自噬是一種廣泛存在于真核細(xì)胞的生命現(xiàn)象，細(xì)胞自噬（autophagy）即自我消化，是細(xì)胞對(duì)自身結(jié)構(gòu)的吞噬和降解，是真核生物進(jìn)化保守的對(duì)細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)進(jìn)行周轉(zhuǎn)的重要過程在這一過程中，一些損壞的蛋白或細(xì)胞器被雙層膜結(jié)構(gòu)的自噬小泡包裹后，送入溶酶體（動(dòng)物）或液泡（酵母和植物中）進(jìn)行降解并得以循環(huán)利用。最終使細(xì)胞能夠在缺氧、饑餓、高溫、感染等不利環(huán)境下繼續(xù)生存的過程，在維護(hù)細(xì)胞內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)方面起重要作用，是細(xì)胞器和大分子蛋白降解的主要途徑。但過度自噬也可以導(dǎo)致細(xì)胞死亡。
在真核生物的生理和病理過程中都有自噬發(fā)生，自噬被認(rèn)為是細(xì)胞對(duì)內(nèi)外界環(huán)境壓力變化的一種反應(yīng)，自噬作用并非是一個(gè)具體的機(jī)制，而是代表著一系列的反應(yīng)。根據(jù)細(xì)胞質(zhì)中底物被運(yùn)送到溶酶體上的不同路線，細(xì)胞自噬主要有3種類型：巨自噬（macroautophagy）、微自噬（microautophagy）和分子伴侶介導(dǎo)的自噬（ chaperone-mediated autophagy）。
簡介
細(xì)胞自噬，所謂自噬作用(autophagy)是一個(gè)非常簡單的細(xì)胞活動(dòng)，字面上也很好理解：自己吃自己。總體上看，動(dòng)物細(xì)胞是一個(gè)三層結(jié)構(gòu)：最外面是細(xì)胞膜，中間是細(xì)胞質(zhì)，細(xì)胞核被包裹在最里面。大部分功能性細(xì)胞器和生物分子都懸浮在細(xì)胞質(zhì)中，因此，很多細(xì)胞活動(dòng)都在細(xì)胞質(zhì)中進(jìn)行。由于生理生化反應(yīng)多而復(fù)雜，經(jīng)常產(chǎn)生大量殘?jiān)率辜?xì)胞活動(dòng)受到影響甚至停滯，在這種情況下，自噬作用就非常重要：將淤積在細(xì)胞質(zhì)中的蛋白質(zhì)等代謝殘?jiān)宄簦謴?fù)正常的細(xì)胞活動(dòng)。
清理細(xì)胞質(zhì)能讓細(xì)胞重獲新生，對(duì)于神經(jīng)細(xì)胞這類不可替換的細(xì)胞來說，這個(gè)過程尤為重要。神經(jīng)細(xì)胞一旦分化成熟，就會(huì)保持當(dāng)前狀態(tài)，直到母體生物死去，它們沒有其他方式來恢復(fù)和維護(hù)自身功能。細(xì)胞生物學(xué)家還發(fā)現(xiàn)，自噬作用還能抵御病毒和細(xì)菌的侵襲。任何躲過細(xì)胞外免疫系統(tǒng)，通過細(xì)胞膜進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)的異物或微生物，都可能成為自噬系統(tǒng)的攻擊目標(biāo)。
命名自噬
降解：所有活細(xì)胞的核心功能之一
20世紀(jì)50年代中期，科學(xué)家觀察到細(xì)胞里的一個(gè)新的專門“小隔間”（這種隔間的學(xué)名是細(xì)胞器），包含消化蛋白質(zhì)，糖類和脂質(zhì)的酶。這個(gè)專門隔間被稱作“溶酶體”，相當(dāng)于降解細(xì)胞成分的工作站。比利時(shí)科學(xué)家克里斯汀·德·迪夫（Christian de Duve）在1974年因?yàn)槿苊阁w和過氧化物酶體的發(fā)現(xiàn)，被授予諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。
克里斯汀·德·迪夫，1974年獲得諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)，“自噬”這個(gè)詞的命名人。
60年代的新觀察表明，在溶酶體內(nèi)部有時(shí)可以找到大量的細(xì)胞內(nèi)部物質(zhì)，乃至整個(gè)的細(xì)胞器。因此，細(xì)胞似乎有將大量的物質(zhì)傳輸進(jìn)溶酶體的策略。進(jìn)一步的生化和顯微分析發(fā)現(xiàn)，有一種新型的囊泡負(fù)責(zé)運(yùn)輸細(xì)胞貨物進(jìn)入溶酶體進(jìn)行降解（圖1）。發(fā)現(xiàn)溶酶體的科學(xué)家迪夫，創(chuàng)造了自噬（auotophagy）這個(gè)詞來描述這一過程。這種新的囊泡被命名為自噬體。
我們的細(xì)胞有不同的細(xì)胞“小隔間”，承擔(dān)不同的作用。溶酶體就是這樣一種隔間，里面有用于消化細(xì)胞內(nèi)容物的消化酶。人們?cè)诩?xì)胞內(nèi)又觀察到了一種新型的囊泡，叫做自噬體。自噬體形成的時(shí)候，逐漸吞沒細(xì)胞內(nèi)容物，例如受損的蛋白質(zhì)和細(xì)胞器；然后它與溶酶體相融，其中的內(nèi)容被降解成更小的物質(zhì)成分。這一過程為細(xì)胞提供了自我更新所需的營養(yǎng)和材料。
圖1
在20世紀(jì)70年代和80年代，研究人員集中研究闡明用于降解蛋白質(zhì)的另一個(gè)系統(tǒng)，即“蛋白酶體”。在這一研究領(lǐng)域，阿龍·切哈諾沃（Aaron Ciechanover），阿夫拉姆·赫什科（Avram Hershko）和歐文·羅斯（Irwin Rose）因?yàn)椤胺核亟閷?dǎo)的蛋白質(zhì)降解的發(fā)現(xiàn)”被授予2004年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。蛋白酶體降解蛋白質(zhì)的效率很高，一個(gè)個(gè)單個(gè)降解蛋白質(zhì)，但這個(gè)機(jī)制沒有解釋細(xì)胞是怎么解決更大的蛋白質(zhì)配位化合物以及破舊的細(xì)胞器的。
研究歷史
細(xì)胞自噬這是細(xì)胞組分降解與再利用的基本過程。“自噬”(autophagy)一詞源于希臘語前綴“auto-”，意為“自我”，以及另一個(gè)希臘語單詞“phagein”，意為“吞食”。因此，自噬作用的意思非常明確，那就是“自我吞噬”。
這一概念最早出現(xiàn)于上世紀(jì)1960年代，當(dāng)時(shí)研究人員發(fā)現(xiàn)細(xì)胞能夠消滅自身內(nèi)部物質(zhì)，方式是將其包裹進(jìn)一個(gè)膜結(jié)構(gòu)中，從而形成小型囊體并被輸運(yùn)至被稱作“溶酶體”的回收機(jī)構(gòu)進(jìn)行分解。對(duì)這一過程開展研究非常困難，這也就意味著我們對(duì)其知之甚少。
直到上世紀(jì)1990年代，在經(jīng)過一系列出色的實(shí)驗(yàn)之后，日本科學(xué)家大隅良典利用面包酵母找到了與自噬作用有關(guān)的關(guān)鍵基因。隨后他開始致力于闡明酵母菌體內(nèi)自噬作用的背后機(jī)制，并發(fā)現(xiàn)與之相似的復(fù)雜過程也同樣存在于我們?nèi)祟惖募?xì)胞內(nèi)。大隅良典的研究更新了我們關(guān)于細(xì)胞物質(zhì)循環(huán)的舊有觀點(diǎn)，他的研究開啟了理解自噬作用在許多生理過程中關(guān)鍵作用的嶄新道路，如生物體對(duì)于饑餓的適應(yīng)或者機(jī)體對(duì)于感染的反應(yīng)。自噬基因的突變會(huì)導(dǎo)致疾病的發(fā)生，自噬作用機(jī)制在一些類型的疾病，如癌癥和神經(jīng)疾病等病癥中也發(fā)揮了作用。
20世紀(jì)70年代至80年代，研究人員主要專注于研究另一套用來降解蛋白質(zhì)的系統(tǒng)，即“蛋白酶體”(proteasome)。在該研究領(lǐng)域，阿龍·切哈諾沃(Aaron?Ciechanover)、阿夫拉姆·赫什科(Avram?Hershko)和美國科學(xué)家歐文·羅斯(Irwin?Rose)被授予2004年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)，以表彰他們?cè)诜核卣{(diào)節(jié)的蛋白質(zhì)降解研究領(lǐng)域中的卓越成就。蛋白酶體雖然能有效地逐步降解蛋白質(zhì)，但該機(jī)制仍未能解釋細(xì)胞是如何消除大型蛋白質(zhì)配位化合物和受損的細(xì)胞器。
開創(chuàng)性實(shí)驗(yàn)
大隅良典活躍于多個(gè)研究領(lǐng)域，但在他于1988年最初建立自己實(shí)驗(yàn)室的時(shí)候，他主要致力于對(duì)液泡內(nèi)的蛋白質(zhì)降解進(jìn)行研究，液泡的地位就類似于人體細(xì)胞內(nèi)的溶酶體。酵母細(xì)胞相對(duì)比較容易開展研究，因此它們常被科學(xué)家們用做人類細(xì)胞模型。它們對(duì)于鎖定復(fù)雜細(xì)胞機(jī)制背后的特定基因尤其有效。但大隅良典正面臨一項(xiàng)挑戰(zhàn)：酵母細(xì)胞很小，在顯微鏡能夠下它們的細(xì)胞器并不容易分辨出來。因此此時(shí)的大隅良典甚至還不能確認(rèn)在這種細(xì)胞內(nèi)部是否存在自噬現(xiàn)象。
他推理認(rèn)為，如果他能夠打斷正在進(jìn)行中的細(xì)胞物質(zhì)自噬降解過程，那么液泡內(nèi)部就應(yīng)該會(huì)聚集大量的自噬小體，從而在顯微鏡下變得可見。于是他培養(yǎng)了經(jīng)過改造，缺乏液泡膜降解酶的酵母菌并通過饑餓的方法激活細(xì)胞的自噬機(jī)制。這一實(shí)驗(yàn)得到的結(jié)果是驚人的！在短短幾小時(shí)內(nèi)，細(xì)胞液泡內(nèi)快速聚集起大量未能被降解的小型囊體。
這些小型囊體是自噬小體。大隅良典的實(shí)驗(yàn)證明在酵母菌內(nèi)部同樣存在自噬作用。但更加重要的是，他現(xiàn)在有了一種方法去識(shí)別并觀察在細(xì)胞自噬機(jī)制背后起到關(guān)鍵作用的基因。這是一項(xiàng)突破性的進(jìn)展，大隅良典在1992年發(fā)表的文章里相信進(jìn)行了報(bào)告。
發(fā)現(xiàn)自噬基因
大隅良典開始利用其所克隆的酵母菌。在酵母菌被餓死的過程中，自噬體就會(huì)被積累。但如果自噬基因是滅活的，該積累過程就不會(huì)出現(xiàn)。大隅良典將酵母細(xì)胞暴露在一種化學(xué)物質(zhì)下，隨意引入多個(gè)基因的突變后，開始誘導(dǎo)自噬。這種做法奏效了！在發(fā)現(xiàn)酵母自噬現(xiàn)象后的一年內(nèi)，大隅良典又發(fā)現(xiàn)了導(dǎo)致自噬的第一個(gè)基因。在后來的一系列研究中，由這些基因所編碼的蛋白質(zhì)也被從功能層面上被識(shí)別。這些研究結(jié)果表明，自噬由一連串的蛋白質(zhì)和蛋白質(zhì)配位化合物所控制，每一個(gè)都掌管著自噬體的萌生和形成的不同階段。
自噬—人類細(xì)胞的一個(gè)重要機(jī)制
在發(fā)現(xiàn)酵母自噬機(jī)制后，一個(gè)核心問題油然而生：在其他生物體中是否也有一個(gè)相應(yīng)的機(jī)制來控制這一過程？很快就有了答案，在人類細(xì)胞中也運(yùn)行著幾乎同樣的機(jī)制。如今，用于研究人體自噬重要性的工具也已經(jīng)誕生。
自噬形式
細(xì)胞自噬主要有三種形式：微自噬（microautophagy)、巨自噬（macroautophagy）和分子伴侶介導(dǎo)的自噬?(Chaperone-mediated?autophagy，CMA）。
微自噬
定義：指溶酶體或者液泡內(nèi)膜直接內(nèi)陷底物包裹并降解的過程。
作用時(shí)間：多在種子成熟時(shí)儲(chǔ)藏蛋白的沉積或萌發(fā)時(shí)儲(chǔ)存蛋白的降解中起作用。
巨自噬
定義：在其過程中，底物蛋白被一種雙層膜的結(jié)構(gòu)（粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的無核糖體附著區(qū)脫落的雙層膜）包裹后形成直徑約400-900納米大小的自噬小泡（autophagosome)，接著自噬小泡的外膜與溶酶體膜或者液泡膜融合，釋放包裹底物蛋白的泡狀結(jié)構(gòu)到溶酶體或者液泡中，并最終在一系列水解酶的作用下將其降解，我們將這種進(jìn)入溶酶體或者液泡腔中的泡狀結(jié)構(gòu)稱為自噬小體。
作用時(shí)間：營養(yǎng)缺乏條件下培養(yǎng)的細(xì)胞、植物的免疫反應(yīng)、葉片衰老及環(huán)境脅迫應(yīng)答。
介導(dǎo)自噬
在動(dòng)物細(xì)胞衰老反應(yīng)過程中，往往發(fā)生分子伴侶介導(dǎo)的自噬過程，保存必須的組成細(xì)胞結(jié)構(gòu)的蛋白和其他材料。
研究方法
誘導(dǎo)劑(1)?Bredeldin?A?/?Thapsigargin?/?Tunicamycin?：模擬內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激(2)?Carbamazepine/?L-690，330/?Lithium?氯化物（氯化鋰）：IMPase?抑制劑（即肌醇?monophosphatase，肌醇單磷酸酶）(3)?Earle's平衡鹽溶液：制造饑餓(4)?N-Acetyl-D-sphingosine（C2-神經(jīng)酰胺）：Class?I?pi3k?Pathway抑制劑(5)?Rapamycin：mTOR抑制劑(6)?Xestospongin?B/C：IP3R阻滯劑抑制劑(1)?3-甲基adenine（3-MA）：（Class?III?PI3K）?hVps34?抑制劑(2)?Bafilomycin?A1：質(zhì)子泵抑制劑(3)?Hydroxychloroquine（羥氯）：Lysosomal?lumen?alkalizer（溶酶體腔堿化劑）除了選用上述工具藥外，一般還需結(jié)合遺傳學(xué)技術(shù)對(duì)自噬相關(guān)基因進(jìn)行干預(yù)：包括反義核糖核酸干擾技術(shù)（Knockdown）、突變株篩選、外源基因?qū)?/a>等。觀察檢測(cè)細(xì)胞經(jīng)誘導(dǎo)或抑制后，需對(duì)自噬過程進(jìn)行觀察和檢測(cè)，常用的策略和技術(shù)有：1、觀察自噬體的形成由于自噬體屬于亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)，普通光鏡下看不到，因此，直接觀察自噬體需在透射電鏡下。Phagophore的特征為：新月狀或杯狀，雙層或多層膜，有包繞胞漿成分的趨勢(shì)。自噬體（AV1）的特征為：雙層或多層膜的液泡狀結(jié)構(gòu)，內(nèi)含胞漿成分，如線粒體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、核糖體等。自噬溶酶體（AV2）的特征為：單層膜，胞漿成分已降解。（autophagic?vacuole，AV）2、在熒光顯微鏡下采用GFP-LC3融合蛋白來示蹤自噬形成由于電鏡耗時(shí)長，不利于監(jiān)測(cè)（Monitoring）自噬形成，人們利用LC3在自噬形成過程中發(fā)生聚集的現(xiàn)象開發(fā)出了此技術(shù)。無自噬時(shí)，GFP-LC3融合蛋白彌散在胞漿中；自噬形成時(shí)，GFP-LC3融合蛋白轉(zhuǎn)位至自噬體膜，在熒光顯微鏡下形成多個(gè)明亮的綠色熒光斑點(diǎn)，一個(gè)斑點(diǎn)相當(dāng)于一個(gè)自噬體，可以通過計(jì)數(shù)來評(píng)價(jià)自噬活性的高低。3、利用Western?Blot檢測(cè)LC3-II/I比值的變化以評(píng)價(jià)自噬形成自噬形成時(shí)，胞漿型LC3（即LC3-I）會(huì)酶解掉一小段多肽，轉(zhuǎn)變?yōu)椋ㄗ允审w）膜型（即LC3-II），因此，LC3-II/I比值的大小可估計(jì)自噬水平的高低。（注意：LC3抗體對(duì)LC3-II有更高的親和力，會(huì)造成假陽性。方法2和3需結(jié)合使用，同時(shí)需考慮溶酶體活性的影響。）4、檢測(cè)長壽蛋白的批量降解：非特異5、MDC（Monodansylcadaverine，單丹磺尸胺）染色：包括自噬體，所有酸性液泡都被染色，故屬于非特異性的。6、CellTrackerTM?Green染色：主要用于雙染色，但其能染所有的液泡，故也屬于非特異性的。蛋白定位在研究自噬相關(guān)蛋白時(shí)，需對(duì)其進(jìn)行定位。由于自噬體與溶酶體、線粒體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、高爾基體關(guān)系密切，為了區(qū)別，常用到一些示蹤蛋白在熒光顯微鏡下來共定位：Lamp-2：溶酶體膜蛋白，可用于監(jiān)測(cè)自噬體與溶酶體融合。LysoTrackerTM?探針：有紅或藍(lán)色可選，顯示所有酸性液泡。pDsRed2-mito：載體，轉(zhuǎn)染后表達(dá)一個(gè)融合蛋白（紅色熒光蛋白+線粒體基質(zhì)定位信號(hào)），可用來檢測(cè)線粒體被自噬掉的程度（Mitophagy）。MitoTraker探針：特異性顯示活的線粒體，熒光在經(jīng)過固定后還能保留。Hsp60：定位與線粒體基質(zhì)，細(xì)胞死亡時(shí)不會(huì)被釋放。Calreticulin（鈣網(wǎng)織蛋白）：內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔
揭示機(jī)制
加利福尼亞大學(xué)-圣地亞哥分校的管坤良教授領(lǐng)導(dǎo)的一支研究團(tuán)隊(duì)揭示了調(diào)控細(xì)胞自噬的一個(gè)關(guān)鍵分子機(jī)制，研究人員發(fā)現(xiàn)，AMPK酶，不僅參與了細(xì)胞的傳感和能量調(diào)控，而且在細(xì)胞自噬酶作用方面，也扮演了重要角色。細(xì)胞自噬是細(xì)胞在惡劣條件下確保其生存的基本應(yīng)激反應(yīng)。研究人員發(fā)現(xiàn)，AMPK能以不同的方式，調(diào)控一種稱為Vps34激酶家族不同的配位化合物，一些Vps34酶參與了正常細(xì)胞的囊泡運(yùn)輸——細(xì)胞中一種重要的分子運(yùn)輸，還有一些Vps34復(fù)合物則參與了細(xì)胞自噬。管教授與其同事們發(fā)現(xiàn)，AMPK能抑制那些未參與細(xì)胞自噬的酶，而激活參與細(xì)胞自噬的Vps34酶。
重要意義
近年來科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，細(xì)胞自噬作用與生物發(fā)育以及許多人類疾病，如衰老、腫瘤、感染與免疫、心血管疾病、肌肉病變及神經(jīng)退化性疾病等密切相關(guān)。
應(yīng)該說細(xì)胞自噬受到熱捧的一個(gè)很重要原因就在于其與疾病的關(guān)聯(lián)，首當(dāng)其沖是衰老。
細(xì)胞自噬的典型特征是形成自噬體并呈遞給溶酶體，這一過程在蛋白質(zhì)和細(xì)胞器質(zhì)量控制中起基礎(chǔ)作用并維持了細(xì)胞能量的穩(wěn)態(tài)。一些研究表明，自噬與細(xì)胞衰老密切相關(guān)，參與蛋白酶和自噬相關(guān)調(diào)節(jié)的BAG蛋白家族中BAG3/BAG1比值在復(fù)制性衰老時(shí)增高，且BAG3在細(xì)胞衰老時(shí)能介導(dǎo)自噬的激活。研究還發(fā)現(xiàn)在Ras誘導(dǎo)的細(xì)胞衰老進(jìn)程中亦可觀察到較高的自噬活性。
其次是包括帕金森病在內(nèi)的一些神經(jīng)退行性疾病，2013年的一項(xiàng)研究就指出一種與細(xì)胞自噬作用相關(guān)的基因若出現(xiàn)異常，會(huì)導(dǎo)致一種罕見的腦病。這種罕見腦病被稱作“伴隨成人期神經(jīng)退行性變性的兒童期靜態(tài)腦病”(SENDA)，患者大腦萎縮并伴隨認(rèn)知障礙。
當(dāng)時(shí)參與研究的科學(xué)家指出，自噬作用的異常，比如負(fù)責(zé)運(yùn)送蛋白到溶酶體的自噬CMA過程出了問題，都有可能導(dǎo)致認(rèn)知障礙。
另外一大類就是與腫瘤的關(guān)系，近年來大量的研究表明，自噬與腫瘤的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)，許多調(diào)節(jié)自噬的藥物被用于臨床腫瘤治療的研究中。
雖然到目前為止激活細(xì)胞自噬來預(yù)防腫瘤發(fā)生的直接臨床依據(jù)稍顯不足，但自噬在腫瘤早期發(fā)生過程中的抑制作用已被廣泛證實(shí),?因此適當(dāng)?shù)靥岣呋A(chǔ)自噬水平可能成為未來腫瘤預(yù)防的重要措施。
榮獲諾貝爾獎(jiǎng)
斯德哥爾摩當(dāng)?shù)貢r(shí)間2016年9月3日中午11時(shí)30分，2016年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)授予日本分子細(xì)胞生物學(xué)家大隅良典（Yoshinori?Ohsumi），以表彰他發(fā)現(xiàn)了細(xì)胞自噬的機(jī)制。
大隅良典生于1945年，是東京工業(yè)大學(xué)教授、分子細(xì)胞生物學(xué)家。他將獲得今年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)的獎(jiǎng)金800萬瑞典克朗（約合93.33萬美元）。
參考資料 >