自吞噬的分子機制與功能

1、 自吞噬的分子機制與功能自吞噬的分子機制與功能 1955年，比利時科學家Christian de Dove發(fā)現(xiàn)了一類獨特、清晰可辨的雙層膜結(jié)構(gòu)。在其中可以明顯看到細胞質(zhì)包裹在這些囊泡中，de Dove正確地意識到這些囊泡的主要作用是降解細胞內(nèi)物質(zhì)，并把這種雙層膜囊泡命名為自吞噬體（autophagosome），并把這個降解過程稱為自吞噬（autophagy）。 20世紀90年代初，日本科學家大隅良典（Yoshinori Ohsumi）發(fā)現(xiàn) 自吞噬是一個在進化上非常保守的過程。u第一節(jié) 簡介u第二節(jié) 自吞噬的細胞生物學過程u第三節(jié) 自吞噬體的核心分子構(gòu)成元件u第四節(jié) 自吞噬的調(diào)控u第五節(jié) 自吞噬

2、的生理功能u第六節(jié) 細胞自噬與疾病的關(guān)系第一節(jié)第一節(jié) 簡介簡介 自吞噬現(xiàn)象根據(jù)發(fā)生機制、功能的不同可以分為巨自噬（macroautophagy）、微自噬(microautophagy)和分子伴侶介導(dǎo)的自噬(chaperone-mediated autophagy,CMA)。 微自噬指溶酶體或液泡限制性膜直接內(nèi)陷包裹胞漿物質(zhì)進行講解的過程，其中不包括自噬泡結(jié)構(gòu)的形成。 分子伴侶介導(dǎo)的自噬（CMA）是指具有特殊基序的胞質(zhì)蛋白被分子伴侶識別后，與溶酶體膜上的特殊受體-溶酶體相關(guān)膜蛋白LAMP-2A結(jié)合，進入溶酶體被降解的溶酶體降解的過程。CMA是以選擇性機制降解胞漿內(nèi)可溶性蛋白的過程。 巨自噬是指饑

3、餓等刺激誘導(dǎo)下，細胞漿內(nèi)產(chǎn)生雙層囊泡結(jié)構(gòu)包裹細胞器或長壽命蛋白形成自噬體，與溶酶體融合最終被降解的過程。第二節(jié)第二節(jié) 自吞噬的細胞生物學過程自吞噬的細胞生物學過程自吞噬的五個步驟：自吞噬的五個步驟：自吞噬前體自吞噬前體形成形成自吞噬體的自吞噬體的形成形成自吞噬體同自吞噬體同溶酶體的融溶酶體的融合合吞噬物質(zhì)的吞噬物質(zhì)的降解和產(chǎn)物降解和產(chǎn)物的釋放的釋放溶酶體的再溶酶體的再生生1.自吞噬前體/歐米茄體的形成 目前已經(jīng)知道PAS的存在決定于PI3P,用PI3P抑制劑處理細胞會抑制PAS的產(chǎn)生，PAS的產(chǎn)生對自吞噬體的產(chǎn)生是必須的。在任何一個不能產(chǎn)生PAS的酵母缺失突變體中，自吞噬都不會發(fā)生。 歐米茄體

4、的主要作用可能是將自吞噬形成所必須的蛋白富集在一起，從而促進自吞噬體的形成。2.自吞噬體的形成 在自吞噬形成過程中，大部分分離膜總是被內(nèi)質(zhì)網(wǎng)以“三明治”式的方式包圍，并且在分離膜開口附近自噬體膜總是同內(nèi)質(zhì)網(wǎng)融合在一起。3.自吞噬體同溶酶體的融合 自吞噬體本身只是一個收集降解底物的機器，其本身沒有降解能力，自吞噬對其所包裹的底物的降解則依賴與自吞噬體與哺乳動物中溶酶體或酵母中的酸性液泡等具有降解能力的細胞器的融合。4.吞噬物質(zhì)降解和降解產(chǎn)物從吞噬溶酶體中釋放 在完成同溶酶體的融合后，吞噬體及其所吞噬的細胞內(nèi)含物在溶酶體酸性磷酸酶等的作用下開始降解，在降解結(jié)束后，被自噬體所吞噬的生物大分子物質(zhì)被降

5、解為氨基酸、單糖和游離脂肪酸。 氨基酸等降解產(chǎn)物不能從溶酶體中自由滲透出去，他們從吞噬溶酶體中向外的運輸有一系列處于溶酶體膜上的外向轉(zhuǎn)運蛋白來完成。代謝產(chǎn)物通過自吞噬合成新的蛋代謝產(chǎn)物通過自吞噬合成新的蛋白質(zhì)、多糖和脂類白質(zhì)、多糖和脂類5.自吞噬性溶酶體再生 在自噬結(jié)束后，吞噬溶酶體上溶酶體的膜成份可以通過一個管狀結(jié)構(gòu)從吞噬溶酶體上回收出來，并形成一個不含溶酶體基質(zhì)蛋白的“原溶酶體”。這些“原溶酶體”可通過逐漸獲得溶酶體酶而變成溶酶體，從而完成溶酶體的再生。第三節(jié)第三節(jié) 自吞噬的核心分子構(gòu)成元件自吞噬的核心分子構(gòu)成元件 由于酵母遺傳系統(tǒng)的優(yōu)勢，現(xiàn)在在酵母中已經(jīng)鑒定了34個ATG基因。隨著研究的

6、深入，大部分酵母中的ATG相關(guān)基因的同源無菌已在哺乳動物中找到，并分離鑒定成功，這說明自吞噬是一個進化保守的過程。 根據(jù)這些ATG蛋白所參與的不同過程，可以將其分成四大部分。mTOR-Atg1復(fù)合體；VPS34復(fù)合體；Atg5-Atg12修復(fù)系統(tǒng)；Atg8 (LC3)-PE修復(fù)系統(tǒng)。這四個蛋白復(fù)合體分別在自吞噬過程信號感知、信號轉(zhuǎn)換中以及在信號執(zhí)行過程中起調(diào)控作用。第四節(jié)第四節(jié) 自吞噬的調(diào)控自吞噬的調(diào)控 大量細胞外（饑餓、激素、藥物等）和細胞內(nèi)（衰老蛋白質(zhì)的積累等）的刺激都調(diào)節(jié)自噬的發(fā)生。 mTOR和磷脂酰肌醇3-羥基激酶（PI3K）是自噬調(diào)控中的兩個重要節(jié)點。1.mTOR mTOR是一種絲氨

7、酸/蘇氨酸激酶，是細胞中營養(yǎng)、能量及生長因子的感受器，在調(diào)節(jié)和感受細胞內(nèi)外的營養(yǎng)信號、調(diào)節(jié)細胞的生長和增殖中起到核心的作用。 激活狀態(tài)下的mTOR促進蛋白合成并抑制自噬的發(fā)生，而mTOR失活時，mTOR對自噬的抑制解除，自噬發(fā)生。mTOR介導(dǎo)的信號通路介導(dǎo)的信號通路營養(yǎng)缺乏營養(yǎng)缺乏TSC1/TSC2磷酸化磷酸化Rheb與與GDP相連相連mTOR失活失活抑制抑制TSC1/TSC2磷酸化磷酸化Rheb與與GTP相連相連活化活化mTOR2.磷脂酰肌醇3-肌醇激酶復(fù)合物（PI3K） 磷脂酰肌醇3-肌醇激酶復(fù)合物（PI3K）中至少I型PI3K和III型PI3K參與自噬體的形成過程。 I型PI3K控制細胞

8、表面的信號通路，抑制自噬的發(fā)生。 III型PI3K調(diào)控自噬體膜的形成，促進自噬的發(fā)生。磷脂酰肌醇磷脂酰肌醇3-肌醇激酶復(fù)合物（肌醇激酶復(fù)合物（PI3K）通路）通路磷酸化磷酸化Ptdlns(4)PPtdlns(3,4)P2I型型PI3KPtdlns(4,5)P2Ptdlns(3,4,5)P3PKB活化活化PDK1PH區(qū)域區(qū)域結(jié)合結(jié)合抑制抑制磷酸化磷酸化TSC1/TSC2磷酸化磷酸化S6KmTOR激活激活抑制抑制自吞噬自吞噬含含-FYVE基序的蛋白基序的蛋白Beclin 1III型型PI3K定位于定位于TGNPtdIn3P募集募集含含-PX基序的蛋白基序的蛋白形成形成自噬體膜自噬體膜饑餓狀態(tài)營養(yǎng)充

9、足時JNK1磷酸化Bcl-2與Beclin 1分離促進VPS34結(jié)合Beclin 1促進自噬JNK1未磷酸化Bcl-2與Beclin 1結(jié)合抑制VPS34結(jié)合Beclin 1抑制自噬第五節(jié)第五節(jié) 自吞噬的生理功能自吞噬的生理功能細胞自吞噬細胞自吞噬的功能的功能細胞存活細胞存活細胞死亡細胞死亡抗原呈遞抗原呈遞病原體清除病原體清除脂質(zhì)代謝脂質(zhì)代謝累積蛋白清累積蛋白清除除1.自吞噬與細胞存活自吞噬與細胞存活 許多研究表明在營養(yǎng)匱乏的情況下，細胞自吞噬對于維持細胞存活起著非常重要的作用。2.自吞噬與細胞死亡自吞噬與細胞死亡 到目前為止，自吞噬在細胞死亡過程中的作用，自吞噬如何影響細胞死亡，自吞噬與細胞周期的關(guān)系還存在著一些爭議。3.自吞噬與抗原呈遞自吞噬與抗原呈遞 細胞自吞噬在免疫識別及其反應(yīng)中起著非常重要的作用。4.自吞噬與病原體清除自吞噬與病原體清除 越來越多的研究表明，自吞噬在降解細胞內(nèi)病原體的過程中扮演著非常重要的作用。5.自噬與脂質(zhì)代謝自噬與脂質(zhì)代謝 自吞噬可以通過控制脂質(zhì)體脂肪細胞的分化和決定白色和褐色脂肪的比例來調(diào)節(jié)脂質(zhì)的積累。6.自吞噬與累積蛋白的清除自吞噬與累積蛋白的清除 越來越多的實驗證明了自