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细胞自噬的概念和基本过程

细胞自噬的概念和基本过程


瑞典卡罗琳斯卡医学院于北京时间10月3号17:30分,在首都斯德哥尔摩公布了2016年诺贝尔生理学或医学奖获奖者。日本科学家大隅良典(Yoshinori Ohsumi)因「自噬作用」的研究获2016诺贝尔生理学或医学奖。


什么是细胞自噬?细胞自噬的概念和基本过程是什么?下面让我带您一探究竟!


细胞自噬的发现

比利时科学家Christian de Duve在上世纪50年代通过电镜观察到自噬体(autophagosome)结构,并且在1963年溶酶体国际会议(CIBA Foundation Symposium onLysosomes)上首先提出了「自噬」这种说法。因此ChristiandeDuve被公认为自噬研究的鼻祖。Christian de Duve也因发现溶酶体,于1974年获得诺贝尔奖。

分类

目前根据发生过程分为三类:Macroautophagy,Microautophagy和Chaperone-mediated autophagy(CMA),通常说的自噬泛指Macroautophagy,以下若无特殊说明都指第一类。


概念和基本过程

自噬是细胞内的一种「自食(Self-eating)」的现象,凋亡是「自杀(Self-killing)」的现象,二者共用相同的刺激因素和调节蛋白,但是诱发阈值和门槛不同,如何转换和协调目前还不清楚。自噬是指膜(目前来源还有争议,大部分表现为双层膜,有时多层或单层,)包裹部分胞质和细胞内需降解的细胞器、蛋白质等形成自噬体(autophagosome),并与内涵体(endosome)形成所谓的自噬内涵体(amphisomes),最后与溶酶体融合形成自噬溶酶体(autophagolysosome),降解其所包裹的内容物,以实现细胞稳态和细胞器的更新。


细胞自噬概念和基本过程

基因

自噬基因(autophagy-relatedgene,ATG)的克隆始于酵母(yeast)。第一个酵母自噬基因(ATG)于1997年被日本科学家YoshinoriOhsumi小组克隆,命名为Atg1,文章发表在《Gene》上。第一个哺乳动物自噬基因于1998年被美国科学家Beth Levine小组克隆,命名为Beclin1,发表在《J Virol》上,第一作者为Xiao Huan Liang。截止到2010年9月已经克隆34个ATG基因。

功能

目前普遍认为自噬是一种防御和应激调控机制。细胞可以通过自噬和溶酶体,消除、降解和消化受损、变性、衰老和失去功能的细胞、细胞器和变性蛋白质与核酸等生物大分子。为细胞的重建、再生和修复提供必须原料,实现细胞的再循环和再利用。它既是体内的「垃圾处理厂」,也是「废品回收站」;它既可以抵御病原体的入侵,又可保卫细胞免受细胞内毒物的损伤。因此一般说来,凋亡是程序化细胞死亡,自噬是程序化细胞存活。但是过多或过少的自噬却危害细胞。某些情况下,自噬可引起细胞死亡,因此早期一些文献也称自噬为Ⅱ型程序性细胞死亡,但现在已经名不副实。

检测方法

检测金标准是通过电镜看到膜状结构的自噬体以及其他相关亚细胞结构。文献最常用的方法是蛋白印迹检测自噬标志物LC3的转换(LC3-II/LC3-I)以及荧光显微镜检测LC3点状聚集物的形成。由于LC3本身也最终经溶酶体降解,因此需要结合一些溶酶体抑制剂使用联合检测。此外,2009年的一篇Nature文章证实了非LC3依赖性途径的自噬。


研究热点

目前最前沿的三个领域是:1)自噬体膜的来源问题;2)细胞器自噬,特别是线粒体自噬(mitophagy),3)Beclin1复合物的形成和调控蛋白以及mTOR信号通路在自噬中的作用。

自噬体膜的来源问题, 细胞器自噬, 特别是线粒体自噬, mitophagy, Beclin1复合物的形成和调控蛋白以及mTOR信号通路在自噬中的作用

疾病模型

自噬在机体的免疫、感染、炎症、肿瘤、心血管病、神经退行性病的发病中具有十分重要的作用。目前研究最热的三类疾病是肿瘤、神经退行性疾病和免疫性疾病。其中在肿瘤的作用争论最大,是一把双刃剑。主要表现自噬基因敲除的动物自发肿瘤增多,相反自噬基因敲除后,增加了化疗、放疗、免疫治疗的敏感性。

目前顶尖期刊曝光率比较高的文章主要来自下列5位科学家领导的研究小组。

1)YoshinoriOhsumi博士。日本科学家,克隆了第一个酵母自噬基因Atg1以及LC3,主要成果在酵母模型下自噬研究;

2)Daniel J. Klionsky博士。美国科学家,主要成果在酵母模型的自噬研究。最早在《Science》上发表综述介绍自噬,2005年创办了第一本自噬杂志《Autophagy》(http://www.landesbioscience.com/journals/autophagy/),2007年举办了第一次自噬国际会议,为自噬的宣传做了大量工作。

3)Noboru Mizushima博士。日本科学家,2001年主要报道了Atg5的功能,被认为是哺乳动物分子机制研究的第一环,以及参与克隆自噬标志物LC3,而且制备了一些ATG基因敲除老鼠以及LC3转基因老鼠,有可能获诺贝尔奖;

4)Beth Levine博士。美国科学家,首先克隆了第一个哺乳动物自噬基因Beclin 1;

5)Guido Kroemer博士。法国科学家,是细胞凋亡和死亡领域中引用率第一的科学家。在细胞凋亡研究中作出了卓越贡献而且涉猎及其广泛。目前也从事自噬研究,例如p53,Bcl2家族与细胞自噬。

6)Tamotsu Yoshimori博士。日本科学家,2000年克隆了目前广泛使用的自噬标志物LC3文章的通讯作者,而且也参与了2010年ATG5机制研究,是通讯作者之一。在方法学上也有关键贡献。目前主要研究ATG14和ATG16。有可能获诺贝尔奖。

值得注意的是,上述三位日本科学家合作紧密,克隆了目前大部分的 ATG 基因,经常共享文章通讯作者。

7)Patrice Codogno博士。法国科学家,2000年首先证实了PI3K信号通路在自噬的作用,I型抗自噬,III型促自噬,是自噬信号通路的开拓者。

8)Ana Maria Cuervo博士。美国科学家,是分子伴侣自噬的开拓者。

9)David Rubinsztein博士。英国科学家,2004年首次报道了mTOR与自噬的关系,抑制mTOR促进自噬。目前利用rapamycin诱导自噬成为经典模型之一。2010年Nature的报道首次证实了自噬对mTOR的负反馈调节。

总之上述这些人领衔人控制这个领域,形成了领域效应;他们定义和修正自噬相关概念并且引领这个领域。经常关注他们的综述,你能及时了解细胞自噬整个领域的进展。

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