通过营养信号调节自噬

摘要

介绍

宏观自噬，以下简称自噬是细胞应激源激活的主要分解代谢程序，包括营养和能量饥饿¹自噬开始于从头开始自噬体的产生，这是一种双膜囊泡，扩张后吞噬邻近的细胞质成分和细胞器²自噬体的形成是由一组被称为ATG或“自噬相关”蛋白质的协同作用驱动的^三成熟的自噬体与溶酶体融合后酸化，形成自溶体^三溶酶体与自噬体融合提供管腔酸水解酶，降解捕获的蛋白质、脂类、碳水化合物、核酸和细胞器，提供营养物质，然后通过溶酶体渗透酶分泌回细胞质，供细胞在应激条件下使用。受损的细胞器、蛋白质聚集体和受感染的病原体也可以诱导自噬，以维持细胞完整性或发挥防御反应。这篇综述将主要关注营养素（氨基酸、葡萄糖和氧气）调节自噬机制的最新进展。

核心自噬蛋白

为了解释自噬调控，我们将在本节中首先描述自噬机制。ATG蛋白通常被列为六个官能团，它们协同执行自噬体形成的关键过程^三：首先，类UNC-51激酶1（ULK1，酵母Atg1同源物）激酶复合物，由ULK1、FIP200（也称为RB1CC1）、ATG13L和ATG101组成^4,5,6,7,8,9; 第二，VPS34激酶复合物（一种III类磷脂酰肌醇（PtdIns）3-激酶），由VPS34（也称为PIK3C3）、VPS15（也称为PIK3R4）、Beclin-1和ATG14或UVRAG组成（这些蛋白质相互排斥地结合Beclin-1）^{10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21}; 第三，PtdIns 3-磷酸结合蛋白，包括WD-重复相互作用的磷脂酰肌醇蛋白和锌指FYVE结构域蛋白1（也称为DFCP1）^22,23,24,25; 第四，ATG5-12泛素样结合系统，包括由ATG12-ATG5-ATG16L组成的E3-类气体复合物（其中ATG12和ATG5之间存在异肽键）^26,27; 第五，微管相关蛋白1-轻链3（LC3）磷脂酰乙醇胺结合系统（其中磷脂酰乙醇酰胺通过ATG12-ATG5-ATG16L复合物与LC3结合）^27,28; 第六，ATG9a（一种多跨膜蛋白），是ATG蛋白中唯一的跨膜蛋白²⁹最后一组还包括跨膜蛋白液泡膜蛋白1，它不是ATG蛋白，但在哺乳动物中是自噬所必需的^30,31。此列表中的ATG蛋白在哺乳动物中按等级和时间排列^30,31.

自噬和泛素蛋白酶体系统是细胞内的主要降解过程。虽然越来越多的证据表明，自噬和泛素系统之间存在显著的串扰，但我们想强调两个重要的区别。首先，自噬在降解大分子时产生能量，而蛋白酶体系统在降解过程中消耗ATP。第二，自噬在水解目标（即蛋白质、脂质、碳水化合物等）的大小上实际上是无限的，它可以分解。因此，自溶体选择性地分解整个细胞器、病毒和大蛋白聚集体（参见^32,33,34). 由于这些差异，自噬是一种降解力，在营养饥饿、线粒体去极化、病原体感染和有毒蛋白质聚集体的反应下上调。

在ATG5-或ATG7-缺失的新生小鼠中，可以显著观察到维持细胞营养稳态的自噬需求。这些自噬缺陷小鼠出生时几乎没有身体缺陷，并且按照预测的孟德尔比例，在出生后24小时内死亡^35,36强制喂食可以延长存活时间，这表明早产是由新陈代谢引起的。对关键代谢产物的分析证实，自噬缺陷新生儿患有系统性氨基酸缺乏和葡萄糖水平下降^35,36有趣的是，在培养的正常肝细胞中，饥饿时蛋白质降解速度增加了3%的总蛋白质/小时。几乎所有这些增加都归因于自噬^35,37自噬的物质循环是一种进化上保守的机制，在营养限制时期，需要消耗细胞质成分^35,36,38因此，在急性饥饿期间，自噬是一个不可或缺的应激反应过程，能够暂时恢复细胞营养和能量平衡。

自噬开始

在哺乳动物中，自噬体形成的起源部位是吞噬体。为吞噬细胞贡献脂质的细胞器仍然是一个活跃的争论话题，竞争模型在别处详细介绍²目前，有令人信服的证据表明，内质网-线粒体界面在饥饿诱导的自噬体的发生中起着重要作用^39,40而自噬体的很大一部分也被描述为含有高尔基体和质膜的脂质^41,42,43ATG蛋白向吞噬细胞的募集以及脂质的获取使膜膨胀，形成称为ω体的杯状自噬体前体⁴⁴自噬体形成的逐步进展主要表现为自噬蛋白质向成熟细胞器的募集和分离^2,三,45.

吞噬细胞的ATG蛋白募集启动自噬

自噬起始中最早可检测到的事件之一是ULK1 puntca的形成³⁰(图1). 在哺乳动物中，ULK1和ULK2（以下简称ULK激酶）是专用自噬机制中唯一的丝氨酸/苏氨酸激酶，与酵母ATG1同源^29,46遗传证据表明，ULK/ATG1位于其他ATG蛋白募集的上游³⁰ULK激酶的活性是VPS34向吞噬细胞募集所必需的^30,31VPS34是多种蛋白复合物的催化成分，其中一些与自噬无关的机制有关，而另一些则在自噬的不同阶段发挥作用。在这些复合物中，含有VPS15、Beclin-1和ATG14的VPS34复合物特异性地被征募到吞噬细胞磷酸化PtdIns，产生PtdIns（3）P(图1)^15,20,30,31PtdIns（3）P对于一类磷脂结合蛋白的招募至关重要，其在自噬起始中的确切功能仍然是个谜；然而，在哺乳动物和酵母中，它们已被证明在自噬中发挥作用^22,23,25,30此外，最近研究表明，PtdIns（3）P的产生可以稳定欧米伽马组的ULK1⁴⁷。结合到ATG16L的ATG12修饰的ATG5寡聚体的招募也与ULK1 puntca形成相一致^48,49ATG12-ATG5-ATG16L复合物的形成需要涉及ATG7和ATG10的泛素样结合系统（参见⁵⁰)氨基酸退出后ULK1点的最佳形成需要FIP200与ATG16L直接结合(图1)^48,49在功能上，LC3与磷脂酰乙醇胺的偶联需要ATG12-5-ATG16L²⁸.LC3B是酵母ATG8的哺乳动物同源物，是LC3 a、B、C家族中诱导自噬的最重要和最具特征的LC3副产物^28,51LC3-磷脂酰乙醇胺的结合被认为是闭合扩张的自噬体膜所必需的⁵²(图1). 最后，吞噬体包含两种跨膜蛋白ATG9和液泡膜蛋白1，这两种蛋白是生成自噬体所必需的，在营养丰富的条件下，它们保持点状定位^30,53.

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图1

哺乳动物自噬体形成中的ATG蛋白募集。描述了ATG蛋白复合物在自噬体形成中的时间和功能关系。这些关系是从多个独立研究中组合而成的，以生成一个工作模型，并在文本中总结了详细信息。VPS34复合体的核心包括VPS34和VPS15，描述为VPS34。

通过补充ATG蛋白而激发的吞噬细胞的形成会因氨基酸和葡萄糖等营养物质的摄入而显著增加，因此最近有人描述感知这些代谢物的激酶可以调节自噬的启动，以响应能量和营养水平的变化，这可能并不奇怪。

mTORC1的氨基酸信号

自噬对氨基酸波动的反应早于ATG基因的鉴定和克隆。1977年，Schworer及其同事发现，在缺乏氨基酸的情况下灌注大鼠肝脏可以快速诱导自噬体数量⁵⁴随后研究表明，支链氨基酸，尤其是亮氨酸，对蛋白质周转和自噬的抑制起作用^55,56氨基酸介导的自噬抑制的关键下游效应器之一是哺乳动物雷帕霉素靶点或机械性TOR（mTOR）^57,58.

mTOR是一种高度保守的丝氨酸/苏氨酸激酶，能够整合来自多种刺激的信号，包括氨基酸、能量水平、氧气、生长因子和应激，以协调细胞生长和维持代谢平衡⁵⁹.mTOR在哺乳动物中形成两种功能不同的复合物，即mTORC1（mTOR复合物1）和mTORC2（mTORC复合物2）。mTORC1对生长因子和营养物质都敏感，氨基酸的存在对激活mTORC1-激酶至关重要⁶⁰包括Ste-20相关激酶MAP4K3和VPS34的蛋白质被描述为可能通过调节mTORC1上游的磷酸酶和内吞运输在氨基酸信号传递中发挥作用^{12,61,62,63,64}然而，氨基酸激活mTORC1的最明确机制来自于将mTORC1-连接到溶酶体的Rag GTPase复合物的鉴定^65,66(图2). Rag家族蛋白是GTPases Ras家族的成员，由四个成员（RagA-D）组成，形成异二聚体。由A/B亚基和C/D亚基组成的Rag二聚体在溶酶体存在氨基酸的情况下结合mTORC1^65,66氨基酸刺激促进Rag活化，其中Rag A/B与GTP结合，Rag C/D与GDP结合。Rag复合物本身不是膜结合的，而是通过一种称为Ragulator复合物的复合物与溶酶体相连，Rag复合体将Rag吸收到溶酶体中，还起到鸟嘌呤核苷酸交换因子的作用，刺激Rag活化以响应氨基酸的充足⁶⁷(图2). mTORC1向溶酶体的募集使其与另一个小的GTPase Rheb接近，而该酶Rheb是mTORCl活化所必需的^68,69,70.Rheb本身受结节性硬化复合物（TSC1/2）负调控，该复合物作为Rheb的GTPase激活蛋白^{68,70,71,72,73,74}(图2). 在生长因子存在的情况下，TSC复合物通过多种机制被PI3K途径灭活，包括通过AKT介导的（也称为蛋白激酶B）磷酸化直接抑制TSC^72,75(图2). 因此，只有同时存在氨基酸和生长因子，才能实现mTORC1的完全激活。

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图2

上游营养物质向mTORC1和AMPK发出信号。营养缺乏导致mTORC1失活。缺氧或营养缺乏可通过ADP:AMP积累激活AMPK，通过AMPK介导的mTORC1磷酸化或上游阻遏物TSC的激活负调控mTORC1。有限的氧气也会上调低氧反应基因，这些基因能够通过激活TSC或抑制Rheb来抑制mTORC1信号。PI3K途径的氨基酸退出或失活通过Rag GTP酶和Rheb在溶酶体负调控mTORC1的激活来抑制mTORC1信号传导。

自噬中mTORC1的下游靶点

mTORC1在真核生物中被确定为一种有效的自噬阻遏物（酵母中的TORC1）。重要的是，在酵母或哺乳动物细胞中存在营养物质时，抑制mTORC1足以诱导自噬^76,77,78将mTORC1确立为自噬的保守和关键阻遏物。TORC1对ATG1/ULK1激酶的直接抑制在真核生物中是保守的；然而，抑制机制有很大不同。在哺乳动物细胞中，无论营养状况如何，ULK-ATG13L-FIP200三聚体复合物都是稳定的¹.mTORC1可以与ULK1激酶复合体相互作用，并直接磷酸化ATG13L和ULK1亚基以抑制ULK1的激酶活性，尽管大多数位点尚未被定位或表征^6,7,8(图3). 最近，mTORC1被显示在ULK1上磷酸化Ser757，该位点目前已被多组验证^79,80,81,82Ser757的磷酸化对mTORC1抑制自噬诱导很重要。当mTORC1被抑制时，ULK1经历结合伙伴ATG13L和FIP200的自磷酸化和反磷酸化，导致激酶复合物在饥饿条件下活化。

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图3

营养素和上游激酶对ULK1和VPS34复合物的调节。营养饥饿通过AMPK介导的磷酸化或mTORC1介导的阻遏缺失激活ULK1。ULK1的激活被描述为通过mTORC1复合物的磷酸化启动正反馈环，通过AMPK的磷酸化激活负反馈环。含有VPS34和VPS15的核心VPS34复合物（在所有复合物中被描述为VPS34）和Beclin-1结合的VPS34的活性在饥饿下被抑制。AMPK介导的对这些复合物的抑制是由VPS34催化亚基的直接磷酸化引起的。氨基酸诱导的这些复合物激活依赖于mTORC1，但不是直接的，不涉及ULK1激酶。含有ATG14的VPS34复合物通过Beclin-1磷酸化被AMPK或ULK1激活，或者可以通过mTORC1介导的ATG14磷酸化被抑制。含UVRAG的VPS34复合物被AMPK介导的Beclin-1磷酸化激活，以应对饥饿。ULK1磷酸化AMBRA1，将VPS34从细胞骨架中释放出来，作用于吞噬细胞。AMBRA1与TRAF6一起作用于正反馈回路，以促进ULK1激活。

mTORC1对营养物质的ULK调节在真核生物中具有功能保守性。治疗酿酒酵母与雷帕霉素合用足以在营养物质存在的情况下诱导自噬⁸³TORC1介导的酵母自噬抑制是通过调节ATG1（哺乳动物ULK的同源物）激酶复合物实现的⁸³虽然TORC1对ATG1激酶复合物的功能性阻遏是保守的，但所提出的机制有很大不同。在酵母中，ATG1通过与ATG13和ATG17（哺乳动物FIP200的功能同源物）的相互作用形成活性激酶复合物^三,4在营养充足的情况下，TORC1在多个位点磷酸化ATG13，从而防止其与ATG1结合^83,84,85通过营养饥饿或雷帕霉素治疗抑制TORC1可减轻ATG13的抑制，从而形成活性ATG1-ATG13-ATG17复合物并诱导自噬。然而，最近有人提出，三聚ATG1激酶复合物的稳定性不受TORC1或酵母中营养状况的调节，这增加了调节酵母ATG1复合物的替代机制的可能性⁸⁶在哺乳动物细胞中，mTORC1似乎不调节ULK激酶复合物的形成⁷⁹因此，TORC1介导的ATG13磷酸化被认为可以通过磷酸化激酶复合体来抑制ATG1激酶活性，就像在苍蝇和哺乳动物中一样^{5,6,7,8,87,88}此外，mTORC1还通过磷酸化ULK并干扰其与上游活化激酶AMPK的相互作用来抑制ULK1的活化⁷⁹.

在酵母中，ATG1被认为是Snf1（AMPK同源物）的下游；然而，潜在的机制仍有待确定⁸⁹奇怪的是，酵母TORC1被描述为抑制Snf1，这与哺乳动物中AMPK介导的mTORC1抑制相反⁹⁰总之，这些研究表明，通过TORC1和AMPK对ATG1/ULK激酶复合物的直接调节，真核生物中的自噬诱导与细胞能量状态和营养物质的可利用性密切相关。

有趣的是，最近出现了mTORC1介导的自噬抑制的另一方面。在营养充足的情况下，mTORC1通过其ATG14亚单位直接磷酸化并抑制含ATG14的VPS34复合物⁹¹(图3). 提取氨基酸后，含有ATG14的VPS34复合物被显著激活。在营养丰富的条件下，5个确定的mTORC1磷酸化位点（Ser3、Ser223、Thr233、Ser383和Ser440）的缺失导致含ATG14的VPS34激酶的活性增加，尽管没有达到营养缺乏的水平⁹¹在营养丰富的条件下，具有抗mTORC1介导的磷酸化的突变ATG14的稳定重组也增加了自噬⁹¹mTORC1介导的对ULK1和前自噬VPS34复合物的直接抑制为细胞内氨基酸如何抑制哺乳动物自噬的启动提供了重要的机制性见解。

mTORC1还通过直接调节转录因子EB（TFEB）控制溶酶体的生物发生间接调节自噬^92,93TFEB负责驱动几个溶酶体和自噬特异性基因的转录。mTORC1和TFEB共同定位于溶酶体膜，其中mTORC1-介导的TFEB磷酸化促进YWHA（14-3-3家族成员）与TFEB结合，导致其细胞质隔离⁹²在氨基酸提取或溶酶体氨基酸分泌失活的情况下，mTORC1失活，未磷酸化的TFEB转移到细胞核。通过转染组成性活性Rag GTPase突变体人工激活mTORC1，导致TFEB在细胞质中的组成性定位，TFEB的缺失导致对营养物质提取的自噬反应降低和细胞溶酶体室的减少⁹³通过抑制TFEB、ULK激酶复合物和VPS34激酶复合物，mTORC1能够负调控自噬体的启动和成熟。

自相矛盾的是，在长期饥饿状态下，mTORC1在自噬中的作用从阻遏物转变为促进物⁹⁴在严重营养缺乏的情况下，自噬迅速诱导，大量细胞溶酶体被用来形成自溶体。恢复正常的溶酶体需要回收自体溶酶体膜。为了实现膜循环，mTORC1必须被成熟自溶体分泌的氨基酸激活，这允许形成从自溶体突出的空小管⁹⁴这些小管最终成熟为溶酶体，恢复细胞溶酶体数量。mTORC1能够调节和被自噬调节的多个水平在溶酶体储存病IV型粘脂蛋白沉积症（MLIV）中得到了独特的说明，在该病中成熟的自溶体抑制了mTORC 1的再激活（参见方框1).

最近的研究极大地提高了我们对自噬和mTORC1信号之间复杂串扰的理解，我们很高兴看到这两个维持营养/能量稳态的关键过程之间会有什么新的联系。

能量应激与AMPK信号

为了维持代谢平衡，细胞必须严格匹配ATP的生成和消耗。细胞内ATP∶ADP∶AMP的比值是细胞能量水平的重要指标。ADP和AMP水平的升高向细胞发出信号，表明它必须抑制能量密集型过程。这些核苷酸由AMPK直接感应。AMPK是一种三聚丝氨酸/苏氨酸激酶，对能量应激的适当反应至关重要（参见⁹⁸). AMPK的催化α亚单位被上游调节激酶LKB1、钙/钙调蛋白依赖性蛋白激酶激酶-β和TAK1磷酸化^99,100,101(图2). 激活环（T172）内AMPKα被上游激酶磷酸化是活性所必需的^102,103,104β亚单位作为α亚单位和γ亚单位之间的连接物，可能具有额外的调节功能，例如糖原结合。AMPK可以通过AMP与γ亚单位中四个贝特曼结构域之一的结合而被变构激活，从而导致相关α亚单位的变构激活。更重要的是，AMP和ADP通过阻止AMPKα亚单位中T172的去磷酸化来激活AMPK^105,106,107ADP的结合不会引起变构活化，但会促进活化环的稳定^102,108.由于葡萄糖摄入减少或其他应激因素（如线粒体功能障碍）引起的细胞ATP水平降低通过AMPK靶点启动细胞代谢反应，AMPK靶标通过增加葡萄糖摄取和糖酵解以及刺激脂质分解代谢来产生能量（有关详细审查，请参阅¹⁰⁹).

AMPK自噬的下游靶点

在能量应激下激活自噬是维持代谢稳态和细胞生存能力的重要机制。AMPK最近被证明是对葡萄糖戒断反应的自噬诱导的重要介质，在这些条件下对细胞保护至关重要^79,110AMPK可以通过几种机制促进自噬。重要的是，AMPK是mTOR信号级联的既定负调控因子^74,111这可以通过AMPK介导的TSC复合体磷酸化来实现，TSC复合物是溶酶体mTORC1激活的负调节因子(图2). 或者，AMPK可以直接磷酸化mTORC1复合物的Raptor亚基，从而诱导14-3-3结合并抑制mTORC1靶磷酸化¹¹²(图2). 通过这两种机制，AMPK能够缓解mTOR介导的自噬抑制。

AMPK还能够直接磷酸化和激活ULK1激酶^79,113我们实验室的工作发现，AMPK对ULK1的Ser317和Ser777（在小鼠ULK1蛋白中）磷酸化是激活ULK1和在葡萄糖饥饿时正确诱导自噬所必需的⁷⁹(图3). 此外，ULK1和AMPK之间的相互作用被mTORC1介导的ULK1的Ser757磷酸化所拮抗，表明ULK1活性受营养和能量水平的严格控制。发现其他几个磷酸化位点（Ser467、Ser556、Thr575和Ser638）对有丝分裂很重要¹¹⁰和Ser556磷酸化被证明是14-3-3与ULK1结合所必需的¹¹³有趣的是，另一项研究还发现ULK1上有许多重叠的AMPK和mTORC1依赖性磷酸化事件，其中一些细节与以前的报告相冲突，可能是由于这些报告中使用的饥饿条件不同⁸¹总之，这些研究清楚地表明，AMPK和mTORC1都通过蛋白磷酸化紧密控制ULK1的功能。

AMPK最近也被证明在葡萄糖戒断时调节多个VPS34复合物。在饥饿状态下，AMPK抑制不含前自噬适配器的VPS34复合物，如UVRAG和ATG14（参见Beclin-1结合伙伴表1). 这些VPS34复合物不参与自噬，而是参与细胞囊泡运输。AMPK通过VPS34对Thr163和Ser165的直接磷酸化介导抑制作用¹¹⁴(图3). 同时，AMPK通过Ser91和Ser94上Beclin-1的磷酸化增强了含有UVRAG或ATG14的复合物中VPS34激酶的活性(图3). 含ATG14-或UVRAG-的VPS34复合物参与自噬启动。通过Beclin-1磷酸化激活含有ATG14的VPS34复合物被证明是诱导葡萄糖戒断后自噬所必需的¹¹⁴有趣的是，VPS34的抑制性磷酸化被证明对葡萄糖戒断后的生存至关重要；然而，它并不影响自噬诱导。还需要进一步的研究来阐明总PtdIns（3）P水平的抑制如何促进能量应激下的生存。

氧气可用性

氧是细胞内关键代谢过程所需的基本营养素。也许细胞内分子氧最重要的功能之一是氧化呼吸。线粒体中的氧和电子传递链是通过氧化磷酸化生成ATP所必需的¹¹⁵缺氧导致ATP水平降低，至少是暂时性的，这会激活AMPK并使mTOR失活^116,117,118(图2). AMPK的激活和mTOR的失活是适应性反应，因为细胞改变了其代谢优先级，以其他方式产生能量，例如增加糖酵解以及减少能量消耗过程。

低氧反应最具特征的事件之一是HIF1α转录因子的稳定^115,119在缺氧的情况下，HIF1α逃避了von Hippel-Lindau肿瘤抑制因子的蛋白酶体降解，并积聚在细胞核中，激活大量基因的转录，这些基因是代谢适应降低氧气水平所必需的¹²⁰两个缺氧反应基因BNIP3和BNIP3L通过增加线粒体在低氧条件下的自噬来帮助平衡ATP消耗¹²¹此外，据描述，BNIP3可能通过结合小GTPase Rheb来负调控mTORC1的激活¹²²(图2). 有趣的是，另一个低氧反应基因REDD1也通过激活TSC复合体负调控mTORC1^123,124,125(图2). 此外，一些HIF应答基因被描述为影响VPS34复合物的形成（下文讨论）。这些研究表明，细胞中的氧气消耗与AMPK和mTORC1对自噬的上游调节密切相关。

自噬起始激酶ULK

ULK是最上游的ATG蛋白，调节自噬启动，以响应诱导信号。ULK1被鉴定为秀丽隐杆线虫Unc-51最初的特征是对神经元轴突导向至关重要¹²⁶在哺乳动物中ULK1系列-敲除小鼠有一个非常轻微的表型，显示这些细胞中的网织红细胞发育和线粒体清除缺陷¹²⁷这可能是由于已经描述的用于自噬诱导的ULK2的功能冗余^128,129.ULK通过C末端结构域直接与ATG13L和FIP200相互作用，这两种相互作用都可以稳定和激活ULK激酶^5,6,7,8如前几节所述，ULK激酶复合物对营养物质、能量和生长因子的反应受到严格调控。小鼠ULK1的原始磷酸化图谱确定了16个磷酸化位点，尽管负责其中几个磷酸化事件的激酶仍然未知⁸⁰。其他研究已经将ULK1上的磷酸化位点数量增加到40多个残基，包括活化环T180上的一个关键位点，这是自动磷酸化所必需的¹¹³除了自磷酸化外，ULK还可以磷酸化ATG13L和FIP200，并且完整的激酶复合物是ULK定位到吞噬细胞和诱导自噬所必需的^4,5,6,8.

ULK下游目标

尽管ULK在向自噬级联传递营养信号方面起着关键作用，但其机制和下游靶点直到最近才变得神秘莫测。最近确定了ULK1的三个直接靶点以及mTORC1和AMPK的两个反馈回路。我们实验室最近的工作发现，ULK1和ULK2直接磷酸化S15（小鼠S14）上的Beclin-1，这种磷酸化是激活含ATG14的VPS34复合物所必需的¹³⁰(图3). Beclin-1和ULK1结合的能力体内由ATG14推动，ATG14被提议作为Beclin-1与ULK结合的适配器。有趣的是，在不能定位于吞噬细胞的突变体中，ATG14促进Beclin-1磷酸化的能力被破坏，这表明含有ATG14的VPS34复合物的激活可能特异性地发生在吞噬细胞上(图1). Beclin-1上保守的磷酸化位点被证明是正确诱导哺乳动物自噬和自噬的必要条件秀丽线虫胚胎发生¹³⁰.

Beclin-1结合伙伴，激活Beclin-1-regulated autophagy 1（AMBRA1）中的分子，也被确定为ULK1介导的磷酸化的靶点¹³¹(图3). 在营养丰富的条件下，AMBRA1通过与动力蛋白的相互作用在细胞骨架上结合Beclin-1和VPS34。饥饿时，ULK1磷酸化AMBRA1，然后Beclin-1转移到内质网，使VPS34作用于吞噬细胞¹³¹(图1). 该模型与先前的发现一致，即含有ATG14的VPS34复合物需要ULK激酶定位于吞噬细胞^15,20,30然而，目前尚不清楚Beclin-1是否在吞噬体位置的同一复合物中结合ATG14和AMBRA1。有趣的是，AMBRA1被证明在mTORC1敏感的正反馈回路中起作用，通过招募E3-双肽连接酶TRAF6促进ULK1的K63相关泛素化¹³²(图3).

ULK1还被描述为磷酸化拉链相互作用蛋白激酶，也称为DAPK3¹³³据报道，ULK诱导的拉链相互作用蛋白激酶磷酸化在跨膜蛋白ATG9a从经高尔基体网络重新分布到能够并入自噬体的外周内胚体中发挥作用¹³³被描述为营养敏感^5,29然而，最近有多个研究小组报告说，ATG9a定位于自噬体膜是ULK非依赖性的，并且是ATG9b的再循环对ULK敏感^53,134在另一种ULK非依赖模型中，ATG9a被p38相互作用蛋白结合和抑制，然后在MAPK p38诱导p38相互影响蛋白磷酸化后释放¹³⁵然而，ULK明确规定了一些ATG9a相关流程^29,133,136需要进一步研究来阐明拉链相互作用蛋白激酶和ULK激酶在ATG9a定位到自噬体膜中的作用。

ULK1反馈回路

ULK1最近被描述为启动两个反馈回路。两个小组通过猛禽亚单位的磷酸化独立鉴定了ULK1作为mTORC1信号转导的负调控因子^137,138所提出的模型是，猛禽的ULK介导的磷酸化导致mTORC1结合底物的能力降低。这将代表一个正反馈回路，可能对增强自噬早期阶段的信号传导很重要，而自溶体分泌的氨基酸则会在自噬后期重新激活mTOR。ULK1也被描述为在所有三个亚单位上结合并磷酸化其上游调节因子AMPK，尽管令人惊讶的是，这种调节也具有抑制作用¹³⁹这将代表对AMPK介导的ULK激活的负反馈回路。显然，AMPK-mTOR-ULK激酶之间存在一些相互依赖性，其中一些在调节自噬激活以应对营养应激方面似乎违反直觉。在生理上发生的营养/能量水平波动下体内这些信号中的一些信号可能是二分法的。或者，不同的反馈回路可以在不同的压力条件下被激活或暂时起作用。

VPS34-激酶复合物对营养物质的调节

吞噬细胞产生PtdIns（3）P是膜膨胀所必需的。吞噬体PtdIns（3）P的产生至少由三种已知机制控制：（1）VPS34激酶复合物的定位，由Beclin-1:ATG14/AMBRA结合调节，并由ULK激酶活性控制^{16,19,20,21,30,131}; （2） VPS34激酶活性的激活，由ULK1、mTOR和AMPK控制以响应营养素^91,114,130（活性也受Beclin-1和ATG14结合的影响¹¹⁴); （3）通过Beclin-1相互作用组调控VPS34复合物的形成^140,141,142.

由VPS34和调节因子VPS15组成的核心VPS34复合物可能不会直接促进自噬体的形成¹¹⁴VPS34-VPS15复合物可能是细胞中的主要形式，因为定量免疫检测显示，大多数VPS34-VPN15不与Beclin-1结合，尽管不同VPS34复合物的相对丰度与细胞类型相关¹¹⁴具有促进自噬作用的VPS34复合物含有Beclin-1¹⁴²然而，似乎VPS34在正确的自噬部位和阶段产生PtdIns（3）P需要额外的成分。Beclin-1充当前自噬性VPS34复合物的适配器，以招募额外的调节亚单位，如ATG14和UVRAG^{11,15,16,19,20,21}.ATG14或UVRAG与VPS34复合物结合可有效增加VPS34的PI3激酶活性。此外，VPS34-Beclin-1相互作用的动力学被描述为以营养敏感的方式调节自噬^140,142,143总结了具有已知功能的Beclin-1互动器列表（参见表1); 然而，本节将重点关注对营养物质变化敏感的VPS34复合物组成的变化。

含有Beclin-1的VPS34复合物促进自噬的能力可被Bcl-2、家族成员Bcl-xl和病毒Bcl-2负调控^{142,144,145,146}Bcl-2在内质网而非线粒体与Beclin-1中BH3结构域的结合似乎对自噬的负调控很重要，一些研究已经描述了Bcl-2介导的自噬抑制^{140,142,143,145,147,148}营养剥夺自噬因子-1）被鉴定为Bcl-2结合伙伴，在内质网特异性结合Bcl-2以对抗饥饿诱导的自噬¹⁴⁹Bcl-2抑制VPS34活性的能力有两种拟议模型。在主要模型中，Bcl-2与Beclin-1结合会干扰VPS34-Beclin-1的相互作用，从而抑制自噬^140,142(图4). 或者，Bcl-2被提议通过稳定二聚Beclin-1来抑制前自噬性VPS34^14,150(图4). 从Beclin-1同源二聚体到UVRAG/ATG14杂二聚体的转变是否是VPS34调节的生理相关模式，尚待观察。鉴于VPS34和Beclin-1在饥饿状态下稳定相互作用的研究数量^{62,91,114,130,143,151}以及那些看到破坏的人^140,142，很可能存在多种机制来调节含有Beclin-1的VPS34复合物。值得注意的是，没有发现VPS34-Beclin-1相互作用变化的研究倾向于使用较短的时间点（～1 h氨基酸饥饿），而发现中断的研究倾向使用较长的时间点。如果不能用培养基成分或细胞类型来解释这种差异，那么确定Bcl-2是否通过Beclin-1二聚体在较短时间点抑制VPS34，或者Bcl-2对VPS34-Beclin-2复合物的负调控是否在营养剥夺后发生暂时延迟，将是一件有趣的事情。

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图4

调节VPS34复合物的形成以响应营养素。（A）饥饿可能通过AMPK的直接磷酸化激活JNK1激酶。JNK1磷酸化Bcl-2，缓解Bcl-2介导的Beclin-1-VPS34复合物的抑制。Bcl-2可通过干扰Beclin-1-VPS34相互作用（左箭头）或稳定非活性Beclin-1同二聚体复合物（右箭头）来抑制VPS34复合物。（B）低氧上调BNIP3的表达，BNIP3可以结合Bcl-2，从而减轻Bcl-2介导的Beclin-1-VPS34复合物的抑制。

Bcl-2结合Beclin-1的能力也受磷酸化调节。Levine及其同事已经证明，饥饿诱导的自噬需要c-Jun N末端蛋白激酶1（JNK1）介导的Bcl-2磷酸化¹⁴⁰JNK1而非JNK2在三个残基（Thr69、Ser70和Ser87）上磷酸化Bcl-2，导致Bcl-2与Beclin-1分离(图4). 有趣的是，在JNK1磷酸化位点含有Bcl-2拟磷酸残基的突变体导致自噬水平增加，这表明JNK1的激活对于缓解Bcl-2介导的自噬抑制至关重要¹⁴⁰最近提出了饥饿时JNK1激活的潜在机制。他等.¹⁴³表明AMPK激活可以促进JNK1向Bcl-2的信号传导，增加自噬。此外，他们还表明AMPK可以磷酸化JNK1在体外AMPK-JNK1相互作用增强体内二甲双胍激活AMPK后(图4A). 然而，这一观察结果非常令人惊讶，因为JNK中的激活环位点不符合AMPK共识，而且AMPK不具有酪氨酸激酶活性。需要进一步的研究来证实AMPK对JNK1的直接激活。然而，这项研究提出了一种潜在的机制，将细胞能量的减少与Bcl-2介导的自噬调节联系起来。氧水平降低也被描述为破坏Bcl-2-Beclin-1相互作用。缺氧条件下，HIF1α靶基因BNIP3和BNIP3L被描述为通过取代Beclin-1中的Bcl-2而在驱动自噬中起作用^152,153BNIP3的BH3结构域被描述为结合和隔离Bcl-2，从而解除其对Beclin-1的抑制(图4B). 综上所述，这些研究清楚地表明Bcl-2对Beclin-1在自噬中的抑制作用。很可能会有更多关于这一监管机制的见解。

近年来，我们对调节VPS34复合物以应对营养剥夺的机制的理解迅速提高。然而，平行途径的鉴定，如ULK和AMPK介导的含有ATG14的VPS34复合物的激活，也引发了哪些调节途径与不同饥饿刺激（即葡萄糖与氨基酸戒断）的反应相关的问题以及汇聚在VPS34复合物上的调控途径之间是否存在串扰。回答这些问题无疑将揭示以前未被认可的哺乳动物自噬诱导的细微差别。

结论

mTORC1和AMPK通过ULK和VPS34激酶调节自噬诱导的能力提出了重要的问题。例如，mTORC1-和AMPK-介导的含ATG14的VPS34复合物磷酸化之间是否存在相互作用？PI3K通路被描述为通过mTORC1依赖和独立机制调节自噬。自噬诱导中这两条途径之间的关系仍然是一个悬而未决的问题。此外，交叉信号的特征化可提供自噬诱导的细胞类型特异性体内已经描述过了，但大部分潜在机制仍有待揭示¹⁵⁴.

ULK1点的形成是自噬诱导的早期标志。然而，调控ULK1转运到吞噬细胞的机制尚不清楚。膜结合的ULK受体以及调控ULK定位所必需的上游信号的身份仍然未知，并且是重要的悬而未决的问题。到目前为止，只有少数ULK靶点被确定，该激酶没有一致的基序被描述。对其他ULK靶点的识别和表征无疑将揭示ULK依赖性自噬过程的机制，而这些机制仍然是难以捉摸的。

如上所述，mTORC1-、AMPK-和ULK介导的VPS34复合物调节之间的关系仍有待确定。此外，通过复合物形成和磷酸化对VPS34激酶活性的调节了解甚少，并且从提供结构见解的研究中受益。此外，在饥饿状态下降低总PtdIns（3）P水平的生理意义尚不完全清楚。这可能很简单，运行内吞途径是一项能量密集型的努力，或者可能膜循环或来自内体的细胞信号在饥饿时期很重要。最后，PtdIns（3）P-结合蛋白在促进自噬中的确切作用尚待确定。考虑到这些蛋白质的潜在冗余，这仍然是一个难以解决的问题。总的来说，该领域在理解营养信息如何传递到自噬途径方面取得了很大进展，就像任何好的发现一样，这给我们留下了很多问题和答案。

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