葡萄糖水平对自噬的影响研究进展

杨澜，杨磊，周春雷，范彩红，王东强，穆红

(1.天津医科大学一中心临床学院，天津 300192； 2.天津市第一中心医院 a.检验科，b.中西医结合科，天津 300192)

自噬是膜包裹部分胞质和细胞内受损、老化的蛋白质或细胞器等成分形成自噬体，自噬体再与溶酶体融合形成自噬溶酶体，进而内容物被溶酶体酶降解，物质得以重新利用和更新的生物学过程[1]。自噬除了发生在营养饥饿、能量耗尽等应激压力下，也发生于细胞正常状态。自噬不仅与机体的饥饿反应、细胞分化、早期生长发育等生理活动有关，近年的研究证实其也参与肿瘤的发生、糖尿病、神经退行性病变等病理过程[2]。自噬具有双重作用，一方面，适度的自噬可以实现物质的循环利用，保障细胞内物质质量；另一方面，过度自噬可引起细胞凋亡，癌细胞也可利用自噬促进自身成活[3]。因此，自噬也成为神经退行性疾病、胰腺癌、乳腺癌、其他肿瘤发生及耐药性的治疗靶点[4-7]。

葡萄糖是一种单糖，是体内主要的能源物质。当机体血糖水平异常时，细胞会通过一系列分子物质的调控表现为促进或抑制自噬。自噬的有益或有害作用与细胞类型、细胞状态、自噬的激活形式等因素有关[1]。现从葡萄糖水平与自噬的关系出发，综述近年葡萄糖影响自噬的机制，旨在为葡萄糖失衡状态下调控正常细胞成活或癌细胞凋亡提供新的方向和途径。

1 细胞自噬的分类

根据细胞内需降解物质进入溶酶体的途径不同，自噬可分为巨自噬、微自噬和分子伴侣介导的自噬[8]。巨自噬是自噬最常见的类型，其以依赖环境的方式促进细胞成活或加速细胞凋亡，其特征性标志是具有部分细胞质的双膜结构自噬体的形成。大致过程为：首先在自噬体形成部位产生隔离膜，随后膜边缘伸长和闭合，形成自噬体，再与含有水解酶的溶酶体融合，自噬体成熟为具有高电子密度的单膜结构自噬溶酶体，最后膜内容物被降解[9]。微自噬是通过液泡内膜或溶酶体的直接吞噬作用降解细胞中大分子物质，近年研究提出根据被降解物质进入溶酶体的分子机制可将其细分为两种微自噬：依赖转运必需内体分选复合物的裂变型微自噬和需要自噬核心蛋白、可溶性N-乙酰基亚胺敏感因子附着蛋白受体的融合型微自噬[10]。分子伴侣介导的自噬选择性降解具有特定氨基酸序列赖氨酸-苯丙氨酸-谷氨酸-精氨酸-谷氨酰胺样基序的细胞蛋白质[11]，底物蛋白与分子伴侣热激蛋白70结合并被转运到溶酶体，然后被溶酶体酶消化。

根据底物降解的选择性，自噬分为非选择性自噬和选择性自噬[12]，非选择性自噬主要用于饥饿条件下大量细胞质的更新[13]，随机降解细胞质成分。选择性自噬则专门针对受损或多余的细胞器，由自噬体中选择性自噬受体和衔接蛋白决定，包括线粒体自噬、内质网自噬、过氧化物酶体自噬、核糖体自噬、细胞核自噬等[14]。

2 葡萄糖水平与自噬

2.1血糖相关调控通路 在哺乳动物中，葡萄糖剥夺会引起细胞内AMP/ATP比值增加，进而激活AMP活化的蛋白激酶(AMP-activated protein kinase，AMPK)，AMPK是一种葡萄糖传感器，也是细胞能量传感器，几乎存在于所有真核生物中。AMPK一旦激活后，便促进产生ATP的分解代谢途径，抑制消耗ATP的合成代谢途径[15]。AMPK激活后,哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin，mTOR)复合体1(mTOR complex 1,mTORC1)受抑制，p53、p27 Kip1激活，诱导细胞自噬。自噬是细胞的主要分解代谢过程，可在面对代谢压力时促进成活。它受到一系列对营养状况有反应的激酶的严格调控，包括mTORC1、AMPK、促分裂原活化的蛋白激酶2/3、Rho相关激酶1、c-Jun氨基端激酶、酪蛋白激酶等[16]。自噬的调控机制复杂，其上游信号通路主要涉及mTOR依赖性通路和mTOR非依赖性通路，mTOR非依赖性通路包括AMPK、磷脂酰肌醇-3-激酶(phosphatidylinositol-3-kinase，PI3K)、人第10号染色体缺失的磷酸酶及张力蛋白同源基因等[1]。同时葡萄糖剥夺和高水平的葡萄糖会改变氧化磷酸化，导致线粒体超极化，活性氧增加，信号传递给AMPK、p38促分裂原活化的蛋白激酶、c-Jun氨基端激酶、胞外信号调节激酶等激酶，进而诱导细胞自噬。葡萄糖调控自噬除了与能量变化和活性氧诱导相关的信号通路有关外，还与IκB激酶/核因子κB、烟酰胺腺嘌呤二核苷酸-依赖性去乙酰化酶和叉头框蛋白O1或叉头框蛋白3有关[17]。

2.2葡萄糖剥夺与非选择性自噬 Liu和Wang[18]发现第9号染色体上开放阅读框72基因是营养应激反应期间自噬溶酶体途径负反馈控制的关键调节因子。第9号染色体上开放阅读框72基因缺乏的细胞，会出现共激活因子相关精氨酸甲基转移酶1异常积累，并在葡萄糖饥饿应激下出现细胞自噬和脂质代谢异常。共激活因子相关精氨酸甲基转移酶1 是一种转录共激活因子，而且是一种自噬表观遗传调节剂。在营养缺乏时，共激活因子相关精氨酸甲基转移酶1 不仅可被细胞核中的蛋白酶体泛素化降解，也可进入溶酶体降解，而且第9号染色体上开放阅读框72基因是共激活因子相关精氨酸甲基转移酶1 在溶酶体降解所必需，可防止自噬和脂质代谢的过度激活。Yoon等[19]发现，亮氨酸-转移RNA合成酶1可负向调控葡萄糖剥夺产生的自噬反应。葡萄糖剥夺时，亮氨酸-转移RNA合成酶1的亮氨酸结合残基在unc-51样激酶1的作用下磷酸化。磷酸化的亮氨酸-转移RNA合成酶1亮氨酸结合减少，进而蛋白质合成受到抑制，自噬激活。通过这种方式，磷酸化的亮氨酸-转移RNA合成酶1可以减少ATP消耗并将亮氨酸用于ATP的生成，提高细胞对葡萄糖饥饿的耐受性。

Liu等[20]发现葡萄糖剥夺时，Toll样受体9和自噬相关蛋白(autophagy related,ATG)Beclin1会相互作用，并随着能量应激，蛋白质相互作用增加，但这种相互作用不受其他应激因素(如氨基酸剥夺或线粒体损伤)的影响。Toll样受体9/Beclin1相互作用可改变含Beclin1的Ⅲ类PI3K复合物的构象进而诱导自噬。Cui等[21]发现，葡萄糖剥夺激活AMPK使β-转导重复相容蛋白1磷酸化，并促进β-转导重复相容蛋白2对β-转导重复相容蛋白1的泛素化和降解，但不促进β-转导重复相容蛋白1对β-转导重复相容蛋白2的降解。β-转导重复相容蛋白2优先降解mTORC1的抑制剂以激活mTORC1，从而抑制自噬和细胞生长。

Yao等[22]发现，ATG11是启动葡萄糖饥饿诱导的自噬所必需，在葡萄糖饥饿时，ATG11促进酵母中AMPK同系物Snf1和ATG1之间的相互作用。吞噬细胞组装位点的形成需要ATG11控制ATG17与ATG29-ATG31的结合，因此ATG11可作为控制葡萄糖饥饿诱导的自噬中多个步骤的关键起始因子。Yang和Klionsky[23]使用多种细胞系证明了一种依赖于5-磷酸磷脂酰肌醇合成的新型非经典自噬途径。该通路受AMPK-unc-51样激酶1-含FYVE锌指磷酸肌醇激酶轴调节。Unc-51样激酶1在葡萄糖饥饿时被AMPK激活，导致S1548上的脂质激酶含FYVE锌指磷酸肌醇激酶磷酸化。激活的含FYVE锌指磷酸肌醇激酶增强了含有5-磷酸磷脂酰肌醇的自噬体的形成，从而驱动自噬上调。

Bao等[24]发现，葡萄糖饥饿可以诱导依赖镁/锰离子的蛋白磷酸酶1B从RAS蛋白激活类似物2解离，蛋白磷酸酶1B从RAS蛋白激活类似物2的S351位点被AMPKα1磷酸化，然后磷酸化的RAS蛋白激活类似物2与Ⅲ类PI3K-ATG14-Beclin1复合物结合，增强Ⅲ类PI3K的活性并促进自噬。研究表明，蛋白磷酸酶1B从RAS蛋白激活类似物2 S351的磷酸化可以作为分子开关来抑制或促进AMPK介导的自噬。Jiang等[25]证明了钠-葡萄糖协同转运蛋白2抑制剂可抑制心肌细胞自噬性细胞凋亡，对心脏有保护作用，可降低糖尿病患者的心血管病死率。钠-葡萄糖协同转运蛋白2可直接抑制心肌细胞中Na+/H+交换器1的活性，以调节过度自噬。Na+/H+交换器1的过表达可加重饥饿引起的心肌细胞凋亡，而钠-葡萄糖协同转运蛋白2治疗可有效缓解饥饿引发的细胞凋亡。

2.3葡萄糖剥夺与选择性自噬 有报道显示葡萄糖饥饿时，AMPK通过调节细胞内还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸的稳态促进癌细胞成活。在营养缺乏和缺氧期间，细胞内AMP/ATP的比值增加，肝激酶B1通过磷酸化激活AMPK，通过葡萄糖饥饿诱导的氧化应激触发肝激酶B1-AMPK信号通路促进选择性自噬，从而增强Kelch样环氧氯丙烷相关蛋白-1降解，激活核转录因子红系2相关因子[26]。Zheng等[27]利用氧-葡萄糖剥夺和再灌注神经元模型模拟脑缺血，在这种情况下已被证实会发生线粒体损伤和线粒体自噬。通过选择性标记轴突线粒体，发现这些受损的轴突线粒体会逆行出现在神经元胞体中，并优先通过自噬体消除。通过该机制，神经元可以识别、分类受损的轴突线粒体，并将其输送到神经元胞体中进行降解。

Kulkarni等[28]发现在缺乏或含有葡萄糖的人工脑脊液中，饥饿培养原代星形胶质细胞会抑制原代星形胶质细胞的自噬流量，并抑制其选择性自噬水平。他们通过将星形胶质细胞饥饿在以碳酸氢盐和磷酸盐缓冲的含有5.6 mmol/L葡萄糖的Earle′s平衡盐溶液和以4-羟乙基哌嗪乙磺酸缓冲的人工脑脊液溶液中，发现饥饿诱导的自噬流量依赖于饥饿溶液的缓冲系统。处理于4-羟乙基哌嗪乙磺酸缓冲液中的原代星形胶质细胞抑制了自噬流量，而处理于碳酸氢盐和磷酸盐缓冲液中的细胞诱导了自噬流量。除此之外，他们还发现强烈激活星形胶质细胞自噬的饥饿条件对神经元自噬的影响较小，这也充分说明在不同的代谢应激模式下，大脑不同细胞类型调节自噬的复杂性。

聚合酶相关因子1复合物是ATG基因的转录抑制因子，其通过结合ATG32基因的启动子在富含葡萄糖的条件下维持低水平的线粒体自噬[29-30]。在葡萄糖饥饿时，聚合酶相关因子1复合物与ATG32的解离，导致该基因表达增加，同时诱导线粒体自噬。在葡萄糖剥夺的细胞中，Lee等[31]发现了一种控制溶酶体膜转换的机制，葡萄糖饥饿的细胞表现出显著但选择性的溶酶体膜蛋白转换，这种选择性转换由自噬蛋白通过微自噬调节。选择性微自噬与微管相关蛋白1轻链3脂质化有关，脂质化又可通过微自噬调节溶酶体的大小和活性。

2.4高糖水平与非选择性自噬 高糖可诱导血管内皮细胞发生氧化应激、线粒体损伤等改变，导致内皮细胞发生自噬和凋亡[32-33]。Niu等[34]发现二甲双胍通过以胶质瘤相关癌基因同源1 (Hedgehog通路的转录因子)依赖性方式激活Hedgehog信号通路，下调高糖触发的内皮自噬，减轻高糖引起的内皮损伤。熊果苷已广泛用于治疗皮肤色素沉着症，Lv等[35]研究了在高糖诱导的人肾皮质近曲小管上皮细胞中，熊果苷对凋亡和自噬的作用，发现通过熊果苷上调微RNA(microRNA,miRNA/miR)-27a/c-Jun氨基端激酶/mTOR轴抑制高糖状态下的人肾皮质近曲小管上皮细胞凋亡和自噬，对糖尿病肾病有保护作用。Zhou等[36]发现，高血糖水平与胰腺癌患者的不良预后相关。固醇调节元件结合蛋白1在胰腺癌组织和胰腺癌细胞系中均过表达。高糖微环境通过增加固醇调节元件结合蛋白1的表达促进肿瘤细胞增殖、抑制细胞凋亡和自噬水平，证明了固醇调节元件结合蛋白1与自噬之间存在负反馈调节。

Zhao等[37]发现高糖环境下，血管内皮细胞的长链非编码RNA CA7-4通过诱导miR-5680和miR-877-3p作为竞争性内源性RNA，促进内皮细胞自噬和凋亡。其机制为miR-877-3p可通过与β联蛋白相互作用蛋白1的3′非编码区结合,下调β联蛋白相互作用蛋白1，进而上调β1联蛋白；miR-5680通过靶向二肽基肽酶4，抑制AMPK的磷酸化。Bai等[38]发现高糖通过抑制AMPK-mTOR-PI3K途径，抑制小窝蛋白-小窝相关蛋白-微管相关蛋白1轻链3B介导的小窝蛋白自噬降解，进而小窝蛋白在胞质中积累，积累的小窝蛋白可促进低密度脂蛋白跨内皮细胞转运，增加导致动脉粥样硬化的脂质在内皮下的滞留。Chang等[39]研究了高糖诱导的自噬在骨髓间充质干细胞衰老中的作用，发现高糖环境增加了Beclin1、ATG5、ATG7、ATG12的表达、微管相关蛋白1轻链3-Ⅱ的产生以及自噬体形成，但抗氧化剂可减少活性氧，从而减少自噬和细胞衰老。脂肪组织干细胞在高糖应激下表现出自噬、活性氧水平、凋亡增加[40]。活性氧/c-Jun氨基端激酶信号转导参与了高糖状态下上调的自噬，且增加的自噬在高糖诱导的脂肪组织干细胞凋亡中具有保护作用。

2.5高糖水平与选择性自噬 线粒体功能障碍和过量的线粒体活性氧是糖尿病状态下内皮损伤的根本原因。Zhu等[41]观察到人脐静脉内皮细胞暴露于高糖会引发线粒体损伤，导致线粒体断裂和活性氧生成，在高糖状态下人脐静脉内皮细胞线粒体自噬会减弱，从而加速功能障碍的线粒体积累，启动线粒体凋亡途径，并最终导致内皮功能障碍。他们进一步研究发现，间充质干细胞可以通过人第10号染色体缺失的磷酸酶及张力蛋白同源基因诱导激酶1/Parkin(由PARK2基因编码的一种蛋白)介导的线粒体自噬改善线粒体功能障碍，从而保护内皮细胞免受高血糖诱导的损伤。

3 自噬与细胞凋亡方式的转化

有研究使用抗糖酵解剂和自噬抑制剂对肿瘤细胞进行共处理，发现这种共处理对肿瘤细胞的能量剥夺产生了加强作用，肿瘤细胞在这种治疗干预下凋亡增多，说明饥饿疗法联合细胞自噬抑制可有效促进肿瘤细胞凋亡[42]。这也说明了在面对应激反应时，自噬在细胞成活和凋亡之间处于重要地位。已被证实哺乳动物细胞主要有3种凋亡方式：凋亡、自噬性细胞凋亡和坏死[43]。自噬与这3种凋亡方式之间具有复杂的相互作用，同时这3种凋亡方式也可单独或共同诱导细胞凋亡。自噬在细胞凋亡中的作用可以分为4种[44-45]：①自噬相关的细胞凋亡，自噬的诱导与其他细胞凋亡途径的诱导一致，其中自噬只是伴随细胞凋亡过程而在其中没有积极作用；②自噬介导的细胞凋亡，其中自噬诱导触发细胞凋亡或坏死；③自噬性细胞凋亡，这是一种独立于细胞凋亡或坏死发生的独特细胞凋亡机制；④自噬联合性细胞凋亡：特定于某环境的细胞凋亡模式涉及细胞凋亡或坏死和自噬的协同作用，这是由刺激形式、强度和任一凋亡方式的阈值决定[46]。

4 小 结

葡萄糖水平与自噬相关，两者之间的作用机制近年来又有了新的完善。通过葡萄糖调控自噬有望达到“趋利避害”的目的，自噬调节成为疾病治疗的潜在靶点，但需要临床实践进一步验证，明确热量限制的具体剂量、周期、葡萄糖与相应自噬调控的水平、表观现象等。未来可进一步丰富相关的基础研究，然后将理论机制逐步大量应用到动物模型，进而再应用于临床实践，通过调整应用方案为疾病早日探求有效的治疗措施。