微镜检查发现，缺乏Atg7的脂肪细胞的线粒体数量较多。而在自噬相关基因ATG5敲除的小鼠中，分化在脂肪形成的后期停止，同时凋亡的细胞增加。自噬的另一个作用是可以吞噬脂滴。研究发现饥饿会诱导自噬的产生，并吞噬降解脂滴。通过免疫荧光定位脂滴与自噬位置发现：饥饿会使自噬与脂滴的定位增加，说明自噬会与脂滴发生作用，吞噬脂滴。与中性脂肪酶不同，自噬过程中的溶酶体是酸性溶酶体。

5、肥胖与自噬

对于肥胖状态下自噬的活性，现在的研究是有争议的。在相关的人体实验中，Kovsan等人在实验中发现自噬在肥胖者脂肪组织中表达上调，与肥胖程度、内脏脂肪分布和脂肪细胞肥大相关。在2015年，Kosacka等人对肥胖和二型糖尿病患者进行研究，通过电子显微镜和自噬标志物LC3的免疫荧光染色的方法，观察到脂肪细胞内聚集的大量自噬体，LC3-II/LC3-I比值升高、LC3以及Atg5mRNA表达增加，p62和mTOR蛋白水平下降，这些证明了自噬的水平是增加的。不仅在人体试验中发现自噬是升高的，相关的动物试验也得出了相似的结论。2018年，Kosacka等通过Western Blot发现，高脂饮食导致的肥胖WOKW大鼠的内脏和皮下脂肪细胞中自噬标记物蛋白量升高，提示自噬活性增强。赵勇军的研究也发现肥胖状态下脂肪组织自噬激活而且没有部位差异。有研究通过用溶酶抑制剂巴菲洛霉素A1和麻黄素孵育同一受试者的脂肪组织来检查自噬通量，研究发现通过自噬降解的p62在肥胖个体的WAT中积累更多；最后，作者胶原酶消化WAT中自噬基因和LC3II蛋白的表达，证实自噬标志物的增加只发生在脂肪细胞。

当然，也有学者在研究过程中发现了相反的结论。Takeshi Yoshizaki在研究中发现在肥大脂肪细胞中，自噬相关基因表达减少，如，LAMP1、LAMP2和Atg5，而炎症相关基因表达增加，如MCP-1、IL-6和IL-1b。曹友祥在研究中发现：肥胖组的白色脂肪自噬相关指标LC3II，Beclin1蛋白表达要低于正常安静组，LAMP2蛋白表达显著性低于正常安静组（P＜0.05），8周高脂饮食能够显著降低肥胖安静大鼠腹部白色脂肪自噬活性。

为什么会出现研究结果的不同，其原因可能在于不同的模型：有些是对肥胖状态下研究，有些是对糖尿病状态下进行研究；不同的研究组织：有些研究的脂肪组织是皮下脂肪，而有些是内脏脂肪；不同的研究方法：有些检测方法是对基因和蛋白的检测，但是没有对形态学进行研究。虽然他们的研究有着不同的结论，但是主流更加认可肥胖状态下自噬的活性是增强的。