综述:细胞自噬与凋亡的交互作用

2014-12-25 付晶晶,段君凯,李 红 生命的化学

细胞自噬又称Ⅱ型程序性细胞死亡,参与了多种疾病的发生和发展。自噬与凋亡之间存在着复杂的交互调控——二者能被多种应激刺激共同激活、共享多个调节分子,甚至互相协调转化等。全面深入研究自噬与凋亡之间的交互作用机制,将为肿瘤等疾病的认知及治疗带来突破性进展。细胞死亡是被周密调控的复杂过程。凋亡,作为第一个被认定的程序性细胞死亡程序(programmed cell death, PCD),其作用及

细胞自噬又称Ⅱ型程序性细胞死亡,参与了多种疾病的发生和发展。自噬与凋亡之间存在着复杂的交互调控——二者能被多种应激刺激共同激活、共享多个调节分子,甚至互相协调转化等。全面深入研究自噬与凋亡之间的交互作用机制,将为肿瘤等疾病的认知及治疗带来突破性进展。


细胞死亡是被周密调控的复杂过程。凋亡,作为第一个被认定的程序性细胞死亡程序(programmed cell death, PCD),其作用及调控网络已逐渐清晰。然而,凋亡并非决定细胞死亡命运的唯一。近年,被称作Ⅱ型PCD的细胞自噬被证实与凋亡共同调控细胞死亡。某些情况下,自噬抑制凋亡,是细胞的存活途径,但自噬本身也会诱发细胞死亡,或与凋亡共同作用及在凋亡缺陷的情况下作为备份机制诱导细胞死亡。二者通路相互关联,互为调控。研究并利用这些交互作用,将有利于进一步揭示肿瘤等疾病的发生发展机制。本文对近年报道的自噬与凋亡的交互作用方式和重要的交互作用调节子(molecular regulator of the crosstalk)进行综述。

1 概述
1.1 细胞自噬
自噬在古希腊语中是“自(auto)食(phagy)”。它是一种保守的细胞自我降解方式,是将受损细胞器及大分子物质通过溶酶体降解再利用的过程。基础水平的自噬是维持细胞稳态所必需的,同时自噬参与抗衰老、分化及发育、免疫及清除微生物、肿瘤等疾病的病理生理过程[1,2]。根据结合分子的方式,自噬分为:巨自噬(macroautophagy)、微小自噬(microautophagy) 和伴侣分子介导的自噬(chaperone-mediated autophagy, CMA)。其中巨自噬研究得最多,本文所论述的自噬即指巨自噬。自噬是一系列自噬体结构演变的过程,由自噬相关基因(autophagy-related gene, ATG)执行精细的调控。在饥饿、低氧、药物等因素作用下,待降解的细胞成分周围会形成双层结构分隔膜,随后分隔膜逐渐延伸,最终将待降解的胞浆成分完全封闭形成自噬体(autophosome);自噬体形成后将通过细胞骨架微管系统运输至溶酶体,二者融合形成自噬溶酶体(autopholysome);最终其内容物在溶酶体酶作用下被细胞降解利用。目前研究发现自噬调节涉及多种信号通路,其中以腺苷单磷酸活化蛋白激酶(adenosine mono-phosphateactivated protein kinase, AMPK)及哺乳动物雷帕霉素受体(mammalian target of rapamycin, mTOR)信号通路为调控核心。AMPK促进自噬发生,而mTOR抑制自噬发生。此外,许多经典的凋亡信号通路或蛋白被发现与自噬调控之间存在着复杂的交织[3,4]。

自噬对细胞死亡的调节具有双重性:温和的自噬一定程度上保护细胞免受有害条件的侵害促进细胞存活;严重或快速的自噬将诱导细胞程序性死亡,被称为自噬性细胞死亡(autophagy-mediated cell death, ACD)[1-4]。

1.2 细胞凋亡
凋亡是细胞主动结束生命的过程,是维护细胞稳态的基本。凋亡可被多种细胞信号激活,包括细胞内Ca2+浓度升高,氧化损伤引起的羟自由基等活性氧簇(reactive oxygen species, ROS)、毒素、NO、生长因素和激素刺激等[3]。凋亡主要信号通路有线粒体途径与死亡受体途径。细胞内的凋亡信号通常激活线粒体途径,刺激活化BH3-only蛋白与Bcl-2等凋亡蛋白结合,激活Bax/Bak聚集至线粒体膜,释放线粒体促凋亡蛋白包括细胞色素C、SMAC/DIABLO(second mitochondrial-derived activator caspase/direct IAP-binding protein with low PT)及凋亡诱导因子(apoptosis inducing factor, AIF)等,激活caspase级联反应,诱发细胞凋亡。外源性死亡受体途径开始于特异性死亡受体与配体结合,如肿瘤坏死因子相关的TRAIL和TNF-α、FASL结合,使得死亡受体结构域寡聚化,形成死亡诱导信号复合物(death-inducing signaling complex,DISC)激活caspase-8后引发caspase级联反应促进细胞死亡。

凋亡对细胞死亡的调节是单向性的,它能及时主动清除机体衰老及异常细胞发挥清道夫作用。凋亡缺陷将导致肿瘤等细胞死亡障碍疾病的发生。

2 细胞自噬与细胞凋亡的主要交互作用方式虽然自噬与凋亡在代谢途径和形态学方面有着显著的区别,但它们的信号通路却有着千丝万缕的联系。根据二者调控方式的不同,可大致将其交互作用归纳为3种:合作关系、对抗关系及推动关系[1-5]。


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2.1 合作关系
自噬与凋亡合作方式在现有研究报道中较为多见。该种情况下,自噬与凋亡的调控目标都是促进细胞死亡。合作方式分为3种:(1)各自同步引发细胞死亡;(2)一种为主,另一为辅;(3)一方功能缺陷情况下,另一方替补诱导细胞死亡。很多诱导凋亡的刺激常常也会诱导自噬,比如神经酰胺治疗乳腺癌和结肠癌中均发现凋亡与自噬同时上调[6]。在三氧化二砷治疗T淋巴细胞的临床试验中也发现二者被同时激活[7],抗菌药物氯碘喹啉通过扰乱mTOR信号通路诱导白血病细胞和骨髓瘤细胞发生自噬性死亡和凋亡[8];靶向敲除自噬相关蛋白ATG7或用自噬抑制剂3-甲基腺嘌呤(3-methyl adenine,3-MA)会抑制caspase激活,减少细胞凋亡[9];很多情况下,自噬诱导细胞死亡的潜力被凋亡所抑制,但它会在凋亡功能缺陷时发挥关键作用。依托泊苷、毒胡萝卜内酯等处理的凋亡缺陷Bax/Bak−/−的小鼠胚胎成纤维细胞中发现细胞自噬上调,特异性抑制剂抑制自噬后细胞存活率明显上调[10]。上述情况下,自噬和凋亡通过共同作用、互补合作,或替补机制共同引发细胞死亡。

2.2 对抗关系
对抗关系中,自噬与凋亡的目标及过程背道而驰。自噬并不引发细胞死亡,相反促进细胞存活。内质网应激中,自噬通过消化蛋白聚集物和错误折叠蛋白维护内质网功能,限制了内质网应激反应诱发的细胞凋亡。在细胞能量危机的时候,自噬还通过消化细胞器和蛋白质等大分子为细胞提供能量和营养,延长细胞寿命。因而在成年小鼠的饥饿期、乳鼠出生后的喂养适应期以及营养剥夺的细胞中,均显示出自噬为细胞存活所必需[11]。在细胞遭受代谢应激、药物治疗和放射性损伤时,自噬也是维护基因完整性的重要机制。因此,在乳腺癌、前列腺癌及结肠癌细胞中抑制自
噬,能够提高肿瘤细胞对放化疗的敏感性[12]。线粒体自噬是自噬的一种,它能通过清除去极化线粒体减少活性氧簇,达到细胞保护的目的。线粒体自噬甚至可通过减少线粒体外膜通透化(mitochondrial outer membrane permeabilization, MOMP)和减少细胞色素C和SMAC/DIABLO等线粒体促凋亡蛋白的释放阻止凋亡发生[13]。

2.3 推动关系
推动关系中自噬并不直接参与诱导细胞死亡,而是作为能量供应者保障凋亡顺利进行。例如细胞在营养匮乏的情况下,通过上调自噬维持胞内ATP水平,使得胞内磷脂酰丝氨酸向胞外暴露释放出凋亡信号[14]。凋亡小体形成的膜出泡过程依赖于ATP驱动肌动球蛋白收缩,如若抑制自噬会阻碍这类ATP依赖性凋亡特征发生,但对其它凋亡反应并无影响[15]。

3 细胞自噬与细胞凋亡交互作用的重要调节子凋亡与自噬的多重交互作用方式必然存在共同的信号通路和调节蛋白,研究人员将其称为交互作用调节子[1-5,13](图1)。本文重点讨论Bcl-2家族蛋白、胱天蛋白酶(caspase)、ATG蛋白和P53的双重调节作用。
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3.1 Bcl-2蛋白家族
Bcl-2家族蛋白在凋亡和自噬间起到关键性双重调控作用。它们可分为3个亚类:共有BH1-BH3
结构域的促凋亡执行蛋白Bax、Bak;共有BH1-BH4结构域的抗凋亡蛋白Bcl-2、Bcl-xL、Mcl-1;仅有BH3结构域的促凋亡蛋白Bad、Noxa、BNIP3、Bid、Bim、Puma等[16]。抗凋亡蛋白Mcl-1降解被发现是自噬激活的早期事件[17]。而Beclin-1是迄今发现的唯一与酵母自噬基因同源的哺乳动物自噬基因,被证实也是一种BH3-only蛋白,可与Bcl-2抗凋亡蛋白结合直接调控自噬和凋亡。当它与Bcl-2/Bcl-xL结合构成Beclin-1: Bcl-2/Bcl-xL复合体时可抑制Beclin-1激活自噬,但当Bcl-2促凋亡蛋白竞争性结合Bcl-2/Bcl-xL时则Beclin-1被释放诱发自噬。Beclin-1依赖性调节自噬的另一机制是通过caspase-3剪切Beclin-1而抑制自噬[18]。其它BH3-only促凋亡蛋白如Bad、BNIP3、Puma和BH3结构域模拟物也被发现可通过竞争性结合Bcl-2/Bcl-xL释放Beclin-1,诱导自噬。最新Lindqvist等[19]确定抗凋亡蛋白Bcl-2、Bcl-xL、Mcl-1不会直接影响自噬,而是通过抑制Bax、Bak方式间接发挥作用。总之,Bcl-2家族蛋白动态地调节着凋亡和自噬[5]。

3.2 caspase
凋亡相关caspase家族蛋白可与自噬相关蛋白互相影响。caspase-3通过剪切灭活Beclin-1抑制自噬促发凋亡[5,18]。研究发现凋亡死亡受体通路中DISC可在自噬体膜上组装,应用蛋白酶抑制剂如硼替佐米或溶酶体抑制剂氯喹抑制自噬,会增进DISC形成进一步激活caspase-8寡聚化诱导凋亡[20]。T细胞研究中发现caspase-8调控着自噬,caspase-8缺陷或Fas死亡结构域相关蛋白(Fas-associated deathdomain, FADD)缺陷的T细胞其自噬功能被上调[21]。Furuya等[22]发现Beclin-1可通过提高caspase-9活性而增强凋亡诱导剂诱发的细胞凋亡。

3.3 ATG
自噬体形成依赖于一系列ATG蛋白在蛋白泛素化过程中共价结合。ATG5和ATG12 被誉为自噬的“核心”,为自噬体形成所必需,它们被发现还参与了细胞凋亡的调控。ATG5可以被Caplains剪切,造成ATG5 N端片段以一种未知的机制转位到线粒体,与抗凋亡蛋白Bcl-xL结合,促发线粒体细胞色素C释放,诱导凋亡[23]。研究发现在一系列不同凋亡刺激下,ATG12不但是caspase激活所必需,它还可通过结合方式中和Bcl-2、Mcl-1的抗凋亡能力。进一步实验则发现,ATG12是因为具备和Bcl-2、Mcl-1结合的BH3样结构域而具有促凋亡功能[24]。
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3.4 P53
凋亡和自噬的交互作用也发生在基因转录水平,抑癌基因p53是最好的例子。P53可上调促凋亡基因如Bax、PUMA、NOXA转录,抑制抗凋亡基因Bcl-2转录,是毫无争议的凋亡激活因子[16]。

自噬方面,P53通过转录依赖和非依赖机制发挥调节作用。P53转录激活AMPK和结节性硬化复合物1/2(tuberous sclerosis complex 1/2, TSC1 /TSC2)而抑制mTOR诱导自噬[5];核内P53还可转录激活损伤调节自噬调节子(damage regulated autophagy modulator, DRAM),提高自噬[25];另一方面,胞质P53与高迁移率盒蛋白1(high mobility group box chromosomal protein 1, HMGB1)形成复合物协调自噬水平,靶向敲除胞质P53基因会提高HMGB1表达诱导自噬,而敲除HMGB1则提高胞质P53表达水平抑制自噬[26]。此外还有报道自噬蛋白ATG7能够直接调节P53表达[27]。

随着研究的广泛和深入,自噬与凋亡相关的其它交互作用调节子也相继被发现。诸如E2F1、NF-κB以及一些microRNA都在转录水平上发挥双重协调作用;同时还有一些激酶信号传导通路如JNK、PI3K/Akt/mTOR等也被证实在二者间扮演重要角色[3,5]。

4 展望
综上所述,自噬与凋亡之间存在多层次多元化的联系,由此保证细胞在应对各种应激刺激时能够完美地实现生与死的平衡,而当这种微妙的平衡被打破,肿瘤等疾病便悄然而至。目前肿瘤等疾病的化疗药物多与诱导肿瘤细胞凋亡相关。

虽然这些药物的研究已取得可喜成绩,但因肿瘤发病机制多与细胞凋亡功能缺陷相关,因而肿瘤对药物的敏感性存在很大差异。寻求凋亡之外的替代或联合化疗方案已成为迫在眉睫的需求。近年一些靶向自噬通路的药物研究表明,促进肿瘤细胞自噬性死亡或抑制自噬性保护是消灭肿瘤细胞和抵抗化疗耐药的有力措施,这为肿瘤难题的攻克带来了一线曙光[28]。

目前自噬调控应用于治疗肿瘤和其他疾病的潜力,因与凋亡之间的复杂交互作用而扑朔迷离。全面理解自噬与凋亡的交互作用及分子机制是目前研究面临的主要挑战。究竟二者之间如何对话共同决定细胞的命运?甚至二者与其它细胞死亡方式如程序性坏死如何实现共同作用?相信通过在细胞、动物模型及人类疾病样本上的动态研究,必将更深层次地揭示自噬与凋亡交互调控的精准作用与机制,届时定会为临床疾病的认知和治疗带来实质性的突破。
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  1. 2016-01-03 doxiaoshi2119

    很想了解这块的进展

    0

  2. 2015-08-06 LBH

    如何理解二者关系还是很大难题

    0

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