Beclin1调控自噬、凋亡与炎症反应的分子机制

郭 鑫 杨 俊

(三峡大学心血管病研究所 三峡大学第一临床医学院心内科，湖北 宜昌 443003)

自噬和凋亡作为两种不同的程序性细胞死亡方式，存在着复杂的相互作用。凋亡是组织器官生长过程中最基本的重构机制，其在组织抵御内、外源性损伤过程中发挥重要作用，可保护细胞、组织器官免受坏死诱导的炎性反应损伤；自噬，细胞自我吞噬过程，是细胞在危机状态下重新利用细胞结构并产生能量物质的主要生存机制〔1〕。自噬与凋亡的生化代谢途径及形态学虽存在显著差异，但功能密切联系，共同调控细胞生存和死亡。此外，在严重应激反应中，自噬功能紊乱可激活炎性小体，炎性小体是机体损伤相关分子模式(DAMPs)的感受器〔2〕。炎性小体激活可促进组织分泌IL-1β和 IL-18，改变免疫系统功能，导致急性组织损伤。大量试验表明：抗凋亡蛋白Bcl-2家族成员可增加凋亡耐受力，抑制自噬，其可能是通过形成Beclin1抑制复合体实现。因此，自噬、凋亡与炎症反应在疾病发生发展的病理生理过程中密切相关，其中Beclin1又位于复杂的细胞反应网络中心，是联系三者的枢纽。

1 Becin1分子结构和功能

Beclin1，即BECN1，酵母自噬基因Atg6 /Vps30的同源基因，是Beth Levine于1998年首次发现鉴定。该基因位于人染色体17q21，含有12 个外显子。Beclin1蛋白分子量为60 kD，含有450个氨基酸序列，可与抗凋亡蛋白Bcl家族成员相互作用，如Bcl-2、Bcl-xl、Bcl-w。Beclin1 蛋白含有BH3( Bcl-2-homology-3) 、中央卷曲螺旋区(CCD)和进化保守区(ECD) 三个主要结构域，分别位于蛋白结构的N端、中间和C端，这些结构域是Beclin1 的主要功能位点。

Beclin1 是形成自噬体的必需分子，作为分子反应“平台”，可介导自噬相关蛋白定位于吞噬泡，并与多种蛋白反应调控自噬体形成与成熟。Vps34，即哺乳动物Ⅲ型磷脂酰肌醇-3激酶(PIK3C3)，可磷酸化磷脂酰肌醇，生成PI3P并与FYVE指蛋白结合，广泛参与自噬体、内涵体膜的形成与物质转运过程。其中，Beclin1可与Vps34形成催化核心区。虽然Vps34活性可由PKD(protein kinase D)〔3〕和CDK5〔4〕等磷酸化作用直接调节，但Beclin1仍是Vps34的主要调控者，并以此调节自噬体膜合成和物质转运。

2 Beclin1-Vps34复合体及其功能

Beclin1-Vps34复合体有三种类型：(i)Atg14复合体，其作用于内质网吞噬泡膜上的Beclin1复合体。研究发现，Atg与Beclin1相互作用可诱导自噬体双层膜结构形成，这是自噬形成的初始、关键阶段〔5〕；(ⅱ)UVRAG复合体，其直接作用于内吞通路中的Beclin1复合体，同时也可增加自噬体成熟；(ⅲ)UVRAG-Rubicon复合体，Rubicon通过抑制Vps34活性抑制自噬体成熟。

Atg14L和UVRAG可竞争性结合Beclin1卷曲螺旋结构域。Bif-1/内吞体B1等结合蛋白可与UVRAG结合并促进Vps34活性从而促进自噬体的成熟。此外，两种线粒体自噬的关键蛋白-Ambra1和Pink1，可与Beclin1结合并促进线粒体自噬〔6〕。研究发现，Beclin1与Ambra1〔7〕或Bim〔8〕结合，并与动力马达蛋白形成复合物，这种转位可将Beclin1复合体从自噬体中移除。然而，由ULK1磷酸化的Ambra1〔7〕和JNK磷酸化的Bim〔8〕均可促进细胞骨架储存系统释放Beclin1，并促进自噬形成。

3 Beclin1介导自噬、凋亡与炎症机制

3.1Beclin1介导自噬机制 大量研究表明，Beclin1复合体的功能不受自噬影响，但其参与自噬过程。Joubert等〔9〕发现，补体系统膜辅助蛋白-CD46(一种可识别多种病原微生物结构受体)可通过支架蛋白GOPC与Beclin1结合，当其识别病原体后即可募集Beclin1-Vps34复合体至细胞表面，从而诱导自噬体形成。此外，Joubert等还发现：麻疹病毒也可通过CD46/GOPC信号通路诱导自噬体形成。

然而，Beclin1复合体在调控自噬通路中的作用目前尚有争议。早期的研究认为：UVRAG与C-Vps复合体参与内涵体形成，而Beclin1-Vps34并未参与该过程。然而，Thoresn等〔10〕最近的研究发现：Bclin1-Vps34-UVRAG-Bif-1复合体可调控内涵体表面受体及胞质的形成。Ruck等〔11〕关于线虫的研究也发现：BEC1可参与内涵体形成过程，特别是将内涵体逆行转运至反式高尔基体网络。在自噬溶酶体转运过程中，Beclin1复合体可能参与自噬溶酶体和内涵体形成的早期阶段而非晚期阶段。

最近研究发现，除了典型自噬(Beclin1依赖性)，还存在一种非典型自噬类型(Beclin1非依赖性)〔12〕。Beclin1非依赖性自噬缺乏ULK1和Beclin1-Vps34复合体诱导的自噬启始和成核过程，其直接从已存在的膜结构形成吞噬泡，如细胞膜、高尔基体和线粒体。Grishchuk等〔13〕发现：许多促凋亡化合物，如星形孢菌素和依托泊苷，可诱导大鼠皮层神经元发生Beclin1非依赖性自噬，进而促发细胞凋亡发生。然而，以上试验也同样发现：Beclin1依赖性的自噬过程具有细胞保护功能。目前Beclin1非依赖性自噬形成与调控的机制研究尚待研究，但其可能与自噬性细胞死亡密切相关。

3.2Beclin1介导凋亡机制

3.2.1Beclin1与抗凋亡蛋白Bcl-2 Beclin1是一类与促凋亡蛋白Bcl-2相关的新型BH3-only蛋白，包括Bad、Bid、BNIP3、Noxa和Puma。Bcl-2蛋白及其抗凋亡Bcl-2家族成员，如Bcl-xl、Bclw、Bcl-B和Mcl-1，均含有BH3结合槽，可与Beclin1以低亲和力方式结合。Pattingre等〔14〕在小鼠心肌在体和体外试验研究发现：Bcl-2蛋白可与Beclin-1相互作用并抑制自噬形成；Bcl-2与Beclin 1结合可抑制Beclin1-Vps34复合体形成，并可抑制Vps34的活性。此外，他们还观察到：位于内质网的Bcl-2/Beclin 1可抑制细胞自噬，而位于线粒体的Bcl-2/Beclin 1复合体则无此功能。以上试验均表明：抗凋亡蛋白Bcl-2具有自噬抑制功能。

3.2.2Beclin1与Bcl-2磷酸化修饰 大量的证据表明，Bcl-2和Beclin1蛋白翻译后水平的修饰可调控Bcl-2/Beclin1复合体的稳定性。Wei〔15〕等研究发现：JNK1可通过磷酸化内质网中Bcl-2的多个位点参与刺激饥饿诱导的自噬过程。他们发现，Bcl-2 Thr69 、Ser70和Ser87残基的磷酸化可解离Bcl-2和Beclin1复合体，Beclin1释放并与Vps34结合刺激自噬形成。最近，Pattingre等〔16〕观察发现：短链神经酰胺可激活JNK1介导的Bcl-2磷酸化，从而导致Beclin1从复合体中解离并促进自噬。相反，Sarkar等〔17〕发现：一氧化氮(NO)可抑制JNK1活性，从而阻断Bcl-2磷酸化，提高Bcl-2/Beclin1复合体稳定性，进而抑制自噬。另一方面，DAPK (一种应激活化的蛋白激酶)可将Beclin1的BH3结构域Thr119位点磷酸化，从而解聚Beclin1/Bcl-2，诱导细胞自噬〔18〕。此外，TLR4信号通路激活可引起TRAF6介导的Beclin1K63相关的泛素化，并解离Beclin1/Bcl-xL复合体，从而诱导自噬。

3.2.3竞争性结合Beclin1与Bcl-2 通过与Bcl-2或Beclin1竞争性结合从而终止Bcl-2/Beclin 1复合体形成是Beclin1介导的第三种自噬调节机制。促凋亡BH3-only蛋白，如Bad、Bid，BNIP3 、Noxa和Puma，可与Beclin-1竞争性结合Bcl-2/xL 蛋白BH3受体槽，从而增加凋亡和自噬形成。以上这些因子与Bcl-2/xL结合通常可导致细胞死亡，以此开发出的杀癌细胞新药物如BH3类似物将具广阔前景。此外，肿瘤抑制蛋白ARF可在线粒体内与Bcl-xL结合，阻止Bcl-xL/Beclin 1复合体形成，从而引起细胞自噬〔19〕。

3.3Beclin1介导炎症机制 炎性小体是细胞内的多蛋白复合物，可识别多种病原体和应激反应危险信号。NLR炎性体家族大多参与DAMPs诱导的反应，如氧化应激和代谢紊乱。炎性小体广泛参与人类多种疾病的发病机制，包括肥胖诱导的炎症、动脉粥样硬化和Ⅱ型糖尿病等。大量证据表明，自噬功能缺乏可刺激炎性小体形成〔2〕。此外，研究发现〔20〕，抗凋亡蛋白Bcl-2和Bcl-xL可与NLRP1相互作用，抑制其聚合及活性。Bcl-2过表达可抑制NLRP3炎性小体的激活〔21〕。

炎性小体受体也可直接与Beclin1相互作用。一些炎性小体受体，如NLRC4、NLRP3、NLRP4和NLRP10，与Beclin1的进化保守结构域具有极强的亲和力。NLRP4与Beclin1复合体的结合可抑制自噬体的成熟。相反，NLRP4和NLRC4基因敲出可促进体外试验细胞的自噬形成。然而，自噬似乎通过负反馈机制激活炎性小体。Shi等〔22〕发现：在THP-1细胞接受炎性刺激后，AIM2和NLRP3炎性小体共同位于自噬中。他们认为，NLRP3炎性小体的 ASC组分可能在Lys63相关位点发生多泛素化，该位点由P62蛋白UBA结构域识别，并随后参与LC3介导的自噬。综上这些发现表明，炎性小体广泛参与细胞凋亡和自噬过程。

4 Beclin1与其他

HMGB1、TAB2 / 3与炎性反应的调节密切相关。HMGB1是一种多功能警报素，可刺激炎症反应发生。在IL-1、TNF和RANKL介导的信号通路中，TAB2和TAB3是TAK1激活的关键因子。HMGB1 、TAB2和TAB3均可与Beclin-1结合干扰Bcl-2/Beclin-1复合体，并以此控制细胞自噬。

4.1Beclin1与HMGB1 Tang等〔23〕发现：细胞质内的HMGB1与Beclin1结合，可阻止Bcl-2/beclin1复合物形成。HMGB1与Beclin1的结合可诱导Vps34/Vps15募集至 Beclin1复合体，从而促进自噬形成。已经证实，HMGB1是氧化应激的感受因子，HMGB1的半胱氨酸残基的氧化可触发其转运到细胞质，并与Beclin1结合，激活细胞自噬。他们还发现，HMGB1缺乏可增加Bcl-2/Beclin 1反应时间，并通过抑制ERK1/2介导的Bcl-2磷酸化抑制饥饿诱导自噬。此外，研究还发现〔24〕：HMGB1可能在细胞质内与p53形成复合物。HMGB1基因敲出可增加胞质内p53含量，诱导细胞自噬；p53基因敲除可增加胞质内HMGB1表达，增加自噬。因此，HMGB1和p53在细胞凋亡、自噬调节过程中的信号通路可能存在交互。

4.2Beclin1与TAB2/3 TAB2和TAB3也能引起Bcl-2/Beclin1复合体的解聚。TAB2和TAB3可通过Beclin1的卷曲螺旋结构相互结合，抑制Beclin 1介导自噬。TAB2和TAB3还可抑制自噬相关蛋白与Beclin1卷曲螺旋结构域的结合，如Atg14L、UVRAG和Ambra1，从而抑制自噬。

5 小结与展望

Beclin1 是自噬调节中最主要的分子之一。研究发现：自噬和凋亡之间不但存在着平衡关系，且存在自噬/凋亡互反馈调节机制，而Beclin 1可能是调控自噬/凋亡互反馈作用的交汇点〔25〕，其中Beclin 1/Bcl-2对自噬/凋亡互反馈作用的调控又至关重要。Beclin1位于自噬、凋亡与炎症网络状信号交互调控机制的中心环节，对Beclin1选择性调控必将影响疾病的转归。目前的观点认为，自噬、凋亡与炎症因素在心肌缺血再灌注、动脉粥样硬化、肿瘤等多种疾病发生发展过程中发挥重要作用，Beclin1在其中的作用机制研究必将为疾病诊治提供的新靶点和策略。

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