《眼科新进展》  2017年8期 797-800   出版日期:2017-08-05   ISSN:1003-5141   CN:41-1105/R
自噬调控眼部疾病进程的研究进展


    细胞自噬分为三种方式:微自噬(microautophagy)、巨自噬(macroautophagy)和分子伴侣介导的自噬(chaperone-mediated autophagy)。细胞自噬一般都是指巨自噬,即底物蛋白被粗面内质网的无核糖体附着区脱落的双层膜包裹后形成自噬小体(autophagosome),自噬小体的外膜与溶酶体膜融合,释放包裹底物蛋白到溶酶体并最终在水解酶的作用下将其降解。自噬小体的形成是自噬过程发生的中心环节。自噬小体的形成需要自噬起始蛋白ULK1同自噬相关基因(autophagy-associated gene,ATG)-13、FIP200结合形成一种复合物接收诱导细胞自噬的信号,并招募下游ATG蛋白到自噬小体生成处,而后自噬相关基因ATG-7活化介导的ATG12-ATG5-ATG16 泛素连接系统使自噬体膜延长,微管相关蛋白1轻链3(microtubule associated protein1 light chain3,MAP1LC3,LC3)封存自噬体膜后与溶酶体结合,形成成熟自噬体发挥作用[1]。当细胞处于应激状态时,细胞的自噬水平会在短时间内迅速升高,即产生自噬潮。自噬的发生需要多种自噬相关蛋白参与,任何一种自噬基因的缺失或突变都会影响自噬相关进程从而造成各种眼病的发生[2]。本文就细胞自噬在眼部疾病发病机制中的作用进行综述,为今后眼病的临床治疗提供新的思路。
1 细胞自噬与白内障
    白内障是由晶状体代谢紊乱引起的、可导致晶状体内蛋白质变性、聚集从而使晶状体发生混浊、视物模糊的眼科常见病,是临床上首位致盲性眼病。线粒体的功能障碍或者不能降解时,存在于晶状体纤维细胞中的线粒体和其他细胞器可影响晶状体的透明度,从而导致白内障的发生[3]。晶状体细胞可通过自噬途径降解细胞器及异常聚集的蛋白质以维持晶状体的透明,自噬功能紊乱与白内障的发生发展密切相关。研究证实,细胞自噬发生在整个晶状体上,自噬可清除晶状体上皮细胞上受损的线粒体,降低晶状体发育过程中线粒体纤维细胞的分化[4],P62蛋白聚集被认为是自噬在各种组织中受损的标志[5-6],使用电镜和双标记共焦成像可发现线粒体内有自噬细胞囊泡的存在。研究表明,内体蛋白分选转运装置Ⅲ(ESCRT-Ⅲ)的亚基CHMP4B存在于细胞动力学桥(cytokinetic bridges)和微核上,后者可被溶酶体和自噬小体包围。位于微核上的CHMP4B可参与自噬溶酶体的降解,防止晶状体上皮细胞分化时DNA的降解,在白内障发生过程中对晶状体上皮细胞起保护作用[7]。突变的RagA GTP酶(RRAGA)在mTORC1信号通路中使溶酶体数量增加、抑制细胞自噬,RRAGA突变与常染色体占主导地位的白内障有关,并通过破坏mTORC1信号在白内障发生中发挥作用[8]。细胞毒性试验、免疫印迹分析、GFP/荧光蛋白LC3质粒免疫荧光分析表明,晶状体上皮细胞的自噬作用会引起氧化应激反应,而硫氧还蛋白结合蛋白-2(TRX-binding protein-2,TBP-2)的过表达可加强氧化应激作用,使细胞生存能力下降。TBP-2主要调节细胞自噬的起始阶段,敲除TBP-2会使自噬反应减弱[9]。上述研究表明,自噬参与了晶状体上皮细胞分化过程中细胞器的降解,对正常晶状体功能的维持具有重要作用,自噬功能的紊乱与白内障的发生密切相关。
2 细胞自噬与年龄相关性黄斑变性
    年龄相关性黄斑变性(age-related macular degeneration,AMD)是一种复杂的退化和进行性眼部疾病,通常不会导致患者完全失明,但可能导致中央视力严重丧失。AMD的特点是视网膜色素上皮(retinal pigment epithelium,RPE)细胞的变性、感光细胞受损以及对视觉中枢造成的不利影响[10]。研究表明,细胞自噬和异体吞噬作用在RPE中具有较高活性。慢性氧化应激、RPE溶酶体中蛋白沉淀聚积和炎症等因素均可损害细胞自噬和异体吞噬功能,从而导致AMD的发生[11-12]。巨噬细胞的损伤或者树突状细胞吞噬视网膜上不同种类的死亡细胞可能会导致细胞碎片的积累并加速AMD的发展。细胞自噬可使RPE细胞死亡后被巨噬细胞吞噬,并导致细胞内白细胞介素(interleukin,IL)-6、IL-8以及LC3-Ⅱ含量升高[13],GFP-LC-3阳性的自噬细胞群出现或使用糖皮质激素曲安奈德会增强自噬作用[14]。脂褐素荧光团(bis-retinoid N-retinyl-N-retinylidene ethanolamine,A2E)作为AMD中有毒脂褐质的主要组成成分,可随着年龄增长在RPE细胞中逐渐沉积。现已证实A2E是RPE细胞的危险信号,它可诱导细胞自噬作用并降低细胞的存活率[15]。使用氯喹可阻断细胞自噬的发生,3-甲基腺嘌呤(3-methyladenine,3-MA)可降低巨噬细胞的吞噬作用以抑制细胞自噬,并降低A2E诱导的自噬作用和LC3的含量,增加炎症相关蛋白过度表达。雷帕霉素则可增强A2E介导的细胞自噬作用,减少炎症相关因子如(细胞间黏附分子、IL-1β、IL-2、IL-6、IL-8、IL-17A、IL-22和基质细胞衍生因子-1)的表达和血管生成因子的表达,并可阻断Akt/mTOR信号通路。通过减少炎性细胞因子和血管生成因子的分泌可对RPE细胞起保护作用。n-3多不饱和脂肪酸的二十二碳六烯酸诱导细胞内活性氧水平的一过性升高,能激活氧化应激反应、增加NFE2L2 /Nrf2调节因子的表达,同时诱导SQSTM1/p62蛋白在细胞内聚集,进而增强自噬作用,减少AMD的发生[16]
3 细胞自噬与葡萄膜炎及其他炎症性眼病
    葡萄膜炎是眼科常见的致盲性眼病之一,是发生在虹膜、睫状体、脉络膜等部位的一类炎症性疾病的总称,是由T细胞介导的一类自身免疫性疾病。在免疫系统中,自噬作用有助于清除细胞内的病原体,同时有助于MHCII内源性抗原的交叉提呈以及细胞存活。研究证实,细胞自噬发生在T淋巴细胞中。在成熟的T淋巴细胞中自噬有助于细胞功能的调节,包括细胞存活和增殖[17]。基于复发性和单相性T细胞系基因(GSE19652)表达的差异性,其基因转移到易感动物中可能导致葡萄膜炎的发生。巨噬细胞上多种自噬基因的缺失会导致葡萄膜炎的发生,同时自噬作用中IL-1β分泌缺乏会加重葡萄膜炎[18]。与单相性葡萄膜炎相比,复发性葡萄膜炎的模型中细胞自噬作用增强[19],这与自噬在细胞质分层交互作用的编排有关。临床研究发现,中国汉族人群中白塞病患者的自噬相关基因ATG-5 rs573775与伏格特-小柳-原田综合征患者的自噬相关基因-10 rs4703863 有联系,ATG-5基因的变异体与ATG-5表达有关[20]
    棘阿米巴角膜炎是由棘阿米巴原虫引起的一种新的感染性角膜病,机体感染棘阿米巴原虫后产生相应的天然免疫与适应性免疫。研究证实,自噬与棘阿米巴性角膜炎的发生密切相关,是棘阿米巴细胞形成包囊必不可少的信号通路。泛素样蛋白自噬相关基因-8、自噬相关基因-8异构体、自噬相关基因-3和自噬相关基因-16L是棘阿米巴细胞中与自噬密切相关的分子。自噬相关基因-8是自噬机械(autophagic machinery)中必不可少的元件之一。透射电镜研究证实,3-MA和Wortmannin可抑制棘阿米巴细胞自噬,氯喹干扰自噬溶酶体的形成[21]
4 细胞自噬与青光眼
    青光眼是指眼压间断或持续升高的一种眼病,持续的高眼压会损伤眼球各部分组织和视觉功能,甚至导致失明。青光眼是导致人类失明的三大眼病之一,研究表明,自噬参与了青光眼的病理生理过程并导致细胞凋亡[22]。电镜观察发现,慢性眼压升高后,自噬体聚集在视网膜神经节细胞的树突和细胞质内;蛋白质印迹法分析表明,LC3-Ⅱ/LC3-1和自噬基因Beclin-1在慢性眼压升高后的8周内增加。LC-3 免疫染色后发现慢性眼压升高后,视网膜神经节细胞的胞质内自噬作用增强,并且在4周达到顶峰。在视网膜神经节细胞的树突内细胞自噬是最先被激活的,而细胞自噬在不同神经元调节机制不同[23]
    原发性开角型青光眼又名慢性单纯性青光眼,是一种神经退行性疾病,由MYOC基因突变导致,其特点是持续性高眼压造成的视网膜神经节细胞损伤并最终导致失明,是最常见的一种青光眼。用蛋白质印迹法分析青光眼视网膜中各种成分,发现与自噬有关的 LC3B-I和自噬基因Beclin-1等表达增加;透射电子显微镜分析结果表明,在视网膜神经节细胞层和内网状层发现有早期自噬泡和晚期或退化的自噬泡[24]。在内质网中,原发性开角型青光眼通过促进myocilin蛋白淀粉样变性,最终导致小梁网细胞死亡。突变或改变的翻译后修饰可以产生错误折叠的myocilin蛋白,内质网自噬是清除这些错误折叠myocilin蛋白的一条通路。因此,深入研究内质网自噬和myocilin蛋白的折叠可能成为治疗青光眼的途径之一[25]
5 细胞自噬与视网膜疾病
    自噬调节结构的完整性有利于维持视网膜感光细胞的生理功能,有助于改善视网膜疾病。视网膜疾病的主要表现为不同程度的视力障碍,其中光感受器的损伤是导致失明的主要原因[26]。研究证实,ATG-5是光感受器中重要的自噬基因。自噬功能的丧失会导致视杆细胞进行性退化,而视锥细胞的数量仅有少量的减少,但功能却显著下降。虽然缺乏自噬功能的视杆细胞的视紫红质抑制蛋白和转导蛋白的表达未受影响,但 ATG-5缺陷型视杆细胞会导致转导蛋白-α增多。当转导蛋白上光诱导作用减弱时,ATG-5缺陷型视杆细胞会抑制自噬作用。通过视网膜外植体培养细胞会抑制自噬作用以防止其退化。基底细胞的自噬作用是维持视杆细胞长期稳定和光转导蛋白-α保持在最佳水平的关键因素[27]。dram2编码一个跨膜溶酶体蛋白被认为在自噬启动过程中发挥作用,它可参与维护视觉功能的更新与循环[28]。ATG-7缺陷型RPE细胞形态异常,并伴随RPE厚度增加、细胞碎片和空泡形成[29];基因表达阵列分析发现有四种与RPE细胞自噬相关基因表达上调:BAX、NPC1、Casp3和EIF2AK3/PERK,提示自噬参与了视网膜疾病的发展进程。
    光感受器细胞会诱导激活缺氧诱导因子(hypoxia inducible factor,HIF)-1α,进而激活自噬下游相关基因。661W光感受器细胞缺氧会导致HIF-1α和HIF-2α水平增加以及LC3-II与LC3-I的转换增多。因此,HIF-1α可作为一个诱导自噬和减少光感受器细胞凋亡的早期响应信号[30]。研究证实抑制钙蛋白酶会导致细胞自噬作用增加,caspase-8活性降低,减少TUNEL阳性感光细胞,增加感光细胞存活率[31]。通过免疫沉淀反应和免疫印迹证明caspase-8可抑制光感受器的作用,其作用可被受体相互作用蛋白激酶介导的磷酸化激活。Necrostatin-1通过抑制受体相互作用蛋白1磷酸化和LC-3II作用保护光感受器细胞[32-33]。视网膜上感光细胞死亡增加与钙超负荷和蛋白酶活化有关,溶酶体标记的组织蛋白酶B的共区域化减少,表明在细胞死亡峰值达到之前溶酶体通透化。在光感受器细胞死亡之前,自噬体标记的LC3-II的表达减少,视网膜上自噬流(autophagy flux)被抑制[34],自噬体抑制物能减弱轴突的退化作用。因此,研究自噬在轴突退化中的作用可能成为治疗视神经炎的一种新方法[35]
6 细胞自噬与眼肿瘤
    视网膜母细胞瘤是一种来源于光感受器前体细胞的恶性肿瘤。常见于3岁以下儿童,具有家族遗传倾向,可单眼、双眼先后或同时罹患,是婴幼儿最常见的眼内恶性肿瘤,可表现为结膜内充血、水肿、角膜水肿、虹膜新生血管、玻璃体混浊、眼压升高及斜视等。本病易发生颅内及远处转移,常危及患儿生命[36]。研究表明,视网膜母细胞瘤细胞的生存活性与自噬呈正相关。长春新碱在相对较高的剂量时对人视网膜母细胞瘤细胞株HXO-RB44细胞自噬有抑制作用。氯喹和3-MA与长春新碱有协同作用,可通过自噬依赖途径抑制视网膜母细胞瘤的生长[37]。作为一种肿瘤抑制基因,MIR34A依赖性的抑制高迁移率族蛋白1表达下调并降低自噬、增强视网膜母细胞瘤的化疗效果[38]。抑制自噬能促进氧化作用、DNA损伤以及增加半胱氨酸蛋白酶3(CASP3)活性、CASP3裂解和 聚(ADP-核糖)聚合酶1解离。上调miR34a,抑制高迁移率族蛋白-1,或抑制自噬(如敲除ATG-5和BECN-1基因)能有效促进视网膜母细胞瘤细胞死亡,透射电镜观察也显示肿瘤细胞内存在自噬小体、脂滴、糖原聚集和核染色质解体[39]
    综上所述,随着对细胞自噬作用机制研究的日益深入,细胞自噬已被证实可影响细胞的生存,并在多种眼部疾病的发生发展进程中发挥重要作用。通过调控自噬的发展进程治疗眼部疾病已成为一种崭新的思路。然而,自噬参与眼部疾病的具体调控途径、作用方式尚未完全阐明,开展临床治疗还尚需时日。因此,深入研究细胞自噬在眼部疾病中的作用机制及调控方式对日后治疗及预防疾病有着重要的意义。