自噬(autophagy)和凋亡(apoptosis)是细胞的两种程序性细胞死亡方式(programmed cell death, PCD), 以批量降解长寿命蛋白质和细胞器再被重新利用为特征, 目前对细胞自噬和凋亡的分子调控机理已经研究得很清楚[1]。细胞自噬的发生依赖于一系列自噬相关蛋白质(Autophagy-related proteins, ATGS)的参与, 目前为止在哺乳动物细胞中已鉴定出至少37个ATG蛋白, 其中两个泛素化途径(ATG8-PE和ATG12-ATG5-ATG16L)在自噬体的形成过程中起重要作用, 它们共同参与到自噬体的起始, 成核, 延伸, 闭合, 成熟和降解等阶段[2]。细胞凋亡是一种具有依赖Caspase参与, 染色体浓聚、细胞皱缩、DNA降解和凋亡小体形成等特征的程序性细胞死亡(PCDⅠ )[3]。最初认为自噬和凋亡作为细胞降解方式在形态、生化指标、参与分子和机理方面均存在不同, 后来的许多证据显示二者在某些情况下可以相互拮抗或促进, 可先后发生或同时共存于同一细胞, 相同诱导因素在不同细胞中可分别诱发自噬或凋亡, 或诱导自噬先于凋亡的细胞死亡, 参与自噬和凋亡的分子也可能存在交叉, 这些分子在自噬与凋亡两种机制中可发挥正向或负向的作用[4]。如在哺乳动物中, P53、BECLIN-1(酵母ATG6同源物)、ATG4、ATG5和BCL-2家族等很多相关蛋白质参与到了自噬和凋亡的分子调控网络当中[5](图1)。本文就两种重要的自噬相关蛋白ATG5和BECLIN-1在调控细胞自噬和凋亡的分子机理方面作一综述, 为深入了解自噬和凋亡发生的分子机制奠定基础。

细胞自噬(autophagy)是真核生物中广泛存在的主动或应急的细胞降解机制之一, 即细胞通过自噬体(autophagosome)和溶酶体的融合, 批量降解长寿命蛋白质和细胞器再被细胞重新利用[6]。细胞自噬以自噬体的出现为特征, 不依赖于凋亡途径的Caspase参与, 自噬体和其内的成分最终通过自身的溶酶体系统被清除[7]。细胞自噬分为3种:分子伴侣介导的自噬(Chaperone-mediated autophagy, CMA), 由热休克样蛋白质(HSC70)负责识别具有“ KFERQ” 样基序的蛋白质和相关伴侣蛋白质, 这些蛋白质与溶酶体相关膜蛋白质2(Lysosomal-associated membrane protein 2, LAMP-2)结合后运输至溶酶体, 由溶酶体对这些含“ KFERQ” 样基序的蛋白质进行降解; 小自噬(Microautophagy), 由溶酶体膜凹陷包裹细胞质, 使它与外界隔绝; 大自噬(Macroautophagy)不同于前面所述的两种自噬, 它是一种非选择性自噬, 由一种叫自噬泡的双层膜结构来运送“ 货物” 到溶酶体进行降解, 这种自噬存在于所有真核生物, 最近的研究揭示大自噬与许多人类疾病密切相关, 因此目前所说的自噬即为大自噬[8]。

自噬体的形成依赖于自噬蛋白质(autophagy-related proteins, ATGs)的参与, 这些ATGs主要通过ATG8-PE和ATG12-ATG5泛素化途经在自噬体的前体装配结构(phagophore assembly site, PAS)位点上募集组装[9]。其中ATG8的磷脂酰乙醇胺化(phosphatidyl ethanolamine, PE), 即ATG8-PE是自噬体装配后与溶酶体融合形成自噬溶酶体(autolysosome)之前唯一存留于自噬体膜上的自噬蛋白质。通过对ATG8-PE表达水平的检测, 可以作为评价自噬发生程度的明确证据[10]。

细胞凋亡是细胞程序性死亡(Program cell death, PCD)中特有的一种细胞死亡方式, 是细胞在一系列内源性基因的调控下发生的自然或生理性死亡的过程[11]。在哺乳动物细胞中, 凋亡发生的信号通路分为三种:线粒体途径, 内质网途径和死亡受体途径。它们通过线粒体释放细胞色素C, 激活下游凋亡执行分子含半胱氨酸的天冬氨酸蛋白水解酶(cysteinyl aspartate specific proteinase, Caspase)Caspase-3、Caspase-6和Caspase-7, 进而启动凋亡的发生。或者释放凋亡诱导因子(apoptosis induce factor, AIF)而实现, 这条途径不依赖于Caspase的参与[12]。

自噬蛋白质ATG5存在于大部分真核生物中, 相对保守, 在自噬泡(autophagic vacuole, AV)的形成过程中起重要作用[13]。以酵母为模式, 自噬泡形成的早期阶段(Preautophagosome), 由ATG12-ATG5-ATG16L形成的复合物与其外膜结合, 这种结合一方面促进了自噬泡的伸展扩张, 使之由开始的小囊泡样、杯样结构逐渐发展为半环状、环状结构[14]; 另一方面, ATG5复合物与自噬泡膜的结合还促进了LC3(Atg8)向自噬泡的募集[15]。ATG5复合物在膜上的定位决定膜的弯曲方向, 膜向着背对ATG5复合物的方向延伸。当双层膜结构的自噬泡即将形成环状闭合结构或刚刚闭合时, ATG5复合物便从膜上脱离下来, 只留下膜结合形式的LC3-II(ATG8-PE)定位于自噬泡膜上。因此, LC3-II含量的多少与自噬泡数量的多少成正比。当哺乳动物细胞发生自噬时, 细胞内LC3的含量及LC3-I向LC3-II的转化均明显增加[16]。因此, 通过检测细胞内LC3-II的含量变化, 可以方便地判断细胞状态, 判断其自噬是被诱导还是被抑制[10]。

Lé pine等在中性粒细胞(polymorphonuclear, PMN)中发现了ATG5裂解物24 kDa的tATG5-N, 充分的实验证据表明33kDa的全长ATG5除了参与形成自噬体外, 其被Calpain裂解后, 氨基端裂解物truncated ATG5(1-193)(tATG5-N)靶向线粒体而具有促凋亡活性[17]。Shi等同时在其他凋亡细胞中也观察到24 kDa tATG5-N以同样的规律出现, 他们经实验分析表明, 这是由钙蛋白激酶Calpain在ATG5的第191-196位点直接裂解的氨基端产物(1-193), 在凋亡细胞中用Calpain阻滞剂或者用RNAi下调Calpain后, 能够阻断ATG5的裂解[18]。Lé pine还研究了tATG5-N是否调节凋亡, 他们发现其表达增强会诱导凋亡形态出现, 而用高水平的抗凋亡蛋白质Bcl-2能够保护细胞免于tATG5-N诱导的细胞死亡。但是, 这对内源性ATG5的裂解无影响。tATG5-N和全长ATG5不同, 它可以移位到线粒体, 提示裂解发生在Bcl-2活化的上游。据此可以认为, 截短型分子tATG5-N作为凋亡诱导因子转移至线粒体膜与Bcl-xL连接活化Bax, 后者促进了线粒体中细胞色素C向细胞质的释放, 从而诱导细胞凋亡[17]。

自从1998年克隆了哺乳动物BECLIN-1基因后[19], 人们对ATG6(酵母)/BECLIN-1(哺乳动物)的研究益加深入, Liang等首次证实BECLIN-1是一种自噬蛋白质和肿瘤抑制分子, 它在自噬和抑制肿瘤方面起重要作用[19], Rohatgi等证实在哺乳动物中BECLIN-1与酵母的ATG6/Vps30一样作为PtdIns3KC3 1复合体的一部分在调控自噬中起重要作用[20], Yazdankhah等使用亲和色谱和质朴分析法证实ATG14和Rubicon在自噬体形成中的重要作用, ATG14是组成PtdIns3KC3 1复合体的主要成分之一, 也叫ATG14L或Barkor(BECLIN-1-associated autophagy -related key regulator), 能促进自噬体的形成, 而Rubicon起抑制作用[21], 随后在哺乳动物和酵母中发现一些组成BECLIN-1复合体更为重要的蛋白质, 如哺乳动物中的UV radiation resistance-associated gene(UVRAG)(Itakura et al., 2008), 在酵母中与之同源的是Vps38, 还有Ambra1蛋白质, 与BECLIN-1和Vps34蛋白质结合, 在发育的胚胎神经系统中促进自噬[23]。

PtdIns3KC3 1复合体包括两类, 分别是Complex I和ComplexII, 在酵母中, Complex I分别由ATG6、Vps34、Vps15、ATG14和Ambra1等蛋白质组成, ComplexII分别由ATG6、Vps34、Vps15、Vps38和Ambra1等蛋白质组成, Complex I能促进自噬体的形成, ComplexII能对自噬体内降解的蛋白质进行分选; 在哺乳动物中, Complex I分别由BECLIN-1、PtdIns3KC3、Vps15、Barkor和Ambra1等蛋白质组成, ComplexII分别由BECLIN-1、PtdIns3KC3、Vps15、Barkor和UVRAG等蛋白质组成, 不管是在酵母还是哺乳动物中, ATG6/BECLIN-1、Vps34/PtdIns3KC3、Vps15共同组成了诱导自噬体形成的核心结构(Core), 其它蛋白质与复合体结合抑制自噬, 抑制凋亡或者抑制肿瘤发生[23]。

BECLIN-1在调控自噬和凋亡中起重要作用, 在正常情况下, BECLIN-1蛋白质的BH3结构与凋亡抑制蛋白质B细胞淋巴瘤蛋白质2(B-Cell Lymphoma Protein 2, Bcl-2)或Bcl-XL(Bcl-2样蛋白质)结合抑制自噬的发生; 当细胞生存环境发生异常变化, 如缺乏生长因子或饥饿等胁迫条件下, 一方面, Bcl-2或Bcl-XL从BECLIN-1蛋白质上解离下来, 从而诱导自噬的发生[24], 另一方面, 在持续凋亡信号刺激下, Caspase-3、Caspase-7、Caspase-8被激活, 分别在BECLIN-1的TDVD133位点和DQLD149位点切割产生37 kDa和35 kDa大小片段的BECLIN-1-C蛋白质, BECLIN-1-C蛋白质失去了诱导自噬的能力, 定位到线粒体, 促进线粒体中CytC的释放, 从而诱导凋亡的发生[25, 26, 27](图3)。

The authors have declared that no competing interests exist.