细胞自噬

细胞自噬

细胞自噬（autophagy）是指细胞内受损、变性或衰老的蛋白质和细胞器被运输到溶酶体，溶酶体对其消化降解，以胞质内自噬体的出现为标志的细胞自我消化过程，以双层膜结构包裹部分胞质和细胞器的自噬体为判断指标[1]。

一、自噬过程

自噬的过程分为四个阶段（见图 1[1]）[1,5]：

第一阶段（起始）：自噬诱导信号被细胞接受后，类“脂质体” 碗状结构即在胞浆某处形成小的膜结构，在 电镜下观察到其不断扩张、呈非球形、扁平状双层膜的碗状结构，称为自噬前体（phagophore），这种结构的电镜观察结果是指示自噬发生的金标准之一。

第二阶段（延伸）：不断延伸的自噬前体，将胞浆中的若干成分（包括细胞器）收口包入，成为密闭的球状自噬体（autophagosome）。 自噬体的电镜观察结果是指示自噬发生的金标准之一。 自噬体的特征有两个：双层膜，内含诸如线粒体、内质网碎片等胞浆成分。

第三阶段（成熟）：自噬体形成后，可能与细胞内吞的吞噬泡（phagocytic vacuole）、吞饮泡（pinosome）和内体（endosome）融合（此阶段为非必需步骤）。 

第四阶段（降解）：自噬体与溶酶体（lysosome）发生融合，形成自噬溶酶体（autolysosome）。 期间溶酶体酶降解自噬体的内膜， 使两者的内容物合为一体，自噬体中的包含物被降解，将产物诸如氨基酸、脂肪酸之类输送到胞浆中，重新利用供能，残渣则被排出细胞外或滞留于胞浆。

二、自噬分类

根据细胞内底物运送到溶酶体腔方式的不同， 哺乳动物细胞自噬分为 4 种主要方式[1,2,5]： 

• 巨自噬 （macroautophagy）是最主要的自噬形式。在巨自噬中，由内质网来源的膜包绕待降解物，形成自噬体后与溶酶体融合并降解其内容物[1,2,5]。
• 微自噬（microautophagy）中，溶酶体膜直接内陷包裹长寿命蛋白等，并在溶酶体内降解，没有形成自噬小体的过程[1,2,5]。
• 分子伴侣介导自噬（chaperone-mediated autophagy，CMA）为胞浆内蛋白结合到分子伴侣后转运到溶酶体腔中，被溶酶体酶消化。 CMA 的底物是可溶蛋白分子，因此 CMA 降解途径在清除蛋白质时有选择性， 而前两者无明显的选择性[1,2,5]。
• 选择性自噬，降解的是特定的底物。目前己知道的选择性自噬包括线粒体自噬（见帖：线粒体自噬（Mitophagy） ）、内质网自噬、过氧化物酶体自噬、CVT通路等[8]。选择性自噬需要自噬接头蛋白或者其他靶向溶酶体的蛋白桥接特异性底物和自噬受体 LC3（light chain 3）。p62（见帖：p62/SQSTM1）、NBR1、NDP52、Nix、Cb1、Stbd1、OPTN 等均是含有 LIR（LC3 interaction region，LC3相互作用区）序列[9]。

三、自噬调节

哺乳动物中的自噬相关基因（autophagy related genes，ATG）如表 1 [6]，具体机制金可见 2 楼。

• Atg5、Atg6（又名 Beclin1）被证明是巨自噬和微自噬的必要的基因标志，而溶酶体受体则被认为是分子伴侣介导的自噬的标志。
• Atg16 与 Atg12-Atg5 共轭物的结合对于自噬很重要，通过募集游离 Atg8（又名 LC3）。 Atg12-Atg5-Atg16 靶向定位在空泡膜上形成自噬复合体支架（具体见2楼）。

四、Beclin1

Beclin1 是酵母 Atg6 在哺乳动物中的同源基因[7]。

1998 年，Liang 在研究致死性辛德毕斯病毒性脑炎的大鼠时发现一种分子量为 60 kDa 的蛋白质，其将该蛋白质及编码它的基因命名为 Beclin（即 Beclin1 蛋白和 beclin1 基因）。1999 年 Aita 成功克隆了 beclin1，发现该基因位于人染色体 17q21，具有 12 个外显子，长度为 62~794 bp。其 cDNA 含有 2098 bp 的转录序列，该序列包括 120 bp 的 5' 非编码区、1353 bp 的编码区、625 bp 的 3' 非编码区。Beclin1 广泛表达于各个组织的细胞质中，预示了该蛋白功能的多样性[3]。

1、Beclin1 复合体

Beclin1 有四个重要的结构域：BH3（Bcl-2 homolog 3）、卷曲螺旋结构域（coiled-coil domain，CCD) 、进化保守结构域（evolutionarily conserved domain ，ECD）、核输出结构域。Beclin1 通过这些结构域形成复合体，诱导自噬相关蛋白定位于自噬体膜，起到类似于“平台”的作用（图1）[3]。

Beclin1 复合体由 Vps34、Vps15、Atg14、Beclin1 构成[4,6,7]。

（1）ECD结构域：Vps34

Vps34 是 3 型 PI3K（1型PI3K见帖：PI3K/Akt信号通路）的一种，因结合 Vps15 而被激活。Vps34 进一步结合 Beclin-1 的 ECD 域，形成 Vps34-Vps15-Beclin1 复合物。该复合体可使 PIP2 磷酸化产生 PIP3，引导自噬相关蛋白的定位。

CDK1 和 CDK5 （见帖：细胞周期）可使 Vps34 磷酸化从而降低其活性，使 PIP3 生成受阻，影响自噬空泡形成[4,6]。。

（2）CCD结构域：UVRAG

UVRAG（UV radiation resistance associated gene，紫外线辐射抗性相关蛋白）是酵母菌 Vps38 基因在人类的同源基因，可直接与 Beclin1 的 CCD 域结合形成复合体，也可参与调节 Vps34-Beclin1 复合体的形成。

此外，Bif-1 通过 UVRAG 影响 Beclin1，起到对 3 型 PI3K 的正面调节作用。

（3）BH3结构域：Bcl-2

Bcl-2 家族成员（见帖：Bcl-2/Bax/Caspase-3信号通路）是细胞凋亡的关键调节因子，含有 4 个高度保守的同源结构域（BH1、BH2、BH3、BH4），其中 BH3 域是关系细胞凋亡的关键结构域，Bcl-2 通过该域与 Beclin1 相互作用[4,6]。

Bcl-2 与 Beclin1 的 BH3 结构域结合，减弱了 Beclin1 与 Vps34 的相互作用，其他自噬相关蛋白难以结合到自噬体膜上，从而抑制自噬的发生。这种结合受信号通路调节[3]：

• 在饥饿的情况下，激活 JNK1（见帖：JNK信号通路），磷酸化 Bcl-2，导致其与 Beclin1 结合能力减弱，引起自噬发生[3]；另外，死亡相关蛋白激酶（death-associated protein kinase 1，DAPK）可使 Beclin1 的 BH3 结构域磷酸化，阻碍 Beclin1 与 Bcl-2 的结合[4,5]。
• 而在营养充足的情况下，非磷酸化的 Bcl-2 与 Beclin1 结合加强，从而阻断自噬[3]。

（4）Ambra1

Ambra1（activating molecule in Beclin1-regulated autophagy） ：Fimia 在 2007 年发现的一种新蛋白 Ambra1，对依赖 Beclin1 的自噬有正面调节作用[4]。

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参考文献

[1]孙雅婧,郭青龙.细胞自噬的研究进展[J].药学与临床研究,2012,20(03):236-239.DOI:10.13664/j.cnki.pcr.2012.03.014.

[2]Cao G, Yang S, Cao J, Tan Z, Wu L, Dong F, Ding W, Zhang F. The Role of Oxidative Stress in Intervertebral Disc Degeneration. Oxid Med Cell Longev. 2022 Jan 12;2022:2166817. doi: 10.1155/2022/2166817. PMID: 35069969; PMCID: PMC8769842.

[3]黄蓉,韦曦.自噬效应蛋白Beclin1的研究进展[J].中外医学研究,2011,9(28):159-161.DOI:10.14033/j.cnki.cfmr.2011.28.025.

[4]王欣,陈宝强,李红玉.哺乳动物细胞自噬关键节点及相关药物的研究进展[J].中国临床药理学与治疗学,2018,23(02):205-210.

[5]贾静文.细胞自噬的研究进展[J].山西农经,2017(03):105.DOI:10.16675/j.cnki.cn14-1065/f.2017.03.072.

[6]王雄,谭璐.自噬研究进展[J].亚太传统医药,2010,6(10):144-145.

[7]【热点】研究自噬不得不说的关键分子 - 知乎 (zhihu.com)

[8]李宜醒,姚伟静,易聪.细胞自噬研究进展[J].中国细胞生物学学报,2019,41(02):192-201.

[9]陈佳锋,傅修涛,丁振斌.自噬调控多功能蛋白p62/SQSTM1参与肿瘤及其微环境的研究进展[J].中国临床医学,2020,27(02):321-326.