自噬在急性肾损伤中作用机制的研究进展

段 君 刘新艳

急性肾损伤(acute kidney injury, AKI)是一种临床常见的、威胁全球公共卫生安全的疾病，其临床特点是肾功能(肾小球滤过率)在短期内迅速降低，表现为血清尿素氮(blood urea nitrogen, BUN)及肌酐(creatinine, Cr)水平的迅速升高。尽管大多数AKI患者经治疗后可在1个月内得到缓解，但仍有部分患者肾功能持续恶化，最终进入肾脏替代治疗阶段。据估算，全球每年约有1300万例新发AKI患者，并有约1700万例死于AKI相关疾病[1]。而院内获得性AKI较社区获得性AKI发生率更高且预后更差，一项回顾了312个大型队列研究的系统Meta分析显示，住院期间AKI的综合发生率为成人21.6%，儿童33.7%，AKI患者总病死率为成人23.9%，儿童13.8%[2]。AKI的常见危险因素分为肾前性、肾性及肾后性3种类型。主要包括血容量不足、药物、感染、手术、尿路梗阻等因素。有研究显示，缺血再灌注损伤(ischemia reperfusion injury，IRI)、炎症(inflammation)、自噬(autophagy)、凋亡在AKI的发病机制过程中发挥着重要作用[3]。近年来，越来越多的研究关注到了自噬在AKI中发挥的重要作用，本文将对该内容进行综述。

一、自 噬

1963年Christian de Duve(溶酶体发现者)描述了在溶酶体内部存在细胞器的现象，并将该现象命名为自噬，意即“自食(self-eating)”。1990年后，随着大隅良典在酵母中发现了自噬相关基因(autophagy-related gene, ATG)及自噬相关蛋白，人们对自噬的研究兴趣逐渐增加。自噬是一种受到毒物、缺氧、感染、应激等外界环境改变时，机体为适应环境而进行的自我降解细胞器及高分子物质的主动过程[4]。溶酶体介导的自噬可分为巨自噬、微自噬以及伴侣介导的自噬3种类型，其中巨自噬(即通常所指的自噬)研究最为普遍。在巨自噬过程中，损伤的蛋白质和细胞器被自噬小泡包裹，形成自噬小体，之后自噬小体与溶酶体融合，在溶酶体的作用下消化为低分子物质供机体继续利用。在上述过程中，自噬小体的形成需要多种蛋白复合体的共同参与：ULK1(unc-51 like kinase 1)复合体、Beclin-1复合体、ATG9和空泡膜蛋白1(vacuolar membrane protein 1,VMP1)复合体以及ATG12-ATG5-ATG16蛋白复合体和微管相关蛋白1轻链3-Ⅱ(microtubule associated protein 1 light chain 3-Ⅱ, LC3-Ⅱ)泛素样蛋白共轭系统。自噬小体组装完成后与溶酶体融合形成自噬溶酶体，但融合过程的详细机制仍未完全明确，目前已知脂滴相关Rab蛋白7可能通过标记自噬体参与了融合的过程[5]。此外，自噬过程并不是盲目地包裹所有蛋白，而是在p62的标记作用下有选择的进行。

二、自噬在AKI中的作用机制

通过选择性敲除小鼠近端肾小管上皮细胞的ATG7基因，人们发现即便是正常饮食饲养情况下的小鼠，其肾小管细胞在缺失ATG7后LC3和p62蛋白发生聚积并且肾脏损伤分子1(kidney injury molecule-1, KIM-1)表达也增加[6]，这提示自噬的缺失可以导致肾脏的损伤。另一项研究通过在IRI、顺铂诱导、单侧输尿管梗阻(unilateral ureteral obstruction，UUO)3种AKI小鼠模型中敲低和过表达Beclin-1发现，Beclin-1在AKI损伤后的肾脏功能恢复过程中具有重要意义，而外源性注射Beclin-1也可以减轻肾脏纤维化且有助于肾脏从AKI中恢复[7]。由此可见自噬在AKI中发挥着至关重要作用。但自噬在AKI中的作用机制尚未完全明确，本文以下内容将就这一问题进行阐述。

1.AMPK/mTOR通路：腺苷酸激活蛋白激酶(AMP-activated protein kinase，AMPK)是一种广泛存在于各种细胞及组织中的丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶，主要受到AMP/ATP比值水平的调控[8]。哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin，mTOR)也是细胞内的一种丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶，其主要在细胞生长增殖以及受到外界环境改变时做出反应中发挥作用[9]。AMPK和mTOR是两个主要的自噬调控分子。其中，mTOR通过使ULK1复合体磷酸化抑制自噬的激活，而AMPK通过抑制mTOR复合体1起到激活自噬的作用，此外，AMPK也可以直接与ULK1复合体结合来激活自噬[9]。也就是说，AMPK和mTOR在自噬的起始阶段分别发挥着正向和负向的作用，二者共同调控着自噬的激活。有研究表明，在金属铋诱导的AKI中， mTOR复合体1的抑制剂雷帕霉素(rapamycin,RAPA)通过增强自噬水平可以降低受损小鼠血清BUN及Cr水平，该过程中的自噬主要是由AMPK/mTOR通路来调控，可以对AKI起到保护性作用[10]。另外，锌指E-盒结合同源异型盒蛋白1(Zinc-finger E-box-binding homeobox 1, ZEB1)也可以通过AMPK/mTOR通路激活自噬从而减轻了盲肠穿孔所致的AKI，过表达ZEB1组大鼠的血清BUN及Cr均明显降低[11]。这些研究均表明，AMPK/mTOR通路通过调控自噬水平在AKI中发挥了重要作用。

2.PI3K/Akt/mTOR通路：磷脂酰肌醇3-激酶/蛋白激酶B/哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(phosphatidylinositol-3-kinase/protein kinase B/mammalian target of rapamycin, PI3K/Akt/mTOR)也是一条调节自噬的重要通路，其中PI3K是细胞膜的组成成分，Akt是PI3K下游的直接信号分子，PI3K将Akt磷酸化后即可激活mTOR，从而发挥抑制自噬的作用[12]。Zhao等[13]采用LPS构建大鼠AKI模型，实验结果显示，与对照组比较，用右美托咪定预处理的大鼠在注射LPS后，BUN及Cr水平、尿液中的KIM-1、中性粒细胞明胶酶相关载脂蛋白(neutrophil gelatinase-associated lipocalin, NGAL)、活性氧(reactive oxygen species， ROS)均有所下降。他们认为LPS可以通过激活PI3K/Akt/mTOR通路抑制自噬体的形成，从而导致受损的细胞器及高分子不能被及时清除，之后ROS以及细胞色素C从受损细胞器中释放，进而诱导氧化应激及凋亡的发生。而右美托咪定可以通过与肾上腺素能受体α2结合来抑制PI3K/Akt/mTOR通路，进而增强自噬发挥其肾脏保护作用。这项研究也提示了右美托咪定在AKI治疗中的潜在价值，但仍有待进一步的研究来证实。在顺铂诱导的AKI模型[14]中，顺铂在导致肾脏损伤的同时也激活了Toll样受体2(toll-like receptor 2,TLR2)，随后TLR2将PI3K/Akt磷酸化来提高肾小管上皮细胞中的自噬水平，从而在顺铂导致的AKI中起到保护肾脏的作用。而在敲除TLR2后保护作用则消失，小鼠血清中BUN和Cr水平也较对照组明显升高。综上，抑制PI3K/Akt/mTOR通路可以上调自噬从而在AKI中发挥积极的保护作用，进而缓解肾脏的受损情况。

3.SIRTs家族：Sirtuins (SIRTs)家族是一种烟酰胺腺嘌呤二核苷酸依赖的组蛋白去乙酰酶的保守分子家族[15]。SIRTs在应激、新陈代谢以及衰老方面发挥重要作用，SIRT1～7在哺乳动物中表达，其中SIRT3～5定位于线粒体中[16]。有报道称SIRT3在盲肠结扎穿刺术所诱导的AKI模型中可以发挥保护肾脏的作用，具体机制为SIRT3通过对AMPK/mTOR通路的调控上调自噬水平进而减轻凋亡及炎性细胞因子在细胞内的聚积[17]。此外，SIRT1及其激动剂白藜芦醇在脓毒症诱导的AKI中可以通过使Beclin-1以及p53去乙酰化进而上调自噬水平来发挥保护作用[18,19]。SIRT6在LPS诱导的AKI中也可以发挥保护作用，在HK-2细胞中过表达SIRT6减轻了LPS所诱导的炎症及凋亡，并且增强了自噬水平，而敲除SIRT6后上述保护作用均消失[20]。这些研究均证实了SIRT家族在AKI中可以通过增强自噬来发挥保护肾功能的作用。

4.叉头转录因子O亚型家族：叉头转录因子O亚型(forkhead box class O transcription factors,FoxO)是一种在自噬基因表达中发挥重要调控作用的转录因子家族，FoxO可以通过转录和转录后调控以及表观遗传调控来调节自噬基因的转录活性，FoxO-自噬轴在肝脏、肾脏以及大脑的稳态维持方面起着关键作用[21]。研究发现在UUO小鼠模型和低氧诱导的肾小管细胞损伤模型中，与对照组比较，损伤组的FoxO3和自噬相关基因及蛋白表达均增加，而敲除FoxO3后自噬水平明显下降。该研究证明在低氧诱导的肾小管损伤中FoxO3可以上调自噬表达，但对于FoxO3是如何被调控的仍未阐明[22]。目前关于FoxO-自噬轴在IRI、顺铂等AKI模型中的研究报道仍较少，FoxO-自噬轴在AKI中的作用仍需要更多的研究来阐明。

5.核转录因子2：核转录因子2(nuclear factor-erythroid 2-related factor 2，Nrf2)是一种调控抗氧化应激的转录因子，在机体的抗氧化过程中起着重要作用[23]。血红素氧合酶1(heme oxygenase-1，HO-1)是Nrf2下游的信号分子。有研究表明，在肾脏的IRI中，夹闭肠系膜上动脉进行缺血后再适应可以激活Nrf2/HO-1信号通路，随后发挥激活自噬流、抗炎以及抗氧化的作用[24]。其中，实验组较对照组的血清BUN、Cr和NGAL均有所下降。这项研究提出了一个AKI损伤后新的干预措施，即进行肠系膜上动脉的缺血再灌注适应，但这项干预措施能否应用于临床仍需要进一步的深入研究。还有研究指出，原花青素B2可以促进Nrf2从胞质进入胞核中，使HO-1、超氧化物歧化酶、谷胱甘肽等抗氧化物质表达增加，降低细胞ROS水平，增强线粒体自噬从而保护线粒体功能[25]。综上所述，Nrf2/HO-1通路可以通过激活自噬发挥保护肾脏的功能。

6. TGF-β活化激酶1：TGF-β活化激酶1(TGF-β activated kinase 1,TAK1)是一种细胞内的丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶。其生物学功能主要是调控细胞的生长分化、自噬、凋亡和免疫炎性反应。Zhou 等[26]研究发现，TAK1在顺铂诱导的AKI中被激活，随后TAK1通过使p38和ERK磷酸化，激活自噬通路，过强的自噬反应导致了AKI的发生。该团队还发现小鼠在注射TAK1抑制剂后，较对照组血清BUN和Cr水平均有所下降。该项研究与其他证实自噬在AKI中具有保护作用的观点有所不同，该团队认为，顺铂诱导的AKI中过强的自噬水平是造成肾脏损伤的原因，当抑制TAK1从而抑制自噬通路后，小鼠的肾脏功能(血清BUN和Cr水平)均有所恢复。这也提示自噬在AKI中可能发挥的是一种“双刃剑”的作用。过强的自噬水平可能会导致AKI的发生，而一定水平内的自噬可以发挥保护作用。此外，这种两面作用也可能是由于实验条件、建模方法以及药物剂量等因素所造成的。关于自噬在AKI中究竟是一种保护机制还是损伤的原因，仍需要更多的研究来证实。

7.PINK1/Parkin通路和HIF-1α/BNIP3通路：PTEN诱导激酶1(PTEN-induced putative kinase,PINK1)/帕金森病相关基因(Parkin)通路是介导线粒体自噬的一种途径[27]。在肾脏受到IRI及造影剂损伤后，PINK1/Parkin通路被激活，之后自噬小体形成，对受损的线粒体进行降解，减少了ROS和核苷酸结合寡聚化结构域样受体蛋白3(nucleotide binding oligomerization domain - like receptor protein 3,NLRP3)炎症小体的形成，进而抑制其下游有活性的caspase以及白细胞介素的形成，减轻了细胞凋亡的发生，保护了肾小管细胞及肾脏功能。

低氧诱导因子1α(hypoxia inducible factor-1α,HIF-1α)/ Bcl-2/腺病毒E1B相互作用蛋白3(Bcl-2/adenovirus E1B interacting protein 3,BNIP3)通路也参与了线粒体自噬的过程。Fu等[28]研究表明，敲除HIF-1α使IRI处理的肾脏和缺氧复氧损伤处理的HK-2细胞自噬表达减弱、凋亡及ROS表达增多，而过表达HIF-1α的下游分子BNIP3可使自噬增强、凋亡及ROS减弱，从而起到阻止肾脏受损的作用。该研究证实，在肾脏受到IRI后，使线粒体受损的同时也激活了HIF-1α/BNIP3介导的线粒体自噬信号通路，从而清除了受损线粒体，抑制了胞质内ROS的产生及细胞凋亡的发生，进而在AKI中起到保护肾脏的作用。所以，线粒体结构及功能的完整对于肾脏正常功能的保护有着重要意义。

三、展 望

综上所述，自噬是一种在细胞受到外界损伤时能够清除受损细胞器及蛋白的主动过程，在AKI中，自噬可以通过AMPK/mTOR、PI3K/Akt/mTOR、PINK1/Parkin、HIF-1α/BNIP3、SIRT、FoxO、Nrf2以及TAK1等多种信号通路及蛋白分子发挥调控功能。大多数研究均认为自噬在AKI中能够发挥减轻肾脏损伤的保护作用，但也有研究认为过强的自噬是造成AKI的原因。因此，希望看到更多该方面内容的报道来进一步明确自噬在AKI中的作用。此外，笔者还希望看到更多基于调控自噬水平的药物在AKI方面的研究报道，这也能够为治疗AKI提供新的可能方向。