本文刊于:中华心血管病杂志, 2016,44(03): 275-277
作者:李莹 王磊 关玉庆 王淑亚 汪运山 苏国海
心血管疾病是目前世界范围内导致人类死亡的最大杀手[1]。据统计2008年美国有1/3的死者源于心血管疾病，这给社会、保健系统、经济带来了沉重负担。据估算，2030年美国将有超过40%的人口罹患心血管疾病[2,3]。在中国，心血管疾病的发病率和病死率也呈逐年上升的趋势，平均每年约有350万人死于心血管疾病[4]。因此，如何有效控制心血管疾病的发生和发展是当前亟待解决的难题。据报道，心血管疾病的病理过程与心肌细胞的自噬密切相关。本文就自噬在多种心脏病理过程中的作用及其机制作一综述。
一、自噬简介
自噬主要分为巨自噬、微自噬以及分子伴侣介导的自噬。通常所说的自噬为巨自噬。巨自噬(以下简称自噬)是真核细胞中一个进化保守的生物学过程。自噬过程的主要特点是细胞质中的长寿命蛋白以及损坏或多余的细胞器由双层膜包被的自噬小体包裹，随后自噬小体与溶酶体或晚期内体融合，溶酶体中的酶将自噬小体的内膜以及内容物水解[4]。自噬是由自噬相关基因(Atg)参与形成并进行调控的。当细胞饥饿时，上游感知能量和营养信号的一些激酶激活unc－51样激酶(ULK)复合体，促进自噬的起始。在ULK1/2被激活后，Ⅲ型PI3K－beclin1－VPS34随后被活化，并被募集到线粒体、内质网、高尔基体处，回收内体或者质膜来形成单独的膜系统，这一阶段称为吞噬泡的成核[5,6]。在不同细胞或不同刺激的前提下，吞噬泡的起始也不同。吞噬泡的延伸和形成完整的闭合自噬小体需要两个重要的泛素样蛋白连接系统。其一是ATG12－ATG5连接系统，以二聚体的方式与泛素样蛋白ATG16L1共同作用。其二是LC3－磷脂酰乙醇胺(PE)。LC3能够被半胱氨酸蛋白酶ATG4剪切，并随后被E1样蛋白ATG7和E2样蛋白ATG3激活并与PE偶联。成熟的自噬小体会与溶酶体融合，溶酶体膜蛋白LAMP2和小GTPase RAB7能够促进这一过程。融合后溶酶体中的水解酶，如组织蛋白酶－B、D、L对其中的内含物进行降解[4,7]。基底水平的自噬控制着长寿命蛋白和受损细胞器的清除，在这种情况下，自噬在细胞中起到促存活和维持细胞内代谢平衡的作用。正常条件下，心脏维持低水平自噬，而在低氧、炎症、营养缺乏等应激条件下，则激活自噬。
近年来，由于自噬参与多种生理和病理过程已引起国内外学者的广泛关注，成为当前研究的热点。然而，由于对自噬的认识和检测方法不同，其在心血管疾病中的作用备受争议。对于自噬常见的认识误区是把自噬小体增多认定为自噬活性增强。自噬小体只是自噬流程中的一个中间结构。自噬是一个高度动态变化的过程，自噬小体增加一方面可能是由于自噬前期自噬小体形成增多，也可能是由于自噬后期自噬小体与溶酶体融合受阻，造成自噬小体增多的假象。目前，认识较为一致的决定自噬活性的是自噬流[8]。自噬流是指自噬从前期自噬小体形成到后期自噬小体与溶酶体融合的整个流程，能反映自噬小体的形成、自噬底物的运输及其在溶酶体中降解的动态过程。既往研究多通过检测自噬小体来评价自噬活性。诱导自噬后，胞浆中的LC3－Ⅰ被剪切并与PE共价结合形成LC3－Ⅱ，定位到自噬小体膜上。因此，LC3－Ⅱ的表达水平以及LC3－Ⅱ/LC3－Ⅰ的比例，被广泛作为自噬小体的标志。通过Western blot法检测自噬小体标志蛋白LC3－Ⅱ的表达水平，细胞内GFP标记的LC3分布及点状聚集(或内源LC3)，或者通过透射电镜观察双层膜结构的自噬小体的数量来检测。然而，自噬小体增加并不能充分说明其活性增加。新近研究更注重通过自噬流的检测来说明自噬活性。使用抑制剂如氯代奎宁、巴佛洛霉素A1等阻断自噬小体和溶酶体融合后，若LC3－Ⅱ进一步增加，则说明自噬小体形成增多，反之则说明自噬小体的聚集可能来源于后期的融合受损。另外，还可通过自噬底物p62/SQSTM1的降解、免疫胶体金电镜观察自噬小体、自噬溶酶体的数量，或者利用GFP－RFP双荧光标记的LC3检测自噬小体和自噬溶酶体的数量来检测自噬流。
二、心肌肥厚与自噬
关于心肌肥厚与自噬的关系备受争议。有的研究认为促进自噬能够抑制心肌肥厚，改善心功能紊乱[9,10]，有的研究则认为抑制自噬能够对抗心肌肥厚。如Huang等[11]发现，微小RNA(miR)－34a通过与ATG9A的3'－UTR区结合，抑制ATG9A蛋白表达，抑制自噬，从而对抗血管紧张素(Ang)Ⅱ诱导的心肌肥厚。这些研究所得结论不同，可能与研究者采用的检测方法不同以及自噬流的阻断有关。最近的研究发现在高脂喂养诱导心肌肥厚的过程中，自噬流被阻断，敲除Akt2，能够抑制过度激活的mTOR，并解除自噬流阻断，缓解心肌肥厚[12]。因此，抑制mTOR，促进自噬，能够削弱压力胁迫诱导的心肌损伤。而另一方面，在病理条件下，抑制自噬前期自噬小体的形成，也会阻止心肌肥厚的发生发展。最近的研究发现，在老化相关的心肌肥厚和扩张型心肌病中，自噬过程受到抑制，其中NAD＋依赖的Ⅲ型组蛋白去乙酰化酶(SIRT)和内皮素－1(ET－1)发挥着重要作用[13]。因为SIRT1调控的AKT信号转导和ATG蛋白的活性对于正常自噬是必要的，故老化过程中SIRT1的活性受损是抑制自噬的关键因素[14]。另外，血浆中ET－1水平的增加也是导致自噬抑制的原因之一[15]。但在不同的病理条件下，调控自噬流的信号是否相同，具体的分子机制有待于进一步研究。
三、心肌缺血再灌注与自噬
急性心肌梗死是高病死率的疾病，梗死后的早期再灌注策略是最重要的治疗手段。但缺血再灌注损伤使得心力衰竭和心律失常等的发病率居高不下。已有的研究表明，心肌缺血再灌注损伤与心肌细胞自噬密切相关，但具体的分子机制尚存争议。Matsui等[16]认为在缺血阶段自噬具有保护作用，而在再灌注阶段，自噬是有害的。Valentim等[17]通过敲除自噬相关蛋白beclin1 '抑制自噬'，有效地减少了心肌细胞死亡，也认为自噬在心肌缺血再灌注损伤中是有害的。Hamacher－Brady等[18]则认为过表达beclin1能够'促进自噬流'并抑制促凋亡蛋白Bax的激活，从而发挥保护作用。这些研究的结论不同可能与研究者采用的模型以及自噬判定的方法不同有关。其中，对于beclin1的认识，也是导致争议的关键因素。beclin1是酵母中ATG 6的同源体，是一种高度保守的蛋白，在自噬过程中发挥关键作用。最初发现beclin1，是因其可与抗凋亡蛋白bcl－2相互作用。正常情况下bcl－2与beclin1结合抑制自噬小体形成，而细胞在饥饿的情况下，beclin1与bcl－2解离，并与Vps 34和UVRAG等形成复合体诱导自噬小体形成[19]。2012年Ma等[20]发现缺血再灌注过程中自噬流是决定细胞死亡的关键因素，在再灌注阶段beclin1被过度激活，抑制了自噬小体和溶酶体的融合，阻断了自噬流，最终导致细胞死亡。该研究让我们重新认识了beclin1的功能，不再简单地将beclin1增加认定为自噬活性增加。由于beclin1在自噬前期自噬小体的形成过程中是不可获缺的，所以部分抑制beclin1的表达，可促进自噬小体与溶酶体融合，从而减轻自噬流阻断带来的损伤。
四、心力衰竭与自噬
心肌肥厚失代偿最终导致心力衰竭，可导致众多因素发生改变，包括钙离子调控、纤维化、炎症、细胞死亡等。有证据表明心力衰竭时心肌细胞自噬显著上调，Hein等[21]发现严重的心力衰竭患者其心肌细胞自噬水平可上调10倍，这一影响要大过细胞凋亡和坏死。心力衰竭后的能源危机强有力地激活了心肌细胞的自噬功能。心力衰竭晚期，心肌的三磷酸腺苷(ATP)降至正常水平的30%～40%，从而激活腺苷酸活化蛋白激酶(AMPK)，AMPK通过磷酸化UNC－51样激酶1(ULK1)上调自噬。另外，脂肪酸的氧化和氧化磷酸化不可避免的产生活性氧(ROS)，过量的ROS可导致蛋白、脂质以及细胞器的氧化损伤，这将直接激活自噬。而心力衰竭时心肌细胞自噬可能会加剧代谢紊乱。过度自噬可导致细胞内代谢必要的酶类和线粒体的非特异性降解，导致能量危机。有研究表明，压力超负荷心衰中心肌细胞的线粒体自噬非常明显，利用自噬抑制剂3－MA可增加线粒体数量，改善心肌收缩功能，逆转不良心肌重构[22,23]。另外，心力衰竭时心肌细胞过度自噬可导致线粒体数量减少，线粒体功能下降，这将进一步降低ATP的水平，从而形成恶性循环，加剧心力衰竭的发展。
五、展望
许多病理、生理条件均可诱导心肌细胞自噬。基础水平的自噬能够降解长寿命蛋白并清除受损的细胞器，保持营养和代谢的平衡。心肌细胞饥饿诱导的自噬对于补充ATP生产的底物，维持机体代谢平衡是不可或缺的。当心脏遭受持续的压力胁迫时，可导致代偿失调，最终会发展成为心力衰竭，其中自噬在其的发展中起着关键作用。心力衰竭常伴随自噬过度，线粒体数量减少和功能降低。有研究表明抑制自噬，可改善心力衰竭引起的心肌病理性重塑。因此，抑制过度自噬有望成为今后心力衰竭治疗的一个新靶点。自噬在心肌肥厚和心力衰竭不同阶段中的作用仍有待进一步研究。
参考文献（略）
本文刊于:中华心血管病杂志, 2016,44(03): 275-277
作者:李莹 王磊 关玉庆 王淑亚 汪运山 苏国海
心血管疾病是目前世界范围内导致人类死亡的最大杀手[1]。据统计2008年美国有1/3的死者源于心血管疾病，这给社会、保健系统、经济带来了沉重负担。据估算，2030年美国将有超过40%的人口罹患心血管疾病[2,3]。在中国，心血管疾病的发病率和病死率也呈逐年上升的趋势，平均每年约有350万人死于心血管疾病[4]。因此，如何有效控制心血管疾病的发生和发展是当前亟待解决的难题。据报道，心血管疾病的病理过程与心肌细胞的自噬密切相关。本文就自噬在多种心脏病理过程中的作用及其机制作一综述。
一、自噬简介
自噬主要分为巨自噬、微自噬以及分子伴侣介导的自噬。通常所说的自噬为巨自噬。巨自噬(以下简称自噬)是真核细胞中一个进化保守的生物学过程。自噬过程的主要特点是细胞质中的长寿命蛋白以及损坏或多余的细胞器由双层膜包被的自噬小体包裹，随后自噬小体与溶酶体或晚期内体融合，溶酶体中的酶将自噬小体的内膜以及内容物水解[4]。自噬是由自噬相关基因(Atg)参与形成并进行调控的。当细胞饥饿时，上游感知能量和营养信号的一些激酶激活unc－51样激酶(ULK)复合体，促进自噬的起始。在ULK1/2被激活后，Ⅲ型PI3K－beclin1－VPS34随后被活化，并被募集到线粒体、内质网、高尔基体处，回收内体或者质膜来形成单独的膜系统，这一阶段称为吞噬泡的成核[5,6]。在不同细胞或不同刺激的前提下，吞噬泡的起始也不同。吞噬泡的延伸和形成完整的闭合自噬小体需要两个重要的泛素样蛋白连接系统。其一是ATG12－ATG5连接系统，以二聚体的方式与泛素样蛋白ATG16L1共同作用。其二是LC3－磷脂酰乙醇胺(PE)。LC3能够被半胱氨酸蛋白酶ATG4剪切，并随后被E1样蛋白ATG7和E2样蛋白ATG3激活并与PE偶联。成熟的自噬小体会与溶酶体融合，溶酶体膜蛋白LAMP2和小GTPase RAB7能够促进这一过程。融合后溶酶体中的水解酶，如组织蛋白酶－B、D、L对其中的内含物进行降解[4,7]。基底水平的自噬控制着长寿命蛋白和受损细胞器的清除，在这种情况下，自噬在细胞中起到促存活和维持细胞内代谢平衡的作用。正常条件下，心脏维持低水平自噬，而在低氧、炎症、营养缺乏等应激条件下，则激活自噬。
近年来，由于自噬参与多种生理和病理过程已引起国内外学者的广泛关注，成为当前研究的热点。然而，由于对自噬的认识和检测方法不同，其在心血管疾病中的作用备受争议。对于自噬常见的认识误区是把自噬小体增多认定为自噬活性增强。自噬小体只是自噬流程中的一个中间结构。自噬是一个高度动态变化的过程，自噬小体增加一方面可能是由于自噬前期自噬小体形成增多，也可能是由于自噬后期自噬小体与溶酶体融合受阻，造成自噬小体增多的假象。目前，认识较为一致的决定自噬活性的是自噬流[8]。自噬流是指自噬从前期自噬小体形成到后期自噬小体与溶酶体融合的整个流程，能反映自噬小体的形成、自噬底物的运输及其在溶酶体中降解的动态过程。既往研究多通过检测自噬小体来评价自噬活性。诱导自噬后，胞浆中的LC3－Ⅰ被剪切并与PE共价结合形成LC3－Ⅱ，定位到自噬小体膜上。因此，LC3－Ⅱ的表达水平以及LC3－Ⅱ/LC3－Ⅰ的比例，被广泛作为自噬小体的标志。通过Western blot法检测自噬小体标志蛋白LC3－Ⅱ的表达水平，细胞内GFP标记的LC3分布及点状聚集(或内源LC3)，或者通过透射电镜观察双层膜结构的自噬小体的数量来检测。然而，自噬小体增加并不能充分说明其活性增加。新近研究更注重通过自噬流的检测来说明自噬活性。使用抑制剂如氯代奎宁、巴佛洛霉素A1等阻断自噬小体和溶酶体融合后，若LC3－Ⅱ进一步增加，则说明自噬小体形成增多，反之则说明自噬小体的聚集可能来源于后期的融合受损。另外，还可通过自噬底物p62/SQSTM1的降解、免疫胶体金电镜观察自噬小体、自噬溶酶体的数量，或者利用GFP－RFP双荧光标记的LC3检测自噬小体和自噬溶酶体的数量来检测自噬流。
二、心肌肥厚与自噬
关于心肌肥厚与自噬的关系备受争议。有的研究认为促进自噬能够抑制心肌肥厚，改善心功能紊乱[9,10]，有的研究则认为抑制自噬能够对抗心肌肥厚。如Huang等[11]发现，微小RNA(miR)－34a通过与ATG9A的3'－UTR区结合，抑制ATG9A蛋白表达，抑制自噬，从而对抗血管紧张素(Ang)Ⅱ诱导的心肌肥厚。这些研究所得结论不同，可能与研究者采用的检测方法不同以及自噬流的阻断有关。最近的研究发现在高脂喂养诱导心肌肥厚的过程中，自噬流被阻断，敲除Akt2，能够抑制过度激活的mTOR，并解除自噬流阻断，缓解心肌肥厚[12]。因此，抑制mTOR，促进自噬，能够削弱压力胁迫诱导的心肌损伤。而另一方面，在病理条件下，抑制自噬前期自噬小体的形成，也会阻止心肌肥厚的发生发展。最近的研究发现，在老化相关的心肌肥厚和扩张型心肌病中，自噬过程受到抑制，其中NAD＋依赖的Ⅲ型组蛋白去乙酰化酶(SIRT)和内皮素－1(ET－1)发挥着重要作用[13]。因为SIRT1调控的AKT信号转导和ATG蛋白的活性对于正常自噬是必要的，故老化过程中SIRT1的活性受损是抑制自噬的关键因素[14]。另外，血浆中ET－1水平的增加也是导致自噬抑制的原因之一[15]。但在不同的病理条件下，调控自噬流的信号是否相同，具体的分子机制有待于进一步研究。
三、心肌缺血再灌注与自噬
急性心肌梗死是高病死率的疾病，梗死后的早期再灌注策略是最重要的治疗手段。但缺血再灌注损伤使得心力衰竭和心律失常等的发病率居高不下。已有的研究表明，心肌缺血再灌注损伤与心肌细胞自噬密切相关，但具体的分子机制尚存争议。Matsui等[16]认为在缺血阶段自噬具有保护作用，而在再灌注阶段，自噬是有害的。Valentim等[17]通过敲除自噬相关蛋白beclin1 '抑制自噬'，有效地减少了心肌细胞死亡，也认为自噬在心肌缺血再灌注损伤中是有害的。Hamacher－Brady等[18]则认为过表达beclin1能够'促进自噬流'并抑制促凋亡蛋白Bax的激活，从而发挥保护作用。这些研究的结论不同可能与研究者采用的模型以及自噬判定的方法不同有关。其中，对于beclin1的认识，也是导致争议的关键因素。beclin1是酵母中ATG 6的同源体，是一种高度保守的蛋白，在自噬过程中发挥关键作用。最初发现beclin1，是因其可与抗凋亡蛋白bcl－2相互作用。正常情况下bcl－2与beclin1结合抑制自噬小体形成，而细胞在饥饿的情况下，beclin1与bcl－2解离，并与Vps 34和UVRAG等形成复合体诱导自噬小体形成[19]。2012年Ma等[20]发现缺血再灌注过程中自噬流是决定细胞死亡的关键因素，在再灌注阶段beclin1被过度激活，抑制了自噬小体和溶酶体的融合，阻断了自噬流，最终导致细胞死亡。该研究让我们重新认识了beclin1的功能，不再简单地将beclin1增加认定为自噬活性增加。由于beclin1在自噬前期自噬小体的形成过程中是不可获缺的，所以部分抑制beclin1的表达，可促进自噬小体与溶酶体融合，从而减轻自噬流阻断带来的损伤。
四、心力衰竭与自噬
心肌肥厚失代偿最终导致心力衰竭，可导致众多因素发生改变，包括钙离子调控、纤维化、炎症、细胞死亡等。有证据表明心力衰竭时心肌细胞自噬显著上调，Hein等[21]发现严重的心力衰竭患者其心肌细胞自噬水平可上调10倍，这一影响要大过细胞凋亡和坏死。心力衰竭后的能源危机强有力地激活了心肌细胞的自噬功能。心力衰竭晚期，心肌的三磷酸腺苷(ATP)降至正常水平的30%～40%，从而激活腺苷酸活化蛋白激酶(AMPK)，AMPK通过磷酸化UNC－51样激酶1(ULK1)上调自噬。另外，脂肪酸的氧化和氧化磷酸化不可避免的产生活性氧(ROS)，过量的ROS可导致蛋白、脂质以及细胞器的氧化损伤，这将直接激活自噬。而心力衰竭时心肌细胞自噬可能会加剧代谢紊乱。过度自噬可导致细胞内代谢必要的酶类和线粒体的非特异性降解，导致能量危机。有研究表明，压力超负荷心衰中心肌细胞的线粒体自噬非常明显，利用自噬抑制剂3－MA可增加线粒体数量，改善心肌收缩功能，逆转不良心肌重构[22,23]。另外，心力衰竭时心肌细胞过度自噬可导致线粒体数量减少，线粒体功能下降，这将进一步降低ATP的水平，从而形成恶性循环，加剧心力衰竭的发展。
五、展望
许多病理、生理条件均可诱导心肌细胞自噬。基础水平的自噬能够降解长寿命蛋白并清除受损的细胞器，保持营养和代谢的平衡。心肌细胞饥饿诱导的自噬对于补充ATP生产的底物，维持机体代谢平衡是不可或缺的。当心脏遭受持续的压力胁迫时，可导致代偿失调，最终会发展成为心力衰竭，其中自噬在其的发展中起着关键作用。心力衰竭常伴随自噬过度，线粒体数量减少和功能降低。有研究表明抑制自噬，可改善心力衰竭引起的心肌病理性重塑。因此，抑制过度自噬有望成为今后心力衰竭治疗的一个新靶点。自噬在心肌肥厚和心力衰竭不同阶段中的作用仍有待进一步研究。
参考文献（略）