LC3和lamins在细胞核自噬中的研究进展

韩晓梦，李冠武

（汕头大学医学院生物化学与分子生物学教研室，肿瘤分子生物学开放实验室，广东 汕头 515041）

0 引言

自噬是真核细胞内非常重要的生理机制之一，是一个保守的、有损细胞蛋白等分子自我降解的系统[1]，在人体正常的生理过程中起着“管家”的作用.它通过粗面内质网的无核核糖体附着区脱落的双层膜包裹着长寿、聚集和错误折叠的蛋白质及受损的细胞器等形成自噬溶酶体，降解其所包裹的内容物，从而调节细胞的增殖、衰老和细胞在应激状态下的稳态平衡[2].

自噬可分为微自噬、巨自噬和分子伴侣介导的自噬（Chaperone-mediated autophagy，CMA）.通常所说的自噬即巨自噬（下文统称为自噬），认为是细胞胞质成分周转的主要降解途径，由自噬体将细胞质成分传递给溶酶体进行降解的过程，此过程涉及到各种疾病[3]，包括癌症、神经退行性疾病、代谢紊乱和微生物感染等[9].微自噬是一个与膜动力学相关的过程，是一个核膜和核质内陷后进入液泡并在液泡内腔降解的过程[4].CMA，是一种选择性的自噬，是自体吞噬的一个亚型，有选择性的将蛋白质进入溶酶体降解.研究发现，CMA缺陷导致错误折叠蛋白的积累已与神经退行性疾病密切相关，但CMA在癌症中的作用尚未阐明[5].

有研究表明自噬在癌症中的作用是复杂的，具有双向性，它既有致瘤作用，又有抑制肿瘤的作用[3].自噬不仅能在营养丰富的条件下维持细胞的稳态，当有高温、饥饿、DNA损伤等应激刺激时，自噬能够帮助细胞抵御这些不良因素，从而维持细胞稳态.反之，自噬的过度激活会导致细胞死亡，即自噬性细胞死亡.多数情况下自噬促进肿瘤生长[6].

MAP1LC3/LC3（microtubul-associated protein 1 light chain 3）是Atg8的同源蛋白，是参与自噬的关键蛋白.已有研究表明，LC3主要在自噬体和自噬溶酶体产生的细胞质中起作用，但LC3在细胞核中含量丰富.在营养丰富的条件下，LC3以乙酰化的形式分布于细胞核和细胞质中.营养剥夺促进了LC3从细胞核向细胞质的再分配.这种重新定位依赖于激活的核去乙酰化酶SIRT1对蛋白的去乙酰化，以及该蛋白与其核相互作用蛋白TP53INP2/DOR的关联.

由此学者们提出一个新的概念：在某些情况下，为了延长细胞寿命和使细胞正常运作，去除受损的或非必要的细胞核部分，甚至整个细胞核，是至关重要的.这就是自噬的另外一种形式，称为核自噬[8]，通过该过程可以用来完成核衍生物的降解.那么，LC3在细胞核自噬中发挥了什么样的作用和机制呢？本文将对最新研究进展做一综述.

1 核自噬的定义

细胞核是细胞进行一系列基因表达相关代谢活动的场所，包括：DNA复制、重组和修复、基因转录、RNA处理和核糖体亚基成熟和组装等.研究表明，细胞核的某些部分可以通过核自噬特异地降解[4]，这引起了学者对核自噬的广泛关注.核自噬首先在酵母中发现，由编码核膜蛋白的基因突变引起的，如LMNs（lamins）、EMD（emerin）等[9].核自噬需要额外的自噬受体，如p62和NDP52，其中含有LC3B识别的位于外自噬体膜的LC3相互作用区域[10].

2 核自噬的类型

核自噬是自噬的一种形式，通过自噬选择性地从细胞中去除核内物质，对机体内环境稳定至关重要.它可以分为微核自噬、宏核自噬、巨核自噬和非常规核自噬[11].这几种类型均包括非选择性和选择性过程.

2.1 微核自噬

微核自噬（piecemeal nucleophagy,PMN）是一种自噬形式，最初被定义为溶酶体（空泡）膜动力学，直接包裹和运输胞质成分到溶出细胞器的腔内.非选择性微核自噬的机制及其生理作用尚不明确.这种类型的微核自噬不直接依赖于参与选择性微自噬或大自噬类型的细胞成分.相比之下，选择性微核自噬用于线粒体、部分细胞核和过氧化物酶体.在这种情况下，核内含物被液泡膜吸收并直接隔离，随后的内凹或突出/分隔导致核内含物进入液泡腔[12].微核自噬的分子细节直到在酵母中进行的基因研究确定了该过程所需的一组蛋白质才逐渐清晰[13]，核心的大自噬因子Atg3、Atg5、Atg8、Atg12和Atg16是有效PMN的必要自噬成分[9].微核自噬的主要功能是维持细胞器的大小、膜的稳态和细胞在氮限制下的存活[14].已经证明在没有自噬小体形成的情况下，酵母中核成分的消化是通过微自噬发生的，或者是通过片段性微自噬，或后期的噬核（late nucleophagy，LN）[10].

2.2 宏核自噬

宏核自噬是一种常见的类型，主要以降解方式起作用的进化保守的动态途径.大自噬的基础水平是组成性的，但这一过程可以在饥饿、缺氧和激素刺激等各种压力下进一步诱导[15].在宏核自噬中，自噬体将核源物质隔离，随后与液泡或溶酶体融合，导致其内容物降解[8].核自噬体的产生过程可能类似于利用核膜的胞吐过程.用于封装所述核内含物的隔离膜在核膜附近形成.由于LC3B自噬蛋白的活性形式LC3B-Ⅱ存在于细胞核中，所以LC3B-Ⅱ参与了核自噬体的形成.在酵母中也发现了巨噬细胞吞噬，atg39介导的选择性宏核自噬可以降解酵母的部分细胞核.Atg39在发育中的自噬体膜上与Atg8结合，使部分核内含物被封装到自噬体中[9].

2.3 巨核自噬

巨核自噬是嗜热四膜虫的一种特殊类型的核自噬.四膜虫的程序性核死亡（Programmed nuclear death，PND）是偶联过程中一个独特的过程，在这个过程中只有亲本大核被降解，然后从子代细胞质中消失，而其他共存核如新微核和大核则不受影响.考虑到PND在纤毛虫废弃细胞器的周转和下一代的产生等方面的重要作用，通过自噬消除的PND有望得到严格控制.患PND的细胞核膜中脂质和蛋白的总体组成和分布与未患PND的细胞不同.这种与PND相关的分子改变促进了核膜与溶酶体的相互作用.消化囊泡随后与核膜融合，释放其内容物（如酸性酶）进入细胞核.通过这种方式，亲代大核经历了大自噬介导的降解[16].

2.4 非常规核自噬

在酵母中观察到的LN可能是一种非常规的噬核过程，是一个不同于PMN的过程，已被提出发生在酵母.LN在没有Nvj1和Vac8的情况下发生，不需要Vps30/Atg6或Atg11.并且，LN的抑制伴随着细胞核的形态学改变.这就是LN与PMN不同的地方.功能性Atg8和Atg10蛋白对于高效LN至关重要[8].也有学者将LN归类于微核自噬.

3 核自噬的机制

3.1 酵母中的核自噬

核自噬现象首先是在酵母中发现的.在酵母中有两种类型的核自噬.（1）酵母细胞核的PMN是一种典型的微噬形式.在酵母中，微自噬参与了多种底物的降解，包括过氧化物酶体（一种称为微自噬的过程，历史上描述的酵母微自噬的第一种形式）[17].PMN经历了一系列形态上明显的变化，外核膜中的Nvj1与空泡膜中的Vac8相互作用产生接触的核仁-空泡连接，使小片细胞核被隔离在空泡膜内，发生内陷降解.Vac8与Nvj1相互作用，Nvj1招募至少2个蛋白质，Tsc13和Osh1，到NV连接形成自噬体膜.核成分最终在空泡腔内降解.（2）atg39介导的选择性大自噬降解酵母部分细胞核[4].在酵母中，PMN可以发生在营养丰富的条件下，也可以发生在短时间的氮饥饿之后[10].除此之外，LN也被归类为微自噬过程，因为核物质的递送不涉及自噬体结构[8].

3.2 哺乳动物的核自噬

在哺乳动物中，也存在两种类型的核自噬.（1）将被降解的核材料通过类似于胞吐的过程进行封装.封装后的核材料将经历自噬降解过程.LMNB1与LC3B相互作用，可能诱导了核自噬体的形成[9].（2）微核自噬.基因毒性可导致受影响细胞产生某些微核，这些微核含有受损的染色体片段.微核可以通过自噬被隔离和降解[9].

4 核膜在核自噬中的重要性

细胞核由两个部分组成，一是核膜（nuclear envelope，NE），二是核片层，由位于NE内表面的lamin和与lamin相关蛋白（如emerin）构成的中间丝组成[4].NE是一种高度可调的膜屏障，是真核细胞的一个标志，它将真核细胞的细胞核与细胞质分开，包裹着核基因组.NE由外核膜和内核膜组成，含有大量不同的蛋白质，这些蛋白质参与了染色质的组织和基因调控[18].已有研究表明，染色质和核膜是核自噬的靶点.在核自噬过程中，核成分从细胞核中伸出，微核或小核随后在细胞质中形成，靠近核膜进行降解.利用DNA和/或组蛋白标记可以很容易地检测到这些微核.为了检测它们的自噬降解，自噬机制（即LC3B-II蛋白应该出现在微核中，微核逐渐成熟成为自噬体（可能通过与从头开始的自噬体融合）.这些含核成分的自噬体最终与溶酶体融合形成自噬体[9].现已证明，核自噬是由编码核膜蛋白的基因突变引起的，如lamins、emerin等，表明核膜除了是自噬的靶点外，还可能参与自噬体膜的形成，在核自噬中起关键作用.LC3B与核膜降解的laminB1相互作用可能驱动细胞衰老并抑制肿瘤的发生[19].因此，核自噬可以作为一种保护机制，抑制肿瘤的发生.

5 LC3在核自噬中的机制和作用

核自噬的调控分为两方面，一是转录调控.二是LC3B/Atg8是自噬底物传递和膜转运的关键调控因子[9].

自噬体蛋白多定位于细胞核.自噬的关键调控因子是LC3，而LC3B定位于细胞质和细胞核，与核相关的LC3B蛋白主要以LC3B-Ⅱ的形式存在.LC3在细胞核和细胞质之间循环，在饥饿期间通过核去乙酰酶Sirt1去乙酰化在细胞核中选择性激活.Sirt1使LC3在K49和K51处去乙酰化，使LC3能够与核蛋白DOR相互作用，并与DOR一起返回到细胞质中，在那里它能够与Atg7和其他自噬因子结合，并通过磷脂酰乙醇胺偶联到预自噬膜.去乙酰化的LC3与自噬因子的结合使LC3的分布从细胞核向细胞质转移.因此，乙酰化-去乙酰化循环确保LC3以活化的形式从细胞核重新分布到细胞质，在细胞自噬过程中发挥核心作用，使细胞能够应对外界营养物质的缺乏[20].研究发现约有500个LC3B潜在互作蛋白，其中三分之一与核成分和途径相关，因此了解LC3B的互作蛋白对核自噬有重要作用，这提示了核自噬调节机制的复杂性[9].

Lamin是维持核完整性所需的内核膜蛋白，LaminA和LaminB1均在核膜上表达[21].

现阶段认为，lamin B是一种自噬底物.具体来说，在细胞受到外界刺激后激活EGFR等信号通路时，KRAS被活性EGFR等酪氨酸激酶磷酸化后短暂活化，活化后的KRAS可以激活该信号通路中的下游信号蛋白，再通过LC3相互作用区域（LC3 interaction region，LIR） 直接诱导核LC3和lamin B1相互作用.LC3与lamin B1和异染色质结构域一起被运输到细胞质中进行自噬降解.重要的是，饥饿或雷帕霉素处理对mTOR的抑制不会引起依赖LC3的lamin B的降解，这突出了核自噬的选择性.因此，致癌作用导致了lamin B的下调，ATG7的耗竭或lamin B LIR域的突变导致了lamin B的降解停止，同时导致细胞周期停滞和细胞衰老.DNA损伤本身促进了LC3的上调，在核芽或小斑点（荧光中特定的点）中也发现了DNA的损伤，自噬或Dnase2a缺乏导致的核外DNA也增加了LC3.因此，DNA损伤也可以促进细胞衰老[10].

Lamin A/C也是一种选择性的核自噬底物.研究表明，经可致DNA损伤的药物处理后，通过检测LC3以及泛素结合受体蛋白p62/SQSTM1在全细胞及核提取物中的含量发现，在全细胞和核提取液中，LC3B-II均出现了剂量和时间依赖的积累，泛素结合受体蛋白p62/SQSTM1的水平也呈剂量和时间依赖性下降，该现象即细胞在DNA发生损伤时的反应.在DNA损伤过程中，lamin A/C显著下调.免疫沉淀结果显示，在DNA损伤后，LC3在细胞核中与lamin A/C相互作用，而非lamin B1和B2，免疫荧光结果显示，LC3与lamin A/C、LAMP1共定位，核DNA外泄.上述结果表明LC3-lamin A/C相互作用可能促进核吞噬作用，从而介导lamin A/C降解和核DNA外泄[18].当核自噬基因ATG5或ATG7敲除后，与LC3共域化消失，证实染色质和LC3阳性结构确实是自噬体[14].此外，lamin A/C与SUMO E2蛋白UBC9之间的相互作用，这表明lamin A/C可能是UBC9介导的一个苏酰化靶点.UBC9-SUMOylated（类泛素化）lamin A/C可以促进自噬蛋白LC3与核膜蛋白lamin A/C相互作用，以应对DNA损伤[22].

6 小结

自噬是一个从单细胞真核生物（如酿酒酵母）到高等哺乳动物（如人类）的进化保守的降解过程.自噬是把双刃剑，一方面能维持机体内环境稳态，另一方面却与某些疾病的发生发展相关.在应激状态下，如营养缺乏或病原体感染时，自噬可以上调.自噬在癌症中可以作为一个抑制过程，通过消除活性氧（ROS）损害的细胞器，防止癌症的形成.自噬还可以通过向营养不良的肿瘤提供营养物质来促进癌症的进展[23].

除了传统意义细胞质中的自噬，还有核自噬，即在某些情况下为了延长细胞寿命和使细胞正常运作，去除受损的或非必要的细胞核部分，甚至是整个细胞核.细胞核是真核细胞的中心细胞器，其存在的理由是维持和表达基因组.维持细胞核结构和组织对大多数细胞类型的活力至关重要[6].在哺乳动物中，在病理环境中观察到不同类型的巨噬细胞吞噬，如癌症和神经变性.迄今为止，致癌应激和神经退行性变一直是与疾病相关的噬核行为的诱因，因此研究哺乳动物是否存在一种生理上的噬核现象是至关重要的.而LC3可能和核自噬有着紧密的联系.目前还有许多未解决的问题，希望未来我们对噬核机制和生理意义的理解上取得重大进展.核自噬的生理和病理意义的研究将有助于阐明多种人类疾病的发病机制，并将促进涉及核自噬的有效治疗策略的发展.