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深度长文!细胞自噬在健康和疾病中的作用

2018/03/14 来源:生物探索
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导读
自上世纪60年代科学家发现细胞自噬现象以来,人们获知衰老、癌症可能与我们身体的最小组成单位——细胞受损有关,但其详细机制如何,一直未有定论。这一生命之谜陷入长久僵局。2016年,日本科学家大隅良典因发现细胞自噬的分子机制获得诺贝尔生理学或医学奖,为这一领域打开新的大门。本文将从细胞自噬的发现、发展以及在健康和疾病中的作用等角度,详细介绍该领域的发展。


N.R.FULLER, SAYO-ART LLC

细胞自噬的发现

上世纪50年代中期,圣路易斯华盛顿大学医学院的Sam Clark Jr.通过电子显微镜观察新生鼠肾,并发现了他以前从未见过的东西。正如他后来所描述的那样,在肾细胞的细胞质内似乎存在膜结合结构。有趣的是,这些结构似乎含有改变的线粒体。

在Clark发表观察结果后不久,几位独立的研究人员支持了这一发现。其中包括阿尔伯特爱因斯坦医学院的Alex Novikoff,并使用了细胞溶质体(cytolysome)这一术语来描述这些结构。 他和他的同事Edward Essner在1962年写到:“细胞质在液滴中找到了方向,显然正在消化过程中。”

这也就是今天所说的宏自噬(macro-autophagy),这个词来源于希腊语“auto”,意思就是“自我”,“phagein”意思是“吃”。在自噬过程中,细胞以一种受调控的方式消耗自身的部分。

自噬的标志是一种称为噬菌体的瞬时双膜结构的形成。与分泌物运输囊泡相反的是,它从一个细胞器中分离出来,其中的底物已经被包裹在里面,噬菌体在其组装过程中获得了底物。可能在细胞质中形成独立的结构,也可能与细胞器(如内质网)接触。吞噬泡(phagophore)不断扩大,在底物容量方面提供了巨大的灵活性。随着它的扩张,会隔离细胞质组分,包括蛋白质,脂质,甚至整个细胞器。一旦其有效载荷得到保证,吞噬细胞就会关闭并成熟为一种自噬体,然后将被隔离的底物封闭在这个隔间的腔内。然后,自噬体通过膜融合将底物送到真菌和植物的溶解室,以及在后生的溶酶体中进行降解和循环利用。这就是半个多世纪前引起了Clark和Novikoff注意力的自噬体。

今天,自噬被认为是维持细胞稳态的关键过程,也是对等压力源的反应,如营养缺乏,这可能会危及细胞的生存。当细胞接触到这些压力源时,原本在低水平发生以平衡生物分子的恒定合成的自噬,就会被大幅度上调。这种上调会增加了细胞的吸收和降解,将大分子释放回胞质中以驱动必须的代谢反应并产生能量。

在正常和压力条件下,自噬对细胞健康的贡献,意味着这种严格调控和精确协调过程的重要生理和病理作用。事实上,自噬在哺乳动物的发育过程中被发现是有用的。此外,最近的研究发现自噬是各种疾病和病症的重要调节器。探索自噬在发育和疾病中的参与,对于更全面地了解这一途径的作用至关重要,并且可能对保持健康或治疗疾病有影响。

自噬机制

细胞中的一些分解代谢途径分解大的分子。值得注意的是,一种叫做泛素蛋白的小蛋白质与另一种细胞蛋白的结合——通常是连续添加泛素蛋白来生成聚类蛋白链——可以标记蛋白质降解,从而导致氨基酸的释放。其他生物聚合物(如碳水化合物和脂质)也存在类似的降解机制。

那么,自噬的独特之处在哪里呢?答案在于自噬体大小和底物选择的灵活性。自噬可促进大量的底物降解,使细胞能够快速高效地在各种营养不足的情况下产生可循环的基本建筑材料。此外,自噬是能够降解整个细胞器的唯一途径,无论是随机或以有针对性的方式进行 - 这是真核细胞复杂环境内维持平衡状态的关键过程。

自噬受到严格的调节,以确保只有在需要时才会加速,然后及时地进行。细胞的中心代谢传感器TOR复合体1(哺乳动物中的TORC1或MTORC1),对氨基酸和生长因子的可用性很敏感,并且当这些成分丰富时抑制自噬诱导。当细胞缺乏这些分子时,TORC1 / MTORC1失活,促进自噬的增加。与此同时,其他分子调控器监测细胞的各种营养状况,如葡萄糖,或以ATP的形式提供能量,当这些营养物质或代谢产物达到极低的水平会触发自噬。

一旦启动自噬,多个自噬相关蛋白(Atg)蛋白协同作用,以协调噬菌体的形成和自噬的后续步骤。

尽管目前科学家们对自动吞噬的整个过程已经很清楚了,但这个领域仍在努力寻找和适应许多缺失的谜团。例如,对自噬体的膜的供体没有具体建立。同样,我们也不能完全理解噬菌体扩张是如何被调控的,或者是什么决定了自噬的发生频率。当我们认为许多类型的自噬是高度选择性的,并且这些过程的启动和调节仍然是神秘的,就会出现更多的问题。进一步了解这些选择途径至关重要,因为它们与胚胎发育、健康成长和人类疾病密切相关。

自噬在发展

上世纪70年代末,纽约圣约翰大学的Richard Lockshin和他的同事们证明了这一点。在昆虫的蜕变过程中发生了吞噬作用。10年半之后,研究人员发现,在自噬中有缺陷的突变酵母菌细胞不会产生孢子。这是自噬可能在机体发育过程中起作用的第一个提示,但直到最近才有研究者开始阐明这一过程对后生动物的细胞分化和发育的贡献。


SELF DIGESTION来源: N.R.FULLER, SAYO-ART LLC

在过去的15年中,研究人员已经证明,在哺乳动物早期胚胎发生过程中,非选择性自噬(主要是饥饿反应)也是必需的自噬对于卵母细胞重编程后受精可能至关重要。当胚胎自身的基因组接管时,卵母细胞带有母体衍生的mRNA和蛋白质,蛋白质在卵子与精子融合后被降解,合子分裂成两个细胞。这种从母体到胚胎控制的转变可能至少部分取决于自噬。

自噬也是胚胎到新生儿的转变的必要条件。事实上,在小鼠的某些组织中,包括心脏,在出生后不久就会有大量的自噬现象发生。这种增加的原因可能是由于胎盘营养的终止而造成的暂时但严重的饥饿;自噬有助于释放在这一时期生存所必需的氨基酸和能量来源。

选择性自噬在胚胎发育后也起着重要的作用。红细胞的氧传递功能取决于大量的氧结合蛋白血红蛋白的存在。为了满足这一需求,前体网状细胞必须清除大多数细胞器,使其成熟为红细胞。网状细胞通过线粒体自噬降解线粒体,这是一种选择性自噬降解。靶向线粒体降解也发生在几个后生动物物种的合子发育过程中,从而消除了父系线粒体,使得只有母体线粒体被遗传。 2017年,得克萨斯大学西南医学中心的Beth Levine及其同事确定了内部线粒体膜蛋白,它可以作为一种新型的线粒体受体,并表明这种蛋白质在清除秀丽线虫的父系线粒体中起着至关重要的作用。

这些只是自噬在正常发育中扮演角色的一小部分。随着生物体的成熟,这种循环途径继续保持细胞环境中功能性细胞器和基本生物大分子的健康平衡。进一步阐明自噬的作用,不仅在机理层面上,而且在生理结果方面,对于理解这一动态过程如何调节各个年龄段的生物体内的代谢平衡是非常重要的。

自噬失调

考虑到自噬在生理学中的作用,这一过程的失调与许多病理学有关,从感染性疾病到神经退行性疾病再到癌症,都是不足为奇的。了解自噬与疾病之间的关系对于设计有效的治疗干预措施至关重要。

1984年,弗吉尼亚理工大学兽医学院的Yasuko Rikihisa发表了第一份自噬诱导感染的报告,他表示,在哺乳动物的细胞中孵育出了一种能引起多种蜱传疾病的立克氏菌,引发了自噬体的形成。然而,直到最近,研究人员才开始了解真核细胞是如何使用一种选择性自噬的方式来消灭入侵的病原体。异食癖是由细菌表面蛋白的泛素化引起的,这种蛋白被泛素结合的自噬受体所识别,这种受体可以通过噬菌体来促进病原体的隔离。


SELECTIVE AUTOPHAGY来源: N.R.FULLER, SAYO-ART LLC

在这种情况下,自噬与先天免疫系统的组分协同工作,如Toll样受体(TLRs)。 TLR介导最初对病原体的识别,随后的TLR信号促进炎症,并可能刺激自噬,至少在一定程度上是通过修饰自噬受体实现的。尽管炎症是在感染部位招募免疫细胞的必要步骤,炎症反应的扩展可能对组织有害。来自日本大阪大学的Shizuo Akira实验室的研究显示,失去了自噬蛋白ATG16L1,导致小鼠体内促炎细胞因子的产生。这一发现表明,在免疫反应过程中,自噬不仅介导了病原体的清除,还可能限制炎症,以防止不必要的组织损伤。

最近,威尔康奈尔医学院的J. Magarian Blander实验室的研究发现,内质网的自噬是一种细胞应激反应途径的重要组成部分,它是由活的革兰氏阳性菌感染引起的。在此级联反应中,自噬在受感染细胞的应激反应后,在动员一种有效的先天免疫应答方面起着重要作用,部分原因是引起传感器蛋白TMEM173/ st12的重新定位。

通过自噬调节免疫系统可能并不总是有益的。瑞士苏黎世大学JanLünemann实验室最近的一项研究表明,自噬机制的组分可能在加剧多发性硬化症(一种影响中枢神经系统(CNS)的自身免疫性疾病)中发挥作用。称为树突细胞的一类免疫细胞使用ATG依赖性吞噬作用来呈递源自有髓鞘CNS驻留细胞降解的肽作为抗原。这些自身抗原促进自身反应性效应T细胞的激活,导致自身免疫性攻击和进行性神经变性。

自噬的主要作用是细胞保护作用,它在一些神经退行性疾病如亨廷顿氏病(HD)和帕金森氏病(PD)中具有保护作用。剑桥医学研究所的David Rubinsztein及其同事首先证明了自噬促进了聚集倾向性蛋白质的降解,如突变型HTT(亨廷丁),它是HD中的主要元凶之一。他们后来报告说,激活的自噬拯救了HD的苍蝇和小鼠模型中的神经退行性表型。

在PD中,线粒体自噬的丧失已被确定为发病机制中的关键因素。尽管大多数PD病例是散发性的,但线粒体相关基因PINK1和PRKN的突变通常与家族性PD有关。 2016年,来自斯坦福大学医学院王新南(音译)实验室的研究表明,散发性PD的病例也可能与线粒体自噬缺陷密切相关。这并不让人意外,因为神经元严重依赖线粒体ATP的合成来进行能量密集型的过程,如动作电位的产生和传递,神经递质转运,以及突触信号。因此,线粒体内稳态对正常的神经元功能至关重要。神经元通过有选择性地去除受损的线粒体,而这些线粒体不仅在产生ATP的过程中效率低下,而且还会产生高水平的活性氧(ROS),从而促进蛋白质和脂质氧化和DNA损伤,从而导致进一步的细胞功能障碍。 突变型线粒体缺失神经元的ros诱导死亡可能是PD发病机制的一个主要因素。

自噬也与癌症有关。1999年,Levine小组做出了具有里程碑意义的发现,即只有一个自噬相关基因Becn1功能性拷贝的小鼠表现出增加的肿瘤发生。然而,与自噬在阻断肿瘤发生中的明显作用相反,有证据表明自噬可以也促进恶性肿瘤的发展。自噬在癌症中所扮演的角色在一定程度上解释了肿瘤生成与进展之间的关系。由基因不稳定性、代谢紊乱、线粒体功能障碍等应激因素促进癌基因转化;自动吞噬作用抑制了这些压力,从而抑制了肿瘤的形成。然而,一旦肿瘤形成,游戏就会发生根本的变化。肿瘤内的细胞由于生长速度快和增殖速度快而增加了新陈代谢的需求,但是这些癌细胞并不是由脉管系统提供的营养物质。这些细胞部分通过上调自噬来满足其代谢需要。

最近的研究表明,自噬在促进肿瘤进展中的作用不仅限于癌症本身的细胞效应,而且还延伸至调节肿瘤微环境。 2017年,来自奥斯陆大学的Tor Erik Rusten小组证明,在果蝇中,肿瘤微环境中的自噬增加促进了肿瘤的生长和侵袭。同样,纽约大学Langone卫生学院Perlmutter癌症中心的Alec Kimmelman及其同事的工作也阐明了胰腺导管腺癌和与基质相关的胰腺星形细胞(PSCs)之间的相互作用。这项研究表明,肿瘤细胞促进PSCs中的自噬,刺激这些细胞产生代谢产物和基础生物分子。然后肿瘤细胞捕获并使用这些代谢物在其他营养贫乏的条件下存活和生长。

由于癌细胞依赖于自噬来维持生存,抑制这一过程是一项耐人寻味的抗肿瘤治疗策略;然而,限制自噬可增加对感染和神经退行性疾病的易感性。治疗性靶向途径与自噬一样重要,这并非易事。

前景展望

作为一个科学领域,自噬的研究正处于一个非常激动人心的时刻。尽管研究人员已经部分揭示了自噬引发、进展和调节相关的一些机制,但我们对自噬在发育和疾病中的作用的认识还处于早期阶段,关于自噬相关蛋白的功能,还有更多的问题要解决。进一步认识到这一过程在病理生理学中所起的作用,有望找到治疗的新途径。

参考资料

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Eat Yourself to Live: Autophagy’s Role in Health and Disease

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