細胞自噬與凋亡相互作用分子機制的研究進展

張 楊，孫彎彎，陸麗丹，馮曉玲*

(1.黑龍江中醫藥大學附屬第一醫院 婦科， 黑龍江 哈爾濱 150036； 2.黑龍江中醫藥大學， 黑龍江 哈爾濱 150040；3.南京中醫藥大學常熟附屬醫院， 江蘇 常熟 215500)

1 自噬的分類及過程(圖1)

自噬(autophagy)是真核細胞所特有的現象。廣義的自噬包括4種形式：微自噬，分子伴侶介導的自噬、非典型自噬及巨自噬，本文主要論述巨自噬。

在哺乳動物中經典自噬途徑有5個階段，即啟動、成核、伸長、溶酶體融合以及自噬體內容物的降解。自噬的啟動開始于unc-51樣自噬激活激酶1(unc-51 like autophagy activating kinase，ULK1)激酶復合物的激活。ULK1作為一種細胞質激酶，是自噬相關基因1(autophagy-related gene1，Atg1)在哺乳動物中的同源蛋白，它與黏著斑激酶家族相互作用蛋白(FAK family-interacting protein of 200 ku，FIP200)、自噬相關基因Atg13和Atg101相互作用形成ULK1復合物[1]。哺乳動物雷帕霉素靶蛋白復合物1(mammalian target of rapamycin complex 1，mTORC1)的抑制和/或腺苷酸活化蛋白激酶(adenosine monophosphate-activated protein kinase，AMPK)的活化直接調控ULK1復合物的活性[1]。ULK1活化促進具有Ⅲ類磷脂酰肌醇3-激酶(class Ⅲ phosphoinositide 3-kinase，PI3K-Ⅲ又稱PIK3C3)活性的多蛋白復合物的募集。Beclin-1是ULK1的下游直接靶點，它調節PI3K-Ⅲ催化單元空泡分選蛋白34(vacuolar protein sorting34，Vps34)的脂質激酶活性，Vps34產生磷脂酰肌醇3-磷酸[phosphatidylinositol 3-phosphate，PI(3)P]，使許多參與自噬體成核的自噬蛋白得以募集，從而形成Vps34-Vps15-Beclin-1復合物。當自噬被誘導發生時，Vps34-Vps15-Beclin-1能夠和多種自噬相關蛋白結合，傳遞自噬信號并促進自噬的發生[2]。成核階段，細胞器的雙層膜結構在待降解物質周圍包繞形成分隔膜。其間，p62作為自噬銜接蛋白，將功能失調和過剩的線粒體帶到自噬體，隨后通過結合微管相關蛋白1輕鏈3(protein light chain3，LC3)將這些線粒體困在自噬體中。分隔膜繼續彎曲伸長，并完全包繞細胞質，形成完整的雙層膜結構的自噬體。自噬體與胞內體融合形成自噬內涵體，然后再與溶酶體融合，形成自噬溶酶體，或者自噬體直接與溶酶體融合形成自噬溶酶體。

2 凋亡的分類及過程(圖1)

圖1 自噬和凋亡過程Fig 1 Process of autophagy and apoptosis

凋亡(apoptosis)也是細胞程序性死亡的一種類型。凋亡過程分為外源性途徑和內源性途徑[3]。外源性凋亡途徑又稱為死亡受體途徑，因細胞外微環境的改變而觸發，當細胞外死亡配體激活質膜上的死亡受體，外源性凋亡便啟動。其過程依賴死亡誘導信號復合物(death-inducing signalling complex，DISC)的形成，DISC中激活的半胱氨酸蛋白酶caspase-8和10通過caspase-3的裂解觸發caspase級聯反應，最終通過切割多種細胞靶標導致細胞死亡。內源性和外源性途徑均導致caspase-3激活[4]。內源性途徑又稱為線粒體途徑，其關鍵步驟是線粒體外膜通透化(mitochondrial outer membrane permeabilization，MOMP)，這個過程能夠從線粒體膜間空間釋放促凋亡因子，如細胞色素C。細胞色素C被釋放到胞質溶膠中，與凋亡肽酶激活因子-1(apoptotic protease activating factor-1， Apaf-1)及三磷酸腺苷(adenosine triphosphate，ATP)[5]結合，推動形成一種稱為“凋亡體”的蛋白質復合物，該復合物誘導caspase-9的活化。Caspase-9的活化激活caspase-3及caspase-7，最終導致細胞因被caspase切割而亡。

3 自噬與凋亡的相互關系

細胞自噬和凋亡的關系是錯綜復雜的，在病毒感染、饑餓等應激條件下，細胞自噬被誘導發生，而持續應激時，細胞凋亡則被激活，兩者之間的轉換條件和機制仍在不斷探索中，而自噬和凋亡過程中涉及的關鍵調節蛋白的雙重調節作用成為近年來研究兩者關系的重點。

3.1 自噬調節凋亡

自噬可以抑制或增強細胞凋亡，或誘導獨立于凋亡的細胞死亡，這取決于細胞類型、刺激的類型和持續時間[6]。自噬體形成過程中，自噬蛋白ATG12和ATG5在泛素化樣過程中共價結合，但最近發現，即使沒有ATG結合系統，也可以形成自噬體，盡管速率降低[7]。另外，ATG5和ATG12在不同應激信號引起的細胞凋亡中也起著關鍵作用，ATG12和ATG5的非結合形式有助于誘導細胞凋亡。在凋亡細胞中，ATG5被鈣蛋白酶切割，導致其N-端片段轉移到線粒體，并在線粒體中，通過與促生存的B細胞淋巴瘤-2(B cell lymphoma-2，Bcl-2)家族成員特大B細胞淋巴瘤(B cell lymph-oma extra large，Bcl-xL)相互作用，介導細胞色素C的釋放[8]。非共軛型ATG12可結合Bcl-2家族蛋白，從而促進細胞凋亡[9]。

前面提到，Beclin-1是自噬體形成過程不可或缺的調節蛋白，同時，它也對凋亡起著調控作用。Beclin-1是Bcl-2家族中的BH3-only蛋白。定位于內質網的Bcl-2通常與Beclin-1通過Beclin-1的BH3結構域持續結合，從而抑制自噬的發生。Beclin-1被caspase裂解而失去誘導自噬的能力，目前已知caspase-3、-6、-7、-8、-9和-10可以對Beclin-1進行剪切[10]。之后，其C-末端片段易位至線粒體，并在體外滲透分離的線粒體，導致細胞色素C的釋放，從而使細胞對細胞凋亡敏感。因而，Beclin-1對細胞凋亡和自噬起著雙重調控作用。

而caspases的激活依賴自噬體的形成，并參與自噬的調節[10]，它還可以通過裂解細胞中的功能蛋白致使細胞凋亡[11]。Caspases被招募到自噬體中，而自噬體作為細胞內激活它們的平臺。在被招募到自噬體的過程中，泛素化caspase-8通過p62的泛素結合域UBD與p62結合，隨后p62和LC3直接相互作用從而被招募到自噬體。重要的是，p62不僅可以將caspase-8招募到自噬體中，還能夠激活caspase-8。而p62介導的線粒體聚類破壞是導致細胞凋亡加劇的原因[12]。

另外，細胞凋亡受自噬降解過程的影響，干擾自噬體的形成或溶酶體的活動都可能影響凋亡過程，比如自噬清除受損的線粒體從而增加細胞凋亡誘導的閾值[13]，又如，caspase-8被招募到自噬體中，還主要參與了腫瘤壞死因子相關凋亡誘導配體(TNF-related apoptosis-inducing ligand，TRAIL)誘導的細胞凋亡，因而通過降解活化的caspase-8可以限制細胞凋亡。另外，CMA可通過降解肝細胞內脂滴(lipid drople，LD)相關脂滴包被蛋白2(perilipin2，PLIN2)調節脂質分解從而改善足細胞內脂質集聚和凋亡[14]。總而言之，自噬對凋亡的調節主要是通過自噬過程中相關蛋白與凋亡蛋白之間相互作用來實現的。

3.2 凋亡調節自噬

凋亡機制的組成部分可以通過與自噬蛋白相互作用直接影響自噬。破壞凋亡蛋白Bcl-2與Beclin-1的復合物可以增加哺乳動物自噬，如截斷的BH3相互作用域死亡激動劑(truncated-BH3-interacting domain death agonist，tBID)、Bcl-2細胞死亡拮抗劑(Bcl-2 antagonist of cell death，BAD)和Bcl-2與腺病毒E1B 19 ku蛋白相互作用蛋白3(Bcl-2 and adenovirus E1B 19 ku protein-interacting protein 3，BNIP3)等其他Bcl-2家族蛋白能夠競爭性置換Beclin-1 BH3結構域[13]，從而增加自噬。另外，Bcl-2和Beclin-1的磷酸化也是導致兩者解離的重要因素[13]。

細胞死亡的Bcl-2相互作用介質(Bcl-2-interacting mediator of cell death，BIM)是Bcl-2家族中的一種僅有BH3結構域的Bcl-2家族蛋白(the Bcl-2 homology domain 3-only，BH3-only)，具有促凋亡作用。另外，BIM被證明是自噬的抑制劑，在靜息細胞中，BIM通過與自噬調節因子Beclin-1相互作用抑制自噬[6]。

FADD樣白細胞介素β轉換酶(FADD-like interleukin beta-converting enzyme，FLICE)樣抑制物蛋白(FLICE like inhibitor protein，Flip)是一種抗凋亡蛋白，參與抑制死亡受體介導的凋亡。FlipS和FlipL是Flip的兩個亞型，FlipS通過抑制caspase-8絲狀體的形成來抑制細胞凋亡。FlipL通過抑制caspase-8的成熟和釋放抑制細胞凋亡[15]。但當Flip水平較低時，caspase-8同源二聚化并通過蛋白裂解激活自身，導致活化的caspase-8釋放并啟動凋亡。另外，Flip蛋白內的不同區域控制其抗自噬和抗凋亡活性，可同時抑制自噬和凋亡。FlipL通過與LC3競爭結合ATG3來抑制自噬[16]，除了這種自噬的直接調節外，FlipL還通過與前caspase-10的相互作用影響自噬[17]。

p53是一種凋亡調節因子，可通過兩種機制誘導細胞凋亡，首先，p53作為轉錄因子分別誘導和抑制促凋亡靶基因和抗凋亡靶基因。其次，p53能夠轉移到線粒體，與Bcl-2家族成員相互作用，誘導線粒體膜通透化和細胞色素C的釋放[18]。P53通常存在于胞質中，可在DNA損傷后轉移到細胞核中[19]，現有證據表明[20]，核p53是一種促自噬因子，它通過轉錄依賴的方式調控mTOR通路來誘導自噬。但在細胞質中，p53卻抑制自噬的誘導，胞質中的p53通過與FIP200相互作用來抑制自噬，從而阻止ULK1-FIP200-ATG13-ATG101復合物的激活并抑制自噬體的形成[21]。

4 問題與展望

綜上所述，細胞的自噬與凋亡是兩個密切相關的復雜過程，自噬和凋亡過程中的關鍵調節蛋白能夠通過直接或間接作用而達到對自噬和凋亡的雙重調節，但是兩者之間互相轉換的機制以及相關調節蛋白對細胞命運的影響仍需要進一步明確。近年來，越來越多的文獻研究兩者在抑制或促進腫瘤細胞增殖過程中的作用，因此，更好的了解細胞自噬和凋亡將對疾病的認識和治療至關重要。