技術(shù)專欄

細(xì)胞自噬在維持健康和治療疾病中的應(yīng)用

供稿：市場部

發(fā)布時(shí)間：2023-07-25

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Foreword

自噬是一種細(xì)胞內(nèi)部的機(jī)制，通過將細(xì)胞內(nèi)成分包裹起來并運(yùn)輸?shù)饺苊阁w進(jìn)行降解，實(shí)現(xiàn)細(xì)胞的自我調(diào)節(jié)和清除有害物質(zhì)。1963年，Christian de Duve首次提出了自噬的概念。1990年，Yoshinori Ohsumi通過釀酒酵母實(shí)驗(yàn)直觀展現(xiàn)了自噬現(xiàn)象，并揭示了酵母和人的細(xì)胞中的自噬機(jī)制。2003年，自噬關(guān)鍵基因被命名為ATG基因，相關(guān)研究逐漸增加。2016年，Yoshinori Ohsumi獲得諾貝爾醫(yī)學(xué)或生理學(xué)獎(jiǎng)，自噬研究進(jìn)一步受到關(guān)注，成為生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、植物學(xué)和微生物學(xué)的熱門研究領(lǐng)域。自噬的發(fā)現(xiàn)對(duì)于細(xì)胞調(diào)節(jié)和藥物開發(fā)具有重要意義。

巨自噬(macroautophagy)：通過形成具有雙層膜結(jié)構(gòu)的自噬體包裹胞內(nèi)物質(zhì)，最終自噬體與溶酶體融合。

微自噬(microautophagy)：通過溶酶體或液泡表面的形狀直接吞沒特定的細(xì)胞器。

分子伴侶介導(dǎo)的自噬(chaperone-mediated autophagy，CMA)：具有KEFRQ樣基序的蛋白在HSP70伴侶的幫助下，通過LAMP-2A轉(zhuǎn)運(yùn)體轉(zhuǎn)運(yùn)到溶酶體。

圖源[1]：https://www.nature.com/articles/s41580-018-0001-6

自噬可防止細(xì)胞損傷，促進(jìn)細(xì)胞在營養(yǎng)缺乏的情況下存活，并對(duì)細(xì)胞毒性刺激作出反應(yīng)。自噬包括生理?xiàng)l件下的基礎(chǔ)型自噬和應(yīng)激條件下的誘導(dǎo)型自噬?；A(chǔ)自噬是一種在大多數(shù)細(xì)胞中持續(xù)發(fā)生而水平相對(duì)較低的細(xì)胞自噬過程，對(duì)細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)的更新及內(nèi)穩(wěn)態(tài)的維持具有不可或缺作用；誘導(dǎo)自噬則屬于一種應(yīng)激狀態(tài)，其發(fā)生程度明顯強(qiáng)烈，在細(xì)胞應(yīng)對(duì)外界惡劣環(huán)境維持生存中發(fā)揮重要功能。

自噬過程及核心蛋白

自噬過程主要分為自噬誘導(dǎo)階段、前體成核階段、延伸階段、自噬體成熟階段及自噬體與溶酶體融合階段。

01 自噬誘導(dǎo)階段（Induction）

Atg1是第一個(gè)在酵母中被成功克隆的自噬基因, 編碼一種絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶，與其哺乳動(dòng)物中同源蛋白ULK1一樣，是自噬泡形成所必需的一種蛋白質(zhì)。ATG1/ULK1復(fù)合體在自噬中起著重要作用。在營養(yǎng)充足的條件下，mTORC1與ATG1/ULK1復(fù)合體結(jié)合并磷酸化ATG1/ULK1和ATG13，抑制自噬的發(fā)生。但是，在缺乏營養(yǎng)或使用雷帕霉素（一種mTORC1抑制劑）處理時(shí)，mTORC1從復(fù)合物中解離，ATG1/ULK1和ATG13的磷酸化水平下降，從而促進(jìn)ATG1/ULK1復(fù)合物的形成，啟動(dòng)自噬過程。

02 前體成核階段（Nucleation）

在Vps34復(fù)合物中, Vps34因結(jié)合Vps15而被激活,并進(jìn)一步結(jié)合Beclin1形成Vps34-Vps15-Beclin1復(fù)合體。由Vps34-Beclin 1復(fù)合體介導(dǎo)，該復(fù)合物由Vps34（PIK3C3）、Beclin 1（ATG6）、Vps15（PIK3R4或p150）和ATG14組成，Vps34/PI3K-Beclin1復(fù)合物促進(jìn)產(chǎn)生磷脂酰肌醇-3-磷酸(PI3P), PI3P可以組裝一些含有PX和FYVE結(jié)構(gòu)域的蛋白質(zhì)到早期自噬泡產(chǎn)生的位置，招募其他效應(yīng)蛋白，促使自噬前體的形成；還可召集ATG12-ATG5-ATG16復(fù)合物以及LC3，并通過后兩者促進(jìn)吞噬泡膜的延伸。

03 延伸階段（Elongation）

自噬發(fā)生過程中有兩組類泛素化修飾過程, 分別發(fā)生在Atg5-Atg12-Atg16連接系統(tǒng)和Atg8/LC3連接系統(tǒng)中, 用于隔離膜的延長和自噬泡的形成。

在Atg5-Atg12-Atg16連接系統(tǒng)中，Atg12首先由類E1泛素活化酶Atg7活化。Atg12傳遞給類E2泛素轉(zhuǎn)移酶Atg10，與Atg10形成硫酯鍵。最后，Atg12與Atg5共價(jià)結(jié)合，形成Atg12-Atg5復(fù)合物。這個(gè)復(fù)合物在自噬發(fā)生時(shí)與Atg16結(jié)合形成Atg12-Atg5-Atg16。

LC3是酵母Atg8分子在哺乳動(dòng)物中的同源物之一, Atg8的其他同源物還有GABARAP和GATE-16等。Atg8同源分子相比, LC3是被用作自噬發(fā)生的一個(gè)標(biāo)志蛋白。LC3合成后，被AGT4B切割成LC3-I，自噬發(fā)生時(shí)，LC3-I被ATG7活化并與其形成硫酯鍵，然后傳遞給ATG3，最終在ATG5-ATG12-ATG16復(fù)合物的作用下，形成具有膜結(jié)合能力的LC3-II。參與自噬體的銜接。

04 自噬體成熟階段與自噬體與溶酶體融合階段

自噬體擴(kuò)張和封閉過程包括自噬體外膜上ATG蛋白的清除，招募溶酶體傳遞蛋白和介導(dǎo)融合的蛋白。自噬體與溶酶體融合形成自噬溶酶體，自噬體內(nèi)膜和內(nèi)容物被溶酶體內(nèi)的脂酶和蛋白酶降解為小分子，再利用。細(xì)胞骨架成分、運(yùn)動(dòng)蛋白、栓系因子、磷脂和SNAREs復(fù)合物在確保融合過程中起關(guān)鍵作用。

以下主要闡述起始及吞噬泡成核階段和細(xì)胞吞噬泡延伸階段參與的核心蛋白

1 ULK1蛋白激酶復(fù)合體中的ATG1，其功能是絲氨酸/蘇氨酸激酶；通過自噬機(jī)制的磷酸化組分啟動(dòng)自噬；被AMPK或者mTORC1磷酸化。

2 VPS34：其功能是促進(jìn)行P13KC3-C1復(fù)合體的形成，ULK1人磷酸微位點(diǎn)，穩(wěn)定ULK1復(fù)合物；

3 Atg6/Beclin1：其功能是促進(jìn)PI3KC-C1復(fù)合體的形成，調(diào)節(jié)脂質(zhì)激酶VPS34；ULK1或AMPK磷酸化位點(diǎn)，促進(jìn)自噬。

4 Atg9/mAtg9：Atg9是迄今發(fā)現(xiàn)的唯一一個(gè)編碼跨膜蛋白的Atg基因, 可能通過影響膜泡運(yùn)輸對(duì)自噬發(fā)生起調(diào)控作用，其功能是將膜蛋白組分輸送到吞噬泡。

5 Atg5-Atg12-Atg16：ATG5直接結(jié)合膜，這種膜結(jié)合受ATG12的負(fù)調(diào)節(jié)，但被ATG16激活。ATG12-ATG5-ATG16復(fù)合物的膜結(jié)合是有效促進(jìn)ATG8脂化（LC3-I轉(zhuǎn)化為LC3-II）所必需的。

6 ATG8/LC3：以LC3-Ⅰ和LC3-Ⅱ兩種形式存在；參與自噬體膜的形成，與自噬體膜表面的PE結(jié)合，可作為自噬體的標(biāo)記分子。

自噬與疾病研究

許多疾病，諸如癌癥、神經(jīng)系統(tǒng)疾病、炎癥與免疫反應(yīng)、發(fā)育和衰老等都與細(xì)胞自噬密切相關(guān)。科學(xué)研究者也要積極探索自噬與這些疾病之間的聯(lián)系，努力揭示自噬調(diào)控分子機(jī)制，通過抑制或促進(jìn)調(diào)節(jié)自噬過程，從而為各種疾病治療提供新的方向和可能性。

自噬與神經(jīng)系統(tǒng)疾病

臨床研究發(fā)現(xiàn)，在許多神經(jīng)退行性疾病中, 病變區(qū)域常有大量的泛素化蛋白質(zhì)聚合物，這些多因錯(cuò)誤折疊而被泛素化的蛋白質(zhì)聚合物正是引起神經(jīng)退行性疾病的重要原因之一。

小鼠中特異性敲除神經(jīng)元中的自噬基因ATG5或ATG7，會(huì)抑制自噬發(fā)生的水平，同時(shí)伴隨著大量泛素化蛋白質(zhì)聚合物的積累，并最終引發(fā)神經(jīng)退行性疾病^［3-4］。在小鼠和果蠅模型中，用Rapamycin或其類似物抑制mTOR的活性促進(jìn)自噬發(fā)生，可以緩解神經(jīng)退行性疾病的癥狀^［5-6］。

由此可見，誘導(dǎo)自噬可能成為一種治療神經(jīng)系統(tǒng)疾病的治療方法。其次是包括帕金森癥在內(nèi)的一些神經(jīng)退行性疾病。

自噬與腫瘤

自噬與腫瘤發(fā)生的聯(lián)系是當(dāng)今自噬研究的一個(gè)重要熱點(diǎn)問題。自噬功能正常, 對(duì)腫瘤起抑制作用, 而敲除自噬基因?qū)⒁l(fā)腫瘤的形成。Beclin1其實(shí)就是一個(gè)腫瘤抑制基因，干擾Beclin1的表達(dá)使自噬受到抑制, 會(huì)增加腫瘤發(fā)生的可能^［7］。在胸腺癌細(xì)胞系中過表達(dá)Beclin1, 可以減緩癌細(xì)胞的生長速度并減少其致癌性^［8］。UVRAG能夠結(jié)合Beclin1/Vps34復(fù)合物促進(jìn)自噬, 而UVRAG同時(shí)有抑制腫瘤的功能^［9］。Bif-1可以通過UVRAG結(jié)合Beclin1增強(qiáng)自噬, 敲除Bif-1, 顯著加快了腫瘤的生長^［10］。

自噬受阻可能導(dǎo)致細(xì)胞失去生長調(diào)節(jié)及啟動(dòng)程序性死亡的能力, 同時(shí)還可能阻礙細(xì)胞分解代謝, 使p62、受損的線粒體、蛋白質(zhì)聚合物、ROS等有害物質(zhì)積累, 并進(jìn)一步損傷基因組DNA的穩(wěn)定性, 致使原癌基因激活, 而以上這些最終都將導(dǎo)致腫瘤的發(fā)生。

因此，在不同的環(huán)境因素或穩(wěn)定狀態(tài)下，自噬既可以阻止也可以促進(jìn)腫瘤的發(fā)生。

自噬與免疫

自噬是至今已發(fā)現(xiàn)的唯一可以降解細(xì)胞器和較大蛋白質(zhì)聚集物的細(xì)胞降解過程，因此也被預(yù)測可能參與降解外來微生物的過程^［11］。許多研究發(fā)現(xiàn)，一些自噬蛋白甚至整個(gè)自噬過程都直接參與免疫和炎癥反應(yīng)^［12］。巨噬細(xì)胞中，干擾素IFN-γ可以誘導(dǎo)自噬來抵御分枝桿菌等病原菌，而且在已感染的巨噬細(xì)胞中, 用IFN-γ預(yù)處理可以引起自噬泡吞噬含有病原菌的膜泡并與溶酶體融合，增強(qiáng)其對(duì)胞內(nèi)細(xì)菌的殺傷力。血管平滑肌細(xì)胞中, 腫瘤壞死因子TNF-α通過激活JNK通路和抑制Akt，上調(diào)LC3和Beclin1的表達(dá)促進(jìn)自噬^［13］。

由此可見，自噬與細(xì)胞免疫的發(fā)生必然存在密切的聯(lián)系。

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