細胞自噬的歷史與展望
轉自 細胞自噬公眾號
| 作者：劉晗 | 戚昀 | 林鑫華
自噬研究的歷史
自噬autophagy一詞源自希臘語优训，在1963年由比利時生物化學家德迪夫（C. de Duve）針對在細胞中觀察到的自噬現(xiàn)象而命名。希臘語里逞盆，auto-意為自己巾陕，phagein意為吃掉擎宝，中文譯為自噬冕碟。自噬是指細胞對不必要或受損的細胞器進行吞噬滚粟、降解及再利用的過程癌幕，自噬過程既能發(fā)生在各種極端情況下以確保細胞存活子眶，也存在于細胞的正常狀態(tài)下，以維持細胞的穩(wěn)態(tài)平衡序芦。
自噬現(xiàn)象最初由洛克菲勒研究所（Rockefeller Institute）的波特（K. R. Porter）和他的學生阿什福德（T. Ashford）于1962年報道臭杰，當時他們觀察到胰高血糖素刺激后，大鼠肝細胞中的溶酶體（lysosomes）增加谚中，更有意思的是渴杆，在移動到細胞中心的一些溶酶體中檢測到來自其他細胞器如線粒體的成分。當時他們錯誤地以為這個現(xiàn)象只是溶酶體的形成過程宪塔，并不認為溶酶體是像線粒體一樣存在于細胞質(zhì)中的細胞器磁奖，且將觀察到的水解酶理解為是由微體產(chǎn)生的。1963年某筐，赫魯班（Z. Hruban）等報道了局部細胞質(zhì)降解的超微結構比搭，該報道參考了1955年德國科學家的損傷誘導融合模型，觀察到了從細胞質(zhì)融合到生成溶酶體的三個連續(xù)步驟南誊，并提出這個過程不僅由損傷階段誘發(fā)身诺，而且在細胞分化的生理階段，同樣的過程也在“細胞器處置”和“細胞成分再利用”中行使功能抄囚。這篇報道引起了當時也在洛克菲勒研究所工作的德迪夫的興趣霉赡，與之前波特的看法不同，德迪夫把這種現(xiàn)象命名為自噬（autophagy）幔托，并提出在胰高血糖素引發(fā)的肝細胞降解過程中溶酶體發(fā)揮了功能穴亏。1967年德迪夫連續(xù)發(fā)表兩篇文章證實胰高血糖素誘發(fā)的自噬是由溶酶體介導的，他也由此成為第一位報道溶酶體參與細胞內(nèi)自噬的科學家[1]重挑。1974年德迪夫因發(fā)現(xiàn)細胞內(nèi)結構及功能性器官（溶酶體和過氧物酶體）嗓化，與另外兩位科學家共享了該年度的諾貝爾生理學或醫(yī)學獎。
盡管自噬現(xiàn)象的命名人德迪夫成為諾獎獲得者谬哀，但在大隅良典開始他的酵母模型試驗之前刺覆，自噬并未得到生物學家的特別關注，因而幾乎沒有研究者再對其進行深入研究玻粪。
大隅良典的貢獻
大隅良典研究自噬既有其偶然性也有其必然性隅津。1974—1977年他在洛克菲勒大學做博士后诬垂，而該大學的前身正是洛克菲勒研究所。當時他的主要課題并不是自噬伦仍，在主課題研究停滯不前的時候结窘，他開始了在酵母中研究DNA復制這一副課題，由此充蓝，經(jīng)過一段曲折的經(jīng)歷隧枫，逐漸走上研究細胞自噬的道路，從1988年開始以酵母為模型研究自噬谓苟。雖然那時距離發(fā)現(xiàn)自噬現(xiàn)象已有20多年官脓，但自噬并沒有引起科學界的足夠重視，似乎沒人對它感興趣涝焙。正如瑞士巴塞爾大學的哈爾教授（M. Hall）在接受采訪時說的卑笨，有關自噬的研究狀況可以概括為“波瀾不驚”，“基本上被認為是細胞中處理垃圾的系統(tǒng)”仑撞，“非特異性地降解垃圾而已”赤兴。
大隅良典在1992年發(fā)表了他在自噬領域的重要文章。首次報道了在酵母細胞囊泡中因養(yǎng)分缺乏而廣泛導致細胞質(zhì)元件自噬性降解隧哮，更為重要的是桶良，他因此能利用各種酵母突變體來確定和研究參與自噬過程的基因[2]。經(jīng)過上千個酵母突變體的篩選沮翔，大隅良典在第二年報道了15個對于自噬過程至關重要的基因[3]陨帆。他的發(fā)現(xiàn)開啟了新的研究方向。從1992年起采蚀，包括大隅良典在內(nèi)的多位科學家分別報道了自噬的相關基因疲牵，此后大家意識到自噬在細胞乃至機體存活中的重要意義，并進一步發(fā)現(xiàn)自噬在生理和病理上的重要作用搏存，自噬研究成為熱點瑰步。大隅良典在接受諾獎采訪時也表示，在他剛研究自噬的時候璧眠，該領域每年僅有不足20篇文章出爐，而到了1990年代读虏，酵母系統(tǒng)被廣泛應用于基因研究后责静，自噬領域的文章已超過5000篇。
2016年諾貝爾生理學或醫(yī)學獎揭曉時盖桥，大家先是驚訝于大隅良典一人獨得該獎項灾螃，因為其他在自噬領域做出過突出貢獻的學者，諸如德國格丁根大學醫(yī)學院生物化學家圖姆（M. Thum）和美國密歇根大學細胞生物學家克林奧斯蓋卻未被授獎揩徊。前者檢測到饑餓誘導的無選擇性自噬現(xiàn)象腰鬼，而后者則發(fā)現(xiàn)了細胞質(zhì)到囊泡的靶向通路（cytoplasm-to-vacuole targeting嵌赠，CVT）。但綜合幾人的發(fā)現(xiàn)及其意義來看熄赡，如果只能在自噬研究領域選擇一人姜挺，則非大隅良典莫屬。
自噬的過程及其分子機制
1990年代后彼硫，隨著自噬被“重新發(fā)現(xiàn)”炊豪，關于自噬的研究也進入了新的階段。得益于分子生物學技術的發(fā)展拧篮，關于自噬的調(diào)節(jié)和執(zhí)行機理研究已取得突破词渤，至少33個自噬相關基因（autophagy-related genes，Atg）通過酵母基因篩選的方法被鑒定串绩，其中很多基因在黏菌缺虐、植物、蠕蟲礁凡、果蠅和哺乳類動物中是保守的志笼，再次證明高度保守的自噬過程是細胞最基礎的功能之一。
目前定義的自噬有三個類型把篓，其各自的過程稍有不同：大自噬（macro-autophagy）纫溃，由雙層膜結構的囊泡作為載體，包裹細胞質(zhì)結構形成自噬體韧掩，然后與溶酶體融合形成自噬溶酶體并降解內(nèi)容物紊浩；小自噬（micro-autophagy），由溶酶體的膜內(nèi)陷疗锐，直接包裹細胞質(zhì)元件并在其中降解坊谁；分子伴侶介導的自噬（chaperone-mediated autophagy，CMA）滑臊，細胞內(nèi)目標蛋白會被分子伴侶蛋白識別并構成復合體口芍，之后被溶酶體膜上受體——溶酶體相關膜蛋白2A（lysosomal-associated membrane protein 2A，LAMP-2A）識別雇卷，轉運到溶酶體腔內(nèi)被降解鬓椭。三種自噬方式都是由溶酶體最終將細胞質(zhì)元件降解，但分子伴侶介導的自噬在降解蛋白質(zhì)時有選擇性关划，大自噬與小自噬則無明顯的選擇性[4]小染。
自噬過程簡圖
在分子水平上，自噬是由自噬相關基因Atg執(zhí)行并完成的贮折，在自噬過程中有5個關鍵步驟裤翩。先是在多種信號通路調(diào)控下，自噬體的膜結構形成调榄；此后Atg5-Atg12結合踊赠，與Atg16L相互作用在自噬體膜上形成多聚體呵扛；隨后微管相關蛋白輕鏈3（microtubule-associated protein light chain 3， LC3）處理并嵌入延伸的自噬體膜筐带；延伸的膜結構捕獲隨機或目標蛋白質(zhì)今穿；最終，自噬體與溶酶體融合烫堤，由溶酶體內(nèi)蛋白水解酶對蛋白質(zhì)進行降解荣赶。
自噬的功能及應用
自噬在近些年得到越來越多的關注，不僅僅是因為發(fā)現(xiàn)自噬參與了人類眾多的生理機能鸽斟，還因為自噬是很多疾病發(fā)生發(fā)展的重要風險因子拔创。誘導或抑制自噬，在疾病治療上可能有重要的作用富蓄。
自噬在細胞水平的多種功能最早是從酵母實驗中觀察到的剩燥。在饑餓環(huán)境下酵母細胞中的自噬水平明顯提高，這使得酵母能迅速將無用的蛋白質(zhì)降解為氨基酸立倍，從而合成細胞生存所必需的重要蛋白質(zhì)灭红。如果用基因突變的方法抑制酵母細胞的自噬水平，突變的酵母細胞則會在饑餓環(huán)境中迅速死亡口注，在饑餓環(huán)境下對蛋白質(zhì)進行降解后再利用的過程中变擒，自噬是必不可缺的。細胞水平的自噬機制在先天免疫中也起著很重要的作用寝志，在感染細胞中刺激誘導產(chǎn)生的自噬有助于病原體的降解娇斑。在病毒感染過程中，細胞質(zhì)中的自噬體會包被病毒并將其運輸至內(nèi)吞體（endosomes）材部，其中的Toll樣受體（TLR）會被激活毫缆，進而逐級引發(fā)信號通路，最終誘導細胞產(chǎn)生干擾素和其他抗病毒的細胞因子乐导。由于自噬在蛋白降解過程中的重要作用苦丁，在微生物學中把感染微粒的自噬性降解稱為異體吞噬（xenophagy）。此外物臂，自噬還會降解受損的細胞器旺拉、細胞膜以及蛋白質(zhì)，在機體修復中起到重要作用鹦聪。有實驗表明账阻，失去自噬功能會導致細胞內(nèi)損傷的累積以及細胞老化。在細胞程序性死亡（programmed cell death泽本，PCD）中也觀察到自噬體的存在及自噬蛋白的作用[5]，不過姻僧，目前對于自噬活動在程序性死亡細胞中的活動是導致細胞死亡的原因還是細胞存活的機制尚存在很大爭論规丽，但非常確定的是蒲牧，自噬在其中有重大作用。隨著對自噬在細胞水平上的功能認知的日益完善赌莺，科學家已經(jīng)認可自噬是細胞質(zhì)量控制的重要組成部分冰抢。
既然自噬在細胞水平的多種作用都是不可或缺的，它與人類的生存以及疾病的產(chǎn)生和發(fā)展的重要關聯(lián)也就不言而喻了艘狭。在營養(yǎng)學研究者看來挎扰，利用限制卡路里攝取來維持甚至激活自噬對于延長人類生命可能有很大作用〕惨簦科研人員在線蟲遵倦、果蠅和小鼠中通過抑制自噬觀察到細胞代謝的壓力，而限制飲食很可能因自噬增加而減輕代謝的壓力官撼。目前對于自噬有助于延壽的研究僅限于線蟲等低等動物梧躺，在哺乳動物，由于其研究的復雜性傲绣，目前暫無明確的結論掠哥。
在人體內(nèi)，自噬不僅在維持靜息狀態(tài)下的內(nèi)環(huán)境平衡起著不可缺少的作用秃诵，在體育鍛煉過程中對維持肌體的動態(tài)平衡也起著重要作用续搀。當小鼠體內(nèi)自噬被抑制的情況下，小鼠運動過程中糖代謝受限菠净，耐力明顯下降禁舷。在骨骼肌中，存在一種特殊的分子伴侶相關的選擇性自噬（chaperone-assisted selective autophagy嗤练，CASA）榛了，CASA分子伴侶復合物識別骨骼肌中運動受損的細胞骨架元件并將其降解。這種特殊自噬過程對于維持肌肉活力是必需的煞抬。除了對肌肉穩(wěn)態(tài)維持的作用霜大，自噬在骨關節(jié)炎的病情發(fā)展中也有重要作用。研究發(fā)現(xiàn)革答，在小鼠和人類战坤，隨著年齡的增加，關節(jié)軟骨和韌帶中自噬相關蛋白減少残拐，關節(jié)中持續(xù)活躍的自噬也隨之降低途茫。不僅如此，韌帶損傷也會導致自噬相關蛋白減少溪食，提示結構性損傷也會導致自噬的降低[6]囊卜。由此可推測，自噬在關節(jié)中起到了維持正常功能的保護作用。
癌癥中的自噬也是自噬研究領域的一大熱點栅组。目前對于自噬在癌癥中的利害關系有很大爭議雀瓢，即自噬是保護機體抑制腫瘤產(chǎn)生和增長，還是有助于癌細胞增殖并存活玉掸，但這兩方都承認自噬在癌癥中的重要作用刃麸。支持前者觀點的實驗中，在雜合體小鼠中只具有一個拷貝的調(diào)節(jié)自噬的基因Beclin 1司浪，小鼠更容易形成腫瘤泊业，而過表達Beclin 1基因則明顯抑制腫瘤生長[7]；支持后者觀點的實驗證據(jù)則是在癌癥治療中抑制自噬啊易，治療效果更為明顯吁伺。也許關于自噬在癌癥中的作用與癌癥本身的復雜性密不可分。但可以確定的是认罩，把自噬作為癌癥治療的藥物靶點在抗癌藥物的篩選中是很有意義的箱蝠。目前無論是支持自噬抑制腫瘤產(chǎn)生的學派，還是支持自噬有助于癌細胞增殖的學派垦垂，都將調(diào)控自噬視為潛在的癌癥治療藥物靶點宦搬。
近年來，線粒體疾病的研究也與自噬聯(lián)系在了一起劫拗。神經(jīng)退行性疾病帕金森布湫！（Parkinson disease）的病因以往被認為是損傷的線粒體累積和蛋白質(zhì)堆積，最終導致神經(jīng)元退化页慷。針對原發(fā)性帕金森病的研究表明憔足，由于自噬功能受到抑制，受損線粒體會進一步加強細胞的氧化壓力酒繁，進而導致自噬抑制和細胞內(nèi)蛋白質(zhì)堆積滓彰，這些又都最終導致線粒體溶脹和去極化[8]，由此可見州袒，自噬與帕金森病的發(fā)病和發(fā)展是密切關聯(lián)的揭绑。
這里必須指出，雖然自噬在疾病發(fā)生發(fā)展中的作用非常重要郎哭，但自噬研究的直接應用價值尚未得以完全體現(xiàn)他匪，后續(xù)的深入研究將有助于開發(fā)自噬對于人類健康的應用價值。
從大隅良典開拓細胞自噬研究領域以來夸研，包括中國科學家在內(nèi)的多國科學家都對闡述自噬的機制邦蜜、自噬在生理和病理上的意義做出了非凡的貢獻。以發(fā)表自噬研究內(nèi)容為主的期刊——《自噬》（Autophagy）亥至，其主編正是在自噬領域做出過突出貢獻的細胞生物學家德迪夫悼沈〖伲可能連最初命名自噬的德迪夫都意想不到，自噬已不僅僅是細胞生物學研究中的一個重要內(nèi)容井辆，它開始向遺傳學关筒、生理學溶握、病理學等多學科領域拓展杯缺，自噬可以說是生物學研究的一個多學科課題。有理由相信睡榆，自噬研究不但讓我們對自噬相關疾病發(fā)生和發(fā)展的機制有更深的認識萍肆，也將提供我們更好的攻克癌癥、感染胀屿、甚至神經(jīng)退行性疾病等的對策塘揣。
