2016, Vol. 32
自噬(autophagy)这个词是来源于希腊语，“auto”(自我)和“phagy”(吞噬)的结合，即细胞的自我消化过程[1]。对真核细胞来说，自噬是它们所特有，且存在范围很广的一种分解代谢途径。就正常自噬的功能而言，在维护细胞存活、进行细胞的更新、细胞物质的回收再利用、以及内环境稳定这些方面，自噬都起着相当重要的作用，这是因为自噬是细胞降解细胞中的大分子物质和细胞器并回收利用的主要通路[2]。然而，在一些条件下，自噬也可以导致细胞死亡，这种由自噬引起的死亡，被认为是区别于细胞凋亡(I型程序性死亡)的另一种程序性细胞死亡形式(即Ⅱ型程序性死亡)[3]。本研究将就自噬及其与凋亡、坏死之间的关系进行讨论。
1 自噬的概念及分类 1.1 自噬的概念1962年, 自噬现象在人的肝细胞中被Ashford和Porten借助电子显微镜观察到。自噬是细胞把待降解的物质用单层或双层膜包裹起来，形成自噬体，之后自噬体被转运到溶酶体，与溶酶体形成自噬溶酶体，由于溶酶体的酸性环境以及在溶酶体酶的作用下，液泡中的底物被降解。
1.2 自噬的分类自噬可以被分成三种，划分依据是自噬过程中底物进入溶酶体的途径[4]。(1) 大自噬：一般而言，自噬通常是指大自噬，他是一种非溶酶体来源的双层膜结构把底物蛋白包裹起来，形成自噬体(autophagosome)或自噬泡，直径在400～900 nm左右，和溶酶体膜发生融合作用，底物蛋白被释放到溶酶体或者液泡中，并被一系列水解酶降解。(2) 小自噬：其是指溶酶体膜或液泡内膜直接通过内陷这一过程，将底物包裹进来，然后进行降解的过程。(3) 分子伴侣介导的自噬(chaperone-mediated autophagy，CMA)：首先，胞浆内的蛋白要和分子伴侣结合，被溶酶体膜上的特异受体识别，后被转运到溶酶体腔中降解。
2 自噬的过程在介绍自噬的发生过程时，以大自噬作为例子来说，可以把自噬过程分成四个阶段。第一阶段：细胞被自噬诱导信号刺激后，一种和“脂质体”结构类似的碗状结构开始在胞浆某处形成自噬前体(phagophore)。第二阶段：自噬前体不断延伸，在这延伸过程中，一些胞浆成分被包入其中，进而形成自噬体(autophagosome)。以双层膜以及含有线粒体、内质网碎片等胞浆成分作为主要特征。第三阶段：第三阶段不是一个必须阶段，在这个阶段中，细胞内吞的吞噬泡(phagocytic vacuole)、吞饮泡(pinosome)和内体(endosome)都可能与自噬体进行融合。第四阶段：溶酶体、自噬体两者(lysosome)进行融合，形成自噬溶酶体(autolysosome)。在这一阶段，自噬体内膜被溶酶体酶降解，以致自噬体内的内容物与溶酶体里面的物质发生融合，降解产物被排出细胞外或滞留在胞浆中，以便实现再次利用的功能。
3 自噬的分子机制及调控通路 3.1 自噬的分子机制作为一种比较简单的真核细胞来说，酵母的基因操作相对容易进行，因而对于自噬这一现象，很多的研究都选择在酵母中进行的。在对酵母进行的研究中发现，自噬相关基因Atg(autophagy related gene)和Atg所对应的蛋白质, 在自噬的不同阶段都起到了相当重要的作用，参与并协调了自噬的发生。自噬的形成过程包括四个阶段，他们分别是:诱导、起始、延长和成熟降解这4个阶段。
诱导阶段：哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin, mTOR)它作为能量和营养状态的感受器，是一种十分典型的丝/苏氨酸激酶。当营养丰富的时候，mTOR它可以与Atg1/ULK1(在酵母中命名为Atgl，其哺乳动物同源蛋白命名为ULK1) 结合，这样就可以直接抑制自噬的下游信号；此外，mTOR可以让Atg13实现磷酸化过程，这样也能够抑制自噬的下游信号，因为高磷酸化的Atg13，它和Atg1之间的亲和力将会减弱，从而降低Atg1激酶的活性，所以自噬下游信号可以被抑制[5]。但是，在饥饿条件下，mTOR活性会被抑制，这样mTOR则不能使Atg13磷酸化，反而Atg13发生去磷酸化，与 Atg1亲和力增加而发生紧密结合，它俩的紧密结合使得Atg1激酶的活性增强，进而激活、诱导自噬的下游信号[6]。
起始阶段：Ⅲ型磷脂酰肌醇3激酶(calss Ⅲ phosphatidylinositol 3-kinase, ⅢPI3K)的催化亚基Vps34结合Atg6/beclin1(在酵母中称作Atg6，在哺乳动物中，其同源蛋白就称为beclin1) 的保守结构域，这一过程能够使得质膜的磷脂酰肌醇PI被催化生成磷脂酰肌醇三磷酸PI3P，PI3P能够募集一些含有PI3P结合域的分子，然后与细胞内膜发生结合，进而促进自噬相关蛋白Atg21、Atg24等结合到膜上，形成自噬体结构(pre-autophagosomal structure，PAS)[7-8]。
延长阶段：两个泛素样蛋白系统- Atg12-Atg5-Atg16(定位于自噬体外膜)和LC3-Ⅱ-PE(在内外膜都有定位)结合参与了自噬的延长阶段。分别在Atg7、Atg10两种酶的催化作用下，Atg12与Atg5通过异肽键紧密地结合，形成Atg12-Atg5复合体。通过非共价键的结合，Atg5再进一步与Atg16的螺旋-螺旋区结合，形成Atg12-Atg5-Atg16复合体，而Atg16(含有卷曲螺旋结构)则通过自身的特殊结构，发生同源寡聚作用，形成更大的复合物，之后，这一大复合物结合到PAS上，参与PAS的延伸[9]；Atg8/LC3(在酵母中命名为Atg8，其哺乳动物同源蛋白命名为LC3) 通过Atg7和Atg3两种酶的共同作用，和磷脂乙醇(phosphatidyl- etha-nolamine，PE)进行共价连接，从而形成复合体LC3-Ⅱ-PE，之后LC3-Ⅱ-PE这一复合体再结合到膜上，参与PAS的延伸[10]。
成熟降解阶段：自噬体、溶酶体两者发生融合，形成自噬溶酶体，然而对之一过程的分子机制的研究才刚刚开始，所以我们还不是十分明确其分子机制，但主要涉及lysosome associated membrane protein 1 (LAMP1) 和lysosome associated membrane protein 2 (LAMP2) (两种溶酶体蛋白)、ultraviolet radiation resistance associated gene (UVRAG)、小phosphoenolpyruvate carboxykinase (GTP)酶Rab7等。在成熟阶段这一过程中，UVRAG介导系链蛋白(自噬泡与溶酶体的连接蛋白)被运送到自噬泡膜上，激活Rab7，使得自噬泡和溶酶体融合这一过程变得容易进行[11]。
3.2 自噬的信号调控 3.2.1 mTOR信号途径mTOR作为磷脂酰肌醇-3激酶(phosphatidylinositol 3-kinase, PI3K)相关激酶(phosphatidylinositol 3-kinase-related protein kinases, PIKK)的家族成员的一员，是一种进化保守的丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶。作为Akt(PI3K蛋白激酶B)通路的下游效应分子，以及作为氨基酸、adenosinetriphosphate (ATP)(三磷酸腺苷酸)和激素的感受器，mTOR的活性便成为自噬形成、成熟的关键[12]。现在普遍认为，mTOR是很多细胞活动的上游通路的汇合点，例如对运动、细胞生长、细胞增殖、存活和自噬的调节等[13]。mTOR主要通过两种机制对自噬的调节作用：(1) mTOR介导的信号转导作用于下游效应物，如哺乳动物细胞中的核糖体蛋白质S6(p70S6) 、S6K1(核糖体蛋白S6激酶)、转录起始因子4E结合蛋白1(4E binding protein 1, 4E-BP1) [14]等来调控自噬;(2) mTOR激酶直接作用于Atg蛋白来调控自噬的形成，如在酵母细胞中，mTOR通过抑制Atg1激酶的活性来抑制自噬的发生[15]。
3.2.2 ClassⅠPI3K/proteinkinase B (PKB)途径作为自噬的负调节分子，ClassⅠPI3K能使PI4P和PI(4, 5) P2发生磷酸化作用，生成PI(3, 4) P2，以及PI(3, 4, 5) P3, 之后结合Akt/PKB和它的活化分子phosphoinositide-dependent kinase l (PDK1) ，进而抑制自噬的发生。而自噬的正向调节分子，phosphatase and tensin homologue (PTEN)(抑癌基因)磷酸酶可以把PI(3, 4, 5) P3去磷酸化，使得ClassⅠPI3K/PKB途径对自噬的抑制被解除[12]。
3.2.3 其他自噬过程中，蛋白降解产生的终极产物-氨基酸，可以负性反馈调节自噬。G蛋白亚基Gi3与GTP结合，则对自噬起抑制作用，而G i3蛋白与GDP结合，却又是自噬的活化因子。在错综复杂的调控网络中，protein kinase A (PKA)、casein激酶II、mitogen-activated protein (MAP)激酶、calcium途径也对自噬过程有调控作用，但其机制还不十分清楚[16]。
4 自噬与凋亡 4.1 凋亡细胞凋亡(apoptosis)被称作I型程序性细胞死亡，凋亡典型的形态学特点是DNA断裂、细胞皱缩变圆、染色质凝聚、胞膜空泡化、核固缩、凋亡小体(包含有部分细胞器、核糖体和核碎片)等。其信号传导通路主要有内源性途径(intrinsic pathway)，又称线粒体途径；外源性途径(extrinsic pathway)又称死亡受体途径；以及内质网途径。
4.2 自噬与凋亡的关系虽然从生化代谢途径和形态学方面来看，自噬和凋亡它们两者之间确实存在着明显的差别，但是越来越多的数据表明，自噬和凋亡之间也有着千丝万缕的联系，但是对于两者之间的关系仍旧存在很大的争议。
目前人们对于自噬和凋亡的关系大致有3种：(1) 自噬是凋亡发生所必需的, 自噬通发生找凋亡之前, 进而启动凋亡。自噬发生在凋亡的前面，是细胞为了避免死亡而做的生存努力，这不难理解。但是当自噬被过度激活的时候，细胞死亡就会通过线粒体中的前凋亡因子的诱导而发生。例如自噬发生过程中的特异性基因Atg5，当有细胞死亡的刺激存在时，calpain可以对Atg5进行剪切，然后促进线粒体依赖性的细胞凋亡。研究发现通过calpains的裂解，Atg5会变成一个N末端相对分子质量为24K的片段，该片段会被从胞浆中转运到线粒体上，并且进一步与线粒体膜上的B-cell lymphoma-xL (Bcl-XL)作用，使得Bax-Bax复合物的形成速度加快，并刺激细胞色素C的释放和caspase的活化[17]。在对MCF-7(乳腺癌细胞)的研究中发现，细胞自噬发生在凋亡之前，并且通过自噬抑制剂3-MA的作用，细胞凋亡的发生被抑制[18]。Bax活性以及线粒体外膜通透性能被p53 upregulated modulator of apoptosis (PUMA)(凋亡的关键调节子)调节。研究表明PUMA可以使受到损伤的线粒体被选择性地清除，通过诱导自噬的发生，在这个过程中还伴随着细胞色素C的释放，而细胞凋亡的应答被减弱，通过抑制PUMA或Bax诱导的自噬[19-20]。(2) 自噬的发生可以以抑制凋亡，进而保护细胞。有研究证明，细胞自噬可以通过自噬相关蛋白降解促凋亡蛋白，如caspase、B cell lymphoma 2 (Bcl-2) 家族蛋白等，起到抑制细胞凋亡的作用。在5-fluorouracil(5-FU)对colon26和HT29 细胞系的作用中，其能够抑制自噬的发生，机制是通过释放细胞色素C、Bcl-xL蛋白被下调、以及激活caspase-3活性等，但这样一来却增强了细胞凋亡的发生[22]。在Myc诱导的小鼠淋巴瘤细胞中，肿瘤细胞对凋亡诱导剂的敏感性可以通过自噬抑制剂-氯喹被增强[21]。MCF-7细胞被喜树碱处理24小时，出现了自噬泡样结构，而且自噬抑制剂可以加速凋亡，其机制是提高线粒体去激化和caspase-9的活性[21]。(3) 自噬与凋亡相互之间可以发生转化，一同促进细胞死亡。在一些环境中，当凋亡被抑制时，细胞就会向自噬转化。例如，当半胱天冬酶的抑制剂抑制HeLa细胞和Chinese hamster ovary (CHO)细胞凋亡的发生时，其就向自噬性细胞死亡方向转化[21]。
5 自噬与坏死之前人们一直以为，坏死它是一种被动的、非程序性细胞死亡机制。然而，近几年，人们发现，其中部分坏死也是受到严格调控的，比如在胚胎发育中，和凋亡一样，坏死也发挥着类似的作用，因而坏死也被归类为程序性细胞死亡[21]。坏死的机制与PAPR(一种聚腺苷二磷酸核糖聚合酶)有关，因为很多种因素导致的坏死都可以被完全的抑制，通过敲除PAPR基因[22]。
就通路方面而言，凋亡与坏死存在着许多的共同点，很多能够诱导凋亡发生的因素，同样也可以导致细胞坏死。所以和凋亡一样，这些促死亡因素被自噬清除，这对坏死的抑制同样也是有利的。其中自噬抑制坏死的一方面表现在能量的维持。因为激活PARP需要消耗大量的ATP，且而自噬维持能量则对缓解坏死的压力有帮助[23]。另外，经过对抗原加工的促进，自噬直接去除病原微生物的功能，对防止细胞坏死也十分有帮助[22]。虽然相关的具体机制我们还不清楚，但是与凋亡一样，在有些情况下，细胞要发生坏死，自噬也是必要的条件[24]。
6 小结自噬不仅是细胞的一种死亡方式，同样也是细胞的一种自我保护机制，它在肿瘤、老化、神经退化等细胞增殖和凋亡发生紊乱的疾病中起着重要的作用。近年来，随着对自噬的深入研究，人们对自噬发生的影响因素、机制、转导信号通路，以及其与凋亡、坏死之间的关系有了进一步的了解，但是仍然有许多地方是我们所不清楚的。因而对自噬的更深一步的研究，对自噬和凋亡之间相互作用的具体机制进行深入探讨，对相关疾病的治疗具有十分重要的意义。
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