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细胞自噬
2016
年
10
月
3
日诺
贝尔生理学奖授予日本科学家大隅良典，
以表彰他发现
并阐释了
细胞自噬的机理，
在细胞自噬研究方面做出了杰出贡献。
日本东
京工业
大学分子细胞学教授大隅良典所带领的研究小组成功的探明了细胞自噬的启动
机制，
他的研究为理解许多机体生理过程中自体吞噬的重要性奠定了
坚实的基础，
为揭示生命进程的发展做出了巨大的推动作用。
一、自噬的发现
< br>20
世纪
50
年代中期，科学家
观察到细胞里的一个新的专门“小隔间”（这
种隔间的学名是细胞器），包含消化蛋白质
，碳水化合物和脂质的酶。这个专门
隔间被称作“溶酶体”，相当于降解细胞成分的工作
站。比利时科学家克里斯
汀·德·迪夫（
Christian
de
Duve
）在
< br>1974
年因为溶酶体和过氧化物酶体的发
现，被授予诺
贝尔生理学或医学奖。
克里斯汀·德·迪夫，
1974
年获得诺贝尔生理学或医学奖，
“自噬”这个
词
的命名人。
60
< br>年代的新观察表明，
在溶酶体内部有时可以找到大量的细胞内部物质，
乃
至整个的细胞器。
因此，
细胞似乎有将大量的物质传输进溶酶体的策略。
进一步
的生化
和显微分析发现，
有一种新型的囊泡负责运输细胞货物进入溶酶体进行降
解（图
1
）。发现溶酶体的科学家迪夫，创造了自噬（
auotophagy
）这个词来描
述
这一过程。这种新的囊泡被命名为自噬体。
我们的细胞有不同
的细胞“小隔间”，承担不同的作用。溶酶体就是这样一
种隔间，
里面有用于消化细胞内容物的消化酶。
人们在细胞内又观察到了一种新
型的囊泡，叫做自噬体。自噬体形成的时候，逐渐吞没细胞内容物，例如受损的
蛋白质和细胞器；然后它与溶酶体相融，其中的内容被降解成更小的物质成分。
这一过程
为细胞提供了自我更新所需的营养和材料。
在
20
世纪
70
年代和
80
年代，研究人员集中研究阐明用于降解蛋白质的另
< br>一个系统，即“蛋白酶体”。在这一研究领域，阿龙·切哈诺沃（
Aaron <
/p>
Ciechanover
）
，
阿夫拉姆·赫什科
（
AvramHershko<
/p>
）
和欧文·罗斯
（
Irwin
Rose
）
因为“泛素
介导的蛋白质降解的发现”被授予
2004
年诺贝尔化学奖。蛋
白酶体
降解蛋白质的效率很高，
一个个单个降解蛋白质，
但这个机制没有解释细胞是怎
么解决更大的蛋白质复合物以及破旧的细
胞器的。
[
2016
年诺贝尔生理学
或医学奖得主大隅良典曾经活跃于多个研究领域，但
自从
198
8
年建立了自己的实验室之后，他就主要研究蛋白质在液泡中降解的过
< br>程了。
液泡也是一种细胞器，
它在酵母中的地位和人体中
溶酶体的地位类似。
酵
母细胞相对更容易进行研究，
因而常被用作人类细胞的模型；
寻那些在复杂细胞
通路中发挥重要作用的基因时，
酵母特别有用。
但大隅面临着一
个重大挑战：
酵
母细胞很小，
在显微镜
下不容易看清它的内部结构，
因此他起初都无法确定自噬
现象是
否也会发生在酵母细胞中。
大隅推论，
如果他能在自噬行为发生
的时候阻
断液泡中蛋白质分解的过程，
那么自噬体将在液泡中累
积，
从而在显微镜下可见。
因此，
他培
育出因突变而缺乏液泡降解酶的酵母细胞，
并通过使细胞饥饿激发自
噬。
Fig.1
细胞自噬体示意图
大隅良典接着利用了他改造过的酵母菌株——在这些酵母挨饿
时，
它们的自
噬体会积累起来。
如果对
自噬过程重要的基因被失活，
那么自噬体积累就理应不
会发生。
大隅良典将酵母细胞暴露在一种能随机在多个基因里引起突变的药物中，
然后诱导自噬过程。
由于大隅良典和紧随他步伐的研
究者的工作，
我们现在知道细胞自噬控制着
许多重要的生理功能
，
涉及到细胞部件的降解和回收利用。
细胞自噬能快速提供
燃料供应能量，
或者提供材料来更新细胞部件，
因此在细胞面对饥饿和其它种类
的应激时，
它发挥着不可或
缺的作用。
在遭受感染之后，
细胞自噬能消灭入侵的
细胞内细菌活病毒。
自噬对胚胎发育和细胞分化也有贡献。
细胞还能利用自噬来
消灭受损的蛋白质和细胞器，
这个
质检过程对于抵抗衰老带来的负面影响有举足
轻重的意义。
二、细胞自噬的过程
在此过程中，
自噬体的形成是关键，
其直径一般为<
/p>
300
~
900
nm
，
平均
500
nm
，
囊泡内常见的包含物有
胞质成分和某些细胞器如线粒体、
内吞体、
过氧化物酶体
等。与其他细胞器相比，自噬体的半衰期很短，只有
8min
左右，说明自噬是细
胞对于环境变化的有效反应。
尽管对自体吞噬具体过程的了解还需要加强
,
但是人们已经勾勒出自体吞噬
过程的大致轮廓
:
细胞质中的线粒体等细胞器首先被称为“隔离膜”的囊泡所包
被
,
这种“隔离膜”主要来自于内质网和高尔基体；囊泡最终形成双层
膜结构
,
即自吞噬体
(autopha
gosome),
也称之为初始自体吞噬泡
(initial
autophagic
vacuoles , AVi)
；自
吞噬体与胞内体融合形成中间自体吞噬泡
(intermediate
autophagic vacuoles, AVi/d)
；
最终自体吞噬泡的外膜与溶酶体融合形成降解
自体吞噬泡
(de
grading autophagic vacuoles, AVd),
由溶酶体内
的酶降解自体
吞噬泡中的内容物和内膜。
在整个自体吞噬过程中
,
细胞质和细胞器都受到破坏
,
最明显的是线粒体和内质网受损。虽然自体吞噬并不直接破坏细胞膜和细胞核
< br>,
但是有证据表明；
在最初断裂或消化后，
细胞膜和细胞核会最终变成溶酶体以消
化和分解自身。
Fig.2
细胞自噬过程示意图
三、细胞自噬的调控
3.1
泛素样蛋白系统对细胞自噬的调控
泛
素化是在翻译后水平上进行蛋白修饰的一种方式，
参与蛋白酶体依赖性蛋
白水解、蛋白功能调控、亚细胞分布和
/
或蛋白质互作
。在泛素激活酶
(ubiquitin-activating enzyme,
El)
、泛素接合酶
(ubiquitin-
conjugating
enzyme,
E2)
以及泛素蛋白连接酶
(ubiquitin-
protein ligase,
E3)
的连续作用
下
,
泛素与底物蛋白特定的
Lys
残基共价结合完成泛素
化。
同时，泛素化也是
一种可逆性的
过程，
可由去泛素化酶将泛素从蛋白质上除去。
泛素化主要包括
以
下
3
步酶促反应过程
: (1)
在
ATP
作用下
, E1
可在其
Cys
和泛素的
C-
端的
Gly
之间形成巯酯键，即
< br>E1-SH
~
Ub
，从而激活泛
素；
(2)
在
ATP
< br>和
E2
酶作用下，泛素
从
E1
转移到
E2
上，
同样以巯酯键的方式结合
(E2-SH
~
Ub)
；
(3)
E3
酶可以特异性
识别底物蛋白并与之结合，与此同
<
/p>
时
E2
将激活的泛素直接转移到某些
E3
结合
的底物上，
经过多个重复，
多个泛素之间通过
Lys
相互连接，
在底物上形成多泛
素链。
E1-
样酶
Atg7
和
E2-
样酶
Atg10<
/p>
泛素样反应后，泛素样蛋白
Atg12
与
Atg5
Lys130
共价耦联，<
/p>
Atg16L1
作为连接蛋白，增强
At
g12
和
E3
泛素连接酶样蛋白
Atg5
间的互作，
而后
Atg12-Atg5
与
Atg16L1
< br>形成
E3
连接酶样
复合体并定位于
PAS
。
半胱氨酸酶
Atg4
酶切
LC3
并暴露
C-
端最后
5
个
Gly
残基，
在
E2-
样酶
Atg3
辅助下，与磷脂酰乙醇胺
(phosphatidylethanolami
ne
，
PE)
发生
E3-
样共轭形成
脂化的
LC3(
LC3-II)
并定位于
PAS
，吞噬
泡加工成为成熟自噬体。
3.2
mTOR
信号通路对细胞自噬的调控
mTOR(mammalian
target
of
rapamycin)
属于
Ser/Thr
激酶，
参与细胞发育、
核糖体生成和代谢调控等生物学过程。
mTOR
包括雷帕霉素敏感型
mTORC1
和雷帕
< br>霉素非敏感型
mTORC2
。
m
TORC1
磷酸化
ULK1-Atg13-RB1CC1-C1
2orf44/Atg101
复
合体使其失活，从而负调控细胞
自噬的形成，其活化程度可反应出自噬水平，
如果阻断
mTORC1
的功能，
Ser/Thr
激酶可磷酸化
Atg1
复合体并激活自噬。
mTORC2
的磷酸化能激活
Akt
(PKB)
和
Atg1
抑制自噬，
也可上调
HIF1A(hypoxia-inducible
factor 1A)
的表达。
Fig.3
mTOR
上游示意图
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