细胞自噬与凋亡关系的分子机制研究进展

韩姣，曾凡军，陈世雄，龚正，龚亮，行妍妍，覃黎葵

(1.三峡大学第一临床医学院宜昌市中心人民医院呼吸内科，湖北 宜昌 443003；2.宜城市人民医院，湖北 宜城 441400；3.暨南大学，广东 广州 510632；4.广州中医药大学祈福医院，广东 广州 511495)

细胞自噬与凋亡关系的分子机制研究进展

韩姣1，曾凡军2，陈世雄1，龚正1，龚亮2，行妍妍3，覃黎葵4

(1.三峡大学第一临床医学院宜昌市中心人民医院呼吸内科，湖北 宜昌 443003；2.宜城市人民医院，湖北 宜城 441400；3.暨南大学，广东 广州 510632；4.广州中医药大学祈福医院，广东 广州 511495)

自噬活跃在所有细胞中，在缺血缺氧状态或者营养缺乏条件下其表达上调。诱导的自噬不仅促进了受损细胞成分的降解，且为细胞提供了能量。凋亡和自噬均为程序性细胞死亡，现在已知自噬和凋亡在疾病病理进展过程中起着重要作用，包括神经退行性病变、老化、癌症、自身免疫疾病。本文就自噬与凋亡关系的分子机制研究进展做一综述。

自噬；凋亡；细胞存活；细胞死亡

自噬用于治疗癌症及其他疾病的潜能，为自噬的复杂性所困扰。自噬是否为一种细胞死亡机制，以及如何发挥调节作用，自噬是细胞死亡的保护者抑或刽子手仍有大量争议。凋亡为程序性细胞死亡，其机制研究较为清楚。阐明缺血缺氧状态下的自噬及凋亡关系的分子机制，有助于了解自噬是如何调节细胞死亡的。

1 自噬的定义

巨自噬(以下称自噬)为吞噬细胞大分子和细胞器的囊泡形成(自噬泡)，囊泡与溶酶体融合，最终导致细胞器降解，是一个进化上保守的代谢过程。尽管50多年前即出现了对自噬的描述，但直到最近5～7年才有强有力的细胞生物学数据阐明了其形式和功能[1-2]。自噬活跃在所有细胞中[3]，在应激或者营养缺乏条件下其表达上调。诱导自噬不仅可以促进受损细胞器的降解，且为细胞提供了内容物和能量。现已知自噬在疾病过程中起着重要作用，包括神经退行性病变、老化、癌症、自身免疫疾病如克罗恩氏病、类风湿性关节炎、心脏病和感染。在器官和细胞水平，自噬可因环境的不同决定细胞生存或者死亡[4-6]。

2 自噬的双重性

目前较为普遍的观点认为自噬通常促进细胞存活，可保护细胞在长时间的饥饿或者其他刺激状况下存活，正如之前提到，通常认为自噬可以保护细胞免于受到试图杀死他们的抗癌药物的毒性。然而，也可以认为这仅仅是因为自噬可以保护细胞，而不是因为自噬和凋亡有联系而产生的结果。例如，自噬的原始功能之一就是循环细胞内损伤蛋白，细胞器以及大分子聚集物，清除受损细胞器，为其提供新的营养或能量以代替坏死或者缺乏的细胞成分[7]。当营养缺乏时，这种机制可以提供一种保护功能，而无需通过自噬与凋亡产生直接联系。如果一个细胞因为缺乏足够的氨基酸即将死亡，自噬阻止其死亡的原因并非一定是通过自噬控制凋亡或者坏死机制，而仅仅可能是因为自噬提供了其所需的氨基酸。

研究认为，在某些情况下，自噬可以促进死亡。近期的证据也表明，自噬本身可以是一种死亡机制[8]。自噬可通过降解细胞成分(如催化酶，线粒体等)，或者通过非选择性的降解细胞内容物直至细胞不能存活这两种方式来杀死细胞[9]。然而，同样的，这些机制并不意味着自噬可以直接作用于细胞死亡机制。自噬有可能降解细胞成分，使得细胞最终激活凋亡机制，但这并不意味着自噬可以直接激活凋亡，效应有可能是间接的。

3 自噬和凋亡的联系

大多数研究都在通过探究死亡的总量是否改变，以此来找寻自噬与凋亡之间的关系。例如，自噬是否抑制死亡或者导致死亡。然而，如若研究细胞死亡途径是否改变而不是研究细胞是否死亡，那么自噬和凋亡之间的关系更加多样化。例如，一种靶向毒剂杀死胶质瘤细胞的作用与Caspase激活无关，并且，自噬被抑制后，其可以通过激活Caspase而缓慢增加细胞死亡数量[10]。这些数据表明，自噬可以改变细胞死亡的方式，而不仅仅是改变他们是否死亡[11]。那么自噬和凋亡机制之间是如何交叉联系的？它们之间有交叉吗？

已发现的直接和间接联系证实了凋亡机制和自噬蛋白之间存在机制交叉和联系[12]。而其中的大多数联系都指向于凋亡可以改变自噬，自噬如何控制凋亡的机制却知之甚少。本文主要集中于自噬和细胞死亡之间存在多重联系的两个关键蛋白，当然，还存在其他可能的关键性分子在两种过程中起重要作用。

3.1 自噬凋亡相互作用的关键蛋白

3.1.1 p62 自噬凋亡相互作用的两个关键蛋白为诱导肿瘤发生的关键蛋白p62以及肿瘤抑制因子Beclin1。p62是许多蛋白质以及线粒体选择性自噬性降解过程中的关键因子，并且其可以和一些凋亡以及存活通路中的蛋白质发生直接作用，包括Caspase-8、TRAF6(调节NF-κ B通路)以及ERK[13]。p62和Caspase-8的相互作用尤为重要，因为 p62对Caspase-8的有效激活非常重要，但当死亡受体激活时，Caspase-8可以清除p62[14-15]。此外近期有研究证实，Caspase-8可以通过自噬而被降解(有可能是通过p62的作用)[15]。表明自噬改变凋亡的程度和动力，而凋亡改变p62的自噬性降解以及p62依赖的自噬性物质(包括Caspase-8在内)的降解，二者之间存在一种复杂的平衡。

3.1.2 Beclinl基因 Beclinl基因是介导其他自噬蛋白定位于前自噬小体的关键基因，与酵母自噬基因Atg6同源，参与调控哺乳动物自噬体形成。与Ⅲ型PI3K形成复合物参与募集胞浆中含FYVE或PX基序的蛋白质，形成自噬体膜一部分，并引导其他自噬蛋白锚定于自噬体膜，为Beclin1调控自噬的机制[16]。DNA位点244-337缺失的Beclin1不能与PI3K结合，无法诱发饥饿诱导的自噬效应[17]。Bcl-2家族蛋白在细胞凋亡调控过程中具有重要作用，Bcl-2和Bax是凋亡调节基因Bcl-2家族中两个重要成员。Bcl-2和Bax通过形成同源或异源二聚体调节细胞凋亡。当Bax形成同源二聚体时诱导细胞凋亡；Bax与Bcl-2形成异源二聚体时则实现Bcl-2抑制细胞凋亡的功能[18]。Bcl-2和Bax调节细胞凋亡，不仅取决于自身表达的高低，而且还与Bcl-2/Bax的比值有关，当比值增大时，细胞凋亡增多，反之细胞凋亡受抑制。Beclin 1可以与抗凋亡蛋白Bcl-2直接作用[19]。Beclin1与Bcl-2连接后，Beclin1不能激活自噬。通过促凋亡BH3蛋白，Bcl-2结合蛋白中释放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过表达可抑制自噬[19]。凋亡抑制自噬的另一个Beclin 1依赖性机制是通过Beclin1的Caspase3清除，从而产生一个短的蛋白，进而不能促进自噬[21]。因此，凋亡机制中的蛋白对Beclin 1的调节，可以激活或者抑制自噬，这可能取决于BH3蛋白以及Caspase关键蛋白的相关活性。这些例子说明，自噬和凋亡之间可以存在多重关系，因而当细胞决定通过凋亡死亡时，凋亡增多，自噬减少以确保自噬开关关闭。

3.2 其他途径 自噬还可能通过凋亡蛋白的有效降解调节凋亡。值得注意的是，尽管自噬可以降解凋亡蛋白(如Caspase-8、线粒体)，然而在正常或者疾病状态下，这些关系是否真正改变了细胞死亡的总数尚未可知。例如，尽管自噬体中存在有线粒体的聚集和降解，这仅仅发生在细胞中的某些线粒体上[22]。因此，尚未解决的一个问题是，即使自噬增强了，为什么凋亡刺激还不能引起其他线粒体释放细胞色素C从而诱导凋亡小体形成发生凋亡呢？可能通过减少线粒体的数量，自噬改变了细胞死亡的动力学或者降低了细胞发生凋亡的阈值。因此，自噬可能控制着凋亡阈值，比如说，一些最终决定凋亡进程是否发生的调节因子。反过来，这可能提供了一条确保细胞快速死亡的方法，从而控制细胞中凋亡发生的程度。这种观点的一种预测(目前尚未证实)为，在一批有存活有死亡的细胞中，上述的分子机制(如Beclin1或者p62清除)仅存在于那些死亡细胞中，同样也是这些细胞的自噬水平更低。因此，尽管已经有了自噬和凋亡存在联系的证据，然而仍然缺乏自噬可以抑制凋亡的明确机制解释。即使一个蛋白既可以调节自噬，同时又可以影响细胞促发凋亡，这也不意味着自噬可以影响凋亡。一个挑战性的例子证实，之前未知的一个自噬体形成过程中自噬泛素样连接机制的必要成分——Atg12-Atg3连接体，可以调节凋亡，而此功能并不依赖自噬[23]。Atg3突变后不能与Atg12连接，进而通过线粒体途径抑制凋亡，但该抑制与自噬本身无关——抑制Atg12-Atg3连接对饥饿诱导的自噬没有影响(需要Atg12-Atg5连接体)，其对细胞死亡的影响与线粒体碎片改变有关。该研究表明，尽管自噬蛋白可以控制凋亡途径，它们可能并不依赖自噬，提示自噬连接过程蛋白可能存在一些未知的功能。一些已知的报道表明自噬最终可以增强Caspase依赖性的细胞死亡。因此，阻断自噬可以抑制凋亡。例如，在共培养的细胞上表达HIV包膜糖蛋白或者在靶细胞表面表达CXCR4受体，人们在HIV感染的CD4+T淋巴细胞模型中陆续观察到了自噬和凋亡的发生。通过基因敲除Atg7或Beclin1，或者使用3-MA抑制自噬，均可抑制Caspase激活，延缓细胞死亡，这意味着自噬可能作用于凋亡上游分子。在光损伤视网膜小鼠或者过氧化氢处理的光感细胞中自噬和凋亡同样出现了相似的关系，抑制其中任何一条途径可以部分延缓细胞死亡，同样的，自噬对凋亡的诱导是必要的。

4 临床意义

除了生物学上自噬的重要性，操纵自噬在临床上具有重要意义。例如，目前在美国有近36个临床试验在肿瘤治疗中试图阻止利用联合化疗的自噬抑制剂羟氯喹来阻止癌细胞的生存。这些临床试验的基础是一个简单的前提，由于自噬保护受损的细胞死亡，细胞自噬的抑制使癌组织细胞更易死亡，肿瘤即被根除。但是，如果细胞自噬在肿瘤细胞中的功能，不是为了保护他们免受损害，而是促进细胞死亡，那么这些临床试验毫无意义，甚至是有害的，除非发现一种方法来预测患者自噬细胞的死亡与存活。相反，我们在其他疾病中是否可利用自噬促细胞的生存功能？例如，在神经退行性疾病中，mTOR抑制可增加自噬，增强细胞清除损伤或聚集的蛋白质或线粒体的能力，改善神经元的功能，在神经退行性病变的动物模型中，增加自噬可延缓或阻止神经系统疾病的发作。

另外一些实验揭示了自噬与凋亡的联系，如在新生儿早期或者饥饿，自噬效应明显加强，自噬小体显著增多[24]；而在饥饿小鼠成骨细胞中，早期以自噬为主，晚期以凋亡为主，说明饥饿早期自噬对凋亡的发生可能具有拮抗作用[25]。提示在新生儿早期和饥饿情况下，自噬的激活对维持细胞的生存是必需的。

5 结 语

更深入的理解自噬和凋亡的关系(无论直接或间接)是未来几年在细胞死亡领域是一个重要的研究领域。自噬的过程是否直接控制凋亡的过程，或是它们之间仅仅是有一些共同的机制。p62和Beclin1很可能是一类至关重要的分子，它们通过一系列亲和凋亡分子参与调节与被调节。了解这些蛋白质和其他组成部分的自噬和凋亡途径的方式，在分子水平上了解细胞自噬与细胞凋亡之间的复杂的直接和间接的相互作用，可以了解细胞生存和死亡之间的平衡关系，将有助于确定在临床上全方位的分子机制，从而确定针对自噬在治疗癌症和其他疾病的效用，并实施更具体的药物和遗传抑制剂，以及新的、更准确、更客观的分析，以衡量自噬，是未来研究自噬和凋亡关系的重要方面。

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R329.2

A

1003—6350（2016）04—0604—03

10.3969/j.issn.1003-6350.2016.04.030

2015-01-03)

广东省卫生厅科技计划项目（编号：B20133335）

曾凡军。E-mail：438864941@qq.com