细胞自噬研究综述讲课稿

细胞自噬研究综述

细胞自噬研究综述

一、概述

细胞自噬是广泛存在于真核细胞内的一种溶酶体依赖性的降解途径。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。细胞自噬导致细胞内长寿命蛋白和受损伤细胞器的降解，使细胞在应激条件下循环利用营养物质和三羧酸循环产生的ATP继续生存。根据细胞内底物运送到溶酶体腔方式的不同，哺乳动物细胞自噬可分为微自噬（microautophagy)、巨自噬（macroautophagy）和分子伴侣介导的自噬 (Chaperone-mediated autophagy，CMA）三种主要方式，但目前研究最为广泛的是巨自噬。细胞自噬与细胞凋亡、细胞衰老一样，是十分重要的生物学现象，参与生物的发育、生长等多种过程，细胞自噬的异常导致癌细胞的出现。研究表明，细胞自噬在细胞内稳态、癌症、心力衰竭、神经退行性疾病、传染病、衰老相关性疾病等生命过程中发挥着重要作用。

二、细胞自噬的形式

微自噬是指溶酶体或者液泡内膜直接内陷底物包裹并降解的过程。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。

巨自噬是在其过程中，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。它

作用于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。

介导自噬是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。

三、细胞自噬的功能

生理性自噬是细胞的自我保护机制，有益于细胞的生长发育，保护细胞防止代谢应激和氧化损伤，对维持细胞内稳态以及细胞产物的合成、降解和循环再利用具有重要作用；但自噬过度可能导致代谢应激、降解细胞成分、细胞死亡等，打破细胞生长和死亡（细胞死亡至少分为三种形态学上不同的进程，即细胞凋亡、自噬性细胞死亡和坏死，此处所指的死亡可能伴随着细胞自噬，过度自噬以一种不同于细胞凋亡和坏死的方式使细胞死亡，但自噬与二者还有一定的关联性，比如Bcl-2和Beclin1之间的互作）间的平衡。自噬在多种生理病理过程中发挥重要作用。缺血再灌注显著上调Beclin1，激发心机细胞自噬；Beclin1表达下调抑制自噬，减弱心肌损伤。研究认为，自噬是动脉粥样硬化发展过程中的一种保护机制，因为自噬通过加工氧化修饰蛋白使斑块固化，而自噬缺陷加剧动脉粥样硬化。在肿瘤细胞生物学上，根据细胞基因组成和细胞所处环境变化，自噬既能抑制肿瘤抑制因素发挥作用，自噬基因的缺失又可促进肿瘤的生成。研究发现，一方面，自噬可使乳腺癌细胞继续生存；而另一方面，自噬又可导致结肠癌细胞HCT116的死亡。目前普遍认为，在乏氧、营养缺乏、代谢应激等条件以及抗癌治疗（如化学疗法、放射疗法）等环境下，癌细胞通过自噬可以继续生存。此外，自噬还可能继续生存。此外，自噬还可能

在衰老、炎症、细胞凋亡、胞内病原体入侵、神经退行性疾病等方面发挥着重要作用。

四、细胞自噬调控的分子机制

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 之间形成巯酯键，即E1-SH～Ub，从而激活泛素；

（2）在 ATP 和 E2 酶作用下，泛素从 E1 转移到 E2 上，同样以巯酯键的方式结合（E2-SH～Ub）；

（3）E3 酶可以特异性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。

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 通过磷酸化ULK1-Atg13-RB1CC1-C12orf44/Atg101 复合体使其失活，从而负调控细胞自噬体的形成，其活化程度可反映自噬水平，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。mTOR 调控细胞自噬主要包括 mTOR 非依赖性和 mTOR 依赖性两条信号通路。

（1）mTOR 非依赖性信号通路

有实验发现，Mst1（mammalian Ste20-like kinase 1）可使 Beclin1BH3 结构域 N-端的 Thr108 磷酸化，增强Beclin1 与 Bcl-2 和/或 Bcl-xL 疏水沟α3 螺旋间的互作，使 Beclin1 同源二聚体稳定，减弱 Atg14L 与 Beclin1 的结合，降低Beclin1-PI3K-Atg14L 复合体脂激酶 Vps34的活性以抑制自噬。Molejon 等认为，VMP1（vacuolemembraneprotein 1）20 位氨基酸残基 C-端亲水性结构域（VMP1-AtgD）与 Beclin1 BH3 结构域结合致使 Bcl-2与 Beclin1 解离，最终形成 VMP1-Beclin1-hVps34-Atg14L复合体共同定位于 PAS，启动 PI3P 生成、泛素样级联反应和囊泡的形成。有趣的是，棉酚衍生物 ApoG2 与 Mst1作用相反，ApoG2 破坏 Beclin1 和 Bcl-2/xL 的互作，释放出 Beclin1 BH3 结构域，从