細胞自噬作用及其在相關疾病中的重要生理意義
—— 2016 年諾貝爾生理學或醫學獎解讀

牛超，金利泰

·綜述·

細胞自噬作用及其在相關疾病中的重要生理意義
—— 2016 年諾貝爾生理學或醫學獎解讀

牛超，金利泰

“自噬”的概念最早在 1963 年首先被提出，但受限于當時的研究條件，人們對自噬的具體機制一直所知甚少。直至 20 世紀 90 年代早期，隨著大隅良典（Yoshinori Ohsumi）利用面包酵母定位了細胞自噬的關鍵基因并闡釋了酵母細胞自噬發生的機制，細胞自噬這一現象逐漸進入科學家們的視野并成為當前生命科學最熱的研究領域。2016年的諾貝爾生理學或醫學獎頒發給了這位日本科學家，以表彰他在闡明細胞自噬的分子機制和生理功能上的開拓性研究。

1 細胞自噬的概念及分類

早在 20 世紀 50 年代，比利時科學家克里斯蒂安·德迪韋（Christian de Duve）就觀察到了細胞內存在著一種日后被命名為自噬小體（autophagosome）的雙層膜囊狀結構，并在 1963 年的溶酶體國際會議上，德迪韋首次使用了自噬這一合成詞來描述自噬小體與溶酶體結合進而降解胞內“貨物（cargo）”的生理過程。

自噬一般被分為以下三種：①巨自噬（macroautophagy）：當細胞接受自噬誘導信號（饑餓、生長因子、應激以及自噬誘導劑如雷帕霉素刺激）后，在胞漿的某處形成一個小的雙層膜結構，被稱為吞噬泡（phagophore）。隨著雙層膜不斷延展，并逐漸包裹細胞漿中受損的細胞器、錯誤折疊的蛋白質等，形成自噬體（autophagosome），并最終與溶酶體融合形成自噬溶酶體（autophagolysosome），而自噬體及它所包裹的“貨物”也隨之被降解[1]。②微自噬（microautophagy）：細胞溶酶體膜主動包裹長壽命蛋白質，并將其在溶酶體內直接降解[2]。③分子伴侶介導的自噬（chaperone-mediated autophagy）：分子伴侶如熱應激同源蛋白 70（heat shock cognate protein of 70 kD，HSC70）通過特異識別底物蛋白質分子的特定氨基酸序列并形成分子伴侶-底物復合物，隨后與位于溶酶體膜上的受體如 Lamp2 結合后，底物去折疊，在另外一種分子伴侶介導下，底物在溶酶體膜轉位，進入溶酶體腔后被分解[3]。在人體內以巨自噬最為常見，故本文將重點綜述調控巨自噬發生的分子機制及其在相關疾病中的重要角色。

2 大隅良典對自噬領域發展的巨大貢獻

2.1 酵母細胞中自噬現象的發現

盡管早在 19 世紀 60 年代，自噬就進入了人們的視野。但由于自噬過程本身的動態性以及復雜性，一直以來科學家們對自噬過程的觀察只能借助于電子顯微鏡，對調控自噬的具體信號通路及分子機制并不知曉。直到 19 世紀70 年代，大隅良典教授從美國回到東京大學，開始從事酵母液泡內蛋白質具體降解機制的研究。受限于酵母細胞本身的體積太小，而另一方面蛋白質的降解是一個快速的過程，當時的顯微技術不足以支撐酵母液泡內蛋白質降解機制的研究。因此，大隅良典教授無法證實自噬機制同樣存在于酵母液泡內。基于此問題，大隅良典教授突破性地提出假如自噬過程最后的降解能被阻斷，那么自噬小體將會大量累積在酵母液泡中，而自噬現象將有可能被觀察到。到 19 世紀90 年代，大隅良典教授構建了蛋白降解酶缺失的酵母突變株，并采用經典的饑餓途徑誘導自噬的產生。實驗結果是令人振奮的，短時間內液泡內就累積了大量的無法被降解的自噬小體，這是自噬現象首次在酵母細胞中被揭示[4]。

2.2 自噬基因的發現

基于上述研究成果，大隅良典教授大膽設想，自噬過程一定是由一系列相關基因調控的，而如果其中某一關鍵基因發生突變，就將導致自噬過程不能順利進行，那么在酵母突變株中研究者們將在饑餓條件下觀察不到或觀察到遠少于非突變株的自噬小體。因此，為了揭示調控酵母細胞自噬過程的一系列自噬相關基因，利用上述構建的蛋白降解酶缺失的酵母突變株，大隅良典教授采用一種特定的化學物質暴露酵母細胞，隨機誘發多種基因的突變，隨后同樣采用饑餓誘導自噬。經過大范圍的遺傳篩選，在酵母自噬現象被發現一年內，大隅良典教授就揭示并克隆出了第一個調控酵母自噬的關鍵基因，并將其命名為 Atg1（autophagy related gene 1）[5]，隨后越來越多的 Atg 基因被揭示。隨著對這些基因的克隆以及相關功能的研究，大隅良典教授發現這些基因在自噬發生的不同階段產生各自的關鍵作用，有的位于自噬信號的頂端，感知酵母細胞能量狀態的改變；有的位于自噬小體的形成階段，促進自噬小體對酵母細胞內“貨物”的包裹；有的則與自噬小體的膜狀結構相關。大隅良典教授對于一系列自噬相關基因的闡明，揭示了酵母細胞循環利用自身物質的基本生理過程，為后人的研究奠定了堅實的分子理論基礎。

2.3 自噬領域的研究進展

自噬領域發展到當今的程度，大隅良典教授的貢獻功不可沒，但這個領域其他杰出科學家們也同樣做出了卓越的貢獻。大隅良典教授的弟子水島昇（Noboru Mizushima）教授在此前研究的基礎之上，成功揭示了 Atg12 偶聯的分子機制及其在自噬過程中的重要作用，并發現人類的 Atg12 同源基因[6]；另一位學生吉森保（Tamotsu Yoshimori）教授則發現了酵母自噬的標志基因 Atg8 在哺乳動物體內的同源基因 LC3[7]，并提出了基于 LC3 含量變化的經典自噬水平檢測手段，并被后續的自噬研究者們廣泛使用。

美國密歇根大學的丹尼爾·克利昂斯基（Daniel Klionsky）教授實驗室詳細研究了氨肽酶（aminopeptidase I，ApeI）在酵母細胞中被運送到液泡內的具體機制，研究證實ApeI 同樣是被一種類似自噬小體的膜結構包裹并運輸到液泡中的[8]，與此同時揭示了一些與該過程緊密相關的基因，而其中某些基因與大隅良典教授在酵母細胞中發現的自噬相關基因相同。美國西南醫學中心的貝絲·萊文（Beth Levine）教授則是第一次開創性地將自噬的機制引入具體疾病中，她揭示了自噬基因 beclin 1 的缺失將導致人類乳腺癌等腫瘤的發生[9]，從而使人們首次意識到自噬不僅僅是機體的基本生命活動，更與疾病的發生發展有著緊密的聯系，該研究成果極大地促進了自噬領域向轉化醫學的發展。

大隅良典教授研究的酵母是單細胞生物，而多細胞生物的自噬機制一定比單細胞的酵母更為復雜，勢必需要更多的調控階段以及更多的自噬相關基因參與。張宏研究員利用線蟲，構建了多細胞生物自噬研究的模型，并經過大范圍遺傳篩選揭示了一系列多細胞生物特有的自噬相關基因[10]，使人們更為清晰地認識了多細胞生物的自噬過程。清華大學俞立教授對溶酶體新生的研究[11]，陳燁光教授對自噬信號傳導的揭示[12]，以及中科院動物所陳佺研究員對于線粒體選擇性自噬機制的揭示同樣也極大促進了自噬領域的進展[13]。隨著研究者們對自噬領域研究的不斷深入，我國有越來越多的青年學者意識到自噬的重要性并將為自噬領域的發展做出自己的貢獻。

3 細胞自噬有什么用？

隨著對自噬領域研究的不斷深入，研究者們逐漸意識到自噬與衰老、疾病的發生發展以及多種生命現象息息相關。作為細胞內部重要的質量控制機制，自噬異常會導致人體一系列疾病的發生。大隅良典教授在多次會議及采訪中都強調了基礎研究對于轉化醫學的重要意義。因此，探討疾病發生和發展過程中細胞自噬的信號傳導通路以及調控機制，深入研究自噬在機體內所發揮的細胞生物學作用，對于闡明疾病發生機制、開發以調控自噬為主要機制的相關藥物具有重大意義。

3.1 自噬與心肌梗死

由于心肌梗死的發生機制復雜，因此如何利用細胞本身的內源性保護機制使損傷降到最小成為當今心肌梗死治療研究的熱點[14]。最近研究揭示，在心肌梗死發生發展的過程中，細胞自噬與其密切相關。研究證實心肌梗死 1 周后，在梗死區域的邊緣觀察到自噬體標記物 LC3-II、p62 和組織蛋白酶 D 蛋白水平的明顯上調，并于心梗 3 周后形成自噬體[15]。細胞自噬對于心臟來說不僅只是一種基礎的生理反應，更是對缺血、慢性缺氧等多種應激條件的適應性調節反應，對維持缺血狀態下心肌的正常結構和功能具有重要意義[16]。一方面，當心梗條件下心臟的血液灌注減少時，心肌細胞由于代謝原料不足處于饑餓狀態致使能量代謝異常，從而無法支撐心臟功能的正常運轉。在此情況下，心肌細胞內適度的自噬發生可以增加 ATP 的生成，維持心肌能量代謝，從而避免由于能量缺失導致的心臟代償性的器質性病變；另一方面，在持續性心肌缺血過程中，在細胞質中大量累積的錯誤折疊、喪失功能的蛋白質和破損、衰老的細胞器是引起心肌肥大、動脈粥樣硬化等多種心血管疾病的罪魁禍首，而細胞自噬對于上述物質的及時清除可預防心梗后心室重構的發生。已有文獻證實使用雷帕霉素誘導心肌細胞自噬，可有效抑制左心室重構，減小心肌梗死面積并增加內質網應激和恢復細胞內能量供應，從而發揮心肌細胞保護作用。而自噬溶酶體抑制劑巴弗洛霉素 A1（bafilomycin A1）則顯著加重梗死后的心功能不全和心肌重構。以上研究結果證實細胞自噬作用在心梗的發生發展過程中扮演著重要角色。

3.2 自噬與帕金森病

線粒體功能發生障礙被認為是帕金森病的重要致病機制之一。研究者們已經鑒定出了多種帕金森致病基因編碼的蛋白參與調控線粒體自噬過程[17-18]。其中，PARKIN 具有E3 泛素連接酶活性，PINK1、PARKIN 兩個蛋白相互作用，共同招募自噬相關蛋白到線粒體，從而誘發線粒體自噬的發生[19]。DJ-1 對于維持應激狀態下的線粒體正常形態有著重要的意義。α-synuclein 則通過抑制線粒體融合的發生，影響線粒體正常分裂功能；另外，該蛋白通過影響自噬小體的形成，最終導致功能損傷的線粒體因自噬介導的降解機制缺失而大量累積。這些蛋白相互聯系，共同行使功能，協同調節線粒體自噬的發生[20]。

3.3 自噬與 II 型糖尿病

II 型糖尿病（T2DM）多由肥胖、高熱量飲食、活動不足導致的能量失衡所致，其與胰島素抵抗、高胰島素血癥息息相關[21]。作為機體內的防御機制，自噬過程能夠清除老化或失能細胞器導致的內質網應激或氧化應激。因而，自噬和 T2DM 密切相關[22]。在諸如 ob/ob 鼠、db/db 鼠、Akita等不同 II 型糖尿病模型小鼠的 β 細胞內，研究者均發現了作為自噬標記物 LC3-II 蛋白水平的顯著增加[23]。同時，在 T2DM 患者 β 細胞中發現了自噬囊泡的大量堆積。

體內研究證明，胰島素抵抗狀態下的血清自由脂肪酸出現了增加[24]；體外實驗中，自由脂肪酸能夠誘導 β 細胞自噬增加[25]；而在自噬被阻斷的模型中，自由脂肪酸誘導的細胞死亡明顯高于自噬水平正常的組別。這些研究結果提示胰島素抵抗狀態能夠激活自噬過程，因此，自噬能夠作為一種保護機制，清除胰島素抵抗產生的過多的蛋白及損壞的細胞器。ATG7f/f小鼠在高能量喂養后，糖耐量較正常組出現了顯著降低，β 細胞出現了明顯的退化性改變[26]。高糖會誘導內質網應激、氧化應激、炎癥的產生，同時，高糖會激活自噬通路從而保護 β 細胞使其免受氧化應激的損傷。此外，自噬過程能夠清除積聚的泛素化蛋白，下調炎性基因，保護 β 細胞免受炎癥損傷。上述研究結果在一定程度上證實了自噬過程與糖尿病情況下的胰島素抵抗，炎性反應及各種應激息息相關。

3.4 以自噬為靶點的藥物研發

大量研究證實，心腦血管疾病、衰老、神經退行性疾病、腫瘤、糖尿病等很多疾病的發生、發展過程都存在明顯的自噬功能障礙。因而，靶向不同疾病中自噬功能障礙的藥物研發正在成為藥物研發的熱點領域。但同時，自噬和各種疾病之間的機制研究并未完全闡明，自噬和疾病的發病過程存在“雙刃劍”的相互作用關系，這也提示我們，以調節自噬作為藥物靶標的潛在藥物研發需要研究者們權衡各方面的因素。目前，研究者已經發現了具有治療腫瘤和神經退行性疾病作用的雷帕霉素；治療糖尿病的二甲雙胍；治療癲癇的卡馬西平等，這些藥物發揮積極作用可能是由于自噬過程參與調節了相關疾病。目前，具有活化或抑制自噬的現存藥物的作用機制也在不斷地深入探究，逐步完善中，為臨床應用提供更充分的理論依據，也期待發現它們的新適應證。

4 結語

細胞自噬“autophagy”源自希臘詞語“auto-”和“phagein”，前者意思是“自我（self）”，后者的意思是“去吃（eating）”，表面來看“自噬”表示的字面意思是“自己吃掉自己（self-eating）”，其實細胞自噬是一種胞內成分自我降解并被機體循環利用的過程。

自噬作用除了在上述疾病中起到重要作用外，在延長機體壽命方面也起到積極的作用。通過禁食手段誘導的自噬被證實能夠在一定程度上延長模型組動物的壽命，因而適當的降低飲食量、控制暴飲暴食被視為一種健康的生活方式。巧合的是，這一點與道家特有的養生方法“辟谷”不謀而合。“辟谷”即不食五谷雜糧，也稱“卻谷”、“絕谷”、“絕粒”、“休糧”、“清腸”，我們的祖先當時雖然不知道自噬作用，但卻早已通過自身的智慧將這一機制自覺運用于養生之中。自噬還能調節自身的免疫系統，促進病原體的清除、抗原呈遞，并維持 T 細胞穩態，因此當機體免疫系統出現缺陷以致無法及時清除機體異物（包括病原體、腫瘤細胞、病毒等）從而導致疾病的產生時，適度的調控自噬的激活或失活是一種極具潛力的治療手段。然而，我們需要注意的是自噬作用是一把“雙刃劍”。“陰陽之在人，均則寧，偏則病，無過、不及之謂均，過與不及之謂偏。盛則過矣，虛則不及矣。”過盛的細胞自噬會引起胞內成分過度降解，從而導致細胞自噬性死亡；自噬水平不足則會導致胞內受損的細胞器或長壽命蛋白因無法被順利降解而堆積，從而引起細胞功能失常。可見，“過猶不及”是中醫病因學最基本的觀點之一，即指出疾病發生發展的根本原因就是人體機能的太過與不及，因而依據疾病的虛實病機，適當地促進或抑制機體自噬對于疾病的治療有著重要的意義。

作為全球最具權威性和影響力的獎項，諾貝爾獎對科技的發展有著顯著的引領作用。大隅良典教授的研究更新了人們對于細胞物質循環所持有的陳舊觀點，開啟了科學家們揭示細胞循環自身內容物的新紀元，為認知機體內很多生理病理過程鋪平了道路。

[1] Gatica D, Chiong M, Lavandero S, et al. Molecular mechanisms of autophagy in the cardiovascular system. Circ Res, 2015, 116(3):456-467.

[2] Mizushima N, Levine B, Cuervo AM, et al. Autophagy fights disease through cellular self-digestion. Nature, 2008, 451(7182):1069-1075.

[3] Hubbi ME, Semenza GL. An essential role for chaperone-mediated autophagy in cell cycle progression. Autophagy, 2015, 11(5):850-851.

[4] Takeshige K, Baba M, Tsuboi S, et al. Autophagy in yeast demonstrated with proteinase-deficient mutants and conditions for its induction. J Cell Biol, 1992, 119(2):301-311.

[5] Matsuura A, Tsukada M, Wada Y, et al. Apg1p, a novel protein kinase required for the autophagic process in Saccharomyces cerevisiae. Gene, 1997, 192(2):245-250.

[6] Mizushima N, Noda T, Yoshimori T, et al. A protein conjugation system essential for autophagy. Nature, 1998, 395(6700):395-398.

[7] Kabeya Y, Mizushima N, Ueno T, et al. LC3, a mammalian homologue of yeast Apg8p, is localized in autophagosome membranes after processing. EMBO J, 2000, 19(21):5720-5728.

[8] Scott SV, Hefner-Gravink A, Morano KA, et al. Cytoplasm-to-vacuole targeting and autophagy employ the same machinery to deliver proteins to the yeast vacuole. Proc Natl Acad Sci U S A, 1996, 93(22): 12304-12308.

[9] Liang XH, Kleeman LK, Jiang HH, et al. Protection against fatal Sindbis virus encephalitis by beclin, a novel Bcl-2-interacting protein. J Virol, 1998, 72(11):8586-8596.

[10] Tian Y, Li Z, Hu W, et al. C. elegans screen identifies autophagy genes specific to multicellular organisms. Cell, 2010, 141(6):1042-1055.

[11] Yu L, McPhee CK, Zheng L, et al. Termination of autophagy and reformation of lysosomes regulated by mTOR. Nature, 2010, 465(7300):942-946.

[12] Gao C, Cao W, Bao L, et al. Autophagy negatively regulates Wnt signalling by promoting Dishevelled degradation. Nat Cell Biol, 2010, 12(8):781-790.

[13] Wang H, Song P, Du L, et al. Parkin ubiquitinates Drp1 for proteasome-dependent degradation: implication of dysregulated mitochondrial dynamics in Parkinson disease. J Biol Chem, 2011,286(13):11649-11658.

[14] Lavandero S, Chiong M, Rothermel BA, et al. Autophagy in cardiovascular biology. J Clin Invest, 2015, 125(1):55-64.

[15] Swirski FK, Nahrendorf M. Leukocyte behavior in atherosclerosis, myocardial infarction, and heart failure. Science, 2013, 339(6116): 161-166.

[16] Buss SJ, Muenz S, Riffel JH, et al. Beneficial effects of Mammalian target of rapamycin inhibition on left ventricular remodeling after myocardial infarction. J Am Coll Cardiol, 2009, 54(25):2435-2446.

[17] Lesage S, Drouet V, Majounie E, et al. Loss of VPS13C function in autosomal-recessive parkinsonism causes mitochondrial dysfunction and increases PINK1/Parkin-dependent mitophagy. Am J Hum Genet, 2016, 98(3):500-513.

[18] Geisler S, Holmstroem KM, Treis A, et al. The PINK1/Parkinmediated mitophagy is compromised by PD-associated mutations. Autophagy, 2010, 6(2):871-878.

[19] Geisler S, Holmstr?em KM, Skujat D, et al. PINK1/Parkin-mediated mitophagy is dependent on VDAC1 and p62/SQSTM1. Nat Cell Biol, 2010, 12(2):119-131.

[20] Menzies FM, Fleming A, Rubinsztein DC. Compromised autophagy and neurodegenerative diseases. Nat Rev Neurosci, 2015, 16(6):345-357.

[21] Chen YY, Sun LQ, Wang BA, et al. Palmitate induces autophagy in pancreatic β-cells via endoplasmic reticulum stress and its downstream JNK pathway. In J Mol Med, 2013, 32(6):1401-1406.

[22] Bachar-Wikstrom E, Wikstrom Jd, Arianv Y, et al. Stimulation of autophagy improves endiplasmic creticulums stress-induced diabetes. Diabetes, 2013, 62(4):1227-1237.

[23] Masini M, Bugliani M, Lupi R, et al. Autophagy in human type 2 diabetes pancreatic beta cells. Diabetologia, 2009, 52(6):1083-1086.

[24] Shinohara H, Taniguchi K, Kumazaki M, et al. Anti-cancer fatty-acid derivative induces autophagic cell death through modulation of PKM isoform expression profile mediated by bcr-abl in chronic myeloid leukemia. Cancer Lett, 2015, 360(1):28-38.

[25] Ebato C, Uchida T, Arakawa M, et al. Autophagy is important in islet homeostasis and compensatory increase of beta cell mass in response to high-fat diet. Cell Metab, 2008, 8(4):325-332.

[26] Shirakawa J, Togashi Y, Sakamoto E, et al. Glucokinase activation ameliorates ER stress-induced apoptosis in pancreatic β-cells. Diabetes, 2013, 62(10):3448-3458.

·信息站點·

國家衛生計生委印發預防接種工作規范和國家免疫規劃兒童免疫程序及說明（2016年版）

為配合《疫苗流通和預防接種管理條例》的貫徹實施，國家衛生計生委組織編寫了《預防接種工作規范（2016 年版）》和《國家免疫規劃兒童免疫程序及說明（2016 年版）》，現印發給各省、自治區、直轄市衛生計生委，新疆生產建設兵團衛生局，中國疾病預防控制中心遵照執行。

詳情請登錄國家衛生和計劃生育委員會網站 http://www.nhfpc.gov.cn/jkj/s3581/201612/bb6ad133fd8f465e9e336c9f8232d e5d.shtml 與 http://www.nhfpc.gov.cn/jkj/s3581/201612/329491d85ca8420a86fe981b3fedd1fb.shtml 查閱。

國家發展改革委印發《“十三五”生物產業發展規劃》

為貫徹落實《中華人民共和國國民經濟和社會發展第十三個五年規劃綱要》和《“十三五”國家戰略性新興產業發展規劃》，進一步夯實生物產業創新基礎，促進現代生物技術更多惠及民生，著力打造生物經濟新動能，國家發改委會同有關單位組織編制了《“十三五”生物產業發展規劃》。

詳情請登錄國家發展和改革委員會網站 http://www.sdpc.gov.cn/zcfb/zcfbghwb/201701/t20170112_834924.html 查閱。

10.3969/j.issn.1673-713X.2017.01.009

國家自然基金面上項目(81371753)

325000 溫州醫科大學藥學院

金利泰，Email：jin-li-tai@163.com

2017-01-05