自噬现象及其分子机制.docx

1、自噬现象及其分子机制的研究进展 发表时间：2011-6-2 来源：中外健康文摘2011 年第 8 期 作者：刘杉珊 李薇 导读 自噬是真核细胞特有的普遍生命现象，在维持细胞自我稳态、促进细胞生存方面起重要作用。 刘杉珊 李薇（吉林大学第一医院血液肿瘤中心 吉林长春 130021） 【中图分类号】R329 【文献标识码】A【文章编号】1672-5085 (2011)8-0448-04 【 摘要】自噬是真核细胞特有的普遍生命现象，在维持细胞自我稳态、促进细胞生存方 面起重要作用，广泛参与多种生理和病理过程。自噬与细胞卫士 p53 的关系密切，目前已 成为肿瘤研究中的一个新热点。本文对自噬的概念、生

2、物学特性、自噬过程及其信号调控、 以及与 p53 的关系作以概述，同时简要概述了目前自噬的研究方法和检测方法并提出问题 和展望，为进一步研究自噬奠定基础。 【 关键词】 自噬 分子机制 p53 近年来，自噬作为 II 型程序性细胞死亡，越来越成为除凋亡之外备受关注和研究的领域。 目前自噬不仅被证实是一种细胞自我死亡的方式，同时也是一种细胞的自我保护机制，在 肿瘤、老化和神经退化等细胞增殖和死亡紊乱疾病中发挥着重要的作用。因此通过对自噬 的发生过程、分子机制、信号调控、及与细胞卫士 P53 之间关系的总结，为进一步研究其 机制调控和临床应用奠定坚实的基础。 1 自噬的概念 自噬又称为 II 型程

3、序性细胞死亡 (type II programed cell death)是以胞质内出现双层膜结 构包裹长寿命蛋白和细胞器的自噬体为特征的细胞“自我消化 ”的一系列生化过程。正常细 胞内的物质主要有两种降解途径，一种通过蛋白酶体被降解，另一种是通过自噬作用。自 噬主要降解细胞质的长寿命蛋白和一些细胞器的降解，这种降解有助于细胞内组分和细胞 器的正常更新，而蛋白酶体主要降解胞内的短寿命蛋白1 。 根据细胞内底物运送到溶酶体腔方式的不同，哺乳动物细胞可分为 3 种主要方式：大自 噬(macroautophagy)、小自噬 (microautophagy)和分子伴侣介导自噬(chaperone me

4、diated autophagy, CMA)。无论大自噬还是小自噬都可以选择性和非选择性吞噬大的物 质，CMA 为胞浆内蛋白结合到分子伴侣后转运到酶体腔中，被溶体酶消化。由于目前对大 自噬及其在疾病发生的作用的研究日益增多，所以本综述着重介绍大自噬。 2 自噬的诱导 当细胞受到饥饿、高温、低氧及荷尔蒙等外界刺激, 或细胞器的损坏、突变蛋白的积聚 及微生物的侵袭等应激时, 可引起细胞自噬的发生。雷帕霉素靶点 TOR 蛋白激酶(target of rapamycin)作为细胞中氨基酸、ATP 和激素的感受器, 是调控细胞生长的关键因子之一 ,其 是细胞氮水平的负调节剂，参与自噬反应的调节3。研究表

5、明, TOR 对自噬反应的调节与 细胞的营养条件有关,当营养充足时 , 细胞中 TOR 被激活而抑制自噬，而当细胞处于饥饿 状态时, TOR 被抑制而促进自噬。在哺乳动物细胞中又有 Tor 蛋白，同时 Tor 蛋白也随着 周围环境的改变来调节自噬但是调节机制要较酵母细胞复杂。在哺乳动物细胞中 mTor 的 上游负调节有 I 型 PI3K 激酶，PDK1 和 AKt/PKB,而 PTEN 能拮抗 PI3K 而促进自噬。同 时伴随着自噬的发生。TOR 的失活引起 Atg 结构的改变, 如 Atg13p 部分去磷酸化, 在营 养充足时 Atg13 可高度磷酸化而不易于 Atg1 激酶结合从而抑制自噬

6、发生。相反，在细胞 处饥饿状态时 Atg13 可很快与 Atg1 结合，从而增加自噬。同时 mTor 可增强与 Atg17p 和 Atg1p 之间的相互作用 ,从而调节其激酶活性。 3 自噬过程 自噬其发生过程大致分为 3 个阶段：(1) 在饥饿、氧化应激损伤等情况下，粗面内质网 的非核糖体区域、高尔基体等来源的自噬体膜脱落形成杯状分隔膜，包绕在被降解物（如 蛋白质降解产物，细胞器和核糖体等）周围3,4 ；(2)分隔膜逐渐延伸，将要被降解的胞 浆成分完全包绕形成双层膜自噬体；(3) 自噬体通过细胞骨架微管系统运输至溶酶体，与之 融合形成自噬溶酶体并降解其内成分，自噬体膜脱落再循环利用。因此自噬

7、可被视为细胞 的“回收工厂” ，其不仅促进能量的利用同时转运无功能的蛋白和细胞器。而调节这个复杂 的过程的分子水平有五个关键阶段5:（1）形成吞噬泡（2）Atg5-12 复合物与 Atg16L 并 且多聚化（3）LC3 形成并且插入吞噬泡膜（ 4）包绕预被降解物（ 5）自噬体与溶酶体融 合。 3.1 吞噬泡的形成 酵母细胞的吞噬泡膜形成于 PAS，而哺乳动物细胞吞噬泡膜来其于内质网6,7，高尔基 体3,8,9等，甚至可能在严密调控下来源于细胞核10。酵母细胞形成吞噬泡膜需要 Atg1 激酶与 Atg13 和 Atg17 复合物，该复合物可能通过跨膜蛋白 Atg9 补充脂质而促进吞噬泡 膜的扩增

8、4,11 。这个过程可通过 Tor 激酶调节，其磷酸化 Atg13 从而阻止其与 Atg1 激酶 作用13哺乳动物细胞吞噬泡的形成过程仍需要进一步研究。III 型 PI3K 激酶，Vps34 和 Atg6/Beclin-1 在哺乳动物细胞的吞噬泡形成和自噬的作用已经很好的认识。Vps34 参与细 胞膜的形成，但其需要与 Beclin-1 和其他调控蛋白来选择性的参与自噬过程 14。PI3P 在 吞噬泡的延伸和不断补充 Atg 蛋白过程中起重要作用，Vps34 与 PI3K 以 PI 为底物获得 PI3P 过程中，Vps34 是十分重要的 15。Vps34 与 Beclin-1 作用可增加 PI

9、3P 的水平。其 他与 Vps34 与 Beclin-1 复合物结合促进自噬调节蛋白为 UCRAG，BIF-1，Atg14L 和 AMBRA16,17 ,或抑制自噬蛋白 Rubicon, Bcl-218,19. Beclin-1 与 Bcl-2 结合可破坏 Beclin-1 与 Vps34 的作用，所以 Beclin-1 与 Bcl-2，Bcl-XL 作用与内质网可抑制自噬21。 3.2 Atg5-Atg12 复合物形成 由 Atg3、Atg5 、Atg7 、Atg10、Atgl2 和 LC3(Microtubuleassociated protein 1 light chain 3，MAP1

10、-LC3)参与组成的两条泛素样蛋白加工修饰过程,在 Atg 12 结合过程和 LC3 修饰过程起着至关重要的作用。有的两个泛素样蛋白系统参与形成 Atg5-Atg12 复合物和 LC3, Atgl2 首先由 El 样酶 Atg 7 活化，之后转运至 E2 样酶 Atgl0，最后与 Atg5 结合，形 成自噬体前体。Atg5-12 复合物与 Atg16L 结合形成 Atg5、Atgl2 和 Atgl6L 以复合物形式 存在，这种结合一方面促进了自噬泡的伸展扩张，使之由开始的小囊泡样、杯样结构逐渐 发展为半环状、环状结构；另一方面，Atg5 复合物与自噬泡膜的结合还促进了 LC3-向自 噬泡的募集

11、。Atg5-12 复合物不依赖于自噬的作用，一旦自噬体形成，Atg5-Atgl2-Atgl6L 复合物就脱离胞膜，使之 Atg5-12 复合物不是自噬的标志物。 3.3 LC3 形成 第二条泛素样蛋白加工修饰过程参与 LC3B 的形成，LC3B 由哺乳动物细胞 Atg8 同源 染色体编码。LC3B 被 Atg4 分解，生成 LC3B-I，并暴露出其羧基末端的甘氨酸残基。同 样 LC3B-I 也被 E1 样酶 Atg7 活化，转运至第二种 E2 样酶 Atg3，并被修饰成膜结合形式 LC3B-II。LC3B-II 定位于前自噬体和自噬体，使之成为自噬体的标志分子。一旦自噬体与 溶酶体融合，自噬体

12、内的 LC3II 即被溶酶体中的水解酶降解。哺乳动物细胞内源性 Atg5 和 Atgl2 主要以结合形式存在；而胞浆可溶性 LC3B-I 和膜结合型 LC3B-II 的比例在不同组 织和细胞类型变化很大。哺乳动物细胞自噬过程中两条泛素样加工修饰过程可以互相调节， 互相影响。自噬形成过程中 LC3 合成增多，使之成为自噬的标志物。GABARAP(氨基丁酸 受体相关蛋白)也是同样的自噬过程， GABARAP-II 与 LC3-II 作用于自噬体。 3.4 包绕预被降解物 自噬一般是认为随机吞噬入胞液中。电镜照片展示自噬体包含有多种成分，包括线粒体、 内质网和高尔基体膜22。然而，有证据表明扩增的吞

13、噬泡膜可以选择性吞噬蛋白和细胞 器。可能与 LC3B-II，其作为自噬的受体，与靶向分子配体作用（如蛋白，线粒体）而促 进选择性摄取和降解。在酵母细胞中，Uth1P 和 Atg32 可能促进选择性摄取线粒体，这个 过程是小自噬23,24 。 3.5 囊泡的融合和分解 当成熟的自噬体的外膜与溶酶体融合时, 内囊泡被释放。膜融合后, 直接释放到溶酶体 内腔的不是被吞噬的胞质组分, 而是包含一层膜的自噬体。膜必须先被溶酶体的水解酶破 坏, 进而水解自噬体的内容物。在一些溶酶体蛋白水解酶活化和囊泡的酸化过程中, Atg15p 脂酶被证明是自噬体降解所必需的。最初溶酶体的跨膜蛋白 Atg22p 被认为是

14、溶酶体内溶 解所必需的。而近来的研究则显示 Atg22p 是细胞通过自噬作用, 利用胞质产生氨基酸所必 需的一种透性酶, 是细胞在饥饿条件下存活必不可少的酶25。 3.6 其它 Sec 基因(Sec12、Sec16、Sec2324)参与了自噬体膜的形成。另外，中间丝、微管等 细胞骨架成分也参与了自噬体形成晚期步骤的完成。 4 自噬过程的信号调控 4.1 营养信号 当营养缺乏时即可诱导自噬的发生。在酵母细胞和哺乳动物细胞中，TOR 通路和 Ras- cAMP-PKA 两条通路感受营养水平，调节细胞分裂和增殖，并且负向调节自噬过程。 4.1.1 TOR 复合体 1（TOR complex1 TOR

15、C1） TORC1 对雷帕霉素抑制敏感，在营养状态被雷帕霉素抑制的 TORC1 可促进自噬，表 明 TOR 本身可下调自噬。细胞外的氨基酸通过转运蛋白如 SLC1A5 和 SLC7A5 转入细胞 膜，mTOR 可直接或磷酸化感知26 。然而，最新在果蝇和哺乳动物细胞中发现 Rag 蛋白， 可通过将 mTORC1 移至于含有 mTORC1 激活剂 Rheb 的亚细胞结构而感受氨基酸27,28。 其他研究表明氨基酸通过 III 型 PI3K(hVps34)激活 mTOR.氨基酸激发 hVps34 而激活 mTOR,进而抑制自噬。 在酵母细胞中，TORC1 除了调节 Atg1/ULK 复合物，同时也

16、通过磷酸化 Tap42 抑制自 噬，Tap42 通过作用于自噬的负向调节剂 PP2A 的催化亚群而抑制自噬29 。 4.1.2 Ras/PKA 通路 在酵母细胞和哺乳动物细胞中 Ras/PKA 通路在感受葡萄糖起着重要的作用。在酵母细 胞中，Ras/PKA 通路通过抑制 TOR 而抑制自噬，表明 Ras/PKA 通路抑制自噬作用与 TOR- Tap42 通路平行。Ras/PKA 可抑制自噬可能通过 Atg1 调节，Atg1 是 PKA 的磷酸化 底物。同时酵母细胞中的 Sch9 与哺乳作用与动物细胞中的 PKB/Akt 相似，也参与感受营 养水平。在酵母细胞中可能有三条通路参与抑制自噬，TOR

17、C1, Ras/PKA 和 Sch9。 4.2 胰岛素/生长因子通路 在如果蝇和哺乳动物细胞中的真核细胞中，通过激素来调节自噬的通路与营养的通路不 同，但二者都汇集于 TOR。胰岛素或胰岛素样生长因子通过 I 型 PI3K 调节 mTOR。位于 酪氨酸的胰岛素受体自身磷酸化可使 IRS1 和 IRS2（胰岛素受体底物 1 和 2）扩增并磷酸 化，可与 PI3K 结合。由 I 型 PI3K 生成的 PIP3 可增加细胞膜 PKB/Akt 和其激动剂 PDK1, 通过 PDK1 激动并磷酸化 PKB/Akt30。PTEN 可抑制生成 PIP3，进而抑制下游 PKB/Akt 信号而正向调节自噬。激活

18、的 PKB/Akt 增加由 TSC2 编码的蛋白磷酸化，TSC2 蛋白磷酸 化阻断与 TSC1 作用28，从而阻断 TSC1/TSC2 复合物形成，使 Rheb 与 GTP 结合更 稳定, 从而激活 mTOR。 除了 TOR，Ras 信号在通过生长因子调节自噬过程也起到重要作用。Ras 可将信号从 生长因子酪氨酸激酶传递到细胞内效应器，如 Raf/MAP 激酶和 I 型 PI3K。 期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆 在 HT-29 结肠癌细胞中，Ras 效应器 Raf-1 是一个氨基酸感受器，能够正向调节自噬 29， 氨基酸靶向作用于并抑制 Raf-1 激酶，从而下调下游的 MEK/ERK 活

19、性，从而抑制自噬。 4.3 能量感受 自噬活性对细胞存活十分重要。在哺乳动物细胞中，AMPK 感受 ATP 的水平。通过上 游激酶 LKB1 下调 ATP/AMP 比例而激活 AMPK。活性的 AMPK 诱导 TSC1/2 复合体磷酸 化并有活性，TSC1/2 复合体可通过 Rheb 抑制 mTOR 活性。除此之外，LKB1-AMPK 使 P27 磷酸化并有活性，后者可在生长因子缺乏或营养缺乏时阻滞细胞凋亡而诱导自噬。与 AMPK 相同，酵母细胞中的 Snf1 也可正向诱导自噬。 5 自噬与 P53 P53 是重要的肿瘤抑制因子,正常的 P53 基因为野生型(wt P53), 在细胞正常生长过

20、程中 起着重要的调节作用, 明显抑制细胞的转化生长 ; 当 P53 基因发生丢失或突变即突变型 (mtp53)将诱发癌变。对于应答 DNA 损伤，致癌反应，组织缺氧或者其它应激时，P53 通 过转录依赖和非转录依赖机制调剂细胞应答，既可以阻止或修护基因损伤，又可以清除潜 在致癌细胞。P53 的不仅在抑制肿瘤方面重要，同时 P53 在代谢，生长，老化和神经退化 等也起着重要的作用。 最新研究发现 P53 参与自噬调节，其中包括转录非依赖途径和转录依赖途径：转录非 依赖途径是通过 P53 的活化激活 AMPK,负性调节 mTOR;而转录依赖途径可通过上调 mTOR 抑制因子 PTEN 和基因 TS

21、C1, 或是 P53 调节的自噬和细胞死亡基因 DRAM 负性 调节 mTOR，从而诱导自噬发生。 以往的研究认为 P53 的活化诱导自噬的发生,而 Tasdemir 等质疑 P53 是自噬的正性调 剂。在正常细胞和转化细胞中,利用 P53 抑制剂 PTF- 抑制 P53 的活性或用 siRNA 沉默 P53,均可导致正常细胞和转化细胞自噬作用的增强。由 P53 缺失引起的自噬作用与 AMPK 的激活和 TOR 的抑制相关 ,可通过剔除 AMPK 或自噬基因如 ATG5、Beclin1、ATG10 等抑制自噬的发生。药物抑制或沉默或剔除 P53 的小鼠和线虫 可引起自噬的增加,表明在体内 P5

22、3 可负性调节自噬, 其机制可能与 P53 的转录非依赖途 径相关。体外实验表明,通过抑制胞质中的 P53,亦可诱导自噬。从 Tasdemir30的研究提 示一个更复杂的模型，P53 是否参与调节自噬不能简单由 P53 含量和应激水平决定，同样 也由应激信号决定，Tasdemir 等30 表明抑制 P53 可导致内质网应激，通过敲除 IRE-1 阻断内质网应激时可以降低由 P53 缺乏而诱导的自噬。这个发现对于决定在体内或在生长 的肿瘤中 P53 缺失的内质网应激和/或代谢是否是自噬的诱导剂是十分重要的47。在细胞 核内 P53 可诱导自噬前体靶基因表达，在细胞浆内，基态水平野生型 P53 能

23、够阻止自噬 体形成。P53 这种双重作用仍需要进一步研究。 6 展望 广泛存在于真核细胞中的自噬在正常细胞生长发育和生理病理过程中发挥着及其重要的 作用，不仅能清除细胞内过量或受损的细胞器和蛋白质，维持蛋白质代谢平衡及细胞内环 境稳定，而且对防止如神经退行性病变、肿瘤、 心肌病、病原微生物侵入感染等疾病以及 对防止老化、延长寿命有积极作用。然而就目前的研究水平，还有很多问题亟待解决，比 如自噬是如何起源的、其信号转导通路是如何协调和相互影响的及其对细胞生存影响等等。 这些问题还有待分子生物学和细胞生物学的进一步发展，但是随着对自噬作用机制的深入 研究，我们还是可以期望通过调控细胞的自噬水平来控制癌症及神经退行性疾病的发展， 延缓衰老，为人类服务提高生存质量提供更好的临床治疗方法。