【细胞自噬的研究进展文献综述4900字】

细胞自噬的研究进展文献综述细胞自噬是细胞内的自我吞噬过程，也是存在于真核生物中的一种高度保守的促进营养物质循环利用的途径，通过降解过剩或损坏的细胞质成分维持细胞内稳态ADDINNE.Ref.{9320CA21-47F5-4E3E-B45A-E3D7FA1CE41D}（Glicketal.,2010），从而度过营养缺乏、氧化胁迫、盐胁迫或感染等不良生存条件ADDINNE.Ref.{E0362DC1-A627-434B-B0E1-B6C42F1B6B38}（Ravananetal.,2017），也是普遍存在于真核生物中的代谢过程。在巨自噬途径中，可以通过ATG8（Autophagy-relatedgene8）家族蛋白与含有AIM（ATG8-InteractingMotif）的自噬受体（Selectiveautophagyreceptor，SAR）的相互作用将“废物”（如蛋白质、细胞器等）包裹至自噬囊泡，最终形成自噬小体，运送到液泡中降解ADDINNE.Ref.{04D9CE67-4155-4CFC-B1CD-B35DD49BD2BE}（Johansenetal.,2020）。1.1.1选择性自噬简介细胞自噬通常分为三种类型：微自噬、巨自噬、分子伴侣介导的自噬ADDINNE.Ref.{64063E9C-5434-4F33-B444-6869291BB06C}（Lietal.,2020）。巨自噬是典型的自噬过程（图1），也是本论文主要研究的细胞自噬途径。这个过程通过形成隔离膜将自噬底物和细胞质的一部分包裹起来，形成双层膜囊泡（即自噬小体）并递送至液泡进行降解ADDINNE.Ref.{C1E529BA-E4E3-40F3-B588-98EE7FCD152C}（Fracchiollaetal.,2016）。近年的研究发现，自噬过程中并不是盲目地进行包裹，而是对底物有选择地进行降解，即特定的细胞质组分（例如蛋白质复合物，聚集体，细胞器和病原体等）能够被自噬相关蛋白识别并进行降解ADDINNE.Ref.{E40B03E4-C693-43B1-9DB4-BE02F8A69A24}（Honigetal.,2012）。这种选择性主要是通过脂化ATG8（动物中的同源蛋白为LC3）起作用，然后与具有亲和力的自噬受体结合来驱动自噬小体的形成。前期通过研究受体蛋白的氨基酸序列发现，是通过脂化后的ATG8与自噬受体（SAR）蛋白的AIM（或LIR，LC3InteractingRegion）结合引发的ADDINNE.Ref.{B88BBE20-BC26-49B8-A780-8B7E183E4263}（Lystadetal.,2019）。AIM由一致核心序列W/F/Y-X-X-V/I/L（氨基酸短序列，X表示任意氨基酸）组成。有研究推断，酸性残基靠近或构成AIM的X氨基酸可以增强其与ATG8结合的亲和力ADDINNE.Ref.{23B15B77-5DB8-4929-B35C-43E585D0180D}（Xieetal.,2016）。进一步的研究发现，ATG8除了LDS（LIR/AIMdockingsite）外，还有其他的互作面——UDS（UIMdockingsite）。UIM（Ubiquitin-InteractingMotif）通常存在于涉及泛素化和泛素代谢的多种蛋白质中，或在已知与泛素化修饰物相互作用的蛋白质ADDINNE.Ref.{A730BE02-95AA-446F-B1CC-441834C4E0D8}（Marshalletal.,2019）中。除了SAR蛋白与ATG8互作的典型事件，还存在SAR蛋白与其他自噬相关蛋白互作的非典型情况，如在酵母自噬研究中，发现SAR蛋白与ATG5和ATG8均能互作ADDINNE.Ref.{6B5A81D4-A990-4021-95DF-CF3B9741417A}（Fracchiollaetal.,2017）。除此之外，有研究发现，除了既定的AIM还有一些非典型的AIM（如NDP52蛋白的ILVV）的存在，而且不是个例ADDINNE.Ref.{A5DE86DF-76AB-4951-A1B2-29E7B3191F44}（Johansenetal.,2020；vonMuhlinenetal.,2012）。以上这两类非典型的发现预示着AIM预测的准确度仍有待于改善，其原因可能在于数据样本的数量有限而导致精确性存在局限。图1自噬的分子途径ADDINNE.Ref.{6C7BB69B-AE81-4D70-8161-7C7EF27781A6}（Gouetal.,2019）（1）在良好和不利条件下调节巨噬细胞自噬的诱导：TOR和RAPTOR激酶复合物抑制ATG13-ATG1-ATG101-ATG11复合物以负调控巨噬细胞自噬的诱导，而KIN10抑制TOR-RAPTOR的活性同时与TGA9在调节自噬诱导中的积极作用。（2）ATG9调节脂质向发育中的吞噬细胞的传递，而SH3P2与ATG8相互作用以修饰自噬体，而AIM或UIM蛋白则促进了受损细胞器和侵入性病原体向自噬体的运输。（3）借助FYVE和含有卷曲螺旋结构域的蛋白（FYVEandcoiled-coildomain-containing，FYCO），自噬小体被束缚在微管运输上。（4）自噬小体与液泡体的融合是通过胞内分选所需的FYVE结构域蛋白1（FYVE-DOMAINPROTEINREQUIREDFORENDOSOMALSORTING1，FREE1）和其他蛋白质所需的FYVE域蛋白介导的，然后将自噬体释放到液泡中。（5）随后，自噬体被液泡水解酶降解。（6）在微自噬之前，是液泡膜的内陷，使胞质成分的一部分直接吞入液泡中的自噬体，如氨基酸，糖和脂质。两种途径均致力于细胞质至真空的途径，并最终导致材料的存储和/或再循环。1.1.2植物自噬功能自噬在植物中高度保守。ADDINNE.Ref.{A5225452-E864-46B3-980C-E46B19FD307C}在植物中，自噬被认为是发育的关键因素，它可以调控生殖、代谢、叶片衰老、胚乳与籽粒发育等ADDINNE.Ref.{6E1E3874-0AEA-4932-A39C-1DFAC7B94E5A}（Marshalletal.,2018）。在生存条件恶劣时，还可以增强植物对生物和非生物胁迫的抵抗能力ADDINNE.Ref.{9CB7331C-9037-42C2-AD74-68477801510F}（Wadaetal.,2015）。总而言之，自噬对植物的生长发育和胁迫响应起至关重要的作用。在植物的生长发育过程中，植物自噬参与代谢调控。在拟南芥自噬功能研究中，发现在突变体atatg5和atatg7（自噬小体形成途径中的关键基因）中，与野生型（WildType,WT）相比很多脂类含量都发生显著变化ADDINNE.Ref.{81F2CD9B-B16B-4F8B-AEF4-2B2F94C91011}（Avin-Wittenbergetal.,2015）。在过表达AtATG5和AtATG7植株中，发现自噬活性与种子脂肪酸积累之间存在直接相关性ADDINNE.Ref.{764320EC-F651-460B-8408-AC51F7993706}（Mininaetal.,2018）。这些研究表明，自噬能够调控植物脂类代谢。在用自噬抑制剂处理的本氏烟草幼苗中和在自噬相关（ATG）基因沉默的本氏烟草中和拟南芥atg突变体中观察到过多的淀粉积累，并且野生型的叶片中的自噬活性对夜间的动态淀粉含量有反应。由此说明自噬参与叶片淀粉代谢ADDINNE.Ref.{E216A648-072D-45F0-91F9-CE9C50B5AAC5}（Wangetal.,2013）。在生物和非生物胁迫下，自噬能够在植物中积极响应（图2）。与植物的正常生长过程相比，自噬在胁迫条件的响应更加明显ADDINNE.Ref.{F2F52FDD-316F-49FD-AE45-C7837F750BB1}（Avin-Wittenberg,2019）。在生物胁迫条件下，自噬可以增强无毒病原体诱导的超敏细胞死亡，从而限制了细胞死亡在整个未感染组织中的不必要扩散ADDINNE.Ref.{0B394DBD-4865-4F36-8482-63D836EDA3E9}（Pateletal.,2008）。在非生物胁迫条件下，植物细胞自噬能够有效减轻胁迫对植物造成的伤害。在营养缺乏条件下,植物自噬被诱导以重新回收利用体内的氮源和碳源来维持植物体所需的生物合成与能量代谢ADDINNE.Ref.{82E0579A-1A68-4639-AE3D-B30D656C183A}（Renetal.,2014）。在自然灾害面前，植物自噬也当仁不让。水涝会限制植物细胞内的有氧呼吸,从而导致缺氧和过氧化物积累等危害。在水淹环境下，拟南芥通过诱导自噬基因在转录水平显著上调，从而促进自噬小体的形成，以调节水杨酸（Salicylicacid，SA）含量维持细胞内环境平衡来保护植物ADDINNE.Ref.{21CB8FC7-1A67-43D2-83C5-A1B6B8A1F505}（Chenetal.,2015）。图2胁迫条件下的自噬调控ADDINNE.Ref.{E9545CDF-1243-4C54-B6B9-E5F1068938E7}（Signorellietal.,2019）注：自噬有助于细胞和植物在非生物和生物胁迫条件下的生存。在恶劣的条件下，细胞器可能被破坏，其功能障碍增加活性氧(ROS)的产生和氧化损伤。在整个植物水平上，这会导致植物衰老。受损的分子，甚至细胞器，如线粒体、叶绿体和过氧化物酶体，都可以通过自噬循环。由此产生的分解产物可用于分子的重新合成和细胞器的生物发生，从而促进细胞和整个植物水平上的抗逆性。1.1.3自噬对水稻生长发育的影响植物细胞自噬对自身的生长发育以及在逆境中的生存能力有着巨大的影响，其中对水稻的影响尤为突出ADDINNE.Ref.{F6E8BC1B-C913-407D-A423-4ADFB578759B}（Signorellietal.,2019）。自噬缺陷仅在水稻中具有致死效应，但这种效应是由花粉发育缺陷引起的，而不是生理缺陷引起的ADDINNE.Ref.{B8B90B29-54EF-46EB-903C-6E1FA9086911}（Marshalletal.,2018）。在开花植物中，绒毡层主要的功能是提供花药发育过程中所需的营养物质。而水稻中ATG7（自噬小体形成途径的关键基因之一）功能的缺失会使绒毡层的发育受到损害，导致雄性不育。不仅如此，水稻ATG7基因缺失突变体的结实率亦非常低，在正常生长条件下，成熟期种子体积较小，种子品质较低，较多垩白，胚乳中的淀粉含量也偏低，这也说明自噬参与水稻胚乳的代谢调控ADDINNE.Ref.{0C227B73-0E43-40D5-82BD-281603690048}（Seraetal.,2019）。水稻中有6个ATG8同源基因，其中ATG8a、ATG8b和ATG8c都有相关的报道，均与氮素的循环再利用有关ADDINNE.Ref.{C4CE878A-05C8-4770-8CC4-8B0CB7311C3E}（Fanetal.,2020；Zhenetal.,2019；Yuetal.,2019）。研究发现，OsATG8a在水稻的各个组织各个时期的表达相对较高，过表达植株增加有效分蘖数量和产量，且显著影响氮素的吸收效率，但对氮的利用率影响效果不明显ADDINNE.Ref.{BBC3D785-06B2-41F3-B590-7AD33650B05E}ADDINNE.Ref.{62EC4304-7714-4934-B922-90162B0C782B}（Yuetal.,2019）。OsATG8b的研究表明，它能同时影响氮的吸收和利用，并且可以通过改变淀粉粒的大小及紧密程度而改善籽粒的品质ADDINNE.Ref.{768267A8-B87B-4521-87F8-44420A58980E}（Fanetal.,2020）。而在OsATG8c的研究中，不仅氮的吸收和利用效率显著提高，而且影响了株高、分蘖以及产量。这些研究表明了水稻的OsATG8家族基因既有相似的功能，即与氮的循环利用相关，但又在不同程度上影响籽粒的农艺性状。水稻自噬与激素之间存在交叉影响。有研究表明，在自噬缺陷突变体的花药中检测到激素含量变化，与野生型相比赤霉素和细胞分裂素内源活性显著下降。对突变体施加外源激素只能部分恢复花粉的成熟，却不能改善有限花药开裂和不育表型ADDINNE.Ref.{56F1BF2B-0457-4D41-8FCE-41F581E4D4E6}（Kurusuetal.,2017）。这表明自噬影响了水稻花药的代谢和内源性赤霉素和细胞分裂素的水平。自噬还可以有效地减轻植物病毒对水稻的侵害。水稻条纹病毒（Risestripevirus，RSV）是分布广泛且流行性强的感染性病毒，对水稻的危害极大。OsP3IP介导p3（由负链RNA病毒水稻条纹病毒编码的RNA沉默抑制蛋白）通过自噬降解并与OsATG8b和p3相互作用ADDINNE.Ref.{A2810737-1D62-46E1-AC37-8DAD99A838DD}（Jiangetal.,2021）。这说明了自噬在水稻对负链RNA病毒RSV的抗病毒防御中发挥重要作用。自噬对水稻生长发育的影响已有大量报道，从育性、籽粒发育、氮的循环利用、籽粒品质、与激素的相互影响以及抵御病毒等方面的文献，这些都说明自噬在水稻重要农艺性状的改良方面有着非常重要的作用。1.1.4AIM的生物信息学研究自噬选择性机制的深入研究有助于对自噬功能的进一步了解。选择性自噬的特殊性在于它可以特异性地识别细胞内有害或多于的成分，以确保需要被降解的物质送入液泡中并完成降解过程。而这种识别过程的完成通常需要靶向一些受体蛋白，这些受体蛋白通过自身含有的AIM元件与自噬小体内膜的ATG8蛋白相互作用，帮助自噬小体识别底物，从而介导选择性降解底物的自噬过程ADDINNE.Ref.{E1877A4C-B9E1-45D0-9F36-819E1A55EA08}（Marshalletal.,2018），这类AIM结构元件主要由4个氨基酸组成，即[W/F/Y]XX[L/I/V]，其中X代表任意氨基酸，因此该结构元件也被称之为WxxL基序ADDINNE.Ref.{991CFEB9-7C33-497E-B1B4-00B8D691F7FB}（Buetal.,2020）。早期，在酵母自噬的相关研究中，发现两者间几乎不存在同源序列的Atg19和p62通过共同的WxxL基序与Atg8家族蛋白进行直接相互作用ADDINNE.Ref.{F1EF0313-6C3B-445E-942F-934B4AE32E7F}（Nodaetal.,2008）。NBR1和Atg32也显示出使用了相似的基序与的Atg8家族蛋白相互作用ADDINNE.Ref.{93BFC4DB-639E-4B46-9D5A-C23297A4C67C}（Kirkinetal.,2009；Okamotoetal.,2009），表明了这个序列是具有保守性的，并普遍存在于动植物中。随后，研究人员们通过比对发现的一些选择性受体蛋白的序列，研究WxxL序列的结构揭示了SARs与ATG8家族蛋白之间高度保守的特异性相互作用，研发了一些生物信息学分析方法，如hfAIM，一种可用于在全基因组中鉴定各种生物体中与自噬ATG8结合的自噬受体蛋白ADDINNE.Ref.{F8BDCC40-87F9-4923-8162-CBB04C78B494}（Xieetal.,2016）；iLIR，预测ATG8家族相互作用蛋白的网络资源ADDINNE.Ref.{A9742A7D-AE9B-455C-9A8E-A4F5317EB50F}（Jacominetal.,2017；Jacominetal.,2016；Kalvarietal.,2014）。两者区别在于，hfAIM的设计原理是酸性氨基酸的存在会提高SARs与ATG8互作的程度，iLIR只是简单的归纳了现有的AIM。这些分析方法的提出为在基因组水平分析选择性自噬的相关研究提供了新的研究思路。1.1.5AIM突变对植物的影响AIM的突变直接影响到蛋白的空间结构，从而影响与ATG8的互作ADDINNE.Ref.{8C7FD569-8DAE-4DA4-A975-F9B20759A1F2}。研究证明AIM的点突变会使SARs与ATG8的互作效率减少，并通过这种方法确定真正与ATG8互作的AIMADDINNE.Ref.{285924B3-3955-43D0-BB3A-ACD91B5200B1}（Nolanetal.,2017）。这种突变被证明对植物产生的影响是巨大的。拟南芥中的ABS3（ABNORMALSHOOT3）能通过与ATG8互作经过自噬途径被降解，ABS3获得性苗在碳源缺乏条件下会加速植株的衰老（与野生型相比），而过表达失去与ATG8互作能力的AIM突变型转基因植株则与野生型无异ADDINNE.Ref.{9DA999BD-0FDD-4027-BCD4-CD4E03BF34FB}（Jiaetal.,2019）。此研究表明，可以通过突变AIM的方法使蛋白不被自噬降解，并在植物中持续行使其功能。番茄叶卷曲云南病毒（TLCYnV）的C1能够诱导自噬，并与番茄中自噬相关的核心蛋白ATG8h发生直接相互作用，然后进入液泡通过自噬途径降解，从而减轻了病毒对番茄植株的伤害ADDINNE.Ref.{CCF0D6A3-BC10-4FBE-ACBF-1F42572CDA18}（Lietal.,2020）。而突变了AIM的病毒接种到番茄和烟草都会加重病毒对植株的损伤。此结果说明，对植物而言，病毒的AIM失去功能的突变加重了病毒对植物的伤害。以上研究表明，合理地运用AIM突变可以有效改变植物对外界和内部的生理响应，促进植物的生长发育和抗逆性。参考文献黄娟,梁云涛,陈成斌等.普通野生稻遗传分化及水稻起源关系研究进展[J].南方农业学报,2015,46(10):1756-1760.孙惠敏,夏米,陈清玲等.基于InDel分子标记的20个水稻品种的籼粳属性分析[J].井冈山大学学报（自然科学版）,2016,37(06):100-106.陶文辉,王丹.CO2浓度升高对籼、粳稻光合生理和根系生长的影响[J].南京农业大学学报,2021,44(01):27-35.于耸.水稻（OryzaSativaL.）碳酸酐酶基因在逆境胁迫下的功能解析[D].东北林业大学,2006.章志宏,李平,王玲霞等.与水稻籼粳分化有关的穗颈维管束性状基因的分子标记定位[J].遗传学报,2002,29(11):995-1000.赵虎.水稻序列变异数据库及关联分析候选基因筛选平台开发[D].华中农业大学,2019.郑秀娟,解慧芳,曹红瑞等.水稻籼粳亚种分化关联性状的QTL分析[J].福建农林大学学报（自然科学版）,2016(1):1-7.左生力,彭玉林,李齐向等.水稻亲本籼粳分化程度与杂种优势的相关性[J].南方农业学报,2019,50(05):942-949.Avin-WittenbergT.Autophagyanditsroleinplantabioticstressmanagement[J].PlantCellandEnvironment,2019,42(3):1045-1053.Avin-WittenbergT,BajdzienkoK,WittenbergG,etal.GlobalanalysisoftheroleofautophagyincellularmetabolismandenergyhomeostasisinArabidopsisseedlingsundercarbonstarvation[J].PlantCell,2015,27(2):306-322.BanerjeeS,DeshpandePA.Onoriginandevolutionofcarbonicanhydraseisozymes:Aphylogeneticanalysisfromwhole-enzymetoactivesite[J].ComputationalBiologyandChemistry,2016,61:121-129.BretonS.Thecellularphysiologyofcarbonicanhydrases[J].JOP,2001,2(4Suppl):159-164.BuF,YangM,GuoX,etal.MultipleFunctionsofATG8FamilyProteinsinPlantAutophagy[J].FrontCellDevBiol,2020,8:466.BurenS,Ortega-VillasanteC,Blanco-RiveroA,etal.Importanceofpost-translationalmodificationsforfunctionalityofachloroplast-localizedcarbonicanhydrase(CAH1)inArabidopsisthaliana[J].PLoSOne,2011,6(6):e21021.CampbellMT,DuQ,LiuK,etal.Characterizationofthetranscriptionaldivergencebetweenthesubspeciesofcultivatedrice(Oryzasativa)[J].BmcGenomics,2020,21(1):394.CarterMJ.Carbonicanhydrase:isoenzymes,properties,distribution,andfunctionalsignificance[J].BiolRevCambPhilosSoc,1972,47(4):465-513.CarterMJ,ParsonsDS.Theisoenzymesofcarbonicanhydrase:tissue,subcellulardistributionandfunctionalsignificance,withparticularreferencetotheintestinaltract[J].JPhysiol,1971,215(1):71-94.ChenL,LiaoB,QiH,etal.AutophagycontributestoregulationofthehypoxiaresponseduringsubmergenceinArabidopsisthaliana[J].Autophagy,2015,11(12):2233-2246.ChenT,WuH,WuJ,etal.AbsenceofOsbetaCA1causesaCO2deficitandaffectsleafphotosynthesisandthestomatalresponsetoCO2inrice[J].PlantJournal,2017,90(2):344-357.ChenZC,MaJF.Improvingnitrogenuseefficiencyinricethroughenhancingrootnitrateuptakemediatedbyanitratetransporter,NRT1