方正

(華東師范大學(xué)體育與健康學(xué)院 上海 200062)

細(xì)胞自噬是細(xì)胞通過識(shí)別并吞噬自身胞質(zhì)成分,加以降解和回收利用,以調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài),對細(xì)胞及其亞結(jié)構(gòu)進(jìn)行質(zhì)量控制的一種生物學(xué)過程[1]。其作用底物包括長壽命的生物大分子、多余或受損的細(xì)胞器以及入侵的病原微生物。在正常情況下,細(xì)胞自噬通常維持在較低水平。當(dāng)細(xì)胞受到營養(yǎng)匱乏、熱應(yīng)激、氧化應(yīng)激以及損傷等外界刺激時(shí),自噬可以作為一種細(xì)胞應(yīng)答過程而被誘導(dǎo)激活。在酵母細(xì)胞中,自噬小體是由自噬前體(PAS)發(fā)育而來。而在哺乳動(dòng)物細(xì)胞內(nèi),它的起源是多因素性的。自噬的幾個(gè)步驟包括:隔離膜的膨脹、自噬小體的產(chǎn)生、自噬小體向溶酶體的轉(zhuǎn)運(yùn)等。這些過程受到了超過30種以上已識(shí)別的Atg蛋白的介導(dǎo)或調(diào)節(jié)。

到目前為止,發(fā)現(xiàn)的大自噬類型有兩種:非選擇性自噬和選擇性自噬。非選擇性自噬通常發(fā)生在營養(yǎng)缺乏時(shí)。此時(shí)通過自噬能為細(xì)胞的新陳代謝提供材料和能量,直到細(xì)胞再一次從外界獲得能量供應(yīng)。相比之下,細(xì)胞在營養(yǎng)充足條件下,發(fā)生的選擇性自噬,其目的則是為了清除多余的或受損的細(xì)胞器或有毒的蛋白聚合體。這些變化通常是通過改變能量供給,或者是分化過程來達(dá)到的。

線粒體自噬是一種典型的選擇性自噬,它是細(xì)胞有選擇性地清除細(xì)胞內(nèi)線粒體的過程。在酵母細(xì)胞和哺乳動(dòng)物細(xì)胞中,線粒體自噬在線粒體分裂之前,將受損的線粒體分解了各種碎塊,然后進(jìn)行選擇性的自噬加以清除,以達(dá)到質(zhì)量控制的目的。除了質(zhì)量控制以外,線粒體自噬還被證明在調(diào)節(jié)線粒體數(shù)量、改變代謝需要,以及在哺乳動(dòng)物細(xì)胞生長發(fā)育的特定階段的過程中維持線粒體的穩(wěn)態(tài)所必須的,例如血紅細(xì)胞的分化過程。

本文將討論最新研究所發(fā)現(xiàn)的酵母細(xì)胞和哺乳動(dòng)物細(xì)胞中的線粒體自噬調(diào)節(jié)通路,它們包括PINK1和泛素連接酶parkin。同時(shí),我們還將對運(yùn)動(dòng)干預(yù)對線粒體自噬水平的調(diào)控作用進(jìn)行闡述。

1 酵母細(xì)胞中的線粒體自噬

觀察酵母細(xì)胞中線粒體自噬現(xiàn)象,促進(jìn)了我們對線粒體自噬分子機(jī)制的研究。研究表明,自噬相關(guān)蛋白Atg32在線粒體自噬過程中是必需的。Atg32是一種定位于線粒體外膜上,分子量約為60KD的蛋白質(zhì),其羧基端位于膜間隙內(nèi),而約40KD的氨基端位于胞質(zhì)。在線粒體自噬過程中,Atg32可以作為線粒體的受體與Atg11相結(jié)合,定位于PAS,然后與Atg8相互作用。有趣的是,在位于胞漿中的Atg32上有含有一段WXXL/L樣的Atg8結(jié)合序列,這個(gè)序列對于Atg32與Atg8結(jié)合,并引起線粒體自噬是必需的。因此我們說Atg32有兩種方式與Atg8結(jié)合,一種是通過Atg11作為中介,另一種是通過Atg32自身所包含的WXXL/L樣Atg8結(jié)合序列。通過這種直接或間接(通過Atg11作為橋梁)的聯(lián)系方式將線粒體外膜上的Atg32和隔離膜上的結(jié)合蛋白Atg8結(jié)合,吸引線粒體向自噬小體中移動(dòng)。雖然在過氧化條件下,Atg32的表達(dá)增加提示我們,它可能參與到了線粒體的質(zhì)量控制中。然而在敲除Atg32的酵母細(xì)胞中,沒有觀察到線粒體的缺陷。細(xì)胞是如何通過Atg32的表達(dá)和激活來清除過量的線粒體,仍將是未來研究的一個(gè)熱點(diǎn)。

2 紅細(xì)胞中的線粒體自噬

清除健康的線粒體在某些細(xì)胞生長分化過程中也是很關(guān)鍵的。在絕大多數(shù)哺乳動(dòng)物的成熟紅細(xì)胞中都缺少線粒體。在紅細(xì)胞由不成熟到成熟的分化過程中,是如何進(jìn)行線粒體自噬的。我們認(rèn)為這是從網(wǎng)織紅細(xì)胞開始的。在線粒體外膜上存在一種蛋白,NIX(BNIP3L)可能參與了這一過程。因?yàn)?在紅細(xì)胞分化階段的末期,NIX的表達(dá)大量增加,而被敲除了NIX的小鼠,其成熟的紅細(xì)胞內(nèi)仍有線粒體的存在。NIX最初被認(rèn)為是一種BH3(一種與細(xì)胞凋亡有關(guān)的蛋白質(zhì)),因此,它可能通過釋放促凋亡信號(hào)來誘導(dǎo)線粒體的自噬。然而后續(xù)研究發(fā)現(xiàn),NIX不僅僅是一種BH3蛋白,而且在網(wǎng)織紅細(xì)胞中,NIX調(diào)節(jié)線粒體自噬的機(jī)制似乎也和凋亡機(jī)制沒有聯(lián)系。因?yàn)樗恍枰俚蛲銮绑w細(xì)胞BCL-2中的家族蛋白BAX或BAK的輔助。

NIX定位于線粒體外膜上,含有一個(gè)暴露于胞漿中的WXXL/L結(jié)合序列。NIX可以通過這個(gè)序列與哺乳動(dòng)物細(xì)胞中的Atg8同系物L(fēng)C3以及LC3的同源物質(zhì)——GABARAP結(jié)合。這種結(jié)合能夠直接將線粒體導(dǎo)入到隔離膜內(nèi)。與這個(gè)結(jié)論相一致的是,線粒體自噬在NIX缺失的網(wǎng)織紅細(xì)胞中恢復(fù)表達(dá),不含WXXL/L基因序列的NIX蛋白不能進(jìn)行線粒體的清除。

3 線粒體自噬與疾病

最近的研究把線粒體自噬和帕金森氏病聯(lián)系起來。在常染色體隱形遺傳病帕金森氏病患者中,有兩個(gè)基因發(fā)生突變,即PINK1和E3泛素連接酶parkin。下面我們將描述在哺乳動(dòng)物細(xì)胞中,由PINK1和parkin介導(dǎo)的信號(hào)通路所引起的線粒體自噬。

3.1 parkin向受損線粒體移動(dòng)

Parkin是一種E3泛素連接酶,它的調(diào)節(jié)異常會(huì)導(dǎo)致帕金森氏病和神經(jīng)元黑質(zhì)的丟失。Parkin在很多組織中呈現(xiàn)高表達(dá),包括大腦、骨骼肌、心臟和肝臟組織。這提示其具有廣泛的生理學(xué)作用。有研究表明,當(dāng)線粒體融合被阻斷導(dǎo)致一部分線粒體受損而失去膜電位,parkin會(huì)移動(dòng)到受損的線粒體上,卻不會(huì)在健康的線粒體上積聚[2]。此外,在用線粒體解偶聯(lián)劑培養(yǎng)達(dá)到1天的細(xì)胞中,parkin可以通過介導(dǎo)細(xì)胞的線粒體自噬來有選擇性的清除細(xì)胞內(nèi)的線粒體?；趐arkin這種向損傷線粒體選擇性積聚,誘導(dǎo)細(xì)胞通過線粒體自噬來清除受損的線粒體,有人提出利用parkin介導(dǎo)線粒體質(zhì)量控制的途徑來維持線粒體數(shù)量的精確,并去除損傷的線粒體。

3.2 parkin的聚集需要PINK1

Parkin轉(zhuǎn)位到解偶聯(lián)的線粒體并誘導(dǎo)線粒體自噬的過程中需要被激活的PINK1。研究發(fā)現(xiàn),由于異常表達(dá)或?qū)嶒?yàn)引起的PINK1在線粒體內(nèi)的積聚增多能夠引起parkin向未被解偶聯(lián)的線粒體積聚,從而引起線粒體自噬。PINK1可能表達(dá)并轉(zhuǎn)運(yùn)到所有的線粒體上,當(dāng)PINK1到達(dá)健康的線粒體時(shí),會(huì)被蛋白質(zhì)水解酶快速分解,并使其濃度維持在一個(gè)很低的水平上。當(dāng)一部分線粒體受損時(shí),PINK1蛋白質(zhì)水解酶的活性受到抑制,導(dǎo)致PINK1在受損的線粒體膜上大量堆積,繼發(fā)性的引起parkin向線粒體的積聚,從而介導(dǎo)線粒體自噬的發(fā)生。然而在哺乳動(dòng)物細(xì)胞中,PIKN1如何被分解和抑制的機(jī)制還不清楚。此外,雖然有報(bào)到稱PINK1可以結(jié)合并磷酸化parkin,但是PINK1如何募集parkin到線粒體上的分子機(jī)制也不明確。這些都仍需我們對其進(jìn)行更深一步的研究。

3.3 Parkin誘導(dǎo)的線粒體自噬

線粒體自噬是通過parkin誘導(dǎo)的,通過parkin募集誘導(dǎo)的線粒體自噬被認(rèn)為與線粒體基質(zhì)的parkin泛素化調(diào)節(jié)有關(guān)。研究表明,泛素連接受體P62能使兩個(gè)泛素蛋白通過聚合與其他的P62分子結(jié)合,并募集泛素化物質(zhì),進(jìn)入自噬小體與LC3連接,通過parkin的泛素化調(diào)節(jié),積聚在線粒體上[3]。雖然將P62綁定在parkin泛素化的線粒體基質(zhì)中,并調(diào)節(jié)線粒體的積聚過程很明顯,但仍有不同的研究結(jié)果顯示,P62對于parkin促進(jìn)線粒體自噬的過程并不是必需的。組蛋白脫乙酰酶HDAC6常與泛素化底物綁定,通過parkin的轉(zhuǎn)移積聚到線粒體上,并誘導(dǎo)parkin調(diào)節(jié)性線粒體自噬。這表明了線粒體運(yùn)輸和線粒體自噬之間可能存在聯(lián)系。

4 線粒體自噬與運(yùn)動(dòng)

近年來,已有少數(shù)關(guān)于運(yùn)動(dòng)對線粒體自噬相關(guān)基因表達(dá)影響方面的研究。Salmine[4]等的研究發(fā)現(xiàn),小鼠在運(yùn)動(dòng)后2～7天內(nèi),其細(xì)胞的自噬活性達(dá)到峰值,自噬小泡中存在不同降解階段的線粒體,這提示我們,運(yùn)動(dòng)后機(jī)體可以通過自噬途徑降解受損的線粒體,以調(diào)控體內(nèi)的線粒體質(zhì)量水平。還有研究指出,耐力訓(xùn)練可以促使小鼠NIX、PINK1、PINK2等線粒體自噬相關(guān)基因的mRNA表達(dá)上調(diào),這提示我們耐力訓(xùn)練對線粒體的自噬水平起到了重要的調(diào)控作用。也有研究表明,耐力運(yùn)動(dòng)對衰老大鼠的骨骼肌線粒體自噬沒有產(chǎn)生積極的影響。因此關(guān)于運(yùn)動(dòng)對骨骼肌線粒體自噬影響的分子機(jī)制還需要進(jìn)行更加深入和細(xì)致的研究。

5 結(jié)語

線粒體自噬途徑復(fù)雜,迄今為止對線粒體自噬水平的運(yùn)動(dòng)干預(yù)研究還很有限,關(guān)于運(yùn)動(dòng)對線粒體自噬途徑的分子機(jī)制研究還有待進(jìn)一步的深入。尤其關(guān)于運(yùn)動(dòng)是通過哪些途徑,依賴何種機(jī)制對線粒體的自噬水平進(jìn)行調(diào)控、如何刺激線粒體自噬相關(guān)基因上下游信號(hào)分子的生物發(fā)生以及其與細(xì)胞內(nèi)降解系統(tǒng)之間如何產(chǎn)生相互聯(lián)系等都還需要進(jìn)行進(jìn)一步的研究。

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[4]Salminen A,Kaarniranta K,Kauppinen A.Crosstalk between Oxidative Stress and SIRT1:Impact on the Aging Process[J].Int J Mol Sci,2013,14(2):3834-3859.