神经外科

自噬在脊髓损伤中的作用及研究进展

作者:佚名 来源:MedSci梅斯 日期:2021-01-13
导读

         脊髓损伤可导致受伤脊髓节段以下严重的肢体功能障碍,脊髓损伤后损伤部位会有大量的活性氧聚集,细胞膜的脂质过氧化反应又可以生成具有细胞毒害作用的氧化自由基,细胞内自由基的增多会导致线粒体蛋白变性及细胞核内DNA的破坏,最终结局是导致细胞产生不可逆的损害甚至死亡。 自噬是一种溶酶体介导的分解代谢途径,可吞噬细胞质内变性的蛋白质和凋亡的细胞器,在各种形式的应激反应中保持平衡。自噬在脊髓损伤中发挥了重要作

关键字:  脊髓损伤 

        脊髓损伤可导致受伤脊髓节段以下严重的肢体功能障碍,脊髓损伤后损伤部位会有大量的活性氧聚集,细胞膜的脂质过氧化反应又可以生成具有细胞毒害作用的氧化自由基,细胞内自由基的增多会导致线粒体蛋白变性及细胞核内DNA的破坏,最终结局是导致细胞产生不可逆的损害甚至死亡。

        自噬是一种溶酶体介导的分解代谢途径,可吞噬细胞质内变性的蛋白质和凋亡的细胞器,在各种形式的应激反应中保持平衡。自噬在脊髓损伤中发挥了重要作用,自噬可通过抑制细胞凋亡和炎性反应来减轻脊髓损伤程度。

1.自噬

        20世纪50年代,比利时科学家Christiande Duve通过电镜观察到自噬体结构,首次提出了“自噬”这种说法。自噬是一个动态的过程,通常称之为自噬流,它包括自噬体的形成、自噬体与溶酶体的融合和自噬溶酶体的降解三个过程。细胞自噬又称Ⅱ型程序性细胞死亡,它参与了多种疾病的发生和发展。

        1.1自噬主要标记物

        1)微管相关1蛋白轻链3(microtubule associated protein 1 light chain 3,LC3),LC3蛋白位于自噬前液泡和自噬液泡的膜表面参与自噬体的形成。LC3蛋白有两种类型:LC3Ⅰ和LC3Ⅱ。当自噬发生时,LC3Ⅰ经过泛素样变化与磷脂酰乙醇胺共同结合形成LC3Ⅱ并绑定到自噬小体的液泡膜表面。因此,LC3Ⅱ的表达或LC3Ⅱ与LC3Ⅰ的比值能够直接反映自噬的激活程度。

        2)Beclin1是自噬的正性调节因子,通过控制自噬体的形成调节自噬活性,在自噬的起始阶段起重要作用。在神经元、星形胶质细胞和少突胶质细胞均能观察到Beclin1的表达。

        3)自噬转运体泛素结合蛋白p62(由SQSTM1编码)是核因子相关因子2(Nrf2)的转录靶点,它通过其泛素结合域(UBA)与泛素化物质相互作用,并通过LC3相互作用序列将其招募到自噬体中降解。p62作为自噬的底物,它的增加反映了自噬体降解的中断。

        4)ATG系列基因,ATG9是介导自噬小体形成中的一个重要蛋白,ATG3、ATG4、ATG7共同催化LC3的脂化,而这一蛋白随后积累在自噬小体膜上并结合待降解产物以便进行自噬性降解。另外,ATG7、ATG10共同促进ATG5-ATG12-ATG16L1复合物的形成,这一过程有助于自噬小体的延伸。在人类基因组中,ATG4有四个独立的基因编码(4a、4b、4c和4d),其中ATG4b可以激活LC3并将LC3-Ⅱ从自噬体中去除,以便循环利用以诱导自噬。

        1.2自噬与凋亡的关系

        自噬和凋亡可分别在细胞和机体两个层面,调控细胞器和蛋白的转运。细胞凋亡主要负责细胞的清除,而自噬则是在缺乏营养因子的情况下,既可以消灭细胞,也可以使细胞存活。凋亡也是细胞主动结束生命的过程,可被多种细胞信号激活。促凋亡的BCL-2相关X蛋白(BAX)或BCL-2拮抗剂(BAK)共同调节线粒体外膜通透性(mitochondrial outer membrane permeability,MOMP),MOMP增加是导致细胞凋亡的必要条件。半胱氨酸-天冬氨酸蛋白酶(Caspase)是一种蛋白水解酶,可以裂解一些参与自噬过程的ATG蛋白,其中,自噬标记物Beclin-1/ATG6是Caspase-3的切割靶点,切割Beclin-1可减少细胞自噬,促进细胞凋亡。

        BCL-2通过与促凋亡的BH3-only家族成员如BCL2L11/BIM结合,可以阻止其激活BAX和BAK1进而防止细胞凋亡。研究表明,抗凋亡的BCL-2家族并不直接诱导自噬,而是通过诱导BAX和Bak1介导的线粒体凋亡间接诱导自噬。

2.自噬信号通路与脊髓损伤

        2.1PI3K-Akt-mTOR信号通路:哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin;mTOR)是一种丝氨酸/苏氨酸激酶,可负性调节自噬。mTORc信号通路由mTOR复合物1(mTORc1)和mTOR复合物2(mTORc2)形成。mTORC1能磷酸化下游效应物p70核糖体S6蛋白激酶(p70S6K)。mTOR被抑制可阻断Akt/mTOR通路激活,脊髓损伤部位p70S6K蛋白的磷酸化水平显著下降,LC3和自噬基因Beclin1的表达水平增高促进自噬,从而预防神经细胞凋亡。

        Akt可以通过灭活糖原合酶激酶-3β(GSK-3β)和还原蛋白27激酶抑制蛋白1(p27)来升高细胞周期蛋白D1。抑制Akt磷酸化导致G1期停滞,从而诱导细胞凋亡。神经细胞的凋亡加重了脊髓损伤的发展。此外,在脊髓损伤后通过线粒体途径抑制PI3K/Akt/mTOR信号通路来减少凋亡相关蛋白如Bax、Cleaved-Caspase3等表达。mTORC1的抑制可能阻碍蛋白质翻译,导致BCL-2家族的减少和细胞凋亡的激发。

        抗凋亡水平增加有利于促进神经元功能的恢复。此外,抑制PI3K/Akt/mTOR通路可以增加Beclin1的表达,从而激发神经元自噬,促进脊髓损伤后神经元修复。一项研究发现Beclin1表达上调导致BCL-2增加和Bax减少,最终导致细胞凋亡水平降低。自噬先于细胞凋亡,在调节细胞死亡方面具有显著作用。自噬是参与脊髓损伤后病理变化的重要调控因素。自噬在脊髓损伤后的继发性损伤修复中发挥了重要作用,它的破坏加重了内质网应激并导致细胞死亡。抑制mTOR信号通路可以激活自噬。

        2.2Keap1-Nrf2-ARE信号通路:激活脊髓损伤后的Nrf2/ARE信号通路可以减少炎性反应并促进神经功能恢复。Nrf2分子与抗氧化反应元件(ARE)结合,参与了细胞抗氧化和抗炎反应中大量细胞保护基因的表达。在正常情况下,Kelch样环氧氯丙烷相关蛋白-1(Keap1)可将Nrf2与肌动蛋白细胞骨架一起收集在细胞质内,脊髓损伤后自噬流阻断,p62作为自噬的底物,会发生蓄积,多余的p62与Keap1结合导致Nrf2和Keap1脱离,之后Nrf2进入细胞核中,激活多种抗氧化基因如血红素氧合酶-1(HO-1)、醌氧化还原酶-1(NQO-1)和NF-κB等的转录,同时也可以抑制氧化应激相关蛋白的表达,减少损伤后的炎性反应,改善脊髓损伤后运动神经元的恢复。

        研究表明,Keap1-Nrf2-ARE信号通路的激活,脊髓损伤大鼠的Nrf2、HO-1和NQO1的水平可显著增加,炎性细胞因子、白细胞介素(IL)-1β、IL-6和肿瘤坏死因子(TNF)-α的水平降低。这与神经细胞凋亡的减少和神经功能恢复的提升有关。

        2.3AMPK-mTOR信号通路:AMPK是一种AMP活化的丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶,参与生物能量的代谢调节。mTOR被AMPK负调节并导致自噬的抑制。P70S6K是mTOR的下游靶蛋白,由mTOR正调节,mTOR代表mTOR信号传导途径的活性。研究显示,脊髓损伤脊髓组织中AMPK磷酸化显著增强,mTOR和P70S6K磷酸化明显降低,表明脊髓损伤后AMPK-mTOR信号通路被激活。

        这使得胞内AMPK活化,mTOR失活,活化的AMPK催化ULKI发生磷酸化从而促进自噬。此外,脊髓损伤后AMP/ATP比值的上调和Ca2+浓度的升高也会激活AMPK,进而激活TSC1/2,抑制mTORC1,从而诱导自噬的产生。脊髓损伤后神经元的线粒体通过蛋白质分解、脂质过氧化和DNA损伤等过程产生过量的活性氧,从而导致脊髓损伤加重。此外,氧化应激促进小胶质细胞和星形胶质细胞活化,导致血脊髓屏障破坏和中性粒细胞浸润后的神经元凋亡。

        而自噬的活化可以通过抑制细胞凋亡、减轻细胞炎性反应来保护脊髓损伤后受损神经元,自噬能降解细胞内的蛋白质和细胞器,以最有效的方式重复利用这些成分,来维持细胞的生存和组织稳定。自噬在脊髓损伤的恢复过程发挥了重要作用,其既能保护细胞免于死亡,过度激活又会导致自噬性细胞死亡。因此,如何科学地启动自噬而又将自噬控制在合理区间,以及自噬调节剂、定向调节靶点的研发都将成为今后治疗脊髓损伤的新方向。利益冲突所有作者均声明不存在利益冲突

        来源:陈威克,赵国栋,孔令胜.自噬在脊髓损伤中的作用及研究进展[J].中国医师进修杂志,2020,43(9):851-854.

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