健康与疾病中的自噬：一把双刃剑

摘要

细胞内稳态需要生物合成和分解代谢过程之间的持续平衡。真核细胞主要使用两种不同的机制进行大规模降解，蛋白酶体和自噬；但只有自噬才能降解整个细胞器。自噬的三种类型是宏观自噬、微观自噬和伴侣介导的自噬(1). 在这里，我们将重点讨论大自噬，以下称为自噬，它在人类健康中发挥着重要的生理作用。在自噬中，一种双膜或多膜结合结构，称为自噬体或自噬空泡，从头形成以隔离细胞质。然后，液泡膜与溶酶体融合，将内容物输送到细胞器腔中，在那里它们被降解，产生的大分子被回收利用(图1).

在单独的窗口中打开

图1

宏观自噬的概念模型。一种隔离膜，称为吞噬细胞或隔离膜，由自噬前体结构形成。膜的来源尚不清楚，但可能包括内质网和早期分泌途径。隔离膜包裹着细胞质和细胞器；完成后，形成一个双膜囊泡，即自噬体或自噬空泡。自噬体通过与溶酶体融合获得水解酶，生成自噬溶酶体，自噬体内的囊泡被释放到腔中。由此产生的自噬体被分解，允许货物进入、降解和再循环。

自噬发生在大多数组织的基础水平，并有助于细胞质成分的常规周转。然而，自噬可能是由环境条件的变化引起的，例如营养物质的消耗。除了细胞成分的转换外，自噬还参与各种生物体的发育、分化和组织重塑(2). 自噬也与某些人类疾病有关。矛盾的是，自噬可以保护细胞，但也可能导致细胞损伤(表1). 在这里，我们将总结目前自噬与人类疾病和衰老之间的联系。

程序性细胞死亡

自噬与程序性细胞死亡（PCD）有关。I型PCD，即细胞凋亡，其特征是细胞质和染色质的浓缩、DNA断裂和细胞断裂成凋亡体，然后通过吞噬作用去除和降解垂死的细胞。II型PCD（自噬）以自噬小泡（自噬体和自噬溶酶体）的积聚为特征，通常在需要大量细胞清除或吞噬细胞不易接近死亡细胞时观察到。区分凋亡和自噬细胞死亡的一个特征是用于大多数濒死细胞降解的溶酶体酶的来源。凋亡细胞利用吞噬细胞溶酶体进行这一过程，而具有自噬形态的细胞则利用垂死细胞的内源性溶酶体机制。目前尚不清楚自噬是直接导致细胞死亡还是凋亡的次要影响。然而，最近的一项研究表明，自噬可能导致细胞死亡(三). 半胱氨酸蛋白酶抑制剂诱导的自噬细胞死亡受到RNA干扰（RNAi）的严重影响自动液位计7和贝克林1表达，这两个基因的产物对自噬至关重要(三).

控制PCD的两个关键分子是死亡相关蛋白激酶（DAPk）家族的成员。DAPk和DAPk相关蛋白激酶-1（DRP-1）以依赖其激酶活性的方式促进死亡。DAPk主要通过caspase依赖途径激活细胞凋亡(4). 然而，在凋亡不能被激活的小鼠胚胎成纤维细胞中，DAPk和DRP-1反而诱导自噬(5). 另一个调节因子，肿瘤坏死因子（TNF）相关凋亡诱导配体（TRAIL）也参与上皮细胞系内腔形成过程中caspase活性、自噬和自噬PCD的诱导(6). 仅抑制caspase活性并不能阻止腺泡细胞形态发生过程中的细胞死亡，这表明caspase非依赖性自噬性PCD的作用。

在PCD中，自噬结构的出现与细胞死亡相关；自噬不一定是死亡的原因。此外，当自噬基因被抑制时，自噬细胞死亡的激活或其障碍通常发生在通过使用抑制剂阻止凋亡的细胞中。因此，自噬性PCD的真正生理相关性尚不清楚。自噬不仅可能是细胞死亡的原因，也可能先于凋亡作为一种防御机制。在低水平刺激下，自噬可能是重建体内平衡的主要尝试；当自噬能力被淹没时，细胞凋亡（可能还有II型PCD）被触发(7). 然而，在类固醇激活的PCD期间，半胱氨酸蛋白酶激活先于自噬体的出现果蝇属唾液腺(8). 此外，胱天蛋白酶活性可能通过调节因子的蛋白水解抑制自噬(9); 在这种情况下，抑制某些caspase活性可能会诱导自噬。因此，I型和II型PCD之间的连接因监管和机械组件的共享而变得复杂。

癌症

自噬可能是促进和预防癌症的因素，其作用可能在肿瘤进展过程中发生改变。抑制自噬可能会使癌前细胞持续生长，自噬可以作为癌症的抑制剂(10,11). 随后，随着肿瘤的生长，癌细胞可能需要自噬才能在营养限制和低氧条件下生存，特别是在肿瘤内部血管化不良的区域(12). 此外，自噬可能保护某些癌细胞免受电离辐射(13)可能通过去除受损的大分子或细胞器，如线粒体，防止细胞凋亡，使转化细胞继续存活(14).

I类磷脂酰肌醇（PtdIns）3-激酶/蛋白激酶B（Akt/PKB）信号通路促进细胞生长以响应有丝分裂信号，该通路中的几种蛋白突变导致人类常见恶性肿瘤的高百分比(15). I类PtdIns 3-激酶产生PtdIn（3,4）P₂和PtdIns（3,4,5）P_三与Akt及其激活物3-磷酸肌醇依赖性蛋白激酶-1（PDK-1）的pleckstrin同源结构域结合(16) (图2). 当Akt信号通路被激活时，自噬降解减少(17). 相反，Akt的显性阴性形式会导致较高的自噬率。Akt和PDK-1激活其他激酶，包括哺乳动物雷帕霉素靶点（mTOR），后者对自噬具有负调控作用。肿瘤抑制因子PTEN具有3′-磷酸肌醇磷酸酶活性，可拮抗PtdIns 3-激酶/Akt通路，积极调节自噬(图2). 中的突变PTEN公司导致Akt信号通路的组成性激活和自噬的失活，并导致肿瘤形成(17). 因为Akt主要参与调节一系列参与细胞生长和存活的底物(18)，由Akt激活引起的肿瘤发生可能是由于除自噬外的其他途径被阻断。

在单独的窗口中打开

图2

自噬调节示意图模型。通过胰岛素受体在质膜上刺激I类PtdIns 3-激酶，导致PtdIns（3,4）P的生成₂和PtdIns（3,4,5）P_三（深粉红色圆圈）。这些磷脂酰肌醇允许结合和激活Akt/PKB及其活化剂PDK-1。与氨基酸一起，Akt/PKB激活mTor（未描述此途径中的其他成分）。下游效应器的后续磷酸化，可能类似于Atg1或其他自动变速箱酵母中的基因产物可以抑制自噬。PTEN使3′磷脂酰化并拮抗I类PtdIns 3-激酶的作用。包括Beclin 1/Atg6在内的III类PtdIns 3-激酶复合物生成PtdIns（3）P（紫色圆圈），以控制与自噬体形成相关的膜动力学。雷帕霉素抑制mTor，而沃特曼和3-甲基腺嘌呤抑制III类PtdIns 3-激酶；其作用是分别诱导或抑制自噬。自噬也通过异源三聚体G蛋白和其他未描述的激酶和磷酸酶进行调节。

Beclin 1是酵母Atg6/Vps30的哺乳动物同源物，它是自噬体形成所必需的，在高比例的散发性人类乳腺癌、卵巢癌和前列腺癌中被单等位基因删除。在已建立的乳腺癌细胞系MCF7中，Beclin 1蛋白的表达降低到可检测水平以下。稳定转染贝克林1在MCF7细胞中，促进自噬活性并降低致瘤能力，这表明自噬活性与抑制细胞增殖有关(19). 此外，贝克林1^+/−杂合小鼠自发性肿瘤发病率高贝克林1^−/−纯合胚胎干细胞自噬小泡数量减少(20,21). 因此，自噬可能通过导致细胞死亡或限制细胞生长而引发肿瘤抑制。

一些用于治疗癌症的药物可能通过自噬发挥作用。例如，三苯氧胺用于治疗某些类型的乳腺癌，可能通过激活自噬发挥作用，可能通过上调贝克林1在神经酰胺介导的过程中(22). 其他自噬诱导化合物，包括mTor抑制剂雷帕霉素和各种类似物，目前正在恶性肿瘤患者的临床试验中进行测试，尽管抑制mTor的抗肿瘤作用可能反映其在细胞周期调节或翻译而非自噬中的作用。

肌肉疾病

尽管已经报道了许多与解除调控的自噬相关的疾病，但其中大多数是在非增殖细胞中观察到的，例如肌肉和神经细胞，在这些细胞中损伤物质的积累可能很严重。自噬小泡堆积增多是空泡性肌病的典型诊断。然而，尽管在许多类型的肌病中已经确定了负责基因，但它们的功能并没有与自噬直接相关(23). 大多数将其与自噬联系起来的肌病分析都是形态学的。溶酶体功能失常与一种伴随肌病的疾病——达农氏病有关(24). 对Danon病无关患者的遗传分析发现溶酶体相关膜蛋白2（Lamp2）基因突变(24). 此外灯2在小鼠中导致达农氏病的典型表型，即在许多组织中大量积聚自噬小泡(25). 然而，Lamp2在自噬中的机制尚不清楚(26).

此外，尚不清楚空泡性肌病中自噬小泡的积聚是由于促进自噬体形成还是由于自噬体与溶酶体融合减少所致。例如，溶酶体促生长剂氯喹在培养的细胞和大鼠中诱发肌病，类似于被称为带有边缘空泡的远端肌病以及包涵体肌炎的人类疾病(23,27). 由于氯喹升高溶酶体pH值，从而导致溶酶体-自噬体融合和溶酶体蛋白降解受到抑制，肌病中自噬小泡的积累可能是由于自噬缺陷，如自噬体内成熟障碍，或溶酶体蛋白质降解缺陷。最后，转录自动液位计5和ATG12型包涵体肌炎时升高(28). 因此，增加自噬体的形成和抑制其成熟都可能导致肌病。

神经变性

在许多神经退行性疾病如帕金森氏病、亨廷顿氏病、阿尔茨海默氏病和肌萎缩侧索硬化症（Lou Gehrig氏病）或传染性海绵状脑病（朊病毒病）中观察到自噬小泡的积聚，与错误折叠和聚集的蛋白质相关的综合征。然而，与肌病一样，尚不清楚这是否意味着自噬增加或自噬体消耗受阻。错误折叠和聚集蛋白质的影响尚不完全清楚(29). 帕金森氏病（PD）的特征是神经元中称为路易小体的聚集物积聚，以及黑质多巴胺能神经元的细胞死亡。路易小体中的一种主要蛋白α-突触核蛋白的突变会导致早发性PD⁵³被Thr（A53T）取代]，但不是野生型，培养细胞系中的α-突触核蛋白诱导大量自噬小泡堆积，以及泛素蛋白酶体系统受损(30). 由于泛素化系统的突变也存在于PD患者中，泛素蛋白酶体系统似乎能够在疾病早期去除错误折叠的蛋白质。

相反，泛素蛋白酶体系统的缺陷似乎不是亨廷顿病（HD）的病因。相反，真核蛋白酶体无法消化亨廷顿蛋白氨基末端发现的异常扩增的聚谷氨酰胺序列，其积累会导致HD(31). 需要做更多的工作来阐明蛋白质聚集体对蛋白酶体功能的影响。例如，尽管有报道称突变的亨廷顿蛋白片段的瞬时表达可以抑制泛素蛋白酶体系统(32)体内研究表明，突变的亨廷顿蛋白不抑制20S公司蛋白酶体(33). 这种差异可能反映了亨廷顿蛋白表达水平的差异。最后，蛋白酶体活性的降低可能是由于聚集蛋白诱导的凋亡导致蛋白酶体亚单位的半胱氨酸蛋白酶依赖性裂解所致(34).

与突变体α-突触核蛋白的情况类似，突变体亨廷顿蛋白的表达也诱导自噬小泡的积累(35)自噬可以保护机体免受与蛋白质聚集相关的毒性作用。例如，突变的亨廷顿蛋白和α-突触核蛋白在几个实验模型细胞中被靶向自噬(36,37). 用雷帕霉素（mTor的抑制剂）处理这些细胞，不仅促进突变的亨廷顿蛋白和α-突触核蛋白的自噬降解，而且防止聚集物的积累，这表明自噬具有保护作用(36). 最近的一项研究表明，聚集物如何通过诱导自噬来保护神经元细胞的机制(38). 在细胞模型、转基因小鼠和HD患者人脑样本中，mTOR似乎被包装成聚谷氨酰胺聚集体(38). mTOR阻断激酶活性并诱导自噬。为什么聚集蛋白如α-突触核蛋白、淀粉样蛋白β和亨廷顿蛋白会导致神经元细胞死亡尚不清楚。同样，对神经退行性疾病中激活的自噬的解释也存在争议(39).

与自噬的保护功能相反，神经元细胞死亡可能涉及自噬或溶酶体功能。例如，突变小鼠中δ2谷氨酸受体的组成型激活导致Beclin 1和另一种蛋白质，一种PDZ结构域含蛋白（nPIST）的异构体，从螯合的蛋白质复合物中释放；小脑浦肯野细胞的死亡与Beclin 1的重新分布有关，这可能表明自噬的诱导，自噬结构的形成，或两者兼而有之(40,41). 哪种形式的PCD（凋亡或自噬）导致神经元细胞死亡仍有争议。帕金森病患者多巴胺能神经元中观察到凋亡和自噬细胞死亡。Beclin 1与nPIST和Bcl-2的相互作用表明凋亡型和自噬型细胞死亡之间存在协调。因为当细胞凋亡被抑制时，经常会出现自噬(三,5,42)，II型PCD可能是细胞凋亡的后备机制。阿尔茨海默病患者脑组织中的组织蛋白酶B和D等溶酶体蛋白酶水平升高(43). 尽管溶酶体活性的增加可能有助于清除神经毒性物质，但溶酶体完整性的丧失可能会导致神经退行性疾病中的细胞死亡，或者两者兼而有之。因此，由于自噬是一种分解代谢机制，在应激条件下进行循环或去除细胞质物质，因此作为一种保护措施，可以通过自噬去除错误折叠的蛋白质(44). 或者，自噬可能会导致聚集在一起的神经元细胞死亡，从而导致病理状态，尽管目前还没有直接证据表明会发生这种情况。

病原体感染

自噬在细胞防御中的作用之一是清除入侵的病原体。虽然通过内吞作用侵入细胞的细菌病原体通常被输送到溶酶体并在那里降解（通过一种称为吞噬作用的过程），但其中一些病原体通过阻止或改变隔离囊泡（吞噬体）的成熟来逃避宿主的防御机制。例如，通过内吞途径进入宿主细胞后，细胞内病原体单核细胞增生李斯特菌溶血素破坏吞噬体膜，进入细胞质并在那里繁殖(图3). 然而，当感染细胞被氯霉素（一种细菌蛋白质合成抑制剂）处理后，在吞噬体溶解后，细菌被自噬体捕获(45). 此外，通过血清提取的自噬诱导增强了隔离，而自噬抑制剂3-甲基腺嘌呤或沃特曼阻断了这种和其他细菌病原体的摄取(46). 最后，最近的一项研究表明，当化脓性链球菌从非吞噬细胞的内体中逸出，被自噬体吞噬(47); 随后的自噬降解减少了活病原体的数量。因此，自噬可以防止细菌试图通过进入宿主细胞质建立复制生态位。

在单独的窗口中打开

图3

细菌感染期间自噬的作用和破坏。细菌可以通过吞噬作用被吞噬，由此产生的吞噬体可以与内体融合，然后与溶酶体融合；细菌随后在吞噬体内降解（未显示）。一些病原体，如单核细胞增生李斯特菌，通过裂解吞噬体膜逃离该途径。细菌随后可能成为自噬的靶点。在以下情况下嗜肺军团菌,牙龈假单胞菌、和B.流产吞噬体要么与自噬体融合，要么被隔离在自噬体内。抑制自噬体成熟或延迟与溶酶体融合，取决于IV型分泌系统，允许细菌在自噬体内和/或自噬溶酶体内复制（如果是嗜肺军团菌)并可能对溶酶体降解产生抗性。此外，晚期自噬体或自噬多胞体内宿主细胞蛋白的降解可能提供病原体生长所需的营养。

然而，一些类型的细菌病原体，如牙龈卟啉单胞菌,流产布鲁氏菌、和嗜肺军团菌利用自噬机制在自噬小体样囊泡中进行复制，从而破坏自噬途径(48). 在被吞噬体吞噬后，这些细菌进入具有自噬体特征的双层膜结构，而不是完成吞噬过程，尽管细菌被自噬体内隔离的机制尚不清楚。在许多情况下，细菌IV型分泌途径是自噬破坏所必需的。例如，嗜肺军团菌需要IV型分泌系统icm/点（细胞内增殖/细胞器运输缺陷）基因在自噬体样囊泡内建立(49-51). 这些基因产物可能会激活隔离囊泡的形成，或者可能会延迟其成熟，从而使细菌留在这些通常短暂的隔室中并进行复制。因此，用自噬抑制剂治疗受感染的细胞会引导细菌进入吞噬途径，并增加向溶酶体的输送速度。相反，感染和细胞内复制嗜肺军团菌在里面盘状网柄菌似乎与自噬无关(52)，这可能反映了主机特定的差异。

病毒感染后也会出现自噬样结构(53). 单纯疱疹病毒（HSV）感染后，通过激活双链RNA活化蛋白激酶R（PKR）诱导自噬(54). PKR是真核翻译起始因子-2α（eIF2α）激酶；PKR对eIF2α的磷酸化导致翻译阻滞，抑制病毒复制，也有助于诱导自噬。HSV编码一种蛋白的基因，该蛋白可对抗eIF2α的磷酸化，从而抑制自噬。缺乏该基因的HSV感染可诱导自噬，而野生型病毒则不会。在PKR缺陷细胞或仅表达磷酸化位点丢失的突变eIF2α的细胞中，受损HSV未诱导自噬。因为病毒复制依赖于PKR失活(55)自噬可能是清除细胞内病毒的一种机制。另一种诱导病毒感染自噬的调节途径可能涉及受体相互作用蛋白（RIP）的激活(9). Caspase-8在凋亡过程中使RIP失活，但一些病毒能够抑制Caspase活性。随后RIP的激活可能触发自噬，作为杀死受感染细胞的替代手段(三).

宿主防御途径对微生物施加强大的进化压力，以获得绕过宿主杀灭和清除机制的方法，如上所述，对于某些细菌。病毒病原体也可能存在类似的情况。例如，有迹象表明某些RNA病毒的复制复合体位于病毒感染诱导的自噬体样结构的膜上(46). 然而，目前尚不清楚自噬的诱导是否有助于复制复合体的降解或病毒复制。感染后，小鼠肝炎病毒（MHV）的复制复合体定位在一个膜结构上，该膜结构可以用标记LC3的绿色荧光蛋白、GFP-LC3（酵母Atg8的同源物）标记，这是一种自噬体标记物，在野生型小鼠胚胎干细胞中(56). 更重要的是，细胞外病毒在Atg5中的恢复减少^−/−小鼠胚胎干细胞的比例为1000倍，这表明自噬机制的组成部分是MHV复制所必需的，可能对其他病毒也是如此，而不是清除病毒颗粒所必需的。

老化

最近对各种生物体进行的遗传分析已确定了与控制寿命有关的基因。最具特征的途径是胰岛素/胰岛素样生长因子1（IGF-1）途径，它在从酵母到人类的真核生物中高度保守(57). 这种信号级联包括酪氨酸激酶受体、PtdIns 3-激酶和Akt/PKB，所有这些都与上述肿瘤发生有关。在线虫的情况下秀丽隐杆线虫该级联的失活可将寿命延长300%，并提高耐热性和抗氧化性，这可能有助于延长寿命。由于Akt/PKB控制自噬抑制剂Tor的活性，Akt/PKB途径的下调也可能诱导自噬，因此自噬可能是寿命延长的部分原因。沿着这些路线，TOR激酶/LET-363的消除或耗竭也会导致寿命延长(58). 胰岛素样酪氨酸激酶受体的功能丧失突变daf-2型延长寿命秀丽线虫双重性；然而贝克-1，酵母和哺乳动物的线虫直系物VPS30/ATG6/贝克林1通过RNAi，对自噬至关重要的基因消除了这种效应，这表明自噬是胰岛素/IGF-1通路下调导致寿命延长所必需的(59). 这与RNAi介导的TOR抑制所导致的寿命延长与daf-2型(58).

自噬率随年龄增长而降低(60)这表明这两个过程之间可能存在关联。热量限制可能会诱导自噬，对寿命延长有积极影响(57,60). 寿命的增加可能是由于对氧化损伤的保护增加所致，例如通过去除受损的线粒体(61)以及修复和替换受损DNA、蛋白质和脂质的机制。

结论

自噬与人类生理学之间有许多联系；然而，我们对自噬的理解，尤其是它在人类健康和疾病中的作用，还处于非常早期的阶段。即使是最基本的问题——自噬是起保护作用还是有害作用——对于大多数疾病也没有明确的证据。事实上，自噬的后果可能在特定生理条件的发展过程中发生改变。此外，大多数研究只表明自噬与特定疾病或细胞死亡相关，而不是致病性。因此，我们需要更好地了解体内自噬的作用。带有标记或删除自噬基因的新一代动物模型(20,21,59,62,63)为研究人员提供了强有力的工具，以组织和时间依赖的方式检查自噬的诱导，并使他们能够深入了解消除自噬能力的效果。仍然需要可以用于调节体内自噬的特定化学或蛋白质抑制剂和激活剂，可能来自可以改变自噬过程的病原体。

一个尚未回答的问题是，自噬反应是否可以被精确调节以预防或应对疾病；过度的自噬可能和缺陷自噬一样有害。在这方面，对控制自噬的调控途径有更深入的了解是很重要的。关于自噬的分子机制，还有许多问题需要回答，包括隔离膜的来源、小泡形成机制以及自噬成为选择性过程的方式。例如，从真菌的研究中可以清楚地看出，多余或受损的细胞器可以通过自噬进行特异性清除。这一靶向和识别过程可能与人类健康特别相关，包括清除蛋白质聚集体、线粒体和过氧化物酶体，以及分别产生和清除自由基的细胞器。此外，线粒体在诱导细胞凋亡中起着核心作用。我们在分子水平上对自噬的理解正在迅速提高。我们是否可以通过调节自噬来对抗疾病或促进健康将被揭示。

参考文献和注释