脂肪组织中的自噬与脂质代谢研究综述 本文关键词：代谢，脂肪，综述，脂质，组织
脂肪组织中的自噬与脂质代谢研究综述 本文简介：摘要： 细胞自噬是一种真核生物中高度保守的代谢过程,包括巨自噬、微自噬以及分子伴侣介导的自噬等。自噬过程可以清除受损的细胞器,降解糖原、脂类和蛋白质等生物大分子物质,供细胞重新利用,维持细胞内代谢平衡。自噬障碍与多种疾病的病理发生过程息息相关,包括肿瘤、2型糖尿病、肥胖、骨骼肌病以及神经退行性疾病等
脂肪组织中的自噬与脂质代谢研究综述 本文内容：
摘 要： 细胞自噬是一种真核生物中高度保守的代谢过程, 包括巨自噬、微自噬以及分子伴侣介导的自噬等。自噬过程可以清除受损的细胞器, 降解糖原、脂类和蛋白质等生物大分子物质, 供细胞重新利用, 维持细胞内代谢平衡。自噬障碍与多种疾病的病理发生过程息息相关, 包括肿瘤、2型糖尿病、肥胖、骨骼肌病以及神经退行性疾病等。脂肪组织是人体脂质储存的重要场所, 广泛分布于全身各处, 如内脏和皮下等。脂肪组织通过储存冗余脂肪并分泌脂肪因子, 防止脂肪的异位堆积和脂毒性的发生, 维持机体的脂质稳态。近期的许多研究表明, 自噬进程深度参与脂肪细胞的细胞分化与能量代谢。因此, 深入探究脂肪组织自噬过程与机体脂质稳态的调控关系, 有利于揭示机体脂质平衡的内在机制, 为新型药物靶点的开发提供扎实的理论依据和数据支持。本文就近年来关于自噬影响脂肪组织脂质代谢的最新研究进展作一综述。
关键词： 自噬; 脂肪组织; 脂质代谢; 雷帕霉素作用靶蛋白;
Abstract： Autophagy is a highly conserved metabolic process in eukaryotes, including macroautophagy, microautophagy and chaperone-mediated autophagy. This process removes damaged organelles and degrades biomacromolecules to maintain intracellular metabolic homeostasis. It has been well established that disruption of autophagy is associated with multiple metabolic diseases, such as cancer, type 2-diabetes, obesity, skeletal myopathy and neurodegeneration. On the other hand, The adipose tissue is widely distributed in various organs, such as viscera and subcutaneous stratum. It plays a critical role in maintaining whole body energy homeostasis by preventing ectopic lipid deposition and lipotoxicity through lipid storage and adipokine secretion capacities. Recently, some researchers found that autophagy is deeply involved in adipocyte differentiation and energy metabolism. Therefore, a comprehensive understanding of these two processes will provide promising strategies and candidates for the further drug development. Here, we reviewe recent advances in autophagy, which drives the lipid homeostasis in adipose tissues.
Keyword： autophagy; adipose tissue; lipid metabolism; mammalian target of rapamycin (mTOR) ;
随着社会经济的发展与生活节奏的不断加快, 人们不规律的饮食作息和过度的生活压力导致近年来肥胖发生率的攀升。临床研究表明, 肥胖通常会提高多种代谢性疾病的发病率, 严重威胁现代人的生命与健康。肥胖的本质为体内脂肪过度堆积, 主要体现为体内脂肪细胞数量的增多和体积的增大。因此, 脂肪细胞内脂质的储存和利用是维持生物体脂质平衡的关键。
在饱食状态下, 脂解 (lipolysis) 和自噬 (autophagy) 被抑制, 脂质合成 (lipogenesis) 被激活, 机体将部分过剩的能量储存在脂肪细胞之中。相反, 在营养缺乏条件下, 以甘油三酯的形式储存在脂肪细胞中的能量会被水解为游离脂肪酸, 通过血液运输被转运至各组织器官为细胞供能[1]。与此同时, 自噬被激活, 自噬体开始形成, 包裹细胞内部分蛋白质和细胞器, 并运送至溶酶体中消化分解, 作为能量来源[2]。脂质代谢与自噬在受调控方式与生理作用上的相似之处, 预示着二者之间存在着密切的联系。
早在20世纪60年代, 人们就发现, 溶酶体酸性脂肪酶 (lysosomal acid lipase, LAL) 的突变会导致多种组织内的脂质堆积。由此推测, 自噬与脂质代谢之间存在关联。直到2009年, Singh等人进行了开创性的工作, 在肝中发现并阐述了自噬介导的脂滴 (lipid droplets, LDs) 降解, 并引出“噬脂 (lipophagy) ”这一全新的概念。近年来, 随着自噬研究领域飞速的发展, 将自噬与生物个体的多种生理变化联系在一起。目前的研究发现, 自噬与细胞周期、细胞分化、细胞死亡、免疫反应等多种生理进程密切相关[3]。关于脂肪组织中的自噬与脂质代谢进程的研究也在不断拓展, 本文将从脂肪组织中的自噬影响脂肪细胞分化和脂质代谢, 自噬过程中关键调控蛋白雷帕霉素作用靶蛋白 (mammalian target of rapamycin, mTOR) 调控脂质代谢等方面, 对最新的相关研究进展进行综述。
1、 自噬
1.1 、自噬的概念
Ashford和Porter于1962年发现, 细胞有“自己吃自己”的现象, 而后提出了自噬的概念[4]。自噬是一种细胞内普遍存在的自稳机制, 主要与细胞内膜向溶酶体运输有关。在哺乳动物细胞中, 主要存在3种细胞自噬方式, 包括微自噬 (microautophagy) 、分子伴侣介导的自噬 (chaperone-mediated autophagy, CMA) 和巨自噬 (macroautophagy) 。微自噬过程发生时, 溶酶体膜内陷和突出, 直接包裹底物并进行降解。与微自噬不同, 分子伴侣介导的自噬并不使用溶酶体膜结构来捕获底物, 而是利用伴侣分子识别未折叠蛋白质, 并转运至溶酶体膜腔内进行降解。巨自噬是目前已知研究最广泛最重要的细胞质降解方式。与上述两种自噬方式不同, 巨自噬过程发生时, 溶酶体与底物之间并不存在直接接触, 而待降解底物被来自粗面内质网的无核糖体附着区脱落的双层膜包裹, 构成自噬小泡。自噬小泡的外膜与溶酶体膜融合, 包裹着底物蛋白质的自噬小体被转移到溶酶体中。最后, 自噬小体在一系列水解酶作用下被降解[5]。最新研究表明, 巨自噬可能是3种自噬方式中唯一参与细胞靶向降解的细胞降解方式[6] (见Fig.1) 。
1.2、 自噬的机制
自噬是细胞在长期进化过程中形成的自我保护机制, 在细胞中有选择性地去除一些受损的蛋白质和细胞器, 同时也是营养缺乏条件下支持自身生存的一项基本应激反应。近年的研究表明, 哺乳动物中的自噬现象与个体衰老、癌症发生、神经退行性疾病、炎症性疾病以及免疫系统的紊乱等有关[7]。此外, 最新研究表明, 自噬在哺乳动物细胞分化和细胞重塑过程中发挥着至关重要的作用[8]。
编码自噬过程中的相关蛋白质基因被称为自噬相关基因 (autophagy associated gene, ATG) , 这些基因主要在巨自噬及其相关过程发挥作用, 在进化上具有一定的保守性[9]。目前已知, 自噬过程受到多种生物信号调控。例如, 营养信号、生长因子和腺苷酸活化蛋白激酶 (adenosine 5′-monophosphate-activated protein kinase, AMPK) 等[10]。在正常生理条件下, 哺乳细胞中的mTOR处于活化状态, 不仅可以磷酸化下游ATG蛋白, 直接抑制自噬进程, 还通过磷酸化真核细胞翻译起始因子4E结合蛋白1 (eIF4E- binding protein 1, 4E-BP1) 及p70核糖体蛋白S6激酶 (p70 ribosomal protein S6 kinase, p70S6K) 抑制自噬[11,12]。除此之外, 细胞也可通过促进Ⅲ型PI3K/Beclin1复合物的形成, 或加速三磷酸鸟苷 (guanosine triphosphate, GTP) 的水解来激活自噬[13,14]。
Fig.1 Autophagic pathways in the adipose tissue
At least three types of autophagy have been demonstrated that (1) Macroautophagy starts with the engulfment of intracellular cargos by the phagophore. Later, the phagophore generates a double-membrane structure called the autophagosome through the acquisition of lipids. The autophagosome subsequently fuses with the lysosome to form the autolysosome. This autolysosome enables substrate degradation, thus producing the amino acids or other metabolites (e.g. fatty acids) for energy recycling. (2) Microautophagy is a lysosomal uptake and degradative process. (3) Chaperone-mediated autophagy sequesters cargo proteins. This process delivers the specific soluble proteins from the cytosol into lysosomes. In addition, a lysosomal resident chaperone is required to accomplish the substrate translocation
在自噬小泡隔膜形成的过程中, 微管相关蛋白1轻链3 (microtubule-associated protein 1 light 3, LC3/ATG8) 的C端被Atg4剪切, 成为胞质可溶形式的LC3-I。当自噬体形成后, LC3-I与自噬体膜表面的磷脂酰乙醇胺 (phosphatidyl ethanolamine, PE) 偶联, 经剪切和泛素化修饰, 形成LC3-II并定位于自噬体膜上, 直到自噬小泡与溶酶体融合。由于LC3-II/LC3-I的比例与自噬体的数量成正相关, LC3-II/I比值的变化也常被用作评估细胞的自噬水平。因其始终稳定地保留在自噬体膜上, 通常也被用来作为自噬体的标记分子[15]。
2 、脂肪组织的分类及其功能
脂肪组织分布在全身各处, 以积累脂质的形式储存机体内多余的能量。人体中主要存在着2种不同的脂肪组织——白色脂肪组织 (white adipose tissue, WAT) 和褐色脂肪组织 (brown adipose tissue, BAT) 。
2.1、 脂肪组织的种类与分布
WAT主要包括皮下脂肪组织 (subcutaneous white adipose tissue, sWAT) 和内脏脂肪组织 (visceral white adipose tissue, vWAT) 。vWAT又可以细分为肠系膜脂肪组织、子宫脂肪组织、肾周脂肪组织和腹膜后脂肪组织[16]。在肥胖症中, vWAT不仅参与能量储存, 还与胰岛素抵抗、2型糖尿病等一系列的代谢综合症有着密不可分的联系[17]。肠系膜脂肪组织和子宫脂肪组织更是在胰岛素抵抗、脂肪变性等代谢紊乱中扮演了不可或缺的角色[18]。与人类不同的是, 在小鼠等啮齿类动物中, 雄性小鼠还有性腺白色脂肪组织 (epididymis (gonadal) white adipose tissue, eWAT) 。由于这种差异的存在, 动物实验中与脂肪组织相关的实验结果, 需要经过谨慎的分析之后才能代入到人体。
与WAT相比, BAT具有多房小脂滴及更丰富的线粒体和毛细血管等特点。褐色脂肪组织在新生儿和冬眠的哺乳动物中含量非常丰富, 但在成年人的体内, 随着年龄的增长逐渐被白色脂肪细胞所取代。尽管如此, 在近期的研究中发现, BAT在成年人的体内依然发挥着重要的作用[19]。由此可见, 在生物体内, 各种脂肪组织通过储存多余的能量以及控制热的发生, 成为生命过程中能量平衡的中心调节者。
2.2 、脂肪组织是机体内重要的内分泌器官
脂肪组织作为内分泌器官, 在生物体系统能量平衡的动态调节中发挥着不可或缺的作用。人们把脂肪细胞分泌的一些细胞因子、激素和多肽统称为“脂肪因子”。脂肪中被研究最充分的因子——瘦素 (leptin) 是由WAT分泌的一类蛋白质类激素, 作用于下丘脑外侧AgRP神经元及下丘脑内侧POMC神经元, 可以通过调节大脑神经回路来影响人的食欲, 减少能量摄取, 增加能量消耗与抑制脂肪合成[20]。脂联素 (adiponectin) 是WAT分泌至血液中的另一种脂肪因子。脂联素通过刺激脂质氧化和抗炎反应, 减轻胰岛素抵抗, 发挥抗肥胖和抗糖尿病的作用[21]。肥胖患者血浆中的脂联素水平降低, 可被作为一项临床指标来衡量机体内代谢紊乱。最近的研究发现了许多新的脂肪因子, 例如, 由sWAT分泌、可以根据机体内营养状况调节食欲的脂肪因子nesfatin和脂类代谢物脂素 (lipokines) , 以及由BAT在冷刺激下释放的趋化因子CXCL14 (C-X-C motif chemokine ligand-14) , 其中CXCL14可以激活M2巨噬细胞进而诱导白色脂肪组织“褐化”[22,23,24]。
2.3、 脂肪组织是机体重要的产热组织
在外界环境温度较低时, 大量脂肪从白色脂肪组织流向褐色脂肪组织。同时, 机体内大量产生的β-肾上腺素通过激活过氧化物酶体增殖物激活受体γ辅助激活物1α (peroxisome proliferator-activated receptor γ coactivator 1α, PGC-1α) 促进解偶联蛋白1 (uncoupling protein 1, UCP-1) 和线粒体相关基因的表达[25]。与此同时, 寒冷刺激可以导致WAT“褐化”为米色脂肪 (beige/bright adipocytes) , 与BAT共同发挥产热功能, 但目前为止, 其产生机制目前仍未有定论。小鼠脂肪细胞系的永久性或诱导性标记显示, 冷暴露后, 皮下米色脂肪细胞数量增加是由于新的脂肪生成所致, 表明在sWAT中有能够分化为米色脂肪细胞的前体细胞[26]。也有研究显示, 温度可以逆转sWAT中的这一转变, 冷刺激形成的米色脂肪细胞热适应后, 可以转化为正常白色脂肪细胞, 随后的冷刺激可以将这些白色脂肪细胞重新转化为米色脂肪细胞[27]。这些结果表明, 白色脂肪细胞可以反复转分化为米色脂肪细胞。最近的标记基因分析结果表明, 成年人类锁骨褐色脂肪细胞 (supraclavicular BAT) 似乎是由米色脂肪细胞组成的[28]。未来的研究将会揭示BAT活化和WAT褐变的分子机制, 为寻找预防及治疗肥胖、2型糖尿病等相关疾病提供新的思路和方法。
3、 自噬对脂肪组织的影响
3.1、 自噬与脂肪细胞的分化
自噬介导的脂滴 (LDs) 作为白色脂肪的主要成分, 占据脂肪细胞绝大部分空间, 这一特殊的结构导致脂肪细胞分化过程中会发生强烈的细胞质重组。研究发现, 小鼠胚胎成纤维细胞 (mouse embryonic fibroblast cells, MEFs) 被诱导分化为脂肪细胞时, 自噬过程被激活, 包括线粒体在内的部分细胞质成分被封闭在自噬体内[29]。这一发现提示, 自噬参与并影响脂肪细胞分化过程中的细胞质重塑, 具有自噬抑制功能的氯喹, 通过抑制脂肪细胞分化这一现象也佐证上述观点[3]。
自噬过程中, 一些必需基因的全身敲除小鼠 (如Atg5或Atg7基因敲除小鼠) 会在出生24 h内死亡, 其组织发育与正常小鼠一致, 但无法处理出生后的暂时性营养缺乏, 这也是导致自噬缺陷型新生仔鼠死亡的直接原因[30]。另外, Atg5基因敲除小鼠的晚期胚胎和新生仔鼠的皮下脂肪细胞, 远比野生型小鼠明显减少[31]。
脂肪组织特异性敲除Atg7小鼠, 只含有正常小鼠约1/5的附睾白色脂肪组织 (epididymo white adipose tissue, eWAT) , 其eWAT中所含的细胞总数与野生型小鼠基本相同, 但表现出类似于棕色脂肪细胞的细胞形态, 含有多个LDs、更大量的胞质溶胶和更多的线粒体, 造成细胞中氧化水平显着增加[32]。自噬缺陷型 (Atg7-/-) 小鼠胚胎成纤维细胞被诱导为脂肪细胞时, 脂肪形成的效率显着低于正常小鼠胚胎成纤维细胞, 分化停滞在脂肪形成阶段的早期, 并形成大量的小脂滴[31]。
Atg7基因敲除的白色脂肪细胞具有许多正常棕色脂肪细胞的特征, 但它们没有显着表达UCP1和其他棕色脂肪基因, 如延伸极长链脂肪酸样3 (elongation of very long chain fatty acids-like 3, ELOVL3) 、细胞死亡引导DFFA 样效应因子a (cell death inducing DFFA-like effector a, CIDEA) 和PR域包含蛋白16 (PR domain containing 16, PRDM16) [33]。研究证明, 特异性敲除Atg7的脂肪细胞所含的多个小型脂滴, 不是由脂肪分解增加造成的。敲除细胞的基础脂肪分解速率未见变化, 甚至激素诱导的脂肪分解也未见减少[33]。
另有研究发现, 利用Atg5基因敲除小鼠分离出的原代小鼠胚胎成纤维细胞, 在被诱导形成脂肪过程中, 脂肪形成的效率大大降低[31]。但是在脂肪形成过程的早期, Atg5的缺失似乎并未影响过氧化物酶体增殖物激活受体γ (peroxisome proliferator-activated receptor γ, PPARγ) 和CCAAT/增强子结合蛋白α (CCAAT/enhancer binding protein α, C/EBPα) 的基因表达和微小脂滴的积累[31]。因此, Atg5的缺失可能是在脂肪细胞形成后期导致脂肪形成停滞, 并最终导致细胞的凋亡。此外, 在脂肪细胞分化过程中, ATG5-ATG12复合体的含量会急剧增多, 反映这些分化细胞中自噬活性的大量增加, 超过正常条件下ATG5-ATG12复合体支持自噬体形成的需求量[34]。因此, 研究ATG5-ATG12复合体在脂肪细胞分化过程中发生变化的分子机制是具有重大意义的。
这些脂肪细胞靶向敲除自噬基因的小鼠, 表现出惊人的抗肥胖和抗糖尿病表型, 较低的游离脂肪酸 (free fat acids, FFAs) 、TG和胆固醇的血浆浓度, 以及对胰岛素保持较高的敏感性[33]。这都表明, 自噬在脂肪细胞分化和脂肪形成的过程中发挥着重要的作用。
Fig.2 The causal relation between autophagy and lipid metabolism in the adipose tissue
Under starvation, the β2-adrenergic receptor in the adipose tissue is activated and further triggers the lipolysis and autophagy process respectively, by increasing the phosphorylation of PKA substrates and recruiting Rab7 to LDs. In addition, Bif-1 is an essential factor in initiating the lipolysis and autophagy. However, over-nutrition phosphorylates the mTOR thus inhibiting the autophagy process. On the other hand, activation of the mTOR pathway enhances lipogenesis by promoting PPARγ and SREBP, whereas decreasing the lipolysis by demoting 4E-BP1, 4E-BP2 and S6K1 in the adipose tissue. Besides, inflammatory factors are involved in the regulation of these two processes in the adipose tissue. For example, TNF-α promotes lipolysis by degrading PLIN, while increases the expression of autophagic genes including ATG5, ATG7, BECN1
3.2 、脂肪细胞中的自噬与脂质代谢
脂肪细胞中的自噬和脂质代谢相互交织耦联, 共同调节脂肪细胞中的物质平衡和内环境稳态 (见Fig.2) 。在营养缺乏的条件下, 体内激素会刺激β肾上腺素受体 (β2-adrenergic receptor) 作为经典信号通路激活脂肪组织的胞质内脂肪酶, 开启脂质水解进程[35]。储存在自噬介导的脂滴中的TG会在脂肪组织甘油三酯水解酶 (adipose triglyceride lipase, ATGL) , 激素敏感性脂肪酶 (hormone-sensitive lipase, HSL) 等脂肪酶作用下发生一系列水解反应, 释放大量FFAs为机体提供能量[36]。研究表明, β肾上腺素受体的激活会促进自噬体与溶酶体的融合, 增强脂肪细胞的自噬流。相反, 抑制脂肪细胞自噬进程, 会减弱β肾上腺素受体信号通路激活的脂质水解[37]。另有研究发现, 在饥饿条件下, 自噬体的标志蛋白质LC3将结合到自噬介导的脂滴上, 开启自噬进程[38]。与此同时, 脂滴包被蛋白perilipins2和perilipin3作为CMA的底物被降解, 扩大了ATGL和巨自噬过程相关蛋白质与脂滴的表面接触, 加速脂质分解进程[39]。
近年来的研究发现, 在自噬参与的脂质水解进程中, Ras相关蛋白7 (Ras-related protein 7, Rab7) 发挥着重要的作用。通常情况下, Rab家族蛋白主要参与细胞内囊泡的分选过程, 并将其运输至不同的胞内膜泡系统。在3T3-L1脂肪细胞中, 给予β肾上腺素受体刺激可使Rab7富集至LDs表面, 而后招募其他的自噬相关蛋白质, 促进自噬体与溶酶体的融合[37]。
Bif-1作为吞蛋白 (endophilin) 家族的成员之一, 定位于细胞器膜上, 在膜动力学方面发挥作用并且参与到自噬体的形成之中。最近研究发现, Bif-1的缺失同时导致脂肪细胞脂解功能下降和自噬作用的减弱, 表明Bif-1在自噬参与的LDs降解过程中发挥着重要的作用[40]。
目前已知, 体内多种炎症因子可以影响脂肪脂质代谢, 例如肿瘤坏死因子α (tumor necrosis factor α, TNF-α) 通过降低PLIN的表达促进脂肪组织脂质分解代谢。研究显示, TNF-α可以刺激脂肪细胞中自噬相关蛋白ATG5、ATG7和BECN1的表达, 促进自噬体的形成。这些研究表明, TNF-α通过调节脂肪组织自噬水平, 影响病理状态下机体脂质代谢。此外, 有研究显示, ω-3多不饱和脂肪酸来源的特殊前消散分子Maresin-1 (MaR1) 在脂肪组织中具有抗炎功能, 可以抵消TNF-α在3T3-L1脂肪细胞中诱导的脂解和自噬作用。预示着MaR1有望成为治疗药剂, 缓解炎症对脂肪组织脂质代谢稳态的影响[41]。
4 、脂肪细胞中的 mTOR与脂质代谢
mTOR是一种非常保守的丝氨酸/苏氨酸激酶, 一般形成两种不同的复合物mTORC1和mTORC2, 它们具有共同的以及不同的配体。目前的研究表明, mTOR不仅可以影响细胞自噬, 在脂肪组织脂质代谢过程中, 同样发挥着重要的作用。因此, mTOR靶向抑制剂的开发已经成为相关领域研究的热点, 同时也为肥胖和2型糖尿病等代谢性疾病提供新的治疗思路与方法。
在3T3-L1脂肪细胞中, mTORC1通过激活固醇调节元件结合蛋白 (sterol-regulatory element binding proteins, SREBP) 促进脂质生成[42]。SREBP作为机体中重要的转录因子, 可以调控超过30种基因, 参与脂肪酸、固醇、甘油三酯和磷脂酸的合成。此外, mTOR还可以调控PPARγ的表达和蛋白质活性。PPARγ作为促进脂质存储的重要转录因子, 调控脂肪酸在脂肪细胞中的合成和酯化[43]。由此可以看出, mTOR在脂肪中作为重要的调控因子, 通过多种途径调控脂肪组织中的脂质生成。
人脑富含的Ras同源物 (Ras homolog enriched in brain, Rheb) 是GTP酶蛋白超家族的成员。作为mTOR信号通路中的关键蛋白质, Rheb能够直接与mTOR激酶结构域结合, 改变mTOR复合物的构型, 从而激活mTOR。据报道, 3T3-L1脂肪细胞中的过表达Rheb, 在激活mTOR的同时也会导致ATGL的表达量降低, 促进脂质生成和抑制脂肪分解。相反, 使用雷帕霉素处理3T3-L1脂肪细胞, 使HSL磷酸化增加, 促进脂肪分解[44]。
脂解生成的FFAs通过肉毒碱酰基转移酶 (carnitine acyl-transferase, CAT) 转移到线粒体内膜, 随后被氧化生成乙酰辅酶A (acetyl-CoA) , 乙酰辅酶A进入柠檬酸循环产生能量。在使用雷帕霉素处理 (12和24 h) 的人B淋巴瘤细胞系 (BJAB) 和小鼠T淋巴细胞 (CTLL-2) 中, 乙酰辅酶A脱氢酶基因和CAT的表达增加。研究结果表明, 抑制mTOR活性可以加速FFA的氧化和分解代谢[45]。
此外, 其他相关研究显示, 抑制位于mTOR下游的真核翻译起始因子4E结合蛋白1 (eIF4E-binding protein 1, 4E-BP1) 和真核翻译起始因子4E结合蛋白2 (eIF4E-binding protein 1, 4E-BP2) 的基因表达, 会导致小鼠脂质分解减少和TG积累增加[46]。核糖体蛋白S6激酶1 (ribosomal protein S6 kinase 1, S6K1) 作为mTOR下游的重要调控蛋白质, 对细胞的生长、发育和生存等过程都发挥关键的作用。S6K1的基因敲除小鼠中, 脂肪组织的脂质分解增加, 小鼠体重减轻并表现出抗肥胖现象[47]。
mTOR信号通路在脂质代谢中起着不可或缺的作用, 同时也是响应细胞生理条件, 调节生长和自噬之间平衡的关键组分。在营养充足的条件下, mTOR信号通路可以刺激脂肪组织进行脂质合成, 抑制脂质分解, 来储存过剩的能量, 避免脂质的异位堆积对生物体其它器官造成的脂毒性。相反, 能量的缺乏导致mTOR信号通路被抑制, 受其抑制的自噬和脂质水解等细胞进程被激活, 脂肪组织所储存的能量被分解利用。这些事件的串联提示, mTOR是脂质代谢和自噬之间一个非常重要的连接节点, 对mTOR的进一步的研究可以更好地了解自噬与脂质代谢之间的关系。
mTOR处于多种信号通路的关键位置, 是针对相关疾病进行靶向治疗的关键靶位点。西罗莫司 (又称雷帕霉素、雷帕鸣) 、依维莫司、替西罗莫司等雷帕霉素及其衍生物, 均是已经上市的靶向mTORC1第一代mTOR的抑制剂[48]。雷帕霉素是一种大环内酯类抗生素, 由于其具有免疫抑制和其抗增殖的特征, 目前常单独使用或与环孢霉素等药物联合使用, 缓解肾移植手术后免疫排异。待未来脂肪组织中脂质代谢与自噬之间关系进一步明确后, mTOR有望成为治疗肥胖、2型糖尿病等代谢性疾病的重要药物靶点。
5 、问题与展望
自噬作为生物体内一种基本的自稳机制, 在人体多种疾病过程中发挥着重要的作用。脂肪细胞内的自噬障碍可以导致细胞脂类积聚, 引起肥胖、血脂异常和脂肪肝等疾病。在细胞内, 自噬和脂质代谢各司其职, 发挥着其独特的作用, 并通过一些作用节点相互关联。然而, 随着人们对自噬与脂肪脂质代谢的了解逐渐深入, 一系列的问题也随之凸显。首先, 这两种作用机制之间是通过相互补偿的方式还是协同作用维持生命体的生理功能尚不明确。其次, 机体是如何正确选择自噬和脂质代谢的交联方式, 进而维持细胞的物质稳态仍不清楚。另有, 直接介导脂滴与自噬体或溶酶体之间相互作用的分子机制也仍待探索。另外, 自噬过程中降解的LDs是否具有特异性, 在此过程中自噬的方式是如何选择的也尚未可知。未来的研究将逐步揭示自噬与脂肪脂质代谢之间内在联系, 为寻找预防及治疗肥胖与2型糖尿病等相关疾病提供新思路与新方法。
通常情况下, 细胞内的自噬进程被mTOR信号通路所抑制, 因此, 以mTOR为靶位点进行自噬障碍相关疾病的治疗是该领域的研究热点。mTOR是一个重要的真核细胞信号分子, 可以影响ATG1等基因的转录和蛋白质合成, 调节细胞的凋亡、自噬等生理机制, 进而影响细胞及生物体的生长与代谢。mTOR的稳定性可以影响T细胞中细胞因子的表达, 参与免疫抑制。因此, mTOR同样也被认为是肿瘤治疗的重要靶点[49]。但这同样也是mTOR通路在疾病治疗过程中的弊端。由于mTOR通路在调节核糖体合成及蛋白质翻译等方面的功能, 病人长期使用雷帕霉素可能会损害自身免疫力, 进而导致血小板减少与伤口愈合障碍等并发症。因此, 筛选不依赖于mTOR的自噬诱导剂用于临床治疗变得尤为重要, 如钙蛋白酶抑素在神经退行性疾病中有潜在的治疗应用价值。此外, mTOR是机体内相对上游的枢纽因子, 对其进行直接调控会产生“牵一发而动全身”的效果, 其调控的特异性和安全性也具有极大的不确定性。因此, 以mTOR为核心寻找其相关分子伴侣和下游靶分子, 并以此为靶位点进一步筛选相应药物具有较高的临床意义。
本课题组在之前的研究中, 发现一种新型代谢调控分子——早幼粒细胞性白血病锌指蛋白 (promyelocytic leukemia zinc finger, PLZF) 能够活化肝糖异生进程。简而言之, PLZF能接受PGC-1α/GR复合物的调控, 并通过抑制Akt磷酸化激活肝的糖异生, 增加葡萄糖的输出[50]。更令人瞩目的是, PLZF还能分别调控脂质代谢稳态和细胞自噬进程。在脂质代谢调控方面, PLZF可以促进白色脂肪细胞的分化, 并诱导其向米色脂肪细胞转变;在BAT中, PLZF还能诱导脂肪酸氧化、糖酵解及线粒体功能相关基因的表达, 促进机体产热[51,52]。在自噬调控方面, 人脐静脉内皮细胞中的PLZF可以通过作用于PI3K的转录来激活自噬, 而在肾组织中, 抑制PLZF的活性则可以诱导细胞自噬。这表明, PLZF对自噬作用的调控具有组织器官的特异性[53,54]。不仅如此, PLZF还可抑制精原祖细胞中mTORC1的活性[55]。因此, 我们推测, PLZF可能是mTOR的上游调控分子, 并以mTOR依赖的方式协同调控脂肪细胞中脂质代谢和自噬。
细胞内物质的有序合成与降解是生命体物质和能量稳态维持的基本要素。脂质是体内三大营养物质之一。脂肪组织是机体内最大的脂质储存器官, 对生命体物质储存与利用起着关键性的作用。自噬与脂肪细胞中脂质代谢之间相互作用机制的研究, 将有助于深入地了解细胞内物质合成与降解的代谢过程, 从而进一步理解生物体内物质平衡的维持机制, 为相关疾病的预防和治疗提供新的思路与方法。
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脂肪组织中的自噬与脂质代谢研究综述 来源：网络整理
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