Cell綜述丨十年之后的升級版——細胞自噬與疾病

　　2016年日本科學家大隅良典（Yoshinori Ohsumi）獨獲諾貝爾生理或醫學獎，獲獎理由是在細胞自噬（autophagy）領域所做出的杰出貢獻。自從細胞自噬（該概念并非大隅良典首創）這一概念被提出以后，至今已經有將近40000篇文章與其有關。

　　細胞自噬，是細胞內容物（Cargo）被運輸到溶酶體并降解的過程，在正常情況下可以清除細胞內功能異常的蛋白、器官以及微生物。這一過程對維持細胞、組織以及器官的穩態至關重要。細胞自噬受到自噬相關基因（autophagy-related genes, ATG）的嚴密調控，當這些基因發生突變會誘發一系列疾病包括神經退行性疾病、炎癥甚至癌癥。那么這些ATG都具有什么樣的功能以及與疾病的關系是怎樣的？早在2008年，細胞自噬與凋亡領域的兩位資深學者Beth Levine就與Guido Kroemer合作在Cell上發表了一篇題為Autophagy in the Pathogenesis of Disease的綜述，目前該論文被引次數超過5000次，是自噬領域中的經典綜述論文。

　如今十年過去了，自噬相關領域的論文又增加了3.3萬篇，2016年的諾貝爾生理或醫學獎也授予了該領域，相關研究進展已經發生了巨大的變化和進步。2019年新年伊始，Beth Levine與Guido Kroemer合作在Cell上發表了一篇題為Biological Functions of Autophagy Genes: A Disease Perspective的綜述【1】，總結了這十年來細胞自噬相關基因功能方面的研究。

　　根據文章總結，ATG及相關蛋白的功能可以簡單的分為七類：

　　（1）參與自噬溶酶體降解【2】；

　　（2）參與細胞吞噬【3】；

　　（3）參與蛋白分泌【4】（非傳統的蛋白分泌方式）；

　　（4）參與顆粒分泌【5】，如抗細菌多肽，Cathepsin K；

　　（5）參與外泌體分泌【6】；

　　（6）參與代謝過程中的retromer轉運【7】；

　　（7）參與諸如免疫、細胞死亡、細胞周期，維持細胞內穩態，干細胞干性【8】等。

　　自噬溶酶體降解是ATG最為重要的功能。目前已知參與自噬溶酶體降解途徑的大約有16-20個核心ATG蛋白，根據生化特性和功能可以分為五類【9】：

　　（1）參與自噬啟動、磷酸化下游靶點的ULK1絲氨酸蘇氨酸激酶復合物，包括ULK1, FIP200, ATG13和ATG101；

　　（2）參與自噬體成核與成熟的兩類Beclin1/PI3KC3復合物（PI3KC3-1: Beclin1, VPS34, VPS15, ATG14； PI3KC3-2: Beclin1, VPS34, VPS15, UVRAG）；

　　（3）唯一的跨膜ATG蛋白（ATG9A），為自噬體提供膜結構；

　　（4）參與早期自噬體膜延伸的WIPI蛋白及結合蛋白，ATG2A與ATG2B；

　　（5）參與自噬體膜延伸與完成的兩個泛素樣蛋白共軛系統：ATG12-ATG5，ATL16L1與LC3亞家族（酵母中為ATG8）。

自噬相關基因依賴的膜轉運途徑（Autophagy Gene-Dependent Membrane Trafficking Pathways）【1】

　　需要注意的是這種分類并不是絕對的，不同的ATG蛋白結合也會發揮出其他的功能，如ATG13可以通過招募ATG9參與自噬體的結構。另外自噬體不僅需要ATG的參與還需要與溶酶體融合才能完成溶酶體降解。正確的融合需要多因素的參與，包括溶酶體pH改變、細胞骨架馬達蛋白、tethering因子(HOPS復合物, Rab GTPase, RAB7)，SNARF蛋白，磷脂、LC3/GABARAP家族等。

　　除了參與自噬，ATG基因如LC3在吞噬（phagocytosis）作用中也扮演了一些角色（LC3-asscociated phagocytosis, LAP）。LAP與自噬的區別在于：

　　（1）LAP是針對細胞外物質如細菌、死細胞等；

　　（2）需要細胞外受體參與；

　　（3）LAP是單層膜，autophagy是雙層膜結構；

　　（4）參與的ATG基因少于細胞自噬。

　　在分泌方面，ATG基因也發揮了一定的功能，比如參與炎癥因子IL-1β與IL-18的分泌（被稱為非傳統的蛋白分泌方式），但其詳細機制有待進一步闡明。

　　在胞吐方面，ATG蛋白介導了Paneth cell（潘氏細胞或稱帕內特細胞，是小腸內一種少見的細胞，提供宿主防衛微生物的侵犯）與osteoclast（破骨細胞）的分泌顆粒的胞吐。該過程依賴于LC3的標記。另外外泌體的分泌也與ATG蛋白相關。比如ATG5可以促進外泌體的分泌從而參與腫瘤的轉移。在代謝過程中ATG蛋白與依賴retromer的轉運也有關聯。以葡萄糖轉運蛋白Glut1為例，ATG的缺陷會明顯影響Glut1的轉運。另外，ATG還與病毒、細菌和其它病原菌的感染有關。例如丙型肝炎病毒在細胞內的RNA復制場所需要ATG蛋白【10】。

　　除了上述膜運輸（membrane trafficking）相關的功能，ATG蛋白還與細胞死亡、細胞周期以及先天免疫有關。

　　自噬體如何選擇性地識別Cargo？一般認為是通過以下三個途徑【11】：

　　（1）Cargo本身帶有可與LC3結合的結構域即LIR結構域，在正常情況下LIR被折疊或者受到受到周圍氨基酸殘基磷酸化的影響保護正常功能的Cargo不被降解；

　　（2）Cargo首先被泛素等標記，然后通過一個帶有可與泛素結合的結構域與LIR結構域的接頭蛋白相連；

　　（3）某些特殊Cargo（與炎癥小體或和IFN信號相關的蛋白）與TRIM結合，然后與GABARAP結合。根據Cargo的不同，細胞自噬可以分為aggrephagy, mitophagy, ER-phagy, ribophagy, lysophagy, nucleophagy, lipophagy, xenophagy等。

　　ATG不僅與細胞自噬中緊密關聯，在其它的生物學途徑中也發揮出一定的功能，從而在多方面保護機體遠離諸如衰老等疾病。當ATG及相關疾病發生突變會導致一系列疾病，其分子機制大概可以分為八個：

　　（1）調節線粒體自噬的基因（如PARKIN, PINK1）發生突變可以導致遺傳性帕金森病；

　　（2）編碼自噬接頭蛋白或者激酶的基因（如p62/SQSTM1, TBK）發生突變肌萎縮側索硬化癥等；

　　（3）溶酶體相關基因突變導致自噬紊亂以及溶酶體儲存障礙相關疾病如阿爾茨海默癥、帕金森病；

　　（4）自噬體與溶酶體融合相關基因突變導致先天性神經發育障礙；

　　（5）Cargo運輸相關基因突變導致神經終器蛋白質毒性和變性相關疾病；

　　（6）核心ATG基因突變導致癌癥風險升高；

　　（7）自噬通路基因突變導致異常的炎癥信號；

　　（8）多基因突變導致一些特殊的疾病如克羅恩病。這些機制的闡述為有效治療相關疾病打開了曙光，采取有效地干擾手段以恢復突變基因或者其下游基因的正常功能是攻克這些疾病的重點。

　　參考文獻

　　1. Beth Levine and Guido Kroemer. (2019). Biological Functions of Autophagy Genes: A Disease Perspective. Cell.

　　2. Dikic, I., and Elazar, Z. (2018). Mechanism and medical implications of mammalian autophagy. Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 19, 349–364.

　　3. Cadwell, K., and Debnath, J. (2018). Beyond self-eating: The control of nonautophagic functions and signaling pathways by autophagy-related proteins. J. Cell Biol. 217, 813–822.

　　4. Martinez, J., Cunha, L.D., Park, S., Yang, M., Lu, Q., Orchard, R., Li, Q.Z., Yan, M., Janke, L., Guy, C., et al. (2016). Noncanonical autophagy inhibits the autoinflammatory, lupus-like response to dying cells. Nature 533, 115–119.

　　5. DeSelm, C.J., Miller, B.C., Zou, W., Beatty, W.L., van Meel, E., Takahata, Y., Klumperman, J., Tooze, S.A., Teitelbaum, S.L., and Virgin, H.W. (2011). Autophagy proteins regulate the secretory coponent of osteoclastic bone resorption. Dev. Cell 21, 966–974.

　　6. Hessvik, N.P., and Llorente, A. (2018). Current knowledge on exosome biogenesis and release. Cell. Mol. Life Sci. 75, 193–208.

　　7. Roy, S., Leidal, A.M., Ye, J., Ronen, S.M., and Debnath, J. (2017). Autophagydependent shuttling of TBC1D5 controls plasma membrane translocation of GLUT1 and glucose uptake. Mol Cell 67, 84–95 e85.

　　8. Boya, P., Codogno, P., and Rodriguez-Muela, N. (2018). Autophagy in stem cells: repair, remodelling and metabolic reprogramming. Development 145.

　　9. Yu, L., Chen, Y., and Tooze, S.A. (2018). Autophagy pathway: Cellular and molecular mechanisms. Autophagy 14, 207–215.

　　10. Dreux, M., Gastaminza, P., Wieland, S.F., and Chisari, F.V. (2009). The autophagy machinery is required to initiate hepatitis C virus replication. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 106, 14046–14051.

　　11. Kramer, M.H., Farre, J.C., Mitra, K., Yu, M.K., Ono, K., Demchak, B., Licon, K., Flagg, M., Balakrishnan, R., Cherry, J.M., et al. (2017). Active interaction mapping reveals the hierarchical organization of autophagy. Mol Cell 65, 761–774.e5.