镉是一种在工业和农业上广泛应用的重金属，目前还没有发现有任何的生物学功能，但由于其半衰期长达20-30年，很容易在环境中富集，并通过食物链对人和动物的健康造成危害。在联合国环境规划署提出的12种具有全球性意义的危险化学物质中，镉位列首位，并被世界卫生组织确定为优先研究的食品污染物^[1]。镉能对多个器官和系统造成损害，包括肾、肝、脑、肺、睾丸、骨骼及血液等，还能引起癌变和肿瘤^{[2, 3]}。体外毒理学实验表明，微摩尔级的镉对细胞就有明显的毒性作用，可诱导细胞发生坏死、凋亡、自噬性细胞死亡，其中，内质网钙稳态^{[4, 5]}、线粒体途径^[6]、mTOR^[7]、MAPK^[4]等途径在细胞死亡中发挥着重要作用。关于镉和细胞的死亡和存活的关系，有学者指出，微摩尔以下镉浓度能促进细胞增殖和延迟凋亡，中等浓度以凋亡和自噬为主，高剂量（50 μmol）镉导致细胞发生坏死^[8]，这一结论适合许多细胞类型。

细胞死亡有3种方式，坏死、凋亡和自噬，后两者称为程序性死亡。自噬（Autophagy），即自体吞噬（Self-eating），是受溶酶体代谢途径调控降解长寿命蛋白、生物大分子、核糖体和细胞器（内质网、高尔基体和线粒体）的一种降解途径，是一种在生理上和进化上高度保守的现象。几乎所有的细胞都存在自噬现象，正常细胞中自噬维持在较低水平。但当饥饿、生长因子缺乏或者细胞有高的生物能量需求时，在氧化应激、感染时细胞经历结构上的重建（清除受损的细胞器）时，自噬都能迅速上调以执行维持细胞的动态平衡（如蛋白质的降解和细胞器的更新）的功能。营养状况、激素水平、温度、氧含量、细胞密度等都是调节自噬的重要因素^[9]。与凋亡相比，自噬是非caspase依赖性的，早期先出现胞质内细胞器的降解，然后才是细胞骨架的崩溃，凋亡刚好与之相反^[10]。

研究认为，一方面自噬是一种生理机制，在饥饿（氨基酸和营养因子缺乏）、低氧和代谢应激的刺激下，作为一种临时的生存手段，自体吞噬提供了生物大分子循环的另一种途径；但是持续、过量的细胞应激诱导的自噬，就会导致细胞死亡。自噬通过形成双层膜分离胞质内容物，这个过程受ATG蛋白的逐级调控^[11]。来源于内质网的前自噬结构包裹周边细胞器形成自噬小体，随后自噬体与溶酶体融合消化膜内容物（如错误折叠的蛋白质和细胞器）产生合成大分子和代谢物的物质，为细胞提供能量来源。在完全转化的癌细胞中，因为在细胞向癌变和恶性转化的过程中自噬表达有缺陷，自噬主要起抑制肿瘤的作用，但在正常的细胞或有些癌细胞中自噬好像是细胞应激的保护机制，而在某些类型的癌细胞中自噬又和细胞的死亡相关^{[12, 13]}。因此，关于自噬的作用，目前为止还没有一个准确的界定。

关于调节自噬的分子级联通路，近几年有很多文献报道。其中关键的调节因子是mTOR，Ⅰ型PI3K/Akt信号分子连接受体酪氨酸激酶通过与mTOR结合负调控自噬^[14]。其他一些调控分子包括5'-AMP-activated protein kinase（AMPK）；还有真核起始因子2α（eIF2α）（饥饿，双链RNA，内质网应激）；Beclin 1/class III PI3K复合物；肿瘤抑制蛋白p53；死亡相关蛋白激酶（DAPK）；内质网膜相关蛋白（Ire-1）；应激活化激酶，三磷酸肌醇受体（IP3R）；GTP酶；Erk1/2；神经酰胺，钙离子等。

在TOR激酶的下游，超过20 个基因（ATG）编码与自噬相关的蛋白，这些基因在进化上高度保守，很多在高等真核生物中都有同源物。包括^[9]：丝氨酸/苏氨酸激酶复合物（TOR激酶Atg1、Atg13和Atg17等）激活自噬上游信号；脂质激酶信号复合物介导自噬泡核化（Atg6、Atg14、Vps34和 Vps15）；两个泛素样结合通路参与自噬泡延伸（Atg8和Atg12系统），其中Atg8在真核生物中的同源物是LC3，属于细胞的骨架蛋白，在自噬体双层膜的形成过程中，LC3前体首先加工成胞浆可溶性形式 LC3Ⅰ，接着被自噬相关基因Atg4蛋白酶剪切，在先后被自噬相关基因Atg7和Atg3活化后修饰成膜结合形式 LC3Ⅱ。LC3Ⅱ定位于前自噬体和自噬体，含量的多少与自噬泡数量的多少成正比，使之成为自噬体的标志性分子^{[15, 16]}；再循环路径使Atg蛋白从成熟的自噬体上解离（Atg2、Atg9和Atg18）；液泡通透酶介导自噬体降解产生的氨基酸的流出（Atg22）。在哺乳动物中，有些蛋白具有溶酶体功能（溶酶体跨膜蛋白，LAMP-2，CLN3），能介导溶酶体与自噬体的适当融合，还有蛋白调节自噬体内容物的降解，例如溶酶体半胱氨酸蛋白酶，组织蛋白酶B、D和L等。

目前国内外对于镉与自噬的关系研究，已有不少报道。Gioacchino^[17]指出Cr和镉两种致癌金属能引起成年造血干细胞/祖细胞发生自噬，自噬能缓解重金属引起的毒性作用，有利于保持组织的更新能力。低剂量的镉（＜10 μmol）处理血管内皮细胞4 h，自噬增加，凋亡被抑制，整合素β4、小窝蛋白1和PC-PLC可能在其中发挥着重要作用^[18]。Chargui等^[19]发现短期低剂量的镉并没有引起大鼠肾脏功能的改变和凋亡，但能促使近曲小管细胞增殖和自噬的增加，提出自噬通路可以作为检测亚毒性剂量镉肾性损伤的一种新的敏感生物指标。高玲等^[20]研究镉胁迫对拟南芥的毒害作用时也发现，在镉胁迫的初期，会观察到自噬的发生。随着处理时间的延长，植物细胞内累积了大量的ROS和Cd²⁺，当植物不足以通过自噬途径抵抗胁迫时，就会导致生长受阻最终对光合系统造成损伤。从以上研究可以看出，自噬在镉造成的毒性损伤中似乎主要起保护作用。但用0.1 μmol镉处理人脐带造血干细胞48 h，结果表现为线粒体损伤，用10 μmol镉处理时，细胞死亡明显。没有出现凋亡的形态学特征，但自体吞噬体/自噬溶酶体明显增多^[21]。目前还不清楚这是一种对镉的适应性反应，还是与细胞数量减少有关。Wang等^[22]报道用含血清培养基处理肾小球膜细胞24 h，会同时导致自体吞噬和凋亡。在12 μmol CdCl₂条件下，大约50%的细胞都含有酸性空泡，但在24 μmol CdCl₂条件下，AnnexinV阳性的凋亡细胞升高至68%。用3-MA抑制细胞自噬，6 μmol镉处理后的细胞死亡减少；Chiarelli等^[23]的研究也指出，自噬的抑制剂3-MA能保护海胆胚胎避免镉损伤，表明是镉诱导的自噬性细胞死亡。以上研究说明，自噬在镉致细胞损伤中作用仍有争议，可能是由于镉的剂量和暴露时间的不同造成了自噬在损伤中的作用不同，有待于进一步研究阐明。

mTOR信号通路是调控细胞生长与增殖的一个关键通路，mTOR作为主要的调控因子参与细胞自噬过程。酪氨酸激酶受体（Tyrosine kinase receptor，RTK）接受上游胰岛素、生长因子的信号后自体磷酸化激活，进而激活两条关键通路：Ras通路与PI3K-I通路。Ras通路对自噬的作用是双重的，其可以通过激活PI3K-AKT-mTOR通路而抑制自噬，又可以通过Raf-1-MEK1/2-ERK1/2通路激活自噬。RTK激活PI3K-I通路后，在细胞膜上生成第二信使PIP3，PIP3与细胞内含有PH结构域的信号蛋白AKT和磷酸肌醇依赖性蛋白激酶（Phosphoinositidedependent kinase-l，PDK-l）结合，促使PDK-l磷酸化激活AKT^{[24, 25]}。哺乳动物细胞中PI3K-AKT激活会抑制下游蛋白复合体TSC1/TSC2，激活mTOR^[26]。腺苷酸活化蛋白激酶（AMP-activated protein kinase，AMPK）是自噬的重要正调控因子，其活化程度主要受细胞内 ATP/AMP 比值影响^[27]。10 μmol CdCl₂作用表皮细胞24 h，由于氧化应激造成ROS增加，使细胞能量耗竭，ATP/AMP的比例下降引起LKB1的激活，进而激活AMPK。与AKT通路的作用相反，AMPK可以磷酸化激活TSC1/2复合体，进而抑制mTOR的活性，自噬增强^[28]。

内质网是细胞内蛋白质合成、修饰、折叠的主要场所，同时也是钙储备和钙信号转导的主要部位^[29]。Ca²⁺作为细胞信号转导途径中重要的第二信使，参与调节了许多生理和病理过程如吸收、分泌、代谢、基因转录和死亡。细胞在静息状态下，胞质内Ca²⁺和细胞外以及细胞内某些细胞器之间形成了10 000倍的浓度梯度。如此大的电化学梯度，使得细胞一旦受到某种刺激，在很短的时间内就可使细胞内Ca²⁺浓度迅速提高，引发细胞产生一系列生理生化反应^[30]。其中三磷酸肌醇受体（Inositol 1，4，5 trisphosphate receptor，IP3R）对于维持细胞内钙稳态起着至关重要的作用。IP3R存在于大多数细胞中，它有多种亚型：IP3R1、IP3R2、IP3R3，其中IP3R1是分布最普遍的一种。在细胞受到应激刺激时，与1，4，5-三磷酸肌醇（IP3）受体特异性结合，进而诱导内质网钙库中的Ca²⁺的释放^[31]，2-APB是钙离子内流通道的抑制剂，通过拮抗内质网膜上IP3受体而抑制胞内内质网钙库Ca²⁺的释放^[32]。镉能降低钙调神经磷酸酶（CaN）的活性，使IP3R受体磷酸化，诱导胞浆中Ca²⁺浓度升高，通过ERK途径导致肾小球系膜细胞自噬性死亡^[33]；也可以活化p38，通过自噬促进细胞增殖，以抵抗内质网应激造成的细胞损伤^[34]；Koike等^[35]研究也表明，镉暴露引起肾小管细胞内质网应激。但是当细胞凋亡下调时，自噬并没有被激活。因此对于镉诱导细胞自噬过程中是否有其他未折叠蛋白反应的参与仍不明确。说明镉诱导的内质网应激和自噬下调两者之间可能有内在联系，但尚不完全清楚。内质网应激和自噬两者关系的研究可以进一步为研究镉毒性机理打开一个新思路。

研究已经证实，Beclin-1是自噬重要的效应分子，有可能成为人工干预自噬活性的靶点^[36]。其在自噬的作用主要是与UVRAG和Vps15/p150形成多蛋白复合体，激活自噬体膜延伸过程中重要调节因子III型PI3P激酶 Vps34参与自噬调节。3-甲基腺嘌呤（3-MA）可通过抑制III型PI3K 复合物的活性减少细胞中自噬的发生^[37]。转化的泌尿道上皮细胞用镉处理，可以诱导细胞发生自噬，Beclin-1的表达随着时间的延长先升高后降低，细胞活性与Beclin-1的表达成正比，可能细胞通过Beclin-1途径使自噬活性升高来拮抗镉毒性^[38]。Bcl-2家族蛋白主要与凋亡相关，镉通过促进Bax，Bad，Bcl-xs的表达或抑制Bcl-2，Bcl-xl表达导致细胞发生凋亡^[39]。最近的研究也指出，镉能诱导PC12细胞发生保护性自噬，激活class III PI3K/Beclin-1/Bcl-2通路，抑制细胞凋亡^[40]。但目前关于Bcl-2/Bcl-XL-Beclin-1复合物的解离机制仍不确实。氨基末端激酶（JNK）^[41]和死亡相关蛋白激酶（DAPK）^[42]都可以磷酸化Beclin-1，使其与Bcl-XL的亲和力下降；Bcl-2/Bcl-XL：Beclin-1复合物也可以与含有BH3结构域的其他Bcl-2家族成员的竞争如促凋亡蛋白分子Bax等来促使Beclin-1复合体的解离^[43]。因此，在镉诱导细胞发生自噬的过程中，细胞究竟是通过什么机制启动了Bcl-2/Bcl-XL：Beclin-1释放的过程仍不十分清楚。

镉是环境中重要的污染物，由于有生物积聚性，对环境和人类的健康造成巨大危害。及时清除、降解和回收利用由于镉毒性受损的蛋白质和细胞器对维持细胞内环境的稳定具有重要意义。目前对自噬的调节和自噬在细胞应激中的作用机制方面取得了很大突破，研究发现许多癌症和肿瘤后期的转移和恶化可能与自噬能力降低有关，饥饿、低氧等应急条件下细胞的适应机制可能与短期自噬水平升高等有关，但是对镉等一些重金属和细胞自噬关系的研究还处于初始阶段。有毒剂量的镉作用于细胞时，可能发生凋亡和/或自噬性死亡。但是，自噬同时也是一种保护机制，保护细胞免受损伤。可能的原因是当低剂量或短时间镉暴露，自噬代表的是一种生存机制。镉引起的氧化应激和内质网应激（如ROS，Ca²⁺增加）造成细胞能量迅速耗竭，此时细胞通过mTOR，MAPK等信号通路激活自噬，降低镉损害。但当保护性的自噬反应超过细胞阈值时，过度的自噬反而会破坏细胞结构和功能的完整性，此时自噬或者与凋亡联合，或者通过独立的通路导致细胞死亡^[44]。自噬的这种双重作用究竟是通过什么途径来实现的，目前还不十分清楚。有研究指出，可能Beclin-1分子在其中发挥着重要作用^[45]，但仍需要进一步研究。随着对镉与自噬分子机理的研究，可以更深层次的掌握镉毒性机理，为治疗和预防镉中毒提供新思路。