“吃掉自己”？

胡有紅

細胞自噬是細胞的基本生命活動之一，貫穿于正常細胞的整個生命歷程中，對細胞內穩態起著至關重要的作用。近些年，細胞自噬已成為生命科學領域中的一大熱點，與高中生物學知識聯系緊密，在考題中也頻頻出現。本文基于考生視角對細胞自噬進行解讀，旨在幫助考生了解生命科學領域新成果。

一、 細胞自噬的概念

細胞自噬是指細胞在相關基因調控下，通過溶酶體對蛋白質或受損細胞器進行降解的過程。該過程中一些錯誤折疊蛋白質、受損細胞器、病原體等以雙層膜泡的形式被包裹起來，形成自噬體，最終運送至溶酶體（動物）或液泡（酵母菌和植物）中降解，產生的一些氨基酸等小分子物質可被細胞回收和再利用，對細胞清潔、饑餓時自救、保護和監管等起重要作用，維持著細胞的穩態與平衡。細胞自噬廣泛存在于酵母、果蠅、高等脊椎動物等細胞中，在真核生物進化過程中具有高度保守性。

二、 細胞自噬的探究歷程

顯微鏡下的新發現

1963年，比利時生物化學與細胞生物學家克里斯蒂安·德·迪夫（1917—2013）借助光學顯微鏡和電子顯微鏡觀察發現，細胞溶酶體中含有較多的內源性物質和細胞器。大量的顯微觀察和生物化學分析表明，細胞內存在一種囊泡，專門負責將細胞內容物運輸到溶酶體中降解。德·迪夫創造性地將這種現象命名為自噬（autophagy），并將在自噬過程中具有運輸功能的囊泡命名為自噬體?！白允伞币辉~來源于希臘語“auto-”（自我）和“phagein”（吞食），意為“自己把自己吃掉”。德·迪夫因發現溶酶體和過氧化物酶體而分享了1974年諾貝爾生理學或醫學獎。

實驗材料開辟新視角

雖然已經觀察到自噬現象，但由于實驗中使用的是生命周期較長、繁育能力較差的動物模型，自噬過程的研究一直很困難，進展緩慢，直至20世紀80年代末，對于自噬具有什么樣的生理學意義、與哪些基因有關等問題都知之甚少。

酵母是直徑只有5微米的單細胞真核生物，結構簡單。細胞內存在一個巨大的液泡，內含多種水解酶，其功能類似于人及其他哺乳動物細胞內的溶酶體。相比動物細胞，酵母細胞作為實驗模型更具優越性，特別是在鑒定某些參與細胞通路的基因上尤為有用。1988年，日本科學家大隅良典以釀酒酵母為材料開展了相關實驗，推動了自噬機制在分子水平上的發展。

創新思維助力新發現

大隅良典選擇了液泡內不含降解酶的酵母突變體，并將這些突變酵母置入缺乏氮源的培養基上培養，幾小時后顯微鏡觀察，發現突變酵母液泡中出現了小顆粒，且隨著時間的推移，這些小顆粒越積越多。根據這個現象，證明了酵母細胞中存在自噬現象。酵母細胞營養不良時，通過降解自身非必需成分來提供營養和能量，維持細胞基本生理活動，確保饑餓狀態下仍能存活一段時間。

隨后，大隅良典又找到了一種方法，可以篩選并定位在細胞自噬機制背后起關鍵作用的基因。他對上述酵母細胞的遺傳基因進行隨機突變處理，在顯微鏡下觀察，看哪個基因發生突變后，酵母突變體即使處于饑餓狀態也不會出現自噬。在1000多個酵母突變體中，他才找到一個不能自噬的細胞，分離出這個基因后，他將其命名為“自噬相關基因ATG1”。

大隅良典在實驗中還發現一個現象：基因ATG1突變后，酵母突變體的液泡內不會出現自噬小體，且在饑餓狀態下只能存活兩天。他利用酵母突變體在饑餓狀態下很快就死亡這一表征定位了與自噬相關的15個基因。這是一項突破性的進展。大隅良典又在人類細胞的研究中，證實了ATG在自噬過程中同樣起著重要作用，對研究人類身體如何適應饑餓和應對感染，對研究癌癥和神經退行性疾病等均有重大幫助。

大隅良典曾說：“科學研究成功的秘訣是做自己真正感興趣的事，探索沒有人研究的新領域，建立研究新領域的獨特研究方法?！边@也許就是他在細胞自噬領域做出開創性卓越貢獻的原因，大隅良典也因此獲得了2016年諾貝爾生理學或醫學獎。

迄今為止，生物學界對細胞自噬的認識經歷了五十多年的探索歷程，但細胞的機理在很多方面仍存在不少謎團，科學家們將孜孜不倦，繼續對細胞自噬進行更深層次的探索。

三、 牛刀小試

【例1】下圖為細胞通過自噬作用清除衰老線粒體的過程，下列敘述錯誤的是（）

A.自噬前體和溶酶體分別來源于內質網和高爾基體

B.降解線粒體中物質的水解酶在溶酶體中合成

C.自噬體的形成需借助于膜的流動性且消耗能量

D.細胞可以通過降解自身成分來提供營養和能量

【答案】B

【解析】據圖1分析，自噬前體來源于內質網，溶酶體來源于高爾基體，A項正確。水解酶為蛋白質，合成場所是核糖體，B項錯誤。自噬體的形成借助膜的流動性融合，該過程消耗能量，C項正確。細胞通過自噬作用將自身大分子物質分解成小分子物質供細胞吸收利用，D項正確。

【例2】根據細胞內底物進入溶酶體腔方式的不同，可以把細胞自噬分為巨自噬、微自噬和分子伴侶自噬三種方式，具體過程如下列圖所示，請據圖回答問題：

（1）巨自噬過程中的底物通常是細胞中損壞的蛋白質或___________（填結構），隔離膜的形成可來自高爾基體或_______。該過程充分體現了生物膜具有_________的結構特點。

（2）通過微自噬，分解后的產物如氨基酸等可以通過溶酶體膜上的載體蛋白轉運進入____________（填細胞結構名稱）供細胞代謝使用。研究表明，溶酶體內是一個相對獨立的空間，其內的pH為5左右，若有少量的溶酶體內的水解酶泄露也不會引起細胞損傷，請推測出現該現象的原因是____________。

（3）一些具有一定序列的可溶性胞質蛋白底物經分子伴侶識別后才可進入溶酶體，說明該種自噬方式具有一定的________。

【答案】（1）線粒體等細胞器（或細胞器） ? ?內質網 ? ?一定的流動性 ? ?（2）細胞質基質 ? ?細胞質基質的pH高于溶酶體，導致酶活性降低 ? ?（3）專一性（或特異性）

【解析】（1）由圖1可以看出，巨自噬的底物可以是細胞中的線粒體等細胞器，線粒體外的隔離膜可由高爾基體或內質網形成，此過程體現了生物膜具有一定的流動性。（2）微自噬分解后的產物如氨基酸等可以通過主動運輸進入細胞質基質中供細胞代謝使用，其余廢物則排出細胞外。溶酶體內的pH為5左右，是溶酶體內水解酶的最適pH，而細胞質基質的pH在7左右，若有少量的水解酶泄露到細胞質，由于水解酶所處環境的pH比最適pH高而導致酶活性降低，分解能力減弱，不會引起細胞損傷。（3）具有一定序列的可溶性胞質蛋白底物經分子伴侶識別后形成復合物才可進入溶酶體，說明該種自噬方式具有一定的專一性（特異性）。