2016年諾貝爾生理學或醫學獎：細胞自噬機理

王曉冰

2016年10月3日，瑞典卡羅林斯卡醫學院諾貝爾生理學或醫學獎委員會宣布，2016年諾貝爾生理學或醫學獎授予日本科學家大隅良典，因為他發現了細胞自噬的機理。大隅良典獨自獲得800萬瑞典克朗（約合人民幣625萬元）獎金。

細胞自噬是什么？

自噬是細胞內的一種“自食”現象。細胞自噬已經被研究人員研究了60多年，目前的定義是，細胞自噬是指生物膜（大部分表現為雙層膜，有時多層或單層）包裹部分細胞質和細胞內需要降解的細胞器、蛋白質等形成自噬體，并與內涵體形成自噬內涵體，最后與溶酶體融合形成自噬溶酶體，降解其所包裹的內容物，以實現細胞穩態和細胞器的更新。

通俗地講，細胞自噬就是細胞的自我吞噬，通常發生在細胞或者機體缺乏能量、或受到環境脅迫，如缺乏氨基酸、缺氧的情況下，細胞里會產生雙層膜結構，包裹自己的一部分細胞器，運送到溶酶體進行降解。

自噬的出現是因為細胞在新陳代謝過程中會不斷產生受損傷的細胞器，如受損的線粒體、蛋白質聚合體等，這就需要細胞清理它們。通過自噬作用，組織和細胞對自身不斷地清理，以保持細胞的穩態平衡。這個作用有點像人用吸塵器清潔衛生，用以吸收室內各種臟東西，從而保持室內清潔和干凈。

自噬這個單詞源于希臘語，希臘語單詞前綴auto意為“自我”，另一個希臘語單詞phagein意為“吞食”，二者組合成一個詞就是自我吞噬。最早研究細胞自噬并提出這一概念的并非大隅良典，而是比利時科學家杜夫。他在20世紀50年代通過電鏡觀察細胞的內部情況時，發現了溶酶體，是細胞內的一種細胞器，其功能是處理細胞攝入的營養物質并分解較大的顆粒。與此同時，他也發現了自噬現象，并且在1963年溶酶體國際會議上首先提出了“自噬”的概念。因此，他和他的同事、電子顯微鏡專家克洛德和帕拉迪分享了1974年諾貝爾生理學或醫學獎。

細胞中有三種類型的自噬：大自噬、小自噬和伴侶介導的自噬。大自噬始于杯狀雙層隔離膜的形成（也稱為自噬膜或隔離膜）。隔離膜合閉形成一個成熟的囊泡，如自噬體，最終與溶酶體融合，使自噬體的內容物被溶酶體水解酶降解。通常溶酶體被認為是作用于壽命較長的蛋白的降解。

小自噬則直接通過溶酶體膜的內陷、突出和分離來吞噬細胞質。伴侶介導的細胞自噬則是直接通過溶酶體伴侶——溶酶體膜受體HSC70和LAMP-2A運輸未折疊蛋白到溶酶體中進行降解。在這三種自噬中，大自噬是最普遍的，常被簡稱并指代自噬。

細胞自噬與細胞凋亡（即細胞自殺）有相似處，也相輔相成，二者共用相同的刺激因素和調節蛋白，但是誘發閾值和門檻不同，它們是如何轉換和協調的目前還不清楚。細胞凋亡機理的研究結果已經獲得2002年的諾貝爾生理學或醫學獎（英國的悉尼·布雷內、美國的羅伯特·霍維茨和英國的約翰·蘇爾斯頓共同獲獎，因為他們發現了器官發育和程序性細胞死亡即細胞凋亡過程中的基因調節作用）。

另一方面，20世紀七八十年代，研究人員也發現了另一種與細胞自噬相似的蛋白質降解（死亡）的現象。一種被稱為泛素的多肽在需要能量的蛋白質降解過程中扮演著重要角色。這種多肽由76個氨基酸組成，最初是從小牛的胰臟中分離出來的。它就像標簽一樣，被貼上標簽的蛋白質會被運送到細胞內的“垃圾處理廠”（溶酶體）中被降解。由于這一機理的發現，以色列的阿龍·切哈諾沃、阿夫拉姆·赫什科、美國的歐文·羅斯三人共同獲得2004年的諾貝爾化學獎。

但是，蛋白質降解的機理并不能解釋細胞是如何降解大的蛋白復合體和其他廢棄的細胞器的，細胞自噬機理的發現則能解釋這一切。因此，今天，繼蛋白質降解后，細胞凋亡和細胞自噬成為細胞生物學研究最熱門的研究領域。

為何大隅良典獨自獲獎？

按照近年來諾貝爾生理學或醫學獎的慣例，是三人或二人獲獎，而且在細胞自噬研究中，至少還有另外幾人的研究也具有獨創性和重要意義，但此次卻是大隅良典獨自獲獎。這意味著，諾貝爾獎委員會認為大隅良典的發現更重要和更有創新。

大隅良典最早是在1992年的《細胞生物學雜志》（119卷第2期）上發表了發現酵母細胞自噬現象的論文，此后，又在1997年克隆了第一個酵母自噬基因（ATG），命名為ATG1，以及在2000年參與克隆了目前廣泛使用的自噬標志物LC3。迄今研究人員已經發現并克隆了40多個ATG基因。

1998年美國研究人員也在細胞自噬研究中獲得重大發現，美國西南醫學中心的貝思·萊文研究小組克隆了第一個哺乳動物自噬基因，命名為Beclin 1，后者實際上是一個抑癌基因，是通過調節細胞自噬的過程來實現抑癌功能。

美國密歇根大學的丹尼爾·克利昂斯基也在酵母模型的自噬研究中獲得重大成果，1996年在研究蛋白從細胞質到溶酶體的定位過程中，發現這一過程和細胞自噬采用了同樣的基因，因而促發了在后來發現一系列細胞自噬的調節基因。

如果說大隅良典的研究與其他研究人員有什么區別，以致諾貝爾獎委員會對其研究青睞有加，就在于他設計了不同的研究模式，直觀地觀察到細胞自噬現象和克隆自噬基因，并能合理和圓滿地解釋這一現象。

1988年，大隅良典任東京大學教養學部副教授，在博士畢業后15年擁有了自己的實驗室，并且選擇對酵母液泡降解機制進行深入研究，因為之前還沒有任何人開展這樣的研究。液泡是一種充滿細胞液的細胞器，是植物細胞的主要成分，約占植物細胞體積的90%，1980年代液泡被簡單地視為惰性細胞器和廢物存儲庫。

促使大隅良典選擇這一研究內容的原因主要是要完成他此前未竟的探索。在美國洛克菲勒大學進行博士后研究期間（1974～1977），他曾試圖分離出酵母細胞核，但在離心管的頂層無意發現了一層明顯的細胞器，這就是酵母液泡，這些成分原本是要被拋棄的，但他認為這種物質既然是酵母的細胞器，相當于人類細胞中的溶酶體，不會沒有功能和作用。

回到日本東京大學理學院之后，大隅良典心無旁鶩地認真研究起酵母液泡來。經過長期觀察，他發現酵母液泡具有主動運輸物質的能力，運輸的物質包括氨基酸等代謝物和離子，這種作用對維持細胞內穩態具有重要作用。

為什么酵母液泡主動運輸細胞內的物質會穩定細胞？大隅良典一是通過顯微鏡觀察液泡的變化，二是通過設置一定條件來觀察，以尋求答案。當把酵母放置于缺乏營養物質的培養條件下，大隅良典發現酵母細胞內出現了自噬現象。具體過程是，酵母在饑餓狀態下細胞內會形成孢子樣結構，這種結構會使細胞內的代謝產物獲得降解，由此讓酵母細胞平穩地度過艱難的饑荒時期。

大隅良典的發現當然也有機遇，但是機遇特別寵愛像大隅良典這樣有準備的人。他發現，酵母被饑餓處理幾個小時后，有大量小顆粒積累在液泡內，這些顆粒能快速晃動，即所謂的布朗運動。這一運動吸引了大隅良典，讓其一連觀察幾小時。布朗運動的產生是因為酵母含有的蛋白成分少，細胞液黏度小。這些活動的顆粒內含部分胞質成分，被酵母的單層膜結構約束。

更驚人的發現是，當正常酵母的液泡中存在降解酶時，液泡內的胞質成分會很快被降解。當時的光學顯微鏡只能放大600倍（今天的光學顯微鏡放大倍數已經高達2250倍），因此在大隅良典之前并沒有人能直觀地觀察到這種現象。能讓大隅良典直觀地觀察到這個現象的，是酵母細胞內的那些做布朗運動的細胞顆粒，沒有這些顆粒的運動，也不會吸引大隅良典長時間關注和研究它們，從而發現細胞自噬。

但是，這還不是細胞自噬的全部內容，也即還不能完全證實細胞自噬。用顯微鏡觀察并證明了自噬現象后，大隅良典要找到產生這種現象的原因，例如發現和確定引發自噬的自噬基因。因為如果自噬基因是滅活的，自噬也不會發生。于是，大隅良典把酵母細胞暴露在一種化學物質下，并隨意引入多個基因突變，誘導細胞自噬。在發現酵母自噬現象后的一年內，大隅良典從數千個基因中篩選到自噬基因（ATG），即ATG1。

后來，大隅良典陸續發現了10多個自噬基因，再到近幾年，這樣的基因已經被其他研究人員發現了40多個。在后來的一系列研究中，由這些基因所編碼的蛋白質也從功能層面上被識別。這些研究結果表明，細胞自噬是由一連串的蛋白質和蛋白質復合物所控制，每一個都掌管著自噬體的萌生和形成的不同階段。

這些發現讓大隅良典推論，細胞自噬不只是在酵母細胞中存在，而且在其他動植物的細胞中也存在。1996年，大隅良典到實驗條件更好的日本岡崎國家基礎生物學研究所進行研究，經過幾年的艱苦工作，大隅良典證明，細胞自噬是許多動植物細胞的最基本的功能之一，其主要功能就在于能保持細胞的穩定。

細胞自噬有什么用？

細胞自噬與許多疾病、衰老和生命現象相關。細胞自噬能夠控制細胞中重要的生理學功能，細胞中的組分需要被降解并且回收利用，細胞自噬能夠快速提供能量并且為細胞組分的回收利用提供基本的構件，同時細胞自噬對于細胞對饑餓及其他壓力的反應也至關重要。在機體感染后，細胞自噬能夠消滅外來入侵的細菌和病毒，而且細胞自噬對于胚胎發育和細胞分化也非常關鍵，細胞還能夠利用自噬來消除損傷的蛋白質和細胞器，這種細胞內部的質量控制機制對于應對老化帶來的副作用也發揮著至關重要的作用。

現在，研究人員發現，干擾自噬作用或許與帕金森病、Ⅱ型糖尿病及其他機體障礙直接相關，自噬基因的突變往往也會引發遺傳性疾病的發生，干擾自體吞噬過程既可能治療癌癥，也可能誘發癌癥，因此，研究人員正在根據自噬的機理和過程進行更為深入的研究，以開發新型靶向作用的自噬療法，從而治療多種類型的疾病。

以癌癥治療為例，美國芝加哥大學的研究人員最近發現抑制細胞的自噬過程能夠有效阻斷動物腫瘤模型中的乳腺癌細胞轉移，因為自噬在腫瘤轉移過程中發揮了非常重要的作用。研究人員對患癌小鼠進行研究，敲除了癌細胞中的自噬關鍵基因ATG5和ATG7，隨后在顯微鏡下觀察癌細胞的遷移運動情況，結果發現對照組癌細胞的遷移運動比較活躍，但敲除自噬關鍵基因的癌細胞不能移動，它們似乎被卡住了。這也意味著利用這一點可以阻止癌細胞的轉移。因為，自噬是高度轉移性腫瘤細胞運動和侵襲所必須的一個生物學過程。抑制自噬或許是臨床上阻斷腫瘤轉移擴散的一個有效方法。

同時，結合自噬作用也可以讓藥物治癌（化療）產生更好的效果。美國科羅拉多大學癌癥中心的索伯恩等人最近的一項研究顯示，腫瘤受到抗癌藥物的攻擊時，一些較敏感的細胞死亡，但另一些有抵抗力的細胞存活下來。原因在于這些敏感細胞和抵抗細胞之間存在自噬凈化自己的能力不同。

例如，用一種稱為IC-50的藥物處理癌細胞，50%的癌細胞會死亡，但另外50%的細胞能夠存活。為什么有這種差異呢？研究發現，這取決于細胞自噬水平的差異。因為，自噬可以在壓力條件下幫助細胞生存，例如分解掉非必需的組分來提供能量，或者降解掉有破壞性的蛋白避免細胞損傷。

因此，自噬水平低的癌細胞在接受藥物處理時死亡率會更高。但實際上研究人員發現，癌細胞死亡率的高低不僅依賴于細胞的自噬水平，還取決于抗癌藥物的作用機制。根據自噬水平的高低將細胞分組，然后用兩種激活細胞死亡受體的藥物處理細胞。用第一種藥物處理時，自噬水平高的細胞死亡率最高；用第二種藥物處理時，自噬水平低的細胞死亡率最高。可見，使用的藥物不同，自噬的影響相反。

而且，用一些生物分子激活細胞自噬也能幫助治療癌癥。一項研究發現，腫瘤壞死因子受體（TNFR）的跨膜蛋白通過激活細胞的死亡受體和細胞自噬，使細胞進入程序性死亡（凋亡）。例如，Fas（Apo-1/CD95）和TRAIL就是腫瘤壞死因子受體（TNFR）家族的跨膜蛋白，它們介導細胞凋亡。這一過程是通過激活細胞自噬來完成的，激活細胞自噬后使得細胞的致死率或者上升或者下降，因此Fas和TRAIL介導具體細胞（癌細胞）的凋亡效果是不同的。自噬水平高的細胞對Fas更為敏感，而自噬水平低的細胞對TRAIL更為敏感，從而促使細胞凋亡。最重要的是，研究人員在不同類型的癌細胞中也觀察到了類似的差異。

原因在于，一些癌細胞含有FAP-1蛋白，這種蛋白能夠降低Fas殺死細胞的能力。但自噬會將這種蛋白降解，從而使細胞對Fas更為敏感。顯然，自噬的這種作用只對含有FAP-1蛋白的細胞有效。

這提示，在治療癌癥時可以根據不同癌細胞自噬的機理和過程配以不同的藥物，以取得更好的療效。

最近的研究還發現，自噬與人的肥胖也有關。人體內存在棕色和白色兩種脂肪，前者引起肥胖，因為白色脂肪堆積在皮下，負責儲存多余熱量；但棕色脂肪阻止肥胖，因為棕色脂肪負責分解引發肥胖的白色脂肪，將后者轉化成二氧化碳、水和熱量，本身不儲存熱量。所以，棕色脂肪具有減肥功效。

美國加州大學舊金山分校的研究人員最近 在《細胞代謝》上發表的論文指出，自噬介導的線粒體清除是導致棕色脂肪細胞向白色脂肪細胞轉變的一個關鍵調控過程，抑制該過程可以維持棕色脂肪細胞的形態和功能，從而可以讓白色脂肪細胞棕色化，找到治療肥胖或減肥的新方法。

其中的機理是，在撤除外部刺激之后，棕色脂肪細胞會逐步失去形態學和分子特征，直接獲得白色脂肪細胞樣特征。與此同時，棕色脂肪細胞向白色脂肪細胞轉變與線粒體數目下降、自噬增加以及MiT/TFE轉錄因子介導的溶酶體生成激活有密切關聯。自噬途徑對于這個轉變過程中線粒體的清除至關重要，在脂肪細胞中特異性敲除ATG5或ATG12基因，可以抑制自噬，從而能夠阻止外部刺激撤除之后棕色脂肪細胞喪失，由此可以讓棕色脂肪細胞維持高產熱能力，抵抗人們因飲食誘導的肥胖和胰島素抵抗。

因此，自噬不僅與疾病治療有關，也與生命代謝、衰老有關。在自噬的原理充分揭示后，將會引發更多的醫療和藥物變革，造福于公眾。