“吃掉自己”？

胡有紅

細胞自噬是細胞的基本生命活動之一，貫穿于正常細胞的整個生命歷程中，對細胞內(nèi)穩(wěn)態(tài)起著至關(guān)重要的作用。近些年，細胞自噬已成為生命科學領(lǐng)域中的一大熱點，與高中生物學知識聯(lián)系緊密，在考題中也頻頻出現(xiàn)。本文基于考生視角對細胞自噬進行解讀，旨在幫助考生了解生命科學領(lǐng)域新成果。

一、 細胞自噬的概念

細胞自噬是指細胞在相關(guān)基因調(diào)控下，通過溶酶體對蛋白質(zhì)或受損細胞器進行降解的過程。該過程中一些錯誤折疊蛋白質(zhì)、受損細胞器、病原體等以雙層膜泡的形式被包裹起來，形成自噬體，最終運送至溶酶體（動物）或液泡（酵母菌和植物）中降解，產(chǎn)生的一些氨基酸等小分子物質(zhì)可被細胞回收和再利用，對細胞清潔、饑餓時自救、保護和監(jiān)管等起重要作用，維持著細胞的穩(wěn)態(tài)與平衡。細胞自噬廣泛存在于酵母、果蠅、高等脊椎動物等細胞中，在真核生物進化過程中具有高度保守性。

二、 細胞自噬的探究歷程

顯微鏡下的新發(fā)現(xiàn)

1963年，比利時生物化學與細胞生物學家克里斯蒂安·德·迪夫（1917—2013）借助光學顯微鏡和電子顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)，細胞溶酶體中含有較多的內(nèi)源性物質(zhì)和細胞器。大量的顯微觀察和生物化學分析表明，細胞內(nèi)存在一種囊泡，專門負責將細胞內(nèi)容物運輸?shù)饺苊阁w中降解。德·迪夫創(chuàng)造性地將這種現(xiàn)象命名為自噬（autophagy），并將在自噬過程中具有運輸功能的囊泡命名為自噬體?！白允伞币辉~來源于希臘語“auto-”（自我）和“phagein”（吞食），意為“自己把自己吃掉”。德·迪夫因發(fā)現(xiàn)溶酶體和過氧化物酶體而分享了1974年諾貝爾生理學或醫(yī)學獎。

實驗材料開辟新視角

雖然已經(jīng)觀察到自噬現(xiàn)象，但由于實驗中使用的是生命周期較長、繁育能力較差的動物模型，自噬過程的研究一直很困難，進展緩慢，直至20世紀80年代末，對于自噬具有什么樣的生理學意義、與哪些基因有關(guān)等問題都知之甚少。

酵母是直徑只有5微米的單細胞真核生物，結(jié)構(gòu)簡單。細胞內(nèi)存在一個巨大的液泡，內(nèi)含多種水解酶，其功能類似于人及其他哺乳動物細胞內(nèi)的溶酶體。相比動物細胞，酵母細胞作為實驗?zāi)Ｐ透邇?yōu)越性，特別是在鑒定某些參與細胞通路的基因上尤為有用。1988年，日本科學家大隅良典以釀酒酵母為材料開展了相關(guān)實驗，推動了自噬機制在分子水平上的發(fā)展。

創(chuàng)新思維助力新發(fā)現(xiàn)

大隅良典選擇了液泡內(nèi)不含降解酶的酵母突變體，并將這些突變酵母置入缺乏氮源的培養(yǎng)基上培養(yǎng)，幾小時后顯微鏡觀察，發(fā)現(xiàn)突變酵母液泡中出現(xiàn)了小顆粒，且隨著時間的推移，這些小顆粒越積越多。根據(jù)這個現(xiàn)象，證明了酵母細胞中存在自噬現(xiàn)象。酵母細胞營養(yǎng)不良時，通過降解自身非必需成分來提供營養(yǎng)和能量，維持細胞基本生理活動，確保饑餓狀態(tài)下仍能存活一段時間。

隨后，大隅良典又找到了一種方法，可以篩選并定位在細胞自噬機制背后起關(guān)鍵作用的基因。他對上述酵母細胞的遺傳基因進行隨機突變處理，在顯微鏡下觀察，看哪個基因發(fā)生突變后，酵母突變體即使處于饑餓狀態(tài)也不會出現(xiàn)自噬。在1000多個酵母突變體中，他才找到一個不能自噬的細胞，分離出這個基因后，他將其命名為“自噬相關(guān)基因ATG1”。

大隅良典在實驗中還發(fā)現(xiàn)一個現(xiàn)象：基因ATG1突變后，酵母突變體的液泡內(nèi)不會出現(xiàn)自噬小體，且在饑餓狀態(tài)下只能存活兩天。他利用酵母突變體在饑餓狀態(tài)下很快就死亡這一表征定位了與自噬相關(guān)的15個基因。這是一項突破性的進展。大隅良典又在人類細胞的研究中，證實了ATG在自噬過程中同樣起著重要作用，對研究人類身體如何適應(yīng)饑餓和應(yīng)對感染，對研究癌癥和神經(jīng)退行性疾病等均有重大幫助。

大隅良典曾說：“科學研究成功的秘訣是做自己真正感興趣的事，探索沒有人研究的新領(lǐng)域，建立研究新領(lǐng)域的獨特研究方法?！边@也許就是他在細胞自噬領(lǐng)域做出開創(chuàng)性卓越貢獻的原因，大隅良典也因此獲得了2016年諾貝爾生理學或醫(yī)學獎。

迄今為止，生物學界對細胞自噬的認識經(jīng)歷了五十多年的探索歷程，但細胞的機理在很多方面仍存在不少謎團，科學家們將孜孜不倦，繼續(xù)對細胞自噬進行更深層次的探索。

三、 牛刀小試

【例1】下圖為細胞通過自噬作用清除衰老線粒體的過程，下列敘述錯誤的是（）

A.自噬前體和溶酶體分別來源于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和高爾基體

B.降解線粒體中物質(zhì)的水解酶在溶酶體中合成

C.自噬體的形成需借助于膜的流動性且消耗能量

D.細胞可以通過降解自身成分來提供營養(yǎng)和能量

【答案】B

【解析】據(jù)圖1分析，自噬前體來源于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)，溶酶體來源于高爾基體，A項正確。水解酶為蛋白質(zhì)，合成場所是核糖體，B項錯誤。自噬體的形成借助膜的流動性融合，該過程消耗能量，C項正確。細胞通過自噬作用將自身大分子物質(zhì)分解成小分子物質(zhì)供細胞吸收利用，D項正確。

【例2】根據(jù)細胞內(nèi)底物進入溶酶體腔方式的不同，可以把細胞自噬分為巨自噬、微自噬和分子伴侶自噬三種方式，具體過程如下列圖所示，請據(jù)圖回答問題：

（1）巨自噬過程中的底物通常是細胞中損壞的蛋白質(zhì)或___________（填結(jié)構(gòu)），隔離膜的形成可來自高爾基體或_______。該過程充分體現(xiàn)了生物膜具有_________的結(jié)構(gòu)特點。

（2）通過微自噬，分解后的產(chǎn)物如氨基酸等可以通過溶酶體膜上的載體蛋白轉(zhuǎn)運進入____________（填細胞結(jié)構(gòu)名稱）供細胞代謝使用。研究表明，溶酶體內(nèi)是一個相對獨立的空間，其內(nèi)的pH為5左右，若有少量的溶酶體內(nèi)的水解酶泄露也不會引起細胞損傷，請推測出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因是____________。

（3）一些具有一定序列的可溶性胞質(zhì)蛋白底物經(jīng)分子伴侶識別后才可進入溶酶體，說明該種自噬方式具有一定的________。

【答案】（1）線粒體等細胞器（或細胞器） ? ?內(nèi)質(zhì)網(wǎng) ? ?一定的流動性 ? ?（2）細胞質(zhì)基質(zhì) ? ?細胞質(zhì)基質(zhì)的pH高于溶酶體，導致酶活性降低 ? ?（3）專一性（或特異性）

【解析】（1）由圖1可以看出，巨自噬的底物可以是細胞中的線粒體等細胞器，線粒體外的隔離膜可由高爾基體或內(nèi)質(zhì)網(wǎng)形成，此過程體現(xiàn)了生物膜具有一定的流動性。（2）微自噬分解后的產(chǎn)物如氨基酸等可以通過主動運輸進入細胞質(zhì)基質(zhì)中供細胞代謝使用，其余廢物則排出細胞外。溶酶體內(nèi)的pH為5左右，是溶酶體內(nèi)水解酶的最適pH，而細胞質(zhì)基質(zhì)的pH在7左右，若有少量的水解酶泄露到細胞質(zhì)，由于水解酶所處環(huán)境的pH比最適pH高而導致酶活性降低，分解能力減弱，不會引起細胞損傷。（3）具有一定序列的可溶性胞質(zhì)蛋白底物經(jīng)分子伴侶識別后形成復合物才可進入溶酶體，說明該種自噬方式具有一定的專一性（特異性）。