自噬与代谢

摘要

从酵母到人类，活的有机体为了生存，能够吃掉自己的一部分。这涉及到细胞成分的降解，因为它们是有害的（例如，受损的细胞器和微生物入侵者），或者因为所产生的分解产物需要支持新陈代谢。这个过程被希腊语恰当地称为“自噬”或“自我”和“吞噬”或“吃”。作为人类健康和疾病的重要贡献者，它最近受到了关注。

有几种形式的自噬，每种自噬都涉及将细胞内的物质输送到溶酶体进行降解。主要形式为大自噬（以下简称自噬），产生称为自噬小泡的小泡，捕获细胞质物质并将其传递给溶酶体(1). 自噬相关基因（自动变速箱基因）从酵母到哺乳动物都是保守的，并调节细胞内细胞质、蛋白质和细胞器的自相残杀。

自噬是降解大型结构（如细胞器和蛋白质聚集体）的唯一机制。在没有压力的情况下，基础自噬起到内务管理的作用。它为电池提供常规的“垃圾处理”服务，消除可能有毒的受损组件。这种细胞更新在静止和终末分化的细胞中尤其重要，在静止和终末分化的细胞中，受损成分不会被细胞复制稀释。在饥饿中，自噬提供营养来源，促进生存。自噬是由多种其他应激源诱导的，可以降解蛋白质聚集体、氧化的脂质、受损的细胞器，甚至细胞内病原体。虽然自噬并不总是能够解决代谢和垃圾处理的作用，但很明显，自噬可以预防疾病。自噬缺陷与肝病、神经变性、克罗恩病、衰老、癌症和代谢综合征有关。

自噬过程

一系列蛋白质复合物由自动变速箱基因产物协调自噬体的形成。Atg1/ULK1复合物（酵母中的Atg1和哺乳动物中的ULK1）是自噬体形成的重要正调控因子(1). 当营养丰富时，哺乳动物雷帕霉素靶点复合物1（mTORC1）与ULK1复合物的结合抑制自噬。mTORC1是细胞生长和代谢的重要调节因子。它由五个亚单位组成，包括结合ULK1的Raptor和丝氨酸-苏氨酸激酶mTOR。通过磷酸化ULK1和另一复合物成员（酵母Atg13的哺乳动物同源物），mTOR抑制自噬启动。在饥饿状态下，mTORC1从ULK1复合物中分离出来，释放它以触发自噬体成核和伸长。

自噬体成核需要含有Atg6或其哺乳动物同源物Beclin 1的复合物，该复合物招募III类磷脂酰肌醇3-激酶VPS34生成磷脂酰肌糖3-磷酸(2). 自噬体膜的扩张涉及两个泛素样分子，Atg12和Atg8（哺乳动物称为LC3），以及两个相关的结合系统。E1-like Atg7和E2-like Attg10共价连接Atg12和Atg5，后者结合Atg16L1形成自噬前结构。在第二个泛素样反应中，LC3被蛋白酶Atg4裂解。磷脂酰乙醇胺通过Atg7和第二种类E2酶Atg3与裂解的LC3结合，这种脂质化的LC3-II与新形成的自噬体膜结合。LC3-II在与溶酶体融合之前一直存在于成熟的自噬体上，通常用于监测自噬。

从Beclin 1复合物开始的过程产生新生的自噬体膜。这些膜围绕货物组装，将货物包裹在囊泡中，囊泡随后与溶酶体融合，产生自身溶酶体。然后被蛋白酶、脂肪酶、核酸酶和糖苷酶降解。溶酶体渗透释放分解产物——氨基酸、脂质、核苷和碳水化合物——进入胞浆，在胞浆中可用于合成和代谢途径(图1).

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图1

自噬产物的使用。多种形式的压力激活自噬（右下）。蛋白质、脂类、碳水化合物和核酸的降解释放出氨基酸、脂肪酸、糖和核苷，释放到细胞质中进行再利用。糖类（蓝线），包括通过糖原分解或自噬从糖原颗粒释放的葡萄糖，通过糖原水解和PPP分解代谢，生成ATP和丙酮酸，用于随后的TCA循环代谢。核苷（绿线）用于新的核酸合成，并通过PPP和糖酵解的联合作用分解代谢。氨基酸（紫色线）被用作新蛋白质合成的基石，通过中枢碳代谢生成ATP，以及（在肝脏中）作为糖异生的底物(图3). 它们还可以结合生成柠檬酸盐，从而促进脂质合成和膜生物生成。氨基酸的分解代谢产生氨，氨是自噬的激活剂（虚线）。脂肪酸（黄线）来自脂肪分解或膜或脂滴自噬产生的乙酰辅酶A，为TCA循环提供营养，支持ATP生成和柠檬酸生成。OAA表示草酰乙酸；α-KG，α-酮戊二酸；内质网。

自噬基质

自噬可以是非选择性的，也可以是选择性的。自噬对细胞质和细胞器的非选择性大量降解为饥饿期间的新陈代谢提供了物质支持。它也有助于广泛的组织重塑，如果蝇属形态发生(三). 目前尚不清楚是否存在阻止大量自噬消耗细胞最终线粒体等重要成分的机制，在某些情况下，这种消耗可能导致细胞死亡。

蛋白质和细胞器的选择性自噬，如线粒体（有丝分裂）、核糖体（核糖体）、内质网（网织吞噬）、过氧化物酶体（pexophagy）和脂质（脂类吞噬），在特定情况下发生。在哺乳动物中，通过自噬或蛋白酶体途径靶向蛋白质降解的信号是泛素化。许多蛋白质在自噬缺陷的哺乳动物细胞中积累，这表明自噬在控制细胞蛋白质组中起着重要作用，蛋白酶体介导的降解不能补偿缺陷的自噬(4). 为了靶向蛋白质进行自噬降解，修饰蛋白质上的泛素被自噬受体识别并结合，如p62或Nbr1，它们与LC3相互作用，将货物传递给自噬体(1).

调节细胞器选择性自噬的机制更为复杂。在酵母中，位于线粒体的Atg32是一种受体，它与Atg8和Atg11相互作用，产生选择性线粒体自噬(5,6). 在哺乳动物中，去极化线粒体的自噬是由Parkin依赖Pink1的线粒体易位启动的，它保护细胞免受有毒活性氧的侵害。随后线粒体蛋白质泛素化和p62的募集将线粒体导向自噬体(7,8). 自噬对受损线粒体的修剪具有两种稳态功能。第一是限制氧化损伤。第二是维持功能性线粒体库。

自噬的监管

细胞通过一系列复杂的信号通路整合有关营养物质可用性、生长因子和激素受体激活、压力和内能的信息(图2). 在哺乳动物中，胰岛素是喂养状态下阻止自噬的主要激素。

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图2

调节自噬的信号通路。调节自噬的常见营养素、生长因子、激素和压力信号。紫线描绘了积极调节自噬的事件。黄线表示那些对自噬有负面调节作用的细胞。许多路径在AMPK-mTORC1轴上汇聚。绿线表示mTOR依赖的路径。请注意，所有输入信号都被框定为自噬激活物；因此，它们包括对生长因子和营养素的限制。核因子κB激酶β抑制剂IKKβ；磷脂酰肌醇-3激酶；PTEN、磷酸酶和张力蛋白同源物；丝裂原活化蛋白激酶；TSC1/2，结节硬化复合物1和2；EF，伸长率。

整合自噬相关信号的主要细胞内中枢是mTORC1(9). 在含有丰富营养素和生长因子（包括胰岛素）的情况下，mTORC1促进细胞生长和代谢活性，同时抑制ULK1复合物和自噬。在剥夺或应激状态下，许多信号通路使mTORC1激酶活性失活。这既抑制细胞生长以减少能量需求，又诱导自噬以实现压力适应和生存。第二个mTOR复合物mTORC2正向调节mTORC1。mTORC1的上游是由一磷酸腺苷活化蛋白激酶（AMPK）控制的细胞能量感应途径(10). 高浓度的AMP信号能量消耗，激活AMPK，抑制mTORC1，从而促进自噬(图2).

自噬的调节也通过叉头盒或FOXO转录因子发生，其激活导致自动变速箱基因(11). 同样，低氧和低氧诱导因子（HIF）的激活会诱导有丝分裂特异性基因的转录和有丝分裂(图2) (12). 也存在特征不太明确的mTOR依赖性自噬调节因子。一种是氨，氨基酸分解代谢的副产品，它刺激自噬，可能存在于灌注不良的组织和肿瘤中(13). 胰高血糖素是禁食状态的主要激素，也会触发肝脏的自噬。肾上腺素能受体激活，如胰高血糖素激活腺苷酸环化酶和环磷酸腺苷（cAMP）生成，也刺激肝脏自噬。

自噬和饥饿

所有细胞都有供饥饿时使用的内部营养库。糖原和脂滴显然是为此目的而设计的。其内容物主要通过糖原磷酸化酶和激素敏感脂肪酶等专用酶的作用获得。许多其他细胞成分具有双重功能，如营养物质储存。例如，核糖体约占快速生长微生物干重的50%。除了在营养条件有利时实现快速蛋白质合成外，这还为条件恶化时的蛋白质组重构提供了氨基酸储备。自噬在提供此类非专用营养物质储存的途径方面发挥着关键作用。

限制任何主要元素营养素都会触发酵母的自噬，氮限制是最强的刺激因素(14). 当氮被去除时，自噬缺陷的酵母内部氨基酸会严重耗尽。这就排除了对氮饥饿生存至关重要的蛋白质的合成，并加速了细胞死亡(15). 因此，在饥饿期间，自噬提供了获得氮的主要途径。

与微生物不同，哺乳动物细胞受益于相对恒定的营养环境。然而，自噬可以通过营养剥夺来支持哺乳动物细胞。例如，在淋巴细胞中，消耗环境营养素的能力依赖于生长因子。在缺乏生长因子刺激的情况下，能量电荷通过自噬维持，细胞在3个月的自噬过程中体积缩小约50%(16).

在生物体水平上，哺乳动物发育的多个阶段都需要自噬。第一种是直接在卵母细胞受精后进行的，在胚胎获得母体血液供应之前，自噬是喂养发育中的胚胎所必需的。自噬缺陷胚胎未能达到囊胚阶段(17). 母体提供的自噬蛋白使自噬缺陷的后代能够完成胚胎发生，揭示了自噬的第二个要求：由于出生而突然失去母体血液供应。自噬缺陷幼犬在分娩后24小时内死亡。循环和组织中的氨基酸水平都降低，心脏中的AMPK被激活，这显示出与严重心肌梗死类似的心电图变化(18).

在成人饥饿中，自噬也起着重要作用，在24小时内，肝脏、胰腺、肾脏、骨骼肌和心脏中的自噬增加；大脑是多余的(19). 药物阻断自噬导致饥饿早期心脏功能障碍(20). 尽管在饥饿2天后，肝脏中的自噬水平恢复正常，但心肌和骨骼肌中的自吞噬水平仍在增加。然而，肝脏质量持续下降的速度快于肌肉或全身质量。这种下降与生物合成无法通过自噬平衡肝脏的基础消耗相一致(21). 当肝脏质量下降时，肌肉和脂肪组织的分解为肝脏提供营养，肝脏输出大脑所需的葡萄糖和酮体(图3).

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图3

自噬在成年哺乳动物饥饿中的作用。糖原储备耗尽后，通常在饥饿后约12小时，所描述的途径占主导地位。肝脏和心脏（而不是大脑）中的自噬产生脂肪酸和氨基酸，这些脂肪酸和胺基酸被分解代谢产生能量。在肝脏中，这种能量驱动糖异生和酮生。氨基酸是酮生成和糖异生的底物；脂肪酸中的乙酰辅酶A仅用于酮生成。随着饥饿的持续，脂肪和肌肉的降解在向肝脏提供基质方面发挥着越来越大的作用，肝脏将葡萄糖和酮体输出给大脑。长期饥饿时，酮体的相对重要性增加。NADH，烟酰胺腺嘌呤二核苷酸的还原形式。

自噬释放的代谢物的使用

自噬产生的分解产物具有双重作用，为生物合成和能量生成提供底物(图1). 就生物合成而言，核糖体（相对于信使）RNA的丰度使得转录组重构变得简单。相反，蛋白质组重构需要丰富的氨基酸，而自噬的主要作用是提供氨基酸。

除了提供合成代谢底物外，核苷和氨基酸还可以分解代谢以产生能量。RNA分解产生核苷，核苷被降解为核糖磷酸。六个核糖磷酸分子在能量上相当于五个磷酸葡萄糖，就像糖原分解产生的磷酸葡萄糖一样，它们可以在需氧或厌氧条件下产生三磷酸腺苷（ATP）。相反，氨基酸，如脂类，只能通过氧化磷酸化生成ATP(图1). 缺血的灾难性影响是核酸和糖原相对缺乏以及厌氧糖酵解效率低下的结果。氧气是自噬无法提供的营养物质。

除了被直接分解代谢产生能量外，肝脏还可以将核苷、氨基酸和脂质转化为葡萄糖和酮体，然后分布在身体的其他部位(图3). 核苷中的磷酸核糖可以通过非氧化磷酸戊糖途径（PPP）转化为葡萄糖。氨基酸在多个点进入中枢代谢，包括丙酮酸、三羧酸循环（TCA）中间产物和乙酰辅酶A（CoA）(图1). 丙酮酸和TCA循环中间体是糖异生的底物。相反，哺乳动物不能将乙酰辅酶A转化为葡萄糖。由于脂质降解主要产生乙酰辅酶A，酮体在长期饥饿期间对大脑和其他重要组织的营养至关重要。

自噬作为代谢调节器

自噬对调节细胞代谢能力很重要。一个引人注目的例子来自能够以过氧化物酶体中燃烧的底物甲醇或脂肪酸为生的酵母。当更吸引人的碳形式出现时，过氧化物酶体不再需要，而是通过自噬清除(22). 自噬在清除不需要的过氧化物酶体中的功能在哺乳动物中是保守的。过氧化物酶体是由各种疏水性化学物质在肝脏中诱导形成的，统称为过氧化物酶增殖物。清除过氧化物酶体增殖物可通过自噬恢复正常过氧化物酶丰度(22).

自噬还通过组成性降解调节肝脂滴的丰度(23). 小鼠自噬缺陷会导致更大更丰富的脂滴，肝脏甘油三酯和胆固醇浓度增加，肝脏总体积增大。体外游离脂肪酸和高脂肪饮食可选择性降低脂质吞噬(23). 因此，除了促进脂滴生长外，游离脂肪酸还可能损害脂滴的分解。由于脂类吞噬释放出游离脂肪酸，它们对其的抑制是新陈代谢中最常见的调控基序之一：反馈抑制。但这种反馈机制在慢性高脂肪饮食或肥胖的情况下可能适得其反。

与自噬在清除肝脏脂滴中的作用相反，自噬是产生白色脂肪组织特有的大脂滴所必需的(24,25). 白色脂肪是指在肥胖中膨胀的典型脂肪储存组织；这与棕色脂肪形成对比，棕色脂肪是一种富含线粒体的组织，分解代谢葡萄糖和脂质以产生热量，而不是ATP。棕色脂肪组织含有解偶联蛋白1，使质子通过线粒体内膜泄漏，使氧化磷酸化短路。抑制自噬阻止白色脂肪细胞分化和脂肪特异性敲除atg7型结果白色脂肪细胞呈现典型棕色脂肪组织特征的小鼠。与棕色脂肪细胞的快速能量燃烧一致，这些小鼠很瘦；然而，它们并不健康——如果以常规或高脂肪饮食喂养，它们早期死亡的风险会增加(24).

自噬也有助于胰岛素分泌和对激素的生理敏感性。这对胰岛β细胞的健康和高脂饮食引起的β细胞团的扩张至关重要(26,27). 在肝脏中，缺陷的自噬导致胰岛素抵抗(28). 由于尚不完全清楚的原因，肥胖小鼠的肝脏自噬减少，并通过逆转录病毒表达atg7型改善他们的胰岛素抵抗。

自噬的整体能量影响

为了维持体内平衡，自噬引起的组织降解必须通过新的大分子合成来平衡，而这一合成耗能巨大。蛋白质中的每一个肽键都需要四个高能磷酸键，其中两个用于tRNA充电，另两个用于核糖体肽键的形成。假设在生理条件下，ATP水解的自由能为-50 kJ/mol，合成1 g蛋白质需要消耗1.8 kJ的能量。对于一个典型的人类来说，这意味着重建10%的身体蛋白质含量将消耗至少2000 kJ，即20%的每日膳食能量摄入。体外自噬率的估计值通常为每天10%或以上，例如，培养肝细胞每小时蛋白质的1%(21). 因此，尽管体内自噬的速率可能较低，但重建自噬降解的结构可能是哺乳动物热量需求的主要原因。与这种可能性相一致的是，p62的敲除将货物带到自噬体，导致热量燃烧减少，最终导致肥胖(29). 在衰老过程中，自噬和总热量消耗同时减少(30). 导致自噬减少导致自我生成所消耗能量减少的原因联系的可能性令人好奇。肥胖患者自噬减少也可能导致减肥困难(28).

自噬与疾病

通过自噬处理细胞垃圾可以防止受损蛋白质和细胞器的积累，从而导致慢性组织损伤和疾病。小鼠自噬的基因失活表明，疾病的类型取决于组织类型。在大脑中，自噬抑制泛素化蛋白质的积累，处理聚集蛋白和损坏的细胞器，这些细胞器会导致亨廷顿病和帕金森病，并防止神经退化(31,32). 在肝脏中，自噬抑制蛋白质聚集和脂质积累、氧化应激、慢性细胞死亡、炎症和癌症(4,33). 在肠道Paneth细胞中，它保留细胞功能，防止损伤和炎症标记物的表达，并防止克罗恩病的发展(34). 尽管自噬在预防上述疾病中起到了细胞更新的作用，但自噬的代谢作用也可能有助于确保体内营养的持续可用性，并使细胞能够在外部营养不良的时期健康存活。不管潜在机制如何，自噬刺激正在考虑用于疾病预防。为了支持这一概念，自噬在模型系统中调节饮食限制对衰老相关疾病的保护作用(35)自噬抑制导致肥胖的有害后果(28). 诱导自噬可能导致许多宗教中常见的禁食仪式以及现代清洁仪式，从而产生健康益处。

与组织中的正常细胞不同，肿瘤通常位于缺乏营养、生长因子和氧气的环境中，这是由于血管不足或异常形成的结果。因此，自噬在癌症中的作用是矛盾的：尽管自噬可以阻止某些癌症的发生，但它也可能支持肿瘤的生长。自噬定位于离营养物质供应血管最远的缺氧肿瘤区域，在那里维持肿瘤细胞存活(36). 自噬在肿瘤中的主要作用是提供代谢底物还是防止受损成分的积累尚不清楚。但无论哪种方式，抑制自噬都可能抑制已建立的肿瘤的生长(37).

癌症中许多控制自噬的途径被解除了调控(图2)，而针对这些途径的癌症疗法激活了自噬。一些通过抑制mTOR直接实现，而另一些则抑制上游营养或信号通路。细胞毒性癌症疗法可能通过造成损害来激活自噬。需要确定自噬在这些环境中的功能作用。一个特别有趣的可能性是自噬有助于肿瘤细胞存活。如果这被证明是正确的，那么抑制自噬可能会与现有的癌症治疗协同作用(37).

结论

自噬是细胞代谢的主要贡献者。当外部营养素不可用时，它提供内部营养素。它还提供了更新和重塑细胞的基本手段。因此，它是正常发育所必需的，包括代谢组织如脂肪组织和胰腺β细胞的发育。在成年人中，自噬促进代谢内稳态，防止退化性疾病和癌症。然而，一旦癌症发生，自噬可能有助于肿瘤的恢复。因此，激活和抑制自噬有望改善常见的毁灭性疾病的治疗。

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