细胞自噬分子机制的进展

第27卷第7期2015年7月Vol.27,No.7Jul.,2015生命科学ChineseBulletinofLifeSciences文章编号：1004-0374(2015)07-0859-08DOI:10.13376/j.cbls/20150118收稿日期：2015-06-28基金项目：国家自然科学基金项目(31125018，31030043，31321003)*通信作者：E-mail:[e-mail]细胞自噬分子机制的进展冯文之1,2，陈　扬2，俞　立2*(1北京大学生命科学学院PTN项目，北京100871；2清华大学-北京大学生命科学联合中心，清华大学生命科学学院生物膜与膜生物工程国家重点实验室，北京100083)摘　要：细胞自噬是一类依赖于溶酶体的蛋白质降解途径，在真核生物中非常保守。自噬能够感受细胞所处环境的各种信号，如氨基酸、糖等营养物质的缺乏、pH值或渗透压的改变等，使细胞做出应激反应，在恶劣环境下存活。同时，自噬过程会清除细胞内错误折叠或聚集的蛋白质，受损或老化细胞器以维持细胞内部稳态。自噬发生时，细胞内部的胞质组分被包裹在自噬体中，自噬体与溶酶体融合进行降解，产生新的小分子，如氨基酸等供细胞重新利用。一系列研究发现自噬的信号通路非常复杂，已报道有40个自噬相关蛋白(Atg蛋白)参与了自噬体的形成过程。Atg蛋白按照一定步骤发挥功能，同时相互影响，利用内膜系统构建成一个闭合的双层膜结构。将对细胞自噬研究的历史、自噬分子机制的前沿进展进行综述。关键词：细胞自噬；自噬体；溶酶体；Atg蛋白；蛋白质降解中图分类号：Q25文献标志码：AProcessinmolecularmechanismofautophagyFENGWen-Zhi1,2,CHENYang2,YULi2*(1PTNProgram,SchoolofLifeSciences,PekingUniversity,Beijing100871,China;2TsinghuaUniversity-PekingUniversityJointCenterforLifeSciences,StateKeyLaboratoryofBiomembraneandMembraneBiotechnology,SchoolofLifeSciences,TsinghuaUniversity,Beijing100083,China)Abstract:Autophagyisaconservedproteindegradationprocessdependentonlysosome.Cellscansensevarioussignalsintheenvironment,suchasaminoacids,glucoseorothernutrientdeprivation,variationofpHorosmoticpressuretoinducestressresponseandguaranteecellsurvival.Autophagycanmaintaincellhomeostasisbyeliminationofunfoldedoraggregatedproteinsordamagedcellorganelles.Whenautophagyoccurs,autophagosomeengulfscytosoliccomponentsandfuseswithlysosomeforcargodegradationtoproducerecyclingmaterialssuchas俞立，博士，教授，国家杰出青年基金获得者。主要科研领域与方向：综合细胞生物学、酵母遗传学、生物化学、分子生物学等研究方法，以从酵母到小鼠等不同模式生物为模型研究：(1)细胞自噬的分子生物学机制，尤其细胞自噬末期自噬性溶酶体再生的分子机制，并对其进行了体外重构；(2)新细胞器Migrosome的分子生物学机制和其在细胞迁徙中的功能。生命科学第27卷860aminoacidsandlipids.Studieshaveshownthatthesignalmechanismofautophagyisverycomplicatedandthereare40autophagyrelatedproteins(Atg)identifiedbynowregulatingtheautophagyprocess.Theseproteinsfunctionstepbystepandinteractwitheachothertobuildadouble-membraneclosedstructuredenovofromendomembranesystem.Inthisreview,wedescribethehistoryofresearchonautophagyanddiscusstheprogressioninautophagyregulationmechanism.Keywords:autophagy;autophagosome;lysosome;Atgproteins;proteindegradation1　细胞自噬简介细胞自噬是细胞将自身一些蛋白质和细胞器包裹在特定的膜结构中，送入溶酶体(酵母的液泡)降解，产生能量和小分子，如氨基酸等供细胞再次利用的过程。这对细胞耐受饥饿，清除胞内错误折叠的蛋白质和受损衰老的细胞器，维持内部稳态至关重要。这一过程在真核生物细胞中从单细胞酵母到多细胞的哺乳动物中广泛存在。自噬通常分为3种：巨自噬(macroautophagy)、微自噬(microautophagy)和分子伴侣介导的自噬(chaperone-mediatedautophagy)。巨自噬的特征是有独特的双层膜结构——自噬体形成，自噬体包被胞质成分，如蛋白质聚集体，损伤或者衰老的线粒体、过氧化物酶体等，最终与溶酶体融合。微自噬则是溶酶体内陷，包裹部分胞质进入溶酶体，没有独立的双层膜自噬体形成。而分子伴侣介导的自噬则是由特定蛋白Hsc70等介导，具有选择性[1]。此外，巨自噬和微自噬针对包含的内容物种类又都有选择性和非选择性。相对于我们常提到的非选择性自噬，选择性自噬常见有Cvtpathway(cytoplasm-to-vacuoletargetingpathway)、过氧化物酶体自噬和线粒体自噬、内质网自噬等。这些选择性自噬的主要过程与非选择性的自噬有一定的相似性。但是，选择性自噬的特征是有自己特异的受体蛋白介导特定的包含物配体，即有识别底物的过程。受体蛋白会与待降解的配体结合并形成聚集体，然后在受体蛋白或者其支架蛋白附近会有囊泡和双层膜形成特异性的自噬体。例如，在酵母中，线粒体自噬的受体是其外膜蛋白Atg32[2]，能够和其他Atg核心蛋白结合，使受损老化的线粒体进入自噬体。而与线粒体自噬非常类似的是过氧化物酶体自噬。酵母从含甲醇或者油酸的培养基中转换到含糖或氨基酸的正常培养基中会发生过氧化物酶体自噬，Atg36和PpAtg30是该自噬的特异性受体[3]，Pex3和Pex14则是特异的配体。本文中除特殊说明外，所讲的自噬均指非选择性巨自噬。2　细胞自噬的历史细胞自噬(autophagy)，英文名词是由著名的生物化学和细胞生物学家ChristianDeDuve在1963年提出，来描述细胞内由包裹胞质内组分送入溶酶体(也是由ChristianDeDuve发现和命名的)的这一过程。ChristianDeDuve因为在细胞器领域的巨大贡献，开发了新的细胞研究手段，发现了溶酶体这一新的细胞器而获得1974年诺贝尔生理学或医学奖。在自噬研究初期，由于实验手段的限制，自噬研究难以深入，相关的分子机制难以入手，细胞自噬只能处于形态学描述阶段：大多数关于细胞自噬的工作都是描述性的，通常是用电子显微镜下观察不同生理或病理状态下自噬体的产生。例如，研究者发现动物模型中胰高血糖素等激素会诱导肝脏细胞中自噬的发生[4]。在20世纪80年代，挪威生物化学家PerOttarSeglen发现氨基酸可以抑制自噬的发生，在此工作的基础上，提出自噬受细胞营养状态的调控。同时，PerOttarSeglen发现多种激酶的抑制剂可以阻止自噬的发生。因此，自噬这一细胞过程的调控机制很可能非常复杂。在研究中，Seglen发现磷脂酰肌醇-3-磷酸(phosphatidylinositol3-phosphate,PI3P)激酶抑制剂3-甲基腺嘌呤(3-methyladenine,3-MA)可以抑制自噬的发生[5]。至今，在自噬的研究中3-MA是最常用的自噬抑制剂。在20世纪90年代初，日本的遗传学家YoshinoriOhsumi的研究组发现酵母中的细胞自噬过程。他们发现在缺乏营养的环境中，如饥饿培养，自噬对酵母的存活是必需的。Ohsumi于是利用酵母这一经典的模式生物通过遗传学手段做了突变筛选，首先是看哪些突变菌株在饥饿条件下无法存活，然后人工在显微镜下分析自噬体是否形成，与酵母的液泡是否融合，最终筛选出了多数参与自噬的关键基因[6]。这些基因被命名为apg(autophagy)基因。随后，很多研究者在酵母中筛选出了各类自噬基因，如Cvtpathway相关的基因[7]。然而，不同的研究冯文之，等：细胞自噬分子机制的进展第7期861组对这些自噬基因命名各异，经过协商在2003年统一命名为atg(autophagy)基因[8]。Ohsumi实验室于1997年克隆了第一个自噬基因apg1(atg1)[9]。2015年又有atg39和atg40被报道[10]，已经有40个自噬关键基因被鉴定出来，并且在拟南芥、果蝇等模式生物中相继有atg的同源基因被鉴定。最近，张宏研究组在秀丽线虫中也找到一系列的atg同源基因(epg)，并表明其在发育中起重要作用[11]。随着相关研究的深入还会有更多的atg基因被发现。在哺乳动物细胞中，日本的Mizushima等[12]在1998年首先报道了Atg5和Atg12的同源基因，并证明其分子机制与酵母十分相似。而TamotsuYoshimori研究组则鉴定了细胞自噬中的关键标记分子，Atg8的同源蛋白LC3(microtubule-associatedprotein1A/1B-lightchain3)，并且基于LC3的功能，即LC3-I到LC3-II的变化，建立了哺乳动物细胞中检测自噬水平的方法[13]。这已成为细胞自噬研究中普遍使用的标准检测方法。值得一提的是，对自噬研究做出重大贡献的Mizushima和Yoshimori都曾在Ohsumi实验室受过系统的科研训练。在自噬功能与人体疾病的关系的研究中，BethLevine实验室在1999年报道了自噬的关键基因beclin1/atg6是肿瘤的抑制基因，首次将自噬与人类疾病联系在一起[14]。Mizushima实验室发现在小鼠神经细胞中特异性的敲除Atg5会导致神经退行性疾病类似的表型[15]，随后很多研究组也报道了自噬在各种人类疾病中发挥重要作用。20世纪90年代，Ohsumi利用酵母为模式生物，通过遗传学手段得到自噬各相关基因atg，从而将细胞自噬带入了分子时代，自噬机制得以进一步被阐明。随后自噬与各种疾病之间的密切关系被报道，使得越来越多的研究人员参与到自噬的研究中，近20年自噬领域发表的文章呈现指数级增长(图1)。自噬已经成为生命科学中的热点。3　细胞自噬发生的分子机制细胞自噬的发生可分为以下几步：(1)自噬体形成起始步骤，在酵母细胞中是特异结构PAS(pre-autophagosomalstructure,自噬体的前体结构)的形成并招募其他Atg蛋白和囊泡等膜成分定位，在哺乳动物细胞中是欧米茄体和分离膜形成杯状结构；(2)自噬体的双层膜在多个Atg蛋白的调控下扩展、延伸、包裹各种胞内组分；(3)双层膜在Atg蛋白等帮助下延伸和封闭，形成自噬体；(4)自噬体的外膜与溶酶体或者酵母的液泡发生融合，该特异结构称为自噬溶酶体，而内膜和内含物则被溶酶体内酯酶和蛋白酶降解为