研究没思路？一文带你快速了解国自然热点「自噬」

细胞自噬(autophagy)又称为Ⅱ型细胞死亡，是细胞在自噬相关基因的调控下利用溶酶体降解自身受损的细胞器和大分子物质，以实现细胞本身的代谢需要和某些细胞器更新的过程。

细胞自噬是真核生物中进化保守的对细胞内物质进行周转的重要过程。在机体的生理和病理过程中都能见到，在生理条件下，细胞的基础自噬活性能清除细胞内老化、受损的生物大分子和细胞器等，以维持正常的细胞生物学功能；在外界压力、饥饿、缺氧和内质网应激等特殊情况下，细胞通过自噬降解老化、受损的生物大分子和细胞器等，能获得能量来源和重建所需物质，以维持细胞的基本生命活动。

因此，自噬作为细胞重要机制，不仅帮助维持生物体稳态，与个体成长、发育、分化、衰老密切相关，其功能的紊乱还参与肿瘤、自身免疫疾病、神经系统疾病、心脑血管病、代谢糖尿病等多种疾病的发生和发展。

近年来，以自噬底物为触发因素诱导的选择性自噬（selective autophagy）受到越来越多的关注。线粒体 (mitophagy)、ER (reticulophagy 或 ER-phagy)、核糖体 (ribophagy)、过氧化物酶体 (pexophagy)、溶酶体 (lysophagy) 和细胞核 (nucleophagy) 以及蛋白质聚集体 (aggrephagy)、脂滴 (lipophagy) 和细胞内病原体 (xenophagy)的特定细胞器降解通路已被描述。

自噬的过程

完整的自噬发生过程包括自噬启动、自噬体形成、自噬溶酶体形成，降解及再利用。

自噬过程是由大量蛋白质和蛋白质复合物所控制的，每种蛋白质负责调控自噬体启动与形成的不同阶段。目前已有大约40个自噬相关基因被发现，他们在酵母中和哺乳动物中高度保守，各自在自噬过程中发挥重要作用。

目前，调控自噬途径的主要蛋白翻译后修饰主要分为3类，磷酸化、乙酰化和泛素化。

自噬的启动通常由细胞能量和营养传感器AMPK和mTORC1控制，这些主导性激酶在自噬的启动中具有此强彼弱的关系。这些激酶的靶标之一是自噬激酶ULK1。

AMPK将ULK1的多个位点（包括Ser317和Ser555）磷酸化并激活UKL1；而mTORC1将ULK1的Ser757位点磷酸化并抑制其活性。

自噬体的成熟需要激活ULK1和多蛋白复合物的募集，这样可以激活脂质激酶III类磷脂酰肌醇3激酶(VSP34)。自噬体成熟所需的ULK1底物包括ATG13、Beclin-1、ATG14和VSP34。

自噬体成熟还需要两个以渐进方式起作用的泛素样结合系统。在第一步中，ATG12与ATG5结合，随后是磷脂酰乙醇胺(PE)与LC3或GABARAP家族成员的脂质缀合。第二步的结合过程，通常称为II型形式，允许掺入到自噬体膜中，并且经常用作自噬的标记物。

最后，自噬体的内容物被溶酶体内的pH敏感水解酶降解。抑制溶酶体酸化的药物（如氯喹和巴弗洛霉素A1）常用于抑制自噬的后期。

自2016 年日本细胞生物学家Yoshinori Ohsumi因其在阐明细胞自噬的分子机制和生理功能上的开拓性研究获得诺贝尔奖以来，自噬引起了众多科研工作者的广泛关注，成为当前生命科学/基础医学研究的一大热点。

近年来，以细胞自噬为研究对象的高分文章不断涌现，也成为国家自然科学基金的资助项目中炙手可热的研究领域。2021年「细胞自噬」方向在PubMed发文数量达到1万多篇。

（来源：梅斯医学国家自然科学基金分析 —— medsci.cn）

所以，关于「细胞自噬」一定是一个很好的研究方向。

怎样入手自噬研究？

01 自噬检测方法

自噬检测方法正是自噬研究的重点对象。

1.电镜。自噬体拥有独特的双层膜结构，普通的电镜就可以很容易观察到自噬体。在自噬的早期研究中，电镜是自噬研究为数不多的检测手段；

2.基于LC3/Atg8的检测方案。LC3蛋白发生脂质化修饰之后会由胞质可溶的I型LC3（LC3-I）转变为结合于自噬体膜的II型LC3（LC3-II或LC3-PE）。

3.基于p62/SQSTM1的检测方案。p62作为自噬的重要受体，主要依赖于自噬途径进行降解

4.基于其他自噬蛋白的检测方案。自噬途径包含多个步骤，每个步骤都有特异性的自噬蛋白参与其中，因此，很多自噬蛋白通常也被用作自噬不同阶段的分子标记（如自噬性PI3P的结合蛋白WIPI1/2常常用来标记自噬前体）。

02 自噬与疾病

自噬与疾病的关系也是自噬领域的一大热点。在过去10年间，越来越多的研究表明，许多疾病的发生，都与细胞自噬密切相关，包括癌症、神经退行性疾病、心血管疾病、炎症与免疫反应、发育和衰老等。

1.自噬与癌症

癌症是第一个被发现与自噬功能受损有关的疾病，二者间的联系也是当今自噬研究中的一个重要内容。关于自噬和癌细胞的研究还没有定论。

一些研究表明，癌细胞利用自噬来生存：它通过清除受损的细胞和细胞器来限制细胞增殖和基因组的不稳定性。早期有报道显示，功能获得性突变的抑癌基因P53通过Akt/mTOR通路抑制自噬产生，进而调节癌症的进展。1999年Levine团队鉴定了酵母ATG6的哺乳动物同源物Beclin 1，并证明了Beclin 1的肿瘤抑制作用。

然而，也有研究显示自噬有促癌作用。高速生长的癌细胞需要物质和能量基础，同时也需要抵御来自免疫系统的攻击，在这个过程中，部分研究显示自噬成为了癌细胞生长的一个助力。

2.自噬与衰老

细胞内损伤物质的积累是所有衰老细胞的普遍特征，能导致细胞内稳态的紊乱，细胞生存能力降低。

自噬起到稳态作用，特别是在长寿的细胞群中，在这些细胞群中，废弃物质无法通过细胞增殖来稀释。例如，神经元中的Atg基因缺失会导致神经变性和泛素阳性聚集物累积。

有研究显示，口服亚精胺可以延长小鼠寿命，防止衰老小鼠心肌肥大，保护其心肌舒张功能；并且显著增强小鼠心脏自噬和线粒体自噬水平；而亚精胺对ATG5基因敲除小鼠则没有这种心脏保护作用。

3.自噬与神经退行性疾病

迄今，自噬通路缺陷被认为与数种主要神经系统变性疾病相关。例如，在阿尔茨海默病患者的神经元中，促进淀粉样蛋白生成的因子（淀粉样蛋白前体蛋白和衰老蛋白）可影响溶酶体功能和自噬体清除。

阿兹海默症（AD）的一个关键病理特征就是神经元细胞内异常的Aβ1-42蛋白聚集。有研究表示衰老机体自噬标志物LC3表达减少，自噬水平下降，导致Aβ1-42蛋白沉积增加；提高机体自噬水平则可减少Aβ1-42蛋白沉积，延缓认知功能障碍。

选择性自噬所需的衔接蛋白也与神经系统变性疾病相关。例如，在Ⅱ型遗传性感觉和自主神经病患者中，介导内质网自噬降解的FAM134B发生突变。可溶性被降解细胞内容物衔接蛋白SQSTM1丧失可导致儿童期发作的神经系统变性疾病，表现为共济失调、肌张力障碍和凝视麻痹。

Spilman等提出，雷帕霉素可能通过阻断mTOR对FoxO3的抑制，激活自噬，延缓ＡD小鼠的认知功能障碍。由此可见，自噬的激活在神经退行性疾病的进展当中也是发挥了关键作用，通过提高自噬水平来特异性清除神经元中过量积累的毒蛋白或许可以为此类疾病的治疗提供一个可行思路。

4.自噬与免疫

自噬作为目前发现的唯一一种可以降解细胞器和较大蛋白聚集物的途径，因此也被预测可能参与外来微生物的降解过程。许多研究都证实了这一点，自噬可以用于清除细胞内的细菌和病毒等微生物。

A族链球菌(GAS)是可以侵入非吞噬细胞的主要人类病原体之一。进入到细胞质中的A族链球菌会被自噬体选择性捕获，运送至溶酶体进行降解。同时，细胞自噬途径将其降解产物提呈给NKT等固有免疫细胞，也能够活化T细胞等适应性免疫细胞。

当然，除清除病原体和抗原提呈外，细胞自噬还会在维持免疫细胞增殖和存活中发挥作用，多层次参与到免疫反应当中。

03 靶向自噬的疾病特异性治疗

因为自噬活性在数种人类疾病中可能发生了改变，所以我们可能应该尝试恢复这些疾病患者的自噬活性。利用腺相关病毒载体进行的基因治疗近期取得了进展，引起了相当大的关注。另一方面，抑制自噬可能有助于癌症治疗，与此类似的是使用蛋白酶体抑制剂治疗多发性骨髓瘤。

图1. 自噬调节可能有用的临床情况

图A显示可能通过激活自噬来改善的疾病。激活自噬可清除某些变性疾病中累积的异常蛋白或细胞器，改善临床病程。此外，激活自噬可用于治疗有自噬缺陷的疾病，甚至可能在生理性衰老过程中也有用。在自噬基因突变的情况下，可以使用腺相关病毒载体引入完整基因。图B显示可能通过抑制自噬来改善的疾病。抑制自噬在癌细胞中的毒性作用可能超过在正常细胞中的毒性作用，因为自噬在某些癌症中有上调。

熟练使用靶向自噬各个阶段的激活剂/抑制剂，对于更好地展开自噬研究大有裨益。常用的如mTOR抑制剂rapamycin/Torin1，用来诱导自噬；VPS34复合物的抑制剂3-MA和wortmannin等，用来抑制自噬；溶酶体抑制剂氯奎（chloroquine）,用于阻断自噬性降解。

参考来源：

[1].Guidelines for the use and interpretation of assays for monitoring autophagy (4th edition) （ https://doi.org/10.1080/15548627.2020.1797280 ）

[2].Mechanism and medical implications of mammalian autophagy （DOI：10.1038/s41580-018-0003-4）

[3].Autophagy in health and disease: A comprehensive review （ https://doi.org/10.1016/j.biopha.2018.05.007 ）