1963年,Duve首次提出自噬这一概念,该现象是基于观察到经胰高血糖素诱导的小鼠肝细胞内降解的线粒体及其它的内在结构。近年来,医学界重新认识自噬,在分子水平上一定程度地了解了这个过程的重要意义。目前,人们在酵母菌内已经发现了32个不同种类的自噬相关基因,正常的自噬过程对细胞内环境的稳定及细胞生命活动的顺利进行十分重要。细胞自噬还与许多疾病的发生密切相关,如肿瘤、神经退行性疾病、病原微生物感染及免疫系统疾病等。本文就自噬在分子水平上是如何调控以及与疾病相关性做一综述。
1、自噬分型与分子机制
自噬分为三个类型:巨自噬(macro-autoph-agy),微自噬(micro-autophagy),分子伴侣介导的自噬(chaperone—mediated autophagy,CMA)。巨自噬通过双层膜结构包裹细胞质内容物形成自噬体,并携带到溶酶体与之融合,形成自噬溶酶体对包裹物进行降解。相比之下,微自噬是胞质内容物直接通过溶酶体膜自身内陷被包绕而进行降解。在分子伴侣介导的自噬过程中,目标蛋白通过与伴侣蛋白(如hsc-70)结合而通过溶酶体膜,并且这些伴侣蛋白被溶酶体膜受体即溶酶体相关膜蛋白2(LAMP-2A)所识别的,从而进行降解。自噬始于一个隔离膜,在饥饿、缺氧等应激状态下,由内质网或高尔基体脱落的脂质双分子层构成,通常该结构也称为吞噬泡。吞噬泡伸展变形包裹细胞内物质,如蛋白质、细胞器等,形成一个具有双层膜的闭合结构,称作自噬体。通过与溶酶体融合使自噬体成熟,即形成自噬溶酶体。在溶酶体酶作用下进行内容物的降解。溶酶体酶和转运蛋白将其部分降解小分子物质重新运回细胞质,参与物质合成及能量代谢。因此,自噬被称作是一个“循环加工过程”,通过ATP的生成促进能源的有效利用以及通过转运异常蛋白和细胞器来抑制有害性损伤。自噬过程有5个关键阶段:吞噬泡的形;Atg5-Atg12系统;LC3系统;降解物的选择;自噬溶酶体的形成以及内容物的降解。
1.1吞噬泡的形成
酵母中吞噬泡膜的形成是围绕在一种被称为前自噬体结构(PAS)的细胞质结构中,但在哺乳动物中没有确切证据可以证实。吞噬泡的形成需要Atg1激酶与Atg13、Atg17结合,进而调控跨膜蛋白Atg9的量,通常Atg9促进脂质募集到伸展的吞噬泡上。TOR激酶可以通过磷酸化Atg13,从而防止它与Atg1结合来调控上述过程。
哺乳动物系统中,磷脂酰肌醇三磷酸激酶(ClassⅢ PI3K),特别是Vps34(vesicular proteinsorting 34)及Atg6/Beclin-1在吞噬泡形成和自噬过程中有重要作用。Vps34参与细胞内各种膜分类的过程,与Beclin-1及其他调控蛋白结合时可参与选择性自噬过程。
Vps34通过调控三磷酸磷脂酰肌醇(PI3P)的生成,来促进吞噬泡的伸展和募集其他自噬相关蛋白。Beclin-1与Vps34的作用也有助于增强其催化活性和增加PI3P量。
吞噬泡形成过程中还有很多的调节蛋白可以与Vps34和Beclin-1结合,一些促进自噬,如UVRAG BIF-1,Atg14L Ambra,一些抑制自噬,如Rubicon和Bcl-2。一个典型的例子就是Beclin-1与Bcl-2的作用,在饥饿时,Beclin -1内的BH3结构域与Bcl-2的作用减少,从而增强细胞自噬来应对营养缺乏以利于细胞生存。
1.2 Atg5-Atg12系统自噬体形成过程中有两个重要的泛素-蛋白酶系统,包括Atg5-Atg12系统和LC3系统。Atg5-Atg12系统中,Atg7激活Atg12,将其转移到Atg10,从而促进Atg12与Atg5结合,其中Atg7、Atg10分别发挥着类似E1、E2泛素激活酶的作用。
Atg5-Atg12复合 物与Atg16L形成Atg5-Atg12-Atg16L,这种复合体与吞噬泡伸展相关。同时它可以促进LC3-II的形成从而诱导吞噬泡的扩展。一旦自噬体形成后,Atg5-Atg12-Atg16L将从膜上解离开来,因此Atg5-Atg12复合体成为一个自噬体形成的标志。
1.3 LC3系统第二个系统就是微观相关蛋白轻链3(LC3)系统,LC3是Atg8的哺乳类同系物。它被Atg4激活产生LC3-Ⅰ。Atg4表达的甘氨酸被Atg7激活,该方式类似于Atg7和Atg12。当磷脂酰乙醇与甘氨酸羧基结合后,活化的LC3-Ⅰ被转移到Atg3,产生膜结合型LC3-Ⅱ,并定位于自噬体上。因此,LC3-Ⅱ成为自噬体形成的一个标志分子。当自噬体与溶酶体融合后,LC3-Ⅱ则被溶酶体酶降解。
1.4降解物的选择
通常,自噬是一个随机过程,可随意的吞噬细胞质物质。电镜下经常可以看到,自噬体内的各种内容物,包括线粒体,内质网等。有证据显示,伸展的吞噬泡可以有选择性地与蛋白质及细胞器结合。我们推测,吞噬泡中LC3-Ⅱ与蛋白质等作用将促进物质的摄取与降解。就这点而言,最具特征的是p62/SQSTM1,一种促进蛋白质周转的多功能衔接分子。p62/SQSTM1的突变与佩吉氏病有关,该病中骨的异常周转导致骨骼变形,关节炎及神经损伤。
1.5自噬溶酶体的形成及内容物的降解
自噬体形成后,下一步就是趋向成熟了,即自噬体与溶酶体形成自噬溶酶体。有报道称,自噬体与早期或晚期胞内体融合早于与溶酶体的融合,但两者均可转运物质及膜融合组分,并且在转运溶酶体酸性酶前可降低自噬体囊泡内的pH以利于降解。自噬体与溶酶体接触后,其外膜与溶酶体膜融合,但外膜如何避免被溶酶体酶降解尚不清楚。其内膜包绕着内容物进入溶酶体降解,其中该过程依赖于溶酶体内的酸化、蛋白酶B及Atg15编码蛋白。
2、自噬与疾病
自噬在机体的免疫、感染、炎症、肿瘤、心血管、神经退行性疾病中的发生发展过程中具有十分重要的作用。目前研究较多的3类疾病是肿瘤、神经退行性疾病和免疫性疾病。
2.1自噬与肿瘤
自噬在肿瘤中的作用是一把“双刃剑”,目前尚存在较多争议,在不同的肿瘤中具有不同的作用。诸多实验研究证实,自噬具有抑制肿瘤发生发展的作用。鼠的胰腺细胞经致癌物质诱导后,在癌变前期的结节和所形成腺瘤的自噬和降解能力是增加的,当形成癌细胞后自噬能力反而下降。一些抗肿瘤药物通过诱导自噬活性来抑制肿瘤细胞的增殖。对乳腺癌、前列腺癌及结肠癌细胞系的放疗处理均可诱导自噬性细胞死亡。在乳腺癌、卵巢癌、前列腺癌中存在自噬相关基因Bec-lin1的单等位缺失。存在Beclin1缺陷的小鼠更容易发生淋巴瘤、肺癌、肝细胞肝癌和乳腺癌前病变。
Scott等研究发现,Atg1高表达所诱导的自噬可使细胞明显缩小,从而控制细胞生长,同时发现自噬可诱发细胞死亡。其他的自噬相关基因(如UVRAG、Bif-1等)也具有肿瘤抑制作用。
2.2自噬与神经退行性疾病突变的PINK1是常染色体隐性遗传帕金森病(Parkinsondisease,PD)的致病基因,它参与自噬调控。正常全长的PINK1蛋白与Beclin1相互作用,促进自噬的发生;相反,突变的PINK1蛋白与Beclin1结合,对自噬产生限制作用。但是,只有突变位点位于W437X的PINK1才能使Beclin1活性下降,其他突变位点对Beclin1似乎没有影响。另一个常染色体隐性遗传PD的致病基因Parkin则参与降解受损线粒体自噬途径的信号调控。临床上将阿尔茨海默病(Alzheimer’sdisease,AD)病人的脑皮层活检标本进行研究,发现自噬小体及其他前溶酶体自噬小泡的显著增加。对亨廷顿病 (Hunting’sdisease,HD)患者和HD小鼠模型研究发现,自噬的水平与异常的Huntingtin呈正相关。这种异常蛋白对自噬的诱导作用可以通过TOR活性下降证明。
最近有研究发现,用自噬诱导剂Temsirolimus治疗脊髓小脑运动失调症3型转基因小鼠模型,明显减少了可溶性突变的ataxin-3蛋白,其为致病蛋白,而对野生型atax-in-3却没有影响。
2.3自噬与免疫性疾病系统性红斑狼疮(sys-temiclupus erythematosus,SLE)是一种伴有大量自身抗体如抗核抗体的全身性自身免疫性疾病。赵继军用透射电镜观察发现活动性SLE患者外周血单个核细胞中存在自噬现象;PCR结果显示Bec-lin 1和微管相关蛋白1轻链3(MAPLC3)mRNA在活动性SLE患者表达量均增高。活动性SLE患者外周血单个核细胞存在自噬现象,且细胞自噬相关基因表达较健康对照组增强,这可能与SLE的发生、发展相关。
类风湿性关节炎(rheumatoid arthritis,RA)是一种以关节滑膜的慢性炎症为特征的自身免疫性疾病。然而,避免RA相关细胞遭受程序性细胞死亡的详细机制还不清楚。
Shin等发现在RASF中,内质网应激诱导的自噬明显增多。当错误折叠的蛋白质在内质网聚集后,这种应激活化了错误折叠的蛋白应答,诱导修复过程相关的分子伴侣和蛋白表达。更好的了解自噬的在类风湿关节炎发病中的作用,将有助于发现类风湿性关节炎的新的治疗靶点,为类风湿关节炎的治疗提供更有效、更持久的治疗方法。此外,自噬与原发性胆汁性肝硬化、散发包涵体肌炎、克罗恩病、胰岛素依赖型糖尿病等自身免疫性疾病亦密切相关。
综上所述,自噬是调节机体细胞生长发育和病理生理的又一重要过程,对一些疾病有重要作用。适度的自噬促进细胞存活,但过度的自噬则导致细胞死亡。因此,全面了解自噬的分子机制以及与疾病的相关性尤为迫切。
