細(xì)胞生物學(xué)論文

細(xì)胞自噬細(xì)胞自噬 2016 年 10 月 3 日諾貝爾生理學(xué)獎授予日本科學(xué)家大隅良典 以表彰他發(fā) 現(xiàn)并闡釋了細(xì)胞自噬的機理 在細(xì)胞自噬研究方面做出了杰出貢獻 日本東京 工業(yè)大學(xué)分子細(xì)胞學(xué)教授大隅良典所帶領(lǐng)的研究小組成功的探明了細(xì)胞自噬的 啟動機制 他的研究為理解許多機體生理過程中自體吞噬的重要性奠定了堅實 的基礎(chǔ) 為揭示生命進程的發(fā)展做出了巨大的推動作用 一 自噬的發(fā)現(xiàn)一 自噬的發(fā)現(xiàn) 20 世紀(jì) 50 年代中期 科學(xué)家觀察到細(xì)胞里的一個新的專門 小隔間 這 種隔間的學(xué)名是細(xì)胞器 包含消化蛋白質(zhì) 碳水化合物和脂質(zhì)的酶 這個專 門隔間被稱作 溶酶體 相當(dāng)于降解細(xì)胞成分的工作站 比利時科學(xué)家克里 斯汀 德 迪夫 Christian de Duve 在 1974 年因為溶酶體和過氧化物酶體 的發(fā)現(xiàn) 被授予諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎 克里斯汀 德 迪夫 1974 年獲得諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎 自噬 這個 詞的命名人 60 年代的新觀察表明 在溶酶體內(nèi)部有時可以找到大量的細(xì)胞內(nèi)部物質(zhì) 乃至整個的細(xì)胞器 因此 細(xì)胞似乎有將大量的物質(zhì)傳輸進溶酶體的策略 進 一步的生化和顯微分析發(fā)現(xiàn) 有一種新型的囊泡負(fù)責(zé)運輸細(xì)胞貨物進入溶酶體 進行降解 圖 1 發(fā)現(xiàn)溶酶體的科學(xué)家迪夫 創(chuàng)造了自噬 auotophagy 這 個詞來描述這一過程 這種新的囊泡被命名為自噬體 我們的細(xì)胞有不同的細(xì)胞 小隔間 承擔(dān)不同的作用 溶酶體就是這樣 一種隔間 里面有用于消化細(xì)胞內(nèi)容物的消化酶 人們在細(xì)胞內(nèi)又觀察到了一 種新型的囊泡 叫做自噬體 自噬體形成的時候 逐漸吞沒細(xì)胞內(nèi)容物 例如 受損的蛋白質(zhì)和細(xì)胞器 然后它與溶酶體相融 其中的內(nèi)容被降解成更小的物 質(zhì)成分 這一過程為細(xì)胞提供了自我更新所需的營養(yǎng)和材料 在 20 世紀(jì) 70 年代和 80 年代 研究人員集中研究闡明用于降解蛋白質(zhì)的另 一個系統(tǒng) 即 蛋白酶體 在這一研究領(lǐng)域 阿龍 切哈諾沃 Aaron Ciechanover 阿夫拉姆 赫什科 Avram Hershko 和歐文 羅斯 Irwin Rose 因為 泛素介導(dǎo)的蛋白質(zhì)降解的發(fā)現(xiàn) 被授予 2004 年諾貝爾化學(xué)獎 蛋 白酶體降解蛋白質(zhì)的效率很高 一個個單個降解蛋白質(zhì) 但這個機制沒有解釋 細(xì)胞是怎么解決更大的蛋白質(zhì)復(fù)合物以及破舊的細(xì)胞器的 2016 年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎得主大隅良典曾經(jīng)活躍于多個研究領(lǐng)域 但 自從 1988 年建立了自己的實驗室之后 他就主要研究蛋白質(zhì)在液泡中降解的 過程了 液泡也是一種細(xì)胞器 它在酵母中的地位和人體中溶酶體的地位類似 酵母細(xì)胞相對更容易進行研究 因而常被用作人類細(xì)胞的模型 尋那些在復(fù)雜 細(xì)胞通路中發(fā)揮重要作用的基因時 酵母特別有用 但大隅面臨著一個重大挑 戰(zhàn) 酵母細(xì)胞很小 在顯微鏡下不容易看清它的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 因此他起初都無法 確定自噬現(xiàn)象是否也會發(fā)生在酵母細(xì)胞中 大隅推論 如果他能在自噬行為發(fā) 生的時候阻斷液泡中蛋白質(zhì)分解的過程 那么自噬體將在液泡中累積 從而在 顯微鏡下可見 因此 他培育出因突變而缺乏液泡降解酶的酵母細(xì)胞 并通過 使細(xì)胞饑餓激發(fā)自噬 Fig 1 細(xì)胞自噬體示意圖 大隅良典接著利用了他改造過的酵母菌株 在這些酵母挨餓時 它們的 自噬體會積累起來 如果對自噬過程重要的基因被失活 那么自噬體積累就理 應(yīng)不會發(fā)生 大隅良典將酵母細(xì)胞暴露在一種能隨機在多個基因里引起突變的 藥物中 然后誘導(dǎo)自噬過程 由于大隅良典和緊隨他步伐的研究者的工作 我們現(xiàn)在知道細(xì)胞自噬控制 著許多重要的生理功能 涉及到細(xì)胞部件的降解和回收利用 細(xì)胞自噬能快速 提供燃料供應(yīng)能量 或者提供材料來更新細(xì)胞部件 因此在細(xì)胞面對饑餓和其 它種類的應(yīng)激時 它發(fā)揮著不可或缺的作用 在遭受感染之后 細(xì)胞自噬能消 滅入侵的細(xì)胞內(nèi)細(xì)菌活病毒 自噬對胚胎發(fā)育和細(xì)胞分化也有貢獻 細(xì)胞還能 利用自噬來消滅受損的蛋白質(zhì)和細(xì)胞器 這個質(zhì)檢過程對于抵抗衰老帶來的負(fù) 面影響有舉足輕重的意義 二 細(xì)胞自噬的過程二 細(xì)胞自噬的過程 在此過程中 自噬體的形成是關(guān)鍵 其直徑一般為 300 900 nm 平均 500 nm 囊泡內(nèi)常見的包含物有胞質(zhì)成分和某些細(xì)胞器如線粒體 內(nèi)吞體 過氧化 物酶體等 與其他細(xì)胞器相比 自噬體的半衰期很短 只有 8min 左右 說明自 噬是細(xì)胞對于環(huán)境變化的有效反應(yīng) 盡管對自體吞噬具體過程的了解還需要加強 但是人們已經(jīng)勾勒出自體吞噬 過程的大致輪廓 細(xì)胞質(zhì)中的線粒體等細(xì)胞器首先被稱為 隔離膜 的囊泡所包 被 這種 隔離膜 主要來自于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和高爾基體 囊泡最終形成雙層膜結(jié)構(gòu) 即自吞噬體 autophagosome 也稱之為初始自體吞噬泡 initial autophagic vacuoles AVi 自吞噬體與胞內(nèi)體融合形成中間自體吞噬泡 intermediate autophagic vacuoles AVi d 最終自體吞噬泡的外膜與溶酶體融合形成降解 自體吞噬泡 degrading autophagic vacuoles AVd 由溶酶體內(nèi)的酶降解自體 吞噬泡中的內(nèi)容物和內(nèi)膜 在整個自體吞噬過程中 細(xì)胞質(zhì)和細(xì)胞器都受到破壞 最 明顯的是線粒體和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)受損 雖然自體吞噬并不直接破壞細(xì)胞膜和細(xì)胞核 但 是有證據(jù)表明 在最初斷裂或消化后 細(xì)胞膜和細(xì)胞核會最終變成溶酶體以消 化和分解自身 Fig 2 細(xì)胞自噬過程示意圖 三 細(xì)胞自噬的調(diào)控三 細(xì)胞自噬的調(diào)控 3 13 1 泛素樣蛋白系統(tǒng)對細(xì)胞自噬的調(diào)控泛素樣蛋白系統(tǒng)對細(xì)胞自噬的調(diào)控 泛素化是在翻譯后水平上進行蛋白修飾的一種方式 參與蛋白酶體依賴性 蛋白水解 蛋白功能調(diào)控 亞細(xì)胞分布和 或蛋白質(zhì)互作 在泛素激活酶 ubiquitin activating enzyme El 泛素接合酶 ubiquitin conjugating enzyme E2 以及泛素蛋白連接酶 ubiquitin protein ligase E3 的連續(xù)作用 下 泛素與底物蛋白特定的 Lys 殘基共價結(jié)合完成泛素化 同時 泛素化也是 一種可逆性的過程 可由去泛素化酶將泛素從蛋白質(zhì)上除去 泛素化主要包括 以下 3 步酶促反應(yīng)過程 1 在 ATP 作用下 E1 可在其 Cys 和泛素的 C 端的 Gly 之間形成巰酯鍵 即 E1 SH Ub 從而激活泛素 2 在 ATP 和 E2 酶作用下 泛素從 E1 轉(zhuǎn)移到 E2 上 同樣以巰酯鍵的方式結(jié)合 E2 SH Ub 3 E3 酶可以 特異性識別底物蛋白并與之結(jié)合 與此同 時 E2 將激活的泛素直接轉(zhuǎn)移到某些 E3 結(jié)合的底物上 經(jīng)過多個重復(fù) 多個泛素之間通過 Lys 相互連接 在底物上 形成多泛素鏈 E1 樣酶 Atg7 和 E2 樣酶 Atg10 泛素樣反應(yīng)后 泛素樣蛋白 Atg12 與 Atg5 Lys130 共價耦聯(lián) Atg16L1 作為連接蛋白 增強 Atg12 和 E3 泛素連接酶樣蛋白 Atg5 間的互作 而后 Atg12 Atg5 與 Atg16L1 形成 E3 連接酶樣 復(fù)合體并定位 于 PAS 半胱氨酸酶 Atg4 酶切 LC3 并暴露 C 端最后 5 個 Gly 殘基 在 E2 樣酶 Atg3 輔助下 與磷脂酰乙醇胺 phosphatidylethanolamine PE 發(fā)生 E3 樣共 軛形成脂化的 LC3 LC3 II 并定位于 PAS 吞噬泡加工成為成熟自噬體 3 23 2 mTORmTOR 信號通路對細(xì)胞自噬的調(diào)控信號通路對細(xì)胞自噬的調(diào)控 mTOR mammalian target of rapamycin 屬于 Ser Thr 激酶 參與細(xì)胞發(fā) 育 核糖體生成和代謝調(diào)控等生物學(xué)過程 mTOR 包括雷帕霉素敏感型 mTORC1 和雷帕霉素非敏感型 mTORC2 mTORC1 磷酸化 ULK1 Atg13 RB1CC1 C12orf44 Atg101 復(fù)合體使其失活 從而負(fù)調(diào)控細(xì)胞自噬的形成 其活化程度 可反應(yīng)出自噬水平 如果阻斷 mTORC1 的功能 Ser Thr 激酶可磷酸化 Atg1 復(fù)合體并激活自噬 mTORC2 的磷酸化能激活 Akt PKB 和 Atg1 抑制自噬 也可上調(diào) HIF1A hypoxia inducible factor 1A 的表達 Fig 3 mTOR 上游示意圖 Fig 4 mTOR 下游示意圖 3 33 3 miRNAmiRNA 對細(xì)胞自噬的調(diào)控對細(xì)胞自噬的調(diào)控 microRNA miRNA 是一類長約 22 nt 的內(nèi)源性 非編碼小 RNA 分子 在轉(zhuǎn)錄 后水平調(diào)控基因的表達 研究表明 miRNA 參與細(xì)胞生長發(fā)育 炎癥 腫瘤 衰老 凋亡等多種生理病理過程 近年來 還發(fā)現(xiàn) miRNA 參與了細(xì)胞自噬調(diào)控 在自噬的發(fā)生和形成 中發(fā)揮重要作用 miRNA 與其靶 mRNA 3 UTR 部分互補 序列配對 通過降解 mRNA 和 或抑制蛋白翻譯來調(diào)控基因表達 并且 miRNA 與 其靶 mRNA 的序列同源性決定了是降解 mRNA 還是抑制翻譯 營養(yǎng)饑餓 缺氧 雷帕霉素等可誘導(dǎo)細(xì)胞自噬 但多數(shù) miRNA 在自噬過程的不同階段可通過作用 于 Atg 蛋白以拮抗這種誘導(dǎo)作用 抑制細(xì)胞自噬 對細(xì)胞造成傷害 且無細(xì)胞 特異性 在正常生長條件下 抗凋亡蛋白家族 Bcl 2 包括 Bcl 2 Bcl xL Mcl 1 A1 Bcl W 和 Rubicon 與 Beclin1 結(jié)合能力最強 Beclin1 BH3 結(jié)構(gòu)域與 Bcl 2 和 或 Bcl xL 的疏水溝互作 負(fù)調(diào)控 Beclin1 Vps34 PI3K p150 核心復(fù)合體的 形成 和活性 形成 Beclin1 同源二聚體抑制自噬 當(dāng)自噬被誘導(dǎo)時 Beclin1 與 Bcl 2 解離啟動自噬 此外 Beclin1 CCD coiled coil domain 結(jié) 構(gòu)域也可與 Bcl 2 和 或 Bcl xL 的 BH4 結(jié)構(gòu)域互作 但 miR376b miR 216a miR 30a miR 30d 都可靶向 Beclin1 抑制其表達 減弱 Beclin1 與 Bcl 2 的結(jié)合和解離能力 從而調(diào)控自噬 Atg9 作為唯一的跨膜蛋白 定位 于 PAS 線粒體和高爾基復(fù)合體 啟動脂質(zhì)從生物膜轉(zhuǎn)運到 PAS 介導(dǎo)組裝完 整的囊泡膜 但 miR 34a 抑制 Atg9A 表達 中斷囊泡成核 Atg14L 可以調(diào)節(jié) 脂激酶 Vps34 活性 并可募集 ULK1 以使 Beclin1 磷酸化 但 miR 195 靶抑制 Atg14 以抑制細(xì)胞自噬 PI3KC3 是 PI3K 復(fù)合體的核心蛋白 miR 338 5p 通過 抑制 PI3KC3 的表達 阻斷囊泡成核 從而負(fù)調(diào)控細(xì)胞自噬 3 43 4 細(xì)胞自噬調(diào)控的其他機制細(xì)胞自噬調(diào)控的其他機制 caspase 屬于半胱天冬氨酸蛋白酶 cysteinyl containing aspartate specific protease 在正常細(xì)胞中 caspase 以無活性的酶原形式存在 MOMP mitochondrialouter membrane permeabilisation 是激活 caspase 的主 要機制之一 細(xì)胞色素 C 進入到細(xì)胞質(zhì)啟動凋亡復(fù)合體的形成 激活 caspase 9 caspase 9 被裂解后激活 caspase 3 和 caspase 7 細(xì)胞應(yīng)激激活 caspase 活化的 caspase 能夠啟動細(xì)胞降解 調(diào)控細(xì)胞凋亡 研究發(fā)現(xiàn) ATP 合成增加能夠抑制細(xì)胞自噬 而凋亡蛋白 caspase Dcp 1 調(diào)控自噬潮 autophagic flux 的發(fā)生 pro Dcp 1 在線粒體聚集 Dcp 1 與核苷酸轉(zhuǎn)移酶 SesB 互作 降低 SesB 的穩(wěn)定性并下調(diào) ATP 的合成 從而啟動細(xì)胞自噬 Atg16L1 蛋白發(fā)生 Thr300Ala Thr316Ala 突變 能夠致使 caspase 3 對 Atg16L1 的降解敏感性增強 進一步影響自噬體的形成 但此時 36kDa 和 34 kDa 裂 解產(chǎn)物的出現(xiàn) 并不是由于 caspase 3 活性增強所造成的 calpain 是一種鈣 依賴性的半胱氨酸蛋白酶 可在 Atg5 蛋白的氨基末端進行裂解 產(chǎn)生一個相 對分子質(zhì)量為 24000 的產(chǎn)物 從而驅(qū)使細(xì)胞自噬向細(xì)胞凋亡轉(zhuǎn)變 將自噬與凋 亡聯(lián)系起來 除 Atg5 蛋白外 Beclin1 Bax 也是 calpain 的作用靶點 更說 明自噬與凋亡有一定的關(guān)聯(lián)性 四 細(xì)胞自噬與疾病四 細(xì)胞自噬與疾病 4 14 1 腫瘤腫瘤 研究發(fā)現(xiàn) 多種腫瘤細(xì)胞中均存在自噬活性的改變 自噬與腫瘤發(fā)生和腫 瘤細(xì)胞生長之間存在著一定關(guān)系 腫瘤的發(fā)展階段 組織類型 細(xì)胞分化狀態(tài) 周圍環(huán)境及特定的基因特征和信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑共同影響自噬的活性與結(jié)果 對于 腫瘤細(xì)胞來說 自噬起著雙刃劍的作用 誘導(dǎo)自噬可導(dǎo)致某些腫瘤細(xì)胞的死亡 而在一些腫瘤細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)抑制自噬也可促進其凋亡 首先 自噬是腫瘤細(xì)胞自身免受營養(yǎng)缺乏 電離輻射和治療損傷的一種保 護機制 在腫瘤進展過程中 因供血減少 腫瘤細(xì)胞特別是腫瘤內(nèi)部細(xì)胞在缺 氧和營養(yǎng)受限的狀況下生存 低氧和營養(yǎng)缺失均能刺激白噬啟動 通過自噬對 胞內(nèi)物質(zhì)的降解和循環(huán)利用而改變新陳代謝 腫瘤細(xì)胞對應(yīng)激作出適應(yīng)性反應(yīng) 得以生存 如在不允許大規(guī)模增殖的腫瘤微環(huán)境下 腫瘤細(xì)胞還可以激活自噬 以介導(dǎo)卵巢腫瘤細(xì)胞的休眠 在大多數(shù)的人類腫瘤細(xì)胞中均可觀察到 P13K 途徑 的持續(xù)活化 此外 自噬包含衰老和破壞細(xì)胞器的清除 自噬通過去除受損細(xì) 胞器 保護腫瘤細(xì)胞以對抗抗癌治療 如放療 化療 使細(xì)胞逃避凋亡 其次 研究發(fā)現(xiàn)自噬作為一種腫瘤抑制機制 當(dāng)細(xì)胞中受損細(xì)胞器產(chǎn)生的 活性氧 reactive oxygen species ROS 對 DNA 造成損傷 從而誘發(fā)腫瘤發(fā)生 時 自噬可參與清理受損的線粒體和過氧化物酶體 維持細(xì)胞功能和染色體的 穩(wěn)定 性 抑制腫瘤發(fā)生 Ding 等對 44 例肝細(xì)胞性肝癌患者進行研究 發(fā)現(xiàn)癌組織 中 Beclin1 表達下調(diào) 由此得出自噬可能抑制腫瘤的發(fā)生 并不是所有的腫瘤 自噬反應(yīng)均一致 如人上皮樣肺癌細(xì)胞 人子宮頸癌細(xì)胞株 HeLa 細(xì)胞 鼠惡性 畸胎瘤細(xì)胞 淋巴細(xì)胞等 4 24 2 心血管疾病心血管疾病 目前許多研究已將自噬的調(diào)節(jié)作用與心臟相關(guān)疾病聯(lián)系起來 其中包括心 肌病 心臟肥大 缺血性心肌病 心力衰竭及缺血損傷等 如溶酶體相關(guān)蛋白 1yso someassociated membrane protein 2 LAMP2 缺乏能夠引起 x 連鎖顯 性遺傳性心肌病 Danon 病 該類疾病患者的心臟組織中 具有線粒體功能 障礙的心肌細(xì)胞內(nèi)含有大量的自噬體 另外 Tannous 等發(fā)現(xiàn)在結(jié)蛋白相關(guān)的心 肌病鼠模型中 自噬起保護心肌作用 缺血再灌注損傷模型中自噬水平提高 對刺激信號的應(yīng)答反應(yīng)提高 此外根據(jù)損傷的程度不同 自噬可能起著不同的 作用 動脈粥樣硬化斑塊的巨噬細(xì)胞中自噬體數(shù)目顯著增加 同時 自噬可能 通過阻止巨噬細(xì)胞凋亡以及斑塊壞死從而使動脈粥樣硬化斑塊趨于穩(wěn)定 五 展望五 展望 越來越多的資料顯示 自噬在多種疾病的發(fā)生 發(fā)展和治療中占重要地位 作為抑制機制 自噬可以導(dǎo)致病變細(xì)胞死亡 限制細(xì)胞數(shù)量或者減少 DNA 的突 變概率 防止疾病發(fā)生 作為保護機制 自噬可以保護病變細(xì)胞免受治療藥物 的 作用并延緩細(xì)胞凋亡 考慮自噬在人類疾病中的復(fù)雜效應(yīng) 深入識別其功能將 有助于找到診斷和治療這些疾病的新靶標(biāo) 這對疾病發(fā)病機制的研究具有重要 意義 參考文獻參考文獻 1 Korkmaz G le Sage C Tekirdag KA Agami R Gozuacik D MiR 376b controls starvation and mTOR inhibition relatedautophagy by targeting ATG4C and BECN1 Autophagy 2012 8 2 165 76 2 Li X Wang S Chen Y Liu G Yang X miR 22 targets the 3 UTR of HMGB1 and inhibits the HMGB1 associated autophagy in osteosarcoma cells during chemotherapy Tumor Biol 2014 35 6 6021 8 3 Chang TK Shravage BV Hayes SD Powers CM Simin RT Wade Harper J et al Uba1 functions in Atg7 and Atg3 independent autophagy Nat Cell Biol 2013 15 9 1067 78 4 Kaufmann A Beier V Franquelim HG Wollert T Molecular mechanism of autophagic membrane scaffold assembly and disassembly Cell 2014 156 3 469 81 5 Murthy A Li Y Peng I Reichelt M Katakam AK Noubade R et al A Crohn s disease variant in Atg16L1 enhances its degradation by caspase 3 Nature 2014 506 7489 456 62 6 Korkmaz G le Sage C Tekirdag KA