細胞自噬與應(yīng)激反應(yīng)?

汝少國， 朱增光， 崔鵬飛

(中國海洋大學(xué)海洋生命學(xué)院， 山東 青島 266100)

真核細胞必須不斷適應(yīng)的外部條件的變化包括：溫度和紫外線等物理參數(shù)；離子濃度、pH值、氧化還原電位和代謝物濃度等化學(xué)因素；接觸依賴信號、激素、細胞因子和神經(jīng)遞質(zhì)等胞外信號分子和微生物病原體[1]。當(dāng)外部條件的變化超過一定的閾值，這種變動就被認(rèn)為是“壓力”。細胞對壓力的反應(yīng)決定了它是否能發(fā)揮正常功能和生存。在進化過程中，真核細胞已經(jīng)獲得了應(yīng)對不同類型壓力的策略，細胞可以針對特定的威脅選擇性地做出對應(yīng)的策略，這些威脅包括病原體的入侵，缺乏營養(yǎng)物質(zhì)或細胞內(nèi)錯誤折疊的蛋白質(zhì)積累等[2]。細胞適應(yīng)環(huán)境變化，保護自身免受潛在的傷害的反應(yīng)包括各種應(yīng)激反應(yīng)途徑，自噬就是其中之一。

自噬是一種受到嚴(yán)格調(diào)控的重要的細胞過程，可通過溶酶體降解和回收受損的細胞器和細胞質(zhì)成分，能起到保護細胞和維持細胞內(nèi)部穩(wěn)態(tài)的作用[3]?，F(xiàn)有研究表明：細胞在正常狀態(tài)下，細胞自噬處于較低水平，用來維持蛋白質(zhì)和細胞器的周轉(zhuǎn)；在各種生理和病理的應(yīng)激條件下，如生長因子消耗、饑餓、缺氧以及化學(xué)誘導(dǎo)的刺激，細胞自噬水平會提高[4]。Kroemer等[5]研究發(fā)現(xiàn)，自噬能夠通過消除潛在的毒性物質(zhì)和增加細胞的適應(yīng)能力來減少細胞損傷。真核細胞中至少存在3種不同類型的自噬：微自噬(Microautophagy)[6]、分子伴侶介導(dǎo)的自噬(Chaperonemediated autophagy, CMA)[7]和宏觀自噬(Macroautophagy)[8]等。在宏觀自噬過程中細胞形成雙膜泡，即自噬體(Autophgosome)。自噬體吞噬細胞器、蛋白質(zhì)或部分細胞質(zhì)，并將其輸送到溶酶體，被吞噬的成分在溶酶體中被降解。細胞通過分解代謝和循環(huán)來消除損壞或有害的成分，維持營養(yǎng)和能量穩(wěn)態(tài)。宏觀自噬是真核細胞轉(zhuǎn)化、利用和降解受損蛋白質(zhì)和細胞器的主要機制，有助于細胞在多種應(yīng)激條件中生存，保護生物體抵御退行性、炎癥性、感染性和腫瘤性疾病[9-10]，后文中自噬皆指宏觀自噬。

除自噬外，細胞對壓力的反應(yīng)還包括許多其他途徑，如調(diào)節(jié)營養(yǎng)吸收、控制中間代謝、細胞周期和生長控制，以及細胞凋亡等程序。調(diào)控這些細胞過程的信號和調(diào)控自噬的信號之間存在緊密的整合。細胞自噬和凋亡是2種程序性細胞死亡的形式，自噬是有選擇地降解受損的細胞器和蛋白質(zhì)聚合體，而細胞凋亡則是清除受損或老化的細胞。已發(fā)現(xiàn)許多經(jīng)典的細胞凋亡信號通路與自噬的調(diào)控之間存在復(fù)雜錯綜的關(guān)聯(lián)。自噬對細胞凋亡的調(diào)控具有雙重性：輕度的自噬在一定程度上保護細胞免受有害條件的影響，促進細胞的存活；重度或快速的自噬誘導(dǎo)細胞程序性死亡，稱為自噬性細胞凋亡。本文就近年來細胞自噬與應(yīng)激反應(yīng)的關(guān)系、不同細胞應(yīng)激信號和應(yīng)激刺激如何調(diào)控自噬的研究進展進行綜述，為進一步了解調(diào)控自噬的多種機制提供參考。

1 自噬

1.1 自噬的分子機制和調(diào)控通路

自噬是包括起始、延伸、融合和溶酶體降解的動態(tài)過程。自噬途徑開始于雙膜囊泡的形成，即自噬體。自噬體由來自內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜、高爾基體晚期內(nèi)膜聯(lián)合形成；在延伸步驟中，自噬體的雙膜被延伸并包圍細胞質(zhì)成分形成一個自噬體；最后，自噬體和溶酶體融合，溶酶體酶降解被包圍的細胞質(zhì)成分。該過程中的降解產(chǎn)物返回細胞質(zhì)，被重新用于構(gòu)建新的分子或在新陳代謝中發(fā)揮作用[11]。

自噬的幾個核心蛋白中最著名的是微管相關(guān)蛋白1輕鏈-3蛋白(LC3)、p62和Beclin-1[12]。LC3是自噬體與溶酶體融合的關(guān)鍵分子。在自噬過程中，LC3被蛋白酶ATG4裂解產(chǎn)生LC3-Ⅰ，與磷脂酰乙醇胺結(jié)合形成LC3-Ⅱ，并錨定在自噬小體膜上。LC3-Ⅱ的功能是作為一個銜接蛋白，與p62蛋白相互作用，允許自噬小體吞噬底物。p62蛋白，也被稱為SQSTM1(Sequestosome 1)，是自噬過程的另一個常見標(biāo)記物。它作為一種受體蛋白與泛素化的蛋白結(jié)合，通過膜結(jié)合的LC3-Ⅱ蛋白將其送至自噬小體進行降解[13]。p62蛋白本身能被自噬降解，因此p62蛋白在細胞質(zhì)中的積累被用作自噬通量減少的標(biāo)志。Beclin-1是自噬的常見標(biāo)志蛋白之一，是PI3K復(fù)合物的組成部分。因Beclin-1與自噬和凋亡的相互調(diào)控相關(guān)[14]，所以該蛋白被用作自噬誘導(dǎo)的標(biāo)志物。

自噬途徑的各個步驟由各種自噬相關(guān)基因編碼的蛋白調(diào)節(jié)，自噬相關(guān)蛋白包括：(1)Atg1/unc-51樣激酶(ULK)復(fù)合物；(2)Beclin-1/Ⅲ類磷脂酰肌醇3-激酶(PI3KⅢ)復(fù)合物；(3)2種跨膜蛋白Atg9和液泡膜蛋白1；(4)2個泛素樣蛋白(Atg12和Atg8/LC3)結(jié)合系統(tǒng)；(5)介導(dǎo)自噬體和溶酶體融合的蛋白質(zhì)[15]，表1為參與自噬通路不同階段的主要蛋白。自噬通路的這些核心成分直接受到細胞應(yīng)激信號的控制。

1.1.1 Atg1/unc-51樣激酶(ULK)復(fù)合物 Atg1/ULK1復(fù)合物(Atg1,Atg13等)是自噬體形成過程中重要的正向調(diào)控因子。雷帕霉素(mTOR)復(fù)合物1(mTOCR1)是一種包含mTOR、Raptor、mLST8/GβL, Deptor和PRAS40的多蛋白復(fù)合物[31]。在正常狀況下mTOCR1作為激酶與Atg1/ULK1復(fù)合物結(jié)合，饑餓等應(yīng)激條件下Atg1/ULK1復(fù)合物與mTOCR1分離，導(dǎo)致ULK1(或ULK2)和Atg13特定殘基去磷酸化，催化激活ULK1(或ULK2)蛋白，同時促進Atg13和FIP200中其他殘基的磷酸化。因此，mTORC1的抑制可能與ULK1(或ULK2)活性的激活關(guān)聯(lián)，這一過程涉及到一個大型蛋白復(fù)合物的解離、磷酸化和去磷酸化事件。

表1 參與自噬通路不同階段的主要蛋白

1.1.2 Beclin-1/Ⅲ類磷脂酰肌醇3-激酶(PI3K)復(fù)合物 “Beclin-1/Ⅲ類磷脂酰肌醇3-激酶(PI3K)復(fù)合物”包括Beclin-1、Vps15、 Vps34以及Ambra1[19]。這類復(fù)合物可以通過激活PI3K Ⅲ 蛋白，產(chǎn)生磷脂酰肌醇-3-磷酸(PI3P)，從而招募效應(yīng)因子，如含雙FYVE域的蛋白1(DFCP1)和與磷脂酰肌醇相互作用的WD重復(fù)蛋白(WIPI)，這類復(fù)合物的形成對于介導(dǎo)囊泡成核/自噬體形成的初始階段至關(guān)重要[32]。許多與Beclin-1相互作用的蛋白誘導(dǎo)或抑制自噬，如：Atg14是代表Beclin-1相關(guān)的自噬關(guān)鍵調(diào)節(jié)器，對PI3K活性和自噬誘導(dǎo)至關(guān)重要；UVRAG是抗紫外線輻射相關(guān)蛋白，其與Atg14競爭與Beclin-1的結(jié)合，促進PI3K的活性，并通過與C類Vps/HOPS復(fù)合物的相互作用，促進自噬體與晚期內(nèi)體/溶質(zhì)體的融合[29]；Toll樣受體(TLR)適配器分子MyD88和TRIF也可能與Beclin-1相互作用，通過減少Beclin-1與Bcl-2的結(jié)合，促進自噬[33]；在TLR4誘導(dǎo)的自噬過程中，腫瘤壞死因子受體(TNFR)相關(guān)因子6，TRAF6與Beclin-1相互作用，并介導(dǎo)Beclin-1的K63連接泛素化，從而增強PI3KⅢ活性，促進自噬[34]。

1.1.3 Atg9和液泡膜蛋白1(VMP1) Atg9可以通過在不同的亞細胞間隔間循環(huán)，為隔離膜提供脂質(zhì)。Atg9的循環(huán)不但需要Atg1/ULK1和Vps34的激酶活性，還涉及到含有UVRAG/Bif-1的Beclin-1復(fù)合物，因為Bif-1在饑餓后會暫時與Atg9結(jié)合[21]。VMP1作為一種跨膜蛋白與Beclin-1相互作用，將Beclin-1(以及Beclin-1復(fù)合體的其他成分)招募到自噬體處[35]。

1.1.4 2個泛素樣蛋白(Atg12和Atg8/LC3)結(jié)合系統(tǒng) 有2種泛素樣(UBL)蛋白結(jié)合系統(tǒng)參與自噬體延伸過程：第一個途徑是在E1泛素激活酶Atg7和E2連接酶Atg10的幫助下，Atg12和Atg5的共價鍵結(jié)合形成偶聯(lián)物，該偶聯(lián)物以非共價方式與Atg16結(jié)合形成多聚體Atg12-Atg5-Atg16復(fù)合物，這種復(fù)合物可以識別LC3蛋白并將其泛素化[22]；第二種途徑是首先蛋白Atg4激活A(yù)tg7(E1泛素激活酶)，進而使E2連接酶Atg3發(fā)揮作用，將磷脂酰乙醇胺(PE)結(jié)合到Atg8/LC3的甘氨酸(Gly)殘基上。

以上自噬相關(guān)蛋白在溶酶體的發(fā)生、自噬體的形成、自噬體-溶酶體的融合以及溶酶體中物質(zhì)降解過程中發(fā)揮至關(guān)重要的作用。此外，細胞質(zhì)中存在刺激和調(diào)節(jié)自噬的信號蛋白，如5′AMP激活蛋白激酶(AMPK)和絲氨酸/蘇氨酸激酶(mTOR)等。除了AMPK和mTORC1外，一些應(yīng)激信號在細胞水平上也可調(diào)節(jié)自噬(如TFEB、TP53/p53、FOXO1、E2F1、STAT3、NF-κB)。microRNAs(miRNAs)和組蛋白修飾，后者與自噬的調(diào)控有關(guān)[36]。其中，p53蛋白在各種應(yīng)激反應(yīng)中被激活，Vousden等[37]研究表明p53蛋白在遺傳毒性應(yīng)激反應(yīng)中起到維持基因組穩(wěn)定性的作用。許多p53調(diào)控的基因產(chǎn)物可以通過AMPK，mTORC1途徑刺激自噬，或直接編碼核心自噬和溶酶體蛋白(如ULK1、ULK2和DRAM)[38]。p53在非應(yīng)激條件下也能抑制自噬。細胞核中的p53可以介導(dǎo)刺激自噬的發(fā)生，而細胞質(zhì)中的p53則會抑制細胞自噬的發(fā)生。除此以外，Harrison等[23]發(fā)現(xiàn)死亡相關(guān)蛋白激酶(DAPK)，通過與LC3相互作用的細胞骨架分子MAP1B結(jié)合，正向調(diào)節(jié)自噬。調(diào)控的自噬機制詳見圖1。

(參考Yun等[39]。Reference from Yun, et al[39].)圖1 自噬過程機制圖

1.2 鑒定細胞自噬的方法

目前檢測海洋無脊椎動物自噬的方法主要分為以下幾種：

(1)透射電鏡技術(shù)(Transmission electron microscopy)，自20世紀(jì)50年代Bhutia[40]首次使用透射電鏡觀察到細胞自噬到現(xiàn)在，透射電鏡作為唯一一種可以在納米范圍內(nèi)揭示自噬結(jié)構(gòu)和形態(tài)的工具，已經(jīng)成為了觀察細胞自噬的“標(biāo)準(zhǔn)”。例如Picot等[8]在使用NH4Cl和卡馬西平(Carbamazepine)處理太平洋牡蠣血淋巴細胞后使用透射電鏡觀察到了細胞中自噬體的存在。Luo等[41]將七鰓鰻(Lampetrajaponicum)進行饑餓處理后，使用透射電鏡觀察到了細胞中自噬小體膜的形成、延伸過程，細胞中自噬體和溶酶體的融合以及自噬體內(nèi)容物溶解過程。

(2)LC3B蛋白的檢測和定量：在細胞自噬過程中，蛋白酶將胞漿中的LC3B(microtubule-associated protein light chain 3B)前體蛋白切割，暴露出羧基末端的甘氨酸殘基，形成可溶性的LC3B，即LC3B-Ⅰ；隨后，LC3B-Ⅰ蛋白被E1泛素激活酶Atg7活化后傳遞給E2泛素結(jié)合酶Atg3，在Atg3的作用下通過泛素化修飾與磷脂酰乙醇胺(PE)結(jié)合形成自噬體膜，即脂溶性的LC3B，即LC3B-Ⅱ，LC3B蛋白在自噬體膜形成過程中發(fā)揮重要作用。由于LC3B-Ⅱ的含量與自噬程度呈正比，因此，LC3-Ⅰ和LC3-Ⅱ比例的變化已經(jīng)被用來作為檢測細胞自噬程度的分子標(biāo)志[24]。LC3B蛋白具有高度的保守性，隨著組學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，在越來越多的海洋無脊椎動物中發(fā)現(xiàn)了LC3B蛋白。余振興等[42]采用純化后的MgLC3B-His融合蛋白對新西蘭兔進行多次免疫，采集分離兔抗血清并利用protein A純化，成功制備出紫貽貝的LC3B多克隆抗體。Han等[43]使用干擾素誘導(dǎo)劑[poly (I∶C)]刺激太平洋牡蠣后，牡蠣外套膜細胞中LC3-Ⅰ向LC3-Ⅱ的轉(zhuǎn)化(LC3-Ⅱ/LC3-Ⅰ)顯著增加。Yue等[44]使用RNA干擾降低仿刺海參(Apostichopusjaponicus)Ajlst8蛋白(一種新型的免疫調(diào)節(jié)劑)的表達后，其細胞中LC3-Ⅱ/LC3-Ⅰ的比例為對照組的0.71倍。目前海洋無脊椎生物L(fēng)C3蛋白抗體的制備還存在許多問題，例如許多生物中并未有相應(yīng)的LC3蛋白抗體，這阻礙了海洋無脊椎動物自噬研究的發(fā)展，因此希望未來有更多的研究人員能夠參與到LC3蛋白抗體制備的工作中。

除了使用Western Blot來檢測LC3-Ⅱ/LC3-Ⅰ比例變化外，還可以利用mRFP-GFP-LC3雙熒光自噬指示體系，GFP是一種對酸敏感的蛋白，而mRFP是一種不受外界影響表達穩(wěn)定的熒光表達基團。當(dāng)自噬小體進入第二階段后，與溶酶體融合形成自噬溶酶體。自噬溶酶體由于溶酶體內(nèi)的酸性環(huán)境，可導(dǎo)致pH值下降，使GFP發(fā)生淬滅。因此，GFP熒光減弱可以指示自噬溶酶體的數(shù)量，GFP越少，從自噬小體進入自噬溶酶體階段越順利。反之，自噬泡與溶酶體融合受到抑制，自噬溶酶體形成階段受阻，但mRFP是一直穩(wěn)定表達的，因此mRFP紅色熒光可以全程標(biāo)記和跟蹤LC3，而GFP綠色熒光的減弱可以說明自噬體和溶酶體的融合增多。當(dāng)自噬被誘導(dǎo)時，黃色亮點(同時發(fā)出GFP綠色熒光和mRFP紅色熒光，主要是自噬體)和紅色亮點(自噬溶酶體)都會增加;當(dāng)自噬被抑制導(dǎo)致自噬體產(chǎn)生減少時，黃色和紅色亮點都會減少;當(dāng)自噬被抑制導(dǎo)致自噬體降解受損時，黃色亮點增加，紅色亮點減少或保持不變[45]。Martino等[46]使用這一方法觀察到海膽(Paracentrotuslividus)胚胎細胞自噬的變化。目前使用mRFP-GFP-LC3雙熒光自噬指示體系主要用于觀察癌細胞系中的自噬行為，在觀察海洋無脊椎動物自噬的研究還較少，相信隨著技術(shù)的發(fā)展，該技術(shù)可以有更廣的應(yīng)用范圍。

(3)SQSTM1的定量檢測：SQSTMI1(Sequestosome1，也稱p62)是參與細胞自噬的重要受體分子，SQSTMI1識別泛素化修飾的錯誤折疊蛋白、功能異常細胞器或入侵的病原體[47]。SQSTMI1通過與自噬體膜上的Atg8(Autophagy-related protein 8)、LC3家族蛋白相互作用，被整合到自噬體中，在溶酶體中被降解，因而其蛋白表達量的降低可以作為細胞自噬完成的指標(biāo)。Balbi等[48]觀測到感染弧菌(Vibriotapetis)后的貽貝(Mytilusgalloprovincialis)血淋巴中SQSTMI1蛋白表達水平下降，同時使用TEM觀察到自噬體和溶酶體的快速形成，證明了貽貝血淋巴細胞在應(yīng)對細菌感染時的自噬變化。

(4)自噬相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄和調(diào)控：在某些情況下，自噬的發(fā)生伴隨著某些自噬相關(guān)基因mRNA水平的增加或降低。Wu等[49]使用雷帕霉素(Rapamycin)誘導(dǎo)南美白對蝦(Litopenaeusvannamei)細胞發(fā)生自噬后，轉(zhuǎn)錄組結(jié)果顯示在3 050個差異基因中，有34個差異基因與PI3K-Akt信號通路有關(guān)，50個差異基因與自噬體形成相關(guān)，為更全面完整的檢測南美白對蝦細胞自噬行為提供了數(shù)據(jù)支持。

目前還沒有能夠適用于任何生物或?qū)嶒灡尘暗慕^對標(biāo)準(zhǔn)來確定自噬狀態(tài)，所以在觀察自噬時應(yīng)采取多層次、多角度的檢測方法，能夠在細胞、蛋白和分子水平利用不同的技術(shù)和方法檢測自噬。

2 自噬與應(yīng)激反應(yīng)

自噬是由多種刺激誘導(dǎo)的，包括營養(yǎng)和能量應(yīng)激、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激、病原體相關(guān)分子模式(PAMPs)、損傷相關(guān)分子模式(DAMPs)、缺氧、氧化還原應(yīng)激和線粒體損傷等。這些刺激對自噬的刺激涉及多種信號通路，這些信號在調(diào)控自噬和其他應(yīng)激反應(yīng)中發(fā)揮重疊的功能。

2.1 自噬與氧化應(yīng)激

2.1.1 自噬與ROS 活性氧(Reactive oxygen species, ROS)是一種體積小、壽命短、活性高的分子，通常是線粒體電子傳遞鏈中氧代謝的副產(chǎn)物(mETC)[50]。在氧化磷酸化的過程中，mETC的復(fù)合物Ⅰ和Ⅲ的電子泄漏會導(dǎo)致O2分子的部分還原(如負氧離子)和高活性代謝物的形成[51]。在饑餓狀態(tài)下，能量脅迫會增加線粒體產(chǎn)生ATP的需求，導(dǎo)致電子泄漏的增加，從而產(chǎn)生相對過剩的ROS。ROS的積累會導(dǎo)致細胞成分如蛋白質(zhì)、DNA和脂質(zhì)的氧化損傷，從而激發(fā)自噬[52]。Filomeni等[53]研究發(fā)現(xiàn)ROS與剝奪營養(yǎng)物質(zhì)(如葡萄糖、氨基酸或血清)時的自噬誘導(dǎo)有關(guān)。自噬在氧化應(yīng)激條件下被激活，保護細胞避免凋亡。此外，已有研究表明抗氧化分子在一定程度可以抑制自噬的發(fā)生。

線粒體中的過氧化氫在細胞信號傳遞中發(fā)揮重要作用，它比其他ROS分子穩(wěn)定，很容易擴散到細胞中[54]。已有大量研究表明過氧化氫會參與到自噬信號通路中，主流觀點認(rèn)為過氧化氫可以通過硫醇修飾Atg4第81位半胱氨酸使LC3-Ⅰ轉(zhuǎn)化為LC3-Ⅱ，從而增加自噬體的數(shù)量[55]。外源性過氧化氫也可導(dǎo)致氧化應(yīng)激和線粒體功能障礙，從而誘導(dǎo)自噬發(fā)生。利用過氧化氫與自噬之間的關(guān)聯(lián)，Zhang等[56]使用過氧化氫治療可刺激惡性膠質(zhì)瘤細胞的自噬和凋亡。Amelotti使用TNFα處理腫瘤細胞增加了細胞中ROS的水平，從而誘導(dǎo)腫瘤細胞的自噬和死亡。同時，脂多糖(LPS)也可誘導(dǎo)過氧化氫的產(chǎn)生，從而導(dǎo)致自噬[57]。

ROS可以通過激活絲裂原活化蛋白激酶(MAPKs)誘導(dǎo)自噬，過氧化氫通過氧化半胱氨酸殘基的α和β亞單位或氧化ATM蛋白激酶直接激活A(yù)MPK[58]。氧化應(yīng)激激活的ATM誘導(dǎo)其下游信號AMPK -TSC2抑制mTORC1，從而誘導(dǎo)自噬發(fā)生[59]。Alexander等[60]發(fā)現(xiàn)在過氧化氫刺激下通過肝激酶B1 (LKB1)磷酸化AMPK第172位蘇氨酸(T172)，抑制mTORC1，從而誘導(dǎo)自噬。

在病理學(xué)方面，多項研究也揭示了ROS和自噬在多種疾病進展過程中的相互作用。過量的ROS產(chǎn)生導(dǎo)致氧化應(yīng)激，這與神經(jīng)退行性疾病、心血管病等慢性病及癌癥有關(guān)。大多數(shù)細胞自噬起到減少氧化應(yīng)激的作用。誘導(dǎo)自噬可以作為一種治療與氧化應(yīng)激相關(guān)疾病的策略。

2.1.2 自噬與NO NO是在氧化應(yīng)激過程中由NO合成酶(NOS)產(chǎn)生。在自噬信號中，NO通過降低c-Jun-N末端激酶1 (JNK1)和核因子κB激酶亞基β (IKKβ)抑制劑的活性來抑制自噬體的形成[61]。B淋巴瘤2 (Bcl-2)可以與Beclin-1相互結(jié)合抑制自噬的發(fā)生，而JNK1可以通過磷酸化B淋巴瘤2 (Bcl-2)來破壞其與Beclin-1的相互作用，從而誘導(dǎo)自噬[62]。IKKβ可以通過增強AMPK磷酸化抑制mTOR和JNK1介導(dǎo)的Bcl-2磷酸化誘導(dǎo)自噬[63]。Janjetovic等[64]通過NO供體物質(zhì)(硝普鈉SNP和S-亞硝基谷胱甘肽GSNO)來增加膠質(zhì)瘤細胞內(nèi)NO含量，從而使細胞的自噬過程受到抑制作用。

2.2 自噬與免疫信號

感染(或細胞暴露于微生物產(chǎn)物)會產(chǎn)生一種特殊形式的細胞應(yīng)激，從而導(dǎo)致自噬。在感染過程中細胞因子如IFNg和下游免疫相關(guān)的GTP酶以及病原體識別受體(PRRs)調(diào)節(jié)自噬的發(fā)生[65]。PRRs包括TLRs家族、NOD樣受體(NLRs)及RIG-Ⅰ樣受體(RLRs)。TLRs家族通過NF-κB、MAPK和干擾素調(diào)節(jié)途徑激活促炎細胞因子和Ⅰ型干擾素的產(chǎn)生；NOD樣受體(NLR)主要通過NF-κB和MAPK以及炎癥體的成分激活信號傳導(dǎo)；RIG-Ⅰ樣受體(RLRs)負責(zé)識別病毒RNA[66]。由于這些PRRs不僅能識別病原體相關(guān)分子模式(PAMPs)還能識別損傷相關(guān)分子模式(DAMPs，包括壞死細胞、缺氧、細胞內(nèi)離子梯度異常、活性氧物種和錯誤折疊的蛋白質(zhì)積累的產(chǎn)物)，因此在細胞應(yīng)對不同形式的壓力時，可以利用這個免疫信號家族引起自噬。

轉(zhuǎn)錄因子NF-κB及其一些上游調(diào)節(jié)因子的功能是將包括免疫信號在內(nèi)的各種應(yīng)激信號與自噬途徑進行整合。當(dāng)NF-κB的抑制劑(IκB)被IκB激酶(IKK)磷酸化時，NF-κB被激活。IKK復(fù)合體由1個調(diào)節(jié)亞基(NEMO)和2個催化亞基(IKKα、IKKβ)組成。該復(fù)合物在活性氧、DNA損傷、死亡受體和PRRs等多個不同的壓力刺激時被另一個上游激酶TAK1激活。IKK亞單位通過依賴AMPK和JNK1激活的NF-κB獨立通路刺激自噬[67]。Criollo等[63]在小鼠和人類細胞中，敲除或敲降TAK1或IKK亞單位可阻止饑餓、雷帕霉素、p53抑制或內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激等刺激反應(yīng)對自噬的誘導(dǎo)。同時Copetti等[68]研究表明NF-κB家族成員p65/RelA可以在T細胞激活過程中通過上調(diào)Beclin-1的表達誘導(dǎo)自噬，而缺少NF-κB的細胞在熱休克誘導(dǎo)的自噬方面存在缺陷。因此，自噬誘導(dǎo)可能同時存在IKK依賴性和NF-κB依賴性機制。此外，NF-κB的p105亞基可以與某些自噬蛋白(包括Beclin-1)相互作用，但這些相互作用的意義還有待探討[69]。

除了NF-κB對自噬的調(diào)節(jié)外，自噬反過來可以調(diào)節(jié)NF-κB的信號傳導(dǎo)[70]。例如，通過自噬降解IKK和NF-κB誘導(dǎo)激酶NIK，會抑制NF-κB的表達。當(dāng)自噬被抑制時，會導(dǎo)致p62的積累并改變NF-κB信號通路[71]。

早期研究認(rèn)為雙鏈RNA依賴蛋白質(zhì)激酶PKR的主要功能是應(yīng)對病毒感染。后來，Bonnet等[72]發(fā)現(xiàn)PKR可以激活I(lǐng)KKβ-NF-κB通路。Nakamura等[73]研究發(fā)現(xiàn)PKR參與到內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激反應(yīng)和脂肪酸暴露反應(yīng)，并通過磷酸化eIF2a、激活“炎癥激酶”IKKβ和JNK1或磷酸化IRS1誘導(dǎo)自噬，這項研究解釋了JNK1、IKK和eIF2a通路在誘導(dǎo)自噬過程中功能重疊且相互作用。

然而，目前炎癥通路促進自噬活性的機制，還不能解釋炎癥因子帶來的炎癥反應(yīng)和不良代謝效應(yīng)，因為一些研究中發(fā)現(xiàn)自噬基因的遺傳缺失反而會激活炎癥信號，例如Yang等[74]發(fā)現(xiàn)抑制肝臟細胞的Atg7基因的會導(dǎo)致ER應(yīng)激和胰島素抵抗的增加。因此炎癥分子激活自噬的機制及其作用需要進一步的研究，以解釋炎性因子在自噬激活中的作用與自噬的細胞保護作用之間的關(guān)聯(lián)。圖2為細胞內(nèi)膜損傷后自噬與促炎癥信號的傳遞過程[75]。

(參考Deretic等[75]。Reference from Deretic, et al[75].)圖2 細胞內(nèi)膜損傷后自噬與促炎癥信號的傳遞過程

2.3 自噬與缺氧

低氧和缺氧(氧濃度分別<3%和<0.1%)都可以通過各種不同的機制引起自噬。低氧誘導(dǎo)的自噬依賴于低氧誘導(dǎo)因子HIF，而缺氧誘導(dǎo)的自噬不依賴于HIF[76]。HIF是一個由β亞基和一個由氧調(diào)節(jié)的α亞基組成的二聚體，只有當(dāng)氧濃度下降到5%以下時，它才會被激活表達。當(dāng)氧濃度在1%～3%時，HIF會激活BNIP3和BNIP3L(NIX)的轉(zhuǎn)錄，這2種蛋白可以破壞Beclin-1和Beclin-2之間的相互抑制作用[77]。同時BNIP3L常存在于線粒體的外表面，因其擁有一個WXXL基團，故其可與LC3及其同源物GABARAP結(jié)合，從而誘導(dǎo)線粒體自噬。低氧誘導(dǎo)的自噬則涉及其他途徑，在低氧條件下細胞中轉(zhuǎn)錄因子ATF4和CHOP通過增加自噬必需基因LC3和Atg5的轉(zhuǎn)錄誘導(dǎo)自噬[26]。

2.4 自噬與饑餓

饑餓是目前已知最有效的自噬生理誘導(dǎo)因子。在大多數(shù)培養(yǎng)的哺乳動物細胞中，饑餓會在幾分鐘內(nèi)引起細胞自噬，當(dāng)細胞同時缺乏營養(yǎng)(如氨基酸和葡萄糖)和生長因子(如血清中所含的生長因子)時，細胞自噬達到最高水平。mTOR和AMPK在饑餓誘導(dǎo)的自噬中發(fā)揮關(guān)鍵的調(diào)節(jié)作用，最近的研究表明Sirtuins家族也負責(zé)調(diào)控饑餓的自噬[78]。

Sirtuins是一個能夠感知環(huán)境壓力并依賴于NAD的脫乙酰酶家族，Sirt1可以去乙?；疉tg5、Atg7和LC3誘導(dǎo)自噬發(fā)生。Lee等[79]在敲除了Sirt1的小鼠中發(fā)現(xiàn)了與自噬受損一致的表型，包括自噬底物p62水平的增加、受損細胞器的積累、能量穩(wěn)態(tài)的破壞和圍產(chǎn)期早期的死亡。Sirt1還可以使轉(zhuǎn)錄因子forkhead box O3a(FOXO3a)脫乙?；?。FOXO3a能激活自噬因子Bnip3，是自噬調(diào)控的另一個重要分子。 FOXO3去磷酸化后能進入細胞核，上調(diào)多個自噬相關(guān)基因的表達，如ULK2，Beclin-1,VPS34,BNIP3和BNIP3L,ATG12,ATG4B,LC3,GABARAPL1等[25]。Sirt2在饑餓時與FOXO1解離，導(dǎo)致FOXO1的乙酰化，有利于FOXO1與細胞質(zhì)中的Atg7相互作用，從而刺激自噬的發(fā)生[80]。

AMPK能夠增加自噬水平，而mTORC1會抑制自噬水平的增加。AMPK通過感知饑餓刺激誘導(dǎo)自噬的方式有2種：①通過磷酸化ULK復(fù)合物間接誘導(dǎo)自噬；②通過抑制mTOR復(fù)合物1(mTORC1)直接誘導(dǎo)自噬。AMPK還可以磷酸化Atg13的Ser224位點，從而抑制自噬[17]。Lan等[81]發(fā)現(xiàn)AMPK與Sirt1之間存在相互關(guān)聯(lián)。Sirt1介導(dǎo)的LKB1去乙酰化，促進其從細胞核轉(zhuǎn)運到細胞質(zhì)，隨后激活A(yù)MPK。

除AMPK外，其他一些激酶也在饑餓誘導(dǎo)的自噬上調(diào)中發(fā)揮作用。如JNK1，它既能通過磷酸化Bcl2降低其對Beclin-1的BH3域的親和力，也可以使Sirt1磷酸化[82]。此外，eIF2a的磷酸化和IKK的激活也是饑餓誘導(dǎo)自噬的必要條件[83]。其他激酶如p38α絲裂原活化蛋白激酶(MAPK14)能通過作用于饑餓誘導(dǎo)的mAtg9轉(zhuǎn)運和自噬小體形成所必需的p38IP抑制自噬[84]。因此，饑餓狀態(tài)下需要幾種激酶的協(xié)同作用才能激活自噬，然而，目前對這種協(xié)調(diào)的確切機制及其關(guān)聯(lián)仍然知之甚少。

2.5 自噬與凋亡

雖然自噬通常有助于細胞在不利條件下的存活，但已有證據(jù)表明，高強度和持續(xù)的自噬也與細胞死亡有關(guān)[85]。自噬依賴性細胞死亡的經(jīng)典觀點，即Ⅱ型程序性細胞死亡(PCD)，涉及細胞死亡之前的細胞質(zhì)空泡化，自噬體結(jié)構(gòu)的大量積累[86]。自噬和凋亡之間存在顯著的交叉作用，細胞凋亡通常被稱為Ⅰ型PCD，通常涉及啟動和執(zhí)行凋亡的半胱氨酸蛋白酶家族的Caspases。因為一些ATG蛋白具有Caspase識別域，所以Caspases可以切割自噬相關(guān)分子進而調(diào)節(jié)PCD過程中的自噬活性。在大多數(shù)情況下，Caspase介導(dǎo)的ATG蛋白的裂解會導(dǎo)致自噬的下調(diào)或抑制，從而增加細胞死亡，如之前報道的Caspase介導(dǎo)的Beclin-1、ATG16L或AMBRA1的裂解[87]。自噬也能通過Caspases來抑制細胞凋亡信號，使其在特定環(huán)境下降解[88]。

然而某些Caspase裂解的ATG產(chǎn)物能夠增強自噬活性。例如，Caspase-3裂解半胱氨酸蛋白酶ATG4D后的產(chǎn)物具有更高的活性，起到促進自噬的作用。同樣，Caspase9在與自噬核心蛋白ATG7相互作用時催化活性降低，與單獨的ATG7相比，ATG7/Caspase9復(fù)合物對LC3B表現(xiàn)出更高的親和力和更強的自噬誘導(dǎo)作用[89]。

Calpains是鈣離子依賴性的半胱氨酸蛋白酶，能夠?qū)⒓毎麅?nèi)鈣離子含量與自噬和凋亡信號傳遞聯(lián)系起來。類似于Caspase介導(dǎo)的ATGs的切割，Calpains可以切割A(yù)TG5，并作為自噬和凋亡之間的額外開關(guān)[90]。Calpains裂解的ATG5產(chǎn)物可以從胞體遷移到線粒體，有助于細胞色素c的釋放，從而增加細胞凋亡。除ATG5外，Calpain也被證明可以切割其他不同的ATG蛋白，從而增加自噬和細胞凋亡之間的聯(lián)系[91]。

上文介紹的p53蛋白在自噬與凋亡中也發(fā)揮作用。在正常條件下p53位于細胞質(zhì)中，對FIP200發(fā)揮抑制作用，從而限制自噬的啟動[92]。輕微的細胞應(yīng)激會使p53向細胞核移動，增加促自噬因子AMPK、損傷調(diào)節(jié)自噬調(diào)節(jié)劑1 (DRAM1)和Sestrins1和Sestrins2的表達，發(fā)揮誘導(dǎo)細胞自噬的作用。然而，持續(xù)的高應(yīng)激水平導(dǎo)致p53線粒體膜定位觸發(fā)凋亡[93]。

2.6 自噬與環(huán)境脅迫

許多被認(rèn)為對生物有毒的環(huán)境污染物能夠通過直接或間接影響自噬和溶酶體系統(tǒng)發(fā)揮毒性作用。一些污染物會抑制或阻斷自噬的最后階段，降低溶酶體降解的效率，從而導(dǎo)致有害物質(zhì)的積累[94]。同時，暴露于污染物/外來生物也可能影響自噬的初始階段或自噬相關(guān)信號通路，阻礙自噬過程，進而影響細胞對環(huán)境的適應(yīng)。自噬作為一種細胞自我保護機制，當(dāng)細胞暴露于污染物或外來生物時細胞自噬水平增加，而當(dāng)損傷嚴(yán)重且持續(xù)時，會導(dǎo)致自噬的持續(xù)誘導(dǎo)，這在某些情況下可能會導(dǎo)致細胞死亡。為了更好地理解外源性物質(zhì)、自噬和細胞凋亡之間復(fù)雜的關(guān)系，本文作者總結(jié)了一些重要的工業(yè)污染物對自噬通路的作用(見表2)。

表2 重要工業(yè)污染物對自噬通路的作用

除了環(huán)境污染物外，感染細菌或病毒也會誘導(dǎo)自噬。目前多數(shù)研究認(rèn)為細胞自噬是動物應(yīng)對病菌感染的一種保護機制：比如Xu等[109]發(fā)現(xiàn)感染對蝦白斑綜合癥病毒(WSSV)36 h后的日本沼蝦(Marsupenaeusjaponicas)體內(nèi)中LC3-Ⅱ和LC3-Ⅰ比例相對于未感染組顯著提高，表明病毒感染會誘導(dǎo)日本沼蝦體內(nèi)細胞發(fā)生自噬。Pierrick等[110]發(fā)現(xiàn)牡蠣皰疹病毒1型(Ostreid herpesirus-1,OsHV-1)和弧菌(Vibrioaestuarianus)能誘導(dǎo)太平洋牡蠣細胞自噬，且使用自噬抑制劑處理后，牡蠣感染OsHV-1病毒后的死亡率遠高于未加自噬抑制劑處理組，證明自噬在保護太平洋牡蠣免受病毒細菌的感染中起著重要作用。除此之外，Balbi等[48]也通過TEM觀測、Western Blot實驗等方法證明了貽貝血淋巴細胞在應(yīng)對弧菌感染時的自噬變化。

目前病菌感染后對細胞自噬影響的研究多集中于觀測生物感染病菌后體內(nèi)自噬的變化，未來可通過藥物等方法促進機體細胞自噬來應(yīng)對病菌感染，或使用促進自噬的藥物降低動物感染病菌后的死亡率。

在過去的幾十年里，針對暴露于環(huán)境污染物對健康影響的研究表明，細胞毒性通常會影響線粒體的穩(wěn)定性以及ROS的產(chǎn)生和積累，而這些刺激都可以調(diào)節(jié)自噬活性。因此，自噬相關(guān)基因和蛋白可作為污染物危害初期快速可靠的生物標(biāo)志物。

對暴露于環(huán)境污染物后的自噬調(diào)節(jié)、自噬依賴的細胞死亡和凋亡機制的研究，有利于進一步理解細胞和生物體對污染物的反應(yīng)，為開發(fā)自噬相關(guān)基因和蛋白作為生物標(biāo)志物提供實驗支撐。此外，依據(jù)相關(guān)研究設(shè)計新的自噬相關(guān)治療方法，以解決污染物對人體健康的有害影響并開發(fā)相關(guān)的生物傳感器，有助于檢測環(huán)境污染物的毒性效應(yīng)。

2.7 自噬與細胞其他應(yīng)激反應(yīng)

自噬和細胞其他應(yīng)激反應(yīng)的整合可以分3個方面。第一，單一類型的壓力刺激會觸發(fā)細胞內(nèi)多種應(yīng)激反應(yīng)的信號通路，引發(fā)不同的細胞反應(yīng)，其中之一是自噬。過氧化導(dǎo)致的應(yīng)激反應(yīng)，是通過低氧誘導(dǎo)因子(HIF)、NF-κB和p53的激活誘導(dǎo)轉(zhuǎn)錄編程，從而引起未折疊蛋白反應(yīng)(UPR)，并刺激一般和選擇性的自噬[71]。缺氧引發(fā)的應(yīng)激反應(yīng)在刺激自噬的同時也激活了血管生成和細胞保護相關(guān)的細胞因子[77]。第二，不同類型的應(yīng)激刺激通過單一的分子事件刺激多個應(yīng)激反應(yīng)發(fā)生。TAK1和IKK的激活通過NF-κB信號通路調(diào)節(jié)自噬[67]。第三，不同的細胞應(yīng)激反應(yīng)途徑能夠相互調(diào)控，因此自噬與其他應(yīng)激反應(yīng)途徑能夠相互調(diào)控。例如自噬缺陷導(dǎo)致p62積累，從而改變NF-κB信號。p62在自噬缺失的情況下積累可激活應(yīng)激應(yīng)答轉(zhuǎn)錄因子Nrf2。環(huán)境污染物誘導(dǎo)自噬的應(yīng)激途徑由圖3所示。

圖3 環(huán)境污染物誘導(dǎo)自噬的應(yīng)激途徑

3 展望

該綜述描述了常見的自噬調(diào)控分子機制及目前鑒定自噬的主要方法，重點關(guān)注了自噬和不同類型的應(yīng)激反應(yīng)之間的密切聯(lián)系，這些聯(lián)系由多種復(fù)雜的機制組成，這些機制在復(fù)雜的信號通路中交織在一起，構(gòu)成分子開關(guān)和穩(wěn)態(tài)裝置，對這些復(fù)雜機制間的分子聯(lián)系進一步研究，以及利用系統(tǒng)生物學(xué)方法對其進行整合，可能為更精細的自噬實驗和治療操作提供可測試的模型。目前，對自噬調(diào)控的研究仍處在初始階段，為了充分了解細胞和生物體如何應(yīng)對分子損傷及環(huán)境脅迫帶來的壓力，需要更深入研究自噬調(diào)節(jié)，自噬依賴性細胞死亡和細胞凋亡的調(diào)控機制。希望將來有更多應(yīng)激反應(yīng)與自噬調(diào)控通路的研究出現(xiàn)。

自噬與免疫反應(yīng)和化學(xué)應(yīng)激誘發(fā)的其他細胞功能之間仍有許多聯(lián)系，尚待進一步闡明。需要更多的基礎(chǔ)研究來確定暴露于環(huán)境化學(xué)物質(zhì)后自噬調(diào)控途徑的分子機制。這些研究將有助于進一步了解自噬在化學(xué)毒性和組織發(fā)病機制中的作用。