自噬性程序性细胞死亡研究进展

自噬性程序性细胞死亡研究进展
陈丽娜 北京大学基础医学院免疫学系分子免疫实验室 北京大学人类疾病基因研究中心
前言
程序性细胞死亡（Programmed Cell Death, PCD）是有机体在漫长的进化过程中发展起 来的细胞自杀机制，在清除无用的、多余的或癌变的细胞，维持机体内环境稳态方面发挥重 要作用。程序性细胞死亡调控机制的失调与多种疾病的发生发展相关，如神经变性性疾病、 自身免疫病、恶性肿瘤、衰老、病原微生物感染、肌细胞功能失调等。多数学者将细胞的死 亡形式分为凋亡性程序性细胞死亡(Apoptosis)、 自噬性程序性细胞死亡(Autophagy)和细胞坏 1 死(Necrosis)三种类型 。 凋亡性程序性细胞死亡也称为Ⅰ型程序性细胞死亡。对细胞凋亡的形态学、参与分子 及调控机制的研究由来已久。凋亡细胞的典型形态学特点表现为：细胞皱缩、体积缩小；部 分细胞器、核糖体和核碎片被细胞膜包裹形成凋亡小体，从细胞表面出芽脱落，最后被具有 吞噬功能的细胞如巨噬细胞、上皮细胞等吞噬；磷脂酰丝氨酸外翻；细胞核染色质浓缩、边 缘化、染色质 DNA 断裂。凋亡过程重要的参与分子有：凋亡促进分子半胱-天冬氨酸蛋白酶 （Caspases）家族、Bax/Bak、细胞色素 C 等；凋亡抑制分子 IAP2、Bcl-2 家族分子等。凋亡 信号通过细胞膜受体途径（ Fas/FasL 、 TNF/TNFR 等）或线粒体途径传导，依次激活起始 Caspases (Caspase-8 或 Caspase-9) 和下游信号转导通路的关键分子执行 Caspase (Caspase-3), 启动凋亡 3,4。另外，凋亡形式的程序性细胞死亡也可以 Caspases 非依赖的方式进行。 细胞坏死是细胞对外界损伤刺激的一种非程序性死亡方式，其形态学特点明显异于凋 亡，常伴随炎症的发生。 近年来， 一种新的程序性细胞死亡方式-自噬性程序性细胞死亡吸引了越来越多细胞生 物学家的注意。人们将 Autophagy 称为Ⅱ型程序性细胞死亡，这种形式的细胞死亡表现为细 胞浆中出现大量包裹着细胞浆和细胞器的空泡结构和溶酶体对空泡内成分的降解。 自噬在细 胞的生长、 发育和疾病发生中起着重要的作用。 随着参与自噬性程序性细胞死亡途径的关键 分子的鉴定成功，我们对其分子机制、生理功能和在病理过程中的作用有了进一步的了解。 2004 年 12 月出版的《科学》杂志预测对自噬性程序性细胞死亡的研究会成为 2005 年科技 领域的六大热点之一，且排在第一位。一份全新的国际性杂志《Autophagy》已在 2005 年 4 月份出版，有关自噬研究的第一次国际性会议也已于 2005 年 4 月在意大利召开。估计正如 当年对细胞凋亡的研究一样，对自噬的关注很快会在生命科学领域形成一个新的研究热点。 本综述将就哺乳动物细胞自噬（Autophagy）与自噬性程序性细胞死亡的形态学特点、关键 分子加工机制、信号转导、与细胞凋亡的关系、在病理生理过程中的作用及其研究方法展开 讨论。
二、Autophagy 发生过程的分子机制
目前至少已经鉴定出 27 种参与酵母 autophagy 的特异性基因， 另外还有 50 多种相关基 因。其命名从最初称为 APG ， AUT 和 CVT ，现已被统一命名为酵母自噬相关基因 ATG (AuTophaGy-related) 。哺乳动物自噬相关基因也已由最初的 Atg/Apg/Aut/Cvt ，统一命名为 Atg。哺乳动物自噬基因的命名与酵母相似，但也有个别差异，如酵母的 ATG8 在哺乳动物 称为 LC3，酵母的 ATG6 在哺乳动物则称为 Beclin 1（表二） 。随着研究的深入，许多酵母 中 autophagy 相关基因的同源物均已在哺乳动物中找到， 并分离鉴定成功， 这说明 autophagy 是一个进化保守的过程，其分子机制从酵母到哺乳动物十分相似。
1.2. 泛素化修饰在自噬泡形成过程中的作用
哺乳动物细胞 autophagy 自噬泡的形成过程与 Atg12-结合和 LC3 修饰两条泛素样修饰 过 程 息 息 相 关 。 如 图 三 所 示 20 ： 在 自 噬 泡 形 成 的 早 期 阶 段 （ Preautophagosome ） ，由 Atg12-Atg5-Atg16L 形成的复合物即与其外膜结合，这种结合一方面促进了自噬泡的伸展扩 张，使之由开始的小囊泡样、杯样结构逐渐发展为半环状、环状结构；另一方面，Atg5 复 合物与自噬泡膜的结合还促进了 LC3 向自噬泡的募集。Atg5 复合物在膜上的定位决定膜的 弯曲方向，膜向着背对 Atg5 复合物的方向延伸。当双层膜结构的自噬泡即将形成环状闭合 结构或刚刚闭合时，Atg5 复合物便从膜上脱离下来，只留下膜结合形式的 LC3-II 定位于自 噬泡膜上。因此， LC3-II 含量的多少与自噬泡数量的多少成正比。当哺乳动物细胞发生 autophagy 时，细胞内 LC3 的含量及 LC3-I 向 LC3-II 的转化均明显增加。因此，通过检测细 胞内 LC3-II 的含量变化， 可以方便地判断细胞状态， 判断其 autophagy 是被诱导还是被抑制。 Atg5 复合物对自噬泡的形成至关重要，有报道称破坏小鼠胚胎干细胞 Atg5 基因导致 自噬泡形成缺陷 14；基因突变的 Atg5 丧失了与 Atg12 结合的能力，同时也导致自噬泡延伸 障碍。Atg5-Atg12-Atg16L 复合物为同源四聚体组成的大蛋白复合物，分子量约为 800kDa。 正 常 哺 乳 动 物 细 胞 中 绝 大 多 数 Atg5 、 Atg12 和 Atg16L 以 复 合 物 形 式 存 在 ， 说 明 Atg5-Atg12-Atg16L 复合物的存在并不会导致自噬泡的形成和活化。哺乳动物绝大多数 Atg5-Atg12-Atg16L 复合物存在于胞浆中，在 autophagy 自噬泡膜的延伸过程中，一部分 Atg5-Atg12-Atg16L 复合物定位于膜表面，自噬体的双层膜结构形成后，此复合物便从膜上 解离下来。因此，Atg5-Atg12-Atg16L 复合物的存在是 autophagy 过程中膜的延伸所必需的。 同样，哺乳动物中酵母 Atg8 的同源物 LC3 也要首先经历泛素样翻译后修饰过程，然hagosome） 的形成相关， 而 LC3 修饰过程对自噬泡 （Autophagosome） 的形成必不可少。 Atg12 首先由 E1 样酶 Atg7 活化，之后转运至 E2 样酶 Atg10，最后与 Atg5 结合，形成 自噬体前体（Autophagosomal precursor） 。LC3 前体（ProLC3）形成后，首先加工成胞浆可 溶性形式 LC3-I，并暴露出其羧基末端的甘氨酸残基。同样，LC3-I 也被 Atg7 活化，转运至 第二种 E2 样酶 Atg3，并被修饰成膜结合形式 LC3-II。LC3-II 定位于前自噬体和自噬体，使 之成为自噬体的标志分子。一旦自噬体与溶酶体融合，自噬体内的 LC3-II 即被溶酶体中的 水解酶降解。LC3 是酵母 autophagy 相关基因 ATG8 的类似物。哺乳动物细胞内源性 Atg5 和 Atg12 主要以结合形式存在；而胞浆可溶性 LC3-I 和膜结合型 LC3-II 的比例在不同组织 和细胞类型变化很大。 哺乳动物细胞 autophagy 过程中两条泛素样加工修饰过程可以互相调 节，互相影响。 Atg5 基因缺陷的鼠胚胎干细胞缺乏 Atg12-Atg5 复合物，其 LC3-I 到 LC3-II 的修饰同 时 受 到 影 响 14 。 在 哺 乳 动 物 细 胞 HEK293 中 ， Atg3 除 作 用 于 其 底 物 LC3, GATE-16 (Golgi-associated ATPase enhancer of 16 kDa, 分子量为 16kDa 的高尔基体相关 ATP 酶增强 子 ) 和 GABARAP （ γ-amminobutyric acid receptor associated protein, γ- 氨基丁酸受体相关蛋 白）外，还与 Atg12 和 Atg12-Atg5 复合物相互作用 15,16。虽然 HEK293 细胞中单独超表达 游离的 Atg12 促进了 LC3-I 到 LC3-II 的修饰，过多 Atg12-Atg5 复合物的存在却可抑制上述 修饰过程 15。 在 Atg7 存在的情况下， HEK293 细胞超表达哺乳动物 Atg3 可促进 Atg12-Atg5 16 复合物的形成 。 这些研究结果提示 Atg3 与 Atg12 和 Atg12-Atg5 复合物的相互作用在 Atg12 结合和 LC3 修饰两条泛素化修饰过程中起重要作用。哺乳动物 Atg10 除结合 Atg12 外，还 与 LC3 相互作用 17。Atg10 与 Atg12 形成 E2 样底物中间物，但不与 LC3 结合。在 Atg7 存 在下，超表达 Atg10 还可促进 LC3-I 到 LC3-II 的修饰 17。酵母和哺乳动物的 Atg7 以同源二 聚体形式存在 18,19。这些结果说明 Atg12-结合和 LC3-修饰两条泛素样修饰过程相互偶联， Atg10 和 Atg3 两种 E2 样酶在调控 autophagy 上述两条泛素样修饰过程中发挥重要作用。
一、Autophagy 的形态学特点及分类
Autophagy 是凋亡之外的第二种程序性细胞死亡方式，在进化过程中高度保守，从酵 母、果蝇到脊椎动物和人都可以找到参与autophagy 的同源基因。相对于主要降解短半衰期
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蛋白质的泛素-蛋白酶体系统，细胞的自噬被认为是参与绝大多数长半衰期蛋白质的降解5,6。 在形态学上，即将发生autophagy 的细胞胞浆中出现大量游离的膜性结构，称为前自噬泡 （Preautophagosome） 。前自噬泡逐渐发展，成为由双层膜结构形成的空泡，其中包裹着变 性坏死的细胞器和部分细胞浆，这种双层膜被称为自噬泡（Autophagosome） 。自噬体双层膜 的起源尚不清楚， 有人认为其来源于粗面内质网， 也有观点认为来源于晚期高尔基体及其膜 囊泡体，也有可能是重新合成的。自噬泡的外膜与溶酶体膜融合，内膜及其包裹的物质进入 溶酶体腔，被溶酶体中的酶水解。此过程使进入溶酶体中的物质分解为其组成成分（如蛋白 质分解为氨基酸，核酸分解为核苷酸） ，并被细胞再利用，这种吞噬了细胞内成分的溶酶体 被称为自噬溶酶体（Autophagolysosome or Autolysosome） 。尽管在进化过程中，底物运送到 溶酶体的机制发生了变化，autophagy 本身却是一个进化保守的过程。与其他蛋白水解系统 相似， 溶酶体参与了细胞内组成成分的持续性转运和翻新 （尤其是长半衰期蛋白质的分解和 再利用） 。在autophagy 过程中，除可溶性胞浆蛋白之外，像线粒体、过氧化物酶体等细胞 器或细胞器的一部分，如高尔基体和内质网的某些部分都可被溶酶体所降解；最近，有研究 发现，酵母细胞核的某些区域也可通过autophagy 途径被清除7-10。 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 autophagy 可分为三种主 要方式 11：大自噬（ Macroautophagy） 、小自噬（ Microautophagy）和分子伴侣介导的自噬 (Chaperone-mediated autophagy) 。在大自噬形式的 autophagy 中，细胞浆中可溶性蛋白和变 性坏死的细胞器被非溶酶体来源的双层膜结构所包裹，即前面提到的自噬泡 （Autophagosome） ，并由自噬泡将其携带到溶酶体中降解加工；小自噬形式的 autophagy 与 之不同，溶酶体膜自身变形，包裹吞噬细胞浆中的底物。在大自噬和小自噬两种形式的 autophagy 中，底物被其所包裹的膜性结构带至溶酶体后，均发生膜的迅速降解，进而释放 出其中的底物，使溶酶体中水解酶对底物进行有效水解，保证了细胞对底物的再利用。分子 伴侣介导的自噬首先由胞浆中的分子伴侣 Hsc73 识别底物蛋白分子的特定氨基酸序列 (如 KFERQ- 样 模 体 ) 并 与 之 结 合 ， 分 子 伴 侣 - 底 物 复 合 物 与 溶 酶 体 膜 上 的 受 体 Lamp2a (Lysosome-associated membrane protein 2a) 结合后，底物去折叠；溶酶体腔中的另外一种分 子伴侣介导底物在溶酶体膜的转位， 进入溶酶体腔中的底物在水解酶作用下分解为其组成成 12 分，被细胞再利用 。因此，自噬可被认为是真核细胞中广泛存在的降解/再循环系统。哺 乳动物细胞三种形式 autophagy 的比较参见图一和表一。