细胞自噬作用及其在相关疾病中的重要生理意义—— 2016 年诺贝尔生理学或医学奖解读

牛超，金利泰

·综述·

细胞自噬作用及其在相关疾病中的重要生理意义
—— 2016 年诺贝尔生理学或医学奖解读

牛超，金利泰

“自噬”的概念最早在 1963 年首先被提出，但受限于当时的研究条件，人们对自噬的具体机制一直所知甚少。直至 20 世纪 90 年代早期，随着大隅良典（Yoshinori Ohsumi）利用面包酵母定位了细胞自噬的关键基因并阐释了酵母细胞自噬发生的机制，细胞自噬这一现象逐渐进入科学家们的视野并成为当前生命科学最热的研究领域。2016年的诺贝尔生理学或医学奖颁发给了这位日本科学家，以表彰他在阐明细胞自噬的分子机制和生理功能上的开拓性研究。

1 细胞自噬的概念及分类

早在 20 世纪 50 年代，比利时科学家克里斯蒂安·德迪韦（Christian de Duve）就观察到了细胞内存在着一种日后被命名为自噬小体（autophagosome）的双层膜囊状结构，并在 1963 年的溶酶体国际会议上，德迪韦首次使用了自噬这一合成词来描述自噬小体与溶酶体结合进而降解胞内“货物（cargo）”的生理过程。

自噬一般被分为以下三种：①巨自噬（macroautophagy）：当细胞接受自噬诱导信号（饥饿、生长因子、应激以及自噬诱导剂如雷帕霉素刺激）后，在胞浆的某处形成一个小的双层膜结构，被称为吞噬泡（phagophore）。随着双层膜不断延展，并逐渐包裹细胞浆中受损的细胞器、错误折叠的蛋白质等，形成自噬体（autophagosome），并最终与溶酶体融合形成自噬溶酶体（autophagolysosome），而自噬体及它所包裹的“货物”也随之被降解[1]。②微自噬（microautophagy）：细胞溶酶体膜主动包裹长寿命蛋白质，并将其在溶酶体内直接降解[2]。③分子伴侣介导的自噬（chaperone-mediated autophagy）：分子伴侣如热应激同源蛋白 70（heat shock cognate protein of 70 kD，HSC70）通过特异识别底物蛋白质分子的特定氨基酸序列并形成分子伴侣-底物复合物，随后与位于溶酶体膜上的受体如 Lamp2 结合后，底物去折叠，在另外一种分子伴侣介导下，底物在溶酶体膜转位，进入溶酶体腔后被分解[3]。在人体内以巨自噬最为常见，故本文将重点综述调控巨自噬发生的分子机制及其在相关疾病中的重要角色。

2 大隅良典对自噬领域发展的巨大贡献

2.1 酵母细胞中自噬现象的发现

尽管早在 19 世纪 60 年代，自噬就进入了人们的视野。但由于自噬过程本身的动态性以及复杂性，一直以来科学家们对自噬过程的观察只能借助于电子显微镜，对调控自噬的具体信号通路及分子机制并不知晓。直到 19 世纪70 年代，大隅良典教授从美国回到东京大学，开始从事酵母液泡内蛋白质具体降解机制的研究。受限于酵母细胞本身的体积太小，而另一方面蛋白质的降解是一个快速的过程，当时的显微技术不足以支撑酵母液泡内蛋白质降解机制的研究。因此，大隅良典教授无法证实自噬机制同样存在于酵母液泡内。基于此问题，大隅良典教授突破性地提出假如自噬过程最后的降解能被阻断，那么自噬小体将会大量累积在酵母液泡中，而自噬现象将有可能被观察到。到 19 世纪90 年代，大隅良典教授构建了蛋白降解酶缺失的酵母突变株，并采用经典的饥饿途径诱导自噬的产生。实验结果是令人振奋的，短时间内液泡内就累积了大量的无法被降解的自噬小体，这是自噬现象首次在酵母细胞中被揭示[4]。

2.2 自噬基因的发现

基于上述研究成果，大隅良典教授大胆设想，自噬过程一定是由一系列相关基因调控的，而如果其中某一关键基因发生突变，就将导致自噬过程不能顺利进行，那么在酵母突变株中研究者们将在饥饿条件下观察不到或观察到远少于非突变株的自噬小体。因此，为了揭示调控酵母细胞自噬过程的一系列自噬相关基因，利用上述构建的蛋白降解酶缺失的酵母突变株，大隅良典教授采用一种特定的化学物质暴露酵母细胞，随机诱发多种基因的突变，随后同样采用饥饿诱导自噬。经过大范围的遗传筛选，在酵母自噬现象被发现一年内，大隅良典教授就揭示并克隆出了第一个调控酵母自噬的关键基因，并将其命名为 Atg1（autophagy related gene 1）[5]，随后越来越多的 Atg 基因被揭示。随着对这些基因的克隆以及相关功能的研究，大隅良典教授发现这些基因在自噬发生的不同阶段产生各自的关键作用，有的位于自噬信号的顶端，感知酵母细胞能量状态的改变；有的位于自噬小体的形成阶段，促进自噬小体对酵母细胞内“货物”的包裹；有的则与自噬小体的膜状结构相关。大隅良典教授对于一系列自噬相关基因的阐明，揭示了酵母细胞循环利用自身物质的基本生理过程，为后人的研究奠定了坚实的分子理论基础。

2.3 自噬领域的研究进展

自噬领域发展到当今的程度，大隅良典教授的贡献功不可没，但这个领域其他杰出科学家们也同样做出了卓越的贡献。大隅良典教授的弟子水岛昇（Noboru Mizushima）教授在此前研究的基础之上，成功揭示了 Atg12 偶联的分子机制及其在自噬过程中的重要作用，并发现人类的 Atg12 同源基因[6]；另一位学生吉森保（Tamotsu Yoshimori）教授则发现了酵母自噬的标志基因 Atg8 在哺乳动物体内的同源基因 LC3[7]，并提出了基于 LC3 含量变化的经典自噬水平检测手段，并被后续的自噬研究者们广泛使用。

美国密歇根大学的丹尼尔·克利昂斯基（Daniel Klionsky）教授实验室详细研究了氨肽酶（aminopeptidase I，ApeI）在酵母细胞中被运送到液泡内的具体机制，研究证实ApeI 同样是被一种类似自噬小体的膜结构包裹并运输到液泡中的[8]，与此同时揭示了一些与该过程紧密相关的基因，而其中某些基因与大隅良典教授在酵母细胞中发现的自噬相关基因相同。美国西南医学中心的贝丝·莱文（Beth Levine）教授则是第一次开创性地将自噬的机制引入具体疾病中，她揭示了自噬基因 beclin 1 的缺失将导致人类乳腺癌等肿瘤的发生[9]，从而使人们首次意识到自噬不仅仅是机体的基本生命活动，更与疾病的发生发展有着紧密的联系，该研究成果极大地促进了自噬领域向转化医学的发展。

大隅良典教授研究的酵母是单细胞生物，而多细胞生物的自噬机制一定比单细胞的酵母更为复杂，势必需要更多的调控阶段以及更多的自噬相关基因参与。张宏研究员利用线虫，构建了多细胞生物自噬研究的模型，并经过大范围遗传筛选揭示了一系列多细胞生物特有的自噬相关基因[10]，使人们更为清晰地认识了多细胞生物的自噬过程。清华大学俞立教授对溶酶体新生的研究[11]，陈烨光教授对自噬信号传导的揭示[12]，以及中科院动物所陈佺研究员对于线粒体选择性自噬机制的揭示同样也极大促进了自噬领域的进展[13]。随着研究者们对自噬领域研究的不断深入，我国有越来越多的青年学者意识到自噬的重要性并将为自噬领域的发展做出自己的贡献。

3 细胞自噬有什么用？

随着对自噬领域研究的不断深入，研究者们逐渐意识到自噬与衰老、疾病的发生发展以及多种生命现象息息相关。作为细胞内部重要的质量控制机制，自噬异常会导致人体一系列疾病的发生。大隅良典教授在多次会议及采访中都强调了基础研究对于转化医学的重要意义。因此，探讨疾病发生和发展过程中细胞自噬的信号传导通路以及调控机制，深入研究自噬在机体内所发挥的细胞生物学作用，对于阐明疾病发生机制、开发以调控自噬为主要机制的相关药物具有重大意义。

3.1 自噬与心肌梗死

由于心肌梗死的发生机制复杂，因此如何利用细胞本身的内源性保护机制使损伤降到最小成为当今心肌梗死治疗研究的热点[14]。最近研究揭示，在心肌梗死发生发展的过程中，细胞自噬与其密切相关。研究证实心肌梗死 1 周后，在梗死区域的边缘观察到自噬体标记物 LC3-II、p62 和组织蛋白酶 D 蛋白水平的明显上调，并于心梗 3 周后形成自噬体[15]。细胞自噬对于心脏来说不仅只是一种基础的生理反应，更是对缺血、慢性缺氧等多种应激条件的适应性调节反应，对维持缺血状态下心肌的正常结构和功能具有重要意义[16]。一方面，当心梗条件下心脏的血液灌注减少时，心肌细胞由于代谢原料不足处于饥饿状态致使能量代谢异常，从而无法支撑心脏功能的正常运转。在此情况下，心肌细胞内适度的自噬发生可以增加 ATP 的生成，维持心肌能量代谢，从而避免由于能量缺失导致的心脏代偿性的器质性病变；另一方面，在持续性心肌缺血过程中，在细胞质中大量累积的错误折叠、丧失功能的蛋白质和破损、衰老的细胞器是引起心肌肥大、动脉粥样硬化等多种心血管疾病的罪魁祸首，而细胞自噬对于上述物质的及时清除可预防心梗后心室重构的发生。已有文献证实使用雷帕霉素诱导心肌细胞自噬，可有效抑制左心室重构，减小心肌梗死面积并增加内质网应激和恢复细胞内能量供应，从而发挥心肌细胞保护作用。而自噬溶酶体抑制剂巴弗洛霉素 A1（bafilomycin A1）则显著加重梗死后的心功能不全和心肌重构。以上研究结果证实细胞自噬作用在心梗的发生发展过程中扮演着重要角色。

3.2 自噬与帕金森病

线粒体功能发生障碍被认为是帕金森病的重要致病机制之一。研究者们已经鉴定出了多种帕金森致病基因编码的蛋白参与调控线粒体自噬过程[17-18]。其中，PARKIN 具有E3 泛素连接酶活性，PINK1、PARKIN 两个蛋白相互作用，共同招募自噬相关蛋白到线粒体，从而诱发线粒体自噬的发生[19]。DJ-1 对于维持应激状态下的线粒体正常形态有着重要的意义。α-synuclein 则通过抑制线粒体融合的发生，影响线粒体正常分裂功能；另外，该蛋白通过影响自噬小体的形成，最终导致功能损伤的线粒体因自噬介导的降解机制缺失而大量累积。这些蛋白相互联系，共同行使功能，协同调节线粒体自噬的发生[20]。

3.3 自噬与 II 型糖尿病

II 型糖尿病（T2DM）多由肥胖、高热量饮食、活动不足导致的能量失衡所致，其与胰岛素抵抗、高胰岛素血症息息相关[21]。作为机体内的防御机制，自噬过程能够清除老化或失能细胞器导致的内质网应激或氧化应激。因而，自噬和 T2DM 密切相关[22]。在诸如 ob/ob 鼠、db/db 鼠、Akita等不同 II 型糖尿病模型小鼠的 β 细胞内，研究者均发现了作为自噬标记物 LC3-II 蛋白水平的显著增加[23]。同时，在 T2DM 患者 β 细胞中发现了自噬囊泡的大量堆积。

体内研究证明，胰岛素抵抗状态下的血清自由脂肪酸出现了增加[24]；体外实验中，自由脂肪酸能够诱导 β 细胞自噬增加[25]；而在自噬被阻断的模型中，自由脂肪酸诱导的细胞死亡明显高于自噬水平正常的组别。这些研究结果提示胰岛素抵抗状态能够激活自噬过程，因此，自噬能够作为一种保护机制，清除胰岛素抵抗产生的过多的蛋白及损坏的细胞器。ATG7f/f小鼠在高能量喂养后，糖耐量较正常组出现了显著降低，β 细胞出现了明显的退化性改变[26]。高糖会诱导内质网应激、氧化应激、炎症的产生，同时，高糖会激活自噬通路从而保护 β 细胞使其免受氧化应激的损伤。此外，自噬过程能够清除积聚的泛素化蛋白，下调炎性基因，保护 β 细胞免受炎症损伤。上述研究结果在一定程度上证实了自噬过程与糖尿病情况下的胰岛素抵抗，炎性反应及各种应激息息相关。

3.4 以自噬为靶点的药物研发

大量研究证实，心脑血管疾病、衰老、神经退行性疾病、肿瘤、糖尿病等很多疾病的发生、发展过程都存在明显的自噬功能障碍。因而，靶向不同疾病中自噬功能障碍的药物研发正在成为药物研发的热点领域。但同时，自噬和各种疾病之间的机制研究并未完全阐明，自噬和疾病的发病过程存在“双刃剑”的相互作用关系，这也提示我们，以调节自噬作为药物靶标的潜在药物研发需要研究者们权衡各方面的因素。目前，研究者已经发现了具有治疗肿瘤和神经退行性疾病作用的雷帕霉素；治疗糖尿病的二甲双胍；治疗癫痫的卡马西平等，这些药物发挥积极作用可能是由于自噬过程参与调节了相关疾病。目前，具有活化或抑制自噬的现存药物的作用机制也在不断地深入探究，逐步完善中，为临床应用提供更充分的理论依据，也期待发现它们的新适应证。

4 结语

细胞自噬“autophagy”源自希腊词语“auto-”和“phagein”，前者意思是“自我（self）”，后者的意思是“去吃（eating）”，表面来看“自噬”表示的字面意思是“自己吃掉自己（self-eating）”，其实细胞自噬是一种胞内成分自我降解并被机体循环利用的过程。

自噬作用除了在上述疾病中起到重要作用外，在延长机体寿命方面也起到积极的作用。通过禁食手段诱导的自噬被证实能够在一定程度上延长模型组动物的寿命，因而适当的降低饮食量、控制暴饮暴食被视为一种健康的生活方式。巧合的是，这一点与道家特有的养生方法“辟谷”不谋而合。“辟谷”即不食五谷杂粮，也称“却谷”、“绝谷”、“绝粒”、“休粮”、“清肠”，我们的祖先当时虽然不知道自噬作用，但却早已通过自身的智慧将这一机制自觉运用于养生之中。自噬还能调节自身的免疫系统，促进病原体的清除、抗原呈递，并维持 T 细胞稳态，因此当机体免疫系统出现缺陷以致无法及时清除机体异物（包括病原体、肿瘤细胞、病毒等）从而导致疾病的产生时，适度的调控自噬的激活或失活是一种极具潜力的治疗手段。然而，我们需要注意的是自噬作用是一把“双刃剑”。“阴阳之在人，均则宁，偏则病，无过、不及之谓均，过与不及之谓偏。盛则过矣，虚则不及矣。”过盛的细胞自噬会引起胞内成分过度降解，从而导致细胞自噬性死亡；自噬水平不足则会导致胞内受损的细胞器或长寿命蛋白因无法被顺利降解而堆积，从而引起细胞功能失常。可见，“过犹不及”是中医病因学最基本的观点之一，即指出疾病发生发展的根本原因就是人体机能的太过与不及，因而依据疾病的虚实病机，适当地促进或抑制机体自噬对于疾病的治疗有着重要的意义。

作为全球最具权威性和影响力的奖项，诺贝尔奖对科技的发展有着显著的引领作用。大隅良典教授的研究更新了人们对于细胞物质循环所持有的陈旧观点，开启了科学家们揭示细胞循环自身内容物的新纪元，为认知机体内很多生理病理过程铺平了道路。

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国家卫生计生委印发预防接种工作规范和国家免疫规划儿童免疫程序及说明（2016年版）

为配合《疫苗流通和预防接种管理条例》的贯彻实施，国家卫生计生委组织编写了《预防接种工作规范（2016 年版）》和《国家免疫规划儿童免疫程序及说明（2016 年版）》，现印发给各省、自治区、直辖市卫生计生委，新疆生产建设兵团卫生局，中国疾病预防控制中心遵照执行。

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国家发展改革委印发《“十三五”生物产业发展规划》

为贯彻落实《中华人民共和国国民经济和社会发展第十三个五年规划纲要》和《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划》，进一步夯实生物产业创新基础，促进现代生物技术更多惠及民生，着力打造生物经济新动能，国家发改委会同有关单位组织编制了《“十三五”生物产业发展规划》。

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10.3969/j.issn.1673-713X.2017.01.009

国家自然基金面上项目(81371753)

325000 温州医科大学药学院

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2017-01-05