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细胞自噬的生物学概念

2022.9.02
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zhaoqisun

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属于丝氨酸/苏氨酸类蛋白激酶的ATG1/ULK1是启动自噬作用的关键蛋白激酶。自噬的初始阶段主要是诱导自噬和形成自噬膜,然而自噬膜的形成需要自噬前体(即自噬调控的重要节点)的形成。Beclin1-Vps34复合体是哺乳动物自噬的核心复合物。AtG4参与自噬泡的形成,而UVRAG作用于自噬泡成熟及其运输过程,Rubicon负调节其功能。诱导自噬后,在Atg14-Vps15-mVps34复合物作用下,启动膜泡的成核反应,进一步结合Atg21和Atg24,形成前自噬体。

自噬膜泡进一步扩张并包绕底物,最终形成自噬体。Atg12-Atg5复合物系统和LC3-Ⅱ-磷脂酰乙醇胺复合物系统均是泛素化系统,参与着自噬体的形成。目前已知p62蛋白会诱导镶嵌有LC3的自噬体到溶酶体,将其吞噬并清除,与底物结合的p62也能被蛋白水解酶降解,而细胞内的微管骨架其实也会将自噬体运输到溶酶体,水解酶在二者融合降解自噬体内容物,Rab7及UVRAG等因子参与此过程。目前已知Rab7与膜泡表面的脂分子尾部作用进行定位,而UVRAG则活化Rab7,将囊泡运送到靶位点。

自噬过程通常涉及两种泛素样偶联反应,以维持吞噬体的扩展。第1种反应发生在LC3 (酵母Atg8在哺乳动物中的同源物),LC3对溶酶体的形成是必需的。Atg4切割LC3获得弥散胞质状态的LC3-Ⅰ,LC3-Ⅰ其后与磷脂酰乙醇胺偶联,以形成膜结合状态的LC3-Ⅱ,LC3-Ⅱ其后定位于自噬体膜。Atg5-Atg12-Atg16L1复合物与前自噬体膜相关联,通过协助招募LC3延长它们的伸长。随着吞噬细胞扩大并接近闭合,Atg5-Atg12-Atg16L1复合物从外膜解离,而LC3-Ⅱ仍然与完成的自噬体结合。除此之外,mAtg9是核心Atg蛋白中唯一确定的多次跨膜蛋白,吞噬细胞的延伸也由mAtg9辅助。第2种反应则是在Atg12与Atg5共轭后,Atg16L1与偶联物Atg12-Atg5结合,形成一个对吞噬细胞成熟至关重要的Atg5-Atg12-Atg16L1复合物。

ATG8酯化在自噬发生过程中的作用仍未解释清楚,可以对促进自噬体膜的延伸和闭合起著关键作用。ATG8的酯化过程依赖于两个类泛素化系统的帮助。所有生物中的ATG5-ATG12共价结合复合物对于细胞内ATG8的酯化均是必须的。

在自噬相关基因中,Beclin1、Atg5、Atg12和LC3对自噬的诱导阶段十分重要。其中,LC3是自噬的关键蛋白,LC3前体正常会被ATG4切掉C端120个氨基酸,而残片称为LC3Ⅰ。胞膜形式的LC3Ⅰ在自噬发生时,已活化的LC3-Ⅰ经Atg3泛素化修饰后,与自噬泡膜表面的磷脂酰乙醇胺结合,形成自噬体膜形式且疏水性较强的LC3Ⅱ,并且铆钉于自噬泡双层膜结构上,参与细胞自噬。

ULK复合物对自噬诱导起始至关重要,主要由ULK1/2、自噬相关基因13(ATG13)、ATG101和200 kD家族相互作用蛋白组成。ULK1/2负责募集ATG蛋白,其中ULK1是哺乳动物自噬泡形成所必需的一种蛋白质,其活性缺失时LC3-Ⅱ不能形成,阻碍自噬过程。ULK1激酶复合体能够促进PI3K和ATG14形成复合物,并且促进Beclin1从Bcl2-Beclin1复合体中解离出来,形成参与自噬体核形成的关键因子Beclin1-PI3K-ATG14复合物。单磷酸腺苷活化蛋白质激酶(AMPK)和mTOR都可以催化ULK1的磷酸化 。AMPK在营养充足的条件下失活,mTORC活化并磷酸化ULK1和ATG13,从而抑制自噬起始。AMPK在饥饿条件下活化,同时mTORC失活,已活化的AMPK催化ULK1丝氨酸磷酸化,促进自噬作用。除此之外,ATG13可以由mTORC1磷酸化并调控ULK复合物的活性,ATG101结合并稳定FIP200,而FIP200则为ULK及ATG13提供支架。

PI3K复合物由Vps34、Vps15、Beclin1和Atg14蛋白组成,ULK1复合物在膜泡形成后会从由细胞质转移至内质网,并且增强PI3K复合物的活性,随后可产生磷脂酰肌醇-3磷酸酯,促进其他效应蛋白与自噬体膜结合,从而启动膜泡的成核反应,继而介导前自噬体的形成。


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