细胞自噬编辑

生物学术语

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细胞自噬（autophagy）一词来自希腊单词auto-，意思是“自己的”，以及phagein，意思是“吃”。所以，细胞自噬的意思就是“吃掉自己”。细胞自噬是真核生物中进化保守的对细胞内物质进行周转的重要过程。该过程中一些损坏的蛋白或细胞器被双层膜结构的自噬小泡包裹后，送入溶酶体（动物）或液泡（酵母和植物）中进行降解并得以循环利用。

在20世纪70年代和80年代，研究人员集中研究阐明用于降解蛋白质的另一个系统，即“蛋白酶体”。在这一研究领域，阿龙·切哈诺沃（Aaron CiechaNOver），阿夫拉姆·赫什科（Avram Hershko）和欧文·罗斯（Irwin Rose）因为“泛素介导的蛋白质降解的发现”被授予2004年诺贝尔化学奖。蛋白酶体降解蛋白质的效率很高，一个个单个降解蛋白质，但这个机制没有解释细胞是怎么解决更大的蛋白质复合物以及破旧的细胞器的。

突破进展

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自噬过程可以提供这个答案吗？如果可以的话，其中的机制又是什么样的呢？

一项突破性的实验

图2

2016年诺贝尔生理学或医学奖得主大隅良典曾经活跃于多个研究领域，但自从1988年建立了自己的实验室之后，他就主要研究蛋白质在液泡中降解的过程了。液泡也是一种细胞器，它在酵母中的地位和人体中溶酶体的地位类似。酵母细胞相对更容易进行研究，因而常被用作人类细胞的模型；寻那些在复杂细胞通路中发挥重要作用的基因时，酵母特别有用。但大隅面临着一个重大挑战：酵母细胞很小，在显微镜下不容易看清它的内部结构，因此他起初都无法确定自噬现象是否也会发生在酵母细胞中。大隅推论，如果他能在自噬行为发生的时候阻断液泡中蛋白质分解的过程，那么自噬体将在液泡中累积，从而在显微镜下可见。因此，他培育出因突变而缺乏液泡降解酶的酵母细胞，并通过使细胞饥饿激发自噬。

实验结果非常惊人！几个小时内，液泡中就充满了细小的、未被降解的囊泡（见图2），这些囊泡就是自噬体。大隅的实验证明酵母细胞中也存在自噬现象，然而更重要的是，他发现了一种方法，能够识别和鉴定涉及这些过程的关键基因。这是一项重大的突破，大隅在1992年发表了实验结果。

图2：在酵母细胞中（图2左图），有一个大型结构叫做液泡，对应哺乳动物细胞中的溶酶体。大隅培养出缺乏液泡降解酶的酵母，当这些酵母细胞饥饿的时候，自噬体就会在液泡中迅速累积（图2中图）。他的实验证明了自噬现象也存在于酵母细胞中。接下来，大隅研究了上千种酵母细胞的突变型（图2右图），识别出15种和自噬有关的关键基因。

发现自噬基因

示意图

作用时间：多在种子成熟时储藏蛋白的沉积或萌发时储存蛋白的降解中起作用。

巨自噬

定义：在其过程中，底物蛋白被一种双层膜的结构（粗面内质网的无核糖体附着区脱落的双层膜）包裹后形成直径约400~900纳米大小的自噬小泡（autophagosome），接着自噬小泡的外膜与溶酶体膜或者液泡膜融合，释放包裹底物蛋白的泡状结构到溶酶体或者液泡中，并最终在一系列水解酶的作用下将其降解，我们将这种进入溶酶体或者液泡腔中的泡状结构称为自噬小体。

作用时间：营养缺乏条件下培养的细胞、植物的免疫反应、叶片衰老及环境胁迫应答。

介导自噬

在动物细胞衰老反应过程中，往往发生分子伴侣介导的自噬过程，保存必须的组成细胞结构的蛋白和其他材料。

研究方法

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诱导剂

(1) Bredeldin A / Thapsigargin / Tunicamycin ：模拟内质网应激

(2) CARBamazepine/ L-690，330/ Lithium Chloride（氯化锂）：IMPase 抑制剂（即Inositol monophosphatase，肌醇单磷酸酶）

(3) Earle's平衡盐溶液：制造饥饿

(4) N-Acetyl-D-sphingosine（C2-ceramide）：Class I PI3K Pathway抑制剂

(5) Rapamycin：mTOR抑制剂

(6) Xestospongin B/C：IP3R阻滞剂

抑制剂

(1) 3-Methyladenine（3-MA）：（Class III PI3K） hVps34 抑制剂

(2) Bafilomycin A1：质子泵抑制剂

(3) Hydroxychloroquine（羟氯喹）：Lysosomal lumen alkalizer（溶酶体腔碱化剂）

除了选用上述工具药外，一般还需结合遗传学技术对自噬相关基因进行干预：包括反义RNA干扰技术（Knockdown）、突变株筛选、外源基因导入等。

观察检测

细胞经诱导或抑制后，需对自噬过程进行观察和检测，常用的策略和技术有：

1、观察自噬体的形成

由于自噬体属于亚细胞结构，普通光镜下看不到，因此，直接观察自噬体需在透射电镜下。Phagophore的特征为：新月状或杯状，双层或多层膜，有包绕胞浆成分的趋势。自噬体（AV1）的特征为：双层或多层膜的液泡状结构，内含胞浆成分，如线粒体、内质网、核糖体等。自噬溶酶体（AV2）的特征为：单层膜，胞浆成分已降解。（autophagic vacuole，AV）

2、在荧光显微镜下采用GFP-LC3融合蛋白来示踪自噬形成

由于电镜耗时长，不利于监测（Monitoring）自噬形成，人们利用LC3在自噬形成过程中发生聚集的现象开发出了此技术。无自噬时，GFP-LC3融合蛋白弥散在胞浆中；自噬形成时，GFP-LC3融合蛋白转位至自噬体膜，在荧光显微镜下形成多个明亮的绿色荧光斑点，一个斑点相当于一个自噬体，可以通过计数来评价自噬活性的高低。

3、利用Western Blot检测LC3-II/I比值的变化以评价自噬形成

自噬形成时，胞浆型LC3（即LC3-I）会酶解掉一小段多肽，转变为（自噬体）膜型（即LC3-II），因此，LC3-II/I比值的大小可估计自噬水平的高低。

（注意：LC3抗体对LC3-II有更高的亲和力，会造成假阳性。方法2和3需结合使用，同时需考虑溶酶体活性的影响。）

4、检测长寿蛋白的批量降解：非特异

5、MDC（MonoDAnsylcadaverine，单丹磺酰尸胺）染色：包括自噬体，所有酸性液泡都被染色，故属于非特异性的。

6、CELLTrackERTM Green染色：主要用于双染色，但其能染所有的液泡，故也属于非特异性的。