細胞自噬的歷史與展望

自噬研究的歷史

自噬autophagy一詞源自希臘語，在1963年由比利時生物化學家德迪夫（C. de Duve）針對在細胞中觀察到的自噬現象而命名。希臘語里，auto-意為自己，phagein意為吃掉，中文譯為自噬。自噬是指細胞對不必要或受損的細胞器進行吞噬、降解及再利用的過程，自噬過程既能發生在各種極端情況下以確保細胞存活，也存在於細胞的正常狀態下，以維持細胞的穩態平衡。

自噬現象最初由洛克菲勒研究所（Rockefeller Institute）的波特（K. R. Porter）和他的學生阿什福德（T. Ashford）於1962年報道，當時他們觀察到胰高血糖素刺激後，大鼠肝細胞中的溶酶體（lysosomes）增加，更有意思的是，在移動到細胞中心的一些溶酶體中檢測到來自其他細胞器如線粒體的成分。當時他們錯誤地以為這個現象只是溶酶體的形成過程，並不認為溶酶體是像線粒體一樣存在於細胞質中的細胞器，且將觀察到的水解酶理解為是由微體產生的。1963年，赫魯班（Z. Hruban）等報道了局部細胞質降解的超微結構，該報道參考了1955年德國科學家的損傷誘導融合模型，觀察到了從細胞質融合到生成溶酶體的三個連續步驟，並提出這個過程不僅由損傷階段誘發，而且在細胞分化的生理階段，同樣的過程也在「細胞器處置」和「細胞成分再利用」中行使功能。這篇報道引起了當時也在洛克菲勒研究所工作的德迪夫的興趣，與之前波特的看法不同，德迪夫把這種現象命名為自噬（autophagy），並提出在胰高血糖素引發的肝細胞降解過程中溶酶體發揮了功能。1967年德迪夫連續發表兩篇文章證實胰高血糖素誘發的自噬是由溶酶體介導的，他也由此成為第一位報道溶酶體參與細胞內自噬的科學家^[1]。1974年德迪夫因發現細胞內結構及功能性器官（溶酶體和過氧物酶體），與另外兩位科學家共享了該年度的諾貝爾生理學或醫學獎。

儘管自噬現象的命名人德迪夫成為諾獎獲得者，但在大隅良典開始他的酵母模型試驗之前，自噬並未得到生物學家的特別關注，因而幾乎沒有研究者再對其進行深入研究。

大隅良典的貢獻

大隅良典研究自噬既有其偶然性也有其必然性。1974—1977年他在洛克菲勒大學做博士後，而該大學的前身正是洛克菲勒研究所。當時他的主要課題並不是自噬，在主課題研究停滯不前的時候，他開始了在酵母中研究DNA複製這一副課題，由此，經過一段曲折的經歷，逐漸走上研究細胞自噬的道路，從1988年開始以酵母為模型研究自噬。雖然那時距離發現自噬現象已有20多年，但自噬並沒有引起科學界的足夠重視，似乎沒人對它感興趣。正如瑞士巴塞爾大學的哈爾教授（M. Hall）在接受採訪時說的，有關自噬的研究狀況可以概括為「波瀾不驚」，「基本上被認為是細胞中處理垃圾的系統」，「非特異性地降解垃圾而已」。

大隅良典在1992年發表了他在自噬領域的重要文章。首次報道了在酵母細胞囊泡中因養分缺乏而廣泛導致細胞質元件自噬性降解，更為重要的是，他因此能利用各種酵母突變體來確定和研究參與自噬過程的基因^[2]。經過上千個酵母突變體的篩選，大隅良典在第二年報道了15個對於自噬過程至關重要的基因^[3]。他的發現開啟了新的研究方向。從1992年起，包括大隅良典在內的多位科學家分別報道了自噬的相關基因，此後大家意識到自噬在細胞乃至機體存活中的重要意義，並進一步發現自噬在生理和病理上的重要作用，自噬研究成為熱點。大隅良典在接受諾獎採訪時也表示，在他剛研究自噬的時候，該領域每年僅有不足20篇文章出爐，而到了1990年代，酵母系統被廣泛應用於基因研究後，自噬領域的文章已超過5000篇。

2016年諾貝爾生理學或醫學獎揭曉時，大家先是驚訝於大隅良典一人獨得該獎項，因為其他在自噬領域做出過突出貢獻的學者，諸如德國格丁根大學醫學院生物化學家圖姆（M. Thum）和美國密歇根大學細胞生物學家克林奧斯蓋卻未被授獎。前者檢測到飢餓誘導的無選擇性自噬現象，而後者則發現了細胞質到囊泡的靶向通路（cytoplasm-to-vacuole targeting，CVT）。但綜合幾人的發現及其意義來看，如果只能在自噬研究領域選擇一人，則非大隅良典莫屬。

自噬的過程及其分子機制

1990年代後，隨著自噬被「重新發現」，關於自噬的研究也進入了新的階段。得益於分子生物學技術的發展，關於自噬的調節和執行機理研究已取得突破，至少33個自噬相關基因（autophagy-related genes，Atg）通過酵母基因篩選的方法被鑒定，其中很多基因在黏菌、植物、蠕蟲、果蠅和哺乳類動物中是保守的，再次證明高度保守的自噬過程是細胞最基礎的功能之一。

目前定義的自噬有三個類型，其各自的過程稍有不同：大自噬（macro-autophagy），由雙層膜結構的囊泡作為載體，包裹細胞質結構形成自噬體，然後與溶酶體融合形成自噬溶酶體並降解內容物；小自噬（micro-autophagy），由溶酶體的膜內陷，直接包裹細胞質元件並在其中降解；分子伴侶介導的自噬（chaperone-mediated autophagy，CMA），細胞內目標蛋白會被分子伴侶蛋白識別並構成複合體，之後被溶酶體膜上受體——溶酶體相關膜蛋白2A（lysosomal-associated membrane protein 2A，LAMP-2A）識別，轉運到溶酶體腔內被降解。三種自噬方式都是由溶酶體最終將細胞質元件降解，但分子伴侶介導的自噬在降解蛋白質時有選擇性，大自噬與小自噬則無明顯的選擇性^[4]。

自噬過程簡圖

在分子水平上，自噬是由自噬相關基因Atg執行並完成的，在自噬過程中有5個關鍵步驟。先是在多種信號通路調控下，自噬體的膜結構形成；此後Atg5-Atg12結合，與Atg16L相互作用在自噬體膜上形成多聚體；隨後微管相關蛋白輕鏈3（microtubule-associated protein light chain 3， LC3）處理並嵌入延伸的自噬體膜；延伸的膜結構捕獲隨機或目標蛋白質；最終，自噬體與溶酶體融合，由溶酶體內蛋白水解酶對蛋白質進行降解。

自噬的功能及應用

自噬在近些年得到越來越多的關注，不僅僅是因為發現自噬參與了人類眾多的生理機能，還因為自噬是很多疾病發生髮展的重要風險因子。誘導或抑制自噬，在疾病治療上可能有重要的作用。

自噬在細胞水平的多種功能最早是從酵母實驗中觀察到的。在飢餓環境下酵母細胞中的自噬水平明顯提高，這使得酵母能迅速將無用的蛋白質降解為氨基酸，從而合成細胞生存所必需的重要蛋白質。如果用基因突變的方法抑制酵母細胞的自噬水平，突變的酵母細胞則會在飢餓環境中迅速死亡，在飢餓環境下對蛋白質進行降解後再利用的過程中，自噬是必不可缺的。細胞水平的自噬機制在先天免疫中也起著很重要的作用，在感染細胞中刺激誘導產生的自噬有助於病原體的降解。在病毒感染過程中，細胞質中的自噬體會包被病毒並將其運輸至內吞體（endosomes），其中的Toll樣受體（TLR）會被激活，進而逐級引發信號通路，最終誘導細胞產生干擾素和其他抗病毒的細胞因子。由於自噬在蛋白降解過程中的重要作用，在微生物學中把感染微粒的自噬性降解稱為異體吞噬（xenophagy）。此外，自噬還會降解受損的細胞器、細胞膜以及蛋白質，在機體修復中起到重要作用。有實驗表明，失去自噬功能會導致細胞內損傷的累積以及細胞老化。在細胞程序性死亡（programmed cell death，PCD）中也觀察到自噬體的存在及自噬蛋白的作用^[5]，不過，目前對於自噬活動在程序性死亡細胞中的活動是導致細胞死亡的原因還是細胞存活的機制尚存在很大爭論，但非常確定的是，自噬在其中有重大作用。隨著對自噬在細胞水平上的功能認知的日益完善，科學家已經認可自噬是細胞質量控制的重要組成部分。

既然自噬在細胞水平的多種作用都是不可或缺的，它與人類的生存以及疾病的產生和發展的重要關聯也就不言而喻了。在營養學研究者看來，利用限制卡路里攝取來維持甚至激活自噬對於延長人類生命可能有很大作用。科研人員在線蟲、果蠅和小鼠中通過抑制自噬觀察到細胞代謝的壓力，而限制飲食很可能因自噬增加而減輕代謝的壓力。目前對於自噬有助於延壽的研究僅限於線蟲等低等動物，在哺乳動物，由於其研究的複雜性，目前暫無明確的結論。

在人體內，自噬不僅在維持靜息狀態下的內環境平衡起著不可缺少的作用，在體育鍛煉過程中對維持肌體的動態平衡也起著重要作用。當小鼠體內自噬被抑制的情況下，小鼠運動過程中糖代謝受限，耐力明顯下降。在骨骼肌中，存在一種特殊的分子伴侶相關的選擇性自噬（chaperone-assisted selective autophagy，CASA），CASA分子伴侶複合物識別骨骼肌中運動受損的細胞骨架元件並將其降解。這種特殊自噬過程對於維持肌肉活力是必需的。除了對肌肉穩態維持的作用，自噬在骨關節炎的病情發展中也有重要作用。研究發現，在小鼠和人類，隨著年齡的增加，關節軟骨和韌帶中自噬相關蛋白減少，關節中持續活躍的自噬也隨之降低。不僅如此，韌帶損傷也會導致自噬相關蛋白減少，提示結構性損傷也會導致自噬的降低^[6]。由此可推測，自噬在關節中起到了維持正常功能的保護作用。

癌症中的自噬也是自噬研究領域的一大熱點。目前對於自噬在癌症中的利害關係有很大爭議，即自噬是保護機體抑制腫瘤產生和增長，還是有助於癌細胞增殖並存活，但這兩方都承認自噬在癌症中的重要作用。支持前者觀點的實驗中，在雜合體小鼠中只具有一個拷貝的調節自噬的基因Beclin 1，小鼠更容易形成腫瘤，而過表達Beclin 1基因則明顯抑制腫瘤生長^[7]；支持後者觀點的實驗證據則是在癌症治療中抑制自噬，治療效果更為明顯。也許關於自噬在癌症中的作用與癌症本身的複雜性密不可分。但可以確定的是，把自噬作為癌症治療的藥物靶點在抗癌藥物的篩選中是很有意義的。目前無論是支持自噬抑制腫瘤產生的學派，還是支持自噬有助於癌細胞增殖的學派，都將調控自噬視為潛在的癌症治療藥物靶點。

近年來，線粒體疾病的研究也與自噬聯繫在了一起。神經退行性疾病帕金森病（Parkinson disease）的病因以往被認為是損傷的線粒體累積和蛋白質堆積，最終導致神經元退化。針對原發性帕金森病的研究表明，由於自噬功能受到抑制，受損線粒體會進一步加強細胞的氧化壓力，進而導致自噬抑制和細胞內蛋白質堆積，這些又都最終導致線粒體溶脹和去極化^[8]，由此可見，自噬與帕金森病的發病和發展是密切關聯的。

這裡必須指出，雖然自噬在疾病發生髮展中的作用非常重要，但自噬研究的直接應用價值尚未得以完全體現，後續的深入研究將有助於開發自噬對於人類健康的應用價值。

從大隅良典開拓細胞自噬研究領域以來，包括中國科學家在內的多國科學家都對闡述自噬的機制、自噬在生理和病理上的意義做出了非凡的貢獻。以發表自噬研究內容為主的期刊——《自噬》（Autophagy），其主編正是在自噬領域做出過突出貢獻的細胞生物學家德迪夫。可能連最初命名自噬的德迪夫都意想不到，自噬已不僅僅是細胞生物學研究中的一個重要內容，它開始向遺傳學、生理學、病理學等多學科領域拓展，自噬可以說是生物學研究的一個多學科課題。有理由相信，自噬研究不但讓我們對自噬相關疾病發生和發展的機制有更深的認識，也將提供我們更好的攻克癌症、感染、甚至神經退行性疾病等的對策。

劉晗，博士後；戚昀，副研究員；林鑫華，教授，所長：復旦大學生命科學學院遺傳學研究所，遺傳工程國家重點實驗室，遺傳與發育協同創新中心，上海 200438。xlin@fudan.edu.cn