自噬在细胞存活和死亡中的作用

自噬在细胞存活和死亡中的作用

细胞自噬(autophagy)是真核生物中进化保守的对细胞内物质进行周转的重要过程。该过程中一些损坏的蛋白或细胞器被双层膜结构的自噬小泡包裹后，送入溶酶体(动物）或液泡（酵母和植物）中进行降解并得以循环利用。细胞内环境稳态的维持需要其各组分处于不断合成与代谢的动态平衡中。蛋白质的降解除可经由泛素-蛋白酶体系统外, 还可经由自噬进行, 自噬主要降解内源性长寿命蛋白及蛋白聚集体。

细胞自噬主要有三种形式：微自噬（microautophagy)、巨自噬（macroautophagy）和分子伴侣介导的自噬 (Chaperone-mediated autophagy，CMA）。

微自噬定义：指溶酶体或者液泡内膜直接内陷将底物包裹并降解的过程。作用时间：多在种子成熟时储藏蛋白的沉积或萌发时储存蛋白的降解中起作用。

巨自噬定义：在其过程中，底物蛋白被一种双层膜的结构（粗面内质网的无核糖体附着区脱落的双层膜）包裹后形成直径约400~900纳米大小的自噬小泡（autophagosome)，接着自噬小泡的外膜与溶酶体膜或者液泡膜融合，释放包裹底物蛋白的泡状结构到溶酶体或者液泡中，并最终在一系列水解酶的作用下将其降解，我们将这种进入溶酶体或者液泡腔中的泡状结构称为自噬小体。作用时间：营养缺乏条件下培养的细胞、植物的免疫反应、叶片衰老及环境胁迫应答。分子伴侣介导的自噬：在动物细胞衰老反应过程中，往往发生分子伴侣介导的自噬过程，保存必须的组成细胞结构的蛋白和其他材料。

自噬对细胞存活和死亡的影响

(一)自噬对细胞存活的作用

某些情况下，自噬可保护细胞免于凋亡和坏死的危险。如氧化、缺血/再灌注、TNF-α、FasL （Fas 配体）、毒性化合物等刺激下，线粒体渗透性转运通道（MTP）开放，线粒体肿胀，释放细胞色素等凋亡因子。此时，细胞启动自噬来清除受损线粒体，避免凋亡因子释放进入胞质，对细胞起到一定保护作用。Bauvy 等[9]在研究硫化舒磷酸对人宫颈癌HT-29 细胞的作用时发现，一部分去极化的线粒体进入自噬途径，从而抑制了线粒体功能紊乱，并隔离凋亡因子的释放，使细胞免于凋亡。自噬也可由细胞营养如氨基酸、生长因子缺乏, 低氧, 感染及细胞器受损等刺激诱导。自噬被诱导后,细胞内的包裹膜(可能由内质网、高尔基体及其他一些膜间隔组成)延伸, 包裹含有大分子物质及受损细胞器的细胞质, 形成具有双层或多

层膜的液泡即自噬体或自噬囊泡(酵母)。自噬体/自噬囊泡形成后, 其外膜与溶酶体融合形成自噬溶酶体, 而内膜及自噬体内容物则被多种溶酶体酶消化降解成氨基酸、核苷酸以及游离脂肪酸等小分子物质。这些小分子物质再经自噬溶酶体外膜溢出, 参与再循环, 继续合成大分子蛋白质、ATP以及细胞器[ 1-2] 。研究表明,细胞自噬的整个过程被进化上高度保守的一系列自噬相关基因A tg( autophagy-re lated gene)所控制。同时Bcl-2与Atg6/Beclin 1结合,降低细胞的自噬

能力[ 13] 。

[ 1] Lev ine B, Yuan J. Autophagy in cel l death: an innocent convict [J]. J C lin Invest, 2005, 115( 10 ) : 2679-2688.

[ 2] Y ang Z, Huang J, G eng J, et a.l A tg22 recycles am ino acid s to link th e degradat ive and recycl ing functions of autoph agy[ J] . Mo lB iolC el,l 2006, 17( 12 ): 5094-5104.

[ 13 ] Patt ingre S, Tassa A, Qu X, Garu ti R, L iang XH, M izush im aN, et a l. B cl-2 ant iapoptotic p roteins inh ib it Becl in 1 dep endent autophagy[ J] . C ell, 2005, 122( 6 ) : 927- 939.

1. 营养缺乏时自噬对细胞存活的维持作用: 细胞缺乏营养物质时，自噬途径被激活，诱导细胞自噬体的形成，并由溶酶体介导降解胞内蛋白质和膜磷脂等，这可以为细胞提供能量，并维持细胞的主要合成代谢。在血糖供应不足的条件下，肝细胞发生自噬，降解细胞内蛋白质，进行糖酵解，为脑细胞和红细胞提供能量。最近研究发现，能量不足时骨骼肌细胞的自噬虽然没有肝细胞明显，但在维持能量平衡方面起着非常重要的作用。有人认为哺乳动物饥饿超

过3天以上时，细胞自噬水平开始降低，其原因可能是酮体替代葡萄糖作为大脑能量的来源。然而，饥饿时间较长条件下自噬被抑制的机制尚未阐明(M izush ima 等.2004)。在新生小鼠出生时能量来源的研究中进一步明确了饥饿时自噬对机体细胞存活的维持作用。

2. 自噬相关基因与细胞存活的关系: 某些细胞的死亡机制与细胞内一些重要的自噬相关基因的缺陷有关。在饥饿条件下, 自噬基因缺陷细胞比野生型细胞更易发生死亡。敲除植物细胞的自噬基因如A tg6、A tg7、A tg9后, 营养缺乏可导致叶绿素的丢失及细胞老化加速[ 12] 。

A tg5是A tg12的受体分子, 两者共同诱导自噬的起始。在新生鼠, 胎盘的血供中断。如鼠缺失A tg5, 自噬过程则不能启动, 导致细胞内ATP 浓度下降, 死于能量缺乏[ 13] 。用siRNA 干扰beclin1、A tg5、A tg10、A tg12时, 饥饿诱导的细胞凋亡增强, 这说明在营养缺乏时自噬相关基因可能参与凋亡的抑制[ 14] 。这些研究资料提示, 自噬相关基因的正常表达对维持细胞乃至整体存活至关重要。生长因子缺乏时, 细胞不能利用外源性营养物质, 且生长因子缺乏导致细胞表面的与营养转移相关的受体比如葡萄糖受体、低密度脂蛋白受体、氨基酰转运蛋白及转铁蛋白等相应减少, 从而细胞不能有效地摄取营养物质, 致使细胞内的营养物质缺乏。此时, 自噬对维持细胞的生存是必需的。由于生长因子的缺乏常导致细胞的快速凋亡。最近, 对凋亡缺陷的Bak- / - /Bax- / - 细胞研究揭示了自噬相关基因在IL3缺乏时对维持细胞存活的重要作用。当IL3缺乏时, 鼠骨髓的Bak- /- /Bax- /- 细胞逐渐发生萎缩。细胞开始变化不明显, 但在12周后细胞数目减少、体积减小和活性降低较显著[ 15] 。在IL3缺乏的条件下, 用抗ATG5的独立shRNA 结构hp2和hp7阻断ATG5的作用后, 细胞在培养96小时内全部死亡。同时加入自噬抑制剂3甲基腺嘌呤、氯奎和膜通透性营养物质甲基丙酮酸, 细胞不发生自噬,也不死亡。这提示甲基丙酮酸能够为细胞提供能量, 而生长因子的作用在于介导营养物质的转运。Yan等[ 11] 研究响尾蛇对白血病K- 562 细胞的作用时发现自噬可以延缓凋亡，维持细胞的生存。

[11] Yan CH, Liang ZQ, Gu ZL, et al. Arsenic trioxide induces autophagic cell death in malignant glioma cells by unregulat

ion or mitochondrial cell deaty protein BNIP3[ J] . Oncogene, 2005, 24( 6) : 980.

(二)自噬对细胞死亡的作用在许多处于死亡过程中的细胞都可以观察到自噬体的存在。在发育过程中或成年人维持内环境稳态时, 机体需要清除大量分化异常的细胞或老化细胞。一些化学治疗药物可诱导哺乳动物组织和肿瘤细胞系的自噬性细胞死亡。但在许多情况下, 凋亡性死亡、自噬性死亡和坏死性死亡可并存于同一细胞中。如果细胞死亡是自噬引起的, 通过药物或反义基因阻断自噬可避免细胞的死亡[ 16] 。3甲基腺嘌呤能阻断PI3K 的活性,

从而阻断自噬途径, 可延缓或部分地抑止细胞自噬性死亡。在致癌物处理的鼠肝细胞、抗雌激素处理的人乳腺癌细胞LCC9、氯奎处理的皮质神经元和神经生长因子缺乏的交感神经元, 3甲基腺嘌呤能够抑制细胞死亡。实际上, 这些细胞可死于凋亡。自噬被认为是凋亡的诱因, 而不是导致细胞死亡的直接原因。3MA 除阻断PI3K的活性外, 可直接影响细胞的死亡, 如降低线粒体的膜通透性等。这样, 仅通过对3MA 抑制自噬的研究尚不能证明自噬能导致细胞死亡。最近研究表明, 自噬和凋亡有着密切关系。用甾类物质诱导的果蝇细胞发生进行性细胞死亡时_自噬基因和凋亡基因的表达同时上调[ 17] 。在生长因子缺乏或用c A ra处理时, 交感神经元的DNA 降解, 自噬明显增强。在细胞色素C 释放和半胱天冬酶激活时, 加入3甲基腺嘌呤可阻断自噬。另一方面, 自噬与凋亡是相互排斥的。阻断自噬可使细胞转向凋亡[ 18] 。多种恶性胶质瘤细胞系在三氧化二砷的诱导下可以发生自噬性细胞死亡[ 19] 。当自噬被抑制时, 细胞转向凋亡。另外, 神经元、H eLa细胞或CHO 细胞的凋亡被半胱天冬酶的抑制剂抑制时,转向自噬性细胞死亡[ 20 ] 。然而, 目前关于自噬与凋亡的相互转换机制尚不清楚。DAPk可以诱导凋亡和自噬, 提示DAPk 可能在这两种细胞死亡途径起调控作用。此外, 有许多研究证实自噬相关蛋白和凋亡相关蛋白相互作用。例如, bc l2家族的bc l2或bc l x l的过度表达有助于保护细胞免于自噬性细胞死亡。有关这种相互作用尚需深入研究。