缺氧条件下阴茎海绵体平滑肌细胞自噬的研究进展
文章导读:大量研究表明,缺氧是勃起功能障碍(ED)独立的危险因素之一。长期以来,人们在缺氧性疾病引发ED机制方面的研究虽取得一定进展,但又始终未能完全阐明。近来,研究者们逐步将目光关注于缺氧对阴茎海绵体平滑肌的影响,细胞自噬便是其在缺氧条件下呈现的一种微观改变,可能对勃起功能障碍的发生、发展有一定作用。本文基于相关文献的阅读,对缺氧性ED患者阴茎海绵体平滑肌细胞中自噬的变化、调控机制、作用机制、意义等方面进行综述。 |
缺氧是勃起功能障碍(erectile dysfunction, ED)独立的危险因素之一。在临床常见的缺氧性疾病如阻塞性睡眠呼吸暂停低通气综合征、慢性阻塞性肺炎人群中,ED的发病率都远远高于普通人群;阴茎海绵体局部缺氧也能诱导ED的发生。但关于缺氧性疾病导致ED的机制,至今尚未完全阐述清楚。阴茎海绵体平滑肌细胞(corpus cavernosum smooth muscle cells, CCSMC)是近年来各类ED发生机制的研究热点,起步相对较晚,却展示出广阔前景。其是阴茎海绵体主要成分,是阴茎勃起过程中各种神经-血管信号分子最终作用靶点。各种不同致病因素对CCSMC造成的损伤都可能对勃起功能造成不利影响。所以,CCSMC的保护机制或减轻其损伤的机制都有可能成为防治ED的有效手段。细胞自噬(autophagy)是近年来在机体各个细胞中被广泛研究的病理生理机制之一,对细胞增值、分化、死亡等生理阶段都有着重要作用。阴茎海绵体中亦有自噬现象的存在,并且有研究表明其可能与勃起功能相关。但其对勃起功能的作用目前尚存在争议。本文就缺氧条件下CCSMC自噬的相关研究进行阐述。
1 缺氧性自噬概述
1.1 细胞自噬的概念
细胞自噬的概念20世纪70年代便被提出,但由于种种原因,近10余年来才逐渐被医学界所重视。其被认为是一种广泛存在于真核生物细胞中的、不同于凋亡的介导细胞程序性死亡的机制,是一个细胞胞质、细胞器、蛋白质聚合物等通过被称为自噬小体(autophagyosome)的双层膜结构包裹、转运并由其中溶酶体分解的过程。人们根据底物进入溶酶体的方式不同将其分为巨自噬(macroautophagy)、微自噬(microautophagy)、分子伴侣介导的自噬(chaperonemediated autophagy, CMA)3种类型。目前人们对巨自噬的发生过程研究相对较为明确,在没有特殊说明情况下,细胞自噬一般指巨自噬。自噬属于非选择性降解系统,可将细胞原有的细胞器、有机大分子转化为氨基酸、脂肪酸、核酸等物质,为细胞的重建、再生和修复等细胞活动提供必需营养物质,对机体大分子物质生成与分解的均衡、细胞内环境的稳定有重要意义。
1.2 细胞自噬发生过程
自噬过程包括自噬前体的形成、自噬小体形成、自噬体与溶酶体融合和内容物分解。其中自噬小体的形成是关键性步骤,也是机制最为复杂的一步,很多机制尚未完全明确。自噬小体的形成始于内质网或高尔基体脱落的脂质双分子层结构;之后,这些膜片段逐步延伸并凹陷,最终形成闭合自噬小体。自噬小体形成之后分布于细胞核、线粒体和粗面内质网周围。在微管作用下,自噬小体与溶酶体逐渐融合,内膜及包裹物质进入溶酶体,形成自噬溶酶体。之后自噬溶酶体逐步降解自噬小体内膜,继而降解内容物,降解得到的小分子物质被细胞重新利用。
1.3 缺氧条件下自噬的调控路径
自噬小体主要由一类被称为自噬相关蛋白(autophagy-related protein, Atg)的蛋白组成,每一阶段都涉及众多信号分子,其中任何一个分子作用受到干扰都会影响自噬的发生、发展,所以自噬的诱导因素众多、调控通路多样。目前,人们从宏观上将自噬的调控分为mTOR依赖性自噬和非mTOR依赖性自噬两类。 mTOR是P13K/蛋白激酶B(protein kinase B,PKB,Akt)信号通路下游效应蛋白,在哺乳动物中存在mTORC1和mTORC2两种不同亚型,其中mTORC1对自噬小体的形成有着重要调控作用。正常情况下,机体的mTORC1处于激活状态,进而磷酸化其下游信号分子ULK1、Atg13等,使ULK1-Atg13-FIP200复合体失去活性,从而抑制自噬,这些通过mTOR被调控的自噬统称为mTOR依赖性自噬。而除此之外,部分信号分子可直接作用于ULK1,或者通过对自噬小体必须构成成分Beclin1产生作用而对自噬产生调控。学者们将这些不经过mTOR而被调控的自噬非mTOR依赖性自噬。缺氧条件下机体可以产生一系列诱导自噬发生的信号分子,同样也对应着多条自噬激活路径。
1.3.1 REDD1-TSC1/2-mTOR调控路径 当缺氧时,细胞通过REDD1蛋白激活复合型结节性硬化1/2(TSC1/2)复合物,TSC2具有GTP酶活性,磷酸化激活后的TSC2对小GTP酶Rheb(Ras homolog enriched in brain)起抑制作用,而Rheb是激活mTORC1所必需的,所以缺氧最终通过加强对mTORC1的抑制作用而上调细胞自噬。
1.3.2 AMPK-TSC1/2-mTOR调控路径 同时,当细胞处于缺氧状态时处于葡萄糖饥饿状态,ATP合成不足而AMP聚集,胞内ATP/AMP值下降,从而激活AMP依赖性蛋白激酶(AMPK),而AMPK能磷酸化激活TSC1/2复合物,抑制mTORC1的活性。故缺氧时细胞供能不足也可使mTORC1活性受到调控,进而激发细胞自噬的发生。
1.3.3 HIF-Beclin1调控路径 正常情况下机体内Beclin1可与Bc1-2形成复合物而抑制Beclin1活性进而抑制自噬。当机体缺氧时,HIF-1α含量增加,从而激活BNIP3,而BNIP3可与Beclin1竞争性结合Bcl-2,导致Bcl-2 / Beclin1复合体解离并释放出Beclin1,而Beclin1作为自噬小体的构成成分,可增强自噬的发生。
2 缺氧条件下自噬与CCSMC的相关性
如前所述,缺氧条件下自噬现象广泛存在于机体各种细胞;同时,阴茎海绵体在某些条件下亦有自噬现象出现。缺氧条件下CCSMC中的自噬现象目前虽未被证实,但我们可以从血管平滑肌方面的研究获得启发。朱焕勉等通过低氧条件下培养的肺动脉平滑肌细胞(pulmonary artery smooth muscle cells,PASMCs)研究发现低氧激活PASMCs自噬,并促进其增殖和迁移;抑制自噬后,低氧条件下培养的PASMCs增殖和迁移的作用被抑制。鉴于阴茎海绵体平滑肌与血管平滑肌组织结构的高度相似性,缺氧条件下自噬很可能存在于CCSMC,并对其功能、生存状态乃至机体的勃起功能产生影响。但由于缺氧条件下自噬调控路径具有多样性,导致缺氧诱导的自噬对CCSMC作用机制有着不确定性,这进一步导致缺氧诱导的自噬对CCSMC生存意义也有着不确定性。所以,缺氧诱导自噬对CCSMC作用机制方面的探索对此方面研究进一步推进有着重大意义。
3 缺氧条件下自噬作用于CCSMC可能机制
3.1 CCSMC生存状态
研究表明在轻度缺氧而其它条件适宜的情况下,自噬作为氧化还原稳态的调控机制,通过降解受损或老化的细胞器保障细胞内功能、结构的稳定,从而对细胞起保护作用;但也有研究表明,严重缺氧条件下细胞内可产生过度自噬,进而导致自噬体的数量超过溶酶体的降解能力,在一些调节因子的作用下,自噬诱导细胞发生Ⅱ型程序性细胞死亡。还有观点认为,过度自噬并不直影响细胞生存状态,而是通过触发细胞凋亡而导致其死亡。在CCSMC方面的研究中,Zhang等发现老龄ED大鼠CCSMC中自噬减弱,并认为这与老年大鼠勃起功能下降相关,自噬是勃起功能的保护因素;但其另一项研究表明,淫羊藿苷干预下的糖尿病ED大鼠的勃起功能增强而自噬减弱,自噬与勃起功能负相关。总之,缺氧可能通过不同机制诱导自噬并对CCSMC的生存状态产生影响。而作为阴茎海绵体最主要的结构、功能成分,CCSMC数量及生存状态的正常是维持其发挥生理功能的前提。
3.2 CCSMC表型转换
表型转换是指当平滑肌受到各种刺激后,平滑肌从分化型转化为去分化型并获得增殖能力的过程。这种转换打破了收缩型及合成型平滑肌功能的平衡而对器官功能造成损伤。吕伯东等通过对低氧条件下培养的CCSMC表型蛋白进行检测,证实了低氧条件下CCSMC表型转换现象。缺氧模型下CCSMC表型转换与自噬的相关性方面的研究尚不多见,这里我们借助血管平滑肌细胞(vascularsmoothmuslecell,VSMC)的相关研究来对其进行阐述。研究表明,缺氧可诱导VSMC内血小板源性生长因子(platelet-derived growthfactor,PDGF)含量增加,并且PDGF介导的自噬可促进表型转换。并且,在VSMC中除PDGF外,表型转换与细胞自噬存在很多共通的信号分子。如缺氧条件下TGF-β、血管紧张素Ⅱ等物质在可通过不同路径诱导自噬,同时这些物质也与平滑肌表型转化有所关联。CCSMC中,缺氧是否通过这些物质诱导自噬与发生,并通过自噬对细胞表型有所影响还有待缺进一步确认,但却不失为一个很有前景的研究方向。
3.3 CCSMC间质纤维化
CCSMC间质也是阴茎海绵体的重要组成成分,其中的胶原纤维、弹力纤维与CCSMC相互交织形成阴茎海绵体小梁,是血窦不可缺少的构成成分。当阴茎海绵体纤维组织成份增加时其顺应性降低,不仅使海绵窦舒张受限、充血受阻、白膜下静脉闭合不充分而损伤勃起功能;过度增生的纤维胶原还可阻隔CCSMC间的联系,从而降低CCSMC信息传递能力。缺氧条件下,ED的大鼠阴茎海绵体纤维化及其它器官的自噬现象均已被证实。而在老龄ED大鼠模型中有研究验证了阴茎海绵体纤维化与勃起功能的相关性,并推测这与自噬功能减弱有关。所以结合这几方面成果,我们推测缺氧性ED患者阴茎海绵体内自噬可能存在,并对阴茎海绵体微结构改变有一定的作用,但这一推测还有待实验进一步证实。4结束语CCSMC是阴茎组织中所占比例最多的成分,也是阴茎勃起过程中血管内皮所释放信号分子最终作用靶点,在阴茎勃过程中有着至关重要的作用,但长期以来却未受到应有的关注。缺氧条件下CCSMC中自噬的相关研究不仅是对缺氧性ED发病机制的探索,也可能为其它原因所致ED的相关研究提供新思路。但是,目前的研究尚处于起步阶段,阴茎海绵体自噬现象是否存在以及其意义如何都有待于进一步研究。目前研究结果的差异性可能是由于与研究对象自噬的特异性,以及不同诱导条件下自噬的特异性有关。所以,自噬的研究需要个体化。在缺氧条件下CCSMC自噬的发生及作用可能与氧气浓度、缺氧时间、细胞生存环境都有密切联系。
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