細胞自噬摭談

吳勁松

(江蘇省高淳高級中學 南京 211300)

2016年諾貝爾生理學或醫學獎頒發給日本科學家大隅良典(Yoshinori Ohsumi)以表彰其“發現了細胞自噬機制”的研究。20世紀60年代，科研人員首次觀察到細胞能破壞自身成分，用膜將這些成分包裹，形成袋狀囊泡并轉移給溶酶體進行降解回收。20世紀90年代初，大隅良典在一系列實驗中，巧妙地利用面包酵母找到了細胞自噬有關的基因。

1 細胞自噬的發現

自噬(autophagy)一詞來源于希臘語auto-(自我)和phagein(吞噬)。因此，autophagy便引申為“自噬”。自噬是指細胞或者機體在缺乏能量或受到環境脅迫(如缺乏氨基酸、缺氧)的情況下，會在細胞內產生雙層膜結構，去包裹自己的一部分細胞質，運送到溶酶體進行降解。此外，細胞會不斷產生受損傷的細胞器，例如，受損傷的線粒體以及蛋白質聚合體需要自噬體把它們包裹起來，運送到溶酶體進行降解。自噬不斷地對細胞本身進行清理，以保持細胞的穩態平衡。

雖然科學家觀察到細胞自噬現象的時間不短，但人們對于自噬的分子機制卻并不十分清楚。大隅良典在1988年開始建立自己的實驗室時，就將研究重點放在液泡中蛋白質的降解方面。酵母細胞相對比較容易研究，是科學界公認的模式生物。大隅良典嘗試解答酵母細胞中是否存在著自噬作用。他培養了缺乏液泡降解酶的酵母細胞，并通過饑餓細胞來刺激自噬作用。他推斷細胞自噬的過程被打斷后，自噬體會在液泡不斷積累，這樣就能夠利用顯微鏡進行觀察和判斷。隨著時間的推移，他果然用顯微鏡觀察到液泡內充滿了未被降解的小囊泡，這些小囊泡就是自噬體。由此大隅良典用實驗證明了酵母細胞中存在自噬作用。20世紀90年代，大隅良典在研究了上千種突變型的酵母細胞后，分離出十多種與自噬相關的關鍵基因(ATG，autophagy-related gene)，并對這些基因進行了詳細研究，初步摸清了自噬作用的大體過程，以及各個ATG在這個過程中起到的作用?，F在已在酵母中發現超過30種自噬相關的基因[1]。目前研究得比較清楚的是：通過Atg1- Atg13-Atg17復合物來調節細胞自噬的水平。

2 細胞自噬的意義

自噬調控重要的生理功能在于細胞組件得以降解和循環。自噬能夠為細胞快速提供能量燃料及物質更新，從而對細胞響應饑餓或其他應激起到重要作用；在感染后，自噬能夠清除入侵的胞內細菌和病毒；自噬對于胚胎發育和細胞分化也發揮作用。細胞還利用自噬清除受損蛋白和細胞器，這是一種質量控制機制，對于抵消衰老帶來的副作用至關重要。

大隅良典的科學研究不僅證實細胞自噬現象在酵母中存在，闡明了細胞自噬的基本原理，并證明類似的復雜機制也存在于人體細胞內。最近發現這些自噬基因的突變會引起人類很多疾病。例如，中斷自噬作用已被認為與帕金森癥、II型糖尿病及其他老年易患病相關，干擾自噬作用被認為與癌癥相關。

3 細胞自噬與高中生物學教學內容的聯系

3.1 溶酶體 人教版高中生物學必修1《分子與細胞》教材中，對溶酶體的描述為：溶酶體是“消化車間”，內含多種水解酶，能分解衰老、損傷的細胞器，吞噬并殺死侵入細胞的病毒或病菌。溶酶體起源于高爾基體，其參與細胞消化作用一般可概括為三種途徑：吞噬作用、胞飲作用、自噬作用，每種途徑導致不同來源的物質在細胞內被消化[2]。

3.2 細胞凋亡 人教版高中生物學必修1《分子與細胞》模塊中，對細胞凋亡的描述為：細胞的自然更新、被病原體感染細胞的清除，都是通過細胞凋亡完成的，它對于多細胞生物完成正常發育、維持內環境穩定發揮重要作用。動物細胞凋亡在形態學上分為三個階段：凋亡的起始、凋亡小體的形成、凋亡小體被吞噬消化[2]。細胞的凋亡過程離不開細胞的自噬作用，人體細胞過多的凋亡會導致機體免疫功能的的喪失或引起自身免疫疾病或炎癥。例如，艾滋病患者表現為過多的淋巴、非淋巴細胞凋亡，免疫力低下。

3.3 試題命制 各省歷年高考生物學試題常會與當年的最新科研或諾貝爾獎相關研究相聯系。例如，2016年江蘇卷第18題考查CRISPR/Cas9基因編輯技術；第30題考查青蒿素對瘧疾患者群體基因型的影響。以科研成果為背景命題，不僅考察學生對高中生物學基礎知識的把握，還能提高學生對生物學科的興趣。這就要求教師應該多關注生物學最新的科學研究成果，把握前沿科學動態。