自噬与衰老的关系

在正常细胞生长和发育过程中,生物大分子的生物合成和分解代谢存在一种重要的平衡。环境变化通过多种调节机制,促进机体生长和发育,最终保持生物合成和分解代谢平衡。在真核细胞中,蛋白质降解主要通过泛素-蛋白酶体途径和自噬-溶酶体途径完成:蛋白酶体途径局限于胞浆和细胞核,主要参与短寿命蛋白质的降解;而溶酶体途径由囊泡状细胞器组成,其内含有多种水解酶包括蛋白酶负责物质降解。众所周知,溶酶体途径负责长寿命蛋白质的降解。其中自噬(atltophagy)是溶酶体途径的主要成分,它将包括蛋白质和受损细胞器在内的胞浆成分输送入溶酶体,从而将其降解[1]。

1自噬的提出

自噬一词来源于希腊语,本意是吞噬自己。根据自噬途径不同,自噬可分为:大自噬、小自噬和分子伴侣介导自噬。小自噬是指溶酶体的膜直接包裹胞浆成分进入溶酶体。分子伴侣介导的自噬是指未折叠的蛋白质经溶酶体伴侣HSC70和溶酶体膜受体LAMP-2A进人溶酶体的过程[2]。大自噬开始于杯状双层膜(亦称为前自噬体)的形成,该双层膜可以包裹胞浆成分,杯状结构前自噬体的两侧融合后形成球状的自噬体,当自噬体与溶酶体融合后,自噬体的内容物被溶酶体的水解酶消化后生成的水解产物,例如氨基酸,葡萄糖和游离脂肪酸等,可用于细胞饥饿状态下的能量供应和生物大分子的合成。在上述三种自噬中,大自噬占主要地位,往往简称为自噬,也是本篇综述中主要讨论的内容。

2自噬的核心分子机制

人们对自噬的分子机制的认识是从对酵母中自噬相关基因(Atg)的认识开始的[⒊5]。哺乳动物Atg同源物与哺乳动物基因有高度保守性[6]。自噬过程可分为自噬诱导、包裹底物识别和选择、囊泡形成、自噬体与溶酶体融合和包裹底物降解,最终降解产物进入胞浆。不同的Atg蛋白参与此过程,组成自噬过程的核心部分。

2.1自噬的诱导

生理条件下,细胞和器官的自噬基础水平很低,因此,自噬的诱导对于机体适应应激环境和细胞外信号传导至关重要。自噬的一种中心抑制剂是丝/苏氨酸蛋白酶TOR。在酵母和果蝇中,Tor/dTOR将多条上游信号转导通路信号整合,继续向下游转导。在营养丰富时,Tor/dTOR负性调节其他丝/苏氨酸激酶Atg1[⒎9]。在酵母中,饥饿或雷帕霉素可激活Atg1,活化的Atg1与Atg13和Atg17结合率增加,从而促进Atg1-Atg13-Atg17复合体的形成,多种Atg蛋白整合至PAS,启动自噬体形成。Atg1的两个哺乳动物的同系物,ULK1和ULK2也在自噬中发挥作用。饥饿状态下,哺乳动物细胞中FIP200(酵母Atg17的同系物)与ULKs和Atg13形成复合体。该复合体位于前自噬体E14d5。与酵母不同,哺乳动物细胞中ULKs-Atg13JIP2o0形成一种稳定复合物,与营养状态无关。在营养丰富环境下,mTOR与UIKs和Atg13相互作用,对其磷酸化,使其失活。饥饿或雷帕霉素抑制mTOR,ULK1和ULK2活化,磷酸化Atg13和FIP200,对于自噬活性是必要的。

2.2囊泡识别和选择性

在选择性自噬中,通过特异性受体蛋白质相互作用,待降解底物被识别。在多细胞生物中,自噬的功能是清除胞浆泛素化底物或易聚集蛋白质。最近研究表明这一降解过程具有选择性。其中,选择性自噬的最典型底物之一是p62/SQSTM1。p62是一种在动物细胞中普遍表达的蛋白质,但在植物和真菌中未见其表达。p62的UBA结构域可与降解泛素化底物(如包括泛素化聚集体、损伤线粒体、泛素化微粒体、核糖体和病毒包壳蛋白质)结合。p62直接与前自噬体膜LC3相互作用,继而,整合在自噬体和溶酶体内降解。大量研究表明自噬受损时,p62在细胞内聚集,继而导致大分子聚集物的形成,包括p62和泛素[20彐。在多种神经退行性疾病(如阿尔茨海默病、帕金森病和脊髓侧索硬化),肝脏疾病(如包括酒精性肝病和肝硬化),肿瘤(如恶性胶质瘤和肝细胞肿瘤)中可见此现象[21]。此外,p62分别通过TNF受体相关因子6(TRAF6),caspases效应酶和Nrf2介导细胞存活,凋亡和合成抗氧化蛋白质[22.23]。p62的大量聚集可以导致这些信号通路的过度激活。p62/SQSTM1被广泛用来检测自噬流大小。

2.3自噬体的形成

目前,自噬体膜的来源还不清楚,可能来源于线粒体,高尔基体或内质网。多种Atg蛋白整合人前自噬体,参与自噬体形成。前自噬体膜的成核和组装需要Ⅲ型磷脂酰环己六醇3-激酶(Ptdhs3K)复合体,后者由PtdIns3K Vps34,丝/苏氨酸激酶Vps15,Atg14和Atg6/Vps30组成[2⒍29]。Atg7(E1活化酶)活化Atg12,转运至Atg10(E2结合酶),与底物蛋白Atg5的内部赖氨酸共价结合。与泛素化不同,Atg12-Atg5共价结合具有持续性和不可逆性。Atg12-Atg5结合进一步与Atg16结合,形成Atg5-Atg12_Atg16复合体,经自身聚合形成四聚体,与前自噬体结合E30J1]。此外,在Atg8结合系统中,Atg8被半胱氨酸蛋白酶Atg4处理后,暴露C端甘氨酸残基。Atg7活化Atg8,将其转运至Atg3。Atg8经E3样酶Atg12-Atg5作用最终与靶位脂质PE结合。Atg8和其哺乳动物类似物LC3被广泛用来检测自噬诱导。

2.4囊泡融合和自噬体降解

自噬体形成后,结合在自噬体外膜的Atg8在At型作用下与PE分离,释放入胞浆。但是,人们正在研究其他Atg蛋白的解离和恢复机制。在哺乳动物细胞中,自噬体与溶酶体融合需要溶酶体膜蛋白质LAM⒉2和小GTPaseRab7参与,尽管此机制缺乏特异性。

自噬体与溶酶体融合后,自噬体的内层膜降解依赖溶酶体/囊泡酸性水解酶水解,包括酵母中蛋白酶A和B,哺乳动物中组织蛋白酶B、D和L。降解产生的小分子尤其氨基酸,转运至胞浆中,用于蛋白质合成和饥饿状态下细胞功能维持。

3自噬与衰老的关系

自噬是一种涉及蛋白质和细胞器降解的细胞途径,同时与大量的人类疾病和生理过程相关,例如,自噬功能异常与老年相关性疾病(月中瘤、神经退行性疾病)和衰老相关。虽然自噬主要是对细胞起到保护作用,但是它在细胞死亡方面也发挥重要作用。

衰老是指受损和缺陷细胞成分进行性聚集,最终导致组织生理功能下降和器官老化的过程[3明。在组织水平,衰老的一个共同特点是生物大分子(DNA、蛋白质和脂质)和细胞器损伤以及毒性修饰的聚集。人们发现内环境维持系统在衰老过程中受损,越来越多的研究关注自噬系统的衰老相关性改变。

尽管衰老的发生机制还存在争议,但是自由基理论已经得到人们的广泛认可[42]。伴随线粒体功能丢失的线粒体产生的ROS参与衰老过程[43]。活性氧(ROS)是生物体在有氧代谢过程(氧化磷酸化)中生成的一类性质十分活跃的含氧化合物,主要包括过氧化氢、超氧阴离子和羟自由基等。在正常生理条件下,细胞内ROS的水平极低,但是,在病理情况下,各种环境损伤因素如辐射、药物和毒物可以引起线粒体DNA突变,导致线粒体呼吸链损伤,功能减退,从而使ROS生成明显增加,ATP产生减少。如果ROS的增加超过了细胞内的抗氧化能力(例如过氧化氢酶及谷胱甘肽等),便会发生氧化性应激(oxidative stress),引起细胞的氧化性损伤。能量代谢异常所产生的过多ROS与器官衰老和老年退行性疾病的发生发展密切相关。例如,对于不可逆损伤的线粒体,自噬是最有效的更新机制(即线粒体自噬)。以往人们认为在大鼠脑、心脏、肝脏和肾脏中,每2~4w线粒体更新一次囵,但是最近研究表明线粒体的更新更快。由于有丝分裂后细胞内线粒体的氧化损伤更加严重,所以线粒体自噬对于长寿命细胞尤为重要。目前人们对于线粒体自噬是否具有选择性和线粒体如何被靶向性降解还不明确。

肝细胞在氨基酸饥饿时,自噬是一个非选择性的过程,这表明线粒体的降解是随机发生的。在饥饿状态时,非选择性自噬可以利用细胞自身的成分产生能量同时限制合成代谢。除了自噬以外,饥饿状态下细胞的所有功能均下调,许多线粒体(包括正常线粒体)的存在都变得不必要了,但是,越来越多的证据表明在正常和病理条件下,线粒体的清除是有选择性的。线粒体的选择性自噬和泛素化的线粒体降解在胚胎的成熟过程中发挥重要作用。但是人们还不清楚何种损伤可以引起线粒体的泛素化以及何种程度的泛素化对于线粒体自噬是必要的。最近,人们发现有一些蛋白质分子参与线粒体自噬。例如,线粒体外膜蛋白、Uth1p和Bnip3(Bc2家族成员蛋白)激活低氧状态下小鼠胚胎成纤维细胞和缺血/再灌注新生大鼠心肌细胞的线粒体自噬。Bnip3L(亦称为Nix)在与小鼠红细胞成熟相关的线粒体自噬中发挥重要作用。虽然对于线粒体选择性自噬的分子机制还有待进一步研究,但是已有大量证据表明氧化损伤的线粒体和氧化损伤导致的线粒体内膜电位的下降常常可以诱导线粒体自噬h52]。综上所述,这种形式的线粒体损伤是衰老和多种疾病的典型特征。

热量限制是目前唯一已得到公认的延长寿命的干预措施。长久以来人们普遍认为间断的饥饿可以延长寿命[53]。饮食限制是多种生物自噬的潜在诱导剂,同时,自噬在饮食限制延长寿命中的作用很重要。如果用siRNA对线虫的atg(自噬相关基因)进行干预,饮食限制不会导致寿命延长。Atg对于胰岛素/IGF1信号通路突变导致线虫长寿表型是至关重要的。有趣的是,饮食限制或胰岛素/IGF1突变可导致许多衰老相关疾病的发病率降低,包括动物模型中的亨廷顿疾病、肌无力、心衰和肿瘤[56J。同时,自噬也在一定的衰老相关疾病中具有保护作用,例如神经退行性病变、心肌病和肿瘤,但是关键问题是弄清自噬激活是否是老年相关疾病发病率降低的原因。鉴于目前通过遗传学方法造成的自噬受损的小鼠模型E5⒎5叼,人们很容易推测自噬活性随衰老的下降可能在老年生物体的功能恶化中起作用。此外,在啮齿类动物和人类中大自噬和分子伴侣介导的自噬随增龄下降[60Ⅱ1],但是自噬随增龄下降的机制还不清楚。未被降解的物质聚集在次级溶酶体中,有可能干预溶酶体与自噬体的融合和降解,从而造成了自噬体降解缺陷的恶性循环。但是,目前人们对于自噬受损是衰老的原因而不是衰老造成的自噬功能下降这个观点还有不同意见。

目前存在于衰老过程中自噬研究的一个关键问题是大多数用遗传学方法产生的自噬受损小鼠模型不能产生衰老依赖改变的主要特点,因为在这些模型中,自噬从出生时就被完全抑制[62Ⅱ31。最近出现的条件性敲除的小鼠模型有希望克服这一问题,从而,我们可以比较出生时自噬受抑制的小鼠和成年后自噬受抑制的小鼠的不同表现。

在过去的十年里,人们对大自噬分子机制的认识有了巨大的进步,其中涉及自噬蛋白质成分的识别。相比之下,我们对自噬的调节的认识还很局限。为了早日将自噬应用于治疗,尤其考虑到它在细胞保护和细胞死亡方面的双重作用,我们需要加深对多种调节通路的理解。

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