细胞生物学论文

细胞自噬

2016年10月3日诺贝尔生理学奖授予日本科学家大隅良典，以表彰他发现并阐释了细胞自噬的机理，在细胞自噬研究方面做出了杰出贡献。日本东京工业大学分子细胞学教授大隅良典所带领的研究小组成功的探明了细胞自噬的启动

机制，他的研究为理解许多机体生理过程中自体吞噬的重要性奠定了坚实的基础，为揭示生命进程的发展做出了巨大的推动作用。

一、自噬的发现

20世纪50年代中期，科学家观察到细胞里的一个新的专门“小隔间”（这

种隔间的学名是细胞器），包含消化蛋白质，碳水化合物和脂质的酶。这个专门隔间被称作“溶酶体”，相当于降解细胞成分的工作站。比利时科学家克里斯汀·德·迪夫（Christian de Duve）在1974年因为溶酶体和过氧化物酶体的发现，被授予诺贝尔生理学或医学奖。

克里斯汀·德·迪夫，1974年获得诺贝尔生理学或医学奖，“自噬”这个词的命名人。

60年代的新观察表明，在溶酶体内部有时可以找到大量的细胞内部物质，乃至整个的细胞器。因此，细胞似乎有将大量的物质传输进溶酶体的策略。进一步的生化和显微分析发现，有一种新型的囊泡负责运输细胞货物进入溶酶体进行降解（图1）。发现溶酶体的科学家迪夫，创造了自噬（auotophagy）这个词来描述这一过程。这种新的囊泡被命名为自噬体。

我们的细胞有不同的细胞“小隔间”，承担不同的作用。溶酶体就是这样一种隔间，里面有用于消化细胞内容物的消化酶。人们在细胞内又观察到了一种新型的囊泡，叫做自噬体。自噬体形成的时候，逐渐吞没细胞内容物，例如受损的蛋白质和细胞器；然后它与溶酶体相融，其中的内容被降解成更小的物质成分。这一过程为细胞提供了自我更新所需的营养和材料。

在20世纪70年代和80年代，研究人员集中研究阐明用于降解蛋白质的另

一个系统，即“蛋白酶体”。在这一研究领域，阿龙·切哈诺沃（Aaron Ciechanover），阿夫拉姆·赫什科（Avram Hershko）和欧文·罗斯（Irwin Rose）因为“泛素介导的蛋白质降解的发现”被授予2004年诺贝尔化学奖。蛋白酶体降解蛋白质的效率很高，一个个单个降解蛋白质，但这个机制没有解释细胞是怎么解决更大的蛋白质复合物以及破旧的细胞器的。[

2016年诺贝尔生理学或医学奖得主大隅良典曾经活跃于多个研究领域，但

自从1988年建立了自己的实验室之后，他就主要研究蛋白质在液泡中降解的过程了。液泡也是一种细胞器，它在酵母中的地位和人体中溶酶体的地位类似。酵

母细胞相对更容易进行研究，因而常被用作人类细胞的模型；寻那些在复杂细胞通路中发挥重要作用的基因时，酵母特别有用。但大隅面临着一个重大挑战：酵母细胞很小，在显微镜下不容易看清它的内部结构，因此他起初都无法确定自噬现象是否也会发生在酵母细胞中。大隅推论，如果他能在自噬行为发生的时候阻断液泡中蛋白质分解的过程，那么自噬体将在液泡中累积，从而在显微镜下可见。因此，他培育出因突变而缺乏液泡降解酶的酵母细胞，并通过使细胞饥饿激发自噬。

Fig.1细胞自噬体示意图

大隅良典接着利用了他改造过的酵母菌株——在这些酵母挨饿时，它们的自噬体会积累起来。如果对自噬过程重要的基因被失活，那么自噬体积累就理应不会发生。大隅良典将酵母细胞暴露在一种能随机在多个基因里引起突变的药物中，然后诱导自噬过程。

由于大隅良典和紧随他步伐的研究者的工作，我们现在知道细胞自噬控制着许多重要的生理功能，涉及到细胞部件的降解和回收利用。细胞自噬能快速提供燃料供应能量，或者提供材料来更新细胞部件，因此在细胞面对饥饿和其它种类的应激时，它发挥着不可或缺的作用。在遭受感染之后，细胞自噬能消灭入侵的细胞内细菌活病毒。自噬对胚胎发育和细胞分化也有贡献。细胞还能利用自噬来消灭受损的蛋白质和细胞器，这个质检过程对于抵抗衰老带来的负面影响有举足轻重的意义。

二、细胞自噬的过程

在此过程中，自噬体的形成是关键，其直径一般为 300~900 nm，平均 500 nm，囊泡内常见的包含物有胞质成分和某些细胞器如线粒体、内吞体、过氧化物酶体等。与其他细胞器相比，自噬体的半衰期很短，只有8min左右，说明自噬是细胞对于环境变化的有效反应。

尽管对自体吞噬具体过程的了解还需要加强,但是人们已经勾勒出自体吞噬

过程的大致轮廓:细胞质中的线粒体等细胞器首先被称为“隔离膜”的囊泡所包被,这种“隔离膜”主要来自于内质网和高尔基体；囊泡最终形成双层膜结构,即自吞噬体(autophagosome),也称之为初始自体吞噬泡(initial autophagic vacuoles , AVi)；自吞噬体与胞内体融合形成中间自体吞噬泡(intermediate autophagic vacuoles, AVi/d)；最终自体吞噬泡的外膜与溶酶体融合形成降解自体吞噬泡(degrading autophagic vacuoles, AVd),由溶酶体内的酶降解自体吞噬泡中的内容物和内膜。在整个自体吞噬过程中,细胞质和细胞器都受到破坏,最明显的是线粒体和内质网受损。虽然自体吞噬并不直接破坏细胞膜和细胞核,但是有证据表明；在最初断裂或消化后，细胞膜和细胞核会最终变成溶酶体以消化和分解自身。

Fig.2细胞自噬过程示意图

三、细胞自噬的调控

3.1 泛素样蛋白系统对细胞自噬的调控

泛素化是在翻译后水平上进行蛋白修饰的一种方式，参与蛋白酶体依赖性蛋白水解、蛋白功能调控、亚细胞分布和/或蛋白质互作。在泛素激活酶(ubiquitin-activating enzyme, El)、泛素接合酶 (ubiquitin-conjugating enzyme, E2)以及泛素蛋白连接酶(ubiquitin-protein ligase, E3)的连续作用下, 泛素与底物蛋白特定的Lys残基共价结合完成泛素化。同时，泛素化也是

一种可逆性的过程，可由去泛素化酶将泛素从蛋白质上除去。泛素化主要包括以下3 步酶促反应过程: (1)在ATP作用下, E1可在其Cys和泛素的C-端的Gly

Ub，从而激活泛素；(2)在ATP和E2酶作用下，泛素之间形成巯酯键，即E1-SH

~

Ub)；(3) E3酶可以特异性从E1转移到E2上，同样以巯酯键的方式结合(E2-SH

~

识别底物蛋白并与之结合，与此同时E2将激活的泛素直接转移到某些E3结合的底物上，经过多个重复，多个泛素之间通过Lys相互连接，在底物上形成多泛素链。

E1-样酶Atg7和E2-样酶Atg10泛素样反应后，泛素样蛋白Atg12与Atg5 Lys130共价耦联，Atg16L1作为连接蛋白，增强Atg12和E3泛素连接酶样蛋白Atg5间的互作，而后Atg12-Atg5与Atg16L1形成E3连接酶样复合体并定位于PAS。半胱氨酸酶Atg4酶切LC3并暴露C-端最后5个Gly残基，在E2-样酶Atg3辅助下，与磷脂酰乙醇胺(phosphatidylethanolamine，PE)发生E3-样共轭形成脂化的LC3(LC3-II)并定位于PAS，吞噬泡加工成为成熟自噬体。

3.2 mTOR信号通路对细胞自噬的调控

mTOR(mammalian target of rapamycin)属于Ser/Thr激酶，参与细胞发育、核糖体生成和代谢调控等生物学过程。mTOR包括雷帕霉素敏感型mTORC1和雷帕霉素非敏感型mTORC2。mTORC1磷酸化ULK1-Atg13-RB1CC1-C12orf44/Atg101复合体使其失活，从而负调控细胞自噬的形成，其活化程度可反应出自噬水平，如果阻断mTORC1的功能， Ser/Thr激酶可磷酸化Atg1复合体并激活自噬。mTORC2 的磷酸化能激活Akt(PKB)和Atg1抑制自噬，也可上调

HIF1A(hypoxia-inducible factor 1A)的表达。

Fig.3 mTOR上游示意图