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1、二、自噬溶酶体系统,什么是自噬？,自噬（autophagy）性细胞死亡, 是凋亡和坏死之外的第三种程序性细胞死亡方式. 自噬是真核生物进化过程中高度保守一类降解途径，通过形成双层膜的自噬体，将蛋白质等生物大分子或细胞器（线粒体等）回收至溶酶体将其降解为氨基酸、单糖等小分子，实现循环再利用。,自噬体的半衰期 8 min左右，是细胞对于环境变化的有效反应。,细胞自噬的分类,1、巨型细胞自噬 (macroautophagy)，又称为大自噬，是指细胞内新生的球状脂质双层包裹胞浆蛋白和细胞器，并运送到溶酶体降解的自噬行为。,2、微型细胞自噬 (microautophagy)，又称为小自噬，是指通过溶酶体
2、膜的内陷、突起和/或分隔，直接吞入细胞浆的自噬行为。,3、分子伴侣介导的细胞自噬(chaperone mediated autophagy，CMA)，是指由分子伴侣将靶蛋白转送至溶酶体内的自噬行为。这只见于哺乳类动物细胞。,根据细胞物质运到溶酶体内的途径不同,Autophagy,Autophagy is a cellular degradation system in which cytoplasmic components, including organelles, long-life protein are sequestered by double-membrane structure
3、s called autophagosomes and the sequestered materials are degraded by lysosomal hydrolases,基础自噬：是一种在大多数细胞中持续发生而水平相对较低的细胞自噬过程, 对细胞内物质的更新及细胞内环境稳态的维持具有不可或缺的作用。 诱导自噬：是细胞应对外界刺激的一种保护反应。缺少营养物质或能量、受到氧胁迫等情况下, 细胞的自噬水平在短时间内剧烈升高的细胞自噬过程。 如哺乳动物出生后初期, 由于母体不再提供营养来源, 幼体的细胞自噬非常活跃, 这为维持其生命活动起了非常重要的作用。,基础自噬和诱导自噬,自噬进程,1
4、、自噬的诱导激活 2、自噬体的成核和延伸 3、自噬体与溶酶体融合 4、内容物降解,第一步：自噬的诱导,一系列自噬相关基因（autophagy-related gene，Atg）组成的复合体参与调控自噬体的形成。主要是 Atg1/ULK1 复合体，包括Atg1、Atg13、Atg17, mTORC1 磷酸化Atg1/ULK1和Atg13抑制自噬的起始。,mTORC1失活,自噬激活,ULK1 去磷酸化,Atg7 -Atg3-,induction,第二步：自噬体的成核，细胞在接受自噬诱导信号后，在胞浆中形成一个小的膜样结构:分离膜(isolation membrane，IM)，然后不断向两边延伸，成
5、扁平状，被称为前自噬体(pre-autophagosome PAS) ，是自噬发生的标志之一。需要Atg6（Beclin1）-Class PI3K 复合体以及Atg12-Atg5-Atg16L复合体. 形态特点：自噬前体多呈新月形或半环形，为游离双层膜结构，两层膜之间有腔。随着自噬前体增大和包裹内容物，内腔变得不明显。多种ATG 蛋白参与自噬前体的组装。,组分来源：来源于独立形成的特殊膜结构或线粒体、内质网或高尔基复合体等膜结构。,Atg7 -Atg3-,induction,第二步：自噬体膜的延伸，自噬前体在两个类泛素系统作用下，包括Atg12-Atg5-Atg16L复合体和LC3(Atg8)
6、 作用下，LC3不断接受PE，扩展膜的长度，成为成熟的闭合自噬泡。 形态特点：自噬前体由半月形，不断延伸成闭合的完整的双层膜结构的圆形自噬泡，内容物为不断捕获的待降解的衰老的蛋白、细胞器、蛋白聚集体。,Atg7 -Atg3-,第三步：自噬体与溶酶体的融合，被运送到溶酶体，两者的生物膜融合，变成一个自噬溶酶体(atuolysosome)。,形态特点：多呈圆形或椭圆形。由于自噬体内膜很快被降解，在透射电镜下自噬溶酶体常不易与其他形式的溶酶体区别。,第四步：自噬溶酶体内的酸性水解酶降解囊泡中的内容物，成为降解性自噬体(degradative autophagic vacuole)。, 自噬的诱导,自
7、噬体的成核 和延伸, 自噬溶酶体的形成,内容物的降解,自噬的调节,1、mTOR活性调节,2、胰岛素（激活mtor；抑制FoxO3）,自噬调控的中心分子TOR(target of rapamycin),雷帕霉素作用的靶位点( T aget of rapamycin, TOR ) 是氨基酸、A T P和激素的感受器, 它在调节细胞生长和自噬的发生过程有重要作用。 TOR(target of rapamycin) 能感受细胞的多种变化信号, 加强或降低自噬的发生水平。细胞内ATP水平、缺氧等细胞信号都可直接或间接通过TOR将其整合, 从而改变细胞的自噬发生, 应对不同的外界环境刺激。,Atg1是一种
8、丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶, 哺乳动物中同源蛋白ULK1, ULK1以复合物的形式存在, 除了ULK1本身, 还包括mAtg13、FIP200(一种与黏着斑激酶FAK相互作用的蛋白)和Atg101。,Atg1/ULK1蛋白激酶复合体,当营养足够时, 哺乳动物雷帕霉素靶蛋白复合物1( mTORC1)与Atg1/ULK1 复合物与结合,通过磷酸化Atg1/ULK1 和ATG13 从而抑制自噬的起始从而抑制自噬。 在饥饿的条件下, mTORC1 从Atg1/ULK1 复合物上分离, 从而诱导自噬体的成核(Nucleation)和延伸(Elongation)。,AMPK是细胞中感受能量状态调节代谢的一个蛋
9、白激酶, 在自噬发生的调控中也发挥着重要的作用。低ATP水平状态下(如饥饿或缺氧)AMPK能感受AMP的水平变化而激活, 从而磷酸化结节性硬化复合体TSC2(tuberous sclerosis protein) 加强TSC1/2对Rheb的抑制, 最终使mTOR的活性被抑制, 诱导细胞发生自噬。,AMPK(AMP-activated protein kinase),Atg9是迄今发现的唯一一个编码跨膜蛋白的Atg基因, 能通过影响膜泡运输对自噬发生起调控作用。营养物质缺乏 时, Atg9与Atg23、 Atg27结合, 将它们运 输至PAS;,Atg9/mAtg9,在Atg5-Atg12-A
10、tg16连接系统中, 首先由Atg7(E1)活化Atg12; 然后将Atg12传递给类Atg10（E2）最后, Atg12被传递到Atg5, 与Atg5的Lys共价结合形成Atg12-Atg5复合物。自噬发生时, Atg16和Atg12-Atg5结合，Atg16含有一个螺旋卷曲结构易于形成低聚物, 使得其能把更多的Atg12-Atg5连接起来形成巨大复合物。从而可能为参与自噬泡形成的蛋白质提供相互作用的平台。自噬发生时, 此复合物定位于隔离膜上, 参与 LC3-II的形成过程, 从而促进自噬泡膜的延长。,自噬发生过程中有两组类泛素化修饰过程, 分别发生在Atg5-Atg12-Atg16连接系统
11、和Atg8/LC3连接系统中, 用于隔离膜的延长和自噬泡的形成。,Atg5-Atg12-Atg16复合物,Atg8/LC3 LC3：是酵母Atg8分子在哺乳动物中的同源物，是自噬发生的一个标志蛋白。 功能：促进自噬泡膜的延长和融合, 是自噬泡形成所必需的。,LC3合成后, 最初以pro-LC3形式存在, 然后立刻被Atg4B切割形成LC3-I。自噬发生时, 均匀分布于细胞质中的LC3-I被Atg7（E1）活化并与其形成硫酯键, 然后被传递给Atg3（E2）, 并最终在Atg5-Atg12-Atg16复合物（E3）的帮助下连接上一个PE分子, 形成具有膜结合能力的LC3-II。Atg16L的细胞
12、定位决定了LC3成熟的位置, 并促进LC3-II结合到自噬泡上。,自噬小泡的成核需要含有ATG6(其哺乳动物同源蛋白命名为Beclin 1)的复合物, 这个复合物能够与第三类磷酸肌醇3 激酶VPS34 形成超级复合物并使其激活产生磷脂酰肌醇3 磷酸。,PI3P可以组装一些含有PX和FYVE结构域的蛋白质到早期自噬泡产生的位置, 促使自噬前体的形成。,ATG6/Beclin-1,Vps34是哺乳动物中的第III类PI3 K。在Vps34复合物中, Vps34因结合Vps15而被激活, 并进一步结合Beclin1形成Vps34-Vps15-Beclin1复合体。 功能：自噬发生时, Vps34-V
13、ps15-Beclin和 多种自噬相关蛋白结合, 传递自噬信号促进自 噬发生。,Vps34/PI3K-Beclin1复合物,1、 如与Atg14结合形成Atg14-Vps34-Vps15-Beclin1复合物参与自噬泡的形成; 2、与VRAG结合形成VRAG-Vps34-Vps15-Beclin1在自噬泡成熟和运输中起作用。 3、 促进产生磷脂酰肌醇-3-磷酸(PI3P), PI3P可以组装一些含有PX和FYVE结构域的蛋白质到早期自噬泡产生的位置, 促使自噬前体的形成。,自噬的分子机制,mTORC1：哺乳动物的雷帕霉素靶蛋白复合物1 Atg12/LC3：两种泛素样加工系统，包裹自噬底物形成自
14、噬体。 Atg12-Atg5-Atg16L1:与外膜结合，促进伸展 Atg5:决定膜伸展方向 LC3-：自噬体标志分子，判断诱导或抑制 Atg9:嵌膜蛋白来回循环移动活化该激酶复合物从而产生自噬分隔膜。 PE:磷脂酰乙醇胺,Physiological and pathological roles of autophagy,1、应激功能 细胞自噬是细胞在饥饿条件下的一种存活机制。 在营养充足条件下，自噬发生处于较低水平，仅在胞质中去除受损和多余的细胞器以维持细胞内环境稳定，称为基本自噬。细胞营养缺失时，细胞立即启动自噬以维持胞质中氨基酸池的平衡，可通过合成新的蛋白质、能量生成和促进糖异生来避免细
15、胞“饿死”。,自噬的生物学意义,2、防御功能 在细胞受到致病微生物感染时，细胞自噬起一定的防御作用。,某些细菌和病毒可逃离异噬途径，避免溶酶体 消化。李斯特菌属、志贺杆菌属、立克次体属等的 细菌可通过降解异噬体膜逃入细胞质。细胞能够通过自噬发挥先天性免疫作用，抵抗细菌入侵。结核杆菌通常定居于异噬体内，但可激活自噬途径被溶酶体酶杀死。 自噬也可以将病毒核酸转运至胞内感受器上激活天然免疫，还可以将病毒抗原递呈给 类分子激活适应性免疫，发挥抗病毒作用。,4、延长寿命 细胞自噬可降解损伤的细胞器、细胞膜和变性蛋白等胞内成分。 如果细胞自噬受损衰竭，细胞损伤就会堆积、累加，产生老化。 长期减少热量摄入，
16、在一些物种能延长寿命。,3、维持细胞稳态 在骨骼机和心肌，细胞自噬有特殊的“看家”(house keeping)功能，帮助细胞浆成分，包括线粒体，进行更新。,自噬样细胞死亡（autophagic cell death，ACD）： 在研究自噬与凋亡的关系时，人们发现细胞死亡前胞浆中存在大量的自噬体或自噬溶酶体，但这样的细胞缺乏凋亡的典型特点，如核固缩（pyknosis）, 核破裂、细胞皱缩、没有凋亡小体的形成等，被称为自噬样细胞死亡，它是一种新的细胞程序性死亡，为了与凋亡区别，被命名为Type II cell death，相应的，凋亡为Type I cell death，坏死为Type III cell death。 尽管这样，但对于自噬是否是细胞死亡的直接原因目前还存在很大的争议。到底是自噬引起死亡还是死亡时有自噬发生，但不是直接原因？,5、参与控制细胞死亡及癌症,自噬在肿瘤发生中的双重作用，在多种人类肿瘤中均存在自噬活性的改变。 一方面，自噬可抑制肿瘤的发生: 首先，自噬可清除受损细胞器以避免有害的氧自由基蓄积及突变的发生。
