初級纖毛與自噬的關系研究進展

陳玨蓉綜述，郭佳男, 何 葦審校

0 引 言

初級纖毛是一種以微管為基礎的細胞器，突出于細胞表面并投射到細胞外環(huán)境中，起到細胞感受器的作用[1]。該細胞器可感知細胞外機械和化學信號變化，并可通過介導多種分子信號通路將信息傳導至細胞內(nèi)[2]。初級纖毛的纖毛膜富含多種信號受體，如Hedgehog (Hh)、Wnt、PDGF和Ca2+通道等[3-5]，因此，初級纖毛的生長異常和功能缺陷會導致多個信號通路的傳導障礙而引起多種遺傳性疾病，一般統(tǒng)稱為纖毛病[6]。自噬是一種高度保守的代謝過程，用于降解損傷的細胞器、蛋白質和細胞質組分[7]，目前普遍認為，自噬對維持細胞內(nèi)穩(wěn)態(tài)具有重要作用，自噬功能障礙會導致變異的蛋白質和細胞器大量積累，進而干擾正常的細胞功能，導致多種自噬相關疾病的發(fā)生[8]。初級纖毛和自噬是維持細胞內(nèi)穩(wěn)態(tài)所需的兩種不同的適應機制，對它們之間的關系進行深入研究可加深我們對人類疾病發(fā)病機制的了解。本文就初級纖毛與自噬的關系的研究進展作一綜述。

1 初級纖毛的構成與功能

初級纖毛由以微管為基礎的核心結構軸突組成，軸突由基體成核，被與細胞質膜相連的纖毛膜包圍，基體則由中心體的母中心粒形成[9]。軸突與胞內(nèi)其他部分被過渡區(qū)(transiton zone, TZ)所分離，TZ是一個高度有序的纖毛亞區(qū)，其分子結構類似于核孔，可篩選進出纖毛的相關蛋白[10]。

每個細胞只有一根初級纖毛，相較于動纖毛而言，初級纖毛缺乏運動所需的2個單中心微管和動力蛋白臂，因此初級纖毛缺乏合成其自身組裝和維持所需蛋白質的能力，故需要依賴于纖毛內(nèi)轉運(intraflagellar Transport, IFT)家族蛋白來進行物質轉運。IFT蛋白不僅負責調(diào)控初級纖毛內(nèi)物質的雙向轉運，還負責介導細胞質與初級纖毛之間各種信號分子的傳遞及交換運輸。根據(jù)生化特性和運輸方向的不同，IFT蛋白被分為兩大類，即IFT-A復合體和IFT-B復合體[11]。其中IFT-A復合體在Dynein-2的驅動下主要介導由纖毛頂部向基底部的逆向轉運(retrograde)，而IFT-B復合體在kinesin-2的幫助下主要介導由纖毛基底部向頂部的順向轉運(anterograde)[11]。由于初級纖毛必須通過IFT蛋白介導信號分子蛋白的轉運，因此IFT中任何一個蛋白的缺失都有可能導致初級纖毛異常，從而出現(xiàn)多種發(fā)育和細胞信號缺陷，形成纖毛相關疾病，如神經(jīng)退行性疾病，肥胖，失明、多囊腎，多指畸形、癌癥及代謝紊亂等[6]。

2 自噬的分類及原理

自噬(autophagy)是一個高度保守的細胞內(nèi)過程，在這個過程中，錯誤折疊或受損的蛋白質及變異的細胞器被隔離到稱為自噬體的雙膜結合囊泡中[7]。在哺乳動物中自噬主要有3種類型：①微自噬(microautophagy)，即細胞質內(nèi)容物通過溶酶體膜的內(nèi)陷直接被溶酶體吞噬；②分子伴侶介導的自噬(chaperone-mediated autophagy, CMA)，即一部分帶有特定氨基酸序列(KFERQ-模式)的胞質蛋白被熱休克蛋白70(heat shock protein of 70, Hsp70)識別，并在溶酶體中選擇性降解；③巨自噬(macroautophagy)，即先形成稱為自噬體(autophagosome)的雙膜囊泡，將蛋白和其他細胞質成分隔離并運送到溶酶體[12]。

自噬是由“自噬相關蛋白”完成的過程，其分為四個階段:起始階段、囊泡成核階段、自噬體延伸階段和溶酶體融合階段[13-14]。自噬起始于自噬啟動激酶unc-51樣自噬激活激酶1(unc-51-like autophagy activating kinase 1, ULK1)復合物的激活，一般情況下，增加腺苷酸活化蛋白激酶(adenosine monophosphate activated protein kinase, AMPK)的活性和/或抑制哺乳動物雷帕霉素靶蛋白復合物1(mammalian target of rapamycin complex, mTORC1)的活性可激活ULK1復合物。正常生理狀態(tài)下，細胞自噬水平受到控制，mTORC1抑制ULK1的激活并破壞AMPK和ULK1的結合；相反，在自噬刺激下，激活的AMPK可抑制mTORC1的活性從而激活ULK1復合體[14]。當激活的ULK1復合物遷移到自噬體形成位點(包括內(nèi)質網(wǎng)-線粒體接觸位點、質膜、初級纖毛本身及內(nèi)質網(wǎng)-高爾基體)時[16-19]，成核階段開始。在自噬體延伸階段，微管相關蛋白1輕鏈3(microtubule-associated protein 1 light chain 3, LC3)前體與自噬相關基因4(autophagy related gene, Atg4)作用，形成 LC3Ⅰ，后在Atg7(E1樣酶)和Atg3(E2樣酶)作用下與磷脂酰乙醇胺(phosphatidylethanolamine, PE)共價連接成為脂溶性的LC3-Ⅱ-PE，隨后參與自噬體的延伸[20]。最后，自噬體與溶酶體融合，促進自噬體內(nèi)被隔離物質的降解[21]。

3 初級纖毛與自噬的關系

3.1 初級纖毛調(diào)控自噬的表達目前已有研究證實了自噬和纖毛形成之間存在相互作用。如Pampliega等[17]觀察到大量ATG蛋白定位于初級纖毛主要成核的基底體和軸絲，同時發(fā)現(xiàn)在饑餓誘導條件下，自噬的激活及自噬體的增加與依賴于初級纖毛傳導的Hh信號的激活相關，這提示可能是初級纖毛介導的自噬啟動機制。且在血清饑餓期間幾種ATG蛋白被募集至初級纖毛基底部的現(xiàn)象已被證實[17, 22]。近年來國內(nèi)有研究者使用無血清培養(yǎng)基來誘導初級纖毛的表達，結果顯示當初級纖毛的表達率上調(diào)時，可促進軟骨細胞的自噬水平以及自噬相關標志物卷曲螺旋/肌球蛋白樣bcl2結合蛋白1(bcl-2 interacting myosin/moesin-like coiled-coil protein 1, Beclin1)、IFT88和LC3的表達，同時纖毛長度延長。反之，用水合氯醛破壞纖毛結構后，初級纖毛的表達率下調(diào)，同時降低軟骨細胞的自噬水平以及Beclin1、IFT88和LC3的表達，表明在軟骨細胞中存在初級纖毛和自噬的共表達關系，且初級纖毛的變化可調(diào)控細胞自噬的程度[23]。該課題組在另一項研究中給予軟骨細胞不同強度的應力刺激，發(fā)現(xiàn)中低強度應力刺激不僅可以促進對初級纖毛的形成及IFT88的表達，同時也對自噬體的形成具有正調(diào)控作用，而高強度應力刺激則具有負調(diào)控作用，該研究還發(fā)現(xiàn)應力刺激可通過初級纖毛-ERK-mTOR信號軸來調(diào)控自噬的表達[24]。此外，在一項對腎上皮細胞分化的研究中發(fā)現(xiàn)，通過抑制mTOR信號(一種特征良好的內(nèi)源性自噬抑制因子)，可以恢復因纖毛形成受阻而導致的基礎自噬減少。在這項研究中，Wang等[25]使用腎上皮HK2細胞(IFT88基因被敲除)和C13細胞(具有短纖毛的腎上皮細胞)進行研究，發(fā)現(xiàn)在這兩種缺乏纖毛或短纖毛的細胞中mTOR通路被高度激活，自噬的基礎水平均受到抑制。而用雷帕霉素(自噬激活劑)處理后，這兩種類型的細胞都能恢復自噬的基礎水平，這表明纖毛形成對基礎自噬具有積極的調(diào)節(jié)作用。

3.2自噬調(diào)控初級纖毛形成及長度目前的研究表明初級纖毛與自噬存在雙向調(diào)控，且初級纖毛形成及長度變化與自噬活性的變化直接相關[17, 26-27]。Pampliega等[17]發(fā)現(xiàn)在營養(yǎng)正常的情況下，細胞內(nèi)可通過基礎自噬降解IFT20來抑制纖毛形成并使纖毛長度縮短，而用血清饑餓誘導自噬時，可激活依賴于初級纖毛傳導的Hh信號通路，進而促進纖毛形成，同時恢復纖毛長度。而Tang等[26]發(fā)現(xiàn)在血清饑餓條件下的野生型小鼠胚胎成纖維細胞中，中性粒隨體蛋白1 (oral-facial-digital, OFD1)表達下調(diào)，而在自噬缺陷的細胞中OFD1的下調(diào)也可恢復血清饑餓誘導的纖毛形成和纖毛長度，提示饑餓誘導的纖毛形成需要OFD1介導的自噬降解。

國外有研究表明，初級纖毛與自噬之間的相互作用涉及mTOR通路和泛素-蛋白酶體系統(tǒng)，同時證明了自噬對纖毛具有正調(diào)控作用[25]。即在無血清/無葡萄糖的RKRB培養(yǎng)基、含海藻糖培養(yǎng)基及含BECN1肽培養(yǎng)基誘導的自噬激活可增加纖毛長度；而使用3-甲基腺嘌呤(3-Methyladenine, 3-MA)(自噬早期抑制劑)和(自噬晚期抑制劑)抑制自噬可減少纖毛長度。同時，該作者在使用3-MA抑制HK2細胞中的纖毛基礎上加入MG132(蛋白酶體抑制劑)后，發(fā)現(xiàn)該過程逆轉了由3-MA處理引起的纖毛長度縮短。綜上所述，mTOR途徑和蛋白酶體系統(tǒng)分別參與了自噬與初級纖毛這兩個過程并在纖毛和自噬的相互調(diào)節(jié)中起著不同的作用。最近，Park等[28]研究了自噬和初級纖毛在皮質發(fā)育局灶性畸形發(fā)展中的作用。該研究結果表明，激活mTOR突變的大腦體細胞，可導致自噬受損及OFD1蛋白的積累，從而減少神經(jīng)元的纖毛形成。Liu等[29]還深入研究了初級纖毛與自噬相互作用的轉錄控制。研究表明，過氧化物酶體增殖因子活化受體A(peroxisome proliferator activated receptor alpha, PPARA)的藥理激活促進了纖毛形成，還誘導自噬基因的表達，并激活哺乳動物細胞的自噬。相反，核受體亞家族1-H組-4(nuclear receptor subfamily 1, group H, member 4, NR1H4)的藥理激活負向調(diào)控自噬和纖毛形成，而使用RNA干擾技術沉默NR1H4則可以誘導纖毛形成以及促進自噬水平，而NR1H4的激活則抑制了依賴PPARA的纖毛形成，這表明纖毛形成是由這兩個轉錄因子相互控制的。

與以上的研究均表明了自噬與纖毛生長的關系呈正相關不同的是，有其他研究發(fā)現(xiàn)在小鼠胚胎成纖維3T3-L1細胞中，天然黃酮類化合物水飛薊賓(silibinin, SIL)可通過組蛋白去乙?；?(histone deacetylase 6, HDAC6)調(diào)節(jié)的自噬負調(diào)控纖毛長度，而用3-MA或siRNA預處理阻斷自噬通量，均可逆轉水飛薊賓引起的纖毛長度縮短，且恢復水飛薊賓誘導的自噬所降低的IFT88、驅動蛋白家族成員3A(kinesin family member 3A , KIF3A)、乙酰化微管蛋白(ac-tubulin)等纖毛相關蛋白的表達[30]。同樣，HDAC6介導的自噬途徑的下調(diào)也參與了I型膠原蛋白促進的纖毛生長的過程[31]。

綜上所述，這些研究表明自噬和纖毛形成之間存在雙向調(diào)控，但在不同的環(huán)境或不同的細胞中似乎調(diào)控模式并不一致，因此兩者之間相互作用的具體分子機制還有待進一步研究。

4 總結與展望

隨著對初級纖毛和自噬認識的不斷加深，初級纖毛和自噬之間的關系已逐漸成為焦點研究領域。目前已有很多研究顯示，在某些細胞模型(如成纖維細胞和腎上皮細胞)中，纖毛依賴性信號通路是誘導自噬的必要途徑，而基礎或饑餓誘導的自噬均通過降解特定的蛋白質來調(diào)節(jié)纖毛的發(fā)生和長度變化，但我們尚不能得知自噬和初級纖毛之間的相互作用是否也發(fā)生在其他細胞類型中。同時初級纖毛與自噬的相互功能意義，仍存在爭議，且在癌癥等更復雜的疾病模型中，初級纖毛和自噬之間的相互作用尚不清楚。所以我們?nèi)孕枰嗟难芯縼斫忉尦跫壚w毛和自噬之間這種復雜的聯(lián)系，從而為理解疾病的發(fā)病機制提供重要依據(jù)。