自噬在糖尿病肾病发病机制中的研究进展*

师 朗 宋志霞

糖尿病肾病(Diabetic Nephropathy，DN)是糖尿病最严重最具破坏性的微血管并发症之一，是由长期慢性高血糖对肾脏的毒性效应引起的肾小球细胞损伤及肾小管间质病变的进展，并最终导致终末期肾病(End-stage Renal Disease，ESRD)[1]。全球糖尿病患病率约为3.82亿人，预计到2035将增至5.92亿人[3]。随着糖尿病发病率的逐年增加，DN的患病率在全球范围内也持续上升[2]。目前治疗DN的措施主要以控制血压、血糖水平和抑制肾素血管紧张素系统(Renin-angiotensinsystem，RAS)来减少或消除蛋白尿为主[4]。DN的发病机制十分复杂，迄今尚未能完全阐明，现代医学认为DN的发病与细胞自噬、糖代谢异常、炎症反应、氧化应激、足细胞损伤、内质网应激、肾小球血液动力学变化和遗传易感性密切相关。自噬是一种基本的调控细胞内环境稳态的方式，它可降解和循环细胞蛋白，并清除受损的细胞器[5]。已有研究证实，DN发病机制与自噬有关，通过上调自噬活性可以实现对DN足细胞损伤的抑制作用，进而减少蛋白尿，延缓DN的发展[3,6]。我们前期研究也证实，自噬功能活性失调是DN进展的关键因素，且在足细胞损伤过程中发挥着重要作用[7-9]。近年来，自噬已成为肾脏疾病领域的研究热点，自噬将可能成为DN防治的重要靶点。本综述主要论述自噬与DN发病机制之间的关系。

1 自噬

细胞自噬(Autophagy)是细胞的一种自我保护机制，即细胞在外界环境的影响下，利用溶酶体降解自身受损、变性的大分子物质及细胞器的自我消化过程[5]。哺乳动物的细胞自噬可以分为三类：大自噬/宏自噬(Macroautophagy)、小自噬/微自噬(Microautophagy)和分子伴侣介导的自噬(Chaperone-mediated Autophagy，CMA)[10]。细胞自噬在进化上存在高度保守性，它的发生发展受多种自噬相关基因的调控。在自噬整个过程中，mTORC1位于起点。常细胞内mTORC1处于激活状态，其作用是磷酸化ATG13，而抑制ATG13-ATG1-ATG17复合物的形成，进而抑制了细胞自噬过程。当细胞在营养和能量缺乏、蛋白质累积或者应激状态等情况下，mTORC1的活性会受到抑制，ATG13的磷酸化水平降低，从而导致自噬水平会迅速被诱导上调[11]，见图1。因此，若细胞内的信号通路如果影响

图1 自噬的诱导调节

到mTORC1的活性，就能进一步调控下游自噬的过程。目前常见的可以影响mTORC1活性的通路有三条：(1)AMPK-mTORC1通路，(2)Class IPI3K/AKT/mTORC1通路，(3)Ras/Raf/MEK/ERK通路。另外，细胞溶质形式的LC3称为LC3-I，通过结合脂化的磷脂酰乙醇胺到LC3的羧基末端，LC3-I即转化为LC3-II，后者能够与新形成的膜结合，形成自噬溶酶体(Autolysosome)。因此，LC3-II常用作自噬形成的标识物，也是一种重要的定位于自噬泡膜上的多信号传导调节蛋白[10]。近年来，有研究发现自噬在肾脏疾病的生理病理过程中有重要的意义，如高糖环境下人肾小球系膜细胞STAT3通路活化，可能通过负向调控自噬使细胞Ⅳ型胶原分泌增加，导致DN病理改变[12]。总之，尽管目前关于自噬与DN之间的关系尚未完全阐明，但是越来越多的研究证实DN的发生发展均与自噬有关，深入探究自噬在DN发病机制中的作用，可为DN的防治提供新的思路。

2 自噬在DN发病机制中的作用

2.1 足细胞自噬与DN

DN与糖尿病早期肾小球足细胞受损密切相关，足突的形态、数量和相关蛋白的表达改变可导致DN的发生和发展[13]。近年来研究表明足细胞损伤是DN发生发展的核心环节[14-16]。作为一种终末分化的细胞，足细胞拥有高度的基础自噬对维持其自身的稳态起着关键作用[17]。高糖环境下足细胞存在自噬功能紊乱[7，9，18]。另有研究也提示，在自噬相关基因Atg5或Atg7突变的小鼠体内，自噬通量明显低于正常小鼠，该小鼠2个月时足细胞功能出现障碍，足突广泛消失，4个月时便出现了局灶段硬化性肾小球肾炎(FSGS)的典型肾小球改变，6个月后甚至可表现出肾脏衰竭，可见自噬活性不足会导致肾脏足细胞损伤及功能下降，加速FSGS的进展[19]。在正常情况下，人类肾小球足细胞具有一定量的自噬水平，这对维持足细胞结构完整和功能正常有着重要作用[20]。在高脂肪饮食诱导糖尿病小鼠模型中，足细胞特异性自噬基因缺失可致损伤的溶酶体降解减少，导致足细胞凋亡并产生大量蛋白尿，肾脏足细胞自噬水平的高低是DN足细胞损伤的关键因素[8]。

2.2 肾小管上皮细胞自噬与DN

肾小管上皮细胞(HK-2)自噬的稳态在DN的发病机理中起着至关重要的作用。有研究发现HK-2长期暴露于高糖环境下会激发自噬，利拉鲁肽可通过抑制自噬和增加HK-2中GLP-1R的表达而发挥肾脏保护的作用[21]。另有研究提示，在单侧输尿管梗阻(UUO)模型中，自噬诱导的肾小管萎缩、肾小管上皮细胞死亡和间质纤维化具有时间依赖性[22]；自噬抑制剂3-甲基腺嘌呤(3-MA)促进梗阻肾小管凋亡和间质纤维化[23]；在UUO模型中诱导远端肾小管上皮细胞自噬可通过调节TGF-/信号转导和转录调节因子(Smad)4信号通路，以及NOD-LRR和含吡咯结构域蛋白3(NLRP3)炎症小体/半胱氨酸蛋白酶-1/白细胞介素-1(IL-1)信号通路来保护肾小管间质纤维化[24]。这些表明自噬可能是针对DN肾小管上皮细胞损伤治疗的一个有效的新治疗靶点。

2.3 糖代谢紊乱与自噬

肾脏在葡萄糖动态平衡中起着三个方面的关键作用：一是将葡萄糖释放到循环中(糖异生)；二是从循环中吸收葡萄糖以满足其能量需求；三是重新吸收肾小球滤液中的葡萄糖。葡萄糖是主要的细胞能量来源，主要通过线粒体以三磷酸腺苷(ATP)的形式提供能量。线粒体是胞内代谢的中心平台，线粒体稳态的失调可能导致线粒体功能异常、细胞形态和功能的改变及疾病的发生。多项数据显示，线粒体能够通过氧化还原、自噬、Ca2+通道等多种机制参与疾病的发生发展[25，26]。自噬对微量营养素环境的变化高度敏感，并参与营养吸收、细胞新陈代谢和基本营养成分循环的调节[27]。例如，饥饿和ATP/AMP形式的能量减少是自噬最典型的诱因，在依赖糖酵解的细胞中，缺糖通过激活AMPK促进自噬[28]。自噬可通过影响胆固醇调节元件结合蛋白-1(SREBP-1)表达参与高糖诱导的足细胞脂质蓄积过程,抑制自噬可有效改善高糖诱导的足细胞脂质蓄积[29]。在糖代谢紊乱的代谢应激状态下，细胞主要依靠线粒体氧化脂肪酸和氨基酸作为主要能量来源，脂质和葡萄糖代谢的变化导致氨基酸缺乏进而影响自噬[30]。此外，在代谢综合征中，代谢副产物包括游离脂肪酸、β-羟丁酸也可能参与自噬的调节[31]。因此，自噬可能通过线粒体胞内能量代谢参与糖代谢异常的发生发展，在DN的生理病理过程中有重要的意义。

2.4 氧化应激与自噬

自噬不仅是细胞内的“垃圾处理厂”，也是一个“垃圾回收站”，通过自噬的方式，细胞可以抵抗病原体的入侵，并可以保护自己免受细胞内毒素的破坏，可见，自噬是细胞的一种重要的防御和应激调节机制。最近的研究表明，自噬可以通过抑制炎症和纤维化来保护肾脏[32]。急性高糖条件可诱导自噬，自噬是通过足细胞中ROS的产生来介导的，糖尿病肾脏组织出现线粒体损伤，表现为形态异常及明显的肿胀、嵴断裂、外膜破碎和线粒体崩解，通过自噬清除受损线粒体降低ROS，恢复动态平衡。一方面，ROS的增加诱导自噬，可能是对细胞压力的一种适应性反应；另一方面，自噬导致ROS的降低，从而保护肾脏[33]。因此，氧化应激诱导的线粒体功能障碍和细胞内ROS的积累可能参与DN的发生发展，自噬可清除受损的线粒体，降低ROS，从而在DN的进程中发挥关键作用。

2.5 内质网应激与自噬

内质网不仅参与蛋白质的合成和成熟过程，还可以诱导自噬，并与糖尿病和DN的发病机制有关[34]。据报道，未折叠蛋白反应(Unfolded Protein Reaction,UPR)相关蛋白激酶样内质网激酶(PKR like ER Kinase, PERK)和转录激活因子-6(Activating Transcription Factor 6, ATF6)可以诱导自噬，而1型ER转膜蛋白激酶(Type-1 ER Transmembrane Protein KiIlase IRE1, IRE1)则是自噬的负调控因子[35，36]。自噬缺陷与DN的发病有关，自噬与UPR具有协同作用，当UPR破坏时会诱发自噬功能失调，导致内质网应激和蛋白质的错误折叠增加。有研究发现，通过减少内质网应激可以减轻肾脏损伤，该作用可能是通过修复有缺陷的自噬来介导的[37]。内质网应激在体外高血糖环境中及糖尿病患者体内会被启动，造成足细胞自噬降低，导致足细胞损伤，进一步加速糖尿病进程。此外，高糖可以通过刺激肾小管细胞来诱导未折叠蛋白反应，维持细胞内环境稳态，但持续的内质网应激会激活Caspase通路，从而导致细胞凋亡[38]。综上所述，高血糖刺激的内质网应激诱导自噬，这可能是一种应激适应性反应；而通过降低内质网应激来减轻内质网应激的肾保护作用可能是通过修复有缺陷的自噬来实现的。

3 靶向自噬治疗 DN 策略

已有制药公司及CTEP(http://ctep.cancer.gov/branch/idb/default.htm)正在开发的多种药物可调节自噬，包括组蛋白脱乙酰基酶抑制剂、抗血管生成剂、mTOR抑制剂、BH3结构域模拟物和糖酵解抑制剂[39-41]。已发现抑制自噬的化合物，例如2-苯基乙炔磺酰胺(PES)是一种小分子热休克蛋白(HSP)70抑制剂，可导致许多溶酶体蛋白错误折叠[42]。总之，自噬可作为早期防治DN发生发展的研究策略。目前正是靶向药物开发的新时代，了解和研究自噬生物标志物对DN的防治尤为重要。

4 小结与展望

DN是全世界终末期肾病最常见的病因，与1型和2型糖尿病患者的发病率和死亡率显著增加有关。自噬与DN密切有关，其在清除蛋白质聚集体和受损细胞器、促进细胞存活和组织内稳态方面起着至关重要的作用。而亦有研究发现，过度的自噬也可能导致细胞死亡，在某些情况下促进疾病的产生。考虑到自噬作为包括DN的多种疾病和治疗性应激期间细胞生存机制的基本生物学重要性，新兴实验室和临床研究之间的持续对话将势在必行，以解决自噬作为DN的靶向药物机制和对自噬的诱导。因此，积极研发调节自噬为干预靶点的药物有望成为阻止DN的重要方向。

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