細胞自噬的發(fā)現(xiàn)

       上世紀(jì)50年代中期，圣路易斯華盛頓大學(xué)醫(yī)學(xué)院的Sam Clark Jr.通過電子顯微鏡觀察新生鼠腎，并發(fā)現(xiàn)了他以前從未見過的東西。正如他后來所描述的那樣，在腎細胞的細胞質(zhì)內(nèi)似乎存在膜結(jié)合結(jié)構(gòu)。有趣的是，這些結(jié)構(gòu)似乎含有改變的線粒體。

       在Clark發(fā)表觀察結(jié)果后不久，幾位獨立的研究人員支持了這一發(fā)現(xiàn)。其中包括阿爾伯特愛因斯坦醫(yī)學(xué)院的Alex Novikoff，并使用了細胞溶質(zhì)體（cytolysome）這一術(shù)語來描述這些結(jié)構(gòu)。 他和他的同事Edward Essner在1962年寫到：“細胞質(zhì)在液滴中找到了方向，顯然正在消化過程中。”

       這也就是今天所說的宏自噬（macro-autophagy），這個詞來源于希臘語“auto”，意思就是“自我”，“phagein”意思是“吃”。在自噬過程中，細胞以一種受調(diào)控的方式消耗自身的部分。

       自噬的標(biāo)志是一種稱為噬菌體的瞬時雙膜結(jié)構(gòu)的形成。與分泌物運輸囊泡相反的是，它從一個細胞器中分離出來，其中的底物已經(jīng)被包裹在里面，噬菌體在其組裝過程中獲得了底物?？赡茉诩毎|(zhì)中形成獨立的結(jié)構(gòu)，也可能與細胞器（如內(nèi)質(zhì)網(wǎng)）接觸。吞噬泡（phagophore）不斷擴大，在底物容量方面提供了巨大的靈活性。隨著它的擴張，會隔離細胞質(zhì)組分，包括蛋白質(zhì)，脂質(zhì)，甚至整個細胞器。一旦其有效載荷得到保證，吞噬細胞就會關(guān)閉并成熟為一種自噬體，然后將被隔離的底物封閉在這個隔間的腔內(nèi)。然后，自噬體通過膜融合將底物送到真菌和植物的溶解室，以及在后生的溶酶體中進行降解和循環(huán)利用。這就是半個多世紀(jì)前引起了Clark和Novikoff注意力的自噬體。

       今天，自噬被認(rèn)為是維持細胞穩(wěn)態(tài)的關(guān)鍵過程，也是對等壓力源的反應(yīng)，如營養(yǎng)缺乏，這可能會危及細胞的生存。當(dāng)細胞接觸到這些壓力源時，原本在低水平發(fā)生以平衡生物分子的恒定合成的自噬，就會被大幅度上調(diào)。這種上調(diào)會增加了細胞的吸收和降解，將大分子釋放回胞質(zhì)中以驅(qū)動必須的代謝反應(yīng)并產(chǎn)生能量。

       在正常和壓力條件下，自噬對細胞健康的貢獻，意味著這種嚴(yán)格調(diào)控和精確協(xié)調(diào)過程的重要生理和病理作用。事實上，自噬在哺乳動物的發(fā)育過程中被發(fā)現(xiàn)是有用的。此外，最近的研究發(fā)現(xiàn)自噬是各種疾病和病癥的重要調(diào)節(jié)器。探索自噬在發(fā)育和疾病中的參與，對于更全面地了解這一途徑的作用至關(guān)重要，并且可能對保持健康或治療疾病有影響。

       自噬機制

       細胞中的一些分解代謝途徑分解大的分子。值得注意的是，一種叫做泛素蛋白的小蛋白質(zhì)與另一種細胞蛋白的結(jié)合——通常是連續(xù)添加泛素蛋白來生成聚類蛋白鏈——可以標(biāo)記蛋白質(zhì)降解，從而導(dǎo)致氨基酸的釋放。其他生物聚合物（如碳水化合物和脂質(zhì)）也存在類似的降解機制。

       那么，自噬的獨特之處在哪里呢？答案在于自噬體大小和底物選擇的靈活性。自噬可促進大量的底物降解，使細胞能夠快速高效地在各種營養(yǎng)不足的情況下產(chǎn)生可循環(huán)的基本建筑材料。此外，自噬是能夠降解整個細胞器的唯一途徑，無論是隨機或以有針對性的方式進行 - 這是真核細胞復(fù)雜環(huán)境內(nèi)維持平衡狀態(tài)的關(guān)鍵過程。

       自噬受到嚴(yán)格的調(diào)節(jié)，以確保只有在需要時才會加速，然后及時地進行。細胞的中心代謝傳感器TOR復(fù)合體1（哺乳動物中的TORC1或MTORC1），對氨基酸和生長因子的可用性很敏感，并且當(dāng)這些成分豐富時抑制自噬誘導(dǎo)。當(dāng)細胞缺乏這些分子時，TORC1 / MTORC1失活，促進自噬的增加。與此同時，其他分子調(diào)控器監(jiān)測細胞的各種營養(yǎng)狀況，如葡萄糖，或以ATP的形式提供能量，當(dāng)這些營養(yǎng)物質(zhì)或代謝產(chǎn)物達到極低的水平會觸發(fā)自噬。

       一旦啟動自噬，多個自噬相關(guān)蛋白(Atg)蛋白協(xié)同作用，以協(xié)調(diào)噬菌體的形成和自噬的后續(xù)步驟。

       盡管目前科學(xué)家們對自動吞噬的整個過程已經(jīng)很清楚了，但這個領(lǐng)域仍在努力尋找和適應(yīng)許多缺失的謎團。例如，對自噬體的膜的供體沒有具體建立。同樣，我們也不能完全理解噬菌體擴張是如何被調(diào)控的，或者是什么決定了自噬的發(fā)生頻率。當(dāng)我們認(rèn)為許多類型的自噬是高度選擇性的，并且這些過程的啟動和調(diào)節(jié)仍然是神秘的，就會出現(xiàn)更多的問題。進一步了解這些選擇途徑至關(guān)重要，因為它們與胚胎發(fā)育、健康成長和人類疾病密切相關(guān)。

       自噬在發(fā)展

       上世紀(jì)70年代末，紐約圣約翰大學(xué)的Richard Lockshin和他的同事們證明了這一點。在昆蟲的蛻變過程中發(fā)生了吞噬作用。10年半之后，研究人員發(fā)現(xiàn)，在自噬中有缺陷的突變酵母菌細胞不會產(chǎn)生孢子。這是自噬可能在機體發(fā)育過程中起作用的第一個提示，但直到最近才有研究者開始闡明這一過程對后生動物的細胞分化和發(fā)育的貢獻。

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       在過去的15年中，研究人員已經(jīng)證明，在哺乳動物早期胚胎發(fā)生過程中，非選擇性自噬(主要是饑餓反應(yīng))也是必需的自噬對于卵母細胞重編程后受精可能至關(guān)重要。當(dāng)胚胎自身的基因組接管時，卵母細胞帶有母體衍生的mRNA和蛋白質(zhì)，蛋白質(zhì)在卵子與精子融合后被降解，合子分裂成兩個細胞。這種從母體到胚胎控制的轉(zhuǎn)變可能至少部分取決于自噬。

       自噬也是胚胎到新生兒的轉(zhuǎn)變的必要條件。事實上，在小鼠的某些組織中，包括心臟，在出生后不久就會有大量的自噬現(xiàn)象發(fā)生。這種增加的原因可能是由于胎盤營養(yǎng)的終止而造成的暫時但嚴(yán)重的饑餓；自噬有助于釋放在這一時期生存所必需的氨基酸和能量來源。

       選擇性自噬在胚胎發(fā)育后也起著重要的作用。紅細胞的氧傳遞功能取決于大量的氧結(jié)合蛋白血紅蛋白的存在。為了滿足這一需求，前體網(wǎng)狀細胞必須清除大多數(shù)細胞器，使其成熟為紅細胞。網(wǎng)狀細胞通過線粒體自噬降解線粒體，這是一種選擇性自噬降解。靶向線粒體降解也發(fā)生在幾個后生動物物種的合子發(fā)育過程中，從而消除了父系線粒體，使得只有母體線粒體被遺傳。 2017年，得克薩斯大學(xué)西南醫(yī)學(xué)中心的Beth Levine及其同事確定了內(nèi)部線粒體膜蛋白，它可以作為一種新型的線粒體受體，并表明這種蛋白質(zhì)在清除秀麗線蟲的父系線粒體中起著至關(guān)重要的作用。

       這些只是自噬在正常發(fā)育中扮演角色的一小部分。隨著生物體的成熟，這種循環(huán)途徑繼續(xù)保持細胞環(huán)境中功能性細胞器和基本生物大分子的健康平衡。進一步闡明自噬的作用，不僅在機理層面上，而且在生理結(jié)果方面，對于理解這一動態(tài)過程如何調(diào)節(jié)各個年齡段的生物體內(nèi)的代謝平衡是非常重要的。

       自噬失調(diào)

       考慮到自噬在生理學(xué)中的作用，這一過程的失調(diào)與許多病理學(xué)有關(guān)，從感染性疾病到神經(jīng)退行性疾病再到癌癥，都是不足為奇的。了解自噬與疾病之間的關(guān)系對于設(shè)計有效的治療干預(yù)措施至關(guān)重要。

       1984年，弗吉尼亞理工大學(xué)獸醫(yī)學(xué)院的Yasuko Rikihisa發(fā)表了第一份自噬誘導(dǎo)感染的報告，他表示，在哺乳動物的細胞中孵育出了一種能引起多種蜱傳疾病的立克氏菌，引發(fā)了自噬體的形成。然而，直到最近，研究人員才開始了解真核細胞是如何使用一種選擇性自噬的方式來消滅入侵的病原體。異食癖是由細菌表面蛋白的泛素化引起的，這種蛋白被泛素結(jié)合的自噬受體所識別，這種受體可以通過噬菌體來促進病原體的隔離。

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       在這種情況下，自噬與先天免疫系統(tǒng)的組分協(xié)同工作，如Toll樣受體（TLRs）。 TLR介導(dǎo)最初對病原體的識別，隨后的TLR信號促進炎癥，并可能刺激自噬，至少在一定程度上是通過修飾自噬受體實現(xiàn)的。盡管炎癥是在感染部位招募免疫細胞的必要步驟，炎癥反應(yīng)的擴展可能對組織有害。來自日本大阪大學(xué)的Shizuo Akira實驗室的研究顯示，失去了自噬蛋白ATG16L1，導(dǎo)致小鼠體內(nèi)促炎細胞因子的產(chǎn)生。這一發(fā)現(xiàn)表明，在免疫反應(yīng)過程中，自噬不僅介導(dǎo)了病原體的清除，還可能限制炎癥，以防止不必要的組織損傷。

       最近，威爾康奈爾醫(yī)學(xué)院的J. Magarian Blander實驗室的研究發(fā)現(xiàn)，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的自噬是一種細胞應(yīng)激反應(yīng)途徑的重要組成部分，它是由活的革蘭氏陽性菌感染引起的。在此級聯(lián)反應(yīng)中，自噬在受感染細胞的應(yīng)激反應(yīng)后，在動員一種有效的先天免疫應(yīng)答方面起著重要作用，部分原因是引起傳感器蛋白TMEM173/ st12的重新定位。

       通過自噬調(diào)節(jié)免疫系統(tǒng)可能并不總是有益的。瑞士蘇黎世大學(xué)JanLünemann實驗室最近的一項研究表明，自噬機制的組分可能在加劇多發(fā)性硬化癥（一種影響中樞神經(jīng)系統(tǒng)（CNS）的自身免疫性疾?。┲邪l(fā)揮作用。稱為樹突細胞的一類免疫細胞使用ATG依賴性吞噬作用來呈遞源自有髓鞘CNS駐留細胞降解的肽作為抗原。這些自身抗原促進自身反應(yīng)性效應(yīng)T細胞的激活，導(dǎo)致自身免疫性攻擊和進行性神經(jīng)變性。

       自噬的主要作用是細胞保護作用，它在一些神經(jīng)退行性疾病如亨廷頓氏病(HD)和帕金森氏病(PD)中具有保護作用。劍橋醫(yī)學(xué)研究所的David Rubinsztein及其同事首先證明了自噬促進了聚集傾向性蛋白質(zhì)的降解，如突變型HTT（亨廷?。荋D中的主要元兇之一。他們后來報告說，激活的自噬拯救了HD的蒼蠅和小鼠模型中的神經(jīng)退行性表型。

       在PD中，線粒體自噬的喪失已被確定為發(fā)病機制中的關(guān)鍵因素。盡管大多數(shù)PD病例是散發(fā)性的，但線粒體相關(guān)基因PINK1和PRKN的突變通常與家族性PD有關(guān)。 2016年，來自斯坦福大學(xué)醫(yī)學(xué)院王新南（音譯）實驗室的研究表明，散發(fā)性PD的病例也可能與線粒體自噬缺陷密切相關(guān)。這并不讓人意外，因為神經(jīng)元嚴(yán)重依賴線粒體ATP的合成來進行能量密集型的過程，如動作電位的產(chǎn)生和傳遞，神經(jīng)遞質(zhì)轉(zhuǎn)運，以及突觸信號。因此，線粒體內(nèi)穩(wěn)態(tài)對正常的神經(jīng)元功能至關(guān)重要。神經(jīng)元通過有選擇性地去除受損的線粒體，而這些線粒體不僅在產(chǎn)生ATP的過程中效率低下，而且還會產(chǎn)生高水平的活性氧(ROS)，從而促進蛋白質(zhì)和脂質(zhì)氧化和DNA損傷，從而導(dǎo)致進一步的細胞功能障礙。 突變型線粒體缺失神經(jīng)元的ros誘導(dǎo)死亡可能是PD發(fā)病機制的一個主要因素。

       自噬也與癌癥有關(guān)。1999年，Levine小組做出了具有里程碑意義的發(fā)現(xiàn)，即只有一個自噬相關(guān)基因Becn1功能性拷貝的小鼠表現(xiàn)出增加的腫瘤發(fā)生。然而，與自噬在阻斷腫瘤發(fā)生中的明顯作用相反，有證據(jù)表明自噬可以也促進惡性腫瘤的發(fā)展。自噬在癌癥中所扮演的角色在一定程度上解釋了腫瘤生成與進展之間的關(guān)系。由基因不穩(wěn)定性、代謝紊亂、線粒體功能障礙等應(yīng)激因素促進癌基因轉(zhuǎn)化；自動吞噬作用抑制了這些壓力，從而抑制了腫瘤的形成。然而，一旦腫瘤形成，游戲就會發(fā)生根本的變化。腫瘤內(nèi)的細胞由于生長速度快和增殖速度快而增加了新陳代謝的需求，但是這些癌細胞并不是由脈管系統(tǒng)提供的營養(yǎng)物質(zhì)。這些細胞部分通過上調(diào)自噬來滿足其代謝需要。

       最近的研究表明，自噬在促進腫瘤進展中的作用不僅限于癌癥本身的細胞效應(yīng)，而且還延伸至調(diào)節(jié)腫瘤微環(huán)境。 2017年，來自奧斯陸大學(xué)的Tor Erik Rusten小組證明，在果蠅中，腫瘤微環(huán)境中的自噬增加促進了腫瘤的生長和侵襲。同樣，紐約大學(xué)Langone衛(wèi)生學(xué)院Perlmutter癌癥中心的Alec Kimmelman及其同事的工作也闡明了胰 腺導(dǎo)管腺癌和與基質(zhì)相關(guān)的胰 腺星形細胞(PSCs)之間的相互作用。這項研究表明，腫瘤細胞促進PSCs中的自噬，刺激這些細胞產(chǎn)生代謝產(chǎn)物和基礎(chǔ)生物分子。然后腫瘤細胞捕獲并使用這些代謝物在其他營養(yǎng)貧乏的條件下存活和生長。

       由于癌細胞依賴于自噬來維持生存，抑制這一過程是一項耐人尋味的抗腫瘤治療策略；然而，限制自噬可增加對感染和神經(jīng)退行性疾病的易感性。治療性靶向途徑與自噬一樣重要，這并非易事。

       前景展望

       作為一個科學(xué)領(lǐng)域，自噬的研究正處于一個非常激動人心的時刻。盡管研究人員已經(jīng)部分揭示了自噬引發(fā)、進展和調(diào)節(jié)相關(guān)的一些機制，但我們對自噬在發(fā)育和疾病中的作用的認(rèn)識還處于早期階段，關(guān)于自噬相關(guān)蛋白的功能，還有更多的問題要解決。進一步認(rèn)識到這一過程在病理生理學(xué)中所起的作用，有望找到治療的新途徑。

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       Eat Yourself to Live: Autophagy’s Role in Health and Disease

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