Beclin1調(diào)控自噬、凋亡與炎癥反應的分子機制

郭 鑫 楊 俊

(三峽大學心血管病研究所 三峽大學第一臨床醫(yī)學院心內(nèi)科，湖北 宜昌 443003)

自噬和凋亡作為兩種不同的程序性細胞死亡方式，存在著復雜的相互作用。凋亡是組織器官生長過程中最基本的重構機制，其在組織抵御內(nèi)、外源性損傷過程中發(fā)揮重要作用，可保護細胞、組織器官免受壞死誘導的炎性反應損傷；自噬，細胞自我吞噬過程，是細胞在危機狀態(tài)下重新利用細胞結構并產(chǎn)生能量物質(zhì)的主要生存機制〔1〕。自噬與凋亡的生化代謝途徑及形態(tài)學雖存在顯著差異，但功能密切聯(lián)系，共同調(diào)控細胞生存和死亡。此外，在嚴重應激反應中，自噬功能紊亂可激活炎性小體，炎性小體是機體損傷相關分子模式(DAMPs)的感受器〔2〕。炎性小體激活可促進組織分泌IL-1β和 IL-18，改變免疫系統(tǒng)功能，導致急性組織損傷。大量試驗表明：抗凋亡蛋白Bcl-2家族成員可增加凋亡耐受力，抑制自噬，其可能是通過形成Beclin1抑制復合體實現(xiàn)。因此，自噬、凋亡與炎癥反應在疾病發(fā)生發(fā)展的病理生理過程中密切相關，其中Beclin1又位于復雜的細胞反應網(wǎng)絡中心，是聯(lián)系三者的樞紐。

1 Becin1分子結構和功能

Beclin1，即BECN1，酵母自噬基因Atg6 /Vps30的同源基因，是Beth Levine于1998年首次發(fā)現(xiàn)鑒定。該基因位于人染色體17q21，含有12 個外顯子。Beclin1蛋白分子量為60 kD，含有450個氨基酸序列，可與抗凋亡蛋白Bcl家族成員相互作用，如Bcl-2、Bcl-xl、Bcl-w。Beclin1 蛋白含有BH3( Bcl-2-homology-3) 、中央卷曲螺旋區(qū)(CCD)和進化保守區(qū)(ECD) 三個主要結構域，分別位于蛋白結構的N端、中間和C端，這些結構域是Beclin1 的主要功能位點。

Beclin1 是形成自噬體的必需分子，作為分子反應“平臺”，可介導自噬相關蛋白定位于吞噬泡，并與多種蛋白反應調(diào)控自噬體形成與成熟。Vps34，即哺乳動物Ⅲ型磷脂酰肌醇-3激酶(PIK3C3)，可磷酸化磷脂酰肌醇，生成PI3P并與FYVE指蛋白結合，廣泛參與自噬體、內(nèi)涵體膜的形成與物質(zhì)轉(zhuǎn)運過程。其中，Beclin1可與Vps34形成催化核心區(qū)。雖然Vps34活性可由PKD(protein kinase D)〔3〕和CDK5〔4〕等磷酸化作用直接調(diào)節(jié)，但Beclin1仍是Vps34的主要調(diào)控者，并以此調(diào)節(jié)自噬體膜合成和物質(zhì)轉(zhuǎn)運。

2 Beclin1-Vps34復合體及其功能

Beclin1-Vps34復合體有三種類型：(i)Atg14復合體，其作用于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)吞噬泡膜上的Beclin1復合體。研究發(fā)現(xiàn)，Atg與Beclin1相互作用可誘導自噬體雙層膜結構形成，這是自噬形成的初始、關鍵階段〔5〕；(ⅱ)UVRAG復合體，其直接作用于內(nèi)吞通路中的Beclin1復合體，同時也可增加自噬體成熟；(ⅲ)UVRAG-Rubicon復合體，Rubicon通過抑制Vps34活性抑制自噬體成熟。

Atg14L和UVRAG可競爭性結合Beclin1卷曲螺旋結構域。Bif-1/內(nèi)吞體B1等結合蛋白可與UVRAG結合并促進Vps34活性從而促進自噬體的成熟。此外，兩種線粒體自噬的關鍵蛋白-Ambra1和Pink1，可與Beclin1結合并促進線粒體自噬〔6〕。研究發(fā)現(xiàn)，Beclin1與Ambra1〔7〕或Bim〔8〕結合，并與動力馬達蛋白形成復合物，這種轉(zhuǎn)位可將Beclin1復合體從自噬體中移除。然而，由ULK1磷酸化的Ambra1〔7〕和JNK磷酸化的Bim〔8〕均可促進細胞骨架儲存系統(tǒng)釋放Beclin1，并促進自噬形成。

3 Beclin1介導自噬、凋亡與炎癥機制

3.1Beclin1介導自噬機制 大量研究表明，Beclin1復合體的功能不受自噬影響，但其參與自噬過程。Joubert等〔9〕發(fā)現(xiàn)，補體系統(tǒng)膜輔助蛋白-CD46(一種可識別多種病原微生物結構受體)可通過支架蛋白GOPC與Beclin1結合，當其識別病原體后即可募集Beclin1-Vps34復合體至細胞表面，從而誘導自噬體形成。此外，Joubert等還發(fā)現(xiàn)：麻疹病毒也可通過CD46/GOPC信號通路誘導自噬體形成。

然而，Beclin1復合體在調(diào)控自噬通路中的作用目前尚有爭議。早期的研究認為：UVRAG與C-Vps復合體參與內(nèi)涵體形成，而Beclin1-Vps34并未參與該過程。然而，Thoresn等〔10〕最近的研究發(fā)現(xiàn)：Bclin1-Vps34-UVRAG-Bif-1復合體可調(diào)控內(nèi)涵體表面受體及胞質(zhì)的形成。Ruck等〔11〕關于線蟲的研究也發(fā)現(xiàn)：BEC1可參與內(nèi)涵體形成過程，特別是將內(nèi)涵體逆行轉(zhuǎn)運至反式高爾基體網(wǎng)絡。在自噬溶酶體轉(zhuǎn)運過程中，Beclin1復合體可能參與自噬溶酶體和內(nèi)涵體形成的早期階段而非晚期階段。

最近研究發(fā)現(xiàn)，除了典型自噬(Beclin1依賴性)，還存在一種非典型自噬類型(Beclin1非依賴性)〔12〕。Beclin1非依賴性自噬缺乏ULK1和Beclin1-Vps34復合體誘導的自噬啟始和成核過程，其直接從已存在的膜結構形成吞噬泡，如細胞膜、高爾基體和線粒體。Grishchuk等〔13〕發(fā)現(xiàn)：許多促凋亡化合物，如星形孢菌素和依托泊苷，可誘導大鼠皮層神經(jīng)元發(fā)生Beclin1非依賴性自噬，進而促發(fā)細胞凋亡發(fā)生。然而，以上試驗也同樣發(fā)現(xiàn)：Beclin1依賴性的自噬過程具有細胞保護功能。目前Beclin1非依賴性自噬形成與調(diào)控的機制研究尚待研究，但其可能與自噬性細胞死亡密切相關。

3.2Beclin1介導凋亡機制

3.2.1Beclin1與抗凋亡蛋白Bcl-2 Beclin1是一類與促凋亡蛋白Bcl-2相關的新型BH3-only蛋白，包括Bad、Bid、BNIP3、Noxa和Puma。Bcl-2蛋白及其抗凋亡Bcl-2家族成員，如Bcl-xl、Bclw、Bcl-B和Mcl-1，均含有BH3結合槽，可與Beclin1以低親和力方式結合。Pattingre等〔14〕在小鼠心肌在體和體外試驗研究發(fā)現(xiàn)：Bcl-2蛋白可與Beclin-1相互作用并抑制自噬形成；Bcl-2與Beclin 1結合可抑制Beclin1-Vps34復合體形成，并可抑制Vps34的活性。此外，他們還觀察到：位于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的Bcl-2/Beclin 1可抑制細胞自噬，而位于線粒體的Bcl-2/Beclin 1復合體則無此功能。以上試驗均表明：抗凋亡蛋白Bcl-2具有自噬抑制功能。

3.2.2Beclin1與Bcl-2磷酸化修飾 大量的證據(jù)表明，Bcl-2和Beclin1蛋白翻譯后水平的修飾可調(diào)控Bcl-2/Beclin1復合體的穩(wěn)定性。Wei〔15〕等研究發(fā)現(xiàn)：JNK1可通過磷酸化內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中Bcl-2的多個位點參與刺激饑餓誘導的自噬過程。他們發(fā)現(xiàn)，Bcl-2 Thr69 、Ser70和Ser87殘基的磷酸化可解離Bcl-2和Beclin1復合體，Beclin1釋放并與Vps34結合刺激自噬形成。最近，Pattingre等〔16〕觀察發(fā)現(xiàn)：短鏈神經(jīng)酰胺可激活JNK1介導的Bcl-2磷酸化，從而導致Beclin1從復合體中解離并促進自噬。相反，Sarkar等〔17〕發(fā)現(xiàn)：一氧化氮(NO)可抑制JNK1活性，從而阻斷Bcl-2磷酸化，提高Bcl-2/Beclin1復合體穩(wěn)定性，進而抑制自噬。另一方面，DAPK (一種應激活化的蛋白激酶)可將Beclin1的BH3結構域Thr119位點磷酸化，從而解聚Beclin1/Bcl-2，誘導細胞自噬〔18〕。此外，TLR4信號通路激活可引起TRAF6介導的Beclin1K63相關的泛素化，并解離Beclin1/Bcl-xL復合體，從而誘導自噬。

3.2.3競爭性結合Beclin1與Bcl-2 通過與Bcl-2或Beclin1競爭性結合從而終止Bcl-2/Beclin 1復合體形成是Beclin1介導的第三種自噬調(diào)節(jié)機制。促凋亡BH3-only蛋白，如Bad、Bid，BNIP3 、Noxa和Puma，可與Beclin-1競爭性結合Bcl-2/xL 蛋白BH3受體槽，從而增加凋亡和自噬形成。以上這些因子與Bcl-2/xL結合通常可導致細胞死亡，以此開發(fā)出的殺癌細胞新藥物如BH3類似物將具廣闊前景。此外，腫瘤抑制蛋白ARF可在線粒體內(nèi)與Bcl-xL結合，阻止Bcl-xL/Beclin 1復合體形成，從而引起細胞自噬〔19〕。

3.3Beclin1介導炎癥機制 炎性小體是細胞內(nèi)的多蛋白復合物，可識別多種病原體和應激反應危險信號。NLR炎性體家族大多參與DAMPs誘導的反應，如氧化應激和代謝紊亂。炎性小體廣泛參與人類多種疾病的發(fā)病機制，包括肥胖誘導的炎癥、動脈粥樣硬化和Ⅱ型糖尿病等。大量證據(jù)表明，自噬功能缺乏可刺激炎性小體形成〔2〕。此外，研究發(fā)現(xiàn)〔20〕，抗凋亡蛋白Bcl-2和Bcl-xL可與NLRP1相互作用，抑制其聚合及活性。Bcl-2過表達可抑制NLRP3炎性小體的激活〔21〕。

炎性小體受體也可直接與Beclin1相互作用。一些炎性小體受體，如NLRC4、NLRP3、NLRP4和NLRP10，與Beclin1的進化保守結構域具有極強的親和力。NLRP4與Beclin1復合體的結合可抑制自噬體的成熟。相反，NLRP4和NLRC4基因敲出可促進體外試驗細胞的自噬形成。然而，自噬似乎通過負反饋機制激活炎性小體。Shi等〔22〕發(fā)現(xiàn)：在THP-1細胞接受炎性刺激后，AIM2和NLRP3炎性小體共同位于自噬中。他們認為，NLRP3炎性小體的 ASC組分可能在Lys63相關位點發(fā)生多泛素化，該位點由P62蛋白UBA結構域識別，并隨后參與LC3介導的自噬。綜上這些發(fā)現(xiàn)表明，炎性小體廣泛參與細胞凋亡和自噬過程。

4 Beclin1與其他

HMGB1、TAB2 / 3與炎性反應的調(diào)節(jié)密切相關。HMGB1是一種多功能警報素，可刺激炎癥反應發(fā)生。在IL-1、TNF和RANKL介導的信號通路中，TAB2和TAB3是TAK1激活的關鍵因子。HMGB1 、TAB2和TAB3均可與Beclin-1結合干擾Bcl-2/Beclin-1復合體，并以此控制細胞自噬。

4.1Beclin1與HMGB1 Tang等〔23〕發(fā)現(xiàn)：細胞質(zhì)內(nèi)的HMGB1與Beclin1結合，可阻止Bcl-2/beclin1復合物形成。HMGB1與Beclin1的結合可誘導Vps34/Vps15募集至 Beclin1復合體，從而促進自噬形成。已經(jīng)證實，HMGB1是氧化應激的感受因子，HMGB1的半胱氨酸殘基的氧化可觸發(fā)其轉(zhuǎn)運到細胞質(zhì)，并與Beclin1結合，激活細胞自噬。他們還發(fā)現(xiàn)，HMGB1缺乏可增加Bcl-2/Beclin 1反應時間，并通過抑制ERK1/2介導的Bcl-2磷酸化抑制饑餓誘導自噬。此外，研究還發(fā)現(xiàn)〔24〕：HMGB1可能在細胞質(zhì)內(nèi)與p53形成復合物。HMGB1基因敲出可增加胞質(zhì)內(nèi)p53含量，誘導細胞自噬；p53基因敲除可增加胞質(zhì)內(nèi)HMGB1表達，增加自噬。因此，HMGB1和p53在細胞凋亡、自噬調(diào)節(jié)過程中的信號通路可能存在交互。

4.2Beclin1與TAB2/3 TAB2和TAB3也能引起B(yǎng)cl-2/Beclin1復合體的解聚。TAB2和TAB3可通過Beclin1的卷曲螺旋結構相互結合，抑制Beclin 1介導自噬。TAB2和TAB3還可抑制自噬相關蛋白與Beclin1卷曲螺旋結構域的結合，如Atg14L、UVRAG和Ambra1，從而抑制自噬。

5 小結與展望

Beclin1 是自噬調(diào)節(jié)中最主要的分子之一。研究發(fā)現(xiàn)：自噬和凋亡之間不但存在著平衡關系，且存在自噬/凋亡互反饋調(diào)節(jié)機制，而Beclin 1可能是調(diào)控自噬/凋亡互反饋作用的交匯點〔25〕，其中Beclin 1/Bcl-2對自噬/凋亡互反饋作用的調(diào)控又至關重要。Beclin1位于自噬、凋亡與炎癥網(wǎng)絡狀信號交互調(diào)控機制的中心環(huán)節(jié)，對Beclin1選擇性調(diào)控必將影響疾病的轉(zhuǎn)歸。目前的觀點認為，自噬、凋亡與炎癥因素在心肌缺血再灌注、動脈粥樣硬化、腫瘤等多種疾病發(fā)生發(fā)展過程中發(fā)揮重要作用，Beclin1在其中的作用機制研究必將為疾病診治提供的新靶點和策略。

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