自噬

常见的自噬过程包括巨自噬、微自噬和分子伴侣介导的自噬。巨自噬又可以进一步细分为非选择性自噬和选择性自噬。^[1]选择性自噬是细胞器的自噬，如线粒体自噬、过氧化物酶体自噬、脂质自噬、叶绿体自噬、核糖体自噬等。^[1]

1.1 巨自噬

巨自噬（Macroautophagy）是细胞清除受损细胞器和无用蛋白的主要途径。在这一过程中，细胞接受自噬诱导信号后，在细胞质中首先形成一个个小的类似双层脂质体的吞噬泡（phagophore），然后吞噬泡不断延伸，并将受损细胞器或蛋白包裹起来，形成自噬体（autophagosome）。自噬体在细胞质中被转运至溶酶体并最终与溶酶体融合，在溶酶体的酸性环境中，自噬体里的物质被各种酶降解。^[2]自噬的分子信号通路大致可以分为五个阶段^[1]：

1. 吞噬泡的形成：在酵母中，吞噬泡的形成需要Atg1和Atg13形成复合体，而这一复合体的形成受能量感受蛋白TOR激酶调控。当细胞养分充足时，TOR激酶会活化并催化Atg13磷酸化，使其无法与Atg1形成复合体，阻止吞噬泡的形成。相反，当细胞饥饿或缺氧时，TOR激酶失去活性，未被磷酸化的Atg13和Atg1形成复合体，该复合体促使吞噬泡形成和扩展。在哺乳动物中，Ulk-1或Ulk-2取代Atg1的功能，但其他机理尚有许多不明确之处。^[1]

在哺乳动物中，一个更清楚的调控吞噬泡形成的通路是Beclin-1/Vps34通路。一些上游的分子信号（如Bcl-2）通过调控Beclin-1的活性，控制Beclin-1和Vps34结合。Vps34是一种PI-3激酶，被激活后产生PI3P，而PI3P对吞噬泡的延伸和招募其他组建吞噬泡的蛋白非常重要。^[1]

2. Atg5-Atg12结合，与Atg16L相互作用并在吞噬泡表面形成多聚体：Atg5和Atg12结合的过程是不依赖自噬活化信号的，但这个过程对下一步（活化LC3）非常关键。首先，Atg12被Atg7活化，然后转移至Atg10，由Atg10催化活化后的Atg12与Atg5结合，并招募Atg16L，形成一个三分子复合体。由于Atg5-Atg12-Atg16L复合体的形成不依赖自噬活化信号，加上自噬体形成后该复合体解离并从膜表面脱落，一般很少用Atg5-Atg12作为自噬的标志物。^[1] 

3. LC3活化并插入吞噬泡膜：LC3（在酵母中为Atg8）是一种微管相关蛋白，平时以全长形式广泛分布于细胞质中。当自噬信号出现时，LC3的C端氨基酸先被Atg4移除，然后被Atg7活化，成为LC3-I。在Atg3的介导下，LC3-I最终在上文中提到的Atg5-Atg12-Atg16L复合物催化下，连接上一个磷脂酰乙醇胺分子，使其可以插入吞噬泡膜中，成为铆定的的LC3-II。LC3-II在促进吞噬泡与待降解细胞器的膜融合，以及识别待降解细胞器中扮演了重要的角色。^[1]由于LC3-II的形成是依赖活化信号的，所以荧光标识的LC3已被广泛用作自噬小体形成的生物标记。^[2]需要注意的是，在哺乳动物中，LC3有三种亚型（LC3A, LC3B, LC3C），但只有LC3B-II与吞噬泡增加有关，故而宜使用anti-LC3B抗体标记LC3。^[3]另外，从前有人认为，LC3-II和LC3-I的比例可以作为衡量自噬活跃程度的指标，但现在普遍认为，只需测定LC3-II的表达即可反映自噬活跃程度。^[3]

4. 吞噬泡随机或选择性地捕获待降解目标：LC3活化后，吞噬泡向内弯曲并包围待降解物。这个过程可以是非选择性的，即细胞在饥饿等信号刺激下随机回收一部分蛋白来提供能量。^[4]但越来越多的证据表明，正常细胞也可以对受损细胞器和错误折叠的蛋白选择性自噬并降解，以维持细胞内部的健康。当细胞器受损时，待降解物表面生成可以与LC3B-II结合的配体分子，从而引导吞噬泡选择性包裹该物体，形成自噬体。^[5]

5. 自噬体与溶酶体融合，并由溶酶体降解其中的物质：最后，自噬体借助微管等细胞骨架移动至溶酶体，并与溶酶体融合。这一过程亦受到许多蛋白的调控。^[6]溶酶体中的酶随后将自噬体内容物降解。 

1.2 微自噬

微自噬（Microautophagy）是溶酶体（在酵母和植物中为液泡）直接向内弯曲折叠，包裹胞内物质并降解的过程。大多数微自噬过程都是非选择性的。饥饿、缺乏氮源或雷帕霉素处理可以诱发细胞出现微自噬。^[7]微自噬在运输胞内物质、维持胞内稳态以及增强细胞对饥饿的耐受能力方面有许多功能。例如，由脂质降解引发的微自噬可以调节溶酶体膜的脂质构成，微自噬也可以起到将糖原运输到溶酶体中的作用。^[8]

1.3 分子伴侣介导的自噬

除了巨自噬和微自噬，分子伴侣介导的自噬（Chaperone-mediated Autophagy）是细胞降解和回收蛋白质的另一种方式。在这一过程中，特定蛋白（如错误折叠的蛋白）首先被分子伴侣（如hsc70）识别和标记，然后一起被溶酶体表面的受体蛋白（如LAMP-2A）识别，继而直接转运至溶酶体内部并被消化。^[9]分子伴侣介导的自噬发生在很多组织器官中，其主要功能包括长期饥饿时为细胞供能，调节代谢通路，清除无用蛋白质，帮助T细胞活化等。^[10][11][12]

2.1 循环利用降解产物

在正常情况或短时间的饥饿状态下，细胞内的蛋白质主要通过泛素化蛋白酶系统降解为氨基酸。但数小时以上的饥饿后，自噬被活化并将蛋白质降解为氨基酸。关于这些氨基酸的用途，主要有三种途径^[13]：

1. 在长时间的饥饿后，动物体内储存的糖类（如糖原）被消耗殆尽。此时，血糖主要依赖肝脏中发生的糖异生，即非糖类物质（如氨基酸）转化为葡萄糖的生理过程。自噬可以为这一过程提供一部分氨基酸。
2. 自噬提供的氨基酸也可以借由三羧酸循环直接被用作细胞的能量来源。
3. 在饥饿时，细胞中的一些通路会被另一些通路所取代。自噬可以降解不需要的代谢通路中的蛋白质，以将这些氨基酸用于新的通路中。

2.2 清除垃圾

自噬的另一大功能是清除细胞内受损的细胞器或错误折叠的蛋白质。有时候自噬也会清除一些多余的细胞器（如过氧化物酶体）。

自噬在清除垃圾方面的功能使自噬成为许多疾病的潜在治疗靶点。已经有研究表明，自噬被抑制会导致不正常的蛋白质和细胞器在肝脏、神经细胞和肌肉细胞中累积。例如，在阿尔茨海默症中，可以观察到大量的自噬体，这可能与该疾病中累积的淀粉样蛋白变性有关。而在一些神经退行性变（如帕金森症、亨廷顿氏舞蹈症）的动物模型中，用TOR激酶抑制剂来模拟饥饿信号以增强自噬，可以减少致病的α-突触核蛋白积累，并延缓症状出现。^[2][13]

2.3 胞内物质的运输

除了降解方面的功能，自噬本身也是一种将胞内物质运输到溶酶体中的手段。这一过程对非特异性免疫很重要，因为许多非特异性免疫受体（如TLR3、TLR7、TLR8、TLR9）都分布在溶酶体内表面。以往认为，外源的免疫原性物质往往通过胞吞作用进入溶酶体，而现在发现，细胞质中的免疫原性物质（如病毒RNA）也可以通过自噬被运送至溶酶体，然后与TLR相互作用。^[13]自噬在这方面的功能被认为与一些自身免疫性疾病的发生或进展有关。^[3]

3.1 神经退行性疾病

在阿尔茨海默症（老年痴呆症，Alzheimer's Disease, AD）中，可在病变神经细胞中观察到大量自噬体的累积。这一方面可能意味着在AD中，淀粉样蛋白或Tau蛋白的产生过多，导致细胞不得不提高自噬水平，但另一方面，自噬功能异常也有可能是至少一部分AD的原因。现有的研究表明，一种叫PS1/PS2的蛋白发生突变可以导致一种常染色体显性的家族遗传性AD。对该蛋白功能的研究表明，除了直接参与淀粉样蛋白的生成以外，PS1的一个很重要的功能是维持溶酶体内部的酸性环境。由于自噬体不和pH异常的溶酶体发生融合，大量无法融合的自噬体在细胞质中累积，进一步影响了淀粉样蛋白等错误蛋白的清除，加速了AD的发生。^[14]

另一个可能的通路是，在AD中Caspase-3过度活化，导致自噬信号通路中的关键蛋白Beclin-1被降解，扰乱了吞噬泡的形成。Beclin-1被敲除的小鼠表现出与人类AD类似的症状，支持了这一论点。除此以外，还有很多种可能通过干扰自噬导致AD发生的解释，截至目前，自噬在AD中所扮演的角色和重要性仍是一个有争议的问题。^[14]

另一种常见的神经退行性疾病——帕金森病（Parkinson's Disease, PD），也被发现与自噬异常之间存在某种联系。在PD中，α-突触核蛋白的累积被认为是一个标志性事件。除了其他方面的影响，α-突触核蛋白可以导致一种自噬相关蛋白——Atg9定位异常，从而阻止自噬的正常发生。另外，在一些家族遗传性PD中，负责引发线粒体自噬的关键蛋白Parkin和PINK1发生突变，导致线粒体自噬受阻，而在小鼠实验中过表达Parkin则可提高对有毒蛋白的清除。^[14]

除此之外，自噬受阻可能在渐冻人症（脊髓侧索硬化）、亨廷顿舞蹈症以及其他神经退行性疾病的病理过程中起到了一定作用。^[14]

3.2 肿瘤

自噬在肿瘤发生的不同阶段扮演了完全不同的角色。作为正常细胞生命活动所必需的一种过程，自噬水平低下可导致细胞癌变。例如，在胃癌和结肠癌等肿瘤细胞中，经常可观察到和Beclin-1密切相关的蛋白BIF-1突变或缺失，而Beclin-1是自噬信号通路中的一种关键蛋白。在小鼠模型中，敲除自噬相关蛋白Atg7和Atg5可诱发肝癌。进一步研究表明，自噬可以清除受损线粒体，从而避免受损线粒体产生大量活性氧（Reactive Oxygen Species, ROS），而活性氧可以对DNA等遗传物质造成损伤进而致癌。^[15]从这个角度来说，在一些肿瘤发生的早期，促进自噬可能是一条可行的抗肿瘤途径。^[16][17]

另一方面，在晚期肿瘤中，自噬又对肿瘤起到了促进作用。由于肿瘤细胞生长迅速，晚期肿瘤细胞所处的微环境一般都比较恶劣，往往处于缺氧和缺乏营养物质的环境中。这些肿瘤细胞通过自噬来提供能量或氨基酸以继续存活。另外，一些肿瘤对化疗药物的耐药性也与自噬上调有关。^[15]

3.3 自身免疫病

由于自噬在胞内物质运输方面的功能，自噬在抗原提呈等免疫过程中有重要作用。自噬功能的紊乱已被发现与许多自身免疫病相关，如系统性红斑狼疮（Systematic Lupus Erythematous, SLE），克罗恩病等。

系统性红斑狼疮是一类高度异质的自身免疫病的总称，其主要特点为大量抗DNA/RNA自身抗体的出现。这些过量的抗DNA/RNA抗体的出现有很多种可能的解释，其中一种可能的原因是，细胞内部清除垃圾DNA/RNA的自噬途径受阻，导致大量垃圾DNA/RNA累积，直至超过了免疫系统对自身抗原的耐受阈值。对SLE患者的基因多态性分析表明，有一部分患者中Atg5和Atg7产生突变，提示自噬紊乱作为SLE的一种病因的可能性。另一方面，在SLE患者的T细胞中，可观测到自噬普遍上调，这可能是大量免疫原性物质刺激的结果而非原因。很多临床上用于治疗SLE的药物都有抑制自噬的作用，例如羟氯喹。这些药物的治疗作用，可能有一部分是通过直接抑制树突状细胞中的自噬来影响自身抗原提呈来实现的。^[18]

克罗恩病（Crohn's Disease）是一种自身免疫性肠道疾病。对克罗恩病患者的基因多态性分析表明，自噬相关蛋白Atg16L1在白人中与本病有较高的关联性。虽然目前对Atg16L1的具体致病机理尚不明确，但在细胞实验中，缺乏Atg16L1的巨噬细胞会在脂多糖的刺激下产生大量炎症因子IL-1b和IL-18。动物实验表明，Atg16L1敲除的小鼠在喂食环糊精硫酸钠后对急性肠炎高度易感，也提示Atg16L1缺失是自身免疫性肠炎的一个可能原因。^[18]

此外，自噬紊乱也可能在类风湿性关节炎、多发性硬化等其他自身免疫病的发生中起到一定作用。^[18]

自噬的信号通路非常复杂，有很多蛋白都可作为调控自噬的靶点，并针对其开发药物。按照对自噬功能的影响，这些分子大体可分为自噬促进剂和自噬抑制剂两类。

自噬促进剂一般通过模拟饥饿或营养缺乏来实现对自噬的刺激作用。这一类分子最常见的是TOR激酶（mTOR）抑制剂。由于mTOR是细胞中主要的能量感受器，抑制mTOR相当于模拟细胞饥饿时的状态。如前文中的机理所述，抑制mTOR会解除Atg13的磷酸化，进而激活自噬。有几种mTOR抑制剂已经进入市场，例如雷帕霉素（Rapamycin, 又称西罗莫司Sirolimus）、依维莫司（Everolimus）和索拉非尼（Sorafenib）。^[19]

药物分子的自噬促进作用可以是其治疗某种疾病的功效所在，例如雷帕霉素在治疗克罗恩病等场合进入临床应用，其功能可能有一部分是通过促进自噬来实现的。^[20]但另一方面，由于自噬对癌细胞的保护作用，某些药物促进自噬的作用可能导致癌细胞对其出现耐药性。例如，依维莫司和索拉菲尼作为新型抗癌药，其化疗效果主要是通过抑制mTOR来抑制肿瘤细胞过于活跃的代谢，但抑制mTOR导致的自噬上调会抵消一部分该药物的杀伤力。又例如，表皮生长因子受体（EGFR）抑制剂，如厄洛替尼（Erotinib），是一类新型靶向抗癌药物，但抑制EGFR也可诱导自噬上调，从而导致肿瘤出现耐药。针对这一问题，已有临床试验将依维莫司/索拉菲尼/厄洛替尼与自噬抑制剂联用，以达到最大化药效的目的。^[21]

自噬抑制剂可以通过抑制自噬通路中的某种蛋白来实现抑制自噬，也可以通过直接扰乱溶酶体功能来抑制自噬，因为溶酶体是自噬完成的关键场所。氯喹和羟氯喹是两种临床中常用的药物，最早它们被用于治疗疟疾，后来又发现其对SLE等病有效，它们都是通过降低溶酶体酸性、扰乱溶酶体功能来抑制自噬的。^[19]这些分子现在也在临床实验中与化疗药物联用以降低耐药性。^[21]

虽然自噬促进剂和自噬抑制剂在临床应用中有广阔的前景，但很多分子存在特异性不足的问题，限制了它们的实际应用。^[22]例如，mTOR作为细胞中的一个重要的能量感受器，调控自噬只是其下游众多信号通路中的一个，故而，旨在改变自噬水平的mTOR抑制剂/激动剂，存在许多可能不利于总体疗效的副作用，这限制了雷帕霉素在治疗神经退行性疾病中的应用。^[19]又例如，氯喹或羟氯喹可以通过扰乱溶酶体功能抑制自噬，增强化疗药物的作用，但其免疫抑制作用有可能不利于总体的抗癌效果。^[23]

解决特异性不足的一个未来的研究方向，是针对特异性更高的靶点（即该蛋白只存在于自噬通路中）开发抑制剂/激动剂。^[22]另外，针对系统性的脱靶效应，可以通过靶向递送的方式将脱靶效应降至最低，例如将自噬抑制剂与化疗药物连接在同一个靶向到肿瘤的药物载体上，使其只影响肿瘤中的自噬水平而不干扰免疫系统。^[24][25]