詳談自噬在腦缺血性損傷中的作用論文
詳談自噬在腦缺血性損傷中的作用論文
自噬(autophagy)是細胞受到刺激後，透過溶酶體途徑降解細胞內物質的統稱，是近年來逐漸被認識的細胞除壞死和凋亡外的第3種死亡方式。在通常情況下，自噬在多數細胞內都處於一個相當低的水平。當細胞受到外界因素刺激，如飢餓、缺氧、高溫或損傷、過多的細胞器和胞質成分積聚等多種情況下，則會產生過度自噬。腦缺血是由於腦組織血流不足，腦細胞代謝障礙，最終導致腦細胞不可逆性損傷和死亡的一系列病理生理學過程。近年來，眾多研究表明，自噬參與了腦缺血損傷的發生、發展過程。現就自噬在腦缺血性損傷中的作用綜述如下。
1 自噬的形成過程及分子機制根據細胞物質到達溶酶體腔途徑的不同
2 腦缺血後自噬的誘發因素腦缺血後自噬的誘發因素包括由大量活性氧、自由基的釋放引起的氧化應激，透過上調自噬相關蛋白LC3、Beclinl表達從而誘導細胞自噬;內質網應激即內質網(ER)內穩態失衡後，未摺疊蛋白或錯誤摺疊蛋白在ER積聚，透過對自噬相關訊號通路哺乳動物雷帕黴素靶蛋白(mammaliantargetofrapamycin，mTOR)抑制後誘導細胞的自噬;海馬神經細胞的JNK活性增強後透過引起神經細胞興奮性毒性進而誘導自噬和凋亡等。程式性死亡方式包括凋亡與自噬，二者作用交叉。其中Bcl2、Bclxl、Bax、caspase家族等基因稱為凋亡相關基因，Bcl2蛋白水平下降能引起自噬啟用，caspase對細胞自噬也具有十分重要的作用，它們可以裂解自噬相關蛋白，裂解後的蛋白碎片具有促進細胞凋亡的作用。
3 參與腦缺血後自噬的主要訊號轉導通路自噬的調節較為複雜，有多條訊號通路參與，其中主要包括mTOR、AMPKmTORC1訊號通路、核因子NFκB、絲裂原活化蛋白激酶(mitogenactivatedproteinkinase，MAPK)介導的訊號通路等。
3.1 PI3K/AktmTOR訊號通路
mTOR是一種絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶，包括mTOR複合物1(mTORcomplex1，mTORCl)即雷帕黴素敏感型和mTOR複合物2(mTORcomplex2，mTORC2)即雷帕黴素欠敏感型。mTORCl是自噬的主要調節靶點，其主要調節因素包括糖和高能量狀態、各種應激以及該通路的上游訊號分子;雷帕黴素和氧糖剝奪等引起的缺血缺氧情況下可穩定RaptormTOR的連線，抑制mTORCl的激酶活性，從而促進自噬。上游訊號分子主要包括PI3K/Akt中相關通路，正常情況下Beclinl可使PI3K活化，從而使得Akt在細胞膜上聚積;此時，Akt出現磷酸化，促進腫瘤抑制基因TSC2編碼的蛋白磷酸化，啟用raptormTOR複合物和mTORCl的激酶活性，從而抑制自噬。腦缺血損傷後，缺血缺氧刺激啟用過氧化物酶體增殖物啟用受體γ(peroxisomeproliferatoractivatedreceptorγ，PPARγ)，抑制Beclinl活性後，抑制PI3K和Akt的活性，從而抑制mTORCl的激酶活性，因此產生自噬。
3.2 AMPKmTORC1訊號通路
一磷酸腺苷啟用蛋白激酶(AMPactivatedkinase，AMPK)是能量感測器，主要由催化亞基α和調節亞基β、γ組成，真核細胞內的絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶即是AMPK。大腦中大量存在催化亞基α1、α2，在能量缺乏如缺血缺氧等情況下被迅速啟用，進而產生一系列的症狀。LKB1激酶和Ca2+/鈣調蛋白依賴性激酶激酶β(Ca2+/calmodulindependentprotein kinasekinaseβ，CaMKKβ)屬於AMPK的上游激酶。有研究發現，上調AMP/ATP比值或者升高Ca2+的濃度時，CaMKKβ會出現磷酸化，從而產生磷酸化的AMPK(pAMPK)，進而抑制TSC1/2和mTORC1的活性產生自噬，調節該過程的還包括mTORC1的底物S6K1。Wang等研究證實抑制自噬相關訊號通路mTOR的活性產生自噬後，其下游眾多的靶蛋白及訊號通路如mTORC14EBPs啟用和TSC2mTORS6K1抑制，影響蛋白質翻譯、核糖體合成等代謝過程，從而參與腦缺血/再灌注後神經細胞的自噬性死亡或加重細胞的自噬性損傷。
3.3 NFκB訊號通路
哺乳動物核因子(NF)κB的家族成員包括p50/p105(NFκB1)、p52/p100(NFκB2)、cRel、RecB、p65(RecA)等。正常情況下，NFκB位於胞質中並與其抑制蛋白(IκB)緊密結合。當細胞受到缺血缺氧等因素刺激時，啟用後的NFκB從胞質轉移到胞核中，進而上調p62蛋白的表達，從而使得p53、IκBα和Bcl2表達減弱，自噬相關蛋白LC3Ⅱ和Beclinl的表達增強，從而產生自噬。Li等為了誘導局灶性腦缺血模型，採用NFκB基因敲除小鼠，並對其大腦中的動脈遠端分支結紮，結果發現NFκB途徑可調控腦缺血誘導的自噬樣損傷。Cui等研究發現在大鼠海馬區經過缺血/再灌注損傷後，訊號轉導通路NFκBp53參與損傷處相關的自噬與凋亡。
3.4 MAPK介導的訊號通路
細胞外訊號調節激酶(extracellularsignalrelatedkinase，ERK)、氨基末端激酶(JunNH2terminalkinase，JNK)和p38構成了MAPK。mTORC1是其下游調節分子，有研究發現，在腦缺血/再灌注中的缺血缺氧刺激下，MAPKmTOR訊號通路能夠降低LC3、Beclin1和抗胸腺細胞球蛋白等自噬相關蛋白的水平，使得ERK、Akt、磷酸肌醇依賴性激酶(PDK1)的活性受到抑制，進而啟用mTOR、JNK、p38、蛋白絲裂原活化蛋白激酶磷酸酶(PTEN)的活性，從而產生自噬。
3.5 其它
此外，調節和誘導自噬的途徑還包括訊號轉導通路p53，Ras/蛋白激酶A(PKA)和毛細血管擴張性共濟失調突變蛋白激酶(ATM)mTOR，以及Bcl2與Beclinl複合體等。
4 自噬在腦缺血性損傷中的作用研究證明，細胞損傷的嚴重程度直接關係到自噬在腦缺血性損傷中的作用。在輕度飢餓、缺氧等情況下，自噬不僅透過降解蛋白提供能量，而且能夠透過降解損傷的蛋白後合成新的蛋白，從而保護著機體的細胞。若重度飢餓、缺氧，或延長細胞損傷的時間，啟用凋亡相關調控蛋白產生凋亡後，自噬也過度啟用，過度啟用的自噬又進一步促進凋亡的發生，從而對機體產生損傷作用[3]。
4.1 自噬減輕腦缺血損傷
有研究表明，自噬可保護神經細胞，減輕缺血性損傷。Carloni等透過對新生1周SD大鼠腦部缺糖缺氧後發現，短時間內即可產生自噬，用自噬抑制劑三甲基腺嘌呤(3methyladenine，3MA)和渥曼黴素(wortmannin，WM)抑制自噬後，壞死的細胞數量增多，而自噬激動劑雷帕黴素使細胞壞死和凋亡明顯減少，且證明是透過PI3KAktmTOR通路對缺血後的損傷發揮保護作用。Chauhan等透過建立大鼠局灶性腦缺血模型和原代海馬神經細胞缺糖缺氧損傷即氧糖剝奪(oxygenglucosedeprivation，OGD)模型，並採用MRI成像觀察，發現大鼠缺血後1h腹腔注射雷帕黴素可以使得腦梗死的體積減少，過氧化物歧化酶、穀氨酸等的釋放受到抑制，海馬神經細胞OGD後產生自噬並一直能持續至復糖復氧後的48h，用自噬抑制劑3MA抑制自噬後，OGD模型的損傷加重，進而從體內和體外水平證明自噬對該細胞造模後的損傷具有保護作用。Sheng等證實缺血預適應(ischemicpreconditioning，IPC)可誘導神經細胞自噬，自噬抑制劑抑制自噬後可增加腦的梗死體積和水腫程度。而自噬激動劑雷帕黴素作用後的效果則相反，其保護作用的發生過程主要透過IPC的直接保護神經細胞以及上調熱休克蛋白70(heatshockprotein70，HSP70)的表達，並已證實HSP70對細胞具有保護作用。Yan等對大鼠製備高壓氧預適應模型，發現自噬激動劑雷帕黴素產生自噬後，能模擬高壓氧預適應的生物學效應，從而減輕腦缺血性損傷。Balduini等研究發現，缺血缺氧等應激狀態下的細胞存活較低，若自噬發生後，其存活率會明顯提高，因此認為自噬在應激狀態下對細胞產生保護作用。丁培炎等以短期禁食誘導大鼠腦局灶性缺血/再灌注模型，研究其損傷的作用，發現短期禁食後產生自噬，自噬能減輕該模型引起的損傷作用，因此證明該模型中自噬對細胞具有保護作用。Wang等研究腦缺血後自噬產生神經保護作用的主要機制，發現煙醯胺轉磷酸核糖激酶和ARRB1/βarrestin1是其分子機制的主要作用基礎，且該分子同時作用於BECN1與自噬。高博等透過製備局灶性腦缺血預適應模型，採用兩次插入線栓法引起內質網應激並誘匯出自噬，發現自噬在該模型中起保護作用，且用內質網應激抑制劑SAL能阻斷該保護作用，猜測SAL阻斷內質網應激後，抑制了自噬的活性，從而阻斷了相關的保護作用。王燕梅等透過短暫全腦缺血和短暫全腦缺血-低氧處理建立短暫全腦缺血模型後，比較海馬CA1區中自噬相關蛋白LC3、LAMP2和組織蛋白酶D的蛋白表達情況，發現低氧後處理產生的自噬對短暫全腦缺血起保護作用。
4.2 自噬加重腦缺血損傷
另有研究證實，自噬可加重腦缺血損傷。Wen等透過對大鼠建立永久性腦缺血模型，發現缺血後即能產生大量的自噬，並且自噬抑制劑3MA和組織蛋白酶抑制自噬後，腦梗死體積減少，神經自身修復功能增強，提示該損傷產生的自噬可加重腦缺血引起的損傷。Puyal等對新生12d的大鼠透過短暫性左側大腦中動脈閉塞(transientmiddlecerebralarteryocclusion，tMCAO)造成局灶性腦缺血，發現損傷後可產生細胞的壞死、凋亡和自噬，在再灌注起始及3h後注射自噬抑制劑3MA，自噬抑制並且腦梗死體積明顯減少，因此認為自噬在局灶性腦缺血損傷中可加重腦缺血損傷。Wang等建立大鼠全腦缺血模型，並觀察海馬CAI區神經細胞，發現自噬抑制劑3MA在缺血前1h或0.5h加入，全腦缺血引起的神經元損傷能明顯減輕。Zheng等利用RNA干擾技術(RNAinterference，RNAi)使得腦缺血大鼠體內自噬相關基因Beclinl表達下調，自噬抑制，皮質和紋狀體處神經細胞損傷減輕，能抑制神經細胞的凋亡並可觀察到大量神經細胞再生，提示自噬在該模型中可加重腦缺血損傷。Koike等利用ATG7缺陷的新生小鼠製作腦缺血模型，抑制了腦缺血中產生的自噬，結果發現ATG缺陷可保護腦缺血後海馬區神經細胞引起的一系列損傷。石秋豔等對大鼠大腦中動脈缺血1d、3d、5d後再灌注，觀察該時間對海馬自噬的影響，結果發現自噬水平下調後缺血/再灌注損傷減輕。Xu等發現抑制自噬後，可減輕腦缺血後的神經損傷，且PPARγ的激動劑15脫氧前列腺素J2(15deoxyprostaglandinJ2，15dPGJ2)是其發揮神經保護作用主要分子基礎。Shi等對原代皮質神經元細胞和人神經上皮瘤細胞(SHSY5Y)模擬體外腦缺血模型，發現自噬在缺糖缺氧6h後，復糖復氧24、48和72h後產生，並且該模型使得自噬過度啟用，從而引起腦缺血後相關的神經細胞死亡，加重腦缺血引起的損傷。Jiang等研究表明，自噬抑制劑3MA抑制自噬後，腦缺血產生的一系列炎症可透過NFκB通路調節抑制，從而減輕了腦缺血後的損傷。Gao等研究表明腦缺血損傷後，抑制自噬相關的訊號通路可減輕該損傷，併產生神經保護作用。
5 結語
綜上，自噬既有利又有弊。自噬適度能使體內異常蛋白質及受損或過多的細胞器得到清除，從而維持著細胞的存活、分化、發育和穩態;而過度的自噬，可引起自噬性細胞死亡，並和細胞死亡的另兩種形式凋亡、壞死互動作用，使細胞損傷加重。因此，研究腦缺血後自噬的相關作用，瞭解自噬的發生、發展過程，認清自噬發生的相關調節因素及訊號通路，有助於根據自噬的特點和功能，針對腦缺血的治療方式，發現新的治療靶點和策略。