自噬通过细胞自我控制对抗疾病

摘要

乍一看，细胞自噬过程可能是有益的，这似乎令人困惑。然而，在最简单的形式下，自噬可能代表单个细胞对饥饿的适应——如果周围没有食物，细胞就会被迫破坏自己的部分储备以生存，直到情况好转。在酵母等单细胞生物中，这种饥饿反应是自噬的主要功能之一，但事实上，这种作用一直延伸到人类。例如，即使在日常生活中，自噬也会在两餐之间在肝脏等器官中激活，以维持其代谢功能，通过分解代谢提供氨基酸和能量^1,2.

自噬有多种类型，包括微观和宏观自噬，以及伴侣介导的自噬（CMA），它们的机制和功能不同(图1)^三,4微自噬和大自噬都有能力通过选择性和非选择性机制吞噬大型结构，而CMA只降解可溶性蛋白质，尽管是以选择性的方式降解的。大规模降解的能力对自噬功能很重要，但它具有一定的风险，因为细胞质的不受调控的降解可能是致命的。另一方面，自噬的基础水平对于维持正常的细胞内环境稳定很重要。因此，严格调控自噬很重要(图2)以便在需要时进行诱导，但在其他方面保持在基础水平。虽然自噬调控的完整情况尚不清楚，但最近的综述涵盖了许多方面^5–8.

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图1

不同类型的自噬

微自噬是指溶酶体通过其限制膜内陷直接隔离细胞溶质成分。这种过程在高等真核生物中的功能尚不清楚，而真菌中的微自噬样过程涉及选择性细胞器降解。在大分子自噬的情况下，货物被隔离在一个独特的双膜细胞溶质囊泡内，即自噬体。分离可以是非特异性的，包括吞噬大量细胞质，也可以是选择性的，针对特定的货物，如细胞器或入侵微生物。自噬体是由吞噬细胞膨胀形成的，但膜的起源尚不清楚。自噬体与内体（未显示）或溶酶体融合可提供水解酶。自噬体内膜的裂解和内含物的分解发生在自溶体中，产生的大分子通过膜渗透酶释放回胞质溶胶。CMA通过细胞溶质和溶酶体伴侣hsc70和完整的膜受体LAMP-2A（溶酶体相关膜蛋白2A型）的作用，涉及未折叠底物蛋白在溶酶体膜上的直接移位。

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图2

自噬调节的简化模型

大型自噬发生在基础水平，可以根据环境信号（包括营养素和激素，以及微生物病原体）诱导。最具特征的调控途径包括I类PI3K和TOR，它们可以抑制自噬，但其机制尚不清楚。激活自噬需要III类PI3K。TOR活性可能部分通过反馈回路进行调节，以防止自噬不足或过度。例如，p70S6激酶是TOR的底物，可以限制TOR活性，确保对内环境稳定至关重要的基本自噬水平。绿色和粉红色的蛋白质分别刺激和抑制自噬。虚线表示可能的监管影响。

自噬的非选择性和选择性，以及基础水平和诱导水平，对于这一过程在人类健康和疾病中的作用都很重要。也许最根本的一点是，自噬太少或太多都是有害的，其在细胞保护和细胞死亡中的双重作用很复杂。随着许多人的认同自噬相关(自动变速箱)基因和改进的监测这一过程的方法，今后对这一课题的研究应该继续取得进展。

自噬与细胞存活和死亡

自噬的促生存功能已在不同环境下的细胞和有机体水平上得到证实，包括在营养和生长因子缺乏、内质网应激、发育、微生物感染和以蛋白质聚集体积累为特征的疾病期间^8–11这种促生存功能通常被认为是适应性的，但在癌症的情况下，可能是不适应性的¹²代谢应激是肿瘤微环境的一个常见特征，大多数化疗药物都会引起细胞应激。因此，一个需要深入研究的领域是，在这些情况下，是否应该阻止自噬依赖性生存以促进肿瘤细胞死亡¹³.

一个明显的难题是自噬在细胞保护和细胞死亡中都起作用。在应对大多数形式的细胞应激时，自噬发挥着细胞保护作用，因为自动变速箱基因敲除加速而不是延迟细胞死亡^9,11然而，在某些环境下，自噬发生不受控制的上调（例如，哺乳动物细胞中自噬蛋白Beclin 1的过度表达¹⁴和Atg1过度表达果蝇属¹⁵)自噬可能通过激活凋亡导致细胞死亡¹⁵或者可能是由于细胞无法在大量细胞质内容物的非特异性降解中存活。值得注意的是，许多例子自动变速箱-基因依赖性细胞死亡发生在缺乏凋亡的细胞中⁹这表明自噬作为细胞死亡的途径，可能是最后的选择。对于这些类型的研究，一个一般性的警告是，单个基因的过度表达或敲除自动变速箱除了自噬之外，该基因可能还有未知的间接作用。

自噬性程序性细胞死亡最初描述为处于活跃发育期的组织。然而，不仅没有证据表明自动变速箱基因抑制可以防止这种死亡，但事实可能恰恰相反。线虫缺乏贝克-1，的秀丽隐杆线虫的直系词ATG6/贝克林1和老鼠缺乏贝克林1或第5天显示胚胎组织中凋亡细胞数量增加，反对发育性程序性细胞死亡中自噬机制的要求^16,17然而，得出自噬缺陷导致发育过程中凋亡细胞增多的结论还为时过早，因为自动变速箱机械也在异种吞噬去除凋亡尸体中发挥作用¹⁶.在组织特异性成熟动物中自动变速箱基因敲除，可能有更明确的证据表明自噬具有抗凋亡功能体内^18–20.

自噬是一种主要作用于细胞生存的途径，而凋亡是一种必然导致细胞死亡的途径，两者之间的相互作用是复杂的。这两条通路由共同的因素调节，它们共享共同的成分，并且每一条都可以调节和修改另一条的活动^9,11许多信号最初是在凋亡激活的背景下研究的，诱导自噬，而抑制凋亡的信号也抑制自噬^5–7.抗凋亡蛋白，如Bcl-2家族成员，抑制Beclin 1¹⁴，以及促凋亡因子，如BH3-only蛋白，破坏这种抑制性相互作用，从而激活自噬²¹自噬机制和凋亡之间的另一个联系是观察到Atg5可以通过钙蛋白酶介导的裂解产生一个在固有线粒体死亡途径中起作用的促凋亡片段²²这些例子可能只是冰山一角，因为我们显然才刚刚开始了解自噬和细胞凋亡之间复杂的分子相互作用。然而，自噬对“自我消化”的协调调节和凋亡对“自我杀伤”的协调调控可能是发育、组织稳态和疾病发病机制的不同方面的基础。

神经变性

越来越多的证据表明，自噬的改变发生在许多人类疾病中。在这里，我们只讨论那些自噬功能异常被证明对其发病机制有贡献的疾病(图3). 如上所述，自噬发生在基础和组成水平，最近的研究强调了基础自噬在细胞内质量控制中的重要性。不同组织对基础自噬的需求不同；它在肝脏和其他组织中尤其重要，在这些组织中，细胞（如神经元和肌细胞）分化后不会分裂^{18,19,23–25}与传统的第5天,自动变速箱atg5和贝克林1基因敲除小鼠，在胚胎发生或新生期死亡^1,23,26–29，那些神经组织特异性敲除这些基因的人能在出生后的饥饿期存活下来。然而，这些小鼠出现了进行性运动障碍和异常反射，泛素阳性包涵体积聚在其神经元中^18,19虽然在正常甚至饥饿条件下，神经元中检测到的自噬体水平很低^30,31这些研究显著地表明，即使在没有任何与疾病相关的突变蛋白表达的情况下，细胞溶质内容物的自噬结构性转换也是不可或缺的。

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图3

自噬在人类疾病中的作用

降解，特别是通过自噬和蛋白酶体，在细胞生理学中很重要。自噬可以作为一种细胞保护机制来预防各种疾病，而功能失调的自噬会导致病理改变。然而，在某些情况下，自噬是有害的；例如，一些微生物破坏自噬进行复制，而细胞保护作用可以使癌细胞抵抗抗癌治疗。

尽管基础自噬在健康个体中具有重要作用，但在疾病条件下自噬的需求更为明显。最近的研究表明，除了泛素-蛋白酶体系统外，疾病相关突变蛋白的降解高度依赖于自噬。例如，引起各种神经退行性疾病（如亨廷顿病和脊髓小脑共济失调）的扩展型聚谷氨酰胺蛋白，以及引起家族性帕金森病的α-突触核蛋白突变型^32–34CMA也参与野生型α-突触核蛋白的降解，但突变体形式的α-突触核蛋白阻断溶酶体受体，导致CMA普遍受到抑制³⁵受影响的细胞试图通过上调宏观自噬来弥补CMA的堵塞，这可以确保细胞存活，但使细胞更容易受到应激源的影响⁴.

考虑到所有可用的数据，毫无疑问，自噬具有防止神经退行性变的有益作用；然而，自噬如何预防神经变性尚不完全清楚。一种假设是，自噬可能以定向方式消除蛋白质聚集体或包涵体^36,37一个可能的适配器是p62/固碳体-1（SQSTM1）³⁶几乎所有的蛋白质聚集体都用泛素修饰，SQSTM1既有LC3-结合（自噬相关蛋白Atg8的哺乳动物同源物）又有泛素结合域，使其能够通过形成自噬体的膜中的蛋白质（LC3）介导对蛋白质聚集体的识别^36,38此外，通过自噬实现p62的适当转换对于防止自发聚集形成至关重要³⁹.

然而，通过自噬直接降解聚集物与最近的假设相矛盾，即蛋白质聚集物的生成是一种保护机制^40,41相反，自噬的主要靶点似乎是弥散的细胞溶质蛋白，而不是包涵体本身，这表明自噬缺陷细胞中包涵体的形成是一般蛋白质周转受损的继发事件¹⁸然而，在可溶性或低聚物状态下错误折叠的蛋白质仍有可能优先被自噬体膜识别，这也可能由泛素–p62–LC3相互作用介导。

阿尔茨海默病中也观察到自噬的改变，但在这种情况下，自噬可能不像其他类型的神经变性那样简单。例如，自噬体样结构在阿尔茨海默病患者和模型小鼠的营养不良性神经突中积聚，可能是由于自噬小体成熟为自溶小体受到损害(图1)⁴²令人惊讶的是，由于Aβ前体蛋白APP和负责其裂解的蛋白酶都存在于这些结构中的内质网中，因此在这些部分降解的腔室中可以产生有毒的蛋白水解产物Aβ⁴²因此，一种假设是，受损的自噬流量为aβ肽的产生提供了一个新的位点。

自噬具有保护作用，因此可以作为治疗这些神经退行性疾病的治疗靶点⁴³例如，调节性蛋白激酶复合物上调雷帕霉素（TOR）抑制剂（如雷帕霉素及其类似物CCI-779）靶点的自噬，可防止在多聚谷氨酰胺疾病模型中发现的神经退化果蝇属和老鼠⁴⁴最近，雷帕霉素的小分子增强剂被鉴定⁴⁵在果蝇亨廷顿氏病模型中，这些药物可以提高突变体亨廷顿蛋白和α-突触核蛋白的清除率，并防止神经退化。重要的是，雷帕霉素小分子增强剂的作用与TOR无关，因此可以将其与雷帕霉素结合用于治疗目的。然而，在任何试图从治疗上操纵自噬的尝试中，重要的是要考虑到疾病致病过程中自噬系统中发生的变化的动态性质(图3).

先天免疫和适应性免疫

细胞内生物的处置与细胞器类似，对细胞降解途径构成空间挑战，而自噬可能是唯一的解决途径。用于选择性捕获细胞器的自噬机制也用于选择性地将微生物输送到溶酶体，这一过程被称为异种吞噬⁴⁶在哺乳动物（也许还有其他后生动物有机体）中，自噬在抗菌防御中的作用可能超出了直接消除病原体的范围。越来越多的研究表明，自噬在将微生物抗原物质传递给先天性和适应性免疫系统以及维持淋巴细胞内环境稳定方面发挥着作用^47,48(图3).

色诺芬病毒可以攻击侵入细胞内的细胞外细菌、细胞液、吞噬体或含病原液泡中的细菌和寄生虫，以及通过细胞质从细胞核中排出时新合成的病毒粒子^47,49与经典的自噬相比，对异种吞噬的细胞生物学研究较少，尽管这两个过程所需的分子成分重叠，但吞噬微生物的膜是否具有与经典自噬体相似或不同的生物发生机制尚不清楚。与仅由细胞成分组成的经典自噬体相比，含有病原的LC3阳性腔室可能要大得多⁴⁷表明自噬过程的可塑性，使其能够适应吞噬比自身细胞器大的微生物的需要，这种能力反映了自噬体形成的独特机制(图1). 尽管异噬似乎主要是一种选择性的自噬形式，但关于微生物（或含有微生物的膜室）是如何被自噬机制识别的几乎一无所知。

除了在病原体清除中的直接作用外，自噬还可能在受感染细胞中发挥细胞保护功能，并介导先天免疫和适应性免疫所需的贩运事件。在某些RNA病毒感染的情况下，需要自噬将病毒核酸传递到内体toll样受体TLR7，然后激活I型干扰素信号⁴⁷自噬机制也用于某些内源性合成病毒抗原的主要组织相容性复合体（MHC）II类呈现⁴⁷自噬机制不仅在先天性免疫和适应性免疫中起作用，而且参与细胞内病原体控制的几种先天性和适应性免疫介质也会刺激自噬⁴⁷.

考虑到自噬在先天性免疫和适应性免疫中的不同作用，许多病原体设计出比自噬更聪明的策略也就不足为奇了。一些细胞内细菌和病毒协同自噬机制，利用Atg蛋白依赖的动态膜重排实现自身复制优势^49,50更常见的是，成功的细胞内病原体调节调节自噬的信号通路，或阻断自噬介导的病原体递送到溶酶体所需的膜运输事件⁴⁷值得注意的是，在某些情况下，微生物避免自噬可能对微生物发病机制至关重要。例如，致命的单纯疱疹病毒脑炎需要病毒神经毒力蛋白抑制Beclin 1自噬蛋白⁵¹因此，选择性破坏微生物毒力因子与其靶向宿主自噬蛋白之间的相互作用可能有助于减少感染诱导的病理学。

自噬在免疫中的其他假定作用值得进一步的科学关注，包括T细胞内环境稳定、中枢和外周耐受诱导以及预防不必要的炎症和自身免疫⁴⁷我们还注意到，最近几次全基因组扫描揭示了自噬基因中非同义单核苷酸多态性之间的强烈关联ATG16L1型以及自噬免疫相关的GTPase IRGM和克罗恩病（肠道炎症性疾病）的易感性¹³这些关联表明自噬解除调控在克罗恩病发病机制中具有潜在的有趣作用。然而，尚不清楚ATG16L变异体是否存在自噬功能缺陷，以及这种遗传关联是否表明自噬损伤与克罗恩病发病机制之间存在机械联系。T300A基因敲除突变的靶向突变小鼠的研究ATG16L1型应该有助于澄清这些重要问题。

癌症

癌症是最早与自噬功能障碍相关的基因疾病之一^12,13. The自动变速箱基因贝克林1在40-75%的人类乳腺癌、卵巢癌和前列腺癌病例中被单等位基因删除。这可能在肿瘤发生中具有机械重要性，因为杂合破坏的小鼠贝克林1自噬减少，更容易发生自发性肿瘤，包括淋巴瘤、肺癌、肝细胞癌和乳腺癌前病变^27,29此外，永生化肾和乳腺上皮细胞来源于贝克林1杂合缺陷小鼠移植后更易致癌体内增强Beclin 1/Ⅲ类磷脂酰肌醇3-激酶（PI3K）复合物自噬活性的其他成分，包括抗紫外线相关基因（UVRAG）、Ambra1和Bif-1也可能在细胞生长控制和/或肿瘤抑制中发挥作用^26,28在动物模型中自动变速箱基因包括atg4c也发挥抑瘤作用⁵²这表明肿瘤抑制可能是自噬蛋白的共同特性，自噬蛋白质在途径的不同步骤中发挥作用(图3). 超越角色自动变速箱在肿瘤抑制基因中，有越来越多的证据表明自噬信号调节与致癌信号密切相关。一些常见激活的癌基因（例如编码I类PI3K、PKB、TOR、Bcl-2）抑制自噬，而通常突变或表观遗传沉默的肿瘤抑制基因（例如那些编码p53、PTEN、DAPk、TSC1/TSC2的基因）刺激自噬⁵.

自噬调控或执行缺陷与癌症之间的这些遗传联系表明，自噬是一种真正的肿瘤抑制途径。然而，其在肿瘤抑制中的作用机制在很大程度上尚不明确。自噬可以直接调节细胞生长，起到刹车的作用，防止细胞在缺乏适当营养支持的情况下不适当地分裂（即使在这种情况下它可以促进细胞存活）¹³自噬缺陷酵母中线粒体DNA突变频率的增加表明，由基础自噬介导的线粒体更新可以防止遗传毒性应激和DNA损伤^12,13的确，最近的研究惊人地揭示了这两者贝克林1和第5天作为细胞基因组的守护者。单等位基因或双等位基因缺失的永生上皮细胞贝克林1或第5天分别显示DNA损伤、基因扩增和非整倍体增加，尤其是在缺血应激期间，同时致瘤性增加¹²目前尚不清楚自噬缺陷如何影响基因组稳定性。

一个看似矛盾的现象是，自噬，一种主要作用于细胞生存的途径，也作用于肿瘤抑制(图3)，但最近提出了两个假设来解释这个悖论¹²首先，当肿瘤细胞在暴露于代谢应激后不能因凋亡而死亡时，自噬可能会阻止坏死导致的死亡，这一过程可能会加剧局部炎症，从而增加肿瘤生长速度。其次，如上所述，即使自噬在肿瘤微环境中的代谢应激环境中促进细胞存活，它也同时起到防止基因组不稳定的作用。另一种可能性是，尽管自噬具有促生存作用，但在代谢应激（和高密度条件下）期间的自噬激活会阻止细胞生长¹³尽管自噬的促生存作用通常可以通过其抑癌作用来抵消，但越来越引起关注的一个领域是这些促生存作用对肿瘤细胞对化疗的耐药性的潜在贡献；最近的研究表明，基因或药物抑制自噬会增强癌症化疗药物的细胞毒性^53,54因此，临床试验正在进行中（基于小鼠模型的研究⁵⁵)破坏自噬降解，以最大限度地发挥肿瘤细胞毒药物的作用。因此，就像在神经退行性疾病和心脏病中一样，可能有必要以特定环境和特定疾病类型的方式区分自噬目标；自噬增强可能有效地阻止肿瘤的形成和进展，而自噬抑制可能有助于促进肿瘤的消退。

老化和寿命

所有衰老细胞的一个共同特征是受损蛋白质和细胞器的积累，即使没有任何突变使细胞倾向于致病表型，如聚集倾向突变蛋白质(图4). 如上所述，这些改变成分的沉积对非分裂分化细胞尤其有害，例如神经元和心肌细胞，这些细胞的特征性功能衰退通常比其他类型的细胞表现得更快。宏观自噬和CMA活性都随着年龄的增长而下降^56,57根据最近生成的自噬受损的遗传小鼠模型中观察到的显著表型^18,19,23,24，很容易推断，自噬活性随着年龄的增长而逐渐下降，这可能在衰老生物的功能退化中起着重要作用。相反，限制热量摄入，这是唯一已知的延缓衰老的干预措施，似乎可以改善自噬诱导，这可能是因为胰岛素（一种自噬抑制剂）的水平较低(图2). 目前防止或恢复大细胞自噬随年龄下降的努力旨在通过使用抗脂肪分解药物（模拟热量限制引起的饥饿状态），重现热量限制对这一途径的有益影响⁵⁸.

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图4

自噬和老化

据报道，从线虫到哺乳动物，衰老生物体的几乎所有组织中都存在溶酶体功能缺陷，并且宏观自噬和CMA活性都随着年龄的增长而降低⁵⁶宏观自噬的调控和执行问题导致其在衰老过程中功能下降⁵⁷在老年生物体中，由于血清中胰高血糖素水平的增加（即餐间）而导致的大量自噬的上调可能是由于胰岛素受体的基础活性持续增强，以应对老化细胞中活性氧种类的增加⁵⁹此外，未消化物质（脂褐素）在次级溶酶体（例如，自溶体）内的积累会干扰其与自噬体融合并降解其载物的能力。溶酶体膜随年龄的变化使CMA受体不稳定。该受体水平的年龄依赖性降低是老年生物CMA活性低的原因⁶⁰随着年龄的增长，自噬下降的一些预测结果是，对受损成分的清除效率低下，对压力的反应不佳，以及可能对疾病的诱发作用。

见解

在过去的十年中，我们对大分子自噬的分子机制的认识有了巨大的进步，包括对蛋白质机制的许多组成部分的鉴定。相比之下，我们对调控的理解，尤其是多重刺激和抑制输入的复杂相互作用，相对有限。为了治疗目的操纵自噬，特别是考虑到其在细胞保护和细胞死亡方面的双重能力，我们需要提高对各种调节途径的理解。

与宏观自噬的分子解剖的迅速发展以及有关其调控及其病理生理相关性的信息的不断增加相比，我们对其他形式自噬现象的理解仍然有限。CMA的关键分子参与者已经确定，但与其他膜转位系统相比，其他调控成分尚待发现。目前关于微自噬的可用信息甚至更为有限，并且缺乏可靠的标记物或检测来跟踪这一过程，这使得微自噬者的变化无法与生理或病理条件联系起来。

尽管饥饿或应激适应是生理条件下自噬的进化保守功能，但考虑到自噬在疾病中的作用，细胞内成分的降解可能是更重要的功能。未来感兴趣的一个领域是研究自噬在预防神经退行性变中的作用，尽管目前我们还不知道Aβ和α-突触核蛋白等神经肽毒性的直接原因。此外，我们需要了解功能性自噬起到保护作用的问题，而不是自噬受损和伴随的细胞溶质自噬小体积聚，这有助于神经退行性变、肝病和肌病的发病机制，因为在后一种情况下诱导自噬会加剧疾病病理。同样，在试图确定抑制或刺激自噬是否可能有益时，我们应该仔细考虑癌症等疾病的类型和进展。为了更好地理解免疫，重要的是要确定在微生物入侵时激活自噬的机制、允许细胞内病原体特异识别的靶点以及自噬在免疫细胞功能中的作用。

目前研究衰老中的自噬的挑战之一是，大多数自噬受损的遗传小鼠模型不能再现衰老依赖性变化的主要特征。在这些模型中，自噬被完全阻断，这种阻断是从出生时就存在的。最近引进的条件敲除小鼠在一定程度上有助于克服这一问题，因为这些小鼠可以比较出生时自噬受损的后果，即代偿机制可能被激活时，自噬损伤的后果与成年生物体中发生的后果。

因此，尽管我们在理解自噬方面取得了巨大进展，但仍有许多尚未解决的问题。在我们希望操纵这些途径来治疗人类疾病之前，有必要对所有类型的自噬进行更全面的了解。

致谢

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