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自噬在肠黏膜屏障功能作用机制的研究进展

来源:六九路网
2017年3月 基础医学与临床 Basic&Clinical Medicine March 2017 Vo1.37 No.3 第37卷第3期 文章编号:1001—6325(2017)03—0405—05 短篇综述 自噬在肠黏膜屏障功能作用机制的研究进展 王彬彬 ,武承凤 ,张方信 (1.兰州总医院消化科,甘肃兰州730050;2.甘肃中医药大学临床医学院,甘肃兰州730000) 摘要:自噬是细胞通过膜囊泡结构降解胞质内大分子物质和受损细胞器维持机体稳态的生物学过程。在肠黏膜 屏障功能发生障碍过程中,自噬对于维持肠上皮细胞的存活起关键性作用。负调控自噬可导致肠道炎性反应和肿 瘤的发生。 关键词:自噬;肠黏膜屏障;肠上皮细胞 中图分类号:R574.5 文献标志码:A Research progress on mechanism of autophagy in intestinal mucosal barrier function WANG Bin.bin ,WU Cheng—feng ,ZHANG Fang-xin (1.Dept.of Gastroenterology,Lanzhou General Hospital,Lanzhou 730050;2.College of Clinical Medicine Gansu University of Chinese Medicine,Lanzhou 730000,China) Abstract:Autophagy is a biological process in which cells maintain homeostasis through degradation of cytoplasmic macromolecules and damaged organelles by membrane vesicle structure.Autophagy plays a critical role in maintai— ning survival of intestinal epithelial cells during intestinal mucosal barrier dysfunction.A negative regulator of auto— phagy may lead to intestinal inflammation and tumorigenesis. Key words:autophagy;intestinal mucosal barrier;intestinal epithelial cells 肠上皮细胞有助于促进物质的消化和营养的吸 来,自噬参与肠黏膜屏障功能障碍的相关研究已经 成为医学领域的热点问题。因此,了解自噬参与肠 黏膜屏障损伤的机制,对防治肠道炎性反应、感染及 降低危重病人的病死率有重要意义。 收,也可作为屏障抵抗微生物、毒素及食物抗原的入 侵。缺血缺氧、炎性因子、病原入侵及辐射等因素可 引发肠黏膜屏障损伤,导致组织炎性反应持续发生, 使肠腔抗原及细胞旁渗透性增加,引起细菌移位和 内毒素血症。自噬是真核细胞在营养缺乏、氧化应 1 自噬调控 多种自噬相关基因(autophagy—related genes, 激、电离辐射和病原体感染等状态下,通过溶酶体降 解衰老细胞器、自身长寿命蛋白及入侵病原体等物 ATGs)参与自噬的形成过程 。UNC-51样自噬活 化激酶-1(UNC.51一like kinase一1,ULK.1)、RB1诱导 卷曲螺旋结构一1(RB1CC一1,也称FIP 200)、ATG13 质,循环利用降解产物以维持自身基本生命活动需 要的病理生理过程 1-2]。自噬与肿瘤、感染、心血管 疾病和神经退行性病变等疾病密切相关_2 J。近年 收稿日期:2016.03.14 修回日期:2016—05.30 和ATG101等多蛋白复合物触发自噬的起始阶段; 基金项目:国家自然科学基金(81570481) 通信作者(corresponding author):zhangfx59@126.EOITI 406 基础医学与临床 Basic&Clinical Medicine 双膜囊泡的形成有赖于磷脂酰肌醇3.激酶,催化亚 基3型(phosphatidylin0sitol 3-kinase,catalytic sub— 脂酶- 一PKC ̄31/8信号通路保护肠黏膜屏障功能免 受氧化应激及乙醛等有害物质的破坏 。 unit type 3,PI3KC3),也称液泡蛋白分选34(vacuo. 1ar protein sorting 34,VPS34)、自噬基因beclin一1和 3 自噬与肠黏膜屏障功能 3.1 自噬相关蛋白与肠黏膜屏障 自噬/beclin.1调节器1(autophagy/beclin.1 regula— tor一1,AMBRA1)所形成的多蛋白复合物;ATG9和 多种ATGs在肠黏膜屏障功能中扮演重要角 液泡膜蛋白1(vacuole membrane protein 1,VMP1) 形成的两个跨膜蛋白系统在高尔基体、内体和自噬 体之间循环再利用,可促进脂类形成隔离膜; ATG12一ATG5.ATG16L1和微管相关蛋白轻链3(mi— crotubule-associated protein light chain 3,MAP—LC3, 也称LC3).磷脂酰乙醇胺(ph0sphatidylethan0lamine, PE)主要促进双膜结构的延伸和闭合,形成成熟的 自噬体;多种可溶性NSF附着蛋白受体(SNARE)样 蛋白,能促进自噬体和溶酶体间的融合并形成自噬 溶酶体;在低pH的微环境下,多种溶酶体酶水解复 杂碳水化合物,蛋白质,脂质和核酸。 2肠黏膜屏障功能及调控 肠黏膜屏障是主要由肠上皮细胞(intestinal ep- ithelial cells,IECs)和细胞外成分的组成。肠上皮 细胞侧向膜顶端由occludin、claudin、连接黏附分子 (junction adhesion molecules,JAM)和zonulae occlu— dens(ZO)4个跨膜蛋白组成紧密连接,这些蛋白参 与调控离子、溶质和水分的自由扩散以保持细胞的 极性。目前,引起肠黏膜屏障功能障碍的因素主要 包括缺血再灌注、炎性因子和病原菌入侵。肠缺血 再灌注(ischemic reperfusion,I/R)诱导产生大量肿 瘤坏死因子一仅(tumor necrosis factor一仅,TNF—o【)和白 介素一6(interleukin.6,IL.6),抑制细胞外信号通路 调节蛋白激酶(extracellular signal—regulated protein kinase,ERK)1/2信号通路,降低肠上皮细胞的增 殖和迁移,增加细胞凋亡_4 J。人类免疫缺陷病毒 (human immunodefjciency virus,HIV)一1早期感染的 特征是HIV.1高水平复制,并联合HIV.改变黏膜细 菌(HIV.altered mucosal bacteria,HAMB)上调ⅢV.1 共受体CCR5的表达,增强HIV.1感染及肠黏膜大 量CD4 T细胞耗竭,导致肠上皮屏障破坏和微生 物易位,微生物易位进一步活化肠道免疫系统,破坏 肠道内环境稳定 J。表皮生长因子(epidermal growth factor,EGF)通过活化ERK和EGF受体一磷 色。ATG16L1(autophagy related gene16一like 1)、 ATG5和ATG7等在维护潘氏细胞形态和分泌调节 肠道微环境的抗微生物肽等方面发挥重要生物学作 用 。当ATG16L1、ATG5和ATG7缺陷则导致小 鼠潘氏细胞结构破坏,分泌功能紊乱,使其颗粒胞吐 通路严重异常,导致过氧化物酶体增殖激活受体 (peroxisome proliferator activated receptor,PPAR)基 因、脂质代谢、急性期反应物、脂肪因子、瘦素及脂联 素及大量细胞因子增加,直接损伤肠黏膜屏障功能, 使肠道菌群易位,加重全身感染 J。ATG16L1遗 传基因变异性也会影响潘氏细胞的功能。ATG16L1 T300A基因多态性是克罗恩病(Crohn’S disease, CD)患者的一个特殊亚型,在该类型CD患者的潘 氏细胞中内质网应激标志物GRP78和pEIF2ot显著 高表达,增加了大肠杆菌的黏附和侵入的风险,因此 调控CD患者该类类型细胞的抗微生物功能是很有 必要的 。核苷酸结合寡聚化结构域的含一2(nu— cleotide-binding oligomerization domain-containing一2, NOD2)和免疫相关的GTP酶家族M(immunity—relat— ed GTPase family M,IRGM)通过参与免疫调节保护 肠黏膜屏障。NOD2通过与丝氨酸.苏氨酸激酶2、 ATG5、ATG7和ATG16L1等受体蛋白相互作用,诱 导DCs抗原呈递使特异性CD4 T细胞应答而介导 自噬发生,最终清除或杀灭细菌;NOD2和ATG16L1 基因突变则导致CD患者树突状细胞自噬诱导缺 陷,导致抗原呈递及细菌清除障碍而影响肠黏膜屏 障功能[11-t2]。微生物还通过NOD2信号诱导典型 的自噬应答反应,防止I/R对肠道的损伤,使细胞增 殖并从损伤中恢复过来,以促进伤口愈合 。IR— GM的功能障碍也可导致潘氏细胞的功能异常及促 炎细胞因子增高,最终导致细菌感染不受控制和肠 道炎性反应的发生¨ 。 3.2 PI3K/Akt/mTOR信号通路与肠黏膜自噬 PI3K/Akt/mTOR不仅参与正常细胞的生理代 谢,包括括营养和能量平衡、蛋白质的合成和细胞增 王彬彬 自噬在肠黏膜屏障功能作用机制的研究进展殖调控等,还在多因素导致肠黏膜屏障功能障碍的 调控方面起重要作用。C57BL/6J小鼠的辐射暴露 407 决于miR142—3p在具体细胞群的内源性和诱导水 平,对于细胞内源性地表达水平低,轻微的上调可使 靶基因表现显著表达的效果;细胞内源性表达水平 高,也能对ATG16L1表达和自噬活性产生显著的调 节作用,但略有下降 。Argonaute(AGO)蛋白是 miRNA.诱导沉默复合体(miRNA-induced silencing complex,miRISC)关键组成部分,在调控miRNA的 可能通过氧化应激活化PDK/Akt和mTOR信号通 路引发一系列慢性事件链,下调自噬相关信号通路, 并进一步促进氧化应激,导致慢性肠疾病发生,如炎 性反应性肠病(inflammatory bowel disease,IBD)、慢 性肠炎和癌症等 。新生儿坏死性小肠结肠炎 (neonatal necrotizing enterocolitis,NEC)是早产儿毁 灭性的肠道疾病。在NEC大鼠体内自噬相关蛋白 beclin.1和LC3一lI及凋亡相关蛋白caspase-3均明 显上调,并且自噬的发生早于凋亡;而促红细胞生成 素通过Akt/mTOR和MAPK/ERK信号通路分别抑 制自噬和凋亡的发生,保护肠上皮细胞免受过度损 伤,因此红细胞生成素可能是一种潜在的调节肠黏 膜屏障动态平衡治疗方法_l 。谷氨酰胺(gluta. mine,Gin)是维持肠道生长和完整性的一种必需氨 基酸,可通过双重调控自噬保护肠黏膜屏障。Gin 可能通过抑制roTOR和p38MAPK活性而诱导LC3. Ⅱ及自噬体的表达,保护肠上皮细胞免于凋亡,因 此推测Gin可诱导肠黏膜发生自噬,保护肠黏膜屏 障 J。猪肠上皮细胞(IPEC一1)缺乏Gin可抑制 mTOR和MAPK信号传导途径诱导自噬,导致氨基 酸代谢紊乱;当补充Gin后细胞自噬被抑制,增加细 胞蛋白质含量,促进细胞增殖。Gin的补充逆转了 大多数信号分子的有害变化,这对小肠功能的完整 性大有裨益¨ 。 3.3 microRNA与肠黏膜自噬 microRNA(miRNA)是一个长度约22个核苷酸 的小型内源性非编码单链RNA,主要调节转录后靶 基因,通过3 非翻译区(3 UTR)的特定序列介导翻 译水平的调控。miRNA的表达通过抑制自噬反应 导致CD患者肠组织损伤。CD患者回肠黏膜上定 植的黏附 侵袭性性大肠杆菌(adherent.invasive Escherichia coli,AIEC)通过激活NF—KB信号通路上 调miR30C、miR130A、miR106B和miR93,这些上调 的miRNA可降低ATG5、ATG12和ATG16L1蛋白表 达,抑制自噬水平,导致肠上皮细胞内AIEC数量增 加,加重肠道炎性反应_1 。miR142.3p、miR106B 和miR93还参与诱导ATG16L1基因序列突变抑制 自噬表达,参与CD患者肠道炎性反应的发生 也 。 miR142.3p调节ATG16L1表达和自噬活动可能取 发生中发挥重要作用,而AGO2是AGO家族中直接 参与miRNA前体切割与互补高度相关的成员 。 肠溶微生物毒素通过干扰自噬应答上调AGO2,后 者通过调控miR一148a、miR-15b、miR一23a和let一7c miRNA表达,参与CD相关途径的调控机制 引。 3.4 Wnt/13一catenin信号通路与肠黏膜自噬 Wnt信号通路是一种参与调控胚胎发育,进化 上保守的信号转导途径。经典的Wnt作用受体卷 曲蛋白(frizzled,Frz)抑制糖原合酶激酶3(glycogen synthase kinase 3,GSK3),后者引起细胞内B—cate— nin积累,并易位至细胞核,激活基因表达 引。Wnt 信号通路可能参与自噬调控损伤肠上皮细胞。 Wntl信号通路在IBD患者受损的肠黏膜上皮隐窝 中被激活,导致B catenin蛋白明显表达,而且这些 隐窝中B.catenin表达水平与mTOR的磷酸化呈正 相关,而与LC3.II和p62蛋白呈负相关,这表明Wnt 信号通路通过激活roTOR负调控自噬,从而损伤 IBD患者肠黏膜上皮细胞 。 4展望 自噬在肠黏膜屏障功能的发生发展起到重要作 用。鉴于自噬调控的复杂多样性,参与特异性的肠 黏膜屏障功能障碍形成的分子机制仍处于细胞及动 物模型的初步研究阶段。目前关于自噬与肠黏膜屏 障功能障碍的研究多半局限于IBD患者,而在高原 胃肠病的发病与防治等方面研究较少,自噬调控的 改变很有可能作为评估肠黏膜屏障功能障碍患者预 后的分子标志物。因此,如何从大量信息中筛选出 肠黏膜屏障功能障碍的特异性分子标志物仍是今后 研究的关键所在。另外,如何调控自噬的状态防治 肠黏膜屏障功能障碍是一个有希望的领域,但仍有 很多问题需要解决,如缺乏体外抗肠黏膜屏障功能 障碍机制在体内的研究证据、如何选择药物制剂以 及如何减低这些药物的毒副作用,等等。目前,自噬 408 基础医学与临床 Basic&Clinical Medicine 2017.37(3) 调控剂防治疾病的大多数研究主要集中细胞及动物 模型,对于肠黏膜屏障功能障碍的相关研究很少。 随着自噬在肠黏膜屏障功能障碍的深入研究,自噬 调控的监测可作为肠道疾病临床诊断、预后评估及 疗效评价等提供更加有力的证据。 参考文献: [1]Mizushima N,Komatsu M.Autophagy:renovation of cells and tissues[J].Cell,2011,147:728—741. 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