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VSMCs的自噬激活过程及其存活影响
发布时间:2020-12-11

  摘    要: 血管平滑肌细胞(VSMCs)是血管壁的重要组成部分,是调节血压、向周围组织输送氧和营养物质的基础细胞之一。多种因素通过调节VSMCs自噬影响VSMCs的生存状态,引起VSMCs生物学行为的变化,从而参与血管相关疾病的发生与进展。以调节VSMCs自噬为靶向,可为寻找防治血管相关疾病策略提供新思路。

  关键词: 血管平滑肌细胞; 自噬; 氧化应激; 代谢; 血管相关疾病;

  Abstract: Vascular smooth muscle cells(VSMCs)are the major cell type of vascular wall that regulates blood pressure,and delivers oxygen and nutrients to surrounding tissues.Multiple factors influence the survival of VSMCs through autophagy,resulting in the change of VSMC biological behavior.Furthermore,autophagy is involved in the occurrence and progress of blood vessel related-diseases.Therefore,balancing autophagy can provide new ideas for the prevention and treatment of vascular-related diseases.

  Keyword: vascular smooth muscle cell; autophagy; oxidative stress; metabolism; vascular disease;

  血管平滑肌细胞(vascular smooth muscle cells,VSMCs)是血管壁中间层的唯一细胞类型,细胞内Ca2+与钙调蛋白相互作用调节平滑肌细胞收缩和松弛,进一步调控血管张力和血流量,从而参与血压调节、氧与营养运输。自噬泛指细胞内需要降解的细胞器、蛋白质等成分被运输到溶酶体进行降解的细胞分解过程,实现细胞代谢的需要和细胞器的更新。有研究认为,自噬是高度易诱导、精细调控的细胞生物过程,是细胞内稳态的主要协调者,饥饿、各种病理或雷帕霉素等药物刺激均可引起自噬,从而影响细胞结构与功能[1,2]。研究表明,VSMCs自噬在许多血管疾病发生过程(包括再狭窄、动脉粥样硬化和高血压)中被激活,可加速衰老、促进新生内膜形成,进而参与多种血管相关疾病的进展,这对于VSMCs存活和可塑性非常重要。现综述VSMCs的自噬激活过程及自噬对VSMCs存活的影响。

  1 、血管平滑肌细胞自噬的激活

  根据底物运送到小体或液泡的不同途径,自噬的形成分为3种类型:分子伴侣介导的自噬、微自噬和巨自噬[3]。分子伴侣介导的自噬是通过溶酶体膜上的蛋白转运系统将胞内底物转位至溶酶体进行降解的过程[4];微自噬是通过溶酶体或液泡膜的直接内陷、突起或隔膜作用,将胞浆内的底物转入溶酶体或液泡中进行降解的过程;巨自噬的特征是形成一个细胞相关的双膜小泡,包裹底物形成自噬体,与溶酶体融合后降解的过程[3]。在自噬的三种形式中,巨自噬是研究最广泛、最具代表性的自噬过程,因此下述提及的自噬专指巨自噬。

  1.1、 氧化应激

  氧化应激与自噬激活有关,过氧化氢(H2O2)等活性氧簇(reactive oxygen species,ROS)可以直接修饰自噬途径的关键成分,如ATG4的半胱氨酸残基,进而将氧化还原调节与自噬激活结合起来[5]。现已证明,ROS能够直接促进VSMCs自噬[6,7],并且参与了尼古丁诱导VSMCs自噬[8]。可以说,VSMCs自噬与ROS产生具有直接或间接的关系。然而,ROS增加并不一定总是伴随VSMCs自噬增加。例如,干扰素治疗能强烈提高动脉粥样硬化病变区域平滑肌细胞中载脂蛋白L6(apolipoprotein6,ApoL6)表达,ApoL6的过度表达促进ROS产生、凋亡增加、并抑制自噬[9]。显然,这种情况下过量产生的ROS不能完全对抗ApoL6的作用,也不能诱导自噬。
 

VSMCs的自噬激活过程及其存活影响
 

  氧化应激的次级产物也参与了自噬的激活过程。当含有多不饱和脂肪酸的脂质与自由基发生过氧化作用时,形成氧化磷脂类物质,如游离醛4-羟基壬烯醛(4-hydroxynonenal,4-HNE)、生物活性核心醛1-棕榈酰-2-(5-氧戊酰)-sn-甘油-3-磷酰胆碱[1-palmitoyl-2-(5-oxovaleroyl)-sn-glycero-3-phosphocholine,POVPC]、强电子醛类丙烯醛等,它们均可以激活VSMCs自噬,且激活自噬的程度与其自身亲电性有关。4-HNE的非亲电子类似物—壬醛,不诱导自噬;轻度亲电子类似物—壬烯醛,适度促进LC3-II转化;高亲电子脂质HNE和丙烯醛显着增加自噬[10]。因此,脂质氧化产生的亲电产物激活VSMCs自噬。此外,POVPC可以激活cAMP/R-Ras/PI3K自噬通路,引起VSMCs自噬[11]。这些氧化磷脂类物质在糖尿病血管增殖反应、血管炎及动脉粥样硬化等病变血管组织积累,并与VSMCs增殖、表型转换和细胞凋亡有关。

  1.2、 细胞因子和生长因子

  VSMCs自噬受到许多细胞因子和生长因子调控,从而影响VSMCs的生物学行为,参与血管相关疾病的发生与进展[12]。

  肿瘤坏死因子α(tumor necrosis factor-α,TNF-α)存在于动脉粥样硬化斑块分离的VSMCs中,在炎症过程中由活化的巨噬细胞和VSMCs分泌,TNF-α可单独或联合其他细胞因子刺激VSMCs凋亡、诱导自噬、增加Beclin-1表达,这一作用与c-Jun氨基末端激酶(c-Jun N-terminal kinase,JNK)活化和Akt抑制有关[13]。骨桥蛋白(osteopontin,OPN)作为一种新型细胞因子,可以有效激活VSMCs自噬。研究发现[14],在腹主动脉瘤组织中,LC3和自噬相关基因Atg4b、Beclin1/Atg6、Bnip3和Vps34表达明显上调,这些变化与OPN丰度显着增加呈正相关。用OPN处理VSMCs,能显着增加自噬小体的形成、自噬相关基因的表达以及细胞死亡;有趣的是,虽然OPN可激活p38丝裂原活化蛋白激酶(p38 mitogen-activated protein kinase,p38 MAPK)、细胞外调节蛋白激酶(extracellular regulated protein kinases,ERK)和JNK等多种激酶,但只有抑制p38 MAPK途径才能有效抑制OPN诱导的自噬,说明OPN诱导的自噬仅需要激活p38 MAPK,而不需要激活VSMCs的ERK或JNK;整合素抑制剂或抗CD44抗体能阻断OPN诱导的自噬。因此,OPN通过激活整合素/CD44和p38信号分子激活自噬,引起VSMCs死亡。

  血小板衍生生长因子(platelet-derived growth factors,PDGF)由血小板、内皮细胞和巨噬细胞分泌,可以刺激诱导VSMCs自噬,在使VSMCs免受高氧化应激损伤的同时,刺激其增殖和迁移,被认为是动脉粥样硬化和血管再狭窄的主要参与者[15]。与HNE诱导的自噬一样,PDGF诱导的自噬增强了亲电性脂质损伤蛋白的降解能力,这一过程与AMP依赖的蛋白激酶[adenosine 5′-monophosphate(AMP)-activated protein kinase,AMPK]磷酸化增强或mTOR抑制无关[15]。尽管PDGF可以刺激OPN,但目前尚不清楚PDGF和OPN介导的自噬之间是否存在直接联系;PDGF和OPN是否整合促进生长因子介导的自噬也不清楚。此外,胰岛素样生长因子-1(insulin-like growth factor-1,IGF-1)通过Akt通路抑制VSMCs自噬而延长细胞存活时间[13]。

  1.3 、代谢应激

  饥饿和营养缺乏或过剩应激是细胞自噬的激活因素[1],但体内代谢应激影响VSMCs的作用机制尚不完全清楚。高脂饮食喂养小鼠8周,提高了肥胖小鼠血管组织Atg7和LC3-II表达,且电镜显示肥胖小鼠血管组织中自噬溶酶体样空泡与正常小鼠相比增加了2倍;成骨细胞分泌的骨钙素,除了调节糖脂代谢外,还可以逆转高脂饮食诱导的血管内皮细胞(vein endothelial cells,VECs)和VSMCs自噬;骨钙素可以逆转体外培养的VSMCs自噬、内质网应激以及受损的胰岛素信号传导,抑制蛋白激酶B(protein kinase B,Akt)/雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin,mTOR)或核因子κB(nuclear factor-kappa B,NF-κB)可废除骨钙素的有利作用,表明骨钙素可能以NF-κB依赖方式通过Akt/mTOR信号通路逆转异常自噬和内质网应激[16]。此外,胰岛素可激活PI3K/Akt/mTOR通路,抑制自噬[17],同样具有抑制VSMCs自噬的作用[13],然而,胰岛素信号通路如何调控VSMCs自噬、功能和代谢仍有待进一步研究确定。

  1.4 、缺氧

  缺氧在引发诸多病理过程或疾病的同时,也促进了肺VSMCs自噬。研究显示,缺氧或低氧引起肺动脉高压患者肺VSMCs的AMPK活化和磷酸化增强,抑制AMPK A1阻止了低氧诱导的自噬进而导致细胞死亡;然而,激活AMPK A2可维持MCL-1表达并防止细胞凋亡,AMPK抑制剂复合物C逆转了低氧诱导的肺动脉高压,提示AMPK激活在缺氧引起肺VSMCs自噬中发挥关键作用,AMPK A1和A2分别通过自噬或凋亡的不同机制对肺VSMCs存活具有不同的调节作用[18]。

  1.5、 血管紧张素II

  血管紧张素II(angiotensin II,Ang II)激活VSMCs自噬、增强VSMCs收缩功能与高血压的发生密切相关。不同剂量的Ang II作用大鼠VSMCs不同时间后,可剂量依赖、时间依赖性增加ROS生成量、增加LC3-II/LC3-I与Beclin-1表达、降低SQSTM1/p62表达,增加了自噬小体的形成;Ang II增加ROS产生的作用可分别被Ang II型1受体阻滞剂(Ang II type 1 receptor(AT1R)blockers,ARB)、NADPH氧化酶抑制剂、线粒体KATP通道抑制剂废除;Ang II增加自噬的作用可分别被自噬抑制剂3-甲基腺嘌呤(3-methyladenine,3-MA)或Bafilomycin A1、ARB(且呈剂量依赖性)、NADPH氧化酶抑制剂、线粒体KATP通道抑制剂以及siRNA Atg5废除;这些结果表明,Ang II激活VSMCs自噬的作用是通过激活AT1R、NADPH氧化酶以及线粒体KATP通道实现的[19]。此外,ARB、RhoA/Rho激酶抑制剂也同样发挥了对Ang II激活VSMCs自噬的抑制作用,说明Ang II的作用是AT1R/RhoA/Rho激酶依赖的[20]。

  2、 自噬对血管平滑肌细胞存活的影响

  在不同条件下,自噬对VSMCs存活具有特殊的影响,发挥着有利于细胞存活、加速细胞死亡的双重作用,进而参与血管相关疾病的发生发展。

  在一定条件下,自噬激活可引起VSMCs坏死和凋亡[21]。在动脉粥样硬化病变中,TNF-α可调节斑块内VSMCs自噬,引起VSMCs凋亡[13],该作用是主要通过JNK、PKB/Akt诱导的LC3 mRNA和Jun诱导的Beclin-1表达实现的[22]。相反,IGF-1可通过Akt抑制LC3 mRNA表达,抑制斑块中VSMCs自噬以保护VSMCs避免死亡[13]。IGF-1还可抑制血清缺失对线粒体自噬的影响,有助于延长细胞寿命[23]。OPN诱导的VSMCs自噬可促进VSMCs死亡[14]。AngⅡ诱导的VSMCs自噬在血管损伤中起着细胞毒性作用,不仅造成细胞凋亡,还可能诱导细胞钙化或迁移[19]。这些结果表明,在一些特定的条件下,自噬激活对于VSMCs生存有不利的影响。然而到目前为止,自噬是通过何种机制促进细胞凋亡、破坏仍有待阐明。考虑到自噬可以通过不同的方案来降解未折叠蛋白质和受损细胞器等成分,也可能发生在严重应激所致的过度“自食”过程中,因此可以推测在某些严重的应激条件下,VSMCs自噬会造成细胞发生过度的自我消化,从而导致细胞死亡。

  与之相反,一些实验表明自噬对VSMCs具有一定的保护作用。在低氧[18]、4-NHE[24]、POVPC[10]和7-酮基胆固醇[25]等条件的诱导下,自噬通过降解未折叠蛋白质和受损细胞器等成分,进而保护VSMCs免受细胞死亡。超负荷的游离胆固醇激活VSMCs自噬,同样通过降解线粒体和内质网等功能失调的细胞器而形成的一种防止VSMCs死亡的细胞防御机制;3-MA抑制线粒体去极化导致细胞凋亡和坏死,而RAPA通过减轻内质网应激从而抑制胆固醇作用后的细胞死亡[26]。在上述应激条件下,自噬通常作为一种内务管理作用——作为VSMCs的一种生存机制被激活,防止细胞死亡。

  此外,自噬对不同类型细胞的作用不同,因此自噬也可能参与了各种血管疾病中血管细胞之间的相互作用。在早期动脉粥样硬化斑块中,VSMCs、VECs和巨噬细胞的自噬激活,有利于应对轻至中等强度的应激;但过度氧化应激引起的自噬无法充分降解受损的线粒体,导致细胞色素c从线粒体中漏出,从而激活细胞内固有的凋亡通路。可见,适当自噬可以抑制动脉粥样硬化斑块的进展并增加动脉粥样硬化斑块的稳定性,过度自噬可能引起自噬样VSMCs死亡,进一步引起斑块的不稳定性。

  尽管自噬在不同疾病中的作用并不一致,但自噬在疾病的不同阶段发挥不同的作用。生理条件下或某些血管疾病的早期,自噬起着内务管理作用,保护VSMCs的结构完整,维持功能;然而当自噬超过一定阈值时,通过一种不受抑制的自噬参与应激反应,搭建了另一种细胞死亡途径,最终导致整个细胞结构与功能的崩溃,导致细胞死亡。

  3 、小结与展望

  自噬是真核细胞对外界环境刺激做出反应、维持内环境稳态的一种自我保护机制。氧化应激、代谢应激、缺氧、细胞因子与血管活性物质均可激活VSMCs自噬,引起VSMCs病理性重构;适度自噬可保护细胞免受恶劣应激的影响,过度自噬最终会导致细胞“自食性”死亡;二者共同参与了血管相关疾病的发生发展。目前,对于VSMCs与自噬的研究集中在细胞与动物实验,也阐明了一些信号通路或分子在VSMCs自噬及其表型转换中的机制,但如何将相关的研究转化应用于血管相关疾病的临床防治还有很多的工作要做;同时,对于界定VSMCs适度自噬与过度自噬尚无确切的标准,如何明确疾病发生发展过程中的适度自噬与过度自噬,进而寻找以调控自噬靶向的治疗措施,还需要不断深入研究。

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