黄雷招唐德燊
《医学综述》2012年19期
【作者单位】：广东医学院附属医院肾病研究所
【摘要】：
活性氧簇与自噬的关系复杂，活性氧簇作为一种信号分子具有多种功能，不仅参与细胞的增殖和分化，还参与细胞内自噬的形成。现对活性氧簇与自噬的相关联系，包括调节自噬的活性氧分子，活性氧簇介导自噬的机制，以及活性氧簇和自噬在缺血/再灌注损伤、肿瘤和感染中的作用进行综述，以期为相关疾病的治疗提供新的策略。
传统观念认为，活性氧簇(reactive oxygen species，ROS)只是一类造成细胞损伤的有害物质，近年的研究发现，ROS作为一种信号分子不仅参与细胞的增殖分化，还与其凋亡等生理作用有关。自噬是一种依赖溶酶体对细胞内蛋白质和细胞器降解的过程，在生理及病理状态下发挥着重要的作用，维持机体内环境的稳定。新的研究表明，ROS作为信号分子参与细胞内自噬的调节。现对ROS与自噬的关系，以及ROS介导的自噬在相关疾病中的作用等进行综述。
1 ROS
ROS是体内一类氧的电子还原产物，是电子在未传递到末端氧化酶之前漏出呼吸链并消耗氧生成，包括氧的一电子还原产物超氧阴离子(O2-)、二电子还原产物过氧化氢(hydrogen peroxide，H2O2)和三电子还原产物羟自由基(·OH-)以及一氧化氮等。细胞内产生ROS的主要部位是线粒体，通过呼吸链上漏出的电子与O2结合生成ROS。除线粒体外，内质网和很多氧化酶类也可以产生ROS。ROS的生理作用研究表明，ROS参与细胞内应激反应，防卫有害物质的入侵，还可以激活转录因子(如激活蛋白1、核因子κB、c-Jun氨基末端激酶等)，调节细胞的生长和(或)凋亡。过多的ROS对细胞内各组分有损害作用，包括生物体的核酸、脂肪、蛋白质。尽管ROS的半衰期很短，但它可引起自由基链式反应，将其他物质变成自由基，从而引起脂质过氧化，导致细胞膜结构及其功能受到损伤，膜的通透性增加，细胞内离子平衡紊乱。损伤的DNA分子构型和完整性被破坏，导致细胞的死亡，神经退行性疾病及糖尿病的发生。
2自噬
Ashford等在小鼠肝细胞中观察到细胞自噬现象。自噬是细胞通过来源于自身粗面内质网、高尔基体等双层膜结构，包裹细胞内需要降解的细胞器、蛋白质等成分形成自噬体，然后与自身溶酶体形成自噬溶酶体，降解其所包裹的内容物的过程。自噬主要有三种形式：大自噬、小自噬和分子伴侣介导的自噬。在正常生理状态下，细胞内自噬表现出较低的水平；在应激状态下，细胞内的自噬水平会迅速上调，所以说自噬在很多生理过程(如清除多余蛋白质)及损伤衰老的细胞器上发挥着重要的作用。目前，Klionsky等在酵母细胞自噬相关基因(autophagy associatedgene，Atg)研究中发现并鉴定了20余种Atg，按照不同的功能分成三类：
①磷脂酰肌醇3磷酸激酶复合物；
②一对泛素样蛋白结合系统，包括Atg8和Atg12，与自噬泡的延伸和形成有关；
③一个丝苏氨酸激酶复合物，包括Atg1、Atg13和Atg17，与自噬的诱导相关。参与自噬的信号转导通路非常复杂，目前研究较为透彻的主要有两条：哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin，mTOR)通路和Ⅲ型磷脂酰肌醇三磷酸激酶/蛋白激酶B通路。
3 ROS与自噬
3．1 ROS在调节自噬中的作用
在生理状态下，ROS在信号通路、免疫应答以及基因调控等方面起着非常重要的作用。越来越多的研究发现，ROS不仅参与细胞的增殖、分化及凋亡等生理过程，还可作为一种信号分子参与细胞的自噬激活。自噬是一个众所周知的细胞内应激诱导的细胞保护机制，在氧化应激下，机体内大量的ROS产生，氧化蛋白质与损伤其功能，同时线粒体膜与细胞内其他细胞器受到损害，自噬激活并选择性降解这些氧化的蛋白质与受损的细胞器，维持细胞的稳态。Mathew等的研究表明，在iBMK细胞剔除自噬关键基因beclin-1和Atg5，可观察到细胞内大量积累异常的线粒体与ROS水平增高。另一项研究证实，在ROS清除系统异常的转基因小鼠体内，尽管细胞内ROS水平升高，但可通过激活mTOR，使自噬的产生增多，从而代偿性地清除多余ROS，维持细胞内正常功能。而ROS的过量累积会对细胞造成毒性伤害，可诱导过度的自噬产生直接导致细胞死亡。同时自噬在维持机体稳态方面发挥着重要作用，随着机体老化白噬的活性减弱，机体内的ROS及氧化蛋白不能被有效地清除，导致衰老及一些老年性疾病的发生。
3．2调节自噬的ROS分子
目前多数文献认为能调节自噬的自由基主要是H2O2和O2-，而O2-的半衰期很短且不稳定，能很快由超氧歧化酶催化成为较稳定的H2O2，而H2O2又进一步由过氧化氢酶催化成H2O2和O2。H2O2相对其他的自由基化学性质较稳定且半衰期较长，能自由通过线粒体。事实上它不仅作为信号转导分子在各种信号通路中发挥作用，还可诱导自噬的生成。Scherz-Shouval等研究发现，机体在饥饿状态下可通过Ⅲ型磷脂酰肌醇三磷酸激酶通路在线粒体内产生大量H2O2，H2O2通过氧化自噬相关蛋白Atg4，氧化的Atg4则不能降解与溶酶体膜共价结合的Atg8从而激活自噬。Zhang等研究发现，体外培养恶性胶质瘤细胞给予外源性H2O2刺激后能同时诱导自噬与凋亡的产生。qavaheri-Mergny等也同样证实给予外源性H2O2可调节自噬的形成。
近期的研究表明，线粒体产生的O2-可作为一种信号转导分子调节自噬。Kim等研究发现，抗癌药物亚硒酸钠可致恶性胶质瘤细胞线粒体的损伤，导致细胞内O2-的增多，诱导细胞内自噬的生成。Chen等研究在长期的饥饿/葡萄糖剥夺的状态下，机体内都能产生O2-的大量积累，O2-是主要的ROS分子调节细胞自噬的发生。
以上的研究表明区别不同的ROS种类很重要，这可帮助人们正确评估各个ROS分子在信号转导通路中的作用。目前检测分析ROS分子种类的方法较少且有局限性，新的实验方法亟待研究。
3．3 ROS调节自噬的分子机制
虽然许多研究显示ROS可以诱导自噬发生，但调节自噬机制还未阐明。研究表明，ROS可通过mTOR和Ⅲ型磷脂酰肌醇三磷酸激酶通路对自噬产生影响：在U251型人脑胶质瘤细胞中，H2O2诱导自噬是通过激活Ⅲ型磷脂酰肌醇三磷酸激酶信号通路，抑制磷脂酰肌醇三磷酸激酶/蛋白激酶B/mTOR通路中的蛋白激酶B和mTOR的活性；在C6型人脑胶质瘤细胞中，ROS诱导自噬是通过抑制依赖髓核细胞线粒体蛋白(Bcl-2/adenovirusE1B 19-kDa-interacting protein 3，BNIP)的mTOR通路。此外，研究发现促分裂原活化蛋白激酶也与自噬形成相关。一种新型的化合物可刺激肿瘤细胞中ROS的产生，通过激活细胞外调节蛋白激酶和JNK信号通路，从而诱导肿瘤细胞自噬性死亡。水飞蓟宾可以通过ROS-p38信号途径激活p53诱导HT1080型人纤维肉瘤细胞发生自噬型细胞死亡。在心肌细胞中，脂多糖诱导自噬产生，这一过程也受ROS-p38信号途径调节。
还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶家族产生的ROS可引起吞噬细胞膜脂质过氧化和细胞内细胞器损伤，这可能作为一种细胞信号激活自噬修复细胞膜的损伤。ROS还能与一些离子通道蛋白相互作用从而扰乱其正常功能。Grotemeier等认为细胞内Ca2+的增加通过腺苷酸活化蛋白激酶激活mTOR的抑制作用，表明ROS可能通过影响细胞内Ca2+含量而诱导自噬。
虽然研究证实ROS通过一些信号通路调节自噬，但是越来越多证据显示，ROS可能是通过某一条或多条信号通路相互交叉引起自噬，研究ROS的下游信号与自噬的交叉通路有助于确定ROS调节自噬的机制。
4 ROS介导的自噬与相关疾病
4．1缺血/再灌注损伤
心肌再灌注时有大量的ROS产生，造成BH3-Only蛋白(如BNIP3)调节的线粒体损伤。Vande等初次证实BNIP3介导非凋亡型细胞死亡，在心肌细胞中也观察到BNIP3介导细胞死亡的类似结果。Hamacher-Brady等在体外用HL-1心肌细胞证实BNIP3通过上调自噬和清除损伤线粒体启动应激反应对心肌缺血/再灌注起保护作用。Matsui等自噬在心脏缺血/再灌注期间不同的作用研究认为在缺血阶段自噬起着保护作用，而在再灌注阶段自噬却是有害的。再灌注期的氧化应激导致线粒体通透性转换孔和线粒体损伤，这可能与BNIP3(低氧诱导自噬的关键因子)有关，能够促进营养缺乏状态下自噬体的形成。然而，Quinsay等在研究人心肌细胞中BNIP3诱导细胞自噬的机制，发现在BNIP3诱导心肌细胞自噬模型中，BNIP3诱导自噬触发是不依赖于Ca2+、ROS产生和和线粒体通透性转换孔开放。现对BNIP5诱导自噬机制甚不明确。
4．2肿瘤
恶性肿瘤由于快速生成而血液供运不足，肿瘤细胞出现生长因子缺乏、供氧不足，诱发细胞内的自噬，通过降解胞内蛋白质及细胞器为肿瘤细胞的生长提供营养及能量。基因剔除Beclin-1或Atg5的上皮瘤细胞病死率并没有下降，但发生氧化应激时细胞病死率上升，原因可能是肿瘤细胞由于产生过多的ROS导致自噬性死亡。人们研究发现，肿瘤细胞在缺氧的状态下，产生的ROS可以激活缺氧诱导因子和核因子κB，使缺氧诱导因子或核因子κB胞内水平增多，导致上皮来源的肿瘤生成速度加快。而缺氧诱导因子通过活化BNIP-3诱导自噬的激活清除过多的ROS，有利于肿瘤细胞在缺氧条件下存活。所以自噬对肿癌细胞的作用是双面的，都可通过ROS的介导，是否可以通过调节自噬在抗肿瘤治疗上尚需进一步的研究。
4．3感染
近期研究表明自噬与胞内微生物感染的联系比较密切，一方面，自噬可以降解并清除细胞内的病原体；另一方面，有些病原体能够通过某种机制逃避自噬而利于生存。机体内的细胞依赖模式识别受体识别外源病原体，膜结合受体TLRs与胞内受体NOD样受体被激活后，能诱导ROS依赖性杀菌作用，并能诱导抗病原体的自噬产生。Lam等的近期研究显示，ROS参与自噬清除细胞内的病原微生物这一病理过程，老鼠骨髓来源的中性粒细胞在受到病原微生物入侵时，膜上的还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶激活产生的ROS，诱导细胞内自噬的发生，从而降解细菌的细胞膜和病毒的蛋白质，清除入侵病原体。另一项研究也证实在人中性粒细胞膜受到病原微生物感染时膜上的还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶激活产生ROS诱导自噬。因此，ROS在病原体诱导的自噬中起着重要的作用。
5结语
ROS可作为一种信号分子参与细胞自噬的激活，ROS介导的自噬在某种程度上对机体有积极作用，但过度的ROS能诱导自噬性细胞死亡，ROS诱导的自噬性细胞存活和死亡之间的关系仍待于进一步研究。尽管许多ROS介导的自噬产生途径被发现，但其诱导自噬的具体机制和通路还不是很清楚，需要不断地深入研究，以完善相关信号通路。ROS和自噬与人类疾病息息相关，可否通过影响机体内ROS水平来调节细胞内自噬，从而达到防治疾病的目的亟待研究。