細胞自噬與凋亡關系的分子機制研究進展

韓姣，曾凡軍，陳世雄，龔正，龔亮，行妍妍，覃黎葵

(1.三峽大學第一臨床醫學院宜昌市中心人民醫院呼吸內科，湖北 宜昌 443003；2.宜城市人民醫院，湖北 宜城 441400；3.暨南大學，廣東 廣州 510632；4.廣州中醫藥大學祈福醫院，廣東 廣州 511495)

細胞自噬與凋亡關系的分子機制研究進展

韓姣1，曾凡軍2，陳世雄1，龔正1，龔亮2，行妍妍3，覃黎葵4

(1.三峽大學第一臨床醫學院宜昌市中心人民醫院呼吸內科，湖北 宜昌 443003；2.宜城市人民醫院，湖北 宜城 441400；3.暨南大學，廣東 廣州 510632；4.廣州中醫藥大學祈福醫院，廣東 廣州 511495)

自噬活躍在所有細胞中，在缺血缺氧狀態或者營養缺乏條件下其表達上調。誘導的自噬不僅促進了受損細胞成分的降解，且為細胞提供了能量。凋亡和自噬均為程序性細胞死亡，現在已知自噬和凋亡在疾病病理進展過程中起著重要作用，包括神經退行性病變、老化、癌癥、自身免疫疾病。本文就自噬與凋亡關系的分子機制研究進展做一綜述。

自噬；凋亡；細胞存活；細胞死亡

自噬用于治療癌癥及其他疾病的潛能，為自噬的復雜性所困擾。自噬是否為一種細胞死亡機制，以及如何發揮調節作用，自噬是細胞死亡的保護者抑或劊子手仍有大量爭議。凋亡為程序性細胞死亡，其機制研究較為清楚。闡明缺血缺氧狀態下的自噬及凋亡關系的分子機制，有助于了解自噬是如何調節細胞死亡的。

1 自噬的定義

巨自噬(以下稱自噬)為吞噬細胞大分子和細胞器的囊泡形成(自噬泡)，囊泡與溶酶體融合，最終導致細胞器降解，是一個進化上保守的代謝過程。盡管50多年前即出現了對自噬的描述，但直到最近5～7年才有強有力的細胞生物學數據闡明了其形式和功能[1-2]。自噬活躍在所有細胞中[3]，在應激或者營養缺乏條件下其表達上調。誘導自噬不僅可以促進受損細胞器的降解，且為細胞提供了內容物和能量。現已知自噬在疾病過程中起著重要作用，包括神經退行性病變、老化、癌癥、自身免疫疾病如克羅恩氏病、類風濕性關節炎、心臟病和感染。在器官和細胞水平，自噬可因環境的不同決定細胞生存或者死亡[4-6]。

2 自噬的雙重性

目前較為普遍的觀點認為自噬通常促進細胞存活，可保護細胞在長時間的饑餓或者其他刺激狀況下存活，正如之前提到，通常認為自噬可以保護細胞免于受到試圖殺死他們的抗癌藥物的毒性。然而，也可以認為這僅僅是因為自噬可以保護細胞，而不是因為自噬和凋亡有聯系而產生的結果。例如，自噬的原始功能之一就是循環細胞內損傷蛋白，細胞器以及大分子聚集物，清除受損細胞器，為其提供新的營養或能量以代替壞死或者缺乏的細胞成分[7]。當營養缺乏時，這種機制可以提供一種保護功能，而無需通過自噬與凋亡產生直接聯系。如果一個細胞因為缺乏足夠的氨基酸即將死亡，自噬阻止其死亡的原因并非一定是通過自噬控制凋亡或者壞死機制，而僅僅可能是因為自噬提供了其所需的氨基酸。

研究認為，在某些情況下，自噬可以促進死亡。近期的證據也表明，自噬本身可以是一種死亡機制[8]。自噬可通過降解細胞成分(如催化酶，線粒體等)，或者通過非選擇性的降解細胞內容物直至細胞不能存活這兩種方式來殺死細胞[9]。然而，同樣的，這些機制并不意味著自噬可以直接作用于細胞死亡機制。自噬有可能降解細胞成分，使得細胞最終激活凋亡機制，但這并不意味著自噬可以直接激活凋亡，效應有可能是間接的。

3 自噬和凋亡的聯系

大多數研究都在通過探究死亡的總量是否改變，以此來找尋自噬與凋亡之間的關系。例如，自噬是否抑制死亡或者導致死亡。然而，如若研究細胞死亡途徑是否改變而不是研究細胞是否死亡，那么自噬和凋亡之間的關系更加多樣化。例如，一種靶向毒劑殺死膠質瘤細胞的作用與Caspase激活無關，并且，自噬被抑制后，其可以通過激活Caspase而緩慢增加細胞死亡數量[10]。這些數據表明，自噬可以改變細胞死亡的方式，而不僅僅是改變他們是否死亡[11]。那么自噬和凋亡機制之間是如何交叉聯系的？它們之間有交叉嗎？

已發現的直接和間接聯系證實了凋亡機制和自噬蛋白之間存在機制交叉和聯系[12]。而其中的大多數聯系都指向于凋亡可以改變自噬，自噬如何控制凋亡的機制卻知之甚少。本文主要集中于自噬和細胞死亡之間存在多重聯系的兩個關鍵蛋白，當然，還存在其他可能的關鍵性分子在兩種過程中起重要作用。

3.1 自噬凋亡相互作用的關鍵蛋白

3.1.1 p62 自噬凋亡相互作用的兩個關鍵蛋白為誘導腫瘤發生的關鍵蛋白p62以及腫瘤抑制因子Beclin1。p62是許多蛋白質以及線粒體選擇性自噬性降解過程中的關鍵因子，并且其可以和一些凋亡以及存活通路中的蛋白質發生直接作用，包括Caspase-8、TRAF6(調節NF-κ B通路)以及ERK[13]。p62和Caspase-8的相互作用尤為重要，因為 p62對Caspase-8的有效激活非常重要，但當死亡受體激活時，Caspase-8可以清除p62[14-15]。此外近期有研究證實，Caspase-8可以通過自噬而被降解(有可能是通過p62的作用)[15]。表明自噬改變凋亡的程度和動力，而凋亡改變p62的自噬性降解以及p62依賴的自噬性物質(包括Caspase-8在內)的降解，二者之間存在一種復雜的平衡。

3.1.2 Beclinl基因 Beclinl基因是介導其他自噬蛋白定位于前自噬小體的關鍵基因，與酵母自噬基因Atg6同源，參與調控哺乳動物自噬體形成。與Ⅲ型PI3K形成復合物參與募集胞漿中含FYVE或PX基序的蛋白質，形成自噬體膜一部分，并引導其他自噬蛋白錨定于自噬體膜，為Beclin1調控自噬的機制[16]。DNA位點244-337缺失的Beclin1不能與PI3K結合，無法誘發饑餓誘導的自噬效應[17]。Bcl-2家族蛋白在細胞凋亡調控過程中具有重要作用，Bcl-2和Bax是凋亡調節基因Bcl-2家族中兩個重要成員。Bcl-2和Bax通過形成同源或異源二聚體調節細胞凋亡。當Bax形成同源二聚體時誘導細胞凋亡；Bax與Bcl-2形成異源二聚體時則實現Bcl-2抑制細胞凋亡的功能[18]。Bcl-2和Bax調節細胞凋亡，不僅取決于自身表達的高低，而且還與Bcl-2/Bax的比值有關，當比值增大時，細胞凋亡增多，反之細胞凋亡受抑制。Beclin 1可以與抗凋亡蛋白Bcl-2直接作用[19]。Beclin1與Bcl-2連接后，Beclin1不能激活自噬。通過促凋亡BH3蛋白，Bcl-2結合蛋白中釋放Beclin1，自噬被激活，DAPK磷酸化Beclin1，JNK磷酸化Bcl-2[20]。相反，Bcl-2或者Bcl-xL過表達可抑制自噬[19]。凋亡抑制自噬的另一個Beclin 1依賴性機制是通過Beclin1的Caspase3清除，從而產生一個短的蛋白，進而不能促進自噬[21]。因此，凋亡機制中的蛋白對Beclin 1的調節，可以激活或者抑制自噬，這可能取決于BH3蛋白以及Caspase關鍵蛋白的相關活性。這些例子說明，自噬和凋亡之間可以存在多重關系，因而當細胞決定通過凋亡死亡時，凋亡增多，自噬減少以確保自噬開關關閉。

3.2 其他途徑 自噬還可能通過凋亡蛋白的有效降解調節凋亡。值得注意的是，盡管自噬可以降解凋亡蛋白(如Caspase-8、線粒體)，然而在正常或者疾病狀態下，這些關系是否真正改變了細胞死亡的總數尚未可知。例如，盡管自噬體中存在有線粒體的聚集和降解，這僅僅發生在細胞中的某些線粒體上[22]。因此，尚未解決的一個問題是，即使自噬增強了，為什么凋亡刺激還不能引起其他線粒體釋放細胞色素C從而誘導凋亡小體形成發生凋亡呢？可能通過減少線粒體的數量，自噬改變了細胞死亡的動力學或者降低了細胞發生凋亡的閾值。因此，自噬可能控制著凋亡閾值，比如說，一些最終決定凋亡進程是否發生的調節因子。反過來，這可能提供了一條確保細胞快速死亡的方法，從而控制細胞中凋亡發生的程度。這種觀點的一種預測(目前尚未證實)為，在一批有存活有死亡的細胞中，上述的分子機制(如Beclin1或者p62清除)僅存在于那些死亡細胞中，同樣也是這些細胞的自噬水平更低。因此，盡管已經有了自噬和凋亡存在聯系的證據，然而仍然缺乏自噬可以抑制凋亡的明確機制解釋。即使一個蛋白既可以調節自噬，同時又可以影響細胞促發凋亡，這也不意味著自噬可以影響凋亡。一個挑戰性的例子證實，之前未知的一個自噬體形成過程中自噬泛素樣連接機制的必要成分——Atg12-Atg3連接體，可以調節凋亡，而此功能并不依賴自噬[23]。Atg3突變后不能與Atg12連接，進而通過線粒體途徑抑制凋亡，但該抑制與自噬本身無關——抑制Atg12-Atg3連接對饑餓誘導的自噬沒有影響(需要Atg12-Atg5連接體)，其對細胞死亡的影響與線粒體碎片改變有關。該研究表明，盡管自噬蛋白可以控制凋亡途徑，它們可能并不依賴自噬，提示自噬連接過程蛋白可能存在一些未知的功能。一些已知的報道表明自噬最終可以增強Caspase依賴性的細胞死亡。因此，阻斷自噬可以抑制凋亡。例如，在共培養的細胞上表達HIV包膜糖蛋白或者在靶細胞表面表達CXCR4受體，人們在HIV感染的CD4+T淋巴細胞模型中陸續觀察到了自噬和凋亡的發生。通過基因敲除Atg7或Beclin1，或者使用3-MA抑制自噬，均可抑制Caspase激活，延緩細胞死亡，這意味著自噬可能作用于凋亡上游分子。在光損傷視網膜小鼠或者過氧化氫處理的光感細胞中自噬和凋亡同樣出現了相似的關系，抑制其中任何一條途徑可以部分延緩細胞死亡，同樣的，自噬對凋亡的誘導是必要的。

4 臨床意義

除了生物學上自噬的重要性，操縱自噬在臨床上具有重要意義。例如，目前在美國有近36個臨床試驗在腫瘤治療中試圖阻止利用聯合化療的自噬抑制劑羥氯喹來阻止癌細胞的生存。這些臨床試驗的基礎是一個簡單的前提，由于自噬保護受損的細胞死亡，細胞自噬的抑制使癌組織細胞更易死亡，腫瘤即被根除。但是，如果細胞自噬在腫瘤細胞中的功能，不是為了保護他們免受損害，而是促進細胞死亡，那么這些臨床試驗毫無意義，甚至是有害的，除非發現一種方法來預測患者自噬細胞的死亡與存活。相反，我們在其他疾病中是否可利用自噬促細胞的生存功能？例如，在神經退行性疾病中，mTOR抑制可增加自噬，增強細胞清除損傷或聚集的蛋白質或線粒體的能力，改善神經元的功能，在神經退行性病變的動物模型中，增加自噬可延緩或阻止神經系統疾病的發作。

另外一些實驗揭示了自噬與凋亡的聯系，如在新生兒早期或者饑餓，自噬效應明顯加強，自噬小體顯著增多[24]；而在饑餓小鼠成骨細胞中，早期以自噬為主，晚期以凋亡為主，說明饑餓早期自噬對凋亡的發生可能具有拮抗作用[25]。提示在新生兒早期和饑餓情況下，自噬的激活對維持細胞的生存是必需的。

5 結 語

更深入的理解自噬和凋亡的關系(無論直接或間接)是未來幾年在細胞死亡領域是一個重要的研究領域。自噬的過程是否直接控制凋亡的過程，或是它們之間僅僅是有一些共同的機制。p62和Beclin1很可能是一類至關重要的分子，它們通過一系列親和凋亡分子參與調節與被調節。了解這些蛋白質和其他組成部分的自噬和凋亡途徑的方式，在分子水平上了解細胞自噬與細胞凋亡之間的復雜的直接和間接的相互作用，可以了解細胞生存和死亡之間的平衡關系，將有助于確定在臨床上全方位的分子機制，從而確定針對自噬在治療癌癥和其他疾病的效用，并實施更具體的藥物和遺傳抑制劑，以及新的、更準確、更客觀的分析，以衡量自噬，是未來研究自噬和凋亡關系的重要方面。

[1]Kundu M,Thompson CB.Autophagy:basic principles and relevance to disease[J].Annu Rev Pathol,2008,3:427-455.

[2]Yang Z,Klionsky DJ.Eaten alive:a history of macroautophagy[J]. Nat Cell Biol,2010,12(9):814-822.

[3]Ohsumi Y.Historical landmarks of autophagy research[J].Cell Res, 2014,24(1):9-23.

[4]Dobbin MM，Madabhushi R,Pan L,et al.SIRT1 collaborates with ATM and HDAC1 to maintain genomic stability in neurons[J].Nat Neuiosci,2013,16(8):1008-1115.

[5]White E.Deconvoluting the context-dependent role for autophagy in cancer[J].Nat Rev Cancer,2012,12(6):401-410.

[6]Han Z,Cao J,Song D,et al.Autophagy is invovled in the cardioprotection effect of remote limb ischemic postconditioning on myocardial ischemia/reperfusion injury in normal mice,but not diabetic mice [J].PLoS One,2014,9(1):e86838.

[7] Katayama M,Kawaguchi T,Berger MS,et al.DNA damaging agent-induced autophagy produces a cytoprotective adenosine triphosphate surge in malignant glioma cells[J].Cell Death Differ, 2007,14(3):548-558.

[8]Kroemer G,Levine B.Autophagic cell death:the story of a misnomer[J].Nat Rev Mol Cell Biol,2008,9(12):1004-1010.

[9]Lartigue L,Kushnareva Y,Seong Y,et al.Caspase-independent mitochondrial cell death results from loss of respiration,not cytotoxic protein release[J].Mol Biol Cell,2009,20(23):4871-4884.

[10]Thorburn J,Horita H,Redzic J,et al.Autophagy regulates selective HMGB1 release in tumor cells that are destined to die[J].Cell Death Differ,2009,16(1):175-183.

[11]Yang C,Kaushal V,Shah S V,et al.Autophagy is associated with apoptosis in cisplatin injury to renal tubular epithelial cells[J].Am J Physiol Renal Physiol,2008,294(4):777-787.

[12]White E,Di Paola RS.The double-edged sword of autophagy modulation in cancer[J].Clin Cancer Res,2009,15(17):5308-5316.

[13]Dikic I,Johansen T,Kirkin V.Selective autophagy in cancer development and therapy[J].Cancer Res,2010,70(9):3431-3434.

[14]Norman JM,Cohen GM,Bampton ET.The in vitro cleavage of the hAtg proteins by cell death proteases[J].Autophagy,2010,6(8): 1042-1056.

[15]Jin Z,Li Y,Pitti R,et al.Cullin3-based polyubiquitination and p62-dependent aggregation of caspase-8 mediate extrinsic apoptosis signaling[J].Cell,2009,137(4):721-735.

[16]Meijer AJ,Codogno P.Regulation and role of autophagy in mammalian cells[J].Int J Biochem Cell Biol,2004,36(12):2445-2462.

[17]Furuya N,Yu J,Byfield M,et al.The evolutionarily conserved domain of Beclin 1 is required for Vps34 binding,autophagy and tumor suppressor function[J].Autophagy,2005,1(1):46-52.

[18]Lalier L,Cartron PF,Juin P,et al.Bax activation and mitochondrial insertion during apoptosis[J].Apoptosis,2007,12(5):887-896.

[19]Chipuk JE,Moldoveanu T,Llambi F,et al.The BCL-2 family reunion[J].Mol Cell,2010,37(3):299-310.

[20]Wei Y,Pattingre S,Sinha S,et al.JNK1-mediated phosphorylation of Bcl-2 regulates starvation-induced autophagy[J].Mol Cell,2008,30 (6):678-688.

[21]Luo S,Rubinsztein DC.Apoptosis blocks Beclin 1-dependent autophagosome synthesis:an effect rescued by Bcl-xL[J].Cell Death Differ,2010,17(2):268-277.

[22]Macvicar T.Mitophagy[J].Essays Biochem,2013,55(1):93-104.

[23]Radoshevich L,Murrow L,Chen N,et al.ATG12 conjugation toATG3 regulates mitochondrial homeostasis and cell death[J].Cell,2010, 142(4):590-600.

[24]Klionsky DJ.The molecular machinery of autophagy:unanswered questions[J].J Cell Sci,2005,118(1):7-18.

[25]朱文胤,陳倩倩,劉 祁,等.饑餓誘導下小鼠成骨細胞自噬與凋亡相互作用研究[J].川北醫學院學報,2015,30(2):206-211.

R329.2

A

1003—6350（2016）04—0604—03

10.3969/j.issn.1003-6350.2016.04.030

2015-01-03)

廣東省衛生廳科技計劃項目（編號：B20133335）

曾凡軍。E-mail：438864941@qq.com