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细胞自噬与肺纤维化

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生理科学进展2015年第46卷第4期 细胞自噬与肺纤维化水 张效云李琦 (河北北方学院生物化学教研室,张家口075000) 摘要 内质网应激、氨基酸饥饿、病原体感染等因素可诱导自噬的发生。真核细胞通过自噬途径清 除降解细胞内受损伤的细胞器、长寿命蛋白质和核酸等生物大分子。肺纤维化以成纤维细胞过度 增生、胶原蛋白过度沉积为特点,细胞自噬活化可以促进胶原的降解,抑制则引起胶原的大量堆积。 本文就细胞自噬的分子机制及与肺纤维化关系的最新进展做一综述,为肺纤维化的靶向治疗研究 提供新的思路。 关键词 细胞自噬;肺纤维化;细胞凋亡;IL.17 中图分类号R34;R392;R56 肺纤维化(pulmonary fibrosis,PF)是许多慢性 肺疾病发展的终末病理改变,是以肺泡上皮细胞持 续性损伤,成纤维细胞过度增殖,尤其是胶原过度沉 积为主要特征的肺部疾病。研究发现激活自噬能显 著改善博来霉素诱导的PF,并改善纤维化组织局部 炎症状况,自噬不足则引起细胞衰老和肌成纤维细 胞分化继而促进PF的发生 j。自噬在PF发生发 展中的作用逐渐被揭示,其已成为PF的研究热点。 一其与ULK1/2结合能力降低,从而抑制细胞自噬。 另一关键自噬诱导物PII(3C3复合物在Beclinl调 节的Ambral介导下通过动力蛋白dynein与细胞骨 架结合(Di等.2010)。营养缺乏时,mTORC1活性 被抑制,与ULK1/2复合物解离,Atgl3去磷酸化, ULK1/2复活,磷酸化Ambral,使PIK3C3复合物与 dynein和细胞骨架分离并定位到内质网 J,后者是 形成自噬小体分离膜的主要来源之一。最近发现 ATG16L1也参与了自噬小体膜的形成(Puff等. 2014)。 、细胞自噬 衰老、损伤的细胞器及生物大分子在溶酶体的 降解过程即为细胞自噬。通过自噬,产生的氨基酸、 脂肪酸和核苷酸又为细胞的合成代谢和细胞器的更 新提供了原料,也是营养缺乏的细胞获得能量的主 要方式。 (一)细胞自噬类型 哺乳动物细胞的自噬分 2.自噬小体的形成:自噬被激活后,经过自噬体 膜的形成、延伸和成熟三个阶段形成自噬小体。首 先PIK3C3、p150、Ambral和Beclinl形成PIK3C3复 合物,进一步与ATG14L、抗紫外辐射相关基因和 BAX作用因子1结合,激活PIK3C3并催化PI生成 PI3P,募集更多的自噬相关蛋白通过其PIP3结合域 结合到细胞内膜参与自噬泡的形成。ATG14还参 为三种,即分子伴侣介导的自噬、小自噬和大自噬。 大自噬在被降解物周围形成自噬小体,在一系列自 噬相关基因ATG产物介导下,与溶酶体膜融合形成 自噬溶酶体并降解其内容物,自噬体膜脱落后可再 循环利用。大自噬被作为疾病治疗的潜在靶点进行 与了自噬体膜融合机制(Diao等.2015)。 Atgl2-Atg5和Atg8一PE两个泛素样结合系统参 与了自噬体膜的延伸、成型和闭合。Atgl2在At 和Atgl0催化下与Atg5共价结合,并与Atgl6L1形 成Atgl2-Atg5一Atgl6 L1多聚体。Atgl2一Atg5一Atgl6 了更多的研究,本文以大自噬作为重点加以介绍。 (--)细胞自噬的发生机制 细胞自噬的核心 步骤是形成杯状双层分隔膜,并逐渐延伸形成自噬 小体,然后在细胞骨架微管网络系统的作用下与溶 酶体融合形成自噬溶酶体。 1.细胞自噬的起始:ULK1/2复合物是mTORC1 的作用底物。ULK1/2通过与Atg13、Atgl7相互作 Ll临时结合在延伸中的自噬小体的外膜上,在自噬 体形成后即从膜上脱落。LC3经Atg4水解后,被 At 激活,并经Atg3和Atgl2一Atg5一Atgl6 L1多聚物 作用,最终与PE结合形成LC3一II,后者是自噬活化 的标志物 。 张家口市科技局自然科学基金(12110046D一1)资助课题 用提高自身酶活性,从而激活自噬。营养充足时, PIK3C1激活mTORC1,后者可高度磷酸化Atgl3,使 生理科学进展2015年第46卷第4期 自噬小体一旦形成,则与内涵体融合形成两性体或 途径,提高TIGAR表达抑制了自噬的发生,并且促 直接通过微管系统运送到溶酶体与之融合形成自噬 溶酶体,内容物被各种水解酶降解,并由At 2等介 导降解的产物返回胞浆被重新利用。 (三)细胞自噬的 1.PI3Kcl/Akt/,mTOR信号途径:PI3KC1可通 过酪氨酸激酶受体、细胞黏附分子、G蛋白偶联受体 等活化,催化PI产生PIP2和PIP3。PIP3结合并激 活Akt和PDK一1,抑制自噬的发生。PTEN产物通过 对PIP2和PIP3去磷酸化拮抗PI3KCI的作用,抑制 Akt和PDK一1的活化(Li等.2010),从而解除对自 噬的抑制。 mTOR既可被Akt激活,也可通过抑制TSC2从 而活化Rheb激活mTOR信号通路。TSC2被磷酸化 后,Rheb处于GTP结合状态,mTOR活性增强,抑制 自噬的发生。 2.Beclinl核心复合物:Beclinl核心复合物包括 Beclinl、PI3KC3、Vpsl5、Atgl4L和UVRAG等。Bcl一 2及其家族成员与Beclin 1结合而减弱了后者与 PI3KC3的结合,抑制自噬的活化。当细胞受到饥饿 等刺激时,Jun被激活,磷酸化Bcl-2导致其与Beclin 1解离,从而激活自噬。同样Beclin 1的BH3结构 域也可被死亡相关蛋白激酶磷酸化修饰从而降低其 与Bcl—XL的亲和力(Zalckvar等.2009)。活化的 PI3KC3将PI磷酸化为PI3P,可以募集胞浆中含 FYVE或PX基序的蛋白质用于自噬体膜的形成。 另外,LKB1-AMPK通路、MAPK—JNK通路、 RAS.PKA信号通路和p53诱导糖酵解和凋亡调节 因子等在自噬的中也发挥着重要作用(Sanli 等.2014)。 二、自噬与PF的关系 (一)自噬在PF的成纤维细胞中并未被激活 IPF的发病机理与自噬有关,IPFⅡ型肺泡上皮细 胞ER应激和缺氧均可导致PF的发生 J。缺氧诱 导因子一1a是缺氧环境下自噬作用的主要因子 (Zhang等.2008),在PF中HIF一1a水平升高,可促 进PF的发展,而ER应激可诱导自噬的发生,推测 自噬在IPF过程中应该被诱导。Patel等 研究证 明IPF患者肺组织XBP1和p-AMPK表达水平升 高。XBP1是ER应激反应的重要蛋白,AMPK是自 噬的触发器,在ATP不足或合成降低时AMPK被磷 酸化激活。尽管如此,LC3 II表达却显著降低,p62 则明显升高,说明自噬并未被诱导。进一步研究发 现,TGF一131可能通过激活PI3KC1/Akt/mTOR信号 进细胞外基质的形成。 (二)自噬不足促进IPF上皮细胞的衰老和肌 成纤维细胞分化有缺陷的自噬促使成纤维细胞表 达过量的细胞外基质,提示自噬进一步参与了肌成 纤维细胞的分化 J。Araya等 利用Torinl作用 IPF患者化生上皮细胞,通过激活自噬能显著降低 衣霉素诱导的结合蛋白和p-elF2的表达水平,同时 抑制与衰老相关的B.半乳糖苷酶、磷酸化的组蛋白一 H2A.X和p21的表达。利用siRNA抑制LC3B和 ATG5基因表达则显著提高衣霉素诱导的细胞衰 老,说明诱导自噬能抑制内质网应激和内质网应激 诱导的细胞衰老。与Patel研究观点不同的是, Araya发现TGF—p可使肺成纤维细胞LC3 II表达增 高,而p62表达降低,诱导自噬的发生。利用siRNA 抑制细胞自噬,发现Ot一平滑肌肌动蛋白和I型胶原 的表达增高,但并不影响SA—B—Gal的表达,提示自 噬负性肌成纤维细胞分化,但并不明显参与成 纤维细胞衰老的调节。p21是细胞衰老进程的一个 重要的调节因子,进一步研究发现p21仅在IPF上 皮细胞表达增多,SA—B—Gal在IPF化生的上皮细胞 表达增多,利用3-MA抑制自噬,SA—B-Gal阳性细胞 数明显升高,表明自噬不足促进了IPF上皮细胞的 衰老。由此可见,如果诱导足够的自噬可能会成为 预防上皮细胞衰老和肌成纤维细胞分化进而干预 IPF发展的一种新的治疗手段。 (三)自噬与凋亡失调可导致PF 自噬和凋亡 通过复杂的机制在不同的生理和病理条件下细 胞的生长和死亡。成纤维细胞凋亡减少可能导致持 续的修复过程失调引发纤维化(Cha等.2010)。 Beclin.1是诱导自噬小体形成的PI3KC3关键成分, 当Beclin一1与抗凋亡蛋白Bcl一2结合时,PI3KC3为 失活状态,自噬无法活化。有研究报道Bcl-2在从 IPF患者肺组织分离培养的原代成纤维细胞中过表 达,但Beclin.1表达下降,Caspase 3表达并无变化, 而Bc1.2过表达被认为有利于抑制依赖Beclin一1的 自噬和自噬性细胞死亡 。用顺铂处理后,Beclin-1 和Caspase 3表达显著升高但不影响Bcl-2/Beelin-1 的结合,且吞噬泡、自噬小体和自噬溶酶体明显增 多【8J。上述实验提示肺成纤维细胞自噬和凋亡系 统失调是导致IPF发病机理之一,自噬和凋亡在PF 的发生、发展以及治疗过程中的作用,有待我们进一 步的探讨和验证。 (四)I1-17抑制自噬促进PF IL一17是由细胞 亚型-Th17产生的炎症因子,能够诱导促纤维化因 子TGF一131产生 J,促使胶原的合成和分泌,促进上 皮细胞发生上皮间质转化反应。Mi等¨。。发现在博 来霉素(BLM)诱导的PF组织中,IL.17A能够抑制 细胞自噬活性,阻断胶原降解。中和IL一17A,LC3 Ⅱ/LC3 I比值升高,细胞自噬活化,能够显著改善 小鼠PF并向有利于纤维化消退的方向进行。而利 用3-MA抑制自噬则能够逆转抗IL.17A中和性抗 体对PF的治疗作用。深入研究发现IL一17A能够通 过调节Beclin-1、PIK3和Bcl一2的表达和活化水平直 接抑制自噬活性,并抑制自噬相关蛋白参与的胶原 降解途径。“u等 u认为IL一17A通过激活PIK3C1 抑制GSK3B活性,进而促进GSK3B与Bcl-2的解 离,导致后者不能被泛素化降解,从而促使Bcl-2与 Beclin结合抑制自噬的发生,进一步加重PF。中和 IL一17A活性则降低Bcl-2表达,促进其与GSK3B的 相互作用,激活自噬。由此可见,IL.17A可能会成 为预防和治疗PF的新的靶点。 (五)其他 选择性自噬如内质网自噬和ag— grephagy也可能在IPF中发挥作用。Araya等研究 发现IPF患者肺组织泛素化蛋白和p62明显升高, LC3 lI表达却显著降低。而IPF患者Ⅱ型肺泡上皮 细胞显示出重度内质网应激(Korfei等.2008),这 些机能失调的上皮细胞促进了纤维化重建(Lawson 等.2011)。目前,对于内质网自噬的诱导机制及作 用机制的直接证明尚未完全清楚,还需进一步研究。 最近研究发现 黄连素之所以能改善BLM诱 导的PF,是通过拮抗TGF.131介导的Smad和依赖 FAK的PIK3/Akt-mTOR信号途径完成的。黄连 素能降低 一SMA、纤维连接蛋白和胶原蛋白I 和Ⅲ的表达从而逆转BLM诱导的PF,推测黄连 素可能参与了自噬的起始机制从而抑制自噬的 发生。 三、展望 自噬是存在于正常细胞生长分化和生理病理过 程中的生命现象。对细胞自噬的研究具有重要的理 论意义和极高的临床应用价值。尽管从分子水平对 其发生机制和的研究有了较多的认识,但其详 细的作用机制尤其是在内质网应激、氧化应激、营养 不足等内外因素作用下,探讨PF与细胞凋亡与自 噬的相互作用关系,细胞因子尤其是IL.17在PF形 成过程中如何发挥其免疫作用和机制等方面尚需进 一步研究。相信对于自噬相关分子机制的深入 生理科学进展2015年第46卷第4期 探讨有望为治疗PF提供新的靶点和方向,利用化 疗联合免疫疗法激活细胞自噬有可能为PF乃至其 他脏器纤维化的治疗提供新的途径和治疗方案。 参考文献 1 Araya J,Kojima J,Takasaka N,et a1.Insufifcient autoph- agy in idiopathic pulmonary fibrosis.Am J Physiol Lung Cell Mol Physiol,2013,304:56~69. 2 Ghavami S,Shojaei S,Yeganeh B,et a1.Autophagy and apoptosis dysfunction in neurodegenerative disorders.Prog Neurobiol,2014.112:24~49. 3 Nakatogawa H.Two ubiquitin—like conjugation systems that mediate membrane formation during autophagy.Essays Bio— chem,2013。55:39~50. 4 Tanjore H,Blackwell TS,Lawson WE.Emerging evidence for endoplasmic reticulum stress in the pathogenesis of idio— pathic pulmonary fibrosis.Am J Physiol Lung Cell Mol Physiol,2012,302:L721一L729. 5 Patel AS,Lin L,Geyer A,et 81.Autophagy in idiopathic pulmonary fibrosis.PLoS One.2012,7:e41394. 6 Del Principe D,Vona R,Giordani L,et a1.Defective auto— phagy in fibroblasts may contribute to fibrogenesis in autoim— mune processes.Curr Pharm Des,2011,17:3878~3887. 7 Pattingre S,Tassa A,Qu X,et a1.Bcl-2 antiapoptotic proteins inhibit Beclin 1・dependent 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