细胞死亡&细胞功能：细胞自噬【Autophagy】

一、细胞自噬的介绍

autophagy又叫做Ⅱ型程序性细胞死亡,是指细胞利用溶酶体降解、选择性地清除自身受损、衰老或过剩的生物大分子和细胞器，释放出游离小分子供细胞回收利用的正常动态生命过程。自噬被认为是机体的一种自我保护机制。

二、细胞自噬的三种形式

                                                       

三 、细胞自噬信号通路图

巨自噬，通常也称作自噬，是一种催化过程，导致细胞浆主要内容物的自噬性溶酶体降解、异常蛋白聚集和细胞器过剩或受损。营养不足的状态通常会激活自噬，但自噬也与许多生理和病理过程有关，比如发育、分化、神经退行性疾病、应激、感染以及癌症。mTOR 激酶是诱导自噬的重要调节分子，激活的 mTOR（Akt 和 MAPK 信号转导）可抑制自噬，而 mTOR（AMPK 和 p53 信号转导）的负性调节则促进自噬。三种相关的丝氨酸/苏氨酸激酶，UNC-51-激酶-1、-2 和 -3 (ULK1、ULK2、UKL3)，与酵母 Atg1 具有同样的作用，可作为 mTOR 复合体的下游。ULK1、ULK2 与一种自噬相关 (Atg) 基因产物 (mAtg13) 的哺乳动物同源体，以及骨架蛋白FIP200 与酵母 Atg17 直接同源）共同形成一个较大的复合体。III 级 PI3K 复合体，包含 hVps34、 Beclin-1（酵母 Atg6的一种哺乳动物同源体）、 p150（酵母 Vps15的一种哺乳动物同 源体）以及 Atg14 样蛋白 (Atg14L 或 Barkor) 或抗紫外辐射相关基因(UVRAG),为诱导自噬 所必须。

线粒体自噬是一种选择性自噬过程，可特异性地从细胞移除受损或不需要的线粒体部分。PINK 蛋白在健康状态下通过 PARL 的作用持续降解，而在线粒体损伤时，PINK 稳定并招募 E3 连接酶 Parkin ，以启动自噬。线粒体膜蛋白通过 Parkin 的多聚泛素化作用导致自噬连接蛋白 SQSTM1/p62、NBR1 和 Ambra1 聚集，并通过 LC3-作用区域 (LIR) 结合到 LC3上。另外，BNIP3 和 BNIP3L/NIX 也含有 LIRs，可通过非泛素化机制直接聚集自噬机制因素，从而在某些细胞类型中诱导自噬体的形成。

                                                               

                                                             细胞自噬相关抗体                             细胞自噬相关化合物

 

四、细胞自噬重要基因:Atg

Atg 基因通过 Atg12-Atg5 以及 LC3-II (Atg8-II) 复合体，控制自噬体的形成。Atg12 通过一个需要 Atg7 和 Atg10（分别对应 E1 和 E2 样酶）参与的泛素样反应，结合到 Atg5，Atg12-Atg5 接合后，与 Atg16 通过非共价相互作用形成一个大复合体。LC3/Atg8被Atg4 蛋白酶在羧基端剪切后产生胞质 LC3-I。LC3-I 也是通过一个需要 Atg7 和 Atg3（分别对应 E1 和 E2 样酶）参与的泛素样反应，结合到磷脂酰乙醇胺 (PE)。脂质化形式的 LC3，也称作 LC3-II，附着到自噬体的膜上。自噬与凋亡可以正向也可以负向连接，两种过程之间存在大量的交互作用。营养缺乏时，自噬功能可看作促生存的机制；然而，过度自噬可导致细胞死亡，这与凋亡的形态不一样。几种促凋亡信号，如 TNF、TRAIL 和 FADD 也可以诱导自噬。另外，Bcl-2 抑制 Beclin-1依赖性自噬，因此同时具备促生存和抗自噬调节分子的功能。

                              

 Atg相关检测抗体

五、细胞自噬重要基因: Beclin-1/BCL-2

Bcl-2 和 Beclin-1 在细胞凋亡和自噬的过程中起着至关重要的调节作用。

 Beclin 1是自噬关键调控蛋白之一，参与自噬体膜形成。大量研究结果指出, Beclin 1是caspase家族蛋白酶的全新底物，可被caspase剪切。剪切后的Beclin 1失去自噬调节功能，转而加剧凋亡进程。因而，Beclin 1对细胞凋亡和自噬起着重要的调控作用。

    Beclin-1 最初被认为可以和 Bcl-2 家族相互作用的蛋白质，其引发自噬的作用可以被 Bcl-2 和 Bcl-XL 所抑 制。JNK1 使 Bcl-2 磷酸化，结果导致 Bcl-2 与 Beclin-1 分离诱导自噬的发生。但在长期的饥饿中，细胞不能靠启动自噬提营养物质再循环的方式促进细胞存活，同时磷酸化的 Bcl-2不能与凋亡蛋白 Bax 相互作用，从而导致细胞凋亡的发生。 
    只有当 Bcl-2 位于内质网中，才能抑制自噬。 Beclin-1 有 一个 BH3-only 家 族 蛋白 结 合域，Bcl-2 家族 中 BH3-only 蛋白都可以与之结合，导致 Beclin-1 不能诱导细胞自噬。Beclin-1 的 BH3 结构域的 119 位苏氨酸残基上有一个磷酸 化位点，当 Beclin-1 磷酸化后，与 Bcl-2 的结合能力下调。凋亡相关蛋白激酶（Death-Associated Protein Kinase, DAPK）将 Beclin-1 磷酸化后，使其与 Bcl-2 解离，进而启动自噬。在某些情 况下，DAPK 可以通过与细胞骨架作用，诱导凋亡小体的产生，从而促进细胞凋亡。

    在生长因子缺乏等条件下，自噬会先于凋亡发生，自噬的活化可以拮抗细胞凋亡。细胞凋亡发生后，caspase-3 的活化可以水解 Beclin-1，抑制自噬从而促进凋亡。Beclin-1 产生的N 末端片段和 C 末端片段会转移到线粒体和细胞核内。C 末端 片段会导致线粒体释放细胞色素 c 以及其他促凋亡蛋白，诱导细胞凋亡进一步发生，N 末端片段的核转位的作用目前还没有阐明。因此，caspase-3 水解产生的 Beclin-1 的片段会促进细胞凋亡。

 

                                                         

                                                  Beclin-1/BCL-2相关抗体                 Beclin-1/BCL-2相关化合物

六、mTOR是细胞自噬的核心

     mTOR信号通路是调控细胞生长与增殖的一个 关键通路, 该通路将营养、能量状态及生长因子信号整合在一起, 并作为主要的调控因子参与细胞自 噬过程。mTOR有两种不同的复合体, 即mTORC1和mTORC2。

     mTORC1 通过磷酸化使形成的自噬调节复合物 (由 ULK1 和其互作蛋白 Atg13、FIP200、Atg101 等形成) 失活，从而影响自噬小体的生物发生。在营养丰富的条件下，mTORC1 通过介导 ULK1 (Ser637 和 Ser757) 和 Atg13 (Ser258) 特定位点磷酸化，抑制 ULK1 复合物的自噬促进激酶 (Autophagy-promoting kinase) 活性。

     在饥饿和细胞应激期间，mTORC1 活性被抑制，于是与 ULK1 分离。因此，ULK1 和 Atg13 的特定位点的磷酸化被解除。同时，ULK1 复合物通过 Thr180 处自磷酸化而变得活跃，并磷酸化 Atg13、FIP200、Atg101 和其他 Atg 蛋白。活跃的 ULK1 复合物随后转移到内质网的隔离膜上，自噬启动。

                                                         

                                                            mTOR相关检测抗体                        mTOR相关化合物

七、细胞自噬中的AMPK通路与P53

    苷酸活化蛋白激酶(AMP-activated protein kinase, AMPK)是能量代谢变化的感受器, 在能量代谢过程中起重要的调节作用。在营养缺乏的情况下, ATP/AMP的比例下降引起LKB1的激活, 进而激活AMPK。与AKT通路的作用相反, AMPK可以磷酸化激活TSC1/2复合体, 进而抑制mTORC1的活性。 

    AMPK还可以通过直接磷酸化Raptor, 使Raptor脱离mTORC1复合体, 进而抑制mTORC1的活性。AMPK是自噬的重要正调控因子, 在压力存 在的情况下, LKB1-AMPK通路磷酸化细胞周期抑制剂p27kip1来激活自噬反应。细胞内游离Ca2+的浓度增加可以通过激活Ca2+/CaMKKβ和TAK1通路, 进而激活AMPK, 最终通过抑制mTOR诱导自噬的发生。最新的研究表明, 营养缺乏会促进AMPK与ULK1的PS结构域结合, 使ULK1的Ser/Thr丰富 区多位点磷酸化, 从而激活ULK1, 直接调节细胞自噬。

p53是一种重要的抑癌基因, 对自噬的调控作用是双重的。DNA损伤促进p53表达, p53通过激活MPK通路, 诱导了自噬的发生。

p53入核后会增加DRAM (damage-regulated autophagy modulator)的 转录进而促进自噬, 胞浆内p53的减少也提高了自噬的水平。

                                                                  

                                                         AMPK与P53相关检测抗体                      AMPK与P53相关化合物

八、如何测量自噬

九、实验案例说明

   

                                                                                     
                                                                                 LC3：隐秘的自噬标记物

 

 

 

十、引用文献

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