1963年,Duve首次提出自噬這一概念,該現象是基于觀察到經胰高血糖素誘導的小鼠肝細胞內降解的線粒體及其它的內在結構。近年來,醫學界重新認識自噬,在分子水平上一定程度地了解了這個過程的重要意義。目前,人們在酵母菌內已經發現了32個不同種類的自噬相關基因,正常的自噬過程對細胞內環境的穩定及細胞生命活動的順利進行十分重要。細胞自噬還與許多疾病的發生密切相關,如腫瘤、神經退行性疾病、病原微生物感染及免疫系統疾病等。本文就自噬在分子水平上是如何調控以及與疾病相關性做一綜述。

1、自噬分型與分子機制

自噬分為三個類型:巨自噬\\(macro-autoph-agy\\),微自噬\\(micro-autophagy\\),分子伴侶介導的自噬\\(chaperone—mediated autophagy,CMA\\)。巨自噬通過雙層膜結構包裹細胞質內容物形成自噬體,并攜帶到溶酶體與之融合,形成自噬溶酶體對包裹物進行降解。相比之下,微自噬是胞質內容物直接通過溶酶體膜自身內陷被包繞而進行降解。在分子伴侶介導的自噬過程中,目標蛋白通過與伴侶蛋白\\(如hsc-70\\)結合而通過溶酶體膜,并且這些伴侶蛋白被溶酶體膜受體即溶酶體相關膜蛋白2\\(LAMP-2A\\)所識別的,從而進行降解。自噬始于一個隔離膜,在饑餓、缺氧等應激狀態下,由內質網或高爾基體脫落的脂質雙分子層構成,通常該結構也稱為吞噬泡。吞噬泡伸展變形包裹細胞內物質,如蛋白質、細胞器等,形成一個具有雙層膜的閉合結構,稱作自噬體。通過與溶酶體融合使自噬體成熟,即形成自噬溶酶體。在溶酶體酶作用下進行內容物的降解。溶酶體酶和轉運蛋白將其部分降解小分子物質重新運回細胞質,參與物質合成及能量代謝。因此,自噬被稱作是一個“循環加工過程”,通過ATP的生成促進能源的有效利用以及通過轉運異常蛋白和細胞器來抑制有害性損傷。自噬過程有5個關鍵階段:吞噬泡的形;Atg5-Atg12系統;LC3系統;降解物的選擇;自噬溶酶體的形成以及內容物的降解。

1.1吞噬泡的形成

酵母中吞噬泡膜的形成是圍繞在一種被稱為前自噬體結構\\(PAS\\)的細胞質結構中,但在哺乳動物中沒有確切證據可以證實。吞噬泡的形成需要Atg1激酶與Atg13、Atg17結合,進而調控跨膜蛋白Atg9的量,通常Atg9促進脂質募集到伸展的吞噬泡上。TOR激酶可以通過磷酸化Atg13,從而防止它與Atg1結合來調控上述過程。

哺乳動物系統中,磷脂酰肌醇三磷酸激酶\\(ClassⅢ PI3K\\),特別是Vps34\\(vesicular proteinsorting 34\\)及Atg6/Beclin-1在吞噬泡形成和自噬過程中有重要作用。Vps34參與細胞內各種膜分類的過程,與Beclin-1及其他調控蛋白結合時可參與選擇性自噬過程。

Vps34通過調控三磷酸磷脂酰肌醇\\(PI3P\\)的生成,來促進吞噬泡的伸展和募集其他自噬相關蛋白。Beclin-1與Vps34的作用也有助于增強其催化活性和增加PI3P量。

吞噬泡形成過程中還有很多的調節蛋白可以與Vps34和Beclin-1結合,一些促進自噬,如UVRAG BIF-1,Atg14L Ambra,一些抑制自噬,如Rubicon和Bcl-2。一個典型的例子就是Beclin-1與Bcl-2的作用,在饑餓時,Beclin -1內的BH3結構域與Bcl-2的作用減少,從而增強細胞自噬來應對營養缺乏以利于細胞生存。

1.2 Atg5-Atg12系統自噬體形成過程中有兩個重要的泛素-蛋白酶系統,包括Atg5-Atg12系統和LC3系統。Atg5-Atg12系統中,Atg7激活Atg12,將其轉移到Atg10,從而促進Atg12與Atg5結合,其中Atg7、Atg10分別發揮著類似E1、E2泛素激活酶的作用。

Atg5-Atg12復合 物與Atg16L形成Atg5-Atg12-Atg16L,這種復合體與吞噬泡伸展相關。同時它可以促進LC3-II的形成從而誘導吞噬泡的擴展。一旦自噬體形成后,Atg5-Atg12-Atg16L將從膜上解離開來,因此Atg5-Atg12復合體成為一個自噬體形成的標志。

1.3 LC3系統第二個系統就是微觀相關蛋白輕鏈3\\(LC3\\)系統,LC3是Atg8的哺乳類同系物。它被Atg4激活產生LC3-Ⅰ。Atg4表達的甘氨酸被Atg7激活,該方式類似于Atg7和Atg12。當磷脂酰乙醇與甘氨酸羧基結合后,活化的LC3-Ⅰ被轉移到Atg3,產生膜結合型LC3-Ⅱ,并定位于自噬體上。因此,LC3-Ⅱ成為自噬體形成的一個標志分子。當自噬體與溶酶體融合后,LC3-Ⅱ則被溶酶體酶降解。

1.4降解物的選擇

通常,自噬是一個隨機過程,可隨意的吞噬細胞質物質。電鏡下經?？梢钥吹?自噬體內的各種內容物,包括線粒體,內質網等。有證據顯示,伸展的吞噬泡可以有選擇性地與蛋白質及細胞器結合。我們推測,吞噬泡中LC3-Ⅱ與蛋白質等作用將促進物質的攝取與降解。就這點而言,最具特征的是p62/SQSTM1,一種促進蛋白質周轉的多功能銜接分子。p62/SQSTM1的突變與佩吉氏病有關,該病中骨的異常周轉導致骨骼變形,關節炎及神經損傷。

1.5自噬溶酶體的形成及內容物的降解

自噬體形成后,下一步就是趨向成熟了,即自噬體與溶酶體形成自噬溶酶體。有報道稱,自噬體與早期或晚期胞內體融合早于與溶酶體的融合,但兩者均可轉運物質及膜融合組分,并且在轉運溶酶體酸性酶前可降低自噬體囊泡內的pH以利于降解。自噬體與溶酶體接觸后,其外膜與溶酶體膜融合,但外膜如何避免被溶酶體酶降解尚不清楚。其內膜包繞著內容物進入溶酶體降解,其中該過程依賴于溶酶體內的酸化、蛋白酶B及Atg15編碼蛋白。

2、自噬與疾病

自噬在機體的免疫、感染、炎癥、腫瘤、心血管、神經退行性疾病中的發生發展過程中具有十分重要的作用。目前研究較多的3類疾病是腫瘤、神經退行性疾病和免疫性疾病。

2.1自噬與腫瘤

自噬在腫瘤中的作用是一把“雙刃劍”,目前尚存在較多爭議,在不同的腫瘤中具有不同的作用。諸多實驗研究證實,自噬具有抑制腫瘤發生發展的作用。鼠的胰腺細胞經致癌物質誘導后,在癌變前期的結節和所形成腺瘤的自噬和降解能力是增加的,當形成癌細胞后自噬能力反而下降。一些抗腫瘤藥物通過誘導自噬活性來抑制腫瘤細胞的增殖。對乳腺癌、前列腺癌及結腸癌細胞系的放療處理均可誘導自噬性細胞死亡。在乳腺癌、卵巢癌、前列腺癌中存在自噬相關基因Bec-lin1的單等位缺失。存在Beclin1缺陷的小鼠更容易發生淋巴瘤、肺癌、肝細胞肝癌和乳腺癌前病變。

Scott等研究發現,Atg1高表達所誘導的自噬可使細胞明顯縮小,從而控制細胞生長,同時發現自噬可誘發細胞死亡。其他的自噬相關基因\\(如UVRAG、Bif-1等\\)也具有腫瘤抑制作用。

2.2自噬與神經退行性疾病突變的PINK1是常染色體隱性遺傳帕金森病\\(Parkinsondisease,PD\\)的致病基因,它參與自噬調控。正常全長的PINK1蛋白與Beclin1相互作用,促進自噬的發生;相反,突變的PINK1蛋白與Beclin1結合,對自噬產生限制作用。但是,只有突變位點位于W437X的PINK1才能使Beclin1活性下降,其他突變位點對Beclin1似乎沒有影響。另一個常染色體隱性遺傳PD的致病基因Parkin則參與降解受損線粒體自噬途徑的信號調控。臨床上將阿爾茨海默病\\(Alzheimer’sdisease,AD\\)病人的腦皮層活檢標本進行研究,發現自噬小體及其他前溶酶體自噬小泡的顯著增加。對亨廷頓病 \\(Hunting’sdisease,HD\\)患者和HD小鼠模型研究發現,自噬的水平與異常的Huntingtin呈正相關。這種異常蛋白對自噬的誘導作用可以通過TOR活性下降證明。

最近有研究發現,用自噬誘導劑Temsirolimus治療脊髓小腦運動失調癥3型轉基因小鼠模型,明顯減少了可溶性突變的ataxin-3蛋白,其為致病蛋白,而對野生型atax-in-3卻沒有影響。

2.3自噬與免疫性疾病系統性紅斑狼瘡\\(sys-temiclupus erythematosus,SLE\\)是一種伴有大量自身抗體如抗核抗體的全身性自身免疫性疾病。趙繼軍用透射電鏡觀察發現活動性SLE患者外周血單個核細胞中存在自噬現象;PCR結果顯示Bec-lin 1和微管相關蛋白1輕鏈3\\(MAPLC3\\)mRNA在活動性SLE患者表達量均增高?；顒有許LE患者外周血單個核細胞存在自噬現象,且細胞自噬相關基因表達較健康對照組增強,這可能與SLE的發生、發展相關。

類風濕性關節炎\\(rheumatoid arthritis,RA\\)是一種以關節滑膜的慢性炎癥為特征的自身免疫性疾病。然而,避免RA相關細胞遭受程序性細胞死亡的詳細機制還不清楚。

Shin等發現在RASF中,內質網應激誘導的自噬明顯增多。當錯誤折疊的蛋白質在內質網聚集后,這種應激活化了錯誤折疊的蛋白應答,誘導修復過程相關的分子伴侶和蛋白表達。更好的了解自噬的在類風濕關節炎發病中的作用,將有助于發現類風濕性關節炎的新的治療靶點,為類風濕關節炎的治療提供更有效、更持久的治療方法。此外,自噬與原發性膽汁性肝硬化、散發包涵體肌炎、克羅恩病、胰島素依賴型糖尿病等自身免疫性疾病亦密切相關。

綜上所述,自噬是調節機體細胞生長發育和病理生理的又一重要過程,對一些疾病有重要作用。適度的自噬促進細胞存活,但過度的自噬則導致細胞死亡。因此,全面了解自噬的分子機制以及與疾病的相關性尤為迫切。