自吞噬的分子机制与功能

1、 自吞噬的分子机制与功能自吞噬的分子机制与功能 1955年，比利时科学家Christian de Dove发现了一类独特、清晰可辨的双层膜结构。在其中可以明显看到细胞质包裹在这些囊泡中，de Dove正确地意识到这些囊泡的主要作用是降解细胞内物质，并把这种双层膜囊泡命名为自吞噬体（autophagosome），并把这个降解过程称为自吞噬（autophagy）。 20世纪90年代初，日本科学家大隅良典（Yoshinori Ohsumi）发现 自吞噬是一个在进化上非常保守的过程。u第一节 简介u第二节 自吞噬的细胞生物学过程u第三节 自吞噬体的核心分子构成元件u第四节 自吞噬的调控u第五节 自吞噬

2、的生理功能u第六节 细胞自噬与疾病的关系第一节第一节 简介简介 自吞噬现象根据发生机制、功能的不同可以分为巨自噬（macroautophagy）、微自噬(microautophagy)和分子伴侣介导的自噬(chaperone-mediated autophagy,CMA)。 微自噬指溶酶体或液泡限制性膜直接内陷包裹胞浆物质进行讲解的过程，其中不包括自噬泡结构的形成。 分子伴侣介导的自噬（CMA）是指具有特殊基序的胞质蛋白被分子伴侣识别后，与溶酶体膜上的特殊受体-溶酶体相关膜蛋白LAMP-2A结合，进入溶酶体被降解的溶酶体降解的过程。CMA是以选择性机制降解胞浆内可溶性蛋白的过程。 巨自噬是指饥

3、饿等刺激诱导下，细胞浆内产生双层囊泡结构包裹细胞器或长寿命蛋白形成自噬体，与溶酶体融合最终被降解的过程。第二节第二节 自吞噬的细胞生物学过程自吞噬的细胞生物学过程自吞噬的五个步骤：自吞噬的五个步骤：自吞噬前体自吞噬前体形成形成自吞噬体的自吞噬体的形成形成自吞噬体同自吞噬体同溶酶体的融溶酶体的融合合吞噬物质的吞噬物质的降解和产物降解和产物的释放的释放溶酶体的再溶酶体的再生生1.自吞噬前体/欧米茄体的形成 目前已经知道PAS的存在决定于PI3P,用PI3P抑制剂处理细胞会抑制PAS的产生，PAS的产生对自吞噬体的产生是必须的。在任何一个不能产生PAS的酵母缺失突变体中，自吞噬都不会发生。 欧米茄体

4、的主要作用可能是将自吞噬形成所必须的蛋白富集在一起，从而促进自吞噬体的形成。2.自吞噬体的形成 在自吞噬形成过程中，大部分分离膜总是被内质网以“三明治”式的方式包围，并且在分离膜开口附近自噬体膜总是同内质网融合在一起。3.自吞噬体同溶酶体的融合 自吞噬体本身只是一个收集降解底物的机器，其本身没有降解能力，自吞噬对其所包裹的底物的降解则依赖与自吞噬体与哺乳动物中溶酶体或酵母中的酸性液泡等具有降解能力的细胞器的融合。4.吞噬物质降解和降解产物从吞噬溶酶体中释放 在完成同溶酶体的融合后，吞噬体及其所吞噬的细胞内含物在溶酶体酸性磷酸酶等的作用下开始降解，在降解结束后，被自噬体所吞噬的生物大分子物质被降

5、解为氨基酸、单糖和游离脂肪酸。 氨基酸等降解产物不能从溶酶体中自由渗透出去，他们从吞噬溶酶体中向外的运输有一系列处于溶酶体膜上的外向转运蛋白来完成。代谢产物通过自吞噬合成新的蛋代谢产物通过自吞噬合成新的蛋白质、多糖和脂类白质、多糖和脂类5.自吞噬性溶酶体再生 在自噬结束后，吞噬溶酶体上溶酶体的膜成份可以通过一个管状结构从吞噬溶酶体上回收出来，并形成一个不含溶酶体基质蛋白的“原溶酶体”。这些“原溶酶体”可通过逐渐获得溶酶体酶而变成溶酶体，从而完成溶酶体的再生。第三节第三节 自吞噬的核心分子构成元件自吞噬的核心分子构成元件 由于酵母遗传系统的优势，现在在酵母中已经鉴定了34个ATG基因。随着研究的

6、深入，大部分酵母中的ATG相关基因的同源无菌已在哺乳动物中找到，并分离鉴定成功，这说明自吞噬是一个进化保守的过程。 根据这些ATG蛋白所参与的不同过程，可以将其分成四大部分。mTOR-Atg1复合体；VPS34复合体；Atg5-Atg12修复系统；Atg8 (LC3)-PE修复系统。这四个蛋白复合体分别在自吞噬过程信号感知、信号转换中以及在信号执行过程中起调控作用。第四节第四节 自吞噬的调控自吞噬的调控 大量细胞外（饥饿、激素、药物等）和细胞内（衰老蛋白质的积累等）的刺激都调节自噬的发生。 mTOR和磷脂酰肌醇3-羟基激酶（PI3K）是自噬调控中的两个重要节点。1.mTOR mTOR是一种丝氨

7、酸/苏氨酸激酶，是细胞中营养、能量及生长因子的感受器，在调节和感受细胞内外的营养信号、调节细胞的生长和增殖中起到核心的作用。 激活状态下的mTOR促进蛋白合成并抑制自噬的发生，而mTOR失活时，mTOR对自噬的抑制解除，自噬发生。mTOR介导的信号通路介导的信号通路营养缺乏营养缺乏TSC1/TSC2磷酸化磷酸化Rheb与与GDP相连相连mTOR失活失活抑制抑制TSC1/TSC2磷酸化磷酸化Rheb与与GTP相连相连活化活化mTOR2.磷脂酰肌醇3-肌醇激酶复合物（PI3K） 磷脂酰肌醇3-肌醇激酶复合物（PI3K）中至少I型PI3K和III型PI3K参与自噬体的形成过程。 I型PI3K控制细胞

8、表面的信号通路，抑制自噬的发生。 III型PI3K调控自噬体膜的形成，促进自噬的发生。磷脂酰肌醇磷脂酰肌醇3-肌醇激酶复合物（肌醇激酶复合物（PI3K）通路）通路磷酸化磷酸化Ptdlns(4)PPtdlns(3,4)P2I型型PI3KPtdlns(4,5)P2Ptdlns(3,4,5)P3PKB活化活化PDK1PH区域区域结合结合抑制抑制磷酸化磷酸化TSC1/TSC2磷酸化磷酸化S6KmTOR激活激活抑制抑制自吞噬自吞噬含含-FYVE基序的蛋白基序的蛋白Beclin 1III型型PI3K定位于定位于TGNPtdIn3P募集募集含含-PX基序的蛋白基序的蛋白形成形成自噬体膜自噬体膜饥饿状态营养充

9、足时JNK1磷酸化Bcl-2与Beclin 1分离促进VPS34结合Beclin 1促进自噬JNK1未磷酸化Bcl-2与Beclin 1结合抑制VPS34结合Beclin 1抑制自噬第五节第五节 自吞噬的生理功能自吞噬的生理功能细胞自吞噬细胞自吞噬的功能的功能细胞存活细胞存活细胞死亡细胞死亡抗原呈递抗原呈递病原体清除病原体清除脂质代谢脂质代谢累积蛋白清累积蛋白清除除1.自吞噬与细胞存活自吞噬与细胞存活 许多研究表明在营养匮乏的情况下，细胞自吞噬对于维持细胞存活起着非常重要的作用。2.自吞噬与细胞死亡自吞噬与细胞死亡 到目前为止，自吞噬在细胞死亡过程中的作用，自吞噬如何影响细胞死亡，自吞噬与细胞周期的关系还存在着一些争议。3.自吞噬与抗原呈递自吞噬与抗原呈递 细胞自吞噬在免疫识别及其反应中起着非常重要的作用。4.自吞噬与病原体清除自吞噬与病原体清除 越来越多的研究表明，自吞噬在降解细胞内病原体的过程中扮演着非常重要的作用。5.自噬与脂质代谢自噬与脂质代谢 自吞噬可以通过控制脂质体脂肪细胞的分化和决定白色和褐色脂肪的比例来调节脂质的积累。6.自吞噬与累积蛋白的清除自吞噬与累积蛋白的清除 越来越多的实验证明了自