細(xì)胞自噬摭談

吳勁松

(江蘇省高淳高級(jí)中學(xué) 南京 211300)

2016年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)?lì)C發(fā)給日本科學(xué)家大隅良典(Yoshinori Ohsumi)以表彰其“發(fā)現(xiàn)了細(xì)胞自噬機(jī)制”的研究。20世紀(jì)60年代，科研人員首次觀察到細(xì)胞能破壞自身成分，用膜將這些成分包裹，形成袋狀囊泡并轉(zhuǎn)移給溶酶體進(jìn)行降解回收。20世紀(jì)90年代初，大隅良典在一系列實(shí)驗(yàn)中，巧妙地利用面包酵母找到了細(xì)胞自噬有關(guān)的基因。

1 細(xì)胞自噬的發(fā)現(xiàn)

自噬(autophagy)一詞來(lái)源于希臘語(yǔ)auto-(自我)和phagein(吞噬)。因此，autophagy便引申為“自噬”。自噬是指細(xì)胞或者機(jī)體在缺乏能量或受到環(huán)境脅迫(如缺乏氨基酸、缺氧)的情況下，會(huì)在細(xì)胞內(nèi)產(chǎn)生雙層膜結(jié)構(gòu)，去包裹自己的一部分細(xì)胞質(zhì)，運(yùn)送到溶酶體進(jìn)行降解。此外，細(xì)胞會(huì)不斷產(chǎn)生受損傷的細(xì)胞器，例如，受損傷的線粒體以及蛋白質(zhì)聚合體需要自噬體把它們包裹起來(lái)，運(yùn)送到溶酶體進(jìn)行降解。自噬不斷地對(duì)細(xì)胞本身進(jìn)行清理，以保持細(xì)胞的穩(wěn)態(tài)平衡。

雖然科學(xué)家觀察到細(xì)胞自噬現(xiàn)象的時(shí)間不短，但人們對(duì)于自噬的分子機(jī)制卻并不十分清楚。大隅良典在1988年開(kāi)始建立自己的實(shí)驗(yàn)室時(shí)，就將研究重點(diǎn)放在液泡中蛋白質(zhì)的降解方面。酵母細(xì)胞相對(duì)比較容易研究，是科學(xué)界公認(rèn)的模式生物。大隅良典嘗試解答酵母細(xì)胞中是否存在著自噬作用。他培養(yǎng)了缺乏液泡降解酶的酵母細(xì)胞，并通過(guò)饑餓細(xì)胞來(lái)刺激自噬作用。他推斷細(xì)胞自噬的過(guò)程被打斷后，自噬體會(huì)在液泡不斷積累，這樣就能夠利用顯微鏡進(jìn)行觀察和判斷。隨著時(shí)間的推移，他果然用顯微鏡觀察到液泡內(nèi)充滿了未被降解的小囊泡，這些小囊泡就是自噬體。由此大隅良典用實(shí)驗(yàn)證明了酵母細(xì)胞中存在自噬作用。20世紀(jì)90年代，大隅良典在研究了上千種突變型的酵母細(xì)胞后，分離出十多種與自噬相關(guān)的關(guān)鍵基因(ATG，autophagy-related gene)，并對(duì)這些基因進(jìn)行了詳細(xì)研究，初步摸清了自噬作用的大體過(guò)程，以及各個(gè)ATG在這個(gè)過(guò)程中起到的作用。現(xiàn)在已在酵母中發(fā)現(xiàn)超過(guò)30種自噬相關(guān)的基因[1]。目前研究得比較清楚的是：通過(guò)Atg1- Atg13-Atg17復(fù)合物來(lái)調(diào)節(jié)細(xì)胞自噬的水平。

2 細(xì)胞自噬的意義

自噬調(diào)控重要的生理功能在于細(xì)胞組件得以降解和循環(huán)。自噬能夠?yàn)榧?xì)胞快速提供能量燃料及物質(zhì)更新，從而對(duì)細(xì)胞響應(yīng)饑餓或其他應(yīng)激起到重要作用；在感染后，自噬能夠清除入侵的胞內(nèi)細(xì)菌和病毒；自噬對(duì)于胚胎發(fā)育和細(xì)胞分化也發(fā)揮作用。細(xì)胞還利用自噬清除受損蛋白和細(xì)胞器，這是一種質(zhì)量控制機(jī)制，對(duì)于抵消衰老帶來(lái)的副作用至關(guān)重要。

大隅良典的科學(xué)研究不僅證實(shí)細(xì)胞自噬現(xiàn)象在酵母中存在，闡明了細(xì)胞自噬的基本原理，并證明類(lèi)似的復(fù)雜機(jī)制也存在于人體細(xì)胞內(nèi)。最近發(fā)現(xiàn)這些自噬基因的突變會(huì)引起人類(lèi)很多疾病。例如，中斷自噬作用已被認(rèn)為與帕金森癥、II型糖尿病及其他老年易患病相關(guān)，干擾自噬作用被認(rèn)為與癌癥相關(guān)。

3 細(xì)胞自噬與高中生物學(xué)教學(xué)內(nèi)容的聯(lián)系

3.1 溶酶體 人教版高中生物學(xué)必修1《分子與細(xì)胞》教材中，對(duì)溶酶體的描述為：溶酶體是“消化車(chē)間”，內(nèi)含多種水解酶，能分解衰老、損傷的細(xì)胞器，吞噬并殺死侵入細(xì)胞的病毒或病菌。溶酶體起源于高爾基體，其參與細(xì)胞消化作用一般可概括為三種途徑：吞噬作用、胞飲作用、自噬作用，每種途徑導(dǎo)致不同來(lái)源的物質(zhì)在細(xì)胞內(nèi)被消化[2]。

3.2 細(xì)胞凋亡 人教版高中生物學(xué)必修1《分子與細(xì)胞》模塊中，對(duì)細(xì)胞凋亡的描述為：細(xì)胞的自然更新、被病原體感染細(xì)胞的清除，都是通過(guò)細(xì)胞凋亡完成的，它對(duì)于多細(xì)胞生物完成正常發(fā)育、維持內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定發(fā)揮重要作用。動(dòng)物細(xì)胞凋亡在形態(tài)學(xué)上分為三個(gè)階段：凋亡的起始、凋亡小體的形成、凋亡小體被吞噬消化[2]。細(xì)胞的凋亡過(guò)程離不開(kāi)細(xì)胞的自噬作用，人體細(xì)胞過(guò)多的凋亡會(huì)導(dǎo)致機(jī)體免疫功能的的喪失或引起自身免疫疾病或炎癥。例如，艾滋病患者表現(xiàn)為過(guò)多的淋巴、非淋巴細(xì)胞凋亡，免疫力低下。

3.3 試題命制 各省歷年高考生物學(xué)試題常會(huì)與當(dāng)年的最新科研或諾貝爾獎(jiǎng)相關(guān)研究相聯(lián)系。例如，2016年江蘇卷第18題考查CRISPR/Cas9基因編輯技術(shù)；第30題考查青蒿素對(duì)瘧疾患者群體基因型的影響。以科研成果為背景命題，不僅考察學(xué)生對(duì)高中生物學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)的把握，還能提高學(xué)生對(duì)生物學(xué)科的興趣。這就要求教師應(yīng)該多關(guān)注生物學(xué)最新的科學(xué)研究成果，把握前沿科學(xué)動(dòng)態(tài)。