分子伴侣介导的自噬及其生理病理作用

宣莹，郑华川

(中国医科大学附属盛京医院a.肿瘤科，b.实验肿瘤学实验室，沈阳 110004)

自噬是一种高度保守的自我消化过程，可降解溶酶体中的细胞内成分[1]，对维持细胞稳态和细胞质量的控制至关重要[2-3]。基于蛋白质被递送至溶酶体的方式以及是否形成双膜囊泡，自噬可分为3种基本类型，即巨自噬、微自噬和分子伴侣介导的自噬(chaperone-mediated autophagy，CMA)[4]。其中，巨自噬是目前研究最多且了解最深刻的自噬类型，它在细胞质及其内容物的周围形成双膜自噬体，与溶酶体融合并降解内容物；微自噬通过溶酶体膜本身的内陷直接吞噬细胞溶质[5]。CMA被认为是一种具有严格选择性的蛋白质降解过程，包括三个阶段：①底物蛋白在去折叠过程中暴露其KFERQ基序并被热激蛋白(heat shock protein，Hsp)70识别，底物-Hsp70复合物转运至溶酶体膜并与溶酶体相关膜蛋白2A(lysosome associated membrance protein 2A，Lamp2A)结合；②在其他分子伴侣的辅助下，Lamp2A聚化形成功能性易位复合物，在功能性易位复合物的介导下，底物去折叠并借助溶酶体内的Hsp70转移至溶酶体腔中；③底物在溶酶体腔内被降解，易位复合物解体[6]。现就CMA及其生理病理作用予以综述。

1 CMA的生理调节

CMA具有选择性降解特定蛋白质的功能，在控制蛋白质稳态中起重要作用，因此其能够调节维持细胞和全身生理平衡至关重要的代谢途径。基础CMA的活性可以在不同的组织中检测到，表明在正常营养状态下CMA途径在某些蛋白质的调节中具有恒定作用[7]。在长时间饥饿的条件下，CMA可促进氨基酸的再循环，这是CMA最大程度激活的条件；饥饿已成为CMA最具特色的刺激因素之一，对于蛋白质降解，与饥饿后不久(4～6 h)即被激活并达到峰值的巨自噬不同，CMA在饥饿8～10 h后逐渐被激活且持续最大活性达3 d[8]。在饥饿条件下降解的蛋白质被认为是细胞不再需要的，可以被分解为氨基酸，用来维持蛋白质合成；然而，在长期饥饿条件下，这种调节形式也可能改变蛋白质组成，使细胞适应新的环境[9]。研究已证实，在长期饥饿条件下，CMA在某些特定的转录程序中可降解转录因子抑制因子[10]。

1.1参与代谢 CMA通过选择性降解或影响相关途径中的关键酶[11-13]或相关基因[14]等，参与糖、脂代谢的调节。研究表明，在禁食期间小鼠肝脏中许多通过CMA降解的代谢相关酶增加了几倍，10种糖酵解酶中至少有8种含有CMA靶向基序[12]。甘油醛-3-磷酸脱氢酶是最先被鉴定为CMA底物的一种糖酵解酶[13]。虽然CMA对葡萄糖代谢的调节机制目前尚不完全清楚，但有证据表明，溶酶体在葡萄糖稳态中起核心作用的原因可能为葡萄糖饥饿诱导的溶酶体酸化[15]。溶酶体在葡萄糖稳态中的作用可能涉及通过转录因子EB对溶酶体生物合成进行调节，因为转录因子EB能激活与脂质分解代谢及糖酵解相关的基因的表达，且转录因子EB功能具有葡萄糖依赖性[16]。CMA活性的异常上调也可能对细胞能量学有害，如三肽基肽酶Ⅱ缺乏的患者，其细胞内氨基酸水平降低，细胞通过增加溶酶体数量和蛋白水解活性来进行补偿，但过量的溶酶体通过CMA消耗大量关键的糖酵解酶-己糖激酶-2，进一步干扰正常的免疫反应和神经发育，损害细胞的能量代谢[17]。

CMA在脂质代谢中也起调节作用。选择性阻断动物肝脏CMA途径，肝脏外组织的脂肪储存减少，脂肪在肝细胞内积累，即使营养缺乏时，也未能动员分配到其他器官；进一步溶酶体差异蛋白质组学分析显示，很多参与脂肪生成(三酰甘油合成)和肝脏脂质摄取的酶为CMA的底物；特异性下调小鼠肝脏中的Lamp2A，可观察到显著的脂肪变性，但三酰甘油的合成却未显著增加[12]。此外，敲除Lamp2A的细胞对饥饿诱导的脂肪分解不敏感，且脂滴的密度、大小和面积均增加；进一步研究发现，CMA通过降解脂滴表面的脂周素使脂滴中脂质外露进而降解[18]。研究者还发现，经AMP活化蛋白激酶途径的脂周素2的磷酸化是脂周素2与Hsp70结合的必要修饰，其过程依赖于CMA活化[19]。因此，CMA可以作为一种营养传感途径，溶酶体亦可作为脂质体内平衡的初始感受器和整合体而发挥作用。

CMA与细胞代谢的作用是相互的，其既可调节细胞代谢，又受细胞代谢的控制和影响，因此进一步研究CMA与细胞能量平衡之间信号转导的机制，有助于了解这种双向作用。同时，CMA对细胞质量控制或细胞能量调节可能具有细胞或组织依赖性，未来的实验可以以组织特异性方式进行研究。另外，对可调节性CMA系统阻滞小鼠模型的研究将有助于研究CMA失常对机体能量产生的整体影响。

1.2参与免疫应答 T淋巴细胞可表达自噬相关基因并具有自噬活性。有研究发现，Lamp2A的过表达增强了细胞质自身抗原的表达，而Hsp70也能改变细胞质Ⅱ类肽的表达，这些结果证明了CMA在促进免疫识别和抗原呈递中的作用[20]。同时，CMA对CD4+T细胞的活化也很重要，因为CMA可以选择性降解T细胞抗原受体信号通路的两个负向调节剂，即ITCH(又称atrophin 1相互作用蛋白4，是一种高度保守的HECT家族E3泛素连接酶)和钙调神经磷酸酶调节因子1(regulator of calcineurin 1，RCAN1)[21-22]。在不具备CMA功能的T细胞中，ITCH和RCAN1水平持续升高是导致细胞增殖和细胞因子分泌减少的原因；同时，缺少CMA功能的T细胞小鼠感染病原体(如单核细胞增生性李斯特菌)时免疫反应也减弱[21]。干扰素基因刺激因子是一种介导胞内DNA诱导固有免疫应答的重要接头蛋白，在机体抗病毒免疫中起重要作用。研究表明，CMA可通过降解干扰素基因刺激因子的刺激物对先天免疫进行调节，干扰素基因刺激因子降解的诱因是去磺酰化，在病毒感染的晚期暴露其KFERQ样基序，从而关闭先天免疫反应[23]。CMA对先天性免疫和获得性免疫均具有调节作用，因此可能成为免疫治疗的靶标或靶点。

2 CMA与衰老

在啮齿动物和人类的几乎所有细胞类型和组织中，年龄依赖性CMA的活性均降低。虽然Lamp2A的转录、合成和溶酶体靶向功能从年轻人到老年人保持不变，但Lamp2A在溶酶体膜上的稳定性随着年龄的增加而显著受损[24]。溶酶体膜的脂质组成影响Lamp2A的降解，导致底物蛋白的结合和易位在老年生物体中显著减少，有实验证实，高胆固醇饮食的小鼠和老年小鼠Lamp2A水平、CMA活性均降低，而溶酶体膜胆固醇水平均升高[25]。通过高脂饮食可以诱导溶酶体膜发生类似的脂质变化，强调了饮食CMA的重要性。保持老年小鼠肝脏中的CMA功能可以改善细胞的稳态和肝功能，进一步强调了CMA在衰老中的重要作用[26]。使用双转基因小鼠模型调节Lamp2A的表达，防止年龄依赖性CMA活性的降低，可减少受损蛋白的氧化和积累，保持线粒体活性，并维持肝功能；同时，转基因小鼠的巨自噬和泛素-蛋白酶体的功能也同样得到维持，在此之前已经证实，巨自噬和泛素-蛋白酶体的功能也是具有年龄依赖性降低的[27]。

CMA的年龄依赖性降低可能是许多年龄相关性疾病的重要病因，与疾病的病理生理变化密切相关。通过在小鼠肝脏中表达外源性Lamp2A来保护CMA功能，可使蛋白质稳态和器官功能得到全面改善[26]。因此，随着年龄的增长，预防CMA的全身衰退可能是对抗机体功能丧失和年龄相关疾病的有效策略。

3 CMA与疾病

3.1CMA与神经退行性疾病 CMA是许多人类疾病发病机制的关键因素，包括神经退行性疾病、传染病、心血管疾病、代谢疾病以及癌症等。错误折叠的蛋白质聚集积累是神经变性过程的重要特征，因此具有功能完备的蛋白质降解途径以确保健康蛋白质组和细胞稳态显得至关重要。

3.1.1帕金森病(Parkinson′s disease，PD) 第一个被发现与CMA失调相关的人类疾病为PD[28]。PD的一个重要病理标志为Lewy小体，主要由α-突触核蛋白聚集组成。α-突触核蛋白已被鉴定为CMA的底物，通过靶向敲除神经元细胞中的Lamp2A抑制CMA，可导致泛素化α-突触核蛋白的积累[29]，而通过Lamp2A过表达提高CMA活性，可抵消α-突触核蛋白水平升高的不利影响[30]。大鼠黑质致密部位中Lamp2A的靶向敲除可导致泛素化α-突触核蛋白的累积和多巴胺能神经元功能的进行性丧失，这两者均是PD的主要特征[31]。与遗传性PD相关的几种蛋白质突变已被证明可阻断CMA[32]。一些突变形式的α-突触核蛋白通过结合Lamp2A影响CMA功能，在这种情况下，不仅α-突触核蛋白易位和溶酶体降解受损，也损害了其他CMA底物的降解[28]。同样，富含亮氨酸的重复激酶2和泛素C末端水解酶L1的突变通常与PD相关，也是通过抑制易位复合物阻断CMA[33]。除了由蛋白质聚集体积累诱导的损伤外，CMA的抑制还可能因关键CMA底物的积累而导致细胞保护途径的损害[34]。

3.1.2阿尔茨海默病(Alzheimer′s disease，AD) AD是一种中枢神经系统退行性变疾病，特征性病理改变为β-淀粉样蛋白异常聚集，进而上调RCAN1的表达，由此导致高度磷酸化的Tau蛋白累积，最终出现AD症状的细胞改变[35]。有研究证实，β-淀粉样蛋白和RCAN1中均含有类似的KFERQ基序，能够通过CMA降解；此外，抑制CMA途径升高RCAN1蛋白水平，可降低活化T细胞核因子活性[36]。而活化T细胞核因子参与了Lamp2A基因的转录调控[21]。因此，通过升高RCAN1水平可进一步增强对CMA活性的抑制，同时降低活化T细胞核因子依赖性Lamp2A的转录活性。另一方面，与AD相关的另一主要因素Tau蛋白也是CMA底物，Tau蛋白被自噬-溶酶体系统降解，产生不同的片段，这些片段不仅能与Hsp70结合并成为CMA底物，还能够到达溶酶体，与溶酶体膜结合，形成病理性的Tau聚集体，导致溶酶体损伤并阻断其他CMA底物的降解[37]。

3.1.3亨廷顿病 亨廷顿病是一种与衰老相关的神经退行性疾病，它是由亨廷顿蛋白N端的聚谷氨酰胺序列异常扩增并在神经元中积累引起，而亨廷顿蛋白已被证实是CMA的底物[38]。在亨廷顿病的小鼠模型中，无论是天然的亨廷顿蛋白还是异常的亨廷顿蛋白，均能观察到Lamp2A和Hsp70间的强共定位与增强的溶酶体降解相关[39]。此外，在体内进行的其他研究还表明，通过在亨廷顿蛋白氨基酸序列中使用含有KFERQ结构域的聚谷氨酰胺结合蛋白，可以迫使聚集的亨廷顿蛋白通过CMA降解[40]。因此，Lamp2A可能成为亨廷顿病诊断及治疗的靶点，而CMA选择性活化剂可能成为亨廷顿病有效治疗的药物。

3.2CMA与癌症 在大多数癌细胞系中，CMA活性均显著上调，且CMA组分(主要是Lamp2A)水平也异常升高[41]。某些糖酵解酶(如乙酰化丙酮酸激酶)的CMA降解导致糖酵解中间体水平升高，从而促进肿瘤的生长和增殖[11]。CMA可通过降解抗增殖蛋白(如Rho相关的GTP结合蛋白RhoE)[42]、肿瘤抑制蛋白(如哺乳动物不育系20样激酶1)[43]、15kDa富含星形胶质细胞的磷蛋白[44]、突变型p53[45]以及促凋亡蛋白(如Bcl-2结合成分3)[46]等来维持肿瘤生长；同时，CMA还可以上调某些癌基因的蛋白稳定性(如诱导髓样细胞白血病1)[47]，通过增加肿瘤化疗药物抵抗，进而促进肿瘤生长[48]。巨噬细胞是肿瘤微环境中存在的主要细胞类型之一，通过释放白细胞介素-17，促进细胞存活和化疗耐药，激活其他肿瘤驻留细胞中的CMA[49]。无论以何种方式参与肿瘤的发生、发展，CMA的阻断均可降低恶性细胞的增殖和转移能力，由此确立了CMA抑制剂作为抗癌药物的潜力。

3.3CMA与其他疾病 在免疫系统疾病(如狼疮病)中观察到Lamp2A表达增加[50]；在沙门氏菌感染的患者中，Lamp2A和Hsp70的募集增多[51]。在肺部疾病(如肺气肿)中，患者的CMA活性被保护性上调[52]。在软病毒感染的患者中，Lamp2A和Hsp70的表达保护性增多[53]。另外，心脏疾病(如心力衰竭)[54]、达农病[55]、肝脏疾病(如酒精性脂肪性肝炎[56]、急性肝衰竭[57])等患者的CMA活性均下调。而糖尿病患者的CMA活性下调可导致肾脏肥大[58]。另外，在溶酶体贮积症中CMA活性异常[59]。可见，CMA通过各种方式参与人类疾病的过程，探索CMA在不同疾病中的作用可以更深入地了解疾病的病理生理过程，发现新的治疗靶点。

4 小 结

近年来，大量CMA底物的发现以及与不同疾病相关的CMA途径的变化均拓展了人们对CMA重要功能的理解。通过对转基因小鼠模型的研究，人们进一步了解到CMA底物降解的独特动力学特点及其对整个生物体的影响。虽然人们已经认识到CMA功能失常与疾病之间的联系，但具体分子机制目前仍不明确。随着研究的不断深入，针对CMA的调节剂的研发也发展迅速。目前CMA选择性活化剂的研发取得了一定进展，但CMA选择性抑制剂仍然缺乏。相信随着CMA研究的逐渐成熟，终将揭示CMA失调与人类疾病之间的关联，为疾病的诊治提供新的帮助。