自噬是胞质内成分被转运至溶酶体内降解为初级成分的过程,以维持细胞内稳态和能量产生,其三条通路包括巨自噬、分子伴侣介导的自噬和微自噬。自噬参与到某些肾脏疾病的病理过程中,如急性肾损伤、糖尿病肾病和常染色体显性遗传多囊肾病(autosomal dominant polycystic kidney disease, ADPKD)。ADPKD由Pkd1或Pkd2基因的突变引起,致使细胞内钙离子稳态失衡,进而导致肾囊泡的形成及生长。一些涉及囊泡生长的信号通路也参与自噬的调节,因此PKD的病理机制与自噬存在密切联系。本文主要对PKD与自噬的调节以及自噬与凋亡、mTOR信号通路及纤毛功能之间的关系等方面的研究进展进行综述。 Autophagy is the process that cytoplasmic components are transported into lysosomes and de-graded to primary components, maintaining the cellular homeostasis and energy production. The three pathways of autophagy include macroautophagy, chaperone-mediated autophagy, and microautophagy. Autophagy is involved in pathogenesis of several important renal diseases, such as acute kidney injury, diabetic nephropathy and autosomal dominant polycystic kidney disease (ADPKD). ADPKD is caused by mutations of Pkd1 or Pkd2, resulting in the imbalance of intracellular calcium and furthermore the formation and growth of cysts. Several pathways involved in cyst growth also play a role in autophagy, thus implying the association of pathogenesis of PKD and autophagy. Overall, we reviewed the suppressed autophagy in PKD, and the relation between autophagy and apoptosis, mTOR signaling pathway, and ciliary function in PKD.
黄明,杨宝学*
北京大学基础医学院药理学系,天然药物及仿生药物国家重点实验室,北京
收稿日期:2016年1月1日;录用日期:2016年1月15日;发布日期:2016年1月19日
自噬是胞质内成分被转运至溶酶体内降解为初级成分的过程,以维持细胞内稳态和能量产生,其三条通路包括巨自噬、分子伴侣介导的自噬和微自噬。自噬参与到某些肾脏疾病的病理过程中,如急性肾损伤、糖尿病肾病和常染色体显性遗传多囊肾病(autosomal dominant polycystic kidney disease, ADPKD)。ADPKD由Pkd1或Pkd2基因的突变引起,致使细胞内钙离子稳态失衡,进而导致肾囊泡的形成及生长。一些涉及囊泡生长的信号通路也参与自噬的调节,因此PKD的病理机制与自噬存在密切联系。本文主要对PKD与自噬的调节以及自噬与凋亡、mTOR信号通路及纤毛功能之间的关系等方面的研究进展进行综述。
关键词 :自噬,常染色体显性遗传多囊肾病,凋亡,mTOR,纤毛
自噬是胞质内成分被转运至溶酶体内降解为初级成分的过程,以维持细胞内稳态和能量产生,是一种高度保守的生理性代谢过程。自噬在多数细胞中以基础水平发生,通过消除蛋白质聚集体和损伤的细胞器以维持胞质内稳态 [
近年来的研究表明,自噬在正常的机体生理过程中发挥重要作用,在对外界应激的状态下保持细胞存活。在正常情况下哺乳动物体内存在自噬,而在饥饿或其他病理状况如缺血、中毒、免疫和氧化应激情况下能激活自噬 [
自噬的三条通路包括:巨自噬、分子伴侣介导的自噬(chaperone-mediated autophagy, CMA)和微自噬。巨自噬是研究最多的一条自噬通路,它组成了一个较为完整的长寿命胞质蛋白和功能失常细胞器的降解系统。巨自噬的发生水平随年龄下降,致使与细胞寿命相关的废物聚积 [
分子伴侣介导的自噬涉及到可溶性胞质蛋白依赖于分子伴侣的选择性降解。胞质分子伴侣热休克同源蛋白70kDa(Hsc70)识别底物蛋白中CMA的靶向序列,并将Hsc70和蛋白复合物靶向于溶酶体表面。复合物结合溶酶体相关的2A型膜蛋白(lysosome-associated membrane protein type 2A, LAMP-2A),导致底物蛋白的解聚和LAMP-2A的变构。后者形成一种有活性的易位复合物,底物蛋白通过此复合物进入到溶酶体,继而发生溶酶体内蛋白酶的降解 [
微自噬是一种非选择性的降解过程。它通过溶酶体膜直接吞噬胞质内物质,内陷为自噬管。维持细胞器的大小、细胞膜的内稳定性和在氮气限制情况下细胞的存活是微自噬的主要功能。然而,微自噬在哺乳动物细胞内的确切生理功能尚不完全明确 [
目前有研究表明自噬与某些肾脏疾病如急性肾损伤、糖尿病肾病和多囊肾病的病理进程相关。然而,对于自噬如何发挥作用仍在探究之中。
常染色体显性遗传多囊肾病(autosomal dominant polycystic kidney disease, ADPKD)由Pkd1或Pkd2基因的突变引起,两个基因分别编码多囊蛋白1 (polycystin-1, PC1)和多囊蛋白2 (polycystin-2, PC2)。Pkd1突变约占ADPKD患者的80%~85%,而Pkd2占15%~20% [
囊泡的生长机制涉及到mTOR、血管加压素、环腺苷酸、生长因子、caspases和凋亡等 [
在ADPKD中由于囊泡扩张,组织存在局部低氧。ADPKD终末期肾病患者红细胞生成素水平升高,肾脏囊泡表皮细胞缺氧诱导因子(hypoxia-inducible factor-1α, HIF-1α)表达亦升高 [
Belibi等通过电镜、免疫荧光和免疫印迹法检测LC3-II和BECN1,观察到大鼠和小鼠的多囊肾中自噬的存在,同时也探究了HIF-1α与自噬的关系 [
溶酶体抑制剂菌丝霉素A1对于cpk小鼠肾脏LC3-II的水平并无影响,从而证明PKD的自噬缺陷源于自噬体–溶酶体的融合与降解受到阻滞。另外,在异源性Han:SPRD大鼠肾脏PKD的早期阶段出现凋亡,而LC3-II的水平并未增加,反而是在同源性PKD肾脏疾病的晚期阶段发现有增加。表明凋亡延缓了Han:SPRD大鼠PKD肾脏中自噬的发生。
在ADPKD囊泡的发生发展过程中,细胞凋亡发挥了重要作用。研究表明,凋亡促进了PKD囊泡的形成 [
近年来,有研究对PKD中突变的基因Pkd1与凋亡之间的关系进行了探讨,发现敲降Pkd1基因的细胞凋亡增加,且形成囊泡,而人类Pkd1基因的表达减缓囊泡增大并降低其细胞凋亡水平 [
而调节PKD中凋亡的许多信号分子如BCL2家族蛋白同时也调控自噬 [
一般来说,mTOR的激活会抑制自噬潮,mTOR及自噬信号通路亦与细胞内溶酶体的定位相关 [
mTORC1抑制剂雷帕霉素或其类似物在Han:SPRD大鼠和Pkd1或Pkd2敲除的PKD动物模型中具有保护PKD及预防肾衰的作用 [
除了在PKD中mTORC1的信号传导增强,mTORC2活性标志物pAKT1 Ser473表达增加反映出mTORC2的信号通路也激活 [
纤毛是一种指状微管结构,从肾小管上皮细胞的顶膜伸入肾小管腔,与尿液有直接接触。PKD中两种突变蛋白PC1和PC2即位于初级纤毛上,感受液体流动变化出现异常从而导致病变 [
PKD中mTOR信号通路激活,而纤毛弯曲下调了mTOR信号通路,且不依赖于钙离子内流和Akt [
Tang等 [
在ADPKD中,除了凋亡、mTOR信号通路及纤毛功能缺陷与自噬存在联系之外,已知可调控自噬的蛋白在PKD肾脏或细胞中也具有一定作用 [
MAPK8是凋亡和自噬的调节因子。在PC-1敲除的MDCK细胞中可见MAPK8介导的凋亡增加,提示PKD中MAPK8与自噬的联系 [
Cebotaru等研究发现PC1以一种自噬依赖的途径控制了PC2的降解,而PC1突变体并无此功能,但PC1一般并不激活自噬。当PC1表达时,不结合PC1的PC2靶向于聚集体,通过自溶酶体依赖的自噬途径所降解,进而在ADPKD的病理进程中发挥作用 [
此外,ADPKD是结节性硬化症(tuberous sclerosis, TSC)和Von Hippel-Lindau综合征(VHL)的一个特征。在TSC中肿瘤发生是自噬依赖性的,抑制自噬相关蛋白ATG4或BECN1能降低肿瘤发生 [
自噬的功能是在细胞受到外界刺激下保持细胞存活,对于维持肾脏细胞内稳态,活性和生理功能十分重要。在PKD病理状态下肾脏中自噬功能出现抑制,Pkd1敲除细胞对自噬应答缺失,且纤毛功能障碍下自噬激活受损,以及自噬诱导剂能减少囊泡生长,这些研究都证明PKD疾病状况下自噬受到了抑制。诱导自噬可能通过减少凋亡和增殖或促进纤毛发生,在抑制囊泡生长方面发挥一定的有利作用。但是关于自噬在PKD病理发展过程中发挥作用的机制,以及与凋亡的关系目前研究尚不明确,期待未来更多研究者对自噬在PKD中的作用进行深入的探究,从而为PKD提供新的治疗靶点。
国家自然科学基金(No. 30870921, 81170632, 81261160507)、科技部国际科技合作与交流专项(No. 2012DFA11070)。
黄 明,杨宝学. 自噬与ADPKD Autophagy and Autosomal Dominant Polycystic Kidney Disease[J]. 生理学研究, 2015, 03(04): 19-26. http://dx.doi.org/10.12677/JPS.2015.34004