技術專欄

細胞自噬在維持健康和治療疾病中(zhōng)的應用
供稿:市場部發布時間:2023-07-25浏覽量:249次

Foreword

自噬是一(yī)種細胞内部的機制,通過将細胞内成分(fēn)包裹起來并運輸到溶酶體(tǐ)進行降解,實現細胞的自我(wǒ)調節和清除有害物(wù)質。1963年,Christian de Duve首次提出了自噬的概念。1990年,Yoshinori Ohsumi通過釀酒酵母實驗直觀展現了自噬現象,并揭示了酵母和人的細胞中(zhōng)的自噬機制。2003年,自噬關鍵基因被命名爲ATG基因,相關研究逐漸增加。2016年,Yoshinori Ohsumi獲得諾貝爾醫學或生(shēng)理學獎,自噬研究進一(yī)步受到關注,成爲生(shēng)物(wù)學、醫學、植物(wù)學和微生(shēng)物(wù)學的熱門研究領域。自噬的發現對于細胞調節和藥物(wù)開(kāi)發具有重要意義。

 

巨自噬(macroautophagy):通過形成具有雙層膜結構的自噬體(tǐ)包裹胞内物(wù)質,最終自噬體(tǐ)與溶酶體(tǐ)融合。

微自噬(microautophagy):通過溶酶體(tǐ)或液泡表面的形狀直接吞沒特定的細胞器。

分(fēn)子伴侶介導的自噬(chaperone-mediated autophagy,CMA):具有KEFRQ樣基序的蛋白(bái)在HSP70伴侶的幫助下(xià),通過LAMP-2A轉運體(tǐ)轉運到溶酶體(tǐ)。

 圖源[1]:https://www.nature.com/articles/s41580-018-0001-6

自噬可防止細胞損傷,促進細胞在營養缺乏的情況下(xià)存活,并對細胞毒性刺激作出反應。自噬包括生(shēng)理條件下(xià)的基礎型自噬和應激條件下(xià)的誘導型自噬。基礎自噬是一(yī)種在大(dà)多數細胞中(zhōng)持續發生(shēng)而水平相對較低的細胞自噬過程,對細胞内物(wù)質的更新及内穩态的維持具有不可或缺作用;誘導自噬則屬于一(yī)種應激狀态,其發生(shēng)程度明顯強烈,在細胞應對外(wài)界惡劣環境維持生(shēng)存中(zhōng)發揮重要功能。

自噬過程及核心蛋白(bái)

自噬過程主要分(fēn)爲自噬誘導階段、前體(tǐ)成核階段、延伸階段、自噬體(tǐ)成熟階段及自噬體(tǐ)與溶酶體(tǐ)融合階段

01 自噬誘導階段(Induction)

Atg1是第一(yī)個在酵母中(zhōng)被成功克隆的自噬基因, 編碼一(yī)種絲氨酸/蘇氨酸蛋白(bái)激酶,與其哺乳動物(wù)中(zhōng)同源蛋白(bái)ULK1一(yī)樣,是自噬泡形成所必需的一(yī)種蛋白(bái)質。ATG1/ULK1複合體(tǐ)在自噬中(zhōng)起着重要作用。在營養充足的條件下(xià),mTORC1與ATG1/ULK1複合體(tǐ)結合并磷酸化ATG1/ULK1和ATG13,抑制自噬的發生(shēng)。但是,在缺乏營養或使用雷帕黴素(一(yī)種mTORC1抑制劑)處理時,mTORC1從複合物(wù)中(zhōng)解離(lí),ATG1/ULK1和ATG13的磷酸化水平下(xià)降,從而促進ATG1/ULK1複合物(wù)的形成,啓動自噬過程。

02 前體(tǐ)成核階段(Nucleation)

在Vps34複合物(wù)中(zhōng), Vps34因結合Vps15而被激活,并進一(yī)步結合Beclin1形成Vps34-Vps15-Beclin1複合體(tǐ)。由Vps34-Beclin 1複合體(tǐ)介導,該複合物(wù)由Vps34(PIK3C3)、Beclin 1(ATG6)、Vps15(PIK3R4或p150)和ATG14組成,Vps34/PI3K-Beclin1複合物(wù)促進産生(shēng)磷脂酰肌醇-3-磷酸(PI3P), PI3P可以組裝一(yī)些含有PX和FYVE結構域的蛋白(bái)質到早期自噬泡産生(shēng)的位置,招募其他效應蛋白(bái),促使自噬前體(tǐ)的形成;還可召集ATG12-ATG5-ATG16複合物(wù)以及LC3,并通過後兩者促進吞噬泡膜的延伸。

03 延伸階段(Elongation)

自噬發生(shēng)過程中(zhōng)有兩組類泛素化修飾過程, 分(fēn)别發生(shēng)在Atg5-Atg12-Atg16連接系統和Atg8/LC3連接系統中(zhōng), 用于隔離(lí)膜的延長和自噬泡的形成。

在Atg5-Atg12-Atg16連接系統中(zhōng),Atg12首先由類E1泛素活化酶Atg7活化。Atg12傳遞給類E2泛素轉移酶Atg10,與Atg10形成硫酯鍵。最後,Atg12與Atg5共價結合,形成Atg12-Atg5複合物(wù)。這個複合物(wù)在自噬發生(shēng)時與Atg16結合形成Atg12-Atg5-Atg16。

LC3是酵母Atg8分(fēn)子在哺乳動物(wù)中(zhōng)的同源物(wù)之一(yī), Atg8的其他同源物(wù)還有GABARAP和GATE-16等。Atg8同源分(fēn)子相比, LC3是被用作自噬發生(shēng)的一(yī)個标志(zhì)蛋白(bái)。LC3合成後,被AGT4B切割成LC3-I,自噬發生(shēng)時,LC3-I被ATG7活化并與其形成硫酯鍵,然後傳遞給ATG3,最終在ATG5-ATG12-ATG16複合物(wù)的作用下(xià),形成具有膜結合能力的LC3-II。參與自噬體(tǐ)的銜接。

04 自噬體(tǐ)成熟階段與自噬體(tǐ)與溶酶體(tǐ)融合階段

自噬體(tǐ)擴張和封閉過程包括自噬體(tǐ)外(wài)膜上ATG蛋白(bái)的清除,招募溶酶體(tǐ)傳遞蛋白(bái)和介導融合的蛋白(bái)。自噬體(tǐ)與溶酶體(tǐ)融合形成自噬溶酶體(tǐ),自噬體(tǐ)内膜和内容物(wù)被溶酶體(tǐ)内的脂酶和蛋白(bái)酶降解爲小(xiǎo)分(fēn)子,再利用。細胞骨架成分(fēn)、運動蛋白(bái)、栓系因子、磷脂和SNAREs複合物(wù)在确保融合過程中(zhōng)起關鍵作用。

以下(xià)主要闡述起始及吞噬泡成核階段細胞吞噬泡延伸階段參與的核心蛋白(bái)

1 ULK1蛋白(bái)激酶複合體(tǐ)中(zhōng)的ATG1,其功能是絲氨酸/蘇氨酸激酶;通過自噬機制的磷酸化組分(fēn)啓動自噬;被AMPK或者mTORC1磷酸化。

2 VPS34:其功能是促進行P13KC3-C1複合體(tǐ)的形成,ULK1人磷酸微位點,穩定ULK1複合物(wù);

3 Atg6/Beclin1:其功能是促進PI3KC-C1複合體(tǐ)的形成,調節脂質激酶VPS34;ULK1或AMPK磷酸化位點,促進自噬。

4 Atg9/mAtg9:Atg9是迄今發現的唯一(yī)一(yī)個編碼跨膜蛋白(bái)的Atg基因, 可能通過影響膜泡運輸對自噬發生(shēng)起調控作用,其功能是将膜蛋白(bái)組分(fēn)輸送到吞噬泡。

5 Atg5-Atg12-Atg16:ATG5直接結合膜,這種膜結合受ATG12的負調節,但被ATG16激活。ATG12-ATG5-ATG16複合物(wù)的膜結合是有效促進ATG8脂化(LC3-I轉化爲LC3-II)所必需的。

6 ATG8/LC3:以LC3-Ⅰ和LC3-Ⅱ兩種形式存在;參與自噬體(tǐ)膜的形成,與自噬體(tǐ)膜表面的PE結合,可作爲自噬體(tǐ)的标記分(fēn)子。

 

自噬與疾病研究

許多疾病,諸如癌症、神經系統疾病、炎症與免疫反應、發育和衰老等都與細胞自噬密切相關。科學研究者也要積極探索自噬與這些疾病之間的聯系,努力揭示自噬調控分(fēn)子機制,通過抑制或促進調節自噬過程,從而爲各種疾病治療提供新的方向和可能性。

自噬與神經系統疾病

臨床研究發現,在許多神經退行性疾病中(zhōng), 病變區域常有大(dà)量的泛素化蛋白(bái)質聚合物(wù),這些多因錯誤折疊而被泛素化的蛋白(bái)質聚合物(wù)正是引起神經退行性疾病的重要原因之一(yī)。

小(xiǎo)鼠中(zhōng)特異性敲除神經元中(zhōng)的自噬基因ATG5或ATG7,會抑制自噬發生(shēng)的水平,同時伴随着大(dà)量泛素化蛋白(bái)質聚合物(wù)的積累,并最終引發神經退行性疾病[3-4]。在小(xiǎo)鼠和果蠅模型中(zhōng),用Rapamycin或其類似物(wù)抑制mTOR的活性促進自噬發生(shēng),可以緩解神經退行性疾病的症狀[5-6]

由此可見,誘導自噬可能成爲一(yī)種治療神經系統疾病的治療方法。其次是包括帕金森(sēn)症在内的一(yī)些神經退行性疾病。

自噬與腫瘤

自噬與腫瘤發生(shēng)的聯系是當今自噬研究的一(yī)個重要熱點問題。自噬功能正常, 對腫瘤起抑制作用, 而敲除自噬基因将引發腫瘤的形成。Beclin1其實就是一(yī)個腫瘤抑制基因,幹擾Beclin1的表達使自噬受到抑制, 會增加腫瘤發生(shēng)的可能[7]。在胸腺癌細胞系中(zhōng)過表達Beclin1, 可以減緩癌細胞的生(shēng)長速度并減少其緻癌性[8]。UVRAG能夠結合Beclin1/Vps34複合物(wù)促進自噬, 而UVRAG同時有抑制腫瘤的功能[9]。Bif-1可以通過UVRAG結合Beclin1增強自噬, 敲除Bif-1, 顯著加快了腫瘤的生(shēng)長[10]

自噬受阻可能導緻細胞失去(qù)生(shēng)長調節及啓動程序性死亡的能力, 同時還可能阻礙細胞分(fēn)解代謝, 使p62、受損的線粒體(tǐ)、蛋白(bái)質聚合物(wù)、ROS等有害物(wù)質積累, 并進一(yī)步損傷基因組DNA的穩定性, 緻使原癌基因激活, 而以上這些最終都将導緻腫瘤的發生(shēng)。

因此,在不同的環境因素或穩定狀态下(xià),自噬既可以阻止也可以促進腫瘤的發生(shēng)。

自噬與免疫

自噬是至今已發現的唯一(yī)可以降解細胞器和較大(dà)蛋白(bái)質聚集物(wù)的細胞降解過程,因此也被預測可能參與降解外(wài)來微生(shēng)物(wù)的過程[11]。許多研究發現,一(yī)些自噬蛋白(bái)甚至整個自噬過程都直接參與免疫和炎症反應[12]。巨噬細胞中(zhōng),幹擾素IFN-γ可以誘導自噬來抵禦分(fēn)枝杆菌等病原菌,而且在已感染的巨噬細胞中(zhōng), 用IFN-γ預處理可以引起自噬泡吞噬含有病原菌的膜泡并與溶酶體(tǐ)融合,增強其對胞内細菌的殺傷力。血管平滑肌細胞中(zhōng), 腫瘤壞死因子TNF-α通過激活JNK通路和抑制Akt,上調LC3和Beclin1的表達促進自噬[13]

由此可見,自噬與細胞免疫的發生(shēng)必然存在密切的聯系。

【參考文獻】

1.Kaushik S, Cuervo AM. The coming of age of chaperone-mediated autophagy. Nat Rev Mol Cell Biol. 2018 Jun;19(6):365-381.

2.Dikic I, Elazar Z. Mechanism and medical implications of mammalian autophagy. Nat Rev Mol Cell Biol. 2018 Jun;19(6):349-364.

3.Hara T, Nakamura K, Matsui M, Yamamoto A, Nakahara Y, Suzuki-Migishima R, et al. Suppression of basal autophagy in neural cells causes neurodegenerative disease in mice. Nature 2006; 441(7095): 885-9.

4.Komatsu M, Waguri S, Chiba T, Murata S, Iwata J, Tanida I, etal. Loss of autophagy in the central nervous system causes neurodegeneration in mice. Nature 2006; 441(7095): 880-4.

5.Sarkar S, Perlstein EO, Imarisio S, Pineau S, Cordenier A, Maglathlin RL, et al. Small molecules enhance autophagy and reduce toxicity in Huntington’s disease models. Nat Chem Biol 2007; 3(6): 331-8.

6.Ravikumar B, Vacher C, Berger Z, Davies JE, Luo S, Oroz LG, et al. Inhibition of mTOR induces autophagy and reduces toxicity of polyglutamine expansions in fly and mouse models of.

7.Yue Z, Jin S, Yang C, Levine AJ, Heintz N. Beclin 1, an autophagy gene essential for early embryonic development, is a haploinsufficient tumor suppressor. Proc Natl Acad Sci USA 2003; 100(25): 15077-82.

8.Liang XH, Jackson S, Seaman M, Brown K, Kempkes B, Hibshoosh H, et al. Induction of autophagy and inhibition of tumorigenesis by beclin 1. Nature 1999; 402(6762): 672-6.

9.Liang C, Feng P, Ku B, Dotan I, Canaani D, Oh BH, et al. Autophagic and tumour suppressor activity of a novel Beclin1-binding protein UVRAG. Nat Cell Biol 2006; 8(7): 688-99.

10.Takahashi Y, Coppola D, Matsushita N, Cualing HD, Sun M, Sato Y, et al. Bif-1 interacts with Beclin 1 through UVRAG and regulates autophagy and tumorigenesis. Nat Cell Biol 2007; 9(10): 1142-51.

11.Kraft C, Peter M, Hofmann K. Selective autophagy: Ubiquitinmediated recognition and beyond. Nat Cell Biol 2010; 12(9): 836-41.

12.Jia G, Cheng G, Gangahar DM, Agrawal DK. Insulin-like growth factor-1 and TNF-alpha regulate autophagy through c-jun N-terminal kinase and Akt pathways in human atherosclerotic vascular smooth cells. Immunol Cell Biol 2006; 84(5): 448-54.

13.Gutierrez MG, Master SS, Singh SB, Taylor GA, Colombo MI, Deretic V. Autophagy is a defense mechanism inhibiting BCG and Mycobacterium tuberculosis survival in infected macrophages.Cell 2004; 119(6): 753-66

 

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