細胞自噬與凋亡的交互作用

細胞自噬與凋亡的交互作用細胞自噬又稱口型程序性細胞死亡，參與了多種疾病的發(fā)生和發(fā)展。自噬與凋亡之間存在著復(fù)雜的交互調(diào)控一—二者能被多種應(yīng)激刺激共同激活、共享多個調(diào)節(jié)分子，甚至互相協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)化等。全面深入研究自噬與凋亡之間的交互作用機制，將為腫瘤等疾病的認知及治療帶來突破性進展。細胞死亡是被周密調(diào)控的復(fù)雜過程。凋亡，作為第一個被認定的程序性細胞死亡^^(programmedcelldeath,PCD)，其作用及調(diào)控網(wǎng)絡(luò)已逐漸清晰。然而，凋亡并非決定細胞死亡命運的唯一。近年，被稱作口型PCD的細胞自噬被證實與凋亡共同調(diào)控細胞死亡。某些情況下，自噬抑制凋亡，是細胞的存活途徑，但自噬本身也會誘發(fā)細胞死亡，或與凋亡共同作用及在凋亡缺陷的情況下作為備份機制誘導(dǎo)細胞死亡。二者通路相互關(guān)聯(lián)，互為調(diào)控。研究并利用這些交互作用，將有利于進一步揭示腫瘤等疾病的發(fā)生發(fā)展機制。本文對近年報道的自噬與凋亡的交互作用方式和重要的交互作用調(diào)節(jié)子(molecularregulatorofthecrosstalk)進行綜述。1概述1.1細胞自噬自噬在古希臘語中是“自匕仇。)食(phagy)”。它是一種保守的細胞自我降解方式，是將受損細胞器及大分子物質(zhì)通過溶酶體降解再利用的過程?；A(chǔ)水平的自噬是維持細胞穩(wěn)態(tài)所必需的，同時自噬參與抗衰老、分化及發(fā)育、免疫及清除微生物、腫瘤等疾病的病理生理過程［1,2］。根據(jù)結(jié)合分子的方式，自噬分為：巨自噬(macroautophagy)、微小自噬(microautophagy)和伴侶分子介導(dǎo)的自噬(chaperone-mediatedautophagy,CMA)。其中巨自噬研究得最多，本文所論述的自噬即指巨自噬。自噬是一系列自噬體結(jié)構(gòu)演變的過程，由自噬相關(guān)基因(autophagy-relatedgene,ATG)執(zhí)行精細的調(diào)控。在饑餓低氧、藥物等因素作用下，待降解的細胞成分周圍會形成雙層結(jié)構(gòu)分隔膜，隨后分隔膜逐漸延伸，最終將待降解的胞漿成分完全封閉形成自噬儂autophosome)；自噬體形成后將通過細胞骨架微管系統(tǒng)運輸至溶酶體，二者融合形成自噬溶酉酶本(aut。ph。lys。me)；最終其內(nèi)容物在溶酶體酶作用下被細胞降解利用。目前研究發(fā)現(xiàn)自噬調(diào)節(jié)涉及多種信號通路，其中以腺苷單磷酸活化蛋白激酶及哺乳動物雷帕霉素受體信號通路為調(diào)控核心。AMPK促進自噬發(fā)生，而mTOR抑制自噬發(fā)生。此外，許多經(jīng)典的凋亡信號通路或蛋白被發(fā)現(xiàn)與自噬調(diào)控之間存在著復(fù)雜的交織[3,4]。

自噬對細胞死亡的調(diào)節(jié)具有雙重性：溫和的自噬一定程度上保護細胞免受有害條件的侵害促進細胞存活；嚴重或快速的自噬將誘導(dǎo)細胞程序性死亡，被稱為自噬性細胞死亡［l-4］o1.2細胞凋亡凋亡是細胞主動結(jié)束生命的過程，是維護細胞穩(wěn)態(tài)的基本。凋亡可被多種細胞信號激活，包括細胞內(nèi)Ca2+濃度升高，氧化損傷引起的羥自由基等活性氧簇(reactiveoxygenspecies,ROS)、毒素、NO、生長因素和激素刺激等［3］。凋亡主要信號通路有線粒體途徑與死亡受體途徑。細胞內(nèi)的凋亡信號通常激活線粒體途徑，刺激活化BH3-only蛋白與Bcl-2等凋亡蛋白結(jié)合，激活Bax/Bak聚集至線粒體膜，釋放線粒體促凋亡蛋白包括細胞色素C、SMAC/DIABLO及凋亡誘導(dǎo)因子(apoptosisinducingfactor,AIF)等，激活caspase級聯(lián)反應(yīng)，誘發(fā)細胞凋亡。外源性死亡受體途徑開始于特異性死亡受體與配體結(jié)合，如腫瘤壞死因子相關(guān)的TRAIL和TNF-a、FASL結(jié)合，使得死亡受體結(jié)構(gòu)域寡聚化，形成死亡誘導(dǎo)信號復(fù)合物激活caspase-8后引發(fā)caspase級聯(lián)反應(yīng)促進細胞死亡。凋亡對細胞死亡的調(diào)節(jié)是單向性的，它能及時主動清除機體衰老及異常細胞發(fā)揮清道夫作用。凋亡缺陷將導(dǎo)致腫瘤等細胞死亡障礙疾病的發(fā)生。2細胞自噬與細胞凋亡的主要交互作用方式雖然自噬與凋亡在代謝途徑和形態(tài)學(xué)方面有著顯著的區(qū)別，但它們的信號通路卻有著千絲萬縷的聯(lián)系。根據(jù)二者調(diào)控方式的不同，可大致將其交互作用歸納為3種：合作關(guān)系、對抗關(guān)系及推動關(guān)系［1-5］。合作關(guān)系自噬與凋亡合作方式在現(xiàn)有研究報道中較為多見。該種情況下，自噬與凋亡的調(diào)控目標(biāo)都是促進細胞死亡。合

作方式分為3種：（1）各自同步引發(fā)細胞死亡；（2）一種為主，另一為輔；⑶一方功能缺陷情況下，另一方替補誘導(dǎo)細胞死亡。很多誘導(dǎo)凋亡的刺激常常也會誘導(dǎo)自噬，比如神經(jīng)酰胺治療乳腺癌和結(jié)腸癌中均發(fā)現(xiàn)凋亡與自噬同時上調(diào)［6］。在三氧化二砷治療T淋巴細胞的臨床試驗中也發(fā)現(xiàn)二者被同時激活［7］，抗菌藥物氯碘喹琳通過擾亂mTOR信號通路誘導(dǎo)白血病細胞和骨髓瘤細胞發(fā)生自噬性死亡和凋亡［8］；靶向敲除自噬相關(guān)蛋白ATG7或用自噬抑制劑3-甲基腺嘌呤會抑制caspase激活，減少細胞凋亡［9］;很多情況下，自噬誘導(dǎo)細胞死亡的潛力被凋亡所抑制，但它會在凋亡功能缺陷時發(fā)揮關(guān)鍵作用。依托泊苷、毒胡蘿卜內(nèi)酯等處理的凋亡缺陷Bax/Bak61/61的小鼠胚胎成纖維細胞中發(fā)現(xiàn)細胞自噬上調(diào)，特異性抑制劑抑制自噬后細胞存活率明顯上調(diào)［10］。上述情況下，自噬和凋亡通過共同作用、互補合作，或替補機制共同引發(fā)細胞死亡。對抗關(guān)系對抗關(guān)系中，自噬與凋亡的目標(biāo)及過程背道而馳。自噬并不引發(fā)細胞死亡，相反促進細胞存活。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激中，自噬通過消化蛋白聚集物和錯誤折疊蛋白維護內(nèi)質(zhì)網(wǎng)功能，限制了內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激反應(yīng)誘發(fā)的細胞凋亡。在細胞能量危機的時候，自噬還通過消化細胞器和蛋白質(zhì)等大分子為細胞提供能量和營養(yǎng)，延長細胞壽命。因而在成年小鼠的饑餓期、乳鼠出生后的喂養(yǎng)適應(yīng)期以及營養(yǎng)剝奪的細胞中，均顯示出自噬為細胞存活所必需［11］。在細胞遭受代謝應(yīng)激、藥物治療和放射性損傷時，自噬也是維護基因完整性的重要機制。因此，在乳腺癌、前列腺癌及結(jié)腸癌細胞中抑制自噬，能夠提高腫瘤細胞對方放化療的敏感性［12］。線粒體自噬是自噬的一種，它能通過清除去極化線粒體減少活性氧簇，達到細胞保護的目的。線粒體自噬甚至可通過減少線粒體外膜通透化（mitochondrialoutermembranepermeabilization,MOMP）和減少細胞色素C和SMAC/DIABLO等線粒體促凋亡蛋白的釋放阻止凋亡發(fā)生［13］。推動關(guān)系推動關(guān)系中自噬并不直接參與誘導(dǎo)細胞死亡，而是作為能量供應(yīng)者保障凋亡”順利進行。例如細胞在營養(yǎng)匱乏的情況下，通過上調(diào)自噬維持胞內(nèi)ATP水平，使得胞內(nèi)磷脂酰絲氨酸向胞外暴露釋放出凋亡信號［14］。凋亡小體形成的膜出泡過程依賴于ATP驅(qū)動肌動球蛋白收縮，如若抑制自噬會阻礙這類ATP依賴性凋亡特征發(fā)生，但對其它凋亡反應(yīng)并無影響［15］。3細胞自噬與細胞凋亡交互作用的重要調(diào)節(jié)子凋亡與自噬的多重交互作用方式必然存在共同的信號通路和調(diào)節(jié)蛋白，研究人員將其稱為交互作用調(diào)節(jié)子

［1-5,13］(圖1)。本文重點討論Bcl-2家族蛋白、胱天蛋白酶(caspase)、ATG蛋白和P53的雙重調(diào)節(jié)作用。Bcl-2蛋白家族Bcl-2家族蛋白在凋亡和自噬間起到關(guān)鍵性雙重調(diào)控作用。它們可分為3個亞類：共有BH1-BH3結(jié)構(gòu)域的促凋亡執(zhí)行蛋白Bax、Bak；共有BH1-BH4結(jié)構(gòu)域的抗凋亡蛋白Bcl-2、Bcl-xL、Mcl-1"又有BH3結(jié)構(gòu)域的促凋亡蛋白Bad、Noxa、BNIP3、Bid、Bim、Puma等［16］?？沟蛲龅鞍譓cl-1降解被發(fā)現(xiàn)是自噬激活的早期事件［17］。而Beclin-1是迄今發(fā)現(xiàn)的唯一與酵母自噬基因同源的哺乳動物自噬基因，被證實也是一種BH3-only蛋白，可與Bcl-2抗凋亡蛋白結(jié)合直接調(diào)控自噬和凋亡。當(dāng)它與Bcl-2/Bcl-xL結(jié)合構(gòu)成Beclin-1:Bcl-2/Bcl-xL復(fù)合體時可抑制Beclin-1激活自噬，但當(dāng)Bcl-2促凋亡蛋白競爭性結(jié)合Bcl-2/Bcl-xL時則Beclin-1被釋放誘發(fā)自噬。Beclin-1依賴性調(diào)節(jié)自噬的另一機制是通過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結(jié)構(gòu)域模擬物也被發(fā)現(xiàn)可通過競爭性結(jié)合Bcl-2/Bcl-xL釋放Beclin-1，誘導(dǎo)自噬。最新Lindqvist等［19］確定抗凋亡蛋白Bcl-2、Bcl-xL、Mcl-1不會直接影響自噬，而是通過抑制Bax、Bak方式間接發(fā)揮作用?？傊珺cl-2家族蛋白動態(tài)地調(diào)節(jié)著凋亡和自噬［5］。caspase凋亡相關(guān)caspase家族蛋白可與自噬相關(guān)蛋白互相影響。caspase-3通過剪切滅活Beclin-1抑制自噬促發(fā)凋亡［5,18］。研究發(fā)現(xiàn)凋亡死亡受體通路中DISC可在自噬體膜上組裝，應(yīng)用蛋白酶抑制劑如硼替佐米或溶酶體抑制劑氯喹抑制自噬，會增進DISC形成進一步激活caspase-8寡聚化誘導(dǎo)凋亡［20］。T細胞研究中發(fā)現(xiàn)caspase-8調(diào)控著自噬，caspase-8缺陷或Fas死亡結(jié)構(gòu)域相關(guān)蛋白(Fas-associateddeathdomain,FADD)缺陷的T細胞其自噬功能被上調(diào)［21］。Furuya等［22］發(fā)現(xiàn)Beclin-1可通過提高caspase-9活性而增強凋亡誘導(dǎo)劑誘發(fā)的細胞凋亡。ATG自噬體形成依賴于一系列ATG蛋白在蛋白泛素化過程中共價結(jié)合。ATG5和ATG12被譽為自噬的“核心”，為自噬體形成所必需，它們被發(fā)現(xiàn)還參與了細胞凋亡的調(diào)控。ATG5可以被Caplains剪切，造成ATG5N端片段以一種未知的機制轉(zhuǎn)位到線粒體，與抗凋亡蛋白Bcl-xL結(jié)合，促發(fā)線粒體細胞色素C釋放，誘導(dǎo)凋亡［23］。研究發(fā)現(xiàn)在一系列不同凋亡刺激下，ATG12不但是caspase激活所必需，它還可通過結(jié)合方式中和Bcl-2、Mcl-1的抗凋亡能力。進一步實驗則發(fā)現(xiàn)，ATG12是因為具備和Bcl-2、Mcl-1結(jié)合的BH3樣結(jié)構(gòu)域而具有促凋亡功能［24］。3.4P53

凋亡和自噬的交互作用也發(fā)生在基因轉(zhuǎn)錄水平抑癌基因p53是最好的例子。P53可上調(diào)促凋亡基因如Bax、PUMA、NOXA轉(zhuǎn)錄，抑制抗凋亡基因Bcl-2轉(zhuǎn)錄，是毫無爭議的凋亡激活因子［16］。自噬方面，P53通過轉(zhuǎn)錄依賴和非依賴機制發(fā)揮調(diào)節(jié)作用。P53轉(zhuǎn)錄激活A(yù)MPK和結(jié)節(jié)性硬化復(fù)合物1/2(tuberoussclerosiscomplex1/2,TSC1/TSC2)而抑制mTOR誘導(dǎo)自噬［5］;核內(nèi)P53還可轉(zhuǎn)錄激活損傷調(diào)節(jié)自噬調(diào)節(jié)子(damageregulatedautophagymodulator,DRAM)，提高自噬［25］;另一方面，胞質(zhì)P53與高遷移率盒蛋白1(highmobilitygroupboxchromosomalprotein1,HMGB1)形成復(fù)合物協(xié)調(diào)自噬水平，靶向敲除胞質(zhì)P53基因會提高HMGB1表達誘導(dǎo)自噬，而敲除HMGB1則提高胞質(zhì)P53表達水平抑制自噬［26］。此外還有報道自噬蛋白ATG7能夠直接調(diào)節(jié)P53表達［27］。隨著研究的廣泛和深入，自噬與凋亡相關(guān)的其它交互作用調(diào)節(jié)子也相繼被發(fā)現(xiàn)。諸如E2F1、NF-kB以及一些microRNA都在轉(zhuǎn)錄水平上發(fā)揮雙重協(xié)調(diào)作用；同時還有一些激酶信號傳導(dǎo)通路如JNK、PI3K/Akt/mTOR等也被證實在二者間扮演重要角色［3,5］。4展望綜上所述，自噬與凋亡之間存在多層次多元化的聯(lián)系，由此保證細胞在應(yīng)對各種應(yīng)激刺激時能夠完美地實現(xiàn)生與死的平衡，而當(dāng)這種微妙的平衡被打破,腫瘤等疾病便悄然而至。目前腫瘤等疾病的化療藥物多與誘導(dǎo)腫瘤細胞凋亡相關(guān)。雖然這些藥物的研究已取得可喜成績，但因腫瘤發(fā)病機制多與細胞凋亡功能缺陷相關(guān)，因而腫瘤對藥物的敏感性存在很大差異。尋求凋亡之外的替代或聯(lián)合化療方案已成為迫在眉睫的需求。近年一些靶向自噬通路的藥物研究表明，促