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研究細胞自噬的分子調控機制狀況分析

時間:2018-04-08 11:50作者:
本文導讀:這是一篇關于研究細胞自噬的分子調控機制狀況分析的文章,關鍵詞:細胞自噬; 雷帕霉素靶蛋白; 磷脂酰肌醇-3-激酶; Beclin1; 細胞自噬是目前生物醫學廣泛研究的熱點之一, 它是一種由溶酶體介導的細胞內成分自我降解的過程, 是真核生物中一種普遍的生命現象。在真核細胞中,
  關鍵詞:細胞自噬; 雷帕霉素靶蛋白; 磷脂酰肌醇-3-激酶; Beclin1;

  細胞自噬是目前生物醫學廣泛研究的熱點之一, 它是一種由溶酶體介導的細胞內成分自我降解的過程, 是真核生物中一種普遍的生命現象。在真核細胞中, 自噬處在一個較低的水平上, 起到持家的作用, 例如降解胞內受損的細胞器及無功能蛋白, 以此作為細胞內能量的來源, 維持細胞內環境的穩態。自噬的上調出現在外部壞境的改變, 如饑餓、激素失衡和氧化應激等, 或者是內部需求的增加, 如去除蛋白質聚集體等情況[1-2]。越來越多的證據表明, 自噬與心臟病、癌癥和許多神經退行性疾病有關。據Hundeshagen等[3]報道, 地高辛在治療心衰的過程中可明顯激活自噬;但在永久性大腦中動脈栓塞模型中, 自噬過度激活可誘導細胞發生死亡, 加重腦損傷[4]。自噬在疾病中的作用比較復雜, 因此, 明確自噬的發生機制, 有助于誘導自噬在疾病的發生發展過程中發揮保護作用。為此, 本文對細胞自噬的過程及其分子調控機制進行闡述。
  
  1 自噬的概念及分類
  
  自噬現象普遍存在于真核細胞生物中, 在自噬調控基因的作用下, 利用溶酶體途徑降解細胞內受損的細胞器和大分子物質。細胞內受損、衰老的細胞器, 長壽蛋白及入侵的病原體等物質, 被新月型的囊泡結構包裹, 形成自噬體;自噬體再與溶酶體結合, 形成自噬溶酶體;而自噬溶酶體內可釋放多種組織蛋白酶, 對包裹的物質進行降解、消化, 轉變為游離的氨基酸、脂肪酸等小分子物質, 為細胞的再生和修復提供必要的原料, 實現細胞的循環和再利用。
  哺乳動物細胞中存在三種自噬類型, 根據功能和進入溶酶體的途徑分為巨自噬、小自噬及分子伴侶介導的自噬。通常所說的自噬泛指巨自噬, 由雙層膜結構包裹細胞內容物后再與溶酶體融合;小自噬是指溶酶體膜直接內陷、包裹細胞內容物;分子伴侶介導的自噬具有選擇性, 由分子伴侶識別帶有特定序列的蛋白底物, 再與溶酶體融合。盡管三種自噬的方式不相同, 但最終都與溶酶體相融合, 形成自噬溶酶體, 并在其內消化、降解。
  
  2 自噬的過程
  

  自噬是一個高度管制且具有完整周期的多步驟過程, 一般分三個步驟:自噬啟動階段、延伸與成熟階段、降解階段[5]。透射電子顯微鏡是觀察、辨認自噬各個階段的最主要方法。
  
  2.1 自噬的啟動
  
  目前, 與細胞自噬相關的30多種特異性基因在酵母菌中已成功取得并鑒定, 被統一命名為自噬相關基因 (autophagy-telated gene, ATG) 。自噬的起始是哺乳動物雷帕霉素靶蛋白 (m TOR) 整合胞外的刺激信號, 由ATG1/ULK1 (哺乳動物中酵母菌ATG1的同系物) 在內質網或高爾基體膜等結構上誘發, 在Beclin1-Vps34復合物的作用下, 誘導自噬初始囊泡的形成[6]。雖然自噬體膜的起源尚有爭議, 但大部分學術研究傾向于自噬體膜來源于內質網、線粒體膜或高爾基體。而Beclin 1-Vps34復合物由自噬基因Beclin 1、Vps34 (哺乳動物磷酸酰肌醇-3激酶在酵母菌中的同系物) 組成, 同時也引導自噬蛋白的定位。
  
  2.2 自噬的延伸與成熟
  
  在哺乳動物和酵母菌中, 許多ATG是保守、相似的, 并且通過泛素化結合到自噬體膜上。兩個泛素化的共軛系統, ATG12-ATG5-ATG16復合物和微管相關蛋白質輕鏈3 (LC3) -磷脂酰乙醇胺 (PE) 復合物共同作用于自噬囊泡, 促進自噬體膜的延伸[7-8]。其中, ATG12-ATG5-ATG16復合物由ATG7和ATG10催化形成, LC3-PE復合物的形成過程亦與ATG7密切相關。LC3在ATG4的作用下脫羥基, 生成LC3-Ⅰ, LC3-Ⅰ先存在于細胞質中, 隨后被ATG7及ATG3共同介導, 與PE相結合, 酯化形成LC3-Ⅱ;LC3-Ⅱ定位到自噬體膜上, 是自噬體形成的生物學標志[9]。
  
  2.3 自噬體的降解階段
  
  一般情況下, 自噬體膜與溶酶體膜的融合由SNARE (膜融合事件中所涉及的小蛋白超家族) 蛋白調節。SNARE蛋白包括突觸融合蛋白STX17 (Syntaxin17) 、突觸囊泡相關膜蛋白VAMP8 (synaptic vesicle-associated membrane protein) 、突觸相關蛋白SNAP29 (synaptosome-associated protein of 29k D) 等[10]。STX17可以定位到成熟的自噬體膜上, 通過胞質中的SNAP29與溶酶體膜上的VAMP8相互作用, 啟動膜的融合, 形成自噬溶酶體[3]。融合后, 自噬體內容物在一系列溶酶體水解酶的作用下被降解, 降解產物通過溶酶體透性膜轉到胞液中, 被機體重新利用。
  
  3 自噬的分子調控機制
  
  自噬的產生是由多條信號通路共同介導來完成的, 其中m TOR、Beclin 1等是多條信號通路的交叉點, 是調控自噬的關鍵因素。
  
  3.1 m TOR通路
  
  m TOR是進化上十分保守的絲/蘇氨酸蛋白激酶, 屬于磷脂酰肌醇-3激酶 (PI3K) 蛋白激酶類家族。m TOR通路是調節自噬的主要信號通路, 它是多條信號通路的匯聚點, 亦是目前研究最多的一條通路。m TOR可接受多種信號的刺激, 在細胞生長、增殖、凋亡和自噬過程中起著非常重要的作用。
  
  3.1.1 m TOR復合物的組成:
  
  m TOR存在兩種不同的形式: (1) 對雷帕霉素敏感的復合物m TORC1, 主要調節細胞的生長、增殖、凋亡及能量代謝和自噬; (2) 對雷帕霉素不敏感的復合物m TORC2, 主要參與細胞骨架的重組和細胞的存活。m TORC1由多重蛋白組成, 其中包括MLST8 (mammalian lethal with SEC13 protein 8) 、DEPTOR (DEP domain-containing m TOR-interacting protein) 、RAPTOR (regulatory associated protein of m TOR) 、PRAS40 (proline-rich Akt substrateof 40 k Da) [4]。
  
  3.1.2 mT ORC1及其下游分子對自噬的調節:
  
  自噬起始復合物ULK (UNC-51-like kinase) 在哺乳動物中由ULK1、Atg13、FIP200 (FAK family kinase-interacting protein of 200 kD) 和Atg101組成, mT ORC1通過與ULK復合物相互作用, 將外界信號轉化為細胞自噬特異性信號[11]。在機體能量充足的情況下, 活化的mT ORC1可使m Atg13和ULK1高度磷酸化, 從而抑制自噬的發生。相反, 當機體處于饑餓、氧化應激等狀態時, m TORC1與ULK復合物分離, m Atg13迅速去磷酸化, 并與ULK1結合, 形成誘導自噬的復合體, 誘導自噬的發生[8,12]。
  
  3.1.3 m TORC1及其上游分子對自噬的調節:
  
  3.1.3. 1 PI3K-Akt-m TORC1信號通路:
  
  PI3K是酵母菌Vsp34的同源基因, 胰島素樣生長因子可激活PI3K, 在磷脂酰肌醇脂依賴性蛋白激酶1的協同作用下, 激活絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶 (Akt) , Akt也可直接磷酸化PRAS40, 使PRAS40從m TORC1解離下來, 解除其對m TORC1的抑制作用, 允許m TORC1磷酸化下游底物, 抑制自噬的啟動。活化的Akt也可直接作用于結節性硬化蛋白2 (tuberous sclerosis protein 2, TSC2) , 抑制TSC1/2復合物, 使其失活。RHEB是Ras蛋白家族中的一員, 具有GTP酶活性, TSC2作為GTP酶的催化劑, 能使有活性的RHEB-GTP轉化為無活性的RHEB-GDP。磷酸化的TSC2的活性降低, 使其下游底物RHEB-GTP增多, RHEB-GTP可激活m TORC1, 從而抑制自噬[6]。
  
  3.1.3. 2 AMPK-m TOR信號通路:
  
  AMP激活性蛋白激酶AMPK (AMP-activatedprotein kinase) 是細胞內能量的傳感器, 當ATP/AMP比率降低或能量需求增加時, AMPK被激活, 活化的AMPK通過激活TSC1/2復合物對m TORC1起到抑制作用, 進而誘導自噬的發生。AMPK也可以直接作用于RAPTOR, 使其與m TORC1分離, 解除對m TORC1的抑制作用[13-14]。
  
  3.2 Beclin 1通路
  
  Beclin 1是酵母菌ATG6/VSP30在哺乳動物的同源基因, 亦是最早被發現的參與自噬調節的關鍵因子。Beclin 1具有三個重要的結構域:BH3、卷曲螺旋結構域 (CCD) 和進化保守結構域 (ECD) 。Beclin 1可通過這些結構域與多種蛋白結合, 形成復合體, 作為分子反應的“平臺”, 可誘導自噬相關蛋白定位到自噬體膜上, 調控自噬的形成與成熟[15]。
  參與Beclin 1復合物組成的蛋白主要包括Vps34、UVRAG、Ambral和Bcl-2。Vps34是哺乳動物III型PI3K的一種, 可與Beclin 1的ECD結構域結合, 形成Vps34-Beclin1復合體, 促進自噬體膜的形成與轉運。UVRAG為抗紫外線相關基因的產物蛋白, 若直接與Beclin 1的CCD結構域結合, 可促進自噬體的成熟, 而其亞單位Rubicon與Beclin 1結合, 則抑制自噬體的成熟[16-17]。Ambral是新發現的一種蛋白, 對依賴Beclin 1的自噬有正面調節作用, 游離的Ambral與Beclin1結合, 能促進細胞自噬囊泡膜的集聚, 誘導自噬的形成[18]。目前研究顯示, 細胞凋亡的關鍵調節因子Bcl-2也是重要的自噬調節蛋白, Bcl-2含有與Beclin 1相同的結構域BH3, Bcl-2可通過此結構域與Beclin 1結合, 并相互作用, 減弱Beclin 1與Vps34的相互作用, 使其它自噬相關蛋白難以結合到自噬體膜上, 從而抑制自噬的發生[19]。
  由此可見, Beclin 1可在自噬體形成的每個重要階段進行干預, 這種現象是通過不同蛋白與Beclin 1結合或分離實現的。而它們的結合與分離具有一定的組織依賴性, 可能跟這些蛋白與Beclin 1的結合是短暫的、相對不穩定的或只發生在特定的條件下有關。
  
  3.3 其它分子對自噬的調節
  
  除上述信號通路外, 還有其它分子參與細胞自噬的發生。游離氨基酸可負反饋調節自噬, 在機體內氨基酸充足的情況下, 可抑制自噬的發生。自噬亦可通過轉錄因子家族中的FOXO在轉錄水平上進行調節, FOXO蛋白是自噬的活性調節因子, 可激活多種自噬基因, 如Gabarap11、Map1LC3、ATG5、ATG12、Vps34和Beclin 1等的表達[3]。此外, 由于p53基因在細胞中的定位不同, 可表現出對自噬調節的雙重作用:細胞核內的p53在正常情況下處于失活狀態, 當受外界刺激時, 其絲氨酸和賴氨酸的殘基磷酸化和乙酰化而被激活, 活化的p53可抑制自噬的負調節因子m TOR, 誘導自噬的發生;而存在于細胞質中的p53, 主要通過抑制AMPK活性和激活m TOR來抑制自噬的發生[20]。
  
  4 結語
  
  自噬是真核細胞中普遍存在又十分重要的生命現象, 與細胞的生命活動息息相關。自噬具有與泛素-蛋白酶體相似的作用, 可以降解蛋白質, 達到回收再利用的目的。它們的不同點是泛素-蛋白酶體途徑主要負責短壽命蛋白質的降解, 而自噬則主要降解長壽蛋白, 以及受損、衰老的細胞器。近年來, 自噬的研究取得了突破性的進展, 許多疾病與自噬密切相關, 但自噬在疾病中扮演的角色、發揮的作用尚未完全清楚。細胞自噬受多種信號調控, 深入探討這些機制將為尋找調控自噬的靶點提供重要依據。正確認識自噬在疾病發生發展中的作用, 利用自噬的有利因素消除不利因素, 自噬通路的藥理調制將是臨床醫生治療人類疾病的一個新的挑戰。
  
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