自噬现象及其分子机制

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。文U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、生物学特性、自噬过程及其信号调控、

2、 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型程序性细胞死亡(type II programed cell death)

3、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) 禾口分子伴侣介导自噬(chapero ne mediated autophagy, CMA)。无论大自噬还是小自噬都可以选择性和非选择 性吞

4、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 T

5、OR 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发生。相反，在细胞处饥饿状态 时 Atg13 可很快与 Atg1 结合，从而增

6、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

7、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 ：（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 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

8、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 PI3P的水平。其他与Vps34 与 Beclin-1 复合物结合促进自噬调节蛋白为 UC

9、RAG ， 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（Microtubule associated protein 1 light chain 3， MAP1-LC3） 参与组成的两条泛素样蛋白加工修饰过程,在 Atg 12 结

10、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EI样酶Atg 7活化，之后转运至E2样酶AtglO ,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。 Atg5-12 复合物不依赖于自噬的作用，一旦自噬体形成， Atg5

11、-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， 自噬体内的 LC3II 即被溶酶体中的水解酶降解。哺乳动物细胞

12、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噬泡膜可以选择性吞噬蛋白和细胞器。 可能与

13、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 被认为是溶酶体内溶解所必 需的。而近来的研

14、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、Sec23 /24)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 TORC1 )TORC1 对雷帕霉素抑制敏感

15、， 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，同时也通过磷酸化 Tap42 抑制自噬， Tap

16、42 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，T0RC1, Ras/PKA 和Sch9。4.2胰岛素/

17、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TS

18、C1/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AMP

19、K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P53P53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

20、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 TSC1, 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- a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