细胞自噬对肝脏代谢的调控

2017-08-09王治国王丽

中国奶牛 2017年7期

关键词：溶酶体糖原脂质

王治国，王丽

（1.上海光明荷斯坦牧业有限公司，上海 201436；2.中国奶业协会，北京 100193）

细胞自噬对肝脏代谢的调控

王治国1，王丽2

（1.上海光明荷斯坦牧业有限公司，上海 201436；2.中国奶业协会，北京 100193）

自噬在细胞功能的调控上具有重要作用，首次发现的功能是调控肝细胞的能量平衡，随着近年对细胞自噬的深入研究，发现自噬和肝细胞能量平衡的调控有着紧密和复杂的联系。本文对肝细胞自噬调控细胞代谢的生理机制进行了回顾，讨论细胞自噬的类型及肝细胞自噬对肝脏能量代谢的作用，以期未来在反刍动物营养研究上，通过调控肝细胞自噬而调控肝脏代谢成为一种可能。

肝脏；自噬；能量代谢

细胞内成分的循环利用是细胞生存的基础，循环利用有助于减少细胞内的废物，保持细胞内能量的供应，同时细胞更容易适应环境的挑战[1,2]。细胞自噬是溶酶体对细胞内容物降解的过程，是最有效的细胞内容物循环再利用的例子，自噬具有控制细胞质量和细胞能量的作用[2]，有助于保持细胞能量的正平衡。当有研究发现饥饿和胰高血糖素能够诱导肝自噬时，细胞代谢与自噬就有了紧密的联系[3]。从那时起，人们将自噬与许多新功能联系起来，例如细胞周期的控制、免疫反应、分化或细胞死亡[4,5]。然而，自噬在细胞代谢上的作用一直是其主要功能。

细胞自噬除了分解蛋白[6]补充细胞内的氨基酸，有助于细胞内脂质[7]、糖原[8]的动员和水解以外，还通过线粒体自噬的形式，对线粒体网络的数量和功能进行控制[9]。自噬通过选择性降解参与糖酵解、脂自噬和脂质分解的酶，在代谢通路上调控能量的供应[10]。

1 自噬的种类

由于自噬在肝脏中表现的生理功能的多样性，使得自噬在肝脏代谢调控中显得最为突出，在同一细胞中自噬不同路径的降解和再利用的两个关键步骤是同时存在的，允许了自噬功能的多样性。巨自噬、微自噬和伴侣自噬可共同出现在肝脏中，这三种自噬与肝脏能量平衡具有紧密的联系。

1.1 巨自噬

巨自噬起始于自噬体膜的形成，它是一个双层囊泡状结构，可将细胞内要降解的物质送入溶酶体进行降解。饥饿时自噬体膜开始将降解的物质封存起来，应对于不同刺激而产生的自噬具有其独特的特点，巨自噬对主要降解物质具有选择性[11]。在这种情况下，自噬前体结构的出现归功于自噬的受体，例如P62SQSTM1、NBR1、NDP52[11]。这些受体同时绑定自噬路径上的重要成分，例如熟知的自噬相关蛋白（ATGs）。在ATGs的协同作用下，自噬体膜延着要降解的细胞内容物的延长[12]，自噬体膜密封的自噬体沿着微管与溶酶体结合，将要降解的物质交给这个水解的细胞器。然而细胞是如何感知需要发生自噬尚未定义，这种复杂的机制取决于刺激的类型。最近的研究揭示了这些机制之一，营养不足能够被感知而引起某些自噬通路的开启[13]。

1.2 伴侣自噬

以组成型表达的热休克蛋白70(HSC70)作为分子伴侣参与细胞自噬作用，这种方式称为伴侣自噬(CMA)[14,15]。伴侣自噬由分子伴侣HSC70 识别带有KFERQ 序列的可溶性胞质蛋白底物。分子伴侣-底物复合物与溶酶体膜上的受体LAMP-2a结合后，底物去折叠，位于溶酶体腔中的HSC70介导底物在溶酶体膜转位，进入溶酶体腔中的底物在水解酶作用下分解为其组成成分，被细胞再利用[16]。

1.3 微自噬

当单层膜的小泡在溶酶体膜上形成并且内陷向溶酶体吞噬细胞质成分时，微自噬便发生了[17]。尽管在肝脏上对这个过程的原始形态学进行了描述，但是对其分子机制及与肝脏微自噬的生理相关性知之甚少。事实上，对溶酶体微自噬的大部分了解来自于酵母菌对于细胞器、脂质甚至是细胞拟核部分的选择性降解[18～20]。

2 自噬通过降解和再利用实现肝脏的能量平衡

饥饿最容易诱导细胞自噬，在细胞营养不足的最初4～6h抑制了细胞自噬的一种内源抑制酶（mTor）的活性，从而诱发了自噬[21]。溶酶体降解细胞质和蛋白产生的氨基酸维持细胞内蛋白的合成，同时细胞通过克雷布斯循环生成ATP和葡萄糖。有趣的是，生成的氨基酸抑制了细胞自噬。目前抑制mTor而诱导细胞自噬的机理已经被阐明，mTor通过磷酸化而抑制相关自噬基因的表达，例如细胞自噬体形成关键酶（ULK1）。在很多类细胞中，如果饥饿超过8h，则通过巨自噬降解的蛋白质贡献逐渐减弱，取而代之的是伴侣自噬，伴侣自噬在饥饿24h出现峰值且持续3d[22]。研究已经表明细胞在饥饿时缺乏CMA会引起细胞能量负平衡[10]。CMA在饥饿的条件下不仅提供氨基酸而且还介导蛋白质组的变化而促进其调控代谢，以便使之适应长久的营养缺乏。

3 自噬降解能量物质机制

目前为止研究最多的是细胞自噬降解蛋白，近来自噬降解细胞中其他能量物质也受到了关注。溶酶体中包含有多种水解酶，除蛋白质水解酶外，还有碳水化合物、脂质和核酸水解酶。当机体不能从食物摄入葡萄糖时，肝糖原成为葡萄糖的一个重要来源，巨自噬和微自噬可将糖原以选择性的形态送到溶酶体，然后依靠溶酶体酶将糖原降解。目前细胞如何感知血糖的下降而选择性地开启糖自噬还不清楚。此外，在完整的细胞中通过改进的技术方法可监控自噬的过程，同时在分子水平上通过化学的手段调控自噬也促进了对糖自噬因子的识别。环磷酸酸酐和mTor通路调控着新肝脏糖自噬[23]，同时也提出了生长激素和肝葡萄糖之间的关系[24]。骨骼肌上的研究发现了微自噬在糖原降解上的作用，但是在肝糖原上这种认识还存在争议。

近年，溶酶体对肝细胞脂质的降解也颇受关注。除了细胞外的脂质通过与溶酶体接触并降解外，巨自噬可将细胞内脂滴中的甘油三脂和胆固醇以选择性的形态与溶酶体结合而进行降解[7]，脂质小滴分解而成的脂肪酸是细胞营养物质缺乏情况下的动力来源。事实上，经过8h的饥饿，自噬体内容物会出现从细胞降解糖类向脂质小滴的转变[7]。自噬现象促进了一个模型的改变，在这个模型中，胞质脂酶负责降解甘油三酯，而在降解甘油三酯的过程中是胞质脂酶和溶酶体酶的联合作用。当然，两个代谢途径在什么情况下会相互协作仍然存在争议。

细胞自噬选择脂滴进行降解的机制还不清楚，最近的研究表明基因RAB7可将脂滴推到细胞核区域，在那里通过程序启动了脂自噬[25]。然而中性的胞质脂酶需要伴侣自噬除去脂滴上的围脂蛋白，才能与脂滴核心接触，这是脂质分解的去火条件[26]。因此，到目前为止，微自噬对脂肪的降解只在酵母中有发现。

目前进行的调查研究揭示了一些脂自噬的调控机制，TFEB通过对脂滴溶酶体酶量的调整进行调控，另外TFEB保持过氧化物酶受体γ的激活，共同激活因子PEC1α和过氧化物酶激活受体α（PPAPα）[15,16]。有趣的是，脂自噬在极端的情况下被激活，除了饥饿，通过饮食到达肝脏的高水平脂质也会触发脂自噬以预防肝脏脂中毒[7]。在这种情况下，自噬有效激活的背后是FFA的完善过度[27]。同样，环磷酸腺苷反应结合蛋白的激活增加了自噬，涉及蛋白激酶AMP的激活，ULK1基因的α磷酸化[28,29]。另一方面，脂代谢的终产物——胆汁酸在转录水平上对脂自噬有抑制作用，酯衍生物X受体能够感受基础的营养物质状态[30]，通过改变与自噬体形成相关的RAB7基因来减少自噬溶酶体的形成。CMA选择性移除脂包被蛋白的特殊信号机制目前尚不清楚，然而，脂包被蛋白的磷酸化是将脂滴运送到溶酶体的条件，支持了脂滴感受器酶参与该过程的说法[26]。

尽管脂自噬中CMA被激活以应对细胞内脂质的迅速增加，通过改变自噬体和溶酶体内容物来调整自噬进程[31]。事实上，通过对自噬控制细胞内脂肪作用的描述，发现自噬的抑制也许与陈旧器官脂代谢失常有关。随着年龄的增长，自噬行为减少会引起细胞内脂质的积累，反过来进一步抑制脂自噬，产生恶性循环。

4 细胞自噬对线粒体代谢能力的调整

线粒体是细胞内ATP的主要来源，通过脂肪酸氧化、柠檬酸循环、血红素和磷酸的生物合成及钙储存等不同过程影响着细胞代谢，因此维持线粒体的数量和形态对细胞稳态至关重要。通过线粒体膜的高膜电位或质子动力能引起活性氧的过量产生，进而导致膜蛋白和线粒体DNA的氧化损伤而引起线粒体功能障碍。这些经常会导致线粒体渗透性转换，引起完全不可逆的线粒体去极化[32]。在这种情况下，通过自噬选择性地去除去极化和受损的线粒体能够防止无用的ATP消耗，并且限制自由基的产生。线粒体自噬通过这种方式帮助恢复细胞的能量和减少细胞损伤，避免细胞死亡通路的激活。

最近对线粒体自噬的详细剖析表明，自噬对线粒体的识别和清除具有协同机制[9,17]。最好的描述是PTEN诱导PINK1/帕金PBRE3泛素蛋白膜损伤导致线粒体表面PINK1积累，促进了泛素蛋白连接酶的积累聚集。为了应对不同的环境细胞信号，如缺氧和环境变化，另外的受体也促进了线粒体自噬，线粒体所诱导的能量需要调控的出现至少一部分是由AMPK引起的ULK1磷酸来进行[33]，并且在线粒体生成和自噬之间保持严格的平衡，由TFEP-PECIa轴来调控[34]。

5 酶的选择性调控

细胞自噬还可以通过对调控着不同细胞代谢循环酶的降解来调节细胞的能量平衡，这需要具备对降解不同蛋白高度的选择性的功能。该功能首次在CMA中发现，CMA对糖酵解酶降解的生理证据是癌细胞的代谢，因为最近发现CMA能够调控PKM2酶的降解（葡萄糖代谢的关键酶，通常在胚胎细胞中表达）[35]。PKM2的异构体在癌细胞的含量更丰富，因为它有利于糖酵解的启动而不是氧化磷酸化生产ATP，称为Warburg效应。由于PKM2比PKM1有更低的活性（在大多细胞中表达），这种代谢的转换对于快速增长的细胞具有代谢的好处，同时也增加了糖代谢中间产物的量[36]。PKM2的乙酸化导致了它的转换通过CMA，进一步促进了肿瘤的生长，因为中间产物的积累[35]。

后来的研究发现在CMA和癌代谢之间有着复杂的互作。在超过14种以上的癌症中，CMA具有减低肿瘤的生长和转移的作用[37]。活跃的CMA在不同的癌细胞中对Warburg效应具有保护作用[37]。在肝细胞上抑制CMA研究发现其具有重要的生理作用，涉及在基本的生理情况下脂质、碳水化合物、氨基酸代谢相关酶的降解[13]。因此，肝脏不能进行CMA表明糖酵解酶的基本水平在增加，导致糖酵解增加，这种持续的葡萄糖消耗会引起糖异生的缺陷和肝脏新生糖原的不足。这些研究表明了CMA在肝脏代谢平衡中的重要性，同时也是适应机体营养变化的重要组成部分。

6 小结与展望

在过去的十年中，关于自噬与细胞及机体之间的相互作用关系有了更广泛深入的理解，通过自噬使机体适应营养过剩和缺乏。然而，关于自噬和能量平衡之间的关系依然没有解决，虽然已经充分证明自噬可选择性降解细胞器和蛋白质，但自噬对脂质和糖原选择降解机理知之甚少。同时，在控制细胞能量平衡上，不同类型的自噬之间的相互作用及贡献有待进一步去探究。目前在反刍动物营养乃至在动物营养的研究领域上，关于自噬与机体代谢机能之间的关系研究甚少，通过本文的综述期望为这一领域的研究提供一点思路。

[1] Singh R,Cuervo AM.Autophagy in the cellular energetic balance[J].Cell Metab, 2011,13:495-504.

[2] Mizushima N.The pleiotropic role of autophagy:from protein metabolism to bactericide[J]. Cell Death Differ, 2005,12:1535-1541.

[3] Deter RL,Baudhuin P,De Duve C.Participation of lysosomes in cellular autophagy induced in rat liver by glucagon[J].J Cell Biol,1967,35:C11-C16.

[4] Zhang H,Baehrecke EH.Eaten alive:novel insights into autophagy from multicellular model systems[J].Trends Cell Biol,2015,25:376-387.

[5] Cecconi F,Levine B.The role of autophagy in mammalian development:cell makeover rather than cell death[J].Dev Cell,2008,15:344-357.

[6] Ezaki J,Matsumoto N,Takeda-Ezaki M, et al.Liver autophagy contributes to the maintenance of blood glucose and amino acid levels[J]. Autophagy, 2011,7:727-736.

[7] Singh R,Kaushik S,Wang Y,et al.Autophagy regulates lipid metabolism[J].Nature, 2009,458:1131-1135.

[8] Raben N,Hill V, Shea L,et al.Suppression of autophagy in skeletal muscle uncovers the accumulation of ubiquitinated proteins and their potential role in muscle damage in Pompe disease[J].Hum Mol Genet, 2008;17,3897-3908.

[9] Lemasters JJ.Variants of mitochondrial autophagy:types 1 and 2 mitophagy and micromitophagy (type 3)[J].Redox Biol,2014,2:749-754.

[10] Schneider JL,Suh Y,Cuervo AM.Deficient chaperonemediated autophagy in liver leads to metabolic dysregulation[J].Cell Metab,2014,20:417-432.

[11] Stolz A,Ernst A,Dikic I.Cargo recognition and trafficking in selective autophagy[J].Nat Cell Biol, 2014,16:495-501.

[12] Mizushima N,Yoshimori T,Ohsumi Y.The role of Atg proteins in autophagosome formation[J].Ann Rev Cell Dev Biol,2011,27:107-132.

[13] Pampliega O,Orhon I,Patel B,et al.Functional interaction between autophagy and ciliogenesis[J].Nature, 2013,502:194-200.

[14] Bandhyopadhyay U,Cuervo AM.Chaperone-mediated autophagy in aging and neurodegeneration: Lessons from asynuclein[J].Exp Gerontol, 2007,42(1):120-8.

[15] Kon M, Cuervo AM.Chaperone-mediated autophagy in health and disease[J].FEBS Lett, 2010, 584(1):1399-404.

[16] Majeski A, Dice JF.Mechanisms of chaperone-mediated autophagy[J].Int J Biochem Cell Biol,2004,36(12):2435-44.

[17] Mortimore GE,Hutson NJ,Surmacz CA.Quantitative correlation between proteolysis and macro and microautophagy in mouse hepatocytes during starvation and refeeding[J].Proc Natl Acad Sci U S A, 1983,80:2179-2183.

[18] SUZUKI K. Selective autophagy in budding yeast[J].Cell Death Differ, 2013,20:43-48.

[19] Uttenweiler A,Mayer A.Microautophagy in the yeast Saccharomyces cerevisiae[J].Methods Mol Biol 2008;445:245-259.

[20] Van Zutphen T,Todde V,De Boer R,et al.Lipid droplet autophagy in the yeast Saccharomyces cerevisiae[J].Mol Biol Cell,2014,25:290-301.

[21] Kanazawa T,Taneike I,Akaishi R,et al.Amino acids and insulin control autophagic proteolysis through different signaling pathways in relation to mTOR in isolated rat hepatocytes[J]. J Biol Chem,2004,279:8452-8459.

[22] Cuervo Am, Knecht E,Terlecky SR,et al.Activation of a selective pathway of lysosomal proteolysis in rat liver by prolonged starvation[J].Am J Physiol 1995,269:C1200-C1208.

[23] Kondomerkos DJ,Kalamidas SA,Kotoulas OB,et al.Glycogen autophagy in the liver and heart of newborn rats.The effects of glucagon, adrenalin or rapamycin[J].Histol Histopathol,2005,20:689-696.

[24] Zhang Y,Fang F,Goldstein JL,et al.Reduced autophagy in livers of fasted,fat-depleted, ghrelin-deficient mice:reversal by growth hormone[J].Proc Natl Acad Sci U S A, 2015,112:1226-1231.

[25] Schroeder B,Schulze RJ,Weller SG, et al.The small GTPase Rab7 as a central regulator of hepatocellular lipophagy[J].Hepatology,2015,61:1896-1907.

[26] Kaushlk S,Cuervo AM.Degradation of lipid dropletassociated proteins by chaperone-mediated autophagy facilitates lipolysis[J].Nat Cell Biol, 2015,17:759-770.

[27] Lee JM,Wagner M,Xiao R,et al.Nutrient-sensing nuclear receptors coordinate autophagy[J]. Nature, 2014,516:112-115.

[28] Seok S,Fu T,Choi SE,et al.Transcriptional regulation of autophagy by an FXR-CREB axis[J].Nature, 2014,516:108-111.

[29] Koo Sh,Flechner L,Qi L,et al.The CREB coactivator TORC2 is a key regulator of fasting glucose metabolism[J].Nature,2005,437:1109-1111.

[30] Lee JM,Wagner M,Xiao R,et al. Nutrient-sensing nuclear receptors coordinate autophagy[J]. Nature, 2014,516:112-115.

[31] Rodriguez-Navrro Ja, Kaushik S,Koga H,et al.Inhibitory effectof dietary lipids on chaperone-mediated autophagy[J].Proc Natl Acad Sci U S A, 2012,109:E705-E714.

[32] Gomes Lc,Di Benedetto G,Scorrano L.During autophagy mitochondria elongate,are spared from degradation and sustain cell viability[J].Nat Cell Biol, 2011,13:589-598.

[33] EganGAN DF,Shackelford DB,Mihaylova MM,et al.Phosphorylation of ULK1 (hATG1) by AMP-activated protein kinase connects energy sensing to mitophagy[J].Science, 2011,331:456-461.

[34] Ma X,Liu H,Murphy JT, et al.Regulation of TFEBPGC1alpha axis by BECLIN-1 controls mitochondrial quality and cardiomyocyte death under stress[J].Mol Cell Biol, 2015,35:956-976.

[35] Lv L,Li D,Zhao D,et al.Acetylation targets the M2 isoform of pyruvate kinase for degradation through chaperone-mediated autophagy and promotes tumor growth[J].Mol Cell, 2011,42:719-730.

[36] Christofk HR,Vander Heiden MG,Harris MH,et al.The M2 splice isoform of pyruvate kinase is important for cancer metabolism and tumour growth[J].Nature, 2008,452:230-233.

[37] Kon M,Kiffin R,Koga H,et al.Chaperone-mediated autophagy is required for tumor growth[J].Sci Transl Med, 2011,3:109ra117.

The Autophagy Regulate the Liver Metabosim

WANG Zhi-guo1, WANG Li2
(1.Shanghai Bright Holstan Co., Ltd, Shanghai 201436; 2.Dairy Association of China, Beijing 100193 )

Cell autophagy is unique to eukaryotes material catabolism, evolutionary relatively conservative, Which can eliminate cell injury proteins and organelles, maintain cell health and stable internal environment, Autophagy play an important role to protect important life activities in the cell metabolism need under nutritional stress. As our understanding of autophagy has increased, we have found its connections to energy regulation in liver cells to be tight and complex. We review the mechanisms by which hepatic autophagy monitors and regulates cellular metabolism. Autophagy provides essential components (amino acids, lipids, and carbohydrates) required to meet the cell’s energy needs, and it also regulates energy supply by controlling the number, quality, and dynamics of the mitochondria. This paper will discuss the types of cell autophagy and the effect of liver cell autophagy on hepatic energy metabolism, so regulating the liver metabolism will be possible through regulating the liver cell autophagy in animal nutrition.

Liver; Autophagy; Energy metabolism

S858.23

1004-4264（2017）07-0038-05

10.19305/j.cnki.11-3009/s.2017.07.010