《眼科新进展》  2019年10期 984-987   出版日期：2019-10-05   ISSN:1003-5141   CN:41-1105/R
自噬的分子机制及其在糖尿病视网膜病变中的作用


        近年来，随着经济发展和生活水平的提高，全球糖尿病（diabetes mellitus,DM）的发病率逐年上升，已成为全球威胁人类健康的三大慢性非传染性疾病之一［1］。截止到2015年，全球范围内，每11名成年人中就有1人患有DM（共计4.15亿），DM患病率高达8.8%［2］。通过交错复杂的分子机制，DM可引起诸多微血管损害，其中，以糖尿病视网膜病变（diabetic retinopathy，DR）最为常见，且危害最大。作为重要的致盲眼病，DR相关研究一直是眼科学界及内分泌领域研究的热点。临床已发现高血糖、高血压、高血脂等是DR发病的危险因素，诸多信号转导通路参与其中，但DR确切的分子机制及致病机制至今尚未完全阐明［3-4］。近年研究发现，自噬作为机体重要的防御反应机制，参与了DR的发生发展，与氧化应激及缺氧等途径密切相关［5］。因此，本文对自噬的分子机制及其在DR中的作用进行综述。
1　自噬及其分子机制
        自噬是一种重要的体内细胞平衡过程，通过溶酶体系统代谢胞质蛋白来维持细胞内稳态，包括一系列连续的步骤，对于降解和循环细胞物质是必不可少的［6］。自噬是进化上相对保守的分解代谢过程，其允许去除溶酶体中的胞质蛋白和功能性细胞器降解。基本上，自噬是一种适应性反应，在压力条件下，保证了衰老和受损细胞器的生理循环，从而通过各种交叉信号控制细胞的命运［7］。在机体新陈代谢的过程中，自噬有以下作用：自噬可以维持蛋白质和细胞器周转之间的平衡，其降解的产物可以提供物质能量循环；自噬可以维持细胞内环境的稳定；另外，自噬不但能够清除细胞质内病原体，影响先天性免疫和适应性免疫，而且可以对亚细胞水平进行重新构造，对已经受损的细胞实施保护；同时也可以引诱细胞的主动性灭亡［8-9］。
1.1　自噬的分类　由于细胞物质进入溶酶体内的途径不同，迄今为止，自噬的主要类型可分为微自噬、巨自噬和分子伴侣介绍的自噬（chaperone-mediated autophagy，CMA）［10］。具有代表性的是巨自噬，它是细胞降解胞质聚集蛋白和受损细胞器分解溶酶体的途径，由自噬体与溶酶体融合成自溶酶体，进而降解其内容物的过程。受饥饿等刺激时，细胞可发生微自噬，即细胞质内容物被溶酶体直接嵌入，形成单膜囊泡并迅速降解［11］。而分子伴侣介导的自噬仅存在于哺乳动物细胞中，由胞质内蛋白结合到分子伴侣后被转运到溶酶体腔中，然后被溶酶体酶消化［12］。与前两种不同，CMA是一种独特的自噬选择性形式，通过这种方式，特定的胞质蛋白逐个通过溶酶体膜进行降解。
1.2　自噬的调节及信号转导途径　自噬的调节机制是非常复杂的，涉及许多通路在不同步骤的配合，而雷帕霉素靶蛋白（mTOR）是自噬的起始阶段［5］。mTOR存在2种不同的信号复合物，mTORC1和mTORC2，前者与自噬的关系更为紧密。而氨基酸的摄入程度、细胞的能量状况均可以调控mTORC1的活性。当细胞缺失葡萄糖时，ATP/AMP值降低，为获取能量，AMP活化蛋白激酶（AMPK）的自噬系统就会启动。而mTOR是AMPK的作用底物，可以通过影响mTOR的活性来调节自噬的水平［13］。自噬的信号转导途径主要有mTOR、PI3K/Akt、ROS、NF-kB等信号转导通路，此外，Ras/蛋白激酶A（PKA）、c-Jun氨基末端激酶（JNK）、毛细血管扩张性共济失调突变蛋白激酶（ATM）等信号转导通路也与自噬的发生密切相关［14］。
1.3　自噬相关基因　与自噬有关的基因多种多样，基因在不同的领域范畴均有体现。自噬相关基因（Atg）是自噬的核心分子机制，它可以介入隔离膜的构成、细胞质的吞噬、自噬小泡的构成和溶酶体的融合。部分自噬相关基因在自噬中的功能见表1［15-26］。



2　自噬与DR的相关性研究
2.1　自噬与氧化应激　氧化应激在DR的发生、进展过程中发挥着举足轻重的作用。高糖是DR的主要危险因素，它可以引起线粒体活性氧（reactive oxygen species,ROS)产生增加，促进氧化应激，诱发病理性自噬，导致血管内皮细胞的损伤。视网膜上有大量不饱和脂肪酸，其摄氧量和葡萄糖的氧化作用都相对较其他组织高，故视网膜对氧化应激尤其敏感。氧化应激产生于ROS的产生与消除之间的不平衡。正常情况下，代谢产生的ROS均能被清除系统清除，但当ROS产生过多时，平衡机制失调，引起组织损伤、线粒体堆积、细胞功能失调或凋亡等，进而发生氧化应激性损伤［27］。氧化应激能诱导线粒体自噬，并且可以在一定程度上通过对受损线粒体清除的方式来对细胞进行保护［28］。DR患者ROS程度升高，增加的ROS会进一步损害线粒体DNA和蛋白，进而改变电子传递链，电子传递链会连续产生大量ROS，从而发生恶性循环，引发DR的氧化应激性损伤。ROS可诱导细胞过度自噬，外源性H2O2可激活PERK，抑制mTOR活性，诱导自噬。尤其是在饥饿状态下，H2O2可以将自噬相关基因Atg4氧化后，抑制LC3-Ⅱ去脂化，保证自噬体的形成，进而使毛细血管内皮细胞发生凋亡和坏死，引起血管损伤，造成视网膜缺血缺氧，导致视网膜内新生血管形成、纤维化和视网膜脱离等，从而引发DR［29］。同时氧化应激也介入了其他与DR密切相关的代谢通路，如多元醇、晚期糖基化终末产物（AGEs）、蛋白激酶C（PKC）途径等。以上机制的配合介入，彼此交织，影响了DR的发生和发展。
2.2　自噬与视网膜新生血管形成　血管内皮生长因子（vascular endothelial growth factor,VEGF)是内皮细胞最具有特异性的生长因子，可以诱导血管生长。视网膜毛细血管局部缺氧致使VEGF水平升高，VEGF的释放导致病理血管生成不规则和结构异常，促使血管通透性增加，血管容易渗漏，导致液体在视网膜堆积，新生血管生成。因新生血管无正常的管壁结构，极易出血并导致视力下降，进而引发血管瘢痕化萎缩，造成牵拉性视网膜脱离等。因此，VEGF在DR中扮演非常重要的角色，也是现阶段DR治疗的重要靶点之一。最新研究表明，高血糖可上调自噬底物（p62/SQTSM1）的表达水平，诱导VEGF大量释放及Müller细胞的代谢性死亡。这表明，溶酶体功能障碍和自噬调控异常在DR早期即有参与［19］。王慷慨等［30］研究发现，经VEGF处理可显著增加Beclin-1、ATG4、ATG5、LC3-Ⅱ等自噬基因的表达，而自噬抑制剂3-甲基腺嘌呤（3-MA）处理后则抑制了VEGF介导的HUVECs管型形成和细胞迁移能力，表明VEGF可以通过自噬诱导内皮细胞管型的形成，进而影响DR的发生与发展。此外，通过猴视网膜血管内皮细胞的体外实验发现，高糖能够激活内皮细胞自噬，促进体外新生血管形成，通过抑制自噬能够抑制细胞迁移和管腔构建［31］。这些研究均表明，自噬参与了DR新生血管的形成。同时，也为自噬成为眼底新生血管性疾病治疗的新靶点提供了可能。
2.3　自噬与缺氧　缺氧在DR中的作用已得到广泛认可，微血管细胞的损害导致微血管扩张、渗漏，进而微血管闭塞，视网膜出现大片无灌注区，导致视网膜缺血缺氧，进而产生新生血管。而缺氧诱导因子1α（hypoxia induction factor-1α，HIF-1α）是在缺氧环境条件下被激活且能稳定存在的一种转录因子，缺血缺氧可以诱导HIF-1α的表达，进而促进VEGF的激活，对DR中新生血管的形成极其重要。HIF可上调促自噬蛋白（BNIP3和BNIP3L）的表达，继而将Beclin1从Bec-2蛋白的结合中释放出来，被激活的Beclin1可参与到自噬体形成中，诱导自噬发生。反之，当BNIP3和BNIP3L敲除时，自噬会显著减少［32］。DR患者长期受ROS、炎症、内质网应激的影响，氧化应激通过ROS-HIF-1α-VEGF-VEGFR2信号通路或直接通过ROS-VEGFR2通路，均可导致新生血管的生成。组织缺氧可以控制HIF-1可羟基化和调节蛋白的水平和活动［33］。在DR中，HIF-1α与VEGF的表达息息相关，同时与氧化应激也极为密切。有研究表明，Akt活化后通过其两种下游分子HDM2和p70S6K1来诱导HIF-1α和VEGF表达，而mTOR作为Akt信号通路的重要下游因子，通过参与Akt通路可以诱导HIF-1α和VEGF的产生［34-35］。mTOR可能通过调节HIF-1α，进一步调节VEGF以影响新生血管生成，促进细胞增殖。但mTOR通过HIF-1α和VEGF参与到DR病理生理过程的确切机制还有待进一步研究。
2.4　自噬与胰岛B细胞的损伤　高血糖是DR的高危因素，它可以使视网膜毛细血管大量闭塞，视网膜组织缺乏血液供应，出现营养失衡，造成视网膜缺血缺氧，引起DR。胰岛B细胞功能下降是2型DM的主要机制，它取决于B细胞的数量和B细胞分泌胰岛素的本领。而自噬是体内外应激的主要机制之一，在维持胰岛B细胞活性及数量中有重要作用。在病理条件下，胰岛素抵抗程度增加，胰岛B细胞自噬水平也随之提高，进而胰岛B细胞受到保护，防止其死亡。Liang等［36］研究证实，在自噬缺损的胰岛B细胞中，线粒体功能会发生异常，ATP和NADPH2产生减少，进而诱导细胞凋亡和细胞周期的阻滞。因此，激活自噬，清除受损线粒体，增强线粒体的功能，从而改善胰岛素抵抗是细胞避免损伤的重要机制。
2.5　自噬与脂质代谢紊乱　DM患者常伴有脂质代谢紊乱，出现脂质代谢异常。当机体代谢异常时，体内抗氧化物质发生过度消耗，导致抗氧化防御系统作用减弱，使低密度脂蛋白（low density lipoprotein,LDL)易被氧化成氧化型LDL（oxidized-LDL,ox-LDL）。LDL的氧化，对视网膜微血管造成了一定程度的损伤，如出血、渗出、微血管瘤等视网膜微血管病变，与疾病的严重程度成正比。在增殖型DR中，ox-LDL存在于所有视网膜层，与巨噬细胞共存。ox-LDL可以促进VEGF的表达，进而加快视网膜毛细血管内皮细胞的增生，导致新生血管的形成，加快DR的发展［37］。ox-LDL可以诱导巨噬细胞发生自噬，在自噬被抑制后，自噬介导的细胞质脂滴向溶酶体转化，水解成游离的胆固醇排出［38］。但ox-LDL通过自噬如何影响DR的机制还比较模糊，需进一步阐明。
3　自噬在DR中的调节机制
        自噬在DR中具有不可替代的作用，因此，对自噬在DR中机制的研究也就显得特别重要。mTOR是一种控制细胞生长和代谢的细胞质激酶，是细胞生长和增殖的关键调控因子，可以控制细胞生物能量增长或减弱。在DR中，mTOR 在诱导自噬的信号转换中起核心作用，尤其是mTOR复合体1（mTORC1）。ULK-Atg13-FIP200复合物介导的自噬调控途径是mTORC1的直接靶蛋白，对自噬的启动有重要作用。mTORC1通过磷酸化Atg13使其不能与Atg1结合形成自噬体，从而阻断自噬，mTOR抑制剂雷帕霉素（RAPA）可阻断上述途径而诱导自噬发生［39］。除mTOR调节机制外，有研究证实，Class Ⅲ PI3k可通过与调节亚基结合形成有活性复合物而促进自噬形成［40］。此外，亦有AMPK直接磷酸化ULK1及脱乙酰酶Sirt1等多种自噬激活途径参与其中［41］。
4　自噬在DR中的临床应用及前景
        自噬在DR的发生发展中起至关重要的作用。氧化应激、炎症等均可诱导自噬，而mTOR信号通路是自噬的主要通路。雷帕霉素是mTOR的抑制剂，可以对抗DM诱导的氧化应激损伤，从而减少调节血管生成的细胞因子［42］。同时，雷帕霉素还可抑制HIF-1α和视网膜细胞的衰老，从而破坏视网膜和脉络膜的新生血管。但雷帕霉素在DR的研究目前只存在于动物实验阶段，还未在临床应用中展开。期望它有望成为治疗新生血管的新药。同样，HIF-1α能诱导VEGF的激活，导致新生血管的形成，因此，深入阐明HIF-1α与自噬在DR中的作用机制及关系，有助于进一步阐明DR的发病机制，找寻更有效的临床药物靶点，为DR患者带来新的曙光。