劉文玲，賀修勝

(南華大學衡陽醫(yī)學院腫瘤研究所，腫瘤細胞與分子病理學湖南省重點實驗室，湖南 衡陽 421000)

自噬是細胞中的“自食”現(xiàn)象，也稱為2型非凋亡細胞死亡，其可以將細胞內(nèi)錯誤的蛋白質(zhì)以及受損的細胞器轉(zhuǎn)運到溶酶體中進行徹底的消化和降解。研究者通過對酵母和高等生物的研究，發(fā)現(xiàn)自噬不僅是細胞在饑餓和壓力環(huán)境中的適應性反應，而且該過程是高度保守的[1]。細胞內(nèi)物質(zhì)可以通過以下三種方式轉(zhuǎn)運到溶酶體中：分子伴侶介導的自噬以及大、小自噬[2]；其中，大自噬是最主要的自噬形式，即本文中所提到的自噬。在哺乳動物中，自噬可以被許多刺激因素誘導，例如營養(yǎng)和生長因子缺乏、缺氧、DNA損傷等。一方面，自噬可提供核苷、氨基酸等大分子物質(zhì)并產(chǎn)生能量，使細胞能夠在這些壓力下繼續(xù)生存，得以發(fā)揮作用；另一方面，自噬通過消除細胞中受損或有毒的有害物質(zhì)來減少異常蛋白質(zhì)和老化細胞器的積累，從而維持細胞內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)定性。盡管自噬通常被認為是細胞的一種保護機制，但在某些條件下，自噬也可導致細胞程序性死亡。自噬與生物體的許多生理和病理過程密切相關，包括衰老[3]，神經(jīng)退行性疾病、心血管疾病、肝臟疾病、肌病、炎癥和感染、代謝性疾病以及癌癥。

自噬在癌癥發(fā)生、進展和轉(zhuǎn)移的不同階段有著截然不同的作用。在腫瘤形成的早期階段，自噬通過消除細胞中異常的蛋白質(zhì)分子和細胞器來抑制腫瘤發(fā)生，從而維持細胞穩(wěn)態(tài)；當腫瘤形成之后，腫瘤細胞通過自噬降解過量的細胞器和蛋白質(zhì)聚合物，滿足腫瘤生長的需要并抵御放化療藥物對腫瘤細胞的殺傷，從而促進腫瘤的發(fā)展。此外，自噬還可以通過其在腫瘤微環(huán)境中的對其他細胞的作用來影響癌癥的進展。

有研究表明，自噬除了典型的降解功能，還能影響酵母和哺乳動物的分泌途徑[4]。本文總結自噬中涉及的相關分子機制及其調(diào)節(jié)因子。

1 自噬的概述

自噬是一個多步驟的過程,包括自噬小體的形成，自噬小體與溶酶體結合以及降解吞噬多余的蛋白質(zhì)和細胞器。近年來，在對酵母的研究中發(fā)現(xiàn)了超過30種自噬相關基因(ATGs)和蛋白質(zhì)(Atgs),許多蛋白質(zhì)和基因的同源物也在哺乳動物和其他高等真核生物中被發(fā)現(xiàn)[5]。

自噬小體的形成主要分為三個階段：起始，成核以及延伸。在酵母中，這個過程在自噬體組裝位點(Pre-autophagosomal structure/Phagophore assembly site，PAS)發(fā)生。而在哺乳動物中，自噬小體是由內(nèi)質(zhì)網(wǎng)來源的雙層膜形成。在哺乳動物中，自噬小體的形成已有大量文章敘述[5-7]，見圖1-圖3。

一些關鍵的調(diào)節(jié)因子可與III類PI3K復合物相互作用，進而調(diào)節(jié)自噬小泡成核。例如Atg14樣蛋白(Atg14 L，酵母Atg14的同源物)也被稱為Barkor(Beclin 1-associated autophagy-related key regulator)，它可直接作用于Beclin 1，將PI3 K復合物帶至自噬小體表面并促進自噬。紫外線輻射電阻相關基因(UVRAG，酵母Vps38的直系同源基因)也可以通過與Beclin 1的相互作用促進自噬。Bax結合因子1(Bif-1)通過UVRAG與Beclin 1結合，從而調(diào)節(jié)自噬以抑制腫瘤的發(fā)生。而Rubicon(RUN domain Beclin 1-interacting and cysteine-rich containing protein)可通過與Beclin 1結合，使Beclin 1與Atg14L解離而負性調(diào)節(jié)自噬。此外，還有很多蛋白可與Beclin 1相互作用從而調(diào)控自噬：Ambra(activating molecule in Beclin 1-regulated autophagy)可以促進自噬，而細胞凋亡調(diào)節(jié)劑Bcl-2、絲氨酸氨酸激酶AKT和表皮生長因子受體可以抑制自噬的發(fā)生。

圖1 自噬的起始信號當營養(yǎng)豐富時，mTORC1與ULK復合物結合以抑制自噬；在自噬誘導條件下，例如饑餓時，mTORC1與ULK復合物解離，促進自噬小泡成核和延伸

圖2 自噬小泡的成核自噬小泡的成核依賴于III類PI3K復合物的形成，其包括Beclin 1,Vps34以及p150

圖3 自噬小泡的延長自噬小泡膜的延伸，LC3-II的生成需要兩個泛素樣系統(tǒng)。第一個途徑產(chǎn)生的mAtg12-mAtg5-mAtg16L1復合物可以促進第二個途徑LC3的脂化形成LC3-II

LC3-II是自噬小體的標志性分子，它定位于自噬小泡的外膜和內(nèi)膜，LC3-II的含量與自噬小體的數(shù)目成正比。在自噬小泡延長過程中，mAtg12-mAtg5-Atg16 L復合物具有E3樣連接酶生物學活性，能夠促進LC3-I與PE結合從而產(chǎn)生LC3-II。在酵母中，Atg4還能能分解Atg8-PE，從而調(diào)節(jié)自噬小體的形成。

Atg2A和Atg2B在自噬小泡關閉中起關鍵作用。介導自噬小體成熟并隨后與溶酶體融合的其他主要分子包括syntaxin-17、可溶性N-乙基馬來酰亞胺敏感因子結合蛋白受體(SNARE)家族中的囊泡相關膜蛋白3(VAMP-3)、小G蛋白(the small GTPase)Rab7和C型Vps復合體。

哺乳動物的自噬小體可以直接與溶酶體融合形成自噬溶酶體，也可以先與內(nèi)涵體形成自噬內(nèi)涵體(amphisomes)后再與溶酶體融合。有研究表明內(nèi)涵體分選轉(zhuǎn)運復合體(ESCRT)系統(tǒng)可以干擾自噬小體和溶酶體的融合，導致自噬小體聚集，從而妨礙降解。此外，也有研究發(fā)現(xiàn)，ESCRT相關蛋白質(zhì)PDCD6IP(Alix)與自噬核心調(diào)節(jié)因子mAtg12和mAtg3之間的相互作用可促進晚期自噬內(nèi)涵體或自噬小體與溶酶體的融合[7]。

細胞自噬也受到微管和肌動蛋白絲的調(diào)控：微管可促進自噬小體的合成，自噬小體通過微管系統(tǒng)轉(zhuǎn)運至溶酶體，形成自噬溶酶體；肌動蛋白絲支撐自噬小泡的擴張，其可促進自噬小體的運動以及自噬小體與溶酶體的融合。

2 自噬的調(diào)控因素

2.1 營養(yǎng)和生長因子缺乏

營養(yǎng)和生長因子缺乏主要通過兩種信號傳導途徑上調(diào)自噬：mTORC1和5′-腺苷酸激活蛋白激酶(AMPK)。mTORC1是一個中心代謝傳感器，可以整合各種上游營養(yǎng)途徑的信號通路調(diào)控細胞代謝、生長、增殖和存活。氨基酸可以通過RAS相關GTP結合蛋白(Rag GTPase)激活mTORC1。hVps34是氨基酸激活mTORC1過程中的中間產(chǎn)物。此外，在一種結腸癌細胞系中，氨基酸可以通過Ras-Raf1-MEK-ERK信號通路阻斷Galpha相互作用蛋白(GAIP)來下調(diào)自噬。結節(jié)性硬化癥復合物1(Tuberous sclerosis complex1，TSC1)和結節(jié)性硬化癥復合物2(TSC2)可以形成一個具有二磷酸鳥苷(guanosinetriphate,GTP)酶活性的異二聚體TSC1/2，它能使Rheb失活從而抑制mTORC1的激活；而生長因子可以抑制TSC1/2，通過PI3K-Akt信號通路激活mTORC1。

AMPK是一種細胞能量變化感受器，在能量穩(wěn)態(tài)調(diào)控中起重要作用。當細胞內(nèi)葡萄糖含量缺乏時，可以激活AMPK以上調(diào)自噬。在低能量狀態(tài)時，AMP/ATP比率增加，導致AMPK活化，活化的AMPK直接磷酸化TSC1/2，負性調(diào)控mTOR。此外，AMPK還可以通過直接磷酸化其他蛋白質(zhì)來發(fā)揮它的效應，例如mTORC1成員mTOR-Raptor(regulatory-associated protein of mTOR)，ULK1(自噬啟動復合物)和Beclin 1(在III型PI3K復合物中與Atg14L結合促進自噬)。

研究還表明，饑餓誘導的自噬與轉(zhuǎn)錄水平密切相關。在營養(yǎng)缺乏時，轉(zhuǎn)錄因子EB可以上調(diào)自噬相關基因以及溶酶體基因的表達水平。核受體過氧化物酶體增殖劑激活受體-α(PPARα)(促進自噬)和法尼醇X受體(FXR)(抑制自噬)通過互相競爭ATG啟動子結合共享位點，來共同調(diào)節(jié)饑餓誘導的自噬。此外，Akt信號可以通過Forkhead box O3(FoxO3)調(diào)節(jié)自噬的轉(zhuǎn)錄調(diào)控，F(xiàn)oxO3能夠調(diào)控肌肉細胞中幾種ATGs的轉(zhuǎn)錄，其中包括LC3B和ATG12。

2.2 低氧

低氧環(huán)境能促進自噬。缺氧誘導因子HIF-1通過增加Bcl-2/腺病毒E1B 19kDa相互作用蛋白3(BNIP3)和BNIP3樣蛋白(BNIP3L)的表達，從而促進自噬。AMPK也是中心壓力感受器，它可以通過磷酸化TSC2，對mTOR進行負向調(diào)節(jié)。血小板衍生生長因子受體(PDGFR)通過自分泌信號傳導途徑調(diào)節(jié)HIF-1的活性從而調(diào)控自噬。

2.3 氧化應激

活性氧(ROS)是具有高反應的含氧活性介質(zhì)。它主要包括超氧陰離子(O2)、過氧化氫(H2O2)、羥自由基(HO)、一氧化氮(NO)等，它通過幾種機制誘導自噬。例如，H2O2通過直接氧化mAtg4活性位點附近的81位半胱氨酸殘基使mAtg4失去活性，從而防止mAtg4催化吞噬小泡膜上LC3的脂化。此外，ROS可通過細胞的氧化應激來調(diào)節(jié)自噬。JNKs是絲裂原活化蛋白激酶(MAPK)家族的成員，是一種進化上保守的絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶，它與c-Jun-N端結合，并通過激活轉(zhuǎn)錄因子c-Jun上調(diào)Beclin 1的表達水平，誘導細胞自噬的發(fā)生。腫瘤抑制因子p53也可被氧化應激激活，并通過上調(diào)Sestrins的轉(zhuǎn)錄，阻斷mTOR。

2.4 內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激

內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激通過未折疊蛋白反應(UPR)和鈣依賴信號通路調(diào)節(jié)自噬。當未折疊蛋白在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中積累時，它可以引起UPR效應分子蛋白激酶R樣內(nèi)質(zhì)網(wǎng)激酶(protein kinase RNA-like ER kinase，PERK)的激活，活化的PERK能夠磷酸化真核細胞翻譯起始因子2α(translation initiation factor 2α，eIF2α)，從而活化自噬相關蛋白mAtg12觸發(fā)自噬，增加LC3-II。肌醇必須酶1(IRE1)是UPR的另一種效應分子，IRE1的持續(xù)激活會導致JNK信號通路的激活，從而調(diào)節(jié)ER誘導的自噬。ER應激也可以誘導Ca2+向胞漿釋放，細胞內(nèi)鈣離子水平的增加可刺激鈣調(diào)蛋白依賴性蛋白激酶激酶-β(calcium/calmodulin-dependent protein kinase kinase-β，CaMKK-β)活化AMPK，誘導自噬。

2.5 DNA損傷

細胞毒性化學治療劑、紫外線輻射和電離輻射(IR)可以造成DNA的損傷，從而誘導自噬。一旦細胞中的DNA受損，將激活腫瘤抑制因子p53，p53轉(zhuǎn)錄上調(diào)與自噬相關的各種基因，包括編碼溶酶體蛋白損傷相關自噬調(diào)節(jié)蛋白(Damage-regulated autophagy modulator，DRAM)[8]以及一些核心Atgs。引起DNA損傷誘導自噬的其他效應分子包括轉(zhuǎn)錄因子E2F1[9]和聚ADP-核糖聚合酶1(poly ADP-ribose polymerase 1，PARP-1)。

2.6 電離輻射

IR通常用于治療多種惡性腫瘤，研究表明IR可誘導自噬。在一些細胞系中，加入自噬抑制劑或者轉(zhuǎn)入自噬抑制基因可以增強其放療的敏感性，自噬起到一種細胞保護作用。但在某些細胞系中，自噬誘導劑也能增強放療敏感性，此時自噬的作用與細胞毒素一致。當自噬作為一種保護機制時，p53在這一過程中起著重要作用。

2.7 免疫系統(tǒng)的激活

自噬與免疫密切相關，包括抗菌免疫防御、炎癥、獲得性免疫以及幾種免疫分子都可以調(diào)節(jié)自噬[10-11]。已被證明的自噬調(diào)節(jié)介質(zhì)包括Toll樣受體(TLRs)、白介素1β(IL-1β)、白介素-6(IL-6)、干擾素-γ(IFN-γ)[12]、腫瘤壞死因子-α(TNF-α)、高遷移率族蛋白1(HMGB1)[13]和轉(zhuǎn)化生長因子-β(TGF-β)[14]。已證明的自噬抑制劑包括白介素10(IL-10)[15]和白介素13(IL-13)。盡管白介素-4(IL-4)一般被認為是自噬抑制劑，但近期有研究表明IL-4是過敏性哮喘中Th2細胞因子的關鍵效應因子，它能促進B細胞在體內(nèi)和體外的自噬誘導[16]。

2.8 抑癌基因p53

抑癌基因p53分為核內(nèi)p53和細胞質(zhì)p53。核內(nèi)p53促進參與多個與自噬調(diào)節(jié)相關基因和自噬小體生成相關基因的轉(zhuǎn)錄，例如DRAM[17]、核心ATGs(ATG7、ATG10、ULK1、ULK2和UVRAG)等。核內(nèi)P53也能通過參與mTORC1的調(diào)節(jié)機制促進自噬，例如Sestrin1和Sestrin2、AMPKβ1以及TSC2。相反，細胞質(zhì)p53則可通過調(diào)節(jié)mTORC1的活性來抑制自噬[18]。

2.9 表觀遺傳修飾和信使RNA沉默

除了上述方法能調(diào)節(jié)自噬，也有證據(jù)表明表觀遺傳和microRNA(miRNA)能介導自噬[19]。例如，誘導自噬后，組蛋白4第16位賴氨酸乙酰化(histone 4 acetylation at lysine 16，H4K16ac)的表達下調(diào)與某些自噬相關基因表達降低有關。此外，甲基轉(zhuǎn)移酶G9a可通過催化histone 3賴氨酸9(H3K9)的活性來抑制包括LC3在內(nèi)的ATGs的表達[20]。

3 小結與展望

自噬是進化上高度保守的分解代謝途徑，其與許多疾病的病理過程密切相關。隨著對自噬機制研究的深入，可以通過調(diào)節(jié)自噬來預防和控制包括自身免疫性疾病、神經(jīng)系統(tǒng)疾病、癌癥等疾病，并對防止老化、延長壽命起積極作用。因此，研究自噬的作用機制和調(diào)控方式都將成為疾病研究的重要方向。