镉诱导细胞自噬的分子机制研究进展

史美琳， 周 阳， 刘海涛， 徐荣发， 施海峰

(江苏大学 生命科学研究院， 镇江 212013)



镉诱导细胞自噬的分子机制研究进展

史美琳， 周 阳， 刘海涛， 徐荣发， 施海峰

(江苏大学 生命科学研究院， 镇江 212013)

镉是一种常见的环境污染物。高剂量的镉暴露引起细胞凋亡，近来有研究表明镉暴露能够引起细胞自噬。自噬是真核生物中进化上高度保守的过程,用来降解和回收利用生物大分子和受损细胞器，对个体的正常发育和应对环境刺激非常重要，自噬调控障碍与机体的许多生理和病理过程相关，如神经退行性疾病、癌症、病原微生物感染等。镉诱导细胞自噬的分子机制涉及许多细胞内信号通路，镉暴露会导致细胞产生氧化压力(reactive oxygen species ，ROS)，激活肝激酶B1-AMP激活的蛋白激酶(liver kinase B1-AMP-activated protein kinase，LKB1-AMPK)信号通路引起细胞自噬的发生；镉可以通过细胞质钙离子的增加激活钙调素依赖蛋白激酶引起自噬的发生；镉还会通过内质网氧化压力诱导细胞自噬的发生。大量研究表明镉诱导的细胞自噬与细胞死亡有关，也有一些研究认为自噬可以作为一种保护机制抑制镉引发的细胞死亡。尽管镉诱导自噬的研究已经有了一些进展，但完整的分子机制还不是非常清楚。

镉; 细胞自噬; ROS; 钙信号通路

镉是一种能够致癌的有毒重金属。镉主要通过食物链、吸烟、以及其工业应用进入人体。根据镉暴露剂量和时间的不同，镉可以诱导细胞凋亡或者癌症的发生[1]。最近有研究报道镉能诱导细胞自噬的发生[2]。这些发现表明镉不仅诱导细胞凋亡，而且诱导自噬性细胞死亡。然而镉诱导细胞自噬的分子机制仍然需要进一步的研究。

1　镉污染

镉是一种有毒重金属，被美国毒物管理委员会(ATSDR)列为第六位危及人体健康的有毒物质。国际癌症研究组织(IARC)将镉及其相关化合物确认为第一类致癌物。随着工业的发展，重金属镉污染越来越严重，镉污染的来源主要有矿物开采冶炼、镉工业应用和镉电池的使用等。镉通过皮肤、呼吸道、食物链等进入人体，它在人体的半衰期长达10到30年[3]，对人体健康产生各种不良影响，如引起肾损伤、肝损伤、睾丸损伤、骨质疏松、心血管疾病、神经性疾病和免疫力下降等。日本的“痛痛病”就是因为镉污染引起的，发病地区的锌矿中含有大量的镉。镉污染的灌溉水进入农田被农作物吸收，通过谷物、小麦、烟草使镉在人体内积累。镉通过许多机制产生生物毒性，如镉能导致钙离子代谢紊乱，造成钙流失。

2　自噬的形成及分子机理

自噬是真核生物中用于降解或回收利用错误折叠的蛋白质和受损细胞器的过程。自噬从酵母到高等真核生物是高度保守的，它可以降解错误折叠的蛋白质，为合成其他的蛋白质提供必需氨基酸[4]。自噬大致被分为以下3种：宏自噬(macroautophagy)、微自噬(microautophagy)和分子伴侣介导的自噬(chaperone-mediated autophagy)。宏自噬最先被发现，其机制也被研究的最为清楚，狭义上等同于细胞自噬。而通常所说的自噬就是指宏自噬。自噬发生需要经过以下几个阶段：1)自噬前体形成。自噬前体的形成需要磷脂酰肌醇三磷酸(phosphatidylinositol 3-phosphate，PtdIns3)，它与Beclin-1(mammalian Atg6)、Atg14和Vps15(p150)形成复合物时起始自噬的发生[5]。这一复合物的活性依赖于ULK1、ULK2(unc-51-like kinase1/2, mammalian orthologue for Atg1)、Atg13和FIP200[FAK(focal adhesion kinase)-family interacting protein of 200 kDa]这些上游自噬调节蛋白。2)自噬前体延长包裹自噬的底物。3)自噬泡形成：自噬泡组装位点(phagophore assembly site, also referred to as the pre-autophagosomal structure，PAS)是一个假设的自噬泡形成位点，许多自噬相关复合物位于这一位点，自噬相关蛋白包括Atg12-Atg5-Atg16复合物和Atg8-PE连接，这些自噬相关蛋白共同构成了前自噬泡这一结构，自噬泡组装位点逐渐发展，成为由双层膜结构形成的空泡，其中包裹着变性坏死的细胞器和部分细胞浆，这种双层膜结构被称为自噬泡(Autophagosome)[6]。自噬泡形成是一个核化过程，而不是像胞吐作用的出芽过程，通常形成自噬泡的膜来自于内质网，膜的核化过程依赖于磷脂酰肌醇-3激酶(PtdIns3-kinase，PI3K)复合物和Atg9。4)自噬泡与溶酶体融合完成底物降解：完整的自噬泡形成后运输到溶酶体周围，自噬泡的外膜与溶酶体膜融合，这一融合依赖于液泡融合蛋白Ccz1和Mon1，融合后自噬体内的包裹底物的单层膜泡释放到溶酶体内，在溶酶体内酸性环境下降解，自噬体的降解依赖于溶酶体内蛋白酶Pep4、Prb1和溶酶体内液体的酸性环境，同时Atg15对溶酶体内自噬体的降解也是必须条件[7]。自噬发生示意图见图1[8]。

图 1 自噬过程示意图[8]Fig 1 Schematic model of autophagy

在正常状态下，自噬主要通过清除、降解胞内长寿命蛋白和受损细胞器来维持细胞自身代谢需要和某些细胞器的更新，对维持细胞稳态具有重要作用。饥饿、低氧等应激胁迫条件下，细胞可以发生比基础自噬明显强烈的诱导自噬，它作为一种细胞应对外界刺激的保护反应[9]，而过量的自噬则会引起自噬性细胞死亡，也称之为Ⅱ型程序性细胞死亡[10]。细胞自噬与某些疾病的发生有关，例如肿瘤、心血管疾病、肝脏疾病、肌肉疾病和神经退行性病变等。

许多研究表明镉诱导细胞自噬伴随着凋亡型细胞死亡的发生，Luevano等发现自噬抑制剂3-MA减少镉诱导的细胞死亡，表明镉诱导自噬引起细胞死亡[11]。Wang等发现在肾小球系膜细胞中镉诱导的自噬伴随着凋亡信号通路，进而镉诱导自噬与细胞死亡有关[12]。也有一些研究表明自噬可以作为一种保护机制抑制细胞死亡。Chargui等人发现短时间低浓度的镉暴露不影响肾小管功能，不会导致细胞凋亡，镉积累在肾近曲小管溶酶体中，引起细胞增殖和细胞自噬，溶酶体中镉的积累和溶酶体数目的增多被认为是镉的吸收和镉的去毒性，他们认为自噬增加细胞的耐受性，提供了一个避免凋亡的早期适应性选择[3]。Chiarelli等人发现海胆处于镉暴露环境时，自噬可以作为一种应对压力的防御策略而保护细胞不死亡[13]。Kato等发现在大鼠肾NRK-52E细胞中自噬诱导剂雷帕霉素抑制10 μM镉处理细胞导致的细胞死亡[14]。一个可能解释是，当细胞损伤不太严重时，细胞自噬作为细胞存活的选择，当细胞损伤不可逆转时，细胞自噬过度导致细胞死亡，而这可能是另一种完全独立的细胞死亡途径[15]。

3　镉引起自噬的分子机制

3.1镉通过ROS诱导自噬的产生

1)镉作为一种稳定的二价金属离子，虽然不能引起芬顿反应，但是许多研究表明镉暴露能通过线粒体导致ROS的产生[16]。Wei等人发现镉腹腔注射小鼠后，小鼠肾中的ROS增加[17]。SIRT3(sirtuin 3)是主要的控制线粒体功能和ROS产生的乙酰化酶，Pi等人发现HepG2细胞镉暴露后SIRT3的表达和活性降低，SIRT3调控SOD2的活性，导致线粒体超氧化物歧化酶2 (superoxide dismutase 2,mitochondrial， SOD2)的活性降低，导致线粒体ROS产生增加[18]。Son等人发现镉处理上皮细胞后，细胞内ROS增加[19]，ROS的增加可以激活PARP(poly ADP-ribose polymerase)，导致细胞内能量的损耗，镉呈现剂量依赖性诱导LKB1的磷酸化，磷酸化的LKB1激活AMPK，AMPK是一个细胞内调节新陈代谢和细胞增殖的能量感受器，它同时在镉诱导的自噬中起作用，磷酸化的AMPK激活LKB1-AMPK信号通路，抑制mTOR(mammalian target of rapamycin)[20]，mTOR对ULK1和mAtg13的磷酸化抑制作用减弱，使得ULK1激活并磷酸化Atg13、FIP200和ULK1自身[20]，从而开启自噬发生的第一步。之后，ULK1/2、ATG13、FIP200从细胞质转移到内质网或其他特定位置，形成自噬发生的原核，进而募集下游的磷脂酰肌醇-3激酶复合物、微管相关蛋白轻链3(Microtubule-associated proteins 1A/1B light chain 3B，LC3)等分子参与自噬发生过程中[4]。Wang等人研究指出ROS在镉激活糖元合成酶激酶(glycogen synthase kinase-3β，GSK-3β)而诱导的自噬中起了重要作用。GSK-3β是磷脂酰肌醇-3激酶的底物，磷脂酰肌醇-3激酶激活GSK-3β可能是镉通过ROS诱导自噬发生的一个中间过程[12]。So等人发现GSK-3β丝氨酸的磷酸化调控镉诱导的自噬21]。

2)共济失调突变蛋白(Ataxia telangiectasia mutated，ATM)是一个应对DNA损伤的肿瘤抑制蛋白，DNA双链损伤时被激活，同时ATM也可以在核外起作用，作为一个细胞内ROS的感应器，镉暴露导致细胞内ROS增加时ATM被激活，起始LKB1、AMPK和TSC2信号通路抑制mTORC1，从而诱导细胞自噬[22](图2)。

3.2镉通过钙信号通路诱导细胞自噬

钙离子信号在生理和病理过程中发挥重要调节作用，例如调节分泌、收缩、新陈代谢、基因转录和细胞死亡等。钙离子在细胞质、线粒体和细胞核暂时性的升高是常见的细胞信号调节现象。在细胞中内质网是主要的钙离子存储位点[23]。Misra等人发现镉能使三磷酸肌醇(inositol 1，4，5-triphosphate，IP3)表达量增加，三磷酸肌醇是三磷酸肌醇受体(inositol 1，4，5-triphosphate receptor，IP3R)的配体[24]，镉因此激活三磷酸肌醇受体，钙离子从内质网释放到细胞质[2]。Messner等人发现镉处理细胞1 h后，细胞内钙离子增加[25]。Woods等人发现细胞质钙离子的增加能够使AMPK经过激活钙调素依赖蛋白激酶的激酶(Ca2+/Calmodulin-dependent protein kinase kinase，CaMKK-β)信号通路激活[26]，然后以AMPK、结节硬化复合物1(tuberous sclerosis complex 1，TSC1)和结节硬化复合物2(tuberous sclerosis complex 2，TSC2)依赖的方式抑制mTOR[27]，在镉引起细胞内钙离子增加进而诱导细胞自噬过程中，RHEB信号通路可能作为一个中间环节[27-28]。TSC1/TSC2是一种ras家族GTP结合蛋白RHEB的GTP酶激活蛋白[29]，RHEB可以直接结合和激活mTOR复合物[30]。抑制mTOR后，通过ROS引起自噬类似的下游信号通路诱导自噬的发生。镉通过钙信号通路诱导细胞自噬模式图见图2。

图 2 镉诱导细胞自噬示意图Fig 2 Schematic presentation of the suggested signaling cascade to autophagy

3.3镉通过内质网氧化压力-JNK1信号通路诱导细胞自噬

位于内质网的抗凋亡蛋白B淋巴细胞瘤-2蛋白(B-cell lymphoma-2，Bcl-2)通过结合Beclin-1能有效抑制自噬发生过程。Wei等人实验中发现镉诱导细胞产生内质网压力，JNK1活性升高，JNK1使Bcl-2多个位点磷酸化，磷酸化的Bcl-2与Beclin-1的结合被解除，从而诱导细胞发生自噬[31]。

4　小结与展望

自噬的调控过程，由于其信号通路和分子机制错综复杂相互影响，目前尚未完全阐明。现认为主要包括mTOR(Mammalian Target of Rapamycin)信号依赖途径和非mTOR依赖途径。镉诱导的自噬可能存在多种信号途径，镉通过ROS和镉通过引起细胞质钙离子的增加影响AMPK信号通路，进而抑制mTOR来诱导自噬的产生被认为是mTOR信号依赖途径[32]；目前关于非mTOR依赖途径的镉诱导自噬的研究还不是很清楚。慢性镉暴露与许多人类疾病有关，如癌症、肝损伤到严重的肾衰竭，目前还没有应对镉毒性的有效治疗方法。已有研究表明自噬与肿瘤发生、免疫性疾病、神经退行性疾病和代谢性疾病等的发生有关，镉诱发自噬这一现象的分子机制的研究也许可以作为一个治疗相关疾病的介入点，或者以此来寻找替代药物。尽管镉诱导自噬的研究已经有了一些进展，但其诱导自噬的分子机制以及相关信号通路还有待进一步证实。

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Advance in molecular mechanism of autophagy induced by cadmium

SHI Mei-lin, ZHOU Yang, LIU Hai-tao, XU Rong-fa, SHI Hai-feng

(Institute of Life Science, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China)

Cadmium is a common environmental pollutant, which causes cell apoptosis. Recently, some researches have shown low levels of cadmium exposure could cause cell autophagy. Autophagy, an evolutionarily conserved mechanism for sequestering and degrading long-lived cellular proteins and damaged organelles, is important in normal development and serve as a response to changing environmental stimuli. Its alteration is associated with many physiological and pathological process of the body, such as neurodegenerative diseases, cancer, pathogenic microorganism infection. The molecular mechanism of autophagy induced by cadmium is involved in many signal pathways, which can be induced by the generation of reactive oxygen species(ROS) and to activate liver kinase B1-AMP-activated protein kinase (LKB1-AMPK) signaling pathway, or a rapid elevation in cytosolic calcium to activate calmodulin-dependent protein kinase. Autophagy can also be induced by ER stress. Numerous studies show that autophagy induced by cadmium plays an important role in cell death, while other studies indicate that autophagy can serve as a protective mechanism against cadmium caused cell death. Although the cadmium induced autophagy has been investigated intensively, the underlying mechanisms are not yet completely understood. The purpose of this review was to elaborate the molecular mechanism of autophagy induced by cadmium.

cadmium; autophagy; ROS; calcium signal pathway

2015-11-20；

2015-12-02

国家自然科学基金项目(31271272，31301919)；江苏省自然科学基金(BK20130506)

史美琳，硕士研究生，专业方向为生物化学与分子生物学，E-mali：18361811127@163.com

施海峰，博士，教授，博士生导师，研究方向为金属离子代谢，E-mail：shihf@ujs.edu.cn

Q25

A

2095-1736(2016)05-0079-04

doi∶10.3969/j.issn.2095-1736.2016.05.079