（1广东医科大学 广东湛江 524023）
（2广州市红十字会医院 广东广州 510315）
【摘要】自噬是遗传上保守的细胞浆成分再利用的过程，它参与了机体的生理和病理过程。剪切力存在于机体几乎所有流体结构中，其中以心血管系统最为多见。目前已知同一组织不同剪切力对机体影响不同，同一剪切力对不同组织影响亦不同。但是它作为机械力是如何转导成细胞信号，从而达到不同的生物学效应是不甚清楚的。本文就剪切力力与细胞自噬的相关研究作以综述。
【关键词】自噬；剪切力；层流；振荡流；内皮细胞
【中图分类号】R329.2+6 【文献标识码】A 【文章编号】1007-8231（2017）06-0003-03
【Abstract】Autophagy is a process of genetically conserved reusing the components of the cell in the physiological and pathological processes . Shear stress exists in almost all fluid structures of the body, of which the most common is cardiovascular system. It is known that different shear stress has different effects on the same organization of the body, while the same shear stress has different effects on different tissues. However, it is not clear how the mechanical signals transduced into cellular signals to achieve different biological effects. This review will summarize the researches on the relationship between shear stress and autophagy .
【Key words】 Autophobic shear laminar flow oscillating flow endothelial cells
1.引言
自噬在机体的生理和病理过程中都能见到。在细胞正常生长过程中，基础自噬是一种重要的维持细胞稳态和长寿的质量控制机制。目前已经有大量研究证实当细胞受到化学刺激，如营养缺乏、细胞毒作用、低氧等时，自噬作为一种保护机制而被诱导；过度自噬又会导致细胞炎症因子的分泌并导致细胞程序性死亡[1]。而对细胞受到机械如挤压、拉伸、剪切力等刺激时，自噬如何发生以及它发生的机制，目前尚缺乏深入的研究。本文旨在探讨剪切力作用下，细胞自噬的相关研究进展。
2.自噬的发现和发展
1962年Ashford和Porter首次在电镜下发现细胞内有“自己吃自己”现象，并将这种现象命名为自噬，它是遗传上保守的,将胞浆成分，如蛋白质、脂质等，和细胞器成分，如线粒体、内吞体、过氧化物酶体等运送至溶酶体后，溶酶体内的降解酶体系再将其消化释放再利用的过程。根据细胞物质被输送至溶酶体的方式，将自噬分为三类：I大自噬，即我们通常所说的自噬，来自内质网或高尔基体的双层膜包裹需降解的胞浆成分和细胞器成分，形成囊泡，称为自噬小体（autophagosome）,其直径一般为300～900nm，平均500nm，半衰期很短约8min，自噬小体被自噬底物蛋白标记后定向与溶酶体结合，形成自噬溶酶体，进而被降解利用。Ⅱ小自噬，溶酶体的膜直接包裹需降解的成分，并在溶酶体内降解。Ⅲ分子伴侣介导的自噬（CMA），胞质内蛋白结合到分子伴侣后，被转运到溶酶体腔中，然后被溶酶体酶消化。虽然自噬现象早在40年以前就已经在电子显微镜下被观察到，但是在很长一段时间都没发现自噬过程中相关的因子，有关自噬机制的研究一直没有进展。直到基础生物学研究所（现·东京工业大学）的大隈良典教授，制作了不能顺利降解自噬体内被包被分子的酵母菌株，并成功克隆了酵母的自噬基因（Autophagy related:APG/ATG）[2]。现在通过对芽殖酵母中自噬突变体的大规模筛选，一批自噬相关基因(ATG基因)共36种被分离出来（2012年），这些基因大多被保存在哺乳动物和植物中（物种间的同源序列很少，但是立体结构却很相似）。于是以发现APG/ATG基因群为契机，研究人员开始展开对各个蛋白机制的研究，由此陆续发现了自噬的相关机制和作用。
3.层流剪切切力与自噬
剪切应力是由于流体在细胞表面上流动而产生的摩擦力。它与流体粘度、流速和管腔的直径有关。人体承受流体剪切力的组织主要是心血管组织，包括心脏和血管。人体其他组织也存在流体剪切力，例如尿管、淋巴管、淋巴结、间质液和脑脊髓液接触的细胞等。
3.1 血管内皮细胞的自噬
在大多数情况下，内皮细胞机械传感器和作用于剪应力诱导自噬的上游的细胞信号传导途径是未知的，但目前发现了部分内皮细胞上的机械感应结构和蛋白，例如原发性纤毛和糖蛋白CD31（也称为PECAM-1）。内皮原发性纤毛，是突出到血管腔中的微管结构，在ApoE-/-小鼠模型中，特性性条件敲除Ift88（是纤毛形成的必要基因），使得内皮原发纤毛形成障碍后，可保护血管免受动脉粥样硬化的影响[3]。
细胞是通过何种感受器感受剪切力，此后又是通过何种细胞信号通路联系细胞自噬的，目前仍处于研究阶段。已有大部分实验证实层流剪切力诱导自噬的发生，即自噬小体的形成，但其堆积是否是由于自噬流受阻引起，目前尚有争议。当前研究发现自噬调节涉及多种信号通路，其中以腺苷单磷酸活化蛋白激酶(adenosine mono-phosphateactivated?protein kinase,AMPK)及哺乳动物雷帕霉素受体(mammalian target of rapamycin，mTOR)信号通路为调控核心。AMPK促进自噬发生，而mTOR抑制自噬发生，都是经典的自噬信号通路。但是J Liu等人发现层流对mTOR-ULK途径没有影响，而是通过显著上调Sirt1（NAD依赖性脱乙酰酶）表达，进而激活FoxO1来诱导自噬的发生。此外，J Liu等还发现剪应力诱导Sirt1表达和自噬发生是氧化还原依赖途径，而Sirt1可能作为介导氧化应激诱导自噬的氧化还原敏感的传感器。而且，这种由层流（12或20dyn/cm2），而不是振荡流(±5 dyn/cm2 at 1Hz）或低剪切力（4dyn/cm2)诱导的自噬，具有抗细胞氧化损伤和死亡的保护性作用，反过来，阻断自噬，层流介导的氧化损伤加重[4]。但Zufeng Ding等在对血管内细胞施加低水平、正常生理水平和高水平剪切力的实验中，得出了不同结论。在低水平剪切力处的自噬标记物BECLIN 1和LC3II / LC3I较生理和高剪切水平处的明显增多，而该处的ROS水平也明显升高。这与人体动脉血管低剪切力处氧化损伤、粥样斑块易发的表现相一致。因此，Zufeng Ding等认为，过度的自噬反而是血管的一个损伤机制，可能导致斑块形成和斑块的不稳定[5]。其他途径如 Rac1-rab7-KLF2（12 dyn/cm2）[6]、Rab4途径（15dyn/cm2）[7]、LOX-1途径(清道夫受体-1,凝集素样ox-LDL清除受体）[5]、Atg5和Atg7的脱乙酰化[14]等均被证实促进自噬和自噬流。以上均证实在5到20dyn/cm2的层流剪切力下，自噬形成和自噬流随着剪切力的增加和而增强[8]，并通过抑制单核细胞的在内皮细胞的粘附[7]，减少 ET-1(内源性的血管收缩因子)合成[8]，促进e-Nos合成[8、9、10],降解损伤的细胞组分，特别是损伤的线粒体[8、9]等途径来保护血管内皮细胞。这一保护性作用在自噬被阻断时被破坏[4、8]。提示这种效应不是短暂的适应性应激反应，而似乎是持续的生理作用[4]。与Ding不同的是，Qin Yang等人发现低剪切力（5dyn/cm2）通过下调TET2（其在胞嘧啶脱甲基化作用中起重要作用），促进了自噬底物p62增加，这提示了在低于生理剪切力的刺激下，血管内皮细胞自噬流受到抑制[11]。基于此，我们在探索自噬过程时，应该以更为动态的检验方法去验证自噬的整个过程。
Ya-Ju Chang等用大鼠构建颈动-动脉（CAA）和动-静脉(CAV)移植模型。发现与CAA相比，CAV的血管内皮细胞的LC3I/II和p62明显减少，提示自噬和自噬流被过度诱导。该模型研究还发现以动脉层流剪切力（12dyn/cm2）刺激静脉，导致了管腔的狭窄，触发了由COX-2介导的级联炎症损伤反应，诱导静脉内皮细胞自噬和细胞死亡[1]。而Bi-Jun Xu的肺动脉高压模型中，肺微血管内皮细胞中的p62水平在高层流剪切力（10.9dyn/cm2）刺激4小时增加，在12小时达到峰值并在24小时下降；而细胞活力随着时间的增加逐渐降低[12]。这些研究结果提示剪切力的高低是相对的，对于特定的细胞而言，可能有合适的生理剪切力水平，在生理水平的剪切力范围下适当增加剪切力水平和作用时间，自噬是作为一个保护性机制被诱导。而过高的层流剪切力水平长时程的刺激，过度诱导自噬和自噬流，反而是损坏机制，可能导致细胞活力下降、细胞炎症反应发生和细胞死亡。
3.2 肾小管上皮细胞的自噬
层流剪切力（1dyn/cm2）作用于肾小管上皮细胞，通过初级纤毛/原发纤毛介导诱导自噬和自噬流，从而调节肾小管上皮的大小，使得肾小管上皮细胞体积变小，这个过程，ATG16L1被募集参与到自噬过程，而长时间的流体刺激，则激活STK11-AMP，抑制mTOR，从而诱导自噬。用缺乏Kif3a（睫状体驱动蛋白2家族成员）的小鼠，构建不存在初级纤毛的情况下给予层流剪切力刺激，结果显示自噬受损，肾小管内皮细胞扩大[13、14]。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆在Raghavan and Weisz的实验中观察到，在早期的时间点，开始流体流动后，刺激肾小管上皮细胞自噬需要多囊蛋白复合物，这种复合物的组分包括PC1和PC2，它们多表达在常染色体显性多囊性肾病中，其是一种纤毛依赖性疾病（也称为a纤毛病）。以后，自噬的诱导依赖于LKB1-AMPK-mTOR依赖性途径。有趣的是，只有LKB1-AMPK-mTOR信号是需要通过自噬调节细胞体积的途径[14、15]。以上实验均反应了自噬在调节细胞形态，尤其是肾小管上皮细胞的大小中发挥重要作用。
3.3 肿瘤细胞的自噬
Sheng-Chieh Lien的实验模型发现层流剪切力通过BMPR/ Smad1/5/p38MAPK途径，调节切割半胱氨酸蛋白酶和LC3B-II蛋白的表达，从而诱导了四种人肿瘤细胞株，即Hep3B肝癌细胞，MG63骨肉瘤细胞，SCC25口腔鳞状细胞癌和A549癌肺泡基底上皮细胞的自噬和凋亡。在这几种类型的肿瘤细胞中由剪切应力诱导的癌细胞死亡仅发生于层流，而不是振荡流，而那种效应在正常人脐静脉内皮细胞中没有表现一致。该实验模型证实了层流诱导的细胞自噬至少部分对于细胞凋亡是必需的。作为层流诱导的细胞死亡的独立途径之外，自噬可能可以作为上游机制发挥协同作用，以调节响应剪切作用下的癌细胞凋亡[16]。Sheng-Chieh Lien等的研究结果提供了流体剪切力调节癌细胞命运的分子机制，深入研究癌细胞的自噬可能会提高我们对肿瘤发生发展的理解，为肿瘤的治疗开辟新视角。
4.振荡流剪切力与自噬
Rongsong Li等在离体灌注的模型中，发现振荡流诱导自噬小体形成，抑制自噬流。振荡流可促进氧化应激、JNK磷酸化，并通过上述途径诱导自噬小体产生。EBSS或雷帕霉素诱导的自噬减轻了振荡流诱导的线粒体超氧化物产生，恢复了振荡流介导的线粒体呼吸的减少。振荡流通过的JNK途径和增加线粒体超氧化物从而使线粒体DNA受损[17]，而线粒体的氧化活性改变可能与内源性钙离子介导的一氧化氮的改变有关[9]。大多数研究已经得出结论，单向/层流剪切力促进内皮细胞中的自噬（例如，血管内皮细胞和端粒酶-永生化的人微血管内皮细胞）发生，而振荡流无或者抑制细胞自噬，振荡流诱导的自噬的这种改变，与细胞在震荡剪切力时受损是相一致的，这种一致性提示也许是自噬的保护性机制受到抑制，也许是此时自噬并非起保护作用。
5.展望
自噬过程适应不良反应与癌症，衰老，神经变性疾病，心血管疾病如粥样硬化等有关[1]。大部分研究研究证实剪切力可通过不同细胞信号通路途径来诱导细胞发生自噬，并通过不同是生理作用，如分泌细胞因子、调节细胞形态、控制细胞凋亡等对细胞起保护性作用。但当自噬被过度诱导时它的保护性作用可能被打断。不同形式的剪切力对自噬形成和自噬流的作用不尽相同。对细胞受到对流体剪切力的具体研究方法和相关分子机制研处于起步阶段并逐渐成为当下的热点，深入地研究将为我们理解并防治心血管疾病、肿瘤疾病和肾脏疾病等方面提供新的切入点。
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论文作者:刘惠珍 李丽,柯国柱,李春萍
论文发表刊物:《心理医生》2017年6期
论文发表时间:2017/5/25
标签：细胞论文; 诱导论文; 层流论文; 内皮论文; 溶酶体论文; 纤毛论文; 肾小管论文; 《心理医生》2017年6期论文;