細胞生物學/細胞自噬

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細胞衰老與死亡 - 細胞衰老 - 細胞死亡 - 細胞自噬
細胞自噬(autophagy)最早由T.P.Ashford和K.R.Porter於1962年通過電子顯微鏡在人的肝細胞中觀察到,是生物進化過程中被優先保留下來的一種維持細胞穩態的生理機制,其功能異常與許多疾病的發生發展密切相關。

細胞自噬的定義與分類[編輯]

細胞自噬的定義[編輯]

自噬源於古代希臘語,是"auto" (自我)與"phagy"(吞噬)的結合,顧名思義就是細胞的自我消化。自噬是指胞質內大分子物質和細胞器在膜包艇泡中大量降解的生物學過程。在自噬過程中,部分或整個細胞質、細胞器被包裹進雙層膜的娛泡,形成自噬泡(autophagic vacuole) 或自噬體(autophagosome)。自噬體形成後很快變成單層膜,然後與溶酶體結合形成自噬溶酶體(autophagolysosome or autolysosome)。在自噬溶酶體中,待降解的物質在多種酶的作用下分解成胺基酸和核苷酸等,進入三羧酸循環,產生小分子和能量,再被細胞所利用,實現細胞本身的代謝需要和細胞器的更新。所以,自噬作用在消化的同時,也為細胞內新細胞器的構建提供原料,即細胞結構的再循環。研究表明,細胞自噬與生物體的發育、分化相關,尤其是在低等生物中,受到環境脅迫因子的影響可以誘導細胞自噬現象的產生。因此,長期以來細胞自噬被認為是細胞的自救行為。但近年來發現,在某些條件下,細胞自噬也能導致細胞死亡,並證明細胞自噬的發生受多種基因的調控,如ATC (autophagyrelated)基因、蛋白激酶基因和磷酸酶基因等。目前的研究認為,細胞自噬只發生在細胞進入周期後,靜止期細胞對自噬誘導因素不敏感。

細胞自噬可區分為幾種類型[編輯]

根據細胞內底物運送到溶酶體腔方式的不同,哺乳動物細胞自噬可分為3種主要類型:微自噬(microautophagy)、巨自噬(macroautophagy)和分子伴侶介導的自噬(chaperone-mediated autophagy, CMA)。巨自噬即通常所指的自噬,是自噬形式中最普遍的一種。巨自噬過程中,細胞質中的可溶性蛋白和變性壞死的細胞器被非溶酶體來源的雙層膜結構包裹,即自噬泡,並被自噬泡攜帶到溶酶體中降解加工。微自噬主要是溶酶體的膜直接包裹,如長壽命蛋白並在溶酶體內降解。分子伴侶介導的自噬首先由胞質中的分子伴侶Hsc73識別底物蛋白分子的特定胺基酸序列並與之結合,分子伴侶-底物複合物與溶酶體膜上的受體結合後,轉運到溶酶體腔中,被溶酶體酶降解,整個過程不需要囊泡的參與。CMA的底物是可溶的蛋白分子,所以,CMA降解途徑在清除蛋白質時是有選擇性的,而前兩者無明顯的選擇性。
為此,根據對降解底物的選擇性,細胞自噬又分為非選擇性自噬和選擇性自噬兩大類。非選擇性自噬中,蛋白質或細胞器被隨機運送到溶酶體中降解;而選擇性自噬對降解的底物具有專一性,如線粒體自噬(mitophagy)就是這樣一種通過自噬機制選擇性清除受損傷或不必需的線粒體的過程,以保證細胞正常生命活動的進行。線粒體自噬的異常可能與神經退行性疾病,糖尿病和腫瘤的發生有密切關係。此外,分泌自噬(crinophagy)、過氧化物酶體自噬(pexophagy)、內質網自噬(reticulophagy)、核糖體自噬(ribophagy)、細胞核碎片狀自噬(nucleophagy)、蛋白聚集物自噬(aggrephagy)、噬脂(lipophagy)、異源自噬(xenophagy)等都屬於有選擇性的自噬。這些選擇性自噬對特異性底物的清除通常包括兩部分:待降解底物的識別與傳遞和利用自噬核心機制來實現降解。選擇性自噬豐富了自噬的形式,使人們對自噬的形成機制有了更加深刻的認識。

細胞自噬的發生過程與調控[編輯]

細胞自噬的發生過程[編輯]

細胞自噬的發生過程主要包括4個階段,即底物誘導自噬前體(proaulophagosome, PAS)的形成、自噬體形成、自噬體與溶酶體融合和自噬體內容物被降解。在即將發生自噬的細胞胞質中會出現許多游離雙層膜結構,稱為自噬前體。自噬前體逐漸形成杯狀凹陷,包裹細胞質或損傷/衰老的細胞器(如線粒體、內質網等),形成自噬體。然後與溶酶體融合成自噬溶酶體。在自噬溶酶體中,其內含物被水解酶重新降解成各自底物,如胺基酸、核苷酸等,供細胞重新利用。自噬體雙層膜的起源尚不清楚,有人提出來源於粗面內質網,也有人認為來源於晚期高爾基複合體及其膜嵌泡,也有可能是重新合成的。因此,尚有待進一步研究證實。
有多種基因產物參與到細胞自噬的發生過程。目前已經鑑定出幾十種自噬相關基因ATC及其同源物,隨著研究深入,越來越多ATC基因被發現。在哺乳動物自噬體形成過程中,由Atg3、Atg5、Atg7、AtglO、Atgl2參與的Atg複合蛋白過程和LC3(microtubule-associated protein l light chain 3, MAP1-LC3)泛素化過程起著至關重要的作用。在自噬體形成的早期階段,由Atgl2-Atg5-Atg16L形成的複合物即與其外膜結合,促進前自噬體的伸展擴張,使之由開始的小囊泡樣、杯樣結構逐漸發展為半環狀、環狀結構;此時,漿溶性LC3-Ⅰ蛋白開始被泛素化修飾成LC3-Ⅱ, 並向膜上募集定位。當雙層膜結構的自噬體即將形成環狀閉合結構或剛剛閉合時,Atg5複合物便從膜上脫離下來,只留下膜結合形式的LC3-Ⅱ定位於自噬泡膜上。因此,LC3-Ⅱ含量與自噬體數量的多少成正比,LC3-Ⅱ蛋白表達水平或LC3 Ⅱ/Ⅰ比可以用來衡量細胞自噬水平。

細胞自噬的調控[編輯]

細胞自噬作為生命現象中重要的生理性反應,其在不同條件下,以不同形式,形成不同程度的「動態平衡」,這種平衡通常受到嚴格調控,以保持相對穩定。
自噬體的形成依賴於Ⅲ型磷脂醯肌醇三磷酸激酶(Class Ⅲ PI3K)的作用。Class Ⅲ PI3K可磷酸化磷脂醯肌醇(Ptdlns), 生成3-磷酸磷脂醯肌醇(Ptdlns3P)。 Ptdlns3P 募集胞質中含-FYVE-或-PX-基序的蛋白質,用於自噬體膜的形成,由此參與對細胞自噬的正向調控。此外,Class Ⅲ PI3K還可與Beclin l形成複合物參與自噬體的形成。自噬反應調控路徑的mTOR信號途徑,對細胞生長具有重要調節作用,可抑制自噬反應的發生,是重要的自噬反應直接負反饋調節分子。腫瘤抑制因子PTEN(為一磷酸酶)可促使PIP3去磷酸化,從而解除Class Ⅰ PI3K/Akt(PKB)途徑對自噬反應的抑制,是自噬反應的間接正反饋調節蛋白。p53作為重要的腫瘤抑制因子在多種生理和病理狀態下參與自噬反應的正、負向調控,提示自噬反應在腫瘤的發生發展過程中起著重要作用。由於對細胞自噬研究時間不長,許多自噬相關基因的調控機制尚有待進一步深入研究。

細胞自噬的醫學意義[編輯]

自噬可以幫助細胞抵抗衰老、飢餓等外界壓力,但過度的自噬又將導致細胞發生程序性死亡,被稱為Ⅱ型凋亡。自噬對細胞的兩面性作用導致其在疾病中起到複雜雙刃劍效應。近期研究表明自噬作用在生物體生長發育、細胞分化及對環境應激的應答方面極為關鍵,對防止某些疾病如腫瘤、肌病、神經退行性疾病以及對抵禦病原微生物的感染和延緩衰老、延長壽命等方面發揮重要作用。但在惡性腫瘤中,自噬的作用尚未確定。在惡性腫瘤的進展階段,自噬可以幫助癌細胞對抗營養缺乏和缺氧,尤其是血供不良的實體性腫瘤。但研究表明,某些抗腫瘤治療藥物有可能通過自噬機製發揮作用,如被廣泛用於乳腺癌治療的藥物它莫西芬可能通過激活細胞自噬,由神經醯胺介導上調Beclin 1 表達發揮作用。
目前,自噬淜控機制、對疾病的意義尚有待進一步深入研究。隨著科學研究的深入,自噬的進一步解密將幫助人們更好理解自身,基於自噬機制的臨床治療方法有望幫助人們緩解並治療多種疾病。