肝脏疾病中的自噬与能量代谢

张璐懿 龚作炯

肝脏是人体最主要的代谢器官。肝脏疾病影响着全世界千千万万的人，随着生活水平的提高和免疫技术的应用，病毒性肝炎的发病率已在下降，但是代谢性肝病的患病率正在逐步上升，这些代谢性肝病将最终导致末期肝病的发生[1]。在这样的趋势下，对肝脏疾病中的代谢情况进行研究将有利于肝病的防治。

在生理条件下，肝细胞稳定的自噬在维持正常功能方面起着十分重要的作用。但是饥饿、氧化应激以及多余的细胞器堆积等可能诱导或抑制自噬现象，从而对肝功能造成一定的影响。目前已发现多种肝脏疾病与自噬有关。自噬可以通过三种途径对细胞的代谢带来影响：一是自噬可将现有的大分子物质降解，以提供能量需求的基本成分；二是细胞器自噬，如线粒体自噬和内质网自噬，该途径可以除去质量不佳的细胞器以进行更高效的物质合成和能量代谢[2]；三是自噬通过调节代谢途径中的一些酶来影响代谢过程。本文将阐述肝脏疾病主要是代谢性肝病及终末期肝病中自噬与能量代谢的关系。

一、自噬简介

自噬最早被视为一种非选择性的降解系统，后来发现在某些条件下，自噬体会选择性地吞噬一些细胞质物质，即脂类自噬、糖原自噬以及线粒体自噬等，这些自噬与能量代谢密切相关。自噬体掐断脂滴与溶酶体融合，以提供游离脂肪酸，这些脂肪酸会经过β氧化最终产生能量，这就是脂自噬；当然糖原也可以被自噬小体选择性包裹，分解为葡萄糖，称为糖原自噬[3]；线粒体自噬是通过特定的线粒体外膜受体或与线粒体表面与蛋白质结合的泛素分子在线粒体周围形成自噬体，它可以除去损坏或者多余的线粒体，保证线粒体质量和数量的稳定[4]。线粒体是细胞内能量产生的重要场所，因此线粒体自噬对于能量代谢的作用十分重要。虽然自噬的对象很多，但是自噬具有一个稳定的流程，其大致分为五个阶段：自噬的起始、膜的延伸、自噬体形成、自噬体溶酶体融合以及降解[5]。

自噬最基本的作用是适应代谢的需求，因此能量供应因素对于自噬的调节十分重要。营养方面的传感器雷帕霉素(rapamycin, mTOR)的靶点，是很关键的自噬抑制剂。可用的营养物质以及生长因子会激活mTOR，mTOR通过抑制自噬激活剂UNC-51样激酶1(UNC-51-like kinase 1，ULK1)即磷酸化其丝氨酸757位点来阻止自噬的发生。该抑制条件保证了在营养充足的情况下不会造成无意义的降解。与之相反，当处于饥饿环境时，饥饿相关的细胞单磷酸腺苷(adenosine monophosphate, AMP)增加会激活单磷酸腺苷活化蛋白激酶(adenosine monophosphate protein kinase, AMPK)，活性AMPK通过磷酸化ULK1的丝氨酸317和777位点来诱导自噬，从而加速降解细胞质内物质，使得营养物质得到补充[6]。此外，自噬对于细胞器的稳定和机体稳态也十分重要，自噬的缺失会导致各种疾病的发生[7]。

二、肝脏疾病

(一)酒精性肝病 酒精性肝病(alcoholic liver disease, ALD)是西方国家最普遍的慢性肝病类型。ALD可以从酒精性脂肪肝(alcoholic fatty liver, AFL)发展为酒精性脂肪性肝炎(alcoholic steatohepatitis, ASH)。慢性ASH最终会导致肝纤维化和肝硬化，部分可导致肝细胞癌(hepatocellular cancer, HCC)的发生。ALD的发病机制包括肝脂肪变性、氧化应激、乙醛介导的毒性及细胞因子和趋化因子诱导的炎症[8]。

酒精被证明可以激活或抑制自噬，具体视模型的不同而有差异，急性的酗酒模型中酒精表现为诱导自噬，而慢性酒精喂养的小鼠模型则可能激活自噬也可能抑制自噬。短时间内大量酒精摄入导致的自噬激活依赖于酒精代谢、活性氧的产生和mTOR的抑制[9]。近年来，酒精摄入对自噬产生抑制影响的研究较多。在一项含酒精饮食喂养的动物实验中，小鼠肝细胞表达的自噬调控多功能蛋白p62/SQSTM1 (sequestosome1，SQSTM1)和细胞凋亡的标志物增加，显示了自噬通量被破坏，肝细胞的凋亡率增加[10]。这种情况下，自噬抑制是由于缺乏可用于和自噬体融合的溶酶体，被称为“自噬不足”，自噬不足可能是因为长期摄入酒精损害了转录因子EB的功能，转录因子EB是溶酶体生物发生的主要调节因子，其损伤使溶酶体生物合成减少，从而导致小鼠肝脂肪变性和肝损伤[11]。其实酒精可以靶向自噬途径中的多个步骤来影响自噬。有研究表明，酒精可以通过增加micro- RNA155的外泌体产生来影响mTOR，也影响溶酶体关联膜蛋白1(Lysosomal Associated Membrane Protein1，LAMP1)和溶酶体关联膜蛋白2(Lysosomal Associated Membrane Protein，LAMP2)，其共同对自噬水平造成了负面影响[12]。

尽管急性和慢性的酒精干预对自噬的诱导作用可能会不同，但是自噬的激活对酒精引起的肝损伤和脂肪变性是具有保护作用的[13]。这与脂自噬密切相关。早期ALD的特征即为肝脂肪变性，这是由于大量酒精摄取后，肝内脂肪会加速生成，从血浆进入肝脏的脂肪酸会增加，从肝脏进入血浆的脂蛋白分泌缺陷，且脂自噬过程受到了抑制[14]。脂质过度积累，被包裹在称为脂滴的脂质储存细胞器中。脂自噬即借助细胞质中的脂肪甘油三酯脂肪酶(adipose triglyceride lipase, ATGL)将大脂滴分解为小脂滴，随后进入自噬体内将其清除[15]。更具体的脂滴生成降解机制将在非酒精性脂肪性肝病的部分作进一步阐述。

(二)非酒精性脂肪性肝病 非酒精性脂肪性肝病(nonalcoholic fatty liver disease，NAFLD)是与肥胖、胰岛素抵抗、2型糖尿病、高脂血症等代谢综合征相关的肝病，是目前成年人和儿童慢性肝病的主要形式。据估计，NAFLD在普通人群中的患病率为25%[16]。

肝脏中代谢底物的超负荷是造成NAFLD肝损伤的主要原因。在长期能量过剩的情况下，运送至肝脏的脂肪酸增加，并促使肝细胞甘油三酯的合成。脂滴是细胞内储存脂质的主要场所，在内质网中合成，大多数大小在0.1～10 μm之间，在脂肪细胞中的大小能达到100 μm。脂滴的降解受到机体营养环境的调控，且与自噬存在一定的联系。在饥饿的条件下，脂肪细胞中脂解刺激因素会激活蛋白激酶A，使围脂滴蛋白(perilipin1, PLIN1)磷酸化，PLIN1降解后可促进细胞溶质脂肪酶募集到脂滴表面。研究表明，自噬的抑制显著增加了基础状态或暴露于游离脂肪酸培养的肝细胞中的脂滴含量，且自噬缺陷细胞中脂滴含量的增加不是由甘油三酯的合成增加引起的，而是由于甘油三酯衰变和线粒体β氧化速率降低所导致的。饥饿会激活自噬，因此自噬溶酶体系统可能在分解脂滴以向饥饿细胞提供游离脂肪酸方面发挥作用[17]。自噬水平的增加可以通过增加对脂滴的降解来缓解NAFLD中脂质堆积的压力，众多研究成果证实了这一点。有研究显示，运动和饮食的干预可以通过不同途径提高脂类自噬水平来改善NAFLD。运动可以激活AMPK/ULK1通路增加自噬，而饮食干预可以通过抑制Akt/mTOR/ULK1通路的过度激活而上调自噬水平[18]。与ALD相同，脂自噬与NAFLD也密切相关。通过肝脏特异性过表达自噬相关蛋白7(autophagy related protein, ATG7)诱导肝脏自噬已被证明可以减轻NAFLD小鼠模型的代谢应激和肝脏脂肪变性。NAFLD中的自噬缺陷与胰岛素抵抗有关，通过过度表达小鼠肝细胞中的ATG7恢复自噬可以增加胰岛素敏感性并改善葡萄糖耐受性。短期使用自噬激活剂类药物可以降低肝脏脂肪变性以及肝脏和血液中的甘油三酯水平[19]。

脂质的堆积还可触发一系列的二次打击，比如线粒体功能障碍、过度氧化应激、内质网应激和炎症等。线粒体是细胞氧化代谢的重要场所，因此线粒体的破坏进一步恶化了细胞氧化供能的环境，加剧了脂质堆积[20]。线粒体质量对于NAFLD发展十分重要，有研究发现，酰基辅酶A心磷脂酰基转移酶(Acyl-Co A lysocardiolipin acyltransferase 1, ALCAT1)缺乏可恢复线粒体结构、线粒体DNA保真度和氧化磷酸化，而在小鼠中特异性敲低ALCAT1可以防止NAFLD的发生[21]。去乙酰化酶3(Sirtuin3，Sirt3)是一种主要在线粒体中表达的NAD依赖性蛋白去乙酰化酶，其可以通过激活ERK-CREB-Bnip3线粒体自噬通路治疗NAFLD[22]。因此通过线粒体自噬途径去除受损的线粒体是NAFLD的一种保护机制。

(三)肝癌 原发性肝癌是全世界癌症相关死亡的第四大常见原因，其发病率正在稳定上升，肝癌发生期间的代谢变化特征具有广泛的意义[23]。自噬对于癌症发生及进展的影响是具有争议的。最初，由于发现癌基因的激活和抑癌基因的失活会抑制自噬，在小鼠实验中删除自噬基因会导致肿瘤的发生，自噬被认为具有肿瘤抑制作用。但是那只是自噬部分减弱，因为自噬关键调控蛋白Beclin1的功能在这些小鼠中其实是完好的。研究证实需要完整的自噬才能导致恶性肿瘤的发生，因此自噬又被认为具有促肿瘤的作用。自噬损失时葡萄糖摄取和乳酸的产量会小幅度增加，氧化磷酸化会显著降低，即自噬的缺失会损害线粒体代谢[24]。

具体来说，自噬可以通过调节代谢途径中的酶水平来影响肝癌中的代谢情况。在一项肝癌的研究中发现，自噬是糖酵解的调节剂。己糖激酶2(hexokinase2, HK2)可以被E3连接酶TNF受体相关因子6(TNF receptor associated factor 6,TRAF6)泛素化(尤其是Lys41)，从而促进其被SQSTM1识别并导致其选择性降解[25]。由此看来，HK2为一个重要的调节因子，自噬在此对糖酵解表现为负调控，其作用可能为抑制应激条件下癌细胞的过度增殖。也有研究发现，肝细胞生长因子(hepatocyte growth factor, HGF)与其受体MET的HGF-MET信号在肝癌中通过抑制丙酮酸脱氢酶复合体(pyruvate dehydrogenase complex, PDHC)来促进Warburg效应，HGF-MET激酶靶向药可以通过MET的Y1234/1235位点去磷酸化，激活MET介导的自噬来促进肝癌的发生、发展；而自噬阻滞剂可以协同MET抑制剂抑制小鼠肝癌的生长[26]。在该研究中，自噬促进肿瘤的有氧糖酵解并支持肝癌的生长。在肿瘤发展的不同阶段自噬对代谢的影响可能起着不同的作用。

(四)肝衰竭 急性肝衰竭(acute liver failure, ALF)是一种罕见的肝细胞严重损伤综合征，在没有慢性肝病的情况下会导致凝血功能和精神状态的改变。ALF发病迅速，往往会导致致命的后果[27]。自噬在限制肝细胞因应激引起的肝损伤而死亡方面具有关键作用。当对乙酰氨基酚过量时会导致线粒体损伤、氧化应激和肝细胞坏死，自噬清除受损的线粒体被视作一种防御机制[28]。线粒体受损使肝细胞的能量产生能力下降，进一步威胁了肝细胞的生存。ALF中的代谢变化规律还有待进一步研究。

慢加急性肝衰竭(Acute-on-Chronic Liver Failure, ACLF)是慢性肝病的急性失代偿导致肝外器官系统衰竭[27]。有近一半的ACLF患者没有明显的诱发因素；另一半患者中，败血症，大量饮酒和慢性病毒性肝炎的复发诱发了ACLF[29]。在肝脏中，慢性疾病伴随着大量的肝细胞凋亡，干预肝细胞的凋亡可以延缓疾病的进展。据观测，ACLF患者的自噬水平是降低的，线粒体素2(mitofusin2, Mfn2)具有促进线粒体外膜融合和内膜对接的作用，其在ACLF中可以增加自噬水平并减少细胞凋亡，线粒体是凋亡的关键调节器，线粒体损伤在ACLF的进展中起着重要作用，线粒体功能的恢复及自噬水平的增加可保护ACLF中的肝细胞[30]。在代谢规律方面，有研究证实，乙型肝炎病毒(Hepatitis B, HBV)相关ACLF患者的糖酵解、三羧酸循环受抑制，脂肪酸氧化增加[31]。ACLF中自噬与代谢的具体关系还有待进一步研究。

三、展望

不管是ALD和NAFLD等代谢性肝病以及肝癌，还是肝衰竭这样急性的肝病，能量代谢的变化对疾病的发生和发展都起着十分重要的作用。其中自噬对能量代谢的影响十分关键，其在各类肝脏疾病中的作用也在持续研究中，得到了一些相当有意义的结论。通过调节特定位置的自噬来调节能量代谢，将可能使肝脏疾病的防治得到新发展。