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研究细胞自噬的分子调控机制状况分析

时间:2018-04-08 11:50作者:
本文导读:这是一篇关于研究细胞自噬的分子调控机制状况分析的文章,关键词:细胞自噬; 雷帕霉素靶蛋白; 磷脂酰肌醇-3-激酶; Beclin1; 细胞自噬是目前生物医学广泛研究的热点之一, 它是一种由溶酶体介导的细胞内成分自我降解的过程, 是真核生物中一种普遍的生命现象。在真核细胞中,
  关键词:细胞自噬; 雷帕霉素靶蛋白; 磷脂酰肌醇-3-激酶; Beclin1;

  细胞自噬是目前生物医学广泛研究的热点之一, 它是一种由溶酶体介导的细胞内成分自我降解的过程, 是真核生物中一种普遍的生命现象。在真核细胞中, 自噬处在一个较低的水平上, 起到持家的作用, 例如降解胞内受损的细胞器及无功能蛋白, 以此作为细胞内能量的来源, 维持细胞内环境的稳态。自噬的上调出现在外部坏境的改变, 如饥饿、激素失衡和氧化应激等, 或者是内部需求的增加, 如去除蛋白质聚集体等情况[1-2]。越来越多的证据表明, 自噬与心脏病、癌症和许多神经退行性疾病有关。据Hundeshagen等[3]报道, 地高辛在治疗心衰的过程中可明显激活自噬;但在永久性大脑中动脉栓塞模型中, 自噬过度激活可诱导细胞发生死亡, 加重脑损伤[4]。自噬在疾病中的作用比较复杂, 因此, 明确自噬的发生机制, 有助于诱导自噬在疾病的发生发展过程中发挥保护作用。为此, 本文对细胞自噬的过程及其分子调控机制进行阐述。
  
  1 自噬的概念及分类
  
  自噬现象普遍存在于真核细胞生物中, 在自噬调控基因的作用下, 利用溶酶体途径降解细胞内受损的细胞器和大分子物质。细胞内受损、衰老的细胞器, 长寿蛋白及入侵的病原体等物质, 被新月型的囊泡结构包裹, 形成自噬体;自噬体再与溶酶体结合, 形成自噬溶酶体;而自噬溶酶体内可释放多种组织蛋白酶, 对包裹的物质进行降解、消化, 转变为游离的氨基酸、脂肪酸等小分子物质, 为细胞的再生和修复提供必要的原料, 实现细胞的循环和再利用。
  哺乳动物细胞中存在三种自噬类型, 根据功能和进入溶酶体的途径分为巨自噬、小自噬及分子伴侣介导的自噬。通常所说的自噬泛指巨自噬, 由双层膜结构包裹细胞内容物后再与溶酶体融合;小自噬是指溶酶体膜直接内陷、包裹细胞内容物;分子伴侣介导的自噬具有选择性, 由分子伴侣识别带有特定序列的蛋白底物, 再与溶酶体融合。尽管三种自噬的方式不相同, 但最终都与溶酶体相融合, 形成自噬溶酶体, 并在其内消化、降解。
  
  2 自噬的过程
  

  自噬是一个高度管制且具有完整周期的多步骤过程, 一般分三个步骤:自噬启动阶段、延伸与成熟阶段、降解阶段[5]。透射电子显微镜是观察、辨认自噬各个阶段的最主要方法。
  
  2.1 自噬的启动
  
  目前, 与细胞自噬相关的30多种特异性基因在酵母菌中已成功取得并鉴定, 被统一命名为自噬相关基因 (autophagy-telated gene, ATG) 。自噬的起始是哺乳动物雷帕霉素靶蛋白 (m TOR) 整合胞外的刺激信号, 由ATG1/ULK1 (哺乳动物中酵母菌ATG1的同系物) 在内质网或高尔基体膜等结构上诱发, 在Beclin1-Vps34复合物的作用下, 诱导自噬初始囊泡的形成[6]。虽然自噬体膜的起源尚有争议, 但大部分学术研究倾向于自噬体膜来源于内质网、线粒体膜或高尔基体。而Beclin 1-Vps34复合物由自噬基因Beclin 1、Vps34 (哺乳动物磷酸酰肌醇-3激酶在酵母菌中的同系物) 组成, 同时也引导自噬蛋白的定位。
  
  2.2 自噬的延伸与成熟
  
  在哺乳动物和酵母菌中, 许多ATG是保守、相似的, 并且通过泛素化结合到自噬体膜上。两个泛素化的共轭系统, ATG12-ATG5-ATG16复合物和微管相关蛋白质轻链3 (LC3) -磷脂酰乙醇胺 (PE) 复合物共同作用于自噬囊泡, 促进自噬体膜的延伸[7-8]。其中, ATG12-ATG5-ATG16复合物由ATG7和ATG10催化形成, LC3-PE复合物的形成过程亦与ATG7密切相关。LC3在ATG4的作用下脱羟基, 生成LC3-Ⅰ, LC3-Ⅰ先存在于细胞质中, 随后被ATG7及ATG3共同介导, 与PE相结合, 酯化形成LC3-Ⅱ;LC3-Ⅱ定位到自噬体膜上, 是自噬体形成的生物学标志[9]。
  
  2.3 自噬体的降解阶段
  
  一般情况下, 自噬体膜与溶酶体膜的融合由SNARE (膜融合事件中所涉及的小蛋白超家族) 蛋白调节。SNARE蛋白包括突触融合蛋白STX17 (Syntaxin17) 、突触囊泡相关膜蛋白VAMP8 (synaptic vesicle-associated membrane protein) 、突触相关蛋白SNAP29 (synaptosome-associated protein of 29k D) 等[10]。STX17可以定位到成熟的自噬体膜上, 通过胞质中的SNAP29与溶酶体膜上的VAMP8相互作用, 启动膜的融合, 形成自噬溶酶体[3]。融合后, 自噬体内容物在一系列溶酶体水解酶的作用下被降解, 降解产物通过溶酶体透性膜转到胞液中, 被机体重新利用。
  
  3 自噬的分子调控机制
  
  自噬的产生是由多条信号通路共同介导来完成的, 其中m TOR、Beclin 1等是多条信号通路的交叉点, 是调控自噬的关键因素。
  
  3.1 m TOR通路
  
  m TOR是进化上十分保守的丝/苏氨酸蛋白激酶, 属于磷脂酰肌醇-3激酶 (PI3K) 蛋白激酶类家族。m TOR通路是调节自噬的主要信号通路, 它是多条信号通路的汇聚点, 亦是目前研究最多的一条通路。m TOR可接受多种信号的刺激, 在细胞生长、增殖、凋亡和自噬过程中起着非常重要的作用。
  
  3.1.1 m TOR复合物的组成:
  
  m TOR存在两种不同的形式: (1) 对雷帕霉素敏感的复合物m TORC1, 主要调节细胞的生长、增殖、凋亡及能量代谢和自噬; (2) 对雷帕霉素不敏感的复合物m TORC2, 主要参与细胞骨架的重组和细胞的存活。m TORC1由多重蛋白组成, 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及其下游分子对自噬的调节:
  
  自噬起始复合物ULK (UNC-51-like kinase) 在哺乳动物中由ULK1、Atg13、FIP200 (FAK family kinase-interacting protein of 200 kD) 和Atg101组成, mT ORC1通过与ULK复合物相互作用, 将外界信号转化为细胞自噬特异性信号[11]。在机体能量充足的情况下, 活化的mT ORC1可使m Atg13和ULK1高度磷酸化, 从而抑制自噬的发生。相反, 当机体处于饥饿、氧化应激等状态时, m TORC1与ULK复合物分离, m Atg13迅速去磷酸化, 并与ULK1结合, 形成诱导自噬的复合体, 诱导自噬的发生[8,12]。
  
  3.1.3 m TORC1及其上游分子对自噬的调节:
  
  3.1.3. 1 PI3K-Akt-m TORC1信号通路:
  
  PI3K是酵母菌Vsp34的同源基因, 胰岛素样生长因子可激活PI3K, 在磷脂酰肌醇脂依赖性蛋白激酶1的协同作用下, 激活丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶 (Akt) , Akt也可直接磷酸化PRAS40, 使PRAS40从m TORC1解离下来, 解除其对m TORC1的抑制作用, 允许m TORC1磷酸化下游底物, 抑制自噬的启动。活化的Akt也可直接作用于结节性硬化蛋白2 (tuberous sclerosis protein 2, TSC2) , 抑制TSC1/2复合物, 使其失活。RHEB是Ras蛋白家族中的一员, 具有GTP酶活性, TSC2作为GTP酶的催化剂, 能使有活性的RHEB-GTP转化为无活性的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, 从而抑制自噬[6]。
  
  3.1.3. 2 AMPK-m TOR信号通路:
  
  AMP激活性蛋白激酶AMPK (AMP-activatedprotein kinase) 是细胞内能量的传感器, 当ATP/AMP比率降低或能量需求增加时, AMPK被激活, 活化的AMPK通过激活TSC1/2复合物对m TORC1起到抑制作用, 进而诱导自噬的发生。AMPK也可以直接作用于RAPTOR, 使其与m TORC1分离, 解除对m TORC1的抑制作用[13-14]。
  
  3.2 Beclin 1通路
  
  Beclin 1是酵母菌ATG6/VSP30在哺乳动物的同源基因, 亦是最早被发现的参与自噬调节的关键因子。Beclin 1具有三个重要的结构域:BH3、卷曲螺旋结构域 (CCD) 和进化保守结构域 (ECD) 。Beclin 1可通过这些结构域与多种蛋白结合, 形成复合体, 作为分子反应的“平台”, 可诱导自噬相关蛋白定位到自噬体膜上, 调控自噬的形成与成熟[15]。
  参与Beclin 1复合物组成的蛋白主要包括Vps34、UVRAG、Ambral和Bcl-2。Vps34是哺乳动物III型PI3K的一种, 可与Beclin 1的ECD结构域结合, 形成Vps34-Beclin1复合体, 促进自噬体膜的形成与转运。UVRAG为抗紫外线相关基因的产物蛋白, 若直接与Beclin 1的CCD结构域结合, 可促进自噬体的成熟, 而其亚单位Rubicon与Beclin 1结合, 则抑制自噬体的成熟[16-17]。Ambral是新发现的一种蛋白, 对依赖Beclin 1的自噬有正面调节作用, 游离的Ambral与Beclin1结合, 能促进细胞自噬囊泡膜的集聚, 诱导自噬的形成[18]。目前研究显示, 细胞凋亡的关键调节因子Bcl-2也是重要的自噬调节蛋白, Bcl-2含有与Beclin 1相同的结构域BH3, Bcl-2可通过此结构域与Beclin 1结合, 并相互作用, 减弱Beclin 1与Vps34的相互作用, 使其它自噬相关蛋白难以结合到自噬体膜上, 从而抑制自噬的发生[19]。
  由此可见, Beclin 1可在自噬体形成的每个重要阶段进行干预, 这种现象是通过不同蛋白与Beclin 1结合或分离实现的。而它们的结合与分离具有一定的组织依赖性, 可能跟这些蛋白与Beclin 1的结合是短暂的、相对不稳定的或只发生在特定的条件下有关。
  
  3.3 其它分子对自噬的调节
  
  除上述信号通路外, 还有其它分子参与细胞自噬的发生。游离氨基酸可负反馈调节自噬, 在机体内氨基酸充足的情况下, 可抑制自噬的发生。自噬亦可通过转录因子家族中的FOXO在转录水平上进行调节, FOXO蛋白是自噬的活性调节因子, 可激活多种自噬基因, 如Gabarap11、Map1LC3、ATG5、ATG12、Vps34和Beclin 1等的表达[3]。此外, 由于p53基因在细胞中的定位不同, 可表现出对自噬调节的双重作用:细胞核内的p53在正常情况下处于失活状态, 当受外界刺激时, 其丝氨酸和赖氨酸的残基磷酸化和乙酰化而被激活, 活化的p53可抑制自噬的负调节因子m TOR, 诱导自噬的发生;而存在于细胞质中的p53, 主要通过抑制AMPK活性和激活m TOR来抑制自噬的发生[20]。
  
  4 结语
  
  自噬是真核细胞中普遍存在又十分重要的生命现象, 与细胞的生命活动息息相关。自噬具有与泛素-蛋白酶体相似的作用, 可以降解蛋白质, 达到回收再利用的目的。它们的不同点是泛素-蛋白酶体途径主要负责短寿命蛋白质的降解, 而自噬则主要降解长寿蛋白, 以及受损、衰老的细胞器。近年来, 自噬的研究取得了突破性的进展, 许多疾病与自噬密切相关, 但自噬在疾病中扮演的角色、发挥的作用尚未完全清楚。细胞自噬受多种信号调控, 深入探讨这些机制将为寻找调控自噬的靶点提供重要依据。正确认识自噬在疾病发生发展中的作用, 利用自噬的有利因素消除不利因素, 自噬通路的药理调制将是临床医生治疗人类疾病的一个新的挑战。
  
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