初级纤毛与自噬的关系研究进展

陈珏蓉综述，郭佳男, 何 苇审校

0 引 言

初级纤毛是一种以微管为基础的细胞器，突出于细胞表面并投射到细胞外环境中，起到细胞感受器的作用[1]。该细胞器可感知细胞外机械和化学信号变化，并可通过介导多种分子信号通路将信息传导至细胞内[2]。初级纤毛的纤毛膜富含多种信号受体，如Hedgehog (Hh)、Wnt、PDGF和Ca2+通道等[3-5]，因此，初级纤毛的生长异常和功能缺陷会导致多个信号通路的传导障碍而引起多种遗传性疾病，一般统称为纤毛病[6]。自噬是一种高度保守的代谢过程，用于降解损伤的细胞器、蛋白质和细胞质组分[7]，目前普遍认为，自噬对维持细胞内稳态具有重要作用，自噬功能障碍会导致变异的蛋白质和细胞器大量积累，进而干扰正常的细胞功能，导致多种自噬相关疾病的发生[8]。初级纤毛和自噬是维持细胞内稳态所需的两种不同的适应机制，对它们之间的关系进行深入研究可加深我们对人类疾病发病机制的了解。本文就初级纤毛与自噬的关系的研究进展作一综述。

1 初级纤毛的构成与功能

初级纤毛由以微管为基础的核心结构轴突组成，轴突由基体成核，被与细胞质膜相连的纤毛膜包围，基体则由中心体的母中心粒形成[9]。轴突与胞内其他部分被过渡区(transiton zone, TZ)所分离，TZ是一个高度有序的纤毛亚区，其分子结构类似于核孔，可筛选进出纤毛的相关蛋白[10]。

每个细胞只有一根初级纤毛，相较于动纤毛而言，初级纤毛缺乏运动所需的2个单中心微管和动力蛋白臂，因此初级纤毛缺乏合成其自身组装和维持所需蛋白质的能力，故需要依赖于纤毛内转运(intraflagellar Transport, IFT)家族蛋白来进行物质转运。IFT蛋白不仅负责调控初级纤毛内物质的双向转运，还负责介导细胞质与初级纤毛之间各种信号分子的传递及交换运输。根据生化特性和运输方向的不同，IFT蛋白被分为两大类，即IFT-A复合体和IFT-B复合体[11]。其中IFT-A复合体在Dynein-2的驱动下主要介导由纤毛顶部向基底部的逆向转运(retrograde)，而IFT-B复合体在kinesin-2的帮助下主要介导由纤毛基底部向顶部的顺向转运(anterograde)[11]。由于初级纤毛必须通过IFT蛋白介导信号分子蛋白的转运，因此IFT中任何一个蛋白的缺失都有可能导致初级纤毛异常，从而出现多种发育和细胞信号缺陷，形成纤毛相关疾病，如神经退行性疾病，肥胖，失明、多囊肾，多指畸形、癌症及代谢紊乱等[6]。

2 自噬的分类及原理

自噬(autophagy)是一个高度保守的细胞内过程，在这个过程中，错误折叠或受损的蛋白质及变异的细胞器被隔离到称为自噬体的双膜结合囊泡中[7]。在哺乳动物中自噬主要有3种类型：①微自噬(microautophagy)，即细胞质内容物通过溶酶体膜的内陷直接被溶酶体吞噬；②分子伴侣介导的自噬(chaperone-mediated autophagy, CMA)，即一部分带有特定氨基酸序列(KFERQ-模式)的胞质蛋白被热休克蛋白70(heat shock protein of 70, Hsp70)识别，并在溶酶体中选择性降解；③巨自噬(macroautophagy)，即先形成称为自噬体(autophagosome)的双膜囊泡，将蛋白和其他细胞质成分隔离并运送到溶酶体[12]。

自噬是由“自噬相关蛋白”完成的过程，其分为四个阶段:起始阶段、囊泡成核阶段、自噬体延伸阶段和溶酶体融合阶段[13-14]。自噬起始于自噬启动激酶unc-51样自噬激活激酶1(unc-51-like autophagy activating kinase 1, ULK1)复合物的激活，一般情况下，增加腺苷酸活化蛋白激酶(adenosine monophosphate activated protein kinase, AMPK)的活性和/或抑制哺乳动物雷帕霉素靶蛋白复合物1(mammalian target of rapamycin complex, mTORC1)的活性可激活ULK1复合物。正常生理状态下，细胞自噬水平受到控制，mTORC1抑制ULK1的激活并破坏AMPK和ULK1的结合；相反，在自噬刺激下，激活的AMPK可抑制mTORC1的活性从而激活ULK1复合体[14]。当激活的ULK1复合物迁移到自噬体形成位点(包括内质网-线粒体接触位点、质膜、初级纤毛本身及内质网-高尔基体)时[16-19]，成核阶段开始。在自噬体延伸阶段，微管相关蛋白1轻链3(microtubule-associated protein 1 light chain 3, LC3)前体与自噬相关基因4(autophagy related gene, Atg4)作用，形成 LC3Ⅰ，后在Atg7(E1样酶)和Atg3(E2样酶)作用下与磷脂酰乙醇胺(phosphatidylethanolamine, PE)共价连接成为脂溶性的LC3-Ⅱ-PE，随后参与自噬体的延伸[20]。最后，自噬体与溶酶体融合，促进自噬体内被隔离物质的降解[21]。

3 初级纤毛与自噬的关系

3.1 初级纤毛调控自噬的表达目前已有研究证实了自噬和纤毛形成之间存在相互作用。如Pampliega等[17]观察到大量ATG蛋白定位于初级纤毛主要成核的基底体和轴丝，同时发现在饥饿诱导条件下，自噬的激活及自噬体的增加与依赖于初级纤毛传导的Hh信号的激活相关，这提示可能是初级纤毛介导的自噬启动机制。且在血清饥饿期间几种ATG蛋白被募集至初级纤毛基底部的现象已被证实[17, 22]。近年来国内有研究者使用无血清培养基来诱导初级纤毛的表达，结果显示当初级纤毛的表达率上调时，可促进软骨细胞的自噬水平以及自噬相关标志物卷曲螺旋/肌球蛋白样bcl2结合蛋白1(bcl-2 interacting myosin/moesin-like coiled-coil protein 1, Beclin1)、IFT88和LC3的表达，同时纤毛长度延长。反之，用水合氯醛破坏纤毛结构后，初级纤毛的表达率下调，同时降低软骨细胞的自噬水平以及Beclin1、IFT88和LC3的表达，表明在软骨细胞中存在初级纤毛和自噬的共表达关系，且初级纤毛的变化可调控细胞自噬的程度[23]。该课题组在另一项研究中给予软骨细胞不同强度的应力刺激，发现中低强度应力刺激不仅可以促进对初级纤毛的形成及IFT88的表达，同时也对自噬体的形成具有正调控作用，而高强度应力刺激则具有负调控作用，该研究还发现应力刺激可通过初级纤毛-ERK-mTOR信号轴来调控自噬的表达[24]。此外，在一项对肾上皮细胞分化的研究中发现，通过抑制mTOR信号(一种特征良好的内源性自噬抑制因子)，可以恢复因纤毛形成受阻而导致的基础自噬减少。在这项研究中，Wang等[25]使用肾上皮HK2细胞(IFT88基因被敲除)和C13细胞(具有短纤毛的肾上皮细胞)进行研究，发现在这两种缺乏纤毛或短纤毛的细胞中mTOR通路被高度激活，自噬的基础水平均受到抑制。而用雷帕霉素(自噬激活剂)处理后，这两种类型的细胞都能恢复自噬的基础水平，这表明纤毛形成对基础自噬具有积极的调节作用。

3.2自噬调控初级纤毛形成及长度目前的研究表明初级纤毛与自噬存在双向调控，且初级纤毛形成及长度变化与自噬活性的变化直接相关[17, 26-27]。Pampliega等[17]发现在营养正常的情况下，细胞内可通过基础自噬降解IFT20来抑制纤毛形成并使纤毛长度缩短，而用血清饥饿诱导自噬时，可激活依赖于初级纤毛传导的Hh信号通路，进而促进纤毛形成，同时恢复纤毛长度。而Tang等[26]发现在血清饥饿条件下的野生型小鼠胚胎成纤维细胞中，中性粒随体蛋白1 (oral-facial-digital, OFD1)表达下调，而在自噬缺陷的细胞中OFD1的下调也可恢复血清饥饿诱导的纤毛形成和纤毛长度，提示饥饿诱导的纤毛形成需要OFD1介导的自噬降解。

国外有研究表明，初级纤毛与自噬之间的相互作用涉及mTOR通路和泛素-蛋白酶体系统，同时证明了自噬对纤毛具有正调控作用[25]。即在无血清/无葡萄糖的RKRB培养基、含海藻糖培养基及含BECN1肽培养基诱导的自噬激活可增加纤毛长度；而使用3-甲基腺嘌呤(3-Methyladenine, 3-MA)(自噬早期抑制剂)和(自噬晚期抑制剂)抑制自噬可减少纤毛长度。同时，该作者在使用3-MA抑制HK2细胞中的纤毛基础上加入MG132(蛋白酶体抑制剂)后，发现该过程逆转了由3-MA处理引起的纤毛长度缩短。综上所述，mTOR途径和蛋白酶体系统分别参与了自噬与初级纤毛这两个过程并在纤毛和自噬的相互调节中起着不同的作用。最近，Park等[28]研究了自噬和初级纤毛在皮质发育局灶性畸形发展中的作用。该研究结果表明，激活mTOR突变的大脑体细胞，可导致自噬受损及OFD1蛋白的积累，从而减少神经元的纤毛形成。Liu等[29]还深入研究了初级纤毛与自噬相互作用的转录控制。研究表明，过氧化物酶体增殖因子活化受体A(peroxisome proliferator activated receptor alpha, PPARA)的药理激活促进了纤毛形成，还诱导自噬基因的表达，并激活哺乳动物细胞的自噬。相反，核受体亚家族1-H组-4(nuclear receptor subfamily 1, group H, member 4, NR1H4)的药理激活负向调控自噬和纤毛形成，而使用RNA干扰技术沉默NR1H4则可以诱导纤毛形成以及促进自噬水平，而NR1H4的激活则抑制了依赖PPARA的纤毛形成，这表明纤毛形成是由这两个转录因子相互控制的。

与以上的研究均表明了自噬与纤毛生长的关系呈正相关不同的是，有其他研究发现在小鼠胚胎成纤维3T3-L1细胞中，天然黄酮类化合物水飞蓟宾(silibinin, SIL)可通过组蛋白去乙酰化酶6(histone deacetylase 6, HDAC6)调节的自噬负调控纤毛长度，而用3-MA或siRNA预处理阻断自噬通量，均可逆转水飞蓟宾引起的纤毛长度缩短，且恢复水飞蓟宾诱导的自噬所降低的IFT88、驱动蛋白家族成员3A(kinesin family member 3A , KIF3A)、乙酰化微管蛋白(ac-tubulin)等纤毛相关蛋白的表达[30]。同样，HDAC6介导的自噬途径的下调也参与了I型胶原蛋白促进的纤毛生长的过程[31]。

综上所述，这些研究表明自噬和纤毛形成之间存在双向调控，但在不同的环境或不同的细胞中似乎调控模式并不一致，因此两者之间相互作用的具体分子机制还有待进一步研究。

4 总结与展望

随着对初级纤毛和自噬认识的不断加深，初级纤毛和自噬之间的关系已逐渐成为焦点研究领域。目前已有很多研究显示，在某些细胞模型(如成纤维细胞和肾上皮细胞)中，纤毛依赖性信号通路是诱导自噬的必要途径，而基础或饥饿诱导的自噬均通过降解特定的蛋白质来调节纤毛的发生和长度变化，但我们尚不能得知自噬和初级纤毛之间的相互作用是否也发生在其他细胞类型中。同时初级纤毛与自噬的相互功能意义，仍存在争议，且在癌症等更复杂的疾病模型中，初级纤毛和自噬之间的相互作用尚不清楚。所以我们仍需要更多的研究来解释初级纤毛和自噬之间这种复杂的联系，从而为理解疾病的发病机制提供重要依据。