第一节　自噬概述

“自噬”（autophagy，auto：self；phagein：eating）一词来源于Christian De Duve观察到胰高血糖素处理的大鼠肝脏中形成的自噬泡。自噬是一种在真核生物普遍存在的生物学过程，一种进化上保守的细胞内自我消化机制，通过溶酶体降解细胞内病原体、错误折叠的蛋白质以及功能失调的细胞器或衰老的细胞器、蛋白质，从而调节长寿蛋白、大分子（包括脂质）、细胞器以及细胞的稳态。在自噬过程中，这些物质被自噬体的双膜囊泡包裹，最终与溶酶体融合形成自噬溶酶体，降解产物如氨基酸、脂质、碳水化合物等被再循环利用。

目前认为自噬有三种主要类型：巨自噬（macroautophagy）、微自噬（microautophagy）和分子伴侣介导自噬（chaperone-mediated autophagy，CMA）。巨自噬指双膜囊泡吞噬蛋白质、细胞器并运送至溶酶体降解的生物学过程。巨自噬过程中，自噬体沿微管移动，然后与溶酶体融合，形成自噬溶酶体，溶酶体降解产物（包括氨基酸、脂质等）被循环利用，从而减少蛋白质以及细胞器合成中对能量以及底物的需求。因此，巨自噬有助于维持细胞能量平衡以及细胞内组分的代谢与更新。而微自噬不需要形成自噬体，而是通过溶酶体膜的内陷直接吞噬。而CMA是哺乳动物细胞独有的，由分子伴侣热休克同源物70（70kDa heat shock cognate，HSC70）引导，选择性识别并结合含有KFERQ五肽序列的胞质蛋白，然后将伴侣结合的蛋白质转运至溶酶体，被溶酶体相关膜蛋白2a型（lysosome-associated membrane protein 2a，LAMP2a）受体识别，LAMP2a蛋白质寡聚化并发生膜转位，底物分子内化并在溶酶体腔内降解。CMA与巨自噬、微自噬之间的关键区别在于CMA有底物特异性。除了这三种经典自噬外，还有一些特殊形式的选择性自噬，包括线粒体自噬、铁自噬和分泌性自噬等。

采用酵母突变体技术已发现超过30个自噬相关基因（autophagy related gene，Atg），并且已在高等真核生物中鉴定出多个Atg同源基因。研究表明酵母中存在6个Atg蛋白复合物：Atg1蛋白激酶复合物、Atg-PE、Atg2-Atg18、Atg16-Atg5-Atg12复合物，Atg14磷脂酰肌醇3-激酶（PtdIns3K）复合物和ATG9及相关蛋白，这些复合物分别参与囊泡激活、成核、延伸和成熟，介导自噬体的形成。其中Atg1蛋白激酶复合物与Atg13、Atg101及200kDa的黏着斑激酶家族（focal adhesion kinase family interacting protein of 200kDa，FIP200）相互作用，PtdIns3K复合物募集自噬特异性蛋白Beclin 1（哺乳动物中酵母Atg6的同源物）、P150/Vps15、Atg14L或Ambra1。Atg1蛋白激酶复合物和PtdIns3K复合物介导特定蛋白质募集形成新的自噬体膜，在自噬体的形成过程中起着关键作用；Atg16-Atg5-Atg12的泛素样系统和涉及微管相关蛋白1轻链3（microtubule-associated protein 1 light chain3，MAP1LC3/Atg8/LC3）的泛素样系统介导自噬体膜的延伸，然后成熟的自噬体在动力蛋白复合物的作用下沿着微管运动并与溶酶体融合。早期自噬障碍表现为LC3-Ⅱ减少，细胞内P62水平升高。晚期自噬障碍由于自噬体-溶酶体融合或内含物不能被溶酶体内的酸性蛋白酶降解，无法清除自噬体并降解P62，表现为细胞中LC3-Ⅱ和P62均增加。

在哺乳动物中，高度保守的哺乳动物西罗莫司靶蛋白（mammalian target of rapamycin，mTOR）信号对氨基酸、应激、氧气、能量水平和生长因子的变化敏感，在维持细胞稳态中起着重要的作用。mTOR复合物1（mTORC1）与ULK1-Atg13-FIP200三聚体复合物直接作用，对巨自噬的调节起着关键作用。mTORC1还通过直接调节P73和转录因子EB（transcription factors EB，TFEB）转录，抑制Atg7等自噬蛋白的表达。mTORC1还可通过调节TFE3和ZKSCAN3转录因子抑制溶酶体生物发生。此外，mTORC1直接损害溶酶体腔酸化所需的溶酶体蛋白的活性，如质子泵vATPase65，从而影响溶酶体功能和自噬溶酶体的融合过程，即自噬流。在营养丰富的条件下，激活mTORC1并通过磷酸化修饰unc-51样激酶1（ULK1）的Ser757，阻止其与AMP活化蛋白激酶（adenosine 5′-monophosphate-activated protein kinase，AMPK）的相互作用而抑制巨自噬。此外，死亡相关蛋白激酶（death associated protein，DAPK）（一种受钙调蛋白调节的Ser/Thr激酶也是巨自噬的一个重要调节蛋白，DAPK通过磷酸化修饰Beclin 1的Thr119，从而阻止Beclin 1与Bcl-2的结合，激活巨自噬；DAPK shRNA降低LC3-Ⅱ/LC3-Ⅰ值，抑制氧化应激诱导的巨自噬。

CMA的一个显著特征是选择性地识别底物、降解单个胞质蛋白，CMA特异性降解具有独特五肽基序（KFERQ样）的靶蛋白。CMA另一个独特方面是溶酶体内的LAMP2a和腔HSC70组成的易位复合物（lys-HSC70），通过LAMP2a受体将底物蛋白直接转移到溶酶体腔中，而不需要任何细胞溶质囊泡（自噬体）。CMA活性的限速步骤是底物与LAMP2a的结合；HSC70中的赖氨酸（lysine，Lys）是维持CMA活性的必需氨基酸残基，Lys缺失或突变抑制CMA功能。CMA主要通过回收受损蛋白质来维持细胞质量稳态，并通过回收由多余蛋白质降解产生的氨基酸来维持细胞能量稳态。研究表明，与巨自噬相似，营养压力可导致CMA活性增加，这与Lys-HSC70和LAMP2a水平升高有关。巨自噬在饥饿4~6h内被激活，然后逐渐减少。巨自噬的减少与CMA活化增加同时发生，CMA活化仅在长时间饥饿后发生，在24h达到最大活性。研究认为，长时间饥饿期间产生的酮体可能是CMA活化所需信号。

线粒体自噬是一种选择性的巨自噬形式，自噬体选择性地靶向降解受损的线粒体，从而维持细胞稳态。全基因组筛选的结果表明Atg32是线粒体自噬的关键调节因子，Atg32缺失导致线粒体自噬丧失，而对巨自噬没有明显影响。另一个与线粒体自噬密切相关的途径包括线粒体蛋白PTEN基因诱导的假定激酶1（PTEN induced putative kinase 1，PINK1）及其E3连接酶Parkin。在正常情况下，PINK1迅速降解；然而，在受损或去极化的线粒体上PINK1稳定，从而有利于Parkin的活化。除PINK1-Parkin信号通路外，其他一些调节因子，如线粒体膜蛋白FUNDC1（FUN14 domain containing 1），促凋亡蛋白如NIX和Bcl-2/腺病毒E1B相互作用蛋白3（Bcl-2/adenovirus E1B 19kDa protein-interacting protein 3，BNIP3），以及巨自噬蛋白ULK1和Atg7，也介导线粒体降解。