自噬调节衰老相关疾病的研究进展

刘亚辉 王萱 金明

(延边大学医学院生物化学与分子生物学教研室，吉林 延吉 133002)

1963年，de Duve C〔1〕基于当时溶酶体研究领域的成果，将溶酶体降解细胞内物质的方式称为“自噬”。衰老指年龄增长导致的机体抗氧化能力、细胞防御能力等减弱，相关疾病发病率上升的现象。随全球老龄化加剧，衰老相关疾病研究已成为全球关注的焦点。研究发现，自噬在维持机体生存、内环境稳态和细胞内组织成分循环再利用中均起到重要作用，并参与调节代谢、衰老和神经退行性病变等〔2～4〕。本文关注于细胞自噬在衰老相关疾病中的进展，并对其进行综述。

1 自噬的概述

自噬是一种在真核细胞生物中高度保守的进化过程〔5〕，是胞内成分的一种降解途径。自噬的过程是细胞受到胞内外刺激后，细胞中过量和受损成分、细胞器及有害物质等转运到溶酶体中进行降解，其降解产物中可再利用的成分，被释放到胞质，供细胞使用并为细胞提供能量〔2,6〕。

1.1自噬的分类 根据胞内物质转运到溶酶体内的途径不同，将自噬分为巨自噬、微自噬和分子伴侣介导的自噬(CMA)三类。①巨自噬：始于自噬小体形成，在细胞质中，自噬小体是由小的膜囊延伸封闭形成的双膜小泡结构。自噬小体与溶酶体融合后其内膜和内容物被溶酶体机制降解；②微自噬：溶酶体膜内陷或凸起捕获胞质中较小成分，转移到溶酶体中进行降解的过程；③CMA：胞内伴侣蛋白HSC70识别KFERQ样基序，促进胞质蛋白通过溶酶体膜受体(LAMP)-2A的直接运输，在溶酶体中降解的过程〔7,8〕。巨自噬是研究最多，最广泛的自噬类型；微自噬的研究进展则相对缓慢；CMA仅在哺乳动物中被发现〔6〕。

1.2自噬过程 以巨自噬为例，自噬始于自噬体形成，并涉及多种自噬相关基因(ATGs)。机体诱导自噬后，抑制哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mTOR)1复合物、激活单磷酸腺苷活化激酶(AMPK) 促使UNC-51样激酶(ULK)1 复合物易位至内质网，与液泡膜蛋白(VMP)1短暂缔合，激活含有Beclin1(酵母ATG6的哺乳动物同源物)、ATG14L、液泡分选蛋白(Vps)34和15的Ⅲ类磷脂酰肌醇3激酶(PI3K) 复合物，同时招募双FYVE结构域蛋白(DFCP)1 与磷酸肌醇相互作用蛋白(WIPI)2〔9〕。隔离膜(形成自噬小体的膜结构)的扩展延伸需要两种泛素样结合系统共同完成，一种是ATG5-ATG12耦联系统，另一种是微管相关蛋白1轻链3-磷脂酰乙醇胺(LC3-PE) 系统〔10〕。在ATG7与ATG10的介导下，ATG5和ATG12形成ATG5-ATG12复合体，进一步与ATG16L1结合形成ATG5-ATG12-ATG16L1复合体。该复合体与DFCP1和WIPI2共同附着在隔离膜外表面，增加隔离膜的适当曲率并参与LC3的脂质化〔11〕。ATG4切割LC3后形成LC3-Ⅰ，ATG5-ATG12-ATG16L1复合体、ATG7和ATG3促使LC3-Ⅰ与PE结合生成LC3-Ⅱ，延长并封闭隔离膜，形成自噬小体。LC3-Ⅱ附着在自噬小体内、外表面，直至与溶酶体融合，自噬小体中的内容物被降解，至此完成一次自噬过程。在自噬小体形成的过程中，细胞内容物的选择与自噬衔接蛋白P62/SQSTM1有关。膜表面的LC3-Ⅱ与P62相互作用，P62包含泛素结合域和LC3相互作用区来螯合并递送泛素化蛋白〔12〕，并且P62可以独立募集蛋白聚集体，进而在溶酶体中进行降解。

2 自噬与衰老

衰老是从细胞到个体中普遍存在的现象，衰老细胞代谢功能减弱，细胞中异常及受损细胞器累积，致使组织器官生理功能下降，最终导致疾病的发生发展。衰老是不可避免的，但自噬的清除能力可缓解这种现象。

2.1自噬通路与衰老 AMPK和mTOR信号通路是自噬的经典途径，当机体出现营养缺乏，可导致细胞能量和ATP水平降低，激活AMPK启动自噬；还可诱导mTORC1的失活，进一步促进ULK1与ATGs形成ULK1复合物，激活Beclin1促进自噬〔13,14〕。在AMPK磷酸化并激活ULK1的同时又抑制mTORC1的磷酸化，提示AMPK和mTOR途径可以协同调节自噬〔9〕。Chen等〔15〕研究发现，尿石素A通过抑制mTOR信号通路增强自噬，可逆转D-半乳糖诱导的小鼠脑衰老。Li等〔16〕通过对高糖刺激心肌细胞的衰老机制研究发现，外源性H2S可通过激活SIRT6/AMPK信号通路，上调自噬相关蛋白ATG5、ATG12、ATG16L1和AMPK、LC3-Ⅱ/Ⅰ，Beclin1等的表达，诱导自噬，抑制心肌细胞衰老并改善糖尿病性心肌纤维化。

2.2选择性自噬与衰老 自噬衔接蛋白(例P62和NBR1等)识别细胞器或细胞内特定物质并对其进行降解的过程称为选择性自噬。自噬衔接蛋白可选择性识别线粒体(线粒体自噬)、过氧化物酶体(过氧化物酶体自噬)、脂滴(脂噬)和蛋白质聚集体(聚集体自噬)等物质〔17～19〕。细胞内过量或损伤的线粒体被特异性识别并降解的过程称为线粒体自噬。线粒体与能量和ROS的产生有关，饥饿状态下，线粒体ROS激活ATG4诱导线粒体自噬，进而调节ROS水平，减缓老化〔14〕。排除外界因素，线粒体损伤后膜电位降低可启动线粒体自噬，PTEN诱导假定激酶(PINK)1和E3泛素连接酶(Parkin)激活可参与调解自噬，清除受损线粒体〔20〕。通过Parkin介导的泛素化和NAD+/NADH的比值升高对线粒体的质量控制进行调节〔21,22〕，平衡线粒体的自噬与合成，促进长寿〔23〕。溶酶体降解系统特异性识别并降解脂滴的过程称为脂噬，在多种脏器或组织中均可发生，脂噬影响细胞内脂质存储量的适宜、能量供应及机体健康〔24，25〕。自噬进程伴随大量能量消耗，通过降解产能或储能的物质(线粒体或脂滴)从而影响衰老。

3 自噬与衰老相关疾病

大量研究表明，自噬普遍参与生理及病理过程，是调节衰老的关键机制之一。随着年龄增长，机体的溶酶体功能减弱、自噬活力下降，导致受损或过量的细胞器和蛋白质累积、抵御细菌病毒感染机体的能力减弱。而适当增加自噬能延缓衰老相关疾病发生。

3.1神经退行性疾病 自噬被认为是蛋白质的循环稳定系统，维持细胞和神经元中的蛋白质动态平衡。随着机体逐渐衰老，神经退行性疾病的患病概率显著增加。其中最常见的神经退行性疾病包括阿尔茨海默病(AD)、帕金森病(PD)和亨廷顿舞蹈病(HD)等。AD是老年人进行性痴呆症最常见的形式，其主要病理特征表现为神经细胞外β-淀粉样蛋白(Aβ)的异常聚集〔26〕。相关研究发现AD大脑中的自噬小泡远多于正常大脑，大脑中早老蛋白(PS)1跨膜蛋白促进自噬体与溶酶体融合，增强自噬作用，减少Aβ积累，而PS1突变或PS1 Ser367磷酸化水平降低，可减缓自噬，造成Aβ积累，促进AD进程〔27～29〕。研究表明，在衰老大脑和AD大脑中Beclin1表达水平降低，并通过体内实验发现Beclin1缺乏导致自噬水平下降，Aβ在神经元内积累导致神经变性〔30，31〕。Zhu等〔32〕研究证实牛蒡子苷可通过增强自噬促进Aβ的清除，减少AD小鼠老年斑的形成，改善AD小鼠的记忆障碍。Bi等〔33〕发现不饱和甘露糖醛酸低聚糖通过降低Aβ1-42表达，促进自噬，对AD进行有效干预。

PD是与年龄相关的神经变性所致疾病，主要特征为黑质中的多巴胺能神经元进行性丢失。神经元中具有富含α-突触核蛋白的路易小体和路易神经突，其中α-突触核蛋白的表达水平与疾病进程相关，机体可以通过选择性自噬清除α-突触核蛋白，延缓PD的发生〔34,35〕。PD分为常染色体显性遗传和隐性遗传两种，富含亮氨酸的重复激酶(LRRK)2突变是最常见的PD常染色体显性遗传因素，但LRRK2对自噬的作用尚存争议，PD常染色体隐性遗传由PINK1和Parkin的突变引起，PINK1与Parkin共同调节线粒体自噬〔34〕。线粒体受损后，PINK1在受损线粒体外膜上累积，激活并募集Parkin，使线粒体泛素化，诱导线粒体自噬发生，而基因突变破坏了Parkin在线粒体中的募集，抑制Parkin的活性等变化，使自噬受损，诱发PD〔36，37〕。PD的发生与线粒体功能障碍有关，马琳等〔38〕研究发现，衰老可加重线粒体功能障碍，加速PD进展。

HD是一种聚谷氨酰胺(polyQ)扩增性常染色体显性遗传病，由亨廷顿蛋白(HTT) 中的基因突变引起，突变HTT(mHTT) 引起自噬小体转运障碍，识别降解受损线粒体的能力减弱，mTOR通路诱导自噬，可以减少mHTT聚集，减轻对神经元细胞的毒性作用〔39,40〕。在HD中，mHTT可以募集Beclin1并与之结合，抑制细胞自噬发生〔41〕。Li等〔42〕通过自噬途径研发了一种小分子绑定化合物(ATTEC)，ATTEC将LC3与mHTT或其他致病物质特异性黏合至自噬小体中进行降解以治疗HD。

3.2代谢性疾病 机体的代谢能力随年龄增长逐渐降低，相关疾病越来越多。骨质疏松由骨代谢平衡失调引起，且原发性骨质疏松中老年性骨质疏松最为常见。自噬在维持骨代谢的成骨细胞、破骨细胞及骨细胞中发挥重要作用，自噬相关基因P62、LC3、Beclin1、ATG等对细胞的分化及生理功能具有重要作用〔43〕。多种应激源诱导骨代谢失衡后，自噬异常可以加速骨质疏松的发展。Sabbieti等〔44〕发现，P62DNA在炎症性骨丢失小鼠模型中，通过主要炎症细胞因子的急剧下调及骨髓基质细胞对内源性P62蛋白表达上调发挥抗骨质疏松活性。Ma等〔45〕研究表明，在衰老骨髓间充质干细胞中，ATG7、Beclin1和LC3Ⅱ/Ⅰ蛋白表达下调，P62蛋白表达上调，抑制自噬发生，而激活自噬可以恢复其分化及增殖功能，减轻小鼠的骨质衰老。Zhang等〔46〕的一项人类基因研究发现,调控自噬通路的基因与桡骨远端骨密度变化密切相关。上述研究证实自噬对骨代谢具有一定的调控作用，有望成为未来临床治疗骨质疏松的重要手段。

3.3肿瘤 肿瘤属于典型衰老进行性疾病，自噬在肿瘤进程中起促进或抑制作用。自噬的短暂激活根据细胞环境和肿瘤分期等因素促进或抑制肿瘤进程，自噬的持续激活通过降解细胞存活所必需的成分致使细胞衰老〔47〕。在癌症早期，Hamurcu等〔48〕通过降低Beclin1和LC3水平，可明显抑制乳腺癌细胞的增殖、侵袭和迁移。但Liu等〔49,50〕及Xie等〔51〕发现通过减少ATG5或ATG7的表达，可延缓衰老促进黑色素瘤的细胞增殖与发展。在癌症晚期，自噬的功能能够满足肿瘤细胞增殖的高要求，克服缺氧压力或营养耗竭压力。Beclin1、ATG5水平降低促进胶质母细胞瘤转移，而通过营养限制增强自噬后，转移作用被抑制〔52〕。Lawson等〔53〕研究结果表明，自噬基因在肿瘤微环境中可介导肿瘤的免疫逃逸。

总之，大量研究显示自噬在癌前抑制癌症发生，在恶性病变后促进疾病发展。基于自噬对不同肿瘤类型、自噬相关基因敲除及癌症进程等方面具有不同的效果，通过自噬治疗肿瘤仍存有许多未知及挑战，进一步了解自噬在肿瘤方面的差异性和潜在机制，或许会取得更好地临床疗效。

4 靶向自噬对衰老相关疾病的治疗药物及方法

自噬抑制剂及诱导剂通过调节自噬来调节衰老相关疾病。3-甲基腺嘌呤(MA)和LY294002是最常见的自噬抑制剂，通过抑制Ⅲ类PI3K复合物的形成抑制自噬；溶酶体抑制剂氯喹(CQ)，羟氯喹(HCQ)和巴佛洛霉素(Baf)A1等通过抑制自噬体与溶酶体融合阻断自噬通量抑制自噬〔54〕。自噬抑制剂通过消除癌症治疗中的耐药性，增强抗肿瘤疗法对癌症患者的治疗效果〔55〕。而许多生物活性物质可促进自噬：雷帕霉素已被证实对细胞及生物体具有抗衰老作用，最新研究发现雷帕霉素通过增强自噬水平抑制ROS的产生，减缓紫外线诱导的成纤维细胞的光老化〔56〕；二甲双胍通过增强自噬减轻糖尿病肾病的氧化应激〔57〕；小檗碱通过抑制衰老中的神经炎症减轻术后的认知障碍〔58〕；尿石素A可以预防与年龄相关的肌肉功能丧失(肌肉减少症)并对脑衰老小鼠具有保护作用〔15，59〕。

流行病学显示，热量限制(CR)是一种维持人体健康水平的长寿因素，并且已经证实CR可以激活或改善自噬〔60〕。CR是指机体在不缺少生存所必需的营养物质的情况下，减少机体总热量摄入的30%～40%。基于mTOR在能量方面的敏感性，CR期间，mTOR活性降低，启动自噬。这有助于延长果蝇、蠕虫、昆虫、酵母、小鼠及灵长类等生物的寿命〔14,61〕。针对哺乳动物的大量CR研究结果显示，动物的组织器官中出现了不同程度的自噬，激活AMPK途径，增加自噬基因表达，维持血糖水平〔62～64〕，延长动物寿命，并且延缓衰老相关疾病的发病速度〔65〕。综上，自噬是维持体内平衡的重要机制之一，其异常可诱发多种疾病。大量研究证实在衰老机体中，增强自噬可以延缓衰老，适当调节自噬活力可以延缓疾病进程。但自噬在改善疾病方面目前仍处于探索阶段，很多结论仍存在争议。随着研究深入，自噬范畴不断扩大，但自噬在临床及生活中的进一步应用尚待探究，期望把其变成临床治疗和保健的有效手段，从而延长寿命。