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自噬

自噬（英语：autophagy，或称自体吞噬）是一个涉及到细胞自身结构通过溶酶体机制，负责将受损的细胞器、错误折叠的蛋白及其他大分子物质等运送至溶酶体降解并再利用的进化保守过程。自噬是广泛存在于真核细胞的现象，并且可分为巨自噬、微自噬和分子伴侣介导的自噬三大类。这是一个受到紧密调控的步骤，此步骤是细胞生长、发育与稳态中的常规步骤，帮助细胞产物在合成、降解以及接下来的循环中保持一个平衡状态。目前已有多份研究表明自噬在许多细胞的分化进程中被不同程度地触发[1]，例如参与血管生成[2]、成骨分化[3]、脂肪生成[4]、神经发生[5]等过程。

(A) 自噬示意图; (B) 果蝇幼虫的脂肪体自噬结构的电子显微镜照片; (C) 萤光标记的自噬体饥饿小鼠肝细胞

自噬效应的发生取决于自噬流过程是否完成，而自噬流的意思是自噬的完整动态过程，包括自噬体形成、自噬体与溶酶体融合及后续内含物的降解和回收[6]。

命名为“自噬”（英语：autophagy）是由比利时化学家克里斯汀·德·迪夫在1963年发现的[7]。当代的自噬研究是1990年代酵母的研究人员通过识别的自噬相关基因而被推动[8][9][10][11][12]。其中之一人，日本科学家大隅良典因“对细胞自噬机制的发现”获得2016年度的诺贝尔生理学或医学奖[13]。

历史

1962年1月，美国洛克菲勒医学研究院的基思·R·波特和其学生Thomas Ashford报导了添加胰高血糖素后，大鼠肝细胞中的溶酶体数量增加，并且发现一些向细胞中心移位的溶酶体，包含着线粒体等细胞器的成分。Porter和Ashford错误地将数据解释为溶酶体的形成过程，不认为溶酶体是像线粒体一样存在于细胞质中的细胞器，并且将观察到的水解酶理解为是由微体（英语：Microbody）产生的水解酶[14]。

1963年，赫鲁班（Hruban）、Spargo及其同事等报道了局部细胞质降解的超微结构，该报道参考了1955年德国科学家的损伤诱导融合模型，观察到了从细胞质融合到生成溶酶体的三个连续步骤，并提出这个过程不仅由损伤阶段诱发，而且在细胞分化的生理阶段，同样的过程也在“细胞器处置”和“细胞成分再利用”中行使功能[15]。这篇报道引起了当时也在洛克菲勒医学研究所工作的克里斯汀·德·迪夫的兴趣，与之前Porter和Ashford的看法不同，德迪夫受到这一发现的启发，把这种现象命名为自噬（autophagy），并提出在胰高血糖素引发的肝细胞降解过程中，溶酶体发挥了功能。他与其学生拉塞尔·德特（Russell Deter）一起证实胰高血糖素诱发的自噬是由溶酶体介导的[16][17]，并且在1967年连续发表两篇文章，他也由此成为第一位报道溶酶体参与细胞内自噬的科学家。这是首次确定溶酶体是细胞内自噬的部位[7][18][19]。1974年德迪夫发现细胞内结构及功能性器官，即溶酶体和过氧物酶体，而与另外两位科学家共享了该年度的诺贝尔生理学或医学奖。

 
日本生物学家大隅良典在东京工业大学实验室内的照片

在1990年代，几组科学家使用发芽酵母独立地发现了自噬相关基因。值得注意的是，大隅良典（他于2016年获得了诺贝尔生理学或医学奖，尽管有人指出该奖项可能更具包容性[20]）和Michael Thumm研究了饥饿诱导的非选择性自噬[9][10][11]。同时，Daniel J Klionsky发现细胞质至液泡传递途径（英语：Cytoplasm-to-vacuole targeting）（CVT），这是选择性自噬的一种形式[8][12]。他们很快发现他们实际上是从不同的角度看本质上相同的路径[21][22]。最初，由酵母菌组发现的基因被赋予不同的名称（APG、AUT、CVT、GSA、PAG、PAZ和PDD）。2003年，有研究人员提出了统一的命名法，即使用ATG表示自噬基因[23]。

21世纪初，自噬研究领域经历快速的发展。ATG基因的知识为科学家提供了更方便的工具，以分析自噬在人类健康和疾病中的功能。1999年，贝丝·莱文（Beth Levine）的小组发表了一项具有里程碑意义的发现[24]，将自噬与癌症联系起来。迄今为止，癌症与自噬之间的关系仍然是自噬研究的主要主题。自噬在神经退行性变和免疫防御中的作用也受到了广泛的关注。2003年，第一届戈登自噬研究会议（Gordon Research Conference on autophagy）在沃特维尔举行[25]。2005年，Daniel J Klionsky发行了致力于该领域的科学期刊《自噬》。2007年，首届Keystone自噬专题讨论会在蒙特里举行[26]。2008年，Carol A Mercer创建了BHMT融合蛋白（GST-BHMT），该蛋白在细胞系中显示饥饿诱导的位点特异性片段化，而甜菜碱高半胱氨酸甲基转移酶（英语：Betaine—homocysteine S-methyltransferase）的降解是一种可用于评估哺乳类动物细胞中自噬通量的代谢酶[27]。

巨自噬作用、微自噬作用（英语：Microautophagy）和伴侣分子介导自噬作用（英语：Chaperone-mediated autophagy）由自噬相关基因及其相关酶介导[28][29][30]。巨自噬作用细分为本体自噬和选择性自噬（bulk and selective autophagy）。在选择性自噬中，又细分为线粒体自噬作用（英语：Mitophagy）[31]、脂自噬作用、过氧化物酶体自噬作用[32]、叶绿体自噬作用[33]及核糖体自噬作用[34]等。

 
图中显示了自噬体的形成，其中高尔基体在左上方，线粒体在右上方，而自噬体则在底部中心
  • 巨自噬作用是主要的自噬途径，主要用于清除受损的细胞器或未被使用的蛋白质[35]。首先，吞噬细胞将需要降解的物质吞噬，并在受损的细胞器周围形成自噬体[36]。然后自噬体穿过细胞的细胞质到达溶酶体，两个细胞器融合。在溶酶体内，自噬体内的内容物通过酸性溶酶体水解酶降解[37] 。
 
巨自噬与微自噬作用过程的对比
  • 微自噬作用涉及将细胞质内的物质直接吞噬到溶酶体中[38]。这是通过内陷发生的，意味着溶酶体膜向内折叠或细胞向外突出[36]。
  • 伴侣分子介导自噬作用（CMA）是一个非常复杂和特异的途径，涉及到包含hsc70的复合物的识别[36][39]。这意味着蛋白质必须包含hsc70复合物的识别位点，这将使其能够与该分子伴侣结合，形成CMA-底物/分子伴侣复合物。然后，该复合物移动到溶酶体膜结合蛋白上，该蛋白将识别并与CMA受体结合。底物蛋白在识别后就解折叠，并在溶酶体hsc70分子伴侣的帮助下，跨越溶酶体膜转运。CMA与其他类型的自噬存在显著差异，因为它以一种一种的方式转运蛋白物质，并且对哪种物质穿过溶酶体屏障具有极高的选择性[35]。
  • 线粒体自噬作用是通过自噬选择性地降解受损或未受损的线粒体。经历损伤或受压后，经常发生线粒体缺陷。线粒体吞噬作用促进线粒体的更新，并且防止功能异常的线粒体积聚，从而导致细胞变性。它是由酵母中的Atg3、NIX及其调节物BNIP3在哺乳动物中介导的。线粒体吞噬作用受到PINK1和parkin蛋白的调节[40][41]。
  • 脂自噬作用是通过自噬降解脂质[42]，该功能在动物和真菌细胞中都存在[43]。然而，脂肪吞噬作用在植物细胞中的作用仍然难以捉摸[44]。在脂质吞噬中，靶标是称为脂质滴（LDs）的脂质结构，具有主要是三酰基甘油（TAGs）核心，以及单层磷脂和膜蛋白组成的球形细胞器。在动物细胞中，主要的脂肪吞噬途径是通过吞噬细胞吞噬LD，即巨自噬。另一方面，在真菌细胞中，微脂代谢是主要途径，尤其是在发芽酵母及酿酒酵母中得到了很好的研究[45]。脂吞噬作用最早在小鼠中发现，并且在2009年发表[46]。

分子生物学

属于丝氨酸/苏氨酸类蛋白激酶的ATG1/ULK1是启动自噬作用的关键蛋白激酶[47]。自噬的初始阶段主要是诱导自噬和形成自噬膜，然而自噬膜的形成需要自噬前体（即自噬调控的重要节点）的形成。Beclin1-Vps34复合体是哺乳动物自噬的核心复合物。AtG4参与自噬泡的形成[48]，而UVRAG作用于自噬泡成熟及其运输过程[49]，Rubicon负调节其功能[50]。诱导自噬后，在Atg14-Vps15-mVps34复合物作用下，启动膜泡的成核反应，进一步结合Atg21和Atg24，形成前自噬体[51]。

自噬膜泡进一步扩张并包绕底物，最终形成自噬体。Atg12-Atg5复合物系统和LC3-Ⅱ-磷脂酰乙醇胺复合物系统均是泛素化系统，参与着自噬体的形成。目前已知p62（英语：Nucleoporin 62）蛋白会诱导镶嵌有LC3的自噬体到溶酶体，将其吞噬并清除，与底物结合的p62也能被蛋白水解酶降解，而细胞内的微管骨架其实也会将自噬体运输到溶酶体，水解酶在二者融合降解自噬体内容物，Rab7及UVRAG（英语：UVRAG）等因子参与此过程。目前已知Rab7与膜泡表面的脂分子尾部作用进行定位，而UVRAG则活化Rab7，将囊泡运送到靶位点[52]。

自噬过程通常涉及两种泛素样偶联反应，以维持吞噬体的扩展。第1种反应发生在LC3 (酵母Atg8在哺乳动物中的同源物)，LC3对溶酶体的形成是必需的。Atg4切割LC3获得弥散胞质状态的LC3-Ⅰ，LC3-Ⅰ其后与磷脂酰乙醇胺偶联，以形成膜结合状态的LC3-Ⅱ，LC3-Ⅱ其后定位于自噬体膜。Atg5-Atg12-Atg16L1复合物与前自噬体膜相关联，通过协助招募LC3延长它们的伸长。随着吞噬细胞扩大并接近闭合，Atg5-Atg12-Atg16L1复合物从外膜解离，而LC3-Ⅱ仍然与完成的自噬体结合。除此之外，mAtg9是核心Atg蛋白中唯一确定的多次跨膜蛋白，吞噬细胞的延伸也由mAtg9辅助。第2种反应则是在Atg12（英语：ATG12）与Atg5共轭后，Atg16L1与偶联物Atg12-Atg5结合，形成一个对吞噬细胞成熟至关重要的Atg5-Atg12-Atg16L1复合物[53]。

  • ATG8酯化在自噬发生过程中的作用仍未解释清楚，可以对促进自噬体膜的延伸和闭合起著关键作用。ATG8的酯化过程依赖于两个类泛素化系统的帮助。所有生物中的ATG5-ATG12共价结合复合物对于细胞内ATG8的酯化均是必须的。
  • 在自噬相关基因中，Beclin1、Atg5、Atg12和LC3对自噬的诱导阶段十分重要。其中，LC3是自噬的关键蛋白，LC3前体正常会被ATG4切掉C端120个氨基酸，而残片称为LC3Ⅰ。胞膜形式的LC3Ⅰ在自噬发生时，已活化的LC3-Ⅰ经Atg3泛素化修饰后，与自噬泡膜表面的磷脂酰乙醇胺结合，形成自噬体膜形式且疏水性较强的LC3Ⅱ，并且铆钉于自噬泡双层膜结构上，参与细胞自噬。
  • ULK复合物对自噬诱导起始至关重要[54]，主要由ULK1/2、自噬相关基因13（ATG13）、ATG101和200 kD家族相互作用蛋白组成[47]。ULK1/2负责募集ATG蛋白，其中ULK1是哺乳动物自噬泡形成所必需的一种蛋白质，其活性缺失时LC3-Ⅱ不能形成，阻碍自噬过程。ULK1激酶复合体能够促进PI3K和ATG14形成复合物，并且促进Beclin1从Bcl2-Beclin1复合体中解离出来，形成参与自噬体核形成的关键因子Beclin1-PI3K-ATG14复合物[48]。单磷酸腺苷活化蛋白质激酶（英语：AMP-activated protein kinase）（AMPK）和mTOR都可以催化ULK1的磷酸化[55] 。AMPK在营养充足的条件下失活，mTORC活化并磷酸化ULK1和ATG13，从而抑制自噬起始。AMPK在饥饿条件下活化，同时mTORC失活，已活化的AMPK催化ULK1丝氨酸磷酸化，促进自噬作用。除此之外，ATG13可以由mTORC1（英语：mTORC1）磷酸化并调控ULK复合物的活性，ATG101结合并稳定FIP200，而FIP200则为ULK及ATG13提供支架[56]。
  • PI3K复合物由Vps34、Vps15、Beclin1和Atg14蛋白组成，ULK1复合物在膜泡形成后会从由细胞质转移至内质网，并且增强PI3K复合物的活性，随后可产生磷脂酰肌醇-3磷酸酯，促进其他效应蛋白与自噬体膜结合，从而启动膜泡的成核反应，继而介导前自噬体的形成[57]。

功能

营养不足

自噬在各种细胞功能中都发挥作用。营养不足会导致高水平的自噬，降解不需要的蛋白质，并且回收氨基酸，以合成对细胞生存至关重要的蛋白质[58][59][60]。在高等真核生物中，自噬作用因动物在出生后切断了来自胎盘的食物供应而被响应[61][62]。自噬能力降低的突变酵母细胞会在营养缺乏的情况下迅速消失[63]。对APG突变体的研究表明，在饥饿条件下，通过自噬体进行的自噬对于液泡中的蛋白质降解是必不可少的，并且酵母中至少有15个APG基因参与自噬[63]。营养素介导的自噬涉及一种称为ATG7的基因，因为小鼠研究表明，APG7缺陷型小鼠有着饥饿引起的自噬[62]。

异种吞噬

在微生物学中，异种吞噬（英语：Xenophagy）是指感染性颗粒的自噬性降解。细胞自噬机制在先天免疫中发挥重要作用。结核杆菌等细胞内的病原体被靶向降解，当中的细胞机制和调控机制与靶向线粒体降解的机制相同[64] 。这是内共生学说的进一步证据。尽管某些细菌会阻止吞噬体成熟为降解的细胞器，称为吞噬溶酶体（英语：Phagolysosome），但是这个过程通常会导致由侵入性微生物带来的破坏[65]。

感染

水疱性口炎病毒是由自噬体从胞质溶胶中吸收并转移到内体中，并且在那里通过TLR7（英语：TLR7）检测单链核糖核酸。在类铎受体被激活后，细胞内信号级联反应就会开始，导致干扰素和其他抗病毒细胞因子的诱导。部分病毒和细菌破坏了自噬途径，以促进自身复制[66]。半乳凝素8已经被鉴定为细胞内的“危险受体”，能够启动针对细胞内病原体的自噬。当半乳凝素8与受损的液泡结合时，它会募集CALCOCO2（英语：CALCOCO2）等自噬受体，导致自噬体的形成和细菌的降解[67] 。

修复机制

自噬可以降解受损的细胞器、细胞膜和蛋白质，而抵制自噬作用被认为是造成受损细胞蓄积和衰老的其中一个主要原因[68]。自噬和自噬调节剂参与溶酶体损伤的反应，通常由半乳凝素-3（英语：Galectin-3）和半乳凝素-8（英语：Galectin-8）等半乳凝素（英语：Galectin）指导，半乳凝素-8负责募集TRIM16（英语：TRIM16）。[69]和NDP52等受体，并直接影响mTOR和AMPK的活性，而mTOR和AMPK分别抑制和激活自噬作用[70]

程序性细胞死亡

程序性细胞死亡（PCD）的其中一个机制与自噬小体的出现有关，并且依赖于自噬蛋白。这种细胞死亡形式最有可能与形态学上定义为自噬PCD（autophagic PCD）的过程相对应。其中一个问题，是步入死亡过程的细胞中，其自噬的活性是导致其死亡的原因，还是为了防止细胞死亡的一个尝试。迄今为止，形态学和组织化学研究并未证明自噬过程与细胞死亡之间存在因果关系。最近有论据认为，垂死细胞中的自噬活性可能是一种生存机制[71][72]。对昆虫变态的研究表明，细胞经历了一种PCD形式，这种形式与其他形式截然不同。这些已被提议作为自噬作用使细胞死亡的例子[73] 。最近的药理和生化研究表明，有助细胞生存或致死的自噬可以通过应激期间，尤其是病毒感染后，调控信号的类型和程度来区分[74] 。然而尚未在病毒系统之外观察到这些发现。

影响自噬的因素及其影响

力学方面

  • 左心室心肌组织中，压力超负荷会导致其蛋白酶的表达量和活性均显著增强（目前已知蛋白酶的活性与自噬作用存在密切的关系）[75]，并且导致小鼠心肌细胞的自噬活性持续地增强，甚至发现升高的情况维持至少3周[76]。许多研究证实心肌细胞的自噬活性因压力超负荷而提高[77][78][79]。因为压力超负荷使心肌细胞中，在细胞核周围逐渐聚集的错误折叠蛋白数量增多，并且形成被细胞自噬系统识别并降解的聚集体。其后的科研人员利用动脉结扎的方法，使已经敲除Beclin-1的杂合子小鼠心脏处于压力超负荷的状况，最终发现敲除Beclin-1可以减弱压力超负荷造成的细胞自噬活性提高，并且减弱心肌细胞对压力超负荷的病理性重建作用，同时又发现在小鼠体内过度表达Beclin-1则造成相反的作用[76]。另一些科研人员进行的实验也证明了心肌细胞为了维持细胞稳态和心肌的正常结构及功能，而拥有基础水平的细胞自噬作用。当心肌面对着血流压力超负荷的状况时，自噬作用的提升就是心肌应对这种状况的适应性反应。若然ATG5（英语：ATG5）等自噬相关基因被特异性敲除，小鼠体内会出现左心室扩张及收缩功能减弱等异常现象，甚至在2周后出现了心肌肥大的问题[80]。除此之外，有多份研究指出压力超负荷的情况消失时，细胞会逐渐回复正常的形态，而自噬则发挥着重要的作用。当去除小鼠主动脉结扎后，会发现心肌细胞逐渐复原，并且观察到自噬相关标志分子LC3b-Ⅱ的表达提高，反映自噬作用的活性极大地提升[81]。
  • 心肌细胞若然处于去应力负荷的环境，其自噬作用会受到影响，然而自噬作用能其所促进或降低。有些研究人员心肌细胞处于去应力负荷的环境时会萎缩，并且发现LC3b-Ⅱ和Beclin-1的表达提升[82]。然而，科研人员发现有佩戴左心室辅助装置的心脏衰竭患者，体内心肌细胞自噬的水平会降低，推测可能是因为心肌细胞的能量需求降低，不再需要维持高水平的自噬活性[83]。
  • 自噬在力学刺激或冲击引起的软骨反应中，发挥重要的作用。最先研究有关方面的研究人员发现遭受40%力学冲击的细胞的存活率会降低，并且发现细胞外基质中硫酸化糖胺聚糖逐渐丢失，同时在24小时后检测到LC3b-Ⅱ的表达提高，然而在48小时后细胞的自噬逐渐受到了抑制[84]。由此可见，自噬作用在软骨组织面对力学冲击时，会有一定程度的保护作用，但是在损伤过大时，就会因受到抑制而失去对软骨组织的保护作用。除此之外，有不少科研人员指出不同时程的力学刺激，对软骨细胞的自噬影响存在着差异。例如短时程的间歇循环机械张力可以促进软骨细胞的自噬作用，而长时程则有相反的结果[85]
  • 层流剪切力对血管内皮细胞的自噬的影响在2014年已被证实。其后的研究发现层流剪切力可以促进内皮细胞的自噬活性，可能跟细胞内氧化-抗氧化平衡有关[86]，而较小的层流剪切力及震荡流剪切力却不能够促进自噬活性。流动剪切力（即适当的层流剪切力）能够帮助维持内皮细胞的自噬作用，内皮细胞在加载流动剪切力后会维持静止状态，同时自噬的活性逐渐降低到基础水平[87]。除此之外，有科研人员指出流动剪切力在炎症状态下，对内皮细胞自噬的促进作用也会增强[88]，并且起到抗炎症反应的作用[86]。

氨基酸

  • 当胞内赖氨酸（Lys）不足时，骨骼肌细胞会因自噬-溶酶体途径被激活而发生自噬，使得自身的蛋白质被降解，以抵抗外部因素引起的氨基酸缺乏，在短时间内维持自身氨基酸的平衡状态[95]。
  • 白胺酸（Leu）是必需的支链氨基酸，然而因Leu不能在动物体内合成而只可以从食物中摄取。目前已经有多项研究将Leu剥夺而引起的蛋白质分解与自噬联系着， 有研究表明miR-20a和miR-106b（均为miR-17 microRNA家族）可能通过抑制小鼠成肌细胞系C2C12中Unc-51样自噬激活激酶1（英语：ULK1）的表达，调节因Leu被剥夺而诱导的自噬[96]。另外一份研究则发现，自噬-溶酶体系统会摄入Leu后被激活，抑制肌原纤维蛋白质的降解，接着发现，在C2C12细胞（经达尔伯克氏必需基本培养基培养）中，补充Leu 30分钟之后，LC3-Ⅱ与LC3-Ⅰ的比值显著降低，显示补充Leu会显著抑制C2C12细胞自噬的发生[95]。由于缺乏氨基酸可以诱导细胞发生自噬，所以Leu是一种有效的自噬抑制剂[97]。
  • 麸酰胺酸（Gln）是人体中含量最丰富的非必需氨基酸。有研究发现通过Gln缺乏的培养基处理猪肠道上皮细胞8小时后，细胞数目会显著减少，同时显著提升LC3-Ⅱ的表达，故而缺乏Gln会令猪肠道上皮细胞发生自噬[100]。

窄谱中波紫外线

窄谱中波紫外线（NB⁃UVB）可以促进正常黑素细胞发生自噬，使用穿透式电子显微镜观察有关细胞时，发现随着NB⁃UVB照射剂量的增大，黑素细胞中的黑素小体会增多，而细胞质内出现较多单层膜空泡状的自噬溶酶体，以及较少的双层膜自噬体。有研究人员结合他们的研究结果及以往的研究报道，推测NB⁃UVB通过上调黑素细胞自噬水平的途径，促进黑素细胞存活，并且可以在白癜风治疗中发挥作用[101]。

悬浮粒子

2013年，首次报道暴露于PM2.5可以提高A549细胞内的活性氧簇生成，并且促进自噬激活及抑制细胞成活，呈浓度和时间依赖性[102]。2014年，有研究证实暴露于PM2.5不仅可以通过死亡受体途径和线粒体途径诱导A549细胞凋亡，同时可以诱导A549细胞发生自噬性细胞死亡，并且发现二者存在交互作用[103]。2015年，有研究发现，PM2.5通过AMPK的信号通路，诱导产生自噬体及表达自噬相关蛋白，通过mTOR信号通路抑制细胞自噬，而与MAPK信号通路没有明显的相关性[104]。进一步的研究更显示，暴露于高剂量PM2.5可以促进人类肺上皮细胞BEAS-2B的自噬功能障碍[105]。

和运动之关联

自噬对于基础的体内平衡至关重要，并且在运动过程中保持肌肉稳定状态也非常重要[106][107]。对小鼠的研究表明，自噬对于不断变化的营养和能量需求至关重要，特别是通过蛋白质进行分解代谢的代谢途径。2012年，由德克萨斯大学达拉斯西南医学中心（英语：University of Texas Southwestern Medical Center）进行的一项研究中，测试了具有BCL2（英语：Bcl-2）磷酸化位点突变的小鼠验证此理论。实验结果显示，这些小鼠在急性运动中，表现出耐力下降和葡萄糖代谢改变的情况[106]。另一项则研究表明，胶原蛋白VI基因敲除小鼠的骨骼肌纤维因自噬作用不足而显示变性的迹象，导致线粒体受损和细胞死亡[108] 。运动诱导的自噬未能成功，然而在运动后以人为的方式进行自噬作用时，可以防止受损的细胞器在缺乏胶原蛋白VI（英语：Collagen VI）的肌肉纤维中积累，并且保持细胞稳态。两项研究均表明自噬可能有助于运动的有益代谢作用，并且在维持运动过程中的肌肉稳态，尤其是在胶原VI纤维中至关重要[106][107][108]。波恩大学细胞生物学研究所的研究表明，收缩肌肉会诱发伴侣-辅助选择性自噬（英语：Chaperone-assisted selective autophagy）（CASA），CASA是在机械张力下维持肌肉肌节必需的[109]。CASA分子伴侣复合物识别机械损伤的细胞骨架成分，并且通过蛋白依赖性自噬途径，将这些细胞骨架成分引导至溶酶体进行处理。这是维持肌肉活动必需的[109][110]。

炎症与自噬之间的相互作用

自噬调节剂控制炎症调节剂，反之亦然[111]。脊椎动物细胞通常会激活炎症，以增强免疫系统处理感染的能力，并且启动恢复组织结构和功能的过程[112] ，故而至关重要的是将去除细胞和细菌碎片的机制与调节炎症的主要因素结合起来：溶酶体在自噬过程中对细胞成分的降解，可以回收重要的分子，并且产生及积聚物质来帮助细胞应对不断变化的微环境[113]。控制炎症和自噬的蛋白质形成了一个对组织功能至关重要的网络，而该网络在癌症中失调：在癌细胞中，异常表达及突变的蛋白质增加细胞存活，对保护恶性细胞的蛋白水解系统“重新连接”网络的依赖性[114]。这使癌细胞容易受到自噬调节剂的干预。

临床意义

 
关键基因表达改变对ER和高尔基体功能、囊泡运输、mTOR信号传导和自噬的影响

骨关节炎

由于自噬随着年龄的增长而下降，是骨关节炎的主要危险因素，因此自噬在该疾病发展中的作用得到重视。在人类和小鼠的关节软骨中，参与自噬的蛋白质都随着年龄的增长而减少[115]。经培养的软骨外植体，其机械损伤也会减少自噬蛋白[116]。自噬在正常的软骨中会不断被激活，但会随着年龄的增长而受到损害，并且先于软骨细胞死亡和出现结构受到破坏的现象[117]。因此，自噬参与了关节的正常保护过程。

炎症性肠病

炎症性肠病（inflammatory bowel disease）是由易感基因、环境和免疫系统之间一系列的相互作用所导致的慢性且易复发的消化系统疾病，包括溃疡性结肠炎和克隆氏症等。功能失调的自噬被认为是炎症性肠病的发病因素。临床上广泛使用的炎症性肠病治疗剂与自噬均密切相关，均能诱导细胞自噬的发生，包括类固醇、5-氨基水杨酸及硫锉嘌呤等[118]。尼古丁目前已被用作溃疡性结肠炎患者的治疗剂[119]，咀嚼尼古丁口香糖可以有效控制轻度及中度结肠炎的病症[120]。经尼古丁处理后，细胞内双层自噬泡及自噬小体的数量明显增高。尼古丁诱导自噬的分子机制可能与内质网应激相关，或者可能与mTOR信号通路相关[121][122]。目前已有不少研究证实尼古丁与内质网应激存在密切关系，因为他们发现尼古丁上调GRP78/BIP的表达水平，并且直接诱导内质网应激，上调内质网应激标志物PERK、EIF2A（英语：EIF2A）等的表达或磷酸化修饰。对低浓度尼古丁的研究有助于开发调节自噬治疗溃疡性结肠炎的新治疗靶点。

牙周炎

自噬能促进感染细胞对病原体和毒素的清除，抵抗细菌的入侵。然而，牙龈卟啉单胞菌（英语：Porphyromonas gingivalis）等牙周细菌则可逃避自噬分子的识别，干扰自噬体形成，阻止自噬体和溶酶体融合，甚至可以在自噬体中生存和增殖，利用其中的蛋白质等物质为自身生存提供能量[123]。目前的研究虽提示自噬与牙周炎相关，但没有充分的证据证实自噬在牙周炎中的作用是保护作用还是病理作用。因为有研究发现牙周炎患者相较于健康人群的外周血单核细胞中，自噬基因表达量更高，而自噬作用被抑制后，出现了细胞存活率降低及凋亡细胞比例增加的情况，表明自噬在牙周炎中的保护作用[124]。然而，有研究得出相反的结果，表明自噬在牙周炎中的病理作用[125]。

败血症及其并发症

败血症是感染诱导的失调性宿主免疫反应。目前已知自噬在败血症进展与器官功能障碍的发生中具有一定保护作用，故而是一个值得研究的治疗靶点。大量促炎因子及聚集的白细胞通过炎症信号通路，诱导组织细胞内出现内质网应激及线粒体损伤等，继而诱发保护性自噬反应，以包裹损伤的细胞器，限制损伤信号的扩散[126]。败血症时，肝细胞代谢状态会出现改变，肝细胞通过自噬来分解胞内有机物，并且产生小分子，以维持代谢需要，而分解的产物（例如糖类、脂类及氨基酸等）又可有负反馈的作用，减弱自噬作用的程度[127]。由于一氧化碳能够增强肺部组织的自噬水平，所以有学者发表了了关于吸入低浓度一氧化碳，以治疗败血症引致的肺部损伤的报道[128]。

结核病

自噬参与到宿主细胞清除胞内致病菌的免疫应答中。结核分枝杆菌是一种胞内寄生菌，目前发现自噬有利于清除结核杆菌[129]。

在结核的免疫应答中，γ-干扰素不仅可直接加速巨噬细胞通过MHC-Ⅱ呈递抗原的作用；还可调控巨噬细胞表达IRGM，继而促进巨噬细胞内产生大量的自噬体，启动巨噬细胞的自噬作用。基因型分析发现，IRGM的某些基因型与分支杆菌的易感性明显相关，提示了IRGM基因在抗结核自噬中起到关键性作用。

除此之外，自噬也参与获得性免疫，例如加工抗原并通过MHC-Ⅱ的呈递。与此同时，一些结核杆菌的亚群也会进化出一些机制阻碍宿主细胞对其的自噬作用，达到免疫逃避的效果；有些结核杆菌可通过募集并聚合肌动蛋白以逃避泛肽化；而另一些结核杆菌则“丢卒保帅”的策略，主动脱去被泛肽化的细胞壁；这些策略都能使结核杆菌达到从吞噬体中逃离的效果。

自噬可以增强一线抗结核药物，例如异烟肼和吡嗪酰胺的作用[130]。

癌症

当调节细胞分化的几种不同途径被干扰时，通常会发生癌症。自噬在癌症中起着重要作用，既可以预防癌症，也可以促进癌症的发展[131]。自噬可通过促进已饥饿或通过自噬降解凋亡介体的肿瘤细胞的存活，促进癌症的发展。自噬在癌症中的作用已得到高度研究和审查，目前已知自噬既是肿瘤抑制因子，又是肿瘤细胞存活的因素，然而根据几种模型，自噬更可能被用作抑癌剂。在自噬的后期阶段使用氯喹等抑制剂，会增加被抗肿瘤药杀死的癌细胞数量[132]。 但是对于自噬作用和癌症的因果关系，以目前的研究结果显示，尚未明了，有可能是自噬基因的突变造成癌症，也可能为癌症使得自噬基因的突变，或甚至互为因果关系，还有待后续研究。[133]。

  • 抑癌药：目前已经对小鼠和Beclin1（英语：BECN1）（一种调节自噬的蛋白质）进行了一些实验。当Beclin1基因变为杂合子时，研究人员发现小鼠体内更容易出现肿瘤[134]。然而，当Beclin1过度表达时，肿瘤的发展就会受到抑制[135] 。在解释beclin突变体的表型，并且将观察结果归因于自噬存在缺陷时应该要格外小心。Beclin1通常是产生磷脂酰肌醇3-磷酸（英语：Phosphatidylinositol 3-phosphate）的必需物质，因此它会影响许多溶酶体和内体功能，包括内吞作用和已活化的内吞降解生长因子受体。有认为Beclin1存在着通过非依赖自噬的途径，影响癌症发展的可能性，然而事实是Atg7或Atg5等的核心自噬因子（暂时未知会影响其他细胞进程，并且不影响细胞增殖和细胞死亡）敲除各个基因时，显示出非常不同的表型。此外，Beclin1的完全基因敲落会对胚胎致死，而Atg7或Atg5的敲落对则胚胎无害。坏死和慢性炎症也已显示出通过自噬而受到限制，有助于防止肿瘤细胞的形成[136]。
  • 肿瘤细胞存活率：自噬在肿瘤细胞存活中发挥重要作用。在癌细胞中，自噬被用作一种应对细胞压力的途径[137]。例如，miRNA-4673诱导自噬是一种有助癌细胞生存的机制，可以提高癌细胞对放射线的抵抗力[138] 。一旦这些自噬相关基因被抑制，细胞死亡的情况就会加剧[139]。自噬抵消了代谢能的增加。这些代谢压力包括缺氧、营养缺乏及细胞增殖增加。这些压力激活自噬，以回收ATP并维持癌细胞的存活[140]。自噬已被证明可以通过维持细胞能量的产生，而使肿瘤细胞持续地生长。通过抑制这些肿瘤细胞中的自噬基因，发现肿瘤消退，并且延长了受肿瘤影响的器官的存活率。此外，也显示出抑制自噬可以增强抗癌治疗的效果[140] 。
  • 细胞死亡机制：承受极大压力的细胞会通过细胞凋亡或坏死经历细胞死亡。长时间的自噬激活会导致蛋白质和细胞器的高转换率。高于生存阈值的比率，可能会杀死具有高凋亡阈值的癌细胞[140][141]。该技术可以用作癌症的治疗方法。
  • 治疗目标：有研究发现，靶向自噬可能是抗击癌症的可行治疗方法。自噬在肿瘤抑制和肿瘤细胞存活中均起作用。因此，自噬可以用作预防癌症的策略。第一种策略是诱导自噬并增强其肿瘤抑制特性。第二种策略是抑制自噬，从而诱导细胞凋亡[139]。通过研究自噬诱导疗法期间的剂量反应抗肿瘤作用，测试了第一种策略。这些疗法表明自噬以剂量依赖性方式增加。 这也直接与癌细胞的生长呈剂量依赖性[137][141]。该数据支持将鼓励自噬的疗法的发展。其次，抑制直接诱导自噬的蛋白质途径也可以用作抗癌治疗[139][141]。第二种策略发现自噬是用于维持体内稳态的蛋白质降解系统，并且发现抑制自噬通常会导致细胞凋亡。抑制自噬的风险较高，因为可能导致细胞存活，而不是预计中的细胞死亡[137]。
  • 自噬的负调节物：mTOR（英语：mTOR），CFLAR（英语：CFLAR）和表皮生长因子受体等自噬的负调节物，被安排在自噬级联反应的不同阶段发挥作用。自噬消化的最终产物也可以充当负反馈调节机制，以阻止长时间的活动[142]。

帕金森氏病

 
自噬调节对帕金森氏病的影响

帕金森氏病是一种神经退化性疾病，可以肇因于黑质致密部（英语：Pars compacta）的多巴胺性神经元退化。帕金森氏病的特征是在受影响的神经元中，包含着细胞无法分解的α-突触核蛋白（英语：Alpha-synuclein），其以路易氏体（英语：Lewy body）的形式堆积，故而帕金森氏病被视为一种突触核蛋白病变。自噬途径的失调和调节自噬的等位基因的突变被认为会引起神经退化性疾​​病。自噬对神经元的生存至关重要。如果没有有效的自噬作用，神经元会聚集遍在蛋白化的蛋白质聚集体并降解。蛋白质是已被泛素标记以降解的蛋白质。突触核蛋白等位基因的突变导致溶酶体pH值升高和水解酶抑制。由实验结果可知，溶酶体降解能力降低。该疾病涉及多种基因突变，包括功能丧失PTEN诱导激酶-1（英语：PINK1）[143]和Parkin[144] 。这些基因的功能丧失可能导致线粒体积累和蛋白质聚集体受损，而不是导致细胞变性。线粒体参与帕金森氏病。在特发性帕金森氏病中，该病通常是由线粒体功能异常、细胞氧化应激、自噬作用的改变和蛋白质聚集引起的，并会导致线粒体肿胀和去极化[145]。

阿兹海默症

阿兹海默症是一种普遍流行于老年群体，并且以记忆、行为及学习功能障碍为主要特征的神经退行性疾病[146]。自噬作用的异常是导致阿兹海默症的两大神经病理改变，即弥漫于整个大脑皮层的β 淀粉样蛋白（Aβ）老年斑的形成，以及神经元细胞核周围堆积的无膜束状异常纤维包涵体（主要由过度磷酸化Tau蛋白组成）的重要原因[147]。此时的Tau蛋白失去促进微管组装的生物学活性，并且表现出抗蛋白水解酶的神经毒性[148][149]。细胞囊泡在正常情况下，通过溶酶体途径的代谢速率很高，故而产生的Aβ量很少，不会造成Aβ的堆积，然而自噬体转运异常或溶酶体对自噬体内容物降解效率下降，会导致自噬体堆积、大量Aβ及老年斑的形成。Tau蛋白的两大代谢途径是自噬-溶酶体和泛素-蛋白体酶体系统[150]，并且是在自噬受体NDP52的协助下进行清除。自噬作用参与过度表达Tau蛋白和异常磷酸化Tau蛋白的降解，可以降低磷酸化Tau蛋白寡聚体的水平，不过对内源性Tau蛋白则没有明显影响，并且发现抑制自噬作用能够增加Tau蛋白的细胞毒性[151][152]。自噬在阿兹海默症中的作用具有两面性。在阿兹海默症早期，由蛋白质损伤和聚集等因素诱发的自噬可以发挥保护作用。如果长时间维持这种状态，或者溶酶体功能出现异常，就会形成神经元萎缩及细胞死亡等病理改变，所以自噬的平衡十分重要[153]。

青光眼

青光眼是一种以视网膜神经节细胞（英语：Retinal ganglion cell）（RGCs）和视神经轴突的逐渐丧失为特征的神经退行性疾病，并且伴有视野敏感性的丧失[154]。目前已知自噬在青光眼的发生中起着重要的作用，并且因为大量的动物实验研究指出自噬的激活导致RGCs的凋亡，故而抑制自噬可能是预防青光眼RGCs变性的一个临床靶点，所以有学者寄望自噬靶向治疗能够成为青光眼视神经退行性疾病的一种治疗方法[155]。

病毒方面

自噬作为真核细胞早期的保护防御机制，可以清除水疱性口炎病毒（英语：Indiana vesiculovirus）（VSV）等病原体，例如VSV的复制过程可被自噬有效抑制。然而，克沙奇病毒B3（CVB3）、丙型肝炎病毒（HCV）、乙型脑炎病毒（JEV）等病毒具有快速进化以应对宿主细胞免疫作用的能力[156]，甚至会利用自噬来增强病毒的增殖[157][158][159][160]。在自噬被激活后，乙肝病毒[161]及丙肝病毒[162]会对自噬体的降解产生抑制作用。HPIV 3病毒会抑制自噬体及溶酶体的融合，阻止自噬体的降解，从而提高病毒的增殖[163]。T细胞白血病（英语：T-cell leukemia）通过Tax蛋白（英语：Tax gene product）阻断自噬小体与溶酶体的融合，增加自噬小体的积累，并且促进病毒的复制[164][165]。有关脊髓灰质炎病毒的研究指出，当自噬体与质膜融合时，自噬体内的病毒离子被释放[166]。

性传播疾病方面

目前有研究指出自噬在性传播疾病病原体的在进入宿主细胞后可以激活自噬，但是又可以逃避或抑制自噬，故而针对有关作用机制的研究或能帮助性传播疾病的治疗和预后，以及新型药物与疫苗的研发。许多自噬相关基因都是人类免疫缺陷病毒-1感染依赖因子[167]，故而HIV-1的早期复制依赖于自噬。HIV-1许多的病毒蛋白可以透过抑制自噬过程的方式，而在宿主体内持续性复制存活。例如Env编码的外膜蛋白gp120（英语：Envelope glycoprotein GP120）[168]、反式激活因子Tat（英语：Tat (HIV)）[169]及负性因子调控蛋白Nef[170]等。淋球菌可以抑制自噬流，增强淋球菌在巨噬细胞中的存活能力[171]，也可以阻碍自噬小体成熟及自噬小体与溶酶体的融合过程，以逃避自噬介导的杀伤作用[172][173]。砂眼衣原体抑制细胞内溶酶体酶的活性，阻碍晚期自噬小体与自噬小体与溶酶体的融合过程，导致自噬的完整性受到抑制，降低自噬的抗感染作用[174]。除此之外，高危型HPV调节细胞内小分子核糖核酸的水平，影响自噬过程。例如miR-224-3p的高表达减少FIP200（参与自噬小体形成的蛋白）的水平，因抑制宿主细胞自噬而促进子宫颈癌的进展[175]。

不育症

自噬在精子发生过程中起着重要作用。精原干细胞中的缺失或受损可引起不可逆性的弱精子症及无精子症等，导致不育症[176]。当遇精原干细胞到不利环境时，会为了适应代谢条件的变化而进行细胞自噬调节。例如，有研究指出三邻甲苯基磷酸酯等生殖毒性物质均可使大鼠精原干细胞的自噬标志蛋白及LC3-II/LC3-I 比明显增加，细胞内含有大量退化细胞器的自噬泡显著增加[177][178]。而且，精原干细胞中的自噬作用可以清除错误折叠蛋白质，以及受损细胞器，故而对细胞起著保护作用。此外，自噬作用可以促进减数分裂前DNA复制，既为细胞提供氨基酸及核苷酸等[179][180]，也保证基因遗传的稳定性[181]。PDLIM1蛋白是一种精子细胞骨架组装的负调控因子，并且是通过自噬途径而降解，以维持微管结构的组装[182]。这对精子形成有着重要作用。然而，有研究指出高脂肪食物可诱导小鼠体内的自噬作用被过度激活，导致精子生成存在缺陷[183]。

抑郁症

自噬可能参与抑郁症的发生[184]，有多个证据提示细胞自噬的异常可能参与抑郁症的发生[185]，例如有研究指出精神分裂症断裂基因1（英语：DISC1）（一种精神疾病的关键易感基因）能被自噬途径降解[186]、躁狂抑郁症患者血清中蛋白激酶B（AKT）和mTOR 信使核糖核酸水平下降[187]、双相抑郁症患者脑内Bcl-2的水平下降[188]，已知Bcl-2是通过与Beclin-1结合从而抑制自噬的发生。自噬对抑郁症等神经系统疾病的调节作用是正向，抑或负向仍然存有争议[189]。有研究提示激活自噬能促进突触的发展[190]，另一些研究则证实抗抑郁药可以通过抑制自噬，发挥抗抑郁的作用。

作为药物靶标

由于自噬失调与多种疾病的发病机理有关，因此科研人员投入了许多努力来鉴定和表征可以调节自噬的合成人工合成小分子或天然小分子[191]。

例如，巨噬细胞的自噬作用可消灭结核杆菌，对结核病治愈有益。研究人员通过小鼠实验发现，从东革阿里中提取的巴沙克布明A可诱导巨噬细胞自噬从而控制结核杆菌的增殖[192]。

以神经退化性疾病来说，增强自噬作用是非常有展望，但需要担忧的就是目前的药物都是依赖于溶体活性，但在此类疾病中，溶体往往已经有功能上缺失了，因此可能对于药物的作用就没预期那么好，所以需要警慎选择目标疾病和阶段才可以使药物有最大的作用效果。 目前自噬调节疗法都非选择性、非特定在自噬作用上，像是mTORC1抑制剂，会抑制其他多种代谢途径；甚至某些药物可能同时具有诱导自噬作用和抑制自噬作用。 因此未来在药物标靶研究上，应该专于在特定自噬作用过程上，避免有影响其他细胞生理机能的情况。

检测方法

第一是LC3 turnover实验，因为单检测LC3-II的静态水平并不能够完全反映细胞内的自噬潮变化，故而需要联合自噬后期抑制剂如溶酶体抑制剂Bafilomycin A1或CQ，来比较LC3-II在抑制剂加入前后的变化差异。第二是绿色萤光蛋白（GFP）的抗降解性，通过检测转染了GFP-LC3的细胞所产生的GFP片段来评判细胞内自噬水平的变化。第三是以p62（英语：Nucleoporin 62）蛋白作为自噬活性指标，经常被科研人员用作自噬水平升高的辅助检测手段，然而需联合其他检测手段进行证实。第四是mRFP-GFP-LC3双萤光活细胞成像，实时动态监测自噬过程，并且能够通过颜色变化确定自噬潮水平的高低。第五是使用电子显微镜，然而对实验设备和实验者的技能与辨别能力要求较高[193]，有学者推荐进行双盲实验来定量细胞中自噬体或自噬溶酶体数量。第六是流式细胞术，可以检测各个细胞时相的自噬水平，还可以直接计算出萤光强度和阳性细胞百分比[194]，然而在细胞在染色之前，需要使用去垢剂预处理细胞质中的LC3-I。

影响因素

第一个主要影响因素是培养基的新鲜程度及血清，防止较高温度下长时间或不适当存储而导致的左旋麸酰胺酸（L-glutamine）降解，并产生氨。目前已知氨会因影响溶酶体的pH值而对自噬潮有明显的抑制作用，并且通过抑制mTORC1促进自噬[195]。此外，血清也对自噬活性也有显著影响。第二个主要影响因素是培养基的换液时间，因为培养基换液的目的，就是要减弱培养基及细胞代谢产物，对药物靶点相关信号通路本底产生的影响。

参阅

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外部链接

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