细胞信号通路图解介绍之细胞自噬信号通路


一、细胞中的巨自噬(macroautophagy)事件(中间图)
巨自噬(这里指自噬)是一个发生在细胞质中的分解代谢过程,由具有双层或多层膜囊泡的“自噬小体”(autohpagosomes)包裹,继而传递至溶酶体(lysosomes)进行降解。巨自噬的触发阶段包括形成吞噬泡(phagophore),吞噬泡又被称为隔离膜,能够包裹细胞质中要被降解的物质(胞质溶胶和细胞器等)(这个阶段指泡成核阶段);其次,吞噬泡的膜进行延伸并将要降解的物质完全包裹(泡的延伸和完成阶段)。酵母中,PAS(吞噬小体前结构)包括了吞噬泡或其前体以及自噬蛋白(Atg proteins),PAS被认为是自噬小体形成位点。在酵母中,自噬小体(autophagosome)的外膜和细胞质中的空泡融合形成自噬体(autophagic body);在哺乳动物细胞中,自噬小体和溶酶体形成自噬性溶酶体(autolysosome或autohpagolysosome)(对接融合阶段)。在形成的自噬体/自噬性溶酶体中,内含物(需要被降解的物质)包括内膜系统都会被液泡/溶酶体水解酶所降解(囊泡分解阶段)。所产生的生物大分子通过渗透酶进入细胞质中进行循环。或者,在和溶酶体融合之前,自噬小体可能和内体(endoosome)融合形成amphisome(两者融合形成的一种中间囊泡)。
二、自噬的分子事件(左图和右图)
右图为酵母的自噬机制,左图为人或鼠的自噬机制。虽然酵母中的许多自噬调节子和效应子都能在哺乳动物中找到同源体(蓝色阴影椭圆表示),但并不是所有的ATG基因(自噬基因)都有已知的对应基因,反之亦然。虽然诸如盘基网丙菌、拟南芥、果蝇、黑腹菌、秀丽隐杆线虫等模式真核生物中也有不同程度的重合,但是与酵母或哺乳动物相比缺乏完整的融合(convergence)。
三、起始阶段:调节和泡成核
酵母中,营养丰富的情况下,细胞自噬被TOR丝氨酸/苏氨酸激酶抑制。TOR可直接或间接磷酸化Atg13,导致其对Atg1激酶的活性降低并从自噬诱导复合体(autophagy-inducing complex)上解离下来。 营养匮乏的时候(最好的自噬诱导因子),TOR被抑制,去磷酸化状态的Atg13与Atg1等因子相互作用,使得Atg1获得催化活性,诱导自噬的发生。
类似地,哺乳动物的自噬作用也由营养匮乏刺激产生,可能通过mTOR抑制激活或者以不依赖于mTOR的方式激活III型PI3K复合体触发(只是截至目前不明白后者的具体机制)。此外,哺乳动物的自噬作用也可因为胰岛素和其他生长因子的缺乏而触发,触发信号通过受体酪氨酸激酶激活自噬抑制性的I型PI3K通路和包括Akt和mTOR在内的下游激酶。磷酸化的PTEN对I型PI3K负调控。在低能量情况下比如细胞质中ATP下降而AMP增加时,AMPK的激活抑制了mTOR的活性导致自噬被激活。虽然Atg1同源的人类自噬基因ULK1已经被鉴定出来,但是mTOR活性抑制是怎样激活人和鼠细胞自噬的尚且还不清楚。细胞质因子IP3可以通过内质网上的IP3受体抑制细胞的自噬作用。还有许多这里没有介绍的因子,诸如eIF2α,肿瘤抑制蛋白p53,JNK1,GTPases,Erk1/2,ceramide(神经酰胺),calcium(钙离子)等都可对自噬产生调控作用。酵母和哺乳动物中,在起始的泡成核阶段,III型PI3K(Vps34激酶家族)的活化产生了PI3P。III型PI3K活化依赖于一个蛋白复合体的形成,在酵母中,这个复合体包括Atg6/Beclin 1,酰化Vps15激酶(myristoylated Vps15 kinase)和Atg14;在哺乳动物中,这个复合体包括Atg6/Beclin 1,Vps15,UVRAG, Bif-1 (也叫做endophilin B1)和Ambra1。哺乳动物中,Beclin1能够和Bcl-2或Bcl-XL相互作用,而自噬作用的触发则需要Beclin1从Bcl-2或Bcl-XL(作为Beclin1的抑制子)上解离下来。已知Beclin 1占据了能够和Bcl-2或Bcl-XL中BH3受体相互作用的BH3结构域,而要Beclin 1解离下来并且激活自噬作用,其中一个机制是用包含BH3结构域的蛋白(所谓的BH3-only proteins)去竞争性结合Bcl-2/Bcl-XL。此外,JNK1磷酸化Bcl-2的活性环(flexible loop)调节Beclin 1从Bcl-2上解离下来,继而激活自噬作用(没有演示)。
四、泡的延伸和完成,膜的完全愈合(Membrane Retrieval)
在酵母和哺乳动物中,两种进化上高度保守的类泛素共轭系统(ubiquitin-like conjugation systems)是泡的延伸和完成过程的一部分。第一种路径中包括了在类E1酶Atg7和类E2酶的Atg10的辅助下进行的Atg12和Atg5共价结合(covalent conjugation)。这个共价结合的过程发生在Atg16·Atg5–Atg12组成的复合体中。第二种路径中包括了由蛋白酶Atg4,类E1酶Atg7和类E2酶Atg3序列激活磷脂酰乙醇胺(PE)和Atg8/LC3(酵母和哺乳动物中的同源体)中甘氨酸残基相结合。这种脂质连接导致Atg8(酵母中)或LC3(命名为LC3-I)(哺乳动物中)从可溶性状态转变成了自噬泡相应的状态Atg8-PE和LC3-II(或LC3 PE)。 在体内系统中,酵母Atg8调节包含了Atg8-PE的脂质体(liposomes)的捕捉和半融合。这一膜的融合过程可能解释了吞噬泡的膜延伸和膜隔离的过程。
Atg9(酵母和哺乳动物细胞)和Atg27(酵母中)是Atg蛋白家族中已知的唯一整合膜蛋白。围绕Atg9建立的分子复合体能提供脂质给初期或扩张期的吞噬泡膜,然后又循环进入细胞质中(包括酵母中的PAS)去从外周的位点募集脂质。酵母中,Atg9循环系统包括Atg1激酶复合体,Atg2和Atg18(结合PI3P),所有这些都被来自于PAS(被认为是自噬小体形成位点)的Atg9恢复所需要的。酵母Atg9高效率传递到PAS位点需要Atg9转运因子Atg23和Atg27。Atg11作为一个结合子(adaptor)和Atg9、Atg1的相互作用。哺乳动物中,在Atg9依赖的膜恢复复合体(membrane retrieval complex)中Atg18是目前为止唯一被鉴定出来的蛋白。
五、对接和融合(Docking and Fusion)
一旦自噬小体形成,自噬小体就会进一步和溶酶体融合而成熟并最终形成自噬溶酶体。在哺乳动物中,自噬体-溶酶体的融合没有研究清楚,但整合性的溶酶体膜蛋白LAMP-2和GTP连接蛋白Rab7被牵涉在其中。在酵母中,自噬小体-空泡融合牵涉了Rab家族GTP酶Ypt7p;蛋白SNARE是家族Vam3,Vam7(连接PI3P),Vti1,和Ykt6;HOPS复合体成员(又叫做C型Vps复合体)和其他两种蛋白Mon1和Ccz1.
六、囊泡分解阶段(Vesicle Breakdown and Degradation)
在自噬溶酶体中,自噬泡内膜和腔内含物都被溶酶体酶(在酸性的“隔间”中能发挥最大的作用)降解。在这个降解过程中,酵母Atg15是唯一的酶,Atg15是公认的自噬小体内泡囊的脂肪酶。在哺乳动物细胞中,一系列溶酶体蛋白酶(cathepsins B,D和L)是自噬小体内含物降解所必需的。一旦大分子在溶酶体/液泡中降解后,单体分子(如氨基酸,脂质)再次循环进入细胞质中被重新利用。酵母Atg22是一个公认的氨基酸泵出泵。

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