2016年诺贝尔生理学或医学奖：细胞自噬机理

王晓冰

2016年10月3日，瑞典卡罗林斯卡医学院诺贝尔生理学或医学奖委员会宣布，2016年诺贝尔生理学或医学奖授予日本科学家大隅良典，因为他发现了细胞自噬的机理。大隅良典独自获得800万瑞典克朗（约合人民币625万元）奖金。

细胞自噬是什么？

自噬是细胞内的一种“自食”现象。细胞自噬已经被研究人员研究了60多年，目前的定义是，细胞自噬是指生物膜（大部分表现为双层膜，有时多层或单层）包裹部分细胞质和细胞内需要降解的细胞器、蛋白质等形成自噬体，并与内涵体形成自噬内涵体，最后与溶酶体融合形成自噬溶酶体，降解其所包裹的内容物，以实现细胞稳态和细胞器的更新。

通俗地讲，细胞自噬就是细胞的自我吞噬，通常发生在细胞或者机体缺乏能量、或受到环境胁迫，如缺乏氨基酸、缺氧的情况下，细胞里会产生双层膜结构，包裹自己的一部分细胞器，运送到溶酶体进行降解。

自噬的出现是因为细胞在新陈代谢过程中会不断产生受损伤的细胞器，如受损的线粒体、蛋白质聚合体等，这就需要细胞清理它们。通过自噬作用，组织和细胞对自身不断地清理，以保持细胞的稳态平衡。这个作用有点像人用吸尘器清洁卫生，用以吸收室内各种脏东西，从而保持室内清洁和干净。

自噬这个单词源于希腊语，希腊语单词前缀auto意为“自我”，另一个希腊语单词phagein意为“吞食”，二者组合成一个词就是自我吞噬。最早研究细胞自噬并提出这一概念的并非大隅良典，而是比利时科学家杜夫。他在20世纪50年代通过电镜观察细胞的内部情况时，发现了溶酶体，是细胞内的一种细胞器，其功能是处理细胞摄入的营养物质并分解较大的颗粒。与此同时，他也发现了自噬现象，并且在1963年溶酶体国际会议上首先提出了“自噬”的概念。因此，他和他的同事、电子显微镜专家克洛德和帕拉迪分享了1974年诺贝尔生理学或医学奖。

细胞中有三种类型的自噬：大自噬、小自噬和伴侣介导的自噬。大自噬始于杯状双层隔离膜的形成（也称为自噬膜或隔离膜）。隔离膜合闭形成一个成熟的囊泡，如自噬体，最终与溶酶体融合，使自噬体的内容物被溶酶体水解酶降解。通常溶酶体被认为是作用于寿命较长的蛋白的降解。

小自噬则直接通过溶酶体膜的内陷、突出和分离来吞噬细胞质。伴侣介导的细胞自噬则是直接通过溶酶体伴侣——溶酶体膜受体HSC70和LAMP-2A运输未折叠蛋白到溶酶体中进行降解。在这三种自噬中，大自噬是最普遍的，常被简称并指代自噬。

细胞自噬与细胞凋亡（即细胞自杀）有相似处，也相辅相成，二者共用相同的刺激因素和调节蛋白，但是诱发阈值和门槛不同，它们是如何转换和协调的目前还不清楚。细胞凋亡机理的研究结果已经获得2002年的诺贝尔生理学或医学奖（英国的悉尼·布雷内、美国的罗伯特·霍维茨和英国的约翰·苏尔斯顿共同获奖，因为他们发现了器官发育和程序性细胞死亡即细胞凋亡过程中的基因调节作用）。

另一方面，20世纪七八十年代，研究人员也发现了另一种与细胞自噬相似的蛋白质降解（死亡）的现象。一种被称为泛素的多肽在需要能量的蛋白质降解过程中扮演着重要角色。这种多肽由76个氨基酸组成，最初是从小牛的胰脏中分离出来的。它就像标签一样，被贴上标签的蛋白质会被运送到细胞内的“垃圾处理厂”（溶酶体）中被降解。由于这一机理的发现，以色列的阿龙·切哈诺沃、阿夫拉姆·赫什科、美国的欧文·罗斯三人共同获得2004年的诺贝尔化学奖。

但是，蛋白质降解的机理并不能解释细胞是如何降解大的蛋白复合体和其他废弃的细胞器的，细胞自噬机理的发现则能解释这一切。因此，今天，继蛋白质降解后，细胞凋亡和细胞自噬成为细胞生物学研究最热门的研究领域。

为何大隅良典独自获奖？

按照近年来诺贝尔生理学或医学奖的惯例，是三人或二人获奖，而且在细胞自噬研究中，至少还有另外几人的研究也具有独创性和重要意义，但此次却是大隅良典独自获奖。这意味着，诺贝尔奖委员会认为大隅良典的发现更重要和更有创新。

大隅良典最早是在1992年的《细胞生物学杂志》（119卷第2期）上发表了发现酵母细胞自噬现象的论文，此后，又在1997年克隆了第一个酵母自噬基因（ATG），命名为ATG1，以及在2000年参与克隆了目前广泛使用的自噬标志物LC3。迄今研究人员已经发现并克隆了40多个ATG基因。

1998年美国研究人员也在细胞自噬研究中获得重大发现，美国西南医学中心的贝思·莱文研究小组克隆了第一个哺乳动物自噬基因，命名为Beclin 1，后者实际上是一个抑癌基因，是通过调节细胞自噬的过程来实现抑癌功能。

美国密歇根大学的丹尼尔·克利昂斯基也在酵母模型的自噬研究中获得重大成果，1996年在研究蛋白从细胞质到溶酶体的定位过程中，发现这一过程和细胞自噬采用了同样的基因，因而促发了在后来发现一系列细胞自噬的调节基因。

如果说大隅良典的研究与其他研究人员有什么区别，以致诺贝尔奖委员会对其研究青睐有加，就在于他设计了不同的研究模式，直观地观察到细胞自噬现象和克隆自噬基因，并能合理和圆满地解释这一现象。

1988年，大隅良典任东京大学教养学部副教授，在博士毕业后15年拥有了自己的实验室，并且选择对酵母液泡降解机制进行深入研究，因为之前还没有任何人开展这样的研究。液泡是一种充满细胞液的细胞器，是植物细胞的主要成分，约占植物细胞体积的90%，1980年代液泡被简单地视为惰性细胞器和废物存储库。

促使大隅良典选择这一研究内容的原因主要是要完成他此前未竟的探索。在美国洛克菲勒大学进行博士后研究期间（1974～1977），他曾试图分离出酵母细胞核，但在离心管的顶层无意发现了一层明显的细胞器，这就是酵母液泡，这些成分原本是要被抛弃的，但他认为这种物质既然是酵母的细胞器，相当于人类细胞中的溶酶体，不会没有功能和作用。

回到日本东京大学理学院之后，大隅良典心无旁鹜地认真研究起酵母液泡来。经过长期观察，他发现酵母液泡具有主动运输物质的能力，运输的物质包括氨基酸等代谢物和离子，这种作用对维持细胞内稳态具有重要作用。

为什么酵母液泡主动运输细胞内的物质会稳定细胞？大隅良典一是通过显微镜观察液泡的变化，二是通过设置一定条件来观察，以寻求答案。当把酵母放置于缺乏营养物质的培养条件下，大隅良典发现酵母细胞内出现了自噬现象。具体过程是，酵母在饥饿状态下细胞内会形成孢子样结构，这种结构会使细胞内的代谢产物获得降解，由此让酵母细胞平稳地度过艰难的饥荒时期。

大隅良典的发现当然也有机遇，但是机遇特别宠爱像大隅良典这样有准备的人。他发现，酵母被饥饿处理几个小时后，有大量小颗粒积累在液泡内，这些颗粒能快速晃动，即所谓的布朗运动。这一运动吸引了大隅良典，让其一连观察几小时。布朗运动的产生是因为酵母含有的蛋白成分少，细胞液黏度小。这些活动的颗粒内含部分胞质成分，被酵母的单层膜结构约束。

更惊人的发现是，当正常酵母的液泡中存在降解酶时，液泡内的胞质成分会很快被降解。当时的光学显微镜只能放大600倍（今天的光学显微镜放大倍数已经高达2250倍），因此在大隅良典之前并没有人能直观地观察到这种现象。能让大隅良典直观地观察到这个现象的，是酵母细胞内的那些做布朗运动的细胞颗粒，没有这些颗粒的运动，也不会吸引大隅良典长时间关注和研究它们，从而发现细胞自噬。

但是，这还不是细胞自噬的全部内容，也即还不能完全证实细胞自噬。用显微镜观察并证明了自噬现象后，大隅良典要找到产生这种现象的原因，例如发现和确定引发自噬的自噬基因。因为如果自噬基因是灭活的，自噬也不会发生。于是，大隅良典把酵母细胞暴露在一种化学物质下，并随意引入多个基因突变，诱导细胞自噬。在发现酵母自噬现象后的一年内，大隅良典从数千个基因中筛选到自噬基因（ATG），即ATG1。

后来，大隅良典陆续发现了10多个自噬基因，再到近几年，这样的基因已经被其他研究人员发现了40多个。在后来的一系列研究中，由这些基因所编码的蛋白质也从功能层面上被识别。这些研究结果表明，细胞自噬是由一连串的蛋白质和蛋白质复合物所控制，每一个都掌管着自噬体的萌生和形成的不同阶段。

这些发现让大隅良典推论，细胞自噬不只是在酵母细胞中存在，而且在其他动植物的细胞中也存在。1996年，大隅良典到实验条件更好的日本冈崎国家基础生物学研究所进行研究，经过几年的艰苦工作，大隅良典证明，细胞自噬是许多动植物细胞的最基本的功能之一，其主要功能就在于能保持细胞的稳定。

细胞自噬有什么用？

细胞自噬与许多疾病、衰老和生命现象相关。细胞自噬能够控制细胞中重要的生理学功能，细胞中的组分需要被降解并且回收利用，细胞自噬能够快速提供能量并且为细胞组分的回收利用提供基本的构件，同时细胞自噬对于细胞对饥饿及其他压力的反应也至关重要。在机体感染后，细胞自噬能够消灭外来入侵的细菌和病毒，而且细胞自噬对于胚胎发育和细胞分化也非常关键，细胞还能够利用自噬来消除损伤的蛋白质和细胞器，这种细胞内部的质量控制机制对于应对老化带来的副作用也发挥着至关重要的作用。

现在，研究人员发现，干扰自噬作用或许与帕金森病、Ⅱ型糖尿病及其他机体障碍直接相关，自噬基因的突变往往也会引发遗传性疾病的发生，干扰自体吞噬过程既可能治疗癌症，也可能诱发癌症，因此，研究人员正在根据自噬的机理和过程进行更为深入的研究，以开发新型靶向作用的自噬疗法，从而治疗多种类型的疾病。

以癌症治疗为例，美国芝加哥大学的研究人员最近发现抑制细胞的自噬过程能够有效阻断动物肿瘤模型中的乳腺癌细胞转移，因为自噬在肿瘤转移过程中发挥了非常重要的作用。研究人员对患癌小鼠进行研究，敲除了癌细胞中的自噬关键基因ATG5和ATG7，随后在显微镜下观察癌细胞的迁移运动情况，结果发现对照组癌细胞的迁移运动比较活跃，但敲除自噬关键基因的癌细胞不能移动，它们似乎被卡住了。这也意味着利用这一点可以阻止癌细胞的转移。因为，自噬是高度转移性肿瘤细胞运动和侵袭所必须的一个生物学过程。抑制自噬或许是临床上阻断肿瘤转移扩散的一个有效方法。

同时，结合自噬作用也可以让药物治癌（化疗）产生更好的效果。美国科罗拉多大学癌症中心的索伯恩等人最近的一项研究显示，肿瘤受到抗癌药物的攻击时，一些较敏感的细胞死亡，但另一些有抵抗力的细胞存活下来。原因在于这些敏感细胞和抵抗细胞之间存在自噬净化自己的能力不同。

例如，用一种称为IC-50的药物处理癌细胞，50%的癌细胞会死亡，但另外50%的细胞能够存活。为什么有这种差异呢？研究发现，这取决于细胞自噬水平的差异。因为，自噬可以在压力条件下帮助细胞生存，例如分解掉非必需的组分来提供能量，或者降解掉有破坏性的蛋白避免细胞损伤。

因此，自噬水平低的癌细胞在接受药物处理时死亡率会更高。但实际上研究人员发现，癌细胞死亡率的高低不仅依赖于细胞的自噬水平，还取决于抗癌药物的作用机制。根据自噬水平的高低将细胞分组，然后用两种激活细胞死亡受体的药物处理细胞。用第一种药物处理时，自噬水平高的细胞死亡率最高；用第二种药物处理时，自噬水平低的细胞死亡率最高。可见，使用的药物不同，自噬的影响相反。

而且，用一些生物分子激活细胞自噬也能帮助治疗癌症。一项研究发现，肿瘤坏死因子受体（TNFR）的跨膜蛋白通过激活细胞的死亡受体和细胞自噬，使细胞进入程序性死亡（凋亡）。例如，Fas（Apo-1/CD95）和TRAIL就是肿瘤坏死因子受体（TNFR）家族的跨膜蛋白，它们介导细胞凋亡。这一过程是通过激活细胞自噬来完成的，激活细胞自噬后使得细胞的致死率或者上升或者下降，因此Fas和TRAIL介导具体细胞（癌细胞）的凋亡效果是不同的。自噬水平高的细胞对Fas更为敏感，而自噬水平低的细胞对TRAIL更为敏感，从而促使细胞凋亡。最重要的是，研究人员在不同类型的癌细胞中也观察到了类似的差异。

原因在于，一些癌细胞含有FAP-1蛋白，这种蛋白能够降低Fas杀死细胞的能力。但自噬会将这种蛋白降解，从而使细胞对Fas更为敏感。显然，自噬的这种作用只对含有FAP-1蛋白的细胞有效。

这提示，在治疗癌症时可以根据不同癌细胞自噬的机理和过程配以不同的药物，以取得更好的疗效。

最近的研究还发现，自噬与人的肥胖也有关。人体内存在棕色和白色两种脂肪，前者引起肥胖，因为白色脂肪堆积在皮下，负责储存多余热量；但棕色脂肪阻止肥胖，因为棕色脂肪负责分解引发肥胖的白色脂肪，将后者转化成二氧化碳、水和热量，本身不储存热量。所以，棕色脂肪具有减肥功效。

美国加州大学旧金山分校的研究人员最近 在《细胞代谢》上发表的论文指出，自噬介导的线粒体清除是导致棕色脂肪细胞向白色脂肪细胞转变的一个关键调控过程，抑制该过程可以维持棕色脂肪细胞的形态和功能，从而可以让白色脂肪细胞棕色化，找到治疗肥胖或减肥的新方法。

其中的机理是，在撤除外部刺激之后，棕色脂肪细胞会逐步失去形态学和分子特征，直接获得白色脂肪细胞样特征。与此同时，棕色脂肪细胞向白色脂肪细胞转变与线粒体数目下降、自噬增加以及MiT/TFE转录因子介导的溶酶体生成激活有密切关联。自噬途径对于这个转变过程中线粒体的清除至关重要，在脂肪细胞中特异性敲除ATG5或ATG12基因，可以抑制自噬，从而能够阻止外部刺激撤除之后棕色脂肪细胞丧失，由此可以让棕色脂肪细胞维持高产热能力，抵抗人们因饮食诱导的肥胖和胰岛素抵抗。

因此，自噬不仅与疾病治疗有关，也与生命代谢、衰老有关。在自噬的原理充分揭示后，将会引发更多的医疗和药物变革，造福于公众。