LC3和lamins在細胞核自噬中的研究進展

韓曉夢，李冠武

（汕頭大學醫學院生物化學與分子生物學教研室，腫瘤分子生物學開放實驗室，廣東 汕頭 515041）

0 引言

自噬是真核細胞內非常重要的生理機制之一，是一個保守的、有損細胞蛋白等分子自我降解的系統[1]，在人體正常的生理過程中起著“管家”的作用.它通過粗面內質網的無核核糖體附著區脫落的雙層膜包裹著長壽、聚集和錯誤折疊的蛋白質及受損的細胞器等形成自噬溶酶體，降解其所包裹的內容物，從而調節細胞的增殖、衰老和細胞在應激狀態下的穩態平衡[2].

自噬可分為微自噬、巨自噬和分子伴侶介導的自噬（Chaperone-mediated autophagy，CMA）.通常所說的自噬即巨自噬（下文統稱為自噬），認為是細胞胞質成分周轉的主要降解途徑，由自噬體將細胞質成分傳遞給溶酶體進行降解的過程，此過程涉及到各種疾病[3]，包括癌癥、神經退行性疾病、代謝紊亂和微生物感染等[9].微自噬是一個與膜動力學相關的過程，是一個核膜和核質內陷后進入液泡并在液泡內腔降解的過程[4].CMA，是一種選擇性的自噬，是自體吞噬的一個亞型，有選擇性的將蛋白質進入溶酶體降解.研究發現，CMA缺陷導致錯誤折疊蛋白的積累已與神經退行性疾病密切相關，但CMA在癌癥中的作用尚未闡明[5].

有研究表明自噬在癌癥中的作用是復雜的，具有雙向性，它既有致瘤作用，又有抑制腫瘤的作用[3].自噬不僅能在營養豐富的條件下維持細胞的穩態，當有高溫、饑餓、DNA損傷等應激刺激時，自噬能夠幫助細胞抵御這些不良因素，從而維持細胞穩態.反之，自噬的過度激活會導致細胞死亡，即自噬性細胞死亡.多數情況下自噬促進腫瘤生長[6].

MAP1LC3/LC3（microtubul-associated protein 1 light chain 3）是Atg8的同源蛋白，是參與自噬的關鍵蛋白.已有研究表明，LC3主要在自噬體和自噬溶酶體產生的細胞質中起作用，但LC3在細胞核中含量豐富.在營養豐富的條件下，LC3以乙?；男问椒植加诩毎撕图毎|中.營養剝奪促進了LC3從細胞核向細胞質的再分配.這種重新定位依賴于激活的核去乙?；窼IRT1對蛋白的去乙?；?，以及該蛋白與其核相互作用蛋白TP53INP2/DOR的關聯.

由此學者們提出一個新的概念：在某些情況下，為了延長細胞壽命和使細胞正常運作，去除受損的或非必要的細胞核部分，甚至整個細胞核，是至關重要的.這就是自噬的另外一種形式，稱為核自噬[8]，通過該過程可以用來完成核衍生物的降解.那么，LC3在細胞核自噬中發揮了什么樣的作用和機制呢？本文將對最新研究進展做一綜述.

1 核自噬的定義

細胞核是細胞進行一系列基因表達相關代謝活動的場所，包括：DNA復制、重組和修復、基因轉錄、RNA處理和核糖體亞基成熟和組裝等.研究表明，細胞核的某些部分可以通過核自噬特異地降解[4]，這引起了學者對核自噬的廣泛關注.核自噬首先在酵母中發現，由編碼核膜蛋白的基因突變引起的，如LMNs（lamins）、EMD（emerin）等[9].核自噬需要額外的自噬受體，如p62和NDP52，其中含有LC3B識別的位于外自噬體膜的LC3相互作用區域[10].

2 核自噬的類型

核自噬是自噬的一種形式，通過自噬選擇性地從細胞中去除核內物質，對機體內環境穩定至關重要.它可以分為微核自噬、宏核自噬、巨核自噬和非常規核自噬[11].這幾種類型均包括非選擇性和選擇性過程.

2.1 微核自噬

微核自噬（piecemeal nucleophagy,PMN）是一種自噬形式，最初被定義為溶酶體（空泡）膜動力學，直接包裹和運輸胞質成分到溶出細胞器的腔內.非選擇性微核自噬的機制及其生理作用尚不明確.這種類型的微核自噬不直接依賴于參與選擇性微自噬或大自噬類型的細胞成分.相比之下，選擇性微核自噬用于線粒體、部分細胞核和過氧化物酶體.在這種情況下，核內含物被液泡膜吸收并直接隔離，隨后的內凹或突出/分隔導致核內含物進入液泡腔[12].微核自噬的分子細節直到在酵母中進行的基因研究確定了該過程所需的一組蛋白質才逐漸清晰[13]，核心的大自噬因子Atg3、Atg5、Atg8、Atg12和Atg16是有效PMN的必要自噬成分[9].微核自噬的主要功能是維持細胞器的大小、膜的穩態和細胞在氮限制下的存活[14].已經證明在沒有自噬小體形成的情況下，酵母中核成分的消化是通過微自噬發生的，或者是通過片段性微自噬，或后期的噬核（late nucleophagy，LN）[10].

2.2 宏核自噬

宏核自噬是一種常見的類型，主要以降解方式起作用的進化保守的動態途徑.大自噬的基礎水平是組成性的，但這一過程可以在饑餓、缺氧和激素刺激等各種壓力下進一步誘導[15].在宏核自噬中，自噬體將核源物質隔離，隨后與液泡或溶酶體融合，導致其內容物降解[8].核自噬體的產生過程可能類似于利用核膜的胞吐過程.用于封裝所述核內含物的隔離膜在核膜附近形成.由于LC3B自噬蛋白的活性形式LC3B-Ⅱ存在于細胞核中，所以LC3B-Ⅱ參與了核自噬體的形成.在酵母中也發現了巨噬細胞吞噬，atg39介導的選擇性宏核自噬可以降解酵母的部分細胞核.Atg39在發育中的自噬體膜上與Atg8結合，使部分核內含物被封裝到自噬體中[9].

2.3 巨核自噬

巨核自噬是嗜熱四膜蟲的一種特殊類型的核自噬.四膜蟲的程序性核死亡（Programmed nuclear death，PND）是偶聯過程中一個獨特的過程，在這個過程中只有親本大核被降解，然后從子代細胞質中消失，而其他共存核如新微核和大核則不受影響.考慮到PND在纖毛蟲廢棄細胞器的周轉和下一代的產生等方面的重要作用，通過自噬消除的PND有望得到嚴格控制.患PND的細胞核膜中脂質和蛋白的總體組成和分布與未患PND的細胞不同.這種與PND相關的分子改變促進了核膜與溶酶體的相互作用.消化囊泡隨后與核膜融合，釋放其內容物（如酸性酶）進入細胞核.通過這種方式，親代大核經歷了大自噬介導的降解[16].

2.4 非常規核自噬

在酵母中觀察到的LN可能是一種非常規的噬核過程，是一個不同于PMN的過程，已被提出發生在酵母.LN在沒有Nvj1和Vac8的情況下發生，不需要Vps30/Atg6或Atg11.并且，LN的抑制伴隨著細胞核的形態學改變.這就是LN與PMN不同的地方.功能性Atg8和Atg10蛋白對于高效LN至關重要[8].也有學者將LN歸類于微核自噬.

3 核自噬的機制

3.1 酵母中的核自噬

核自噬現象首先是在酵母中發現的.在酵母中有兩種類型的核自噬.（1）酵母細胞核的PMN是一種典型的微噬形式.在酵母中，微自噬參與了多種底物的降解，包括過氧化物酶體（一種稱為微自噬的過程，歷史上描述的酵母微自噬的第一種形式）[17].PMN經歷了一系列形態上明顯的變化，外核膜中的Nvj1與空泡膜中的Vac8相互作用產生接觸的核仁-空泡連接，使小片細胞核被隔離在空泡膜內，發生內陷降解.Vac8與Nvj1相互作用，Nvj1招募至少2個蛋白質，Tsc13和Osh1，到NV連接形成自噬體膜.核成分最終在空泡腔內降解.（2）atg39介導的選擇性大自噬降解酵母部分細胞核[4].在酵母中，PMN可以發生在營養豐富的條件下，也可以發生在短時間的氮饑餓之后[10].除此之外，LN也被歸類為微自噬過程，因為核物質的遞送不涉及自噬體結構[8].

3.2 哺乳動物的核自噬

在哺乳動物中，也存在兩種類型的核自噬.（1）將被降解的核材料通過類似于胞吐的過程進行封裝.封裝后的核材料將經歷自噬降解過程.LMNB1與LC3B相互作用，可能誘導了核自噬體的形成[9].（2）微核自噬.基因毒性可導致受影響細胞產生某些微核，這些微核含有受損的染色體片段.微核可以通過自噬被隔離和降解[9].

4 核膜在核自噬中的重要性

細胞核由兩個部分組成，一是核膜（nuclear envelope，NE），二是核片層，由位于NE內表面的lamin和與lamin相關蛋白（如emerin）構成的中間絲組成[4].NE是一種高度可調的膜屏障，是真核細胞的一個標志，它將真核細胞的細胞核與細胞質分開，包裹著核基因組.NE由外核膜和內核膜組成，含有大量不同的蛋白質，這些蛋白質參與了染色質的組織和基因調控[18].已有研究表明，染色質和核膜是核自噬的靶點.在核自噬過程中，核成分從細胞核中伸出，微核或小核隨后在細胞質中形成，靠近核膜進行降解.利用DNA和/或組蛋白標記可以很容易地檢測到這些微核.為了檢測它們的自噬降解，自噬機制（即LC3B-II蛋白應該出現在微核中，微核逐漸成熟成為自噬體（可能通過與從頭開始的自噬體融合）.這些含核成分的自噬體最終與溶酶體融合形成自噬體[9].現已證明，核自噬是由編碼核膜蛋白的基因突變引起的，如lamins、emerin等，表明核膜除了是自噬的靶點外，還可能參與自噬體膜的形成，在核自噬中起關鍵作用.LC3B與核膜降解的laminB1相互作用可能驅動細胞衰老并抑制腫瘤的發生[19].因此，核自噬可以作為一種保護機制，抑制腫瘤的發生.

5 LC3在核自噬中的機制和作用

核自噬的調控分為兩方面，一是轉錄調控.二是LC3B/Atg8是自噬底物傳遞和膜轉運的關鍵調控因子[9].

自噬體蛋白多定位于細胞核.自噬的關鍵調控因子是LC3，而LC3B定位于細胞質和細胞核，與核相關的LC3B蛋白主要以LC3B-Ⅱ的形式存在.LC3在細胞核和細胞質之間循環，在饑餓期間通過核去乙酰酶Sirt1去乙酰化在細胞核中選擇性激活.Sirt1使LC3在K49和K51處去乙酰化，使LC3能夠與核蛋白DOR相互作用，并與DOR一起返回到細胞質中，在那里它能夠與Atg7和其他自噬因子結合，并通過磷脂酰乙醇胺偶聯到預自噬膜.去乙酰化的LC3與自噬因子的結合使LC3的分布從細胞核向細胞質轉移.因此，乙?；?去乙?；h確保LC3以活化的形式從細胞核重新分布到細胞質，在細胞自噬過程中發揮核心作用，使細胞能夠應對外界營養物質的缺乏[20].研究發現約有500個LC3B潛在互作蛋白，其中三分之一與核成分和途徑相關，因此了解LC3B的互作蛋白對核自噬有重要作用，這提示了核自噬調節機制的復雜性[9].

Lamin是維持核完整性所需的內核膜蛋白，LaminA和LaminB1均在核膜上表達[21].

現階段認為，lamin B是一種自噬底物.具體來說，在細胞受到外界刺激后激活EGFR等信號通路時，KRAS被活性EGFR等酪氨酸激酶磷酸化后短暫活化，活化后的KRAS可以激活該信號通路中的下游信號蛋白，再通過LC3相互作用區域（LC3 interaction region，LIR） 直接誘導核LC3和lamin B1相互作用.LC3與lamin B1和異染色質結構域一起被運輸到細胞質中進行自噬降解.重要的是，饑餓或雷帕霉素處理對mTOR的抑制不會引起依賴LC3的lamin B的降解，這突出了核自噬的選擇性.因此，致癌作用導致了lamin B的下調，ATG7的耗竭或lamin B LIR域的突變導致了lamin B的降解停止，同時導致細胞周期停滯和細胞衰老.DNA損傷本身促進了LC3的上調，在核芽或小斑點（熒光中特定的點）中也發現了DNA的損傷，自噬或Dnase2a缺乏導致的核外DNA也增加了LC3.因此，DNA損傷也可以促進細胞衰老[10].

Lamin A/C也是一種選擇性的核自噬底物.研究表明，經可致DNA損傷的藥物處理后，通過檢測LC3以及泛素結合受體蛋白p62/SQSTM1在全細胞及核提取物中的含量發現，在全細胞和核提取液中，LC3B-II均出現了劑量和時間依賴的積累，泛素結合受體蛋白p62/SQSTM1的水平也呈劑量和時間依賴性下降，該現象即細胞在DNA發生損傷時的反應.在DNA損傷過程中，lamin A/C顯著下調.免疫沉淀結果顯示，在DNA損傷后，LC3在細胞核中與lamin A/C相互作用，而非lamin B1和B2，免疫熒光結果顯示，LC3與lamin A/C、LAMP1共定位，核DNA外泄.上述結果表明LC3-lamin A/C相互作用可能促進核吞噬作用，從而介導lamin A/C降解和核DNA外泄[18].當核自噬基因ATG5或ATG7敲除后，與LC3共域化消失，證實染色質和LC3陽性結構確實是自噬體[14].此外，lamin A/C與SUMO E2蛋白UBC9之間的相互作用，這表明lamin A/C可能是UBC9介導的一個蘇酰化靶點.UBC9-SUMOylated（類泛素化）lamin A/C可以促進自噬蛋白LC3與核膜蛋白lamin A/C相互作用，以應對DNA損傷[22].

6 小結

自噬是一個從單細胞真核生物（如釀酒酵母）到高等哺乳動物（如人類）的進化保守的降解過程.自噬是把雙刃劍，一方面能維持機體內環境穩態，另一方面卻與某些疾病的發生發展相關.在應激狀態下，如營養缺乏或病原體感染時，自噬可以上調.自噬在癌癥中可以作為一個抑制過程，通過消除活性氧（ROS）損害的細胞器，防止癌癥的形成.自噬還可以通過向營養不良的腫瘤提供營養物質來促進癌癥的進展[23].

除了傳統意義細胞質中的自噬，還有核自噬，即在某些情況下為了延長細胞壽命和使細胞正常運作，去除受損的或非必要的細胞核部分，甚至是整個細胞核.細胞核是真核細胞的中心細胞器，其存在的理由是維持和表達基因組.維持細胞核結構和組織對大多數細胞類型的活力至關重要[6].在哺乳動物中，在病理環境中觀察到不同類型的巨噬細胞吞噬，如癌癥和神經變性.迄今為止，致癌應激和神經退行性變一直是與疾病相關的噬核行為的誘因，因此研究哺乳動物是否存在一種生理上的噬核現象是至關重要的.而LC3可能和核自噬有著緊密的聯系.目前還有許多未解決的問題，希望未來我們對噬核機制和生理意義的理解上取得重大進展.核自噬的生理和病理意義的研究將有助于闡明多種人類疾病的發病機制，并將促進涉及核自噬的有效治療策略的發展.