王懿崢，陳揚(yáng)，俞立?

①清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院PTN項(xiàng)目，北京 100084；②清華大學(xué)-北京大學(xué)生命科學(xué)聯(lián)合中心，清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院生物膜與膜生物工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084

細(xì)胞自噬研究概覽

王懿崢①②，陳揚(yáng)②，俞立②?

①清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院PTN項(xiàng)目，北京 100084；②清華大學(xué)-北京大學(xué)生命科學(xué)聯(lián)合中心，清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院生物膜與膜生物工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084

自噬(autophagy)是一種細(xì)胞通過(guò)溶酶體或液泡(酵母)，將受損的或多余的細(xì)胞組分降解形成生物小分子的細(xì)胞代謝過(guò)程，在真核生物中十分保守，而其正常與否也與人類(lèi)的身體健康密切相關(guān)。在距Christian de Duve發(fā)現(xiàn)溶酶體并提出自噬這個(gè)概念50多年后，日本分子細(xì)胞生物學(xué)家大隅良典因?qū)ψ允蓹C(jī)制的闡明做出的重大貢獻(xiàn)而獲得了2016年度諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。本文旨在回顧自Christian de Duve發(fā)現(xiàn)溶酶體至今自噬領(lǐng)域的發(fā)展歷程，并介紹中國(guó)的研究現(xiàn)狀。

自噬；研究史；大隅良典

2016年，日本科學(xué)家大隅良典(日文：おおすみよしのり，英文：Yoshinori Ohsumi)因在細(xì)胞自噬機(jī)制研究方面做出的重大貢獻(xiàn)獲得諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)[1]。自噬這一概念，最早是由溶酶體的發(fā)現(xiàn)者、著名的細(xì)胞生物學(xué)家Christian de Duve在1963年提出的。本文回顧了自發(fā)現(xiàn)溶酶體至今自噬領(lǐng)域的發(fā)展歷程，并介紹國(guó)內(nèi)的研究現(xiàn)狀。

1 什么是自噬

對(duì)細(xì)胞來(lái)說(shuō)，對(duì)環(huán)境中的營(yíng)養(yǎng)水平進(jìn)行響應(yīng)，并充分利用胞內(nèi)物質(zhì)與能源是一門(mén)“必修課”，而自噬就是其中一種手段。自噬是一種介由溶酶體或液泡(酵母)而進(jìn)行的具有或非選擇性的細(xì)胞組分降解，產(chǎn)生能量或生物小分子的細(xì)胞生理過(guò)程，并在真核生物中具有很高的保守性。自噬一般被分為三種類(lèi)型：微自噬(microautophagy)、巨自噬(macroautophagy)和分子伴侶介導(dǎo)的自噬(chaperone-mediated autophagy，CMA)。微自噬通過(guò)直接的溶酶體膜或液泡膜內(nèi)陷或突出，進(jìn)而吞食部分胞質(zhì)；而巨自噬則是通過(guò)生成一種獨(dú)立的雙層膜結(jié)構(gòu)——自噬體(autophagosome)包被胞質(zhì)組分并運(yùn)至溶酶體或液泡；CMA則是介由分子伴侶進(jìn)入溶酶體[2]。

自噬還可以根據(jù)其是否選擇性降解某些底物分為選擇性自噬(selective autophagy)和非選擇性自噬(non-selective autophagy)。常見(jiàn)的選擇性自噬包括Cvt (cytoplasm to vacuole targeting)通路、過(guò)氧化物酶體自噬(pexophagy)、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)自噬(ER phagy)及異體吞噬(xenophagy)等等[3]。

2 自噬的發(fā)現(xiàn)和提出

作為細(xì)胞“消化器官”的溶酶體，是在20世紀(jì)50年代被發(fā)現(xiàn)的。

1955年，比利時(shí)生物學(xué)家Christian de Duve等[4]在將大鼠肝臟細(xì)胞裂解物多重離心之后所獲的沉淀進(jìn)行了一系列的酶學(xué)檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)其中含有酸性磷酸酶、核酸酶以及β-葡萄糖醛酸苷酶等水解酶。因此，他根據(jù)其功能特點(diǎn)，將這一新發(fā)現(xiàn)的細(xì)胞器命名為“溶酶體(lysosome)”，意為“降解體(digest body)”。

電鏡的發(fā)展與應(yīng)用極大地促進(jìn)了人們對(duì)溶酶體的認(rèn)識(shí)和理解。在1956年，Alex B. Novikoff等[5]通過(guò)電鏡不僅觀察了純化所得溶酶體的結(jié)構(gòu)，而且還在大鼠肝臟組織切片中觀察到了類(lèi)似的結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步說(shuō)明了溶酶體是一類(lèi)真實(shí)存在的細(xì)胞器。

對(duì)溶酶體的形態(tài)學(xué)研究也促進(jìn)了對(duì)其功能的理解。相關(guān)學(xué)者先后在內(nèi)吞作用活躍的巨噬細(xì)胞和白細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)了大量的溶酶體，并發(fā)現(xiàn)內(nèi)吞形成的囊泡終究會(huì)與溶酶體融合[6]。

對(duì)溶酶體深入的研究也促使了自噬現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)。細(xì)胞外的物質(zhì)可以通過(guò)內(nèi)吞被細(xì)胞攝取并通過(guò)溶酶體被降解，而胞內(nèi)組分降解的細(xì)節(jié)在當(dāng)時(shí)就鮮為人知[7]。

1957年，S. L. Clark[8]在觀察新生小鼠腎臟細(xì)胞分化時(shí)，意外地觀察到了在細(xì)胞質(zhì)中存在著一些無(wú)固定形狀的、包裹著一些致密的片層結(jié)構(gòu)，甚至是線粒體的囊泡結(jié)構(gòu)。

1962年，T. P. Ashford和K. R. Porter[9]在用胰高血糖素處理大鼠肝臟后發(fā)現(xiàn)在肝臟細(xì)胞中產(chǎn)生了大量包裹著細(xì)胞組分的溶酶體。他們還發(fā)現(xiàn)線粒體更容易被溶酶體包裹。

基于大量的觀察和形態(tài)學(xué)研究，C. de Duve在1963年提出了“自噬(autophagy)”的概念[10]。

1968年，A. U. Arstila和B. F. Trump[11]通過(guò)利用胰高血糖素誘導(dǎo)自噬，發(fā)現(xiàn)了一種包被著細(xì)胞組分卻無(wú)水解酶的雙層膜結(jié)構(gòu)，即自噬體(autophagosome)和另一種含有多種水解酶的單層膜結(jié)構(gòu)，即自噬溶酶體(autophagolysosome)。通過(guò)總結(jié)前人和自己所觀察到的現(xiàn)象，他們繪制出的自噬相關(guān)囊泡的形成和互作的示意圖，使得人們對(duì)自噬的了解更加深入。

3 自噬的誘導(dǎo)和抑制

對(duì)自噬進(jìn)行系統(tǒng)的研究，其誘導(dǎo)及抑制系統(tǒng)的建立在當(dāng)時(shí)則顯得格外重要。

上文中所提及的T. P. Ashford和K. R. Porter在1962年的工作中，利用胰高血糖素來(lái)誘導(dǎo)大鼠肝臟細(xì)胞產(chǎn)生了大量的溶酶體。

1967年，R. L. Deter及C. de Duve[12]受到Ashford和Porter工作的啟發(fā)，發(fā)現(xiàn)胰高血糖素可以誘導(dǎo)肝臟細(xì)胞發(fā)生自噬，為后續(xù)對(duì)自噬生理功能等方面的研究提供了很好的模型。

1976年，G. E. Mortimore和W. F. Ward[13]在研究大鼠肝臟蛋白質(zhì)降解機(jī)理的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，氨基酸水平參與調(diào)解該過(guò)程。當(dāng)氨基酸濃度較高時(shí)，蛋白質(zhì)降解則受到抑制；反之，則促進(jìn)蛋白質(zhì)降解。

1980年，P. O. Seglen等[14]重復(fù)了G. E. Mortimore和W. F. Ward的工作，并發(fā)現(xiàn)亮氨酸和天冬酰胺共同使用時(shí)對(duì)自噬的抑制效果最佳。

1982年，P. O. Seglen和P. B. Gordon[15]發(fā)現(xiàn)3-甲基腺嘌呤(3-Methyladenine，3-MA)對(duì)細(xì)胞內(nèi)源蛋白的降解有明顯的抑制作用，并通過(guò)電鏡觀察發(fā)現(xiàn)細(xì)胞內(nèi)自噬體的形成也受到了明顯抑制。因此，他們認(rèn)為3-MA是一種自噬抑制劑，而3-MA本身也成為一種至今仍被廣泛使用的自噬抑制劑。

氨基酸饑餓和3-MA的發(fā)現(xiàn)使得科學(xué)家們找到了誘導(dǎo)自噬和抑制自噬的方式，使進(jìn)一步研究自噬的機(jī)制和生理功能變成了可能。

4 APG基因的發(fā)現(xiàn)

如果想對(duì)某一生理過(guò)程進(jìn)行研究，只停留在觀察現(xiàn)象是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，所以當(dāng)時(shí)的學(xué)者們開(kāi)始了對(duì)自噬基因?qū)用娴难芯?。但是很明顯，較長(zhǎng)的生命周期和較差的繁育能力，使得動(dòng)物模型并不是進(jìn)行遺傳篩選的最佳選擇。

日本學(xué)者大隅良典選擇利用釀酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)這一模式生物進(jìn)行遺傳篩選，以期篩選到一系列自噬缺陷菌株。釀酒酵母的細(xì)胞質(zhì)中存在著一個(gè)巨大的單層膜囊泡結(jié)構(gòu)，即液泡(vacuole)，其中富含氨基酸和各種離子等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，而且還含有多種水解酶，因此一般將其等同于哺乳動(dòng)物細(xì)胞的溶酶體。

1992年，大隅良典實(shí)驗(yàn)室的K. Takeshige等[16]發(fā)現(xiàn)缺乏蛋白酶A、B及羧肽酶Y的細(xì)胞在氮源或碳源饑餓之后，利用電鏡觀察到酵母液泡中有很多囊泡狀結(jié)構(gòu)，即自噬小體(autophagic body，翻譯為自噬小體是以期與自噬體autophagosome區(qū)別開(kāi)來(lái))，且該現(xiàn)象可以通過(guò)普通的相差或Nomarsky顯微鏡直接觀察，這就為后續(xù)的遺傳篩選提供了一個(gè)很好的工具。其中pep4Δ菌株至今仍是研究自噬缺陷重要的工程菌之一。

1993年，M. Tsukada和Y. Ohsumi[17]利用上述現(xiàn)象進(jìn)行了一系列的自噬缺陷突變菌株的篩選。他們采取了兩種方法：一是將誘變產(chǎn)生的菌株進(jìn)行碳源饑餓再通過(guò)顯微鏡觀察；二是將誘變產(chǎn)生的菌株影印至含有焰紅染料B(phloxine B)的氮源饑餓平板上，挑選變?yōu)榧t色的菌株再被含有苯甲基磺酰氟(phenylmethanesulfonyl fluoride，PMSF，PMSF可以使野生型菌株模擬出蛋白酶缺陷型菌株在饑餓之后的液泡中富集自噬小體的表型)的無(wú)氮源培養(yǎng)基饑餓后通過(guò)顯微鏡觀察。兩者皆是以液泡中未觀察到自噬小體為目標(biāo)菌株。

通過(guò)上述的方法，他們首先篩得了兩個(gè)突變菌株，發(fā)現(xiàn)這兩個(gè)突變是位于同一個(gè)等位基因，并將該基因位點(diǎn)命名為APG1(AutoPhaGy 1，即現(xiàn)在的ATG1)。利用這種方法，他們一共找到了15個(gè)基因，并將它們依次名命名為APG1～APG15。

經(jīng)過(guò)進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)，這些基因缺陷型的菌株在生長(zhǎng)增殖方面并未表現(xiàn)出明顯的缺陷，但在氮源饑餓之后它們的生存能力受到了巨大影響。這也是方法二中初篩的原理。

1997年，大隅良典實(shí)驗(yàn)室的A. Matsuura等[18]發(fā)現(xiàn)APG1編碼一種新型的絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶，且其激酶活性是自噬所必需的。

毋庸置疑，自噬相關(guān)基因的發(fā)現(xiàn)也極大地推進(jìn)了自噬機(jī)制在分子水平上的研究?？梢哉f(shuō)，沒(méi)有大隅良典的工作，自噬領(lǐng)域就不可能發(fā)展到今天的水平。

5 Cvt通路的發(fā)現(xiàn)

幾乎與大隅良典同時(shí)(1992年)，在太平洋彼岸美國(guó)的D. J. Klionsky等[19]發(fā)現(xiàn)釀酒酵母基因APE1所編碼的氨基肽酶I (aminopeptidase I， API)前體必須被送至液泡，且該過(guò)程依賴(lài)于基因PEP4。

1995年，D. J. Klionsky實(shí)驗(yàn)室的T. M. Harding等[20]利用遺傳誘變篩選的方法，找到了一系列使得API前體(pro-API)無(wú)法被轉(zhuǎn)化為成熟的API蛋白(mAPI)的基因，并將其命名為CVT1至CVT8(其中CVT4及CVT8被認(rèn)為分別是已被發(fā)現(xiàn)的VPS家族的VPS39及VPS41)，而該通路則被命名為細(xì)胞質(zhì)至液泡的尋靶[21](cytoplasm to vacuole targeting，Cvt)通路。

先于細(xì)胞質(zhì)中形成的囊泡定向與液泡融合，其內(nèi)容物可以被液泡中的蛋白酶降解。Cvt通路的這一特點(diǎn)，讓D. J. Klionsky意識(shí)到，Cvt通路可能與自噬有關(guān)。但同時(shí)他們也意識(shí)到，自噬發(fā)生于營(yíng)養(yǎng)匱乏時(shí)，而Cvt通路大多是在營(yíng)養(yǎng)充足的情況下進(jìn)行，所以?xún)烧咭泊嬖谥逃械牟煌?/p>

于是殊途同歸，在1997年，D. J. Klionsky與大隅良典實(shí)驗(yàn)室[22]合作闡明了Cvt通路和經(jīng)典自噬的區(qū)別與聯(lián)系。

2003年，為了自噬領(lǐng)域更好地進(jìn)行研究交流和討論，D. J. Klionsky、大隅良典及其他自噬領(lǐng)域的同仁[23]聯(lián)合發(fā)文，統(tǒng)一了自噬相關(guān)基因在釀酒酵母中的命名方法，即ATG相關(guān)基因(AuTophaGy related genes)。這一次命名的統(tǒng)一不僅總結(jié)了過(guò)去十幾年對(duì)自噬相關(guān)基因的一系列研究工作，還為接下來(lái)的研究消弭了很多不必要的麻煩，從此自噬領(lǐng)域進(jìn)入了高速發(fā)展時(shí)代。

6 自噬機(jī)制的研究時(shí)代

在大量與自噬相關(guān)的基因被鑒定之后，科學(xué)家們十分急迫地想了解，這些基因與基因、基因與自噬之間到底是一種怎樣的關(guān)系，于是自噬機(jī)制的研究如火如荼地進(jìn)行開(kāi)來(lái)。這其中最有名的莫過(guò)于兩大類(lèi)泛素化系統(tǒng)的發(fā)現(xiàn)。

首先是Atg12p-Atg5p類(lèi)泛素化系統(tǒng)。

1998年，大隅良典實(shí)驗(yàn)室的N. Mizushima等[25-26]，在利用蛋白質(zhì)免疫印跡手段檢測(cè)帶有HA標(biāo)簽的Atg12p(當(dāng)時(shí)還叫Apg12p，31.0～32.5 kD)時(shí)，發(fā)現(xiàn)在約70 kD的位置上多出來(lái)了一條帶。通過(guò)進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)，這是由于Atg5p與Atg12p結(jié)合形成類(lèi)泛素化系統(tǒng)穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)而導(dǎo)致的。爾后通過(guò)查詢(xún)數(shù)據(jù)庫(kù)，在人類(lèi)細(xì)胞系中找到了Atg12p的人類(lèi)同源物hAtg12，發(fā)現(xiàn)在人類(lèi)細(xì)胞中也存在著同樣的系統(tǒng)。

1999年，N. Mizushima等[27]又發(fā)現(xiàn)Atg12p-Atg5p的功能與Atg16p息息相關(guān)。Atg16p在形成Atg12p-Atg5p-Atg16p異源多聚體時(shí)行使連接功能；2001年，N. Mizushima等[28]發(fā)現(xiàn)Atg5p定位于隔離膜(isolation membrane)，且其與Atg12p結(jié)合的有無(wú)并不影響其定位；N. Mizushima等[29]又于2003年在小鼠中鑒定了與Atg5相互作用、與酵母Atg16p同源的Atg16L。

其次便是Atg8p-PE類(lèi)泛素化系統(tǒng)。

1999年，T. Kirisako等[30]發(fā)現(xiàn)自噬發(fā)生后Atg8會(huì)與隔離膜緊密相連，且該過(guò)程依賴(lài)于Atg4；緊接著2000年，T. Kirisako等[31]發(fā)現(xiàn)通過(guò)Atg4p切去Atg8p的甘氨酸殘基后，再經(jīng)E1樣酶Atg7p、E2樣酶Atg3p形成Atg8p-X復(fù)合物；同年，Y. Ichimura等[32]發(fā)現(xiàn)所謂的X是磷脂酰乙醇胺(phosphatidylethanolamine, PE)。

2000年，Y. Kabeya等[33]發(fā)現(xiàn)酵母Atg8p哺乳細(xì)胞同源物L(fēng)C3，在被翻譯后加工為L(zhǎng)C3-II后，會(huì)定位在自噬體及自噬溶酶體上。2004年，N. Mizushima等[34]將LC3/Atg8當(dāng)作一種標(biāo)記應(yīng)用于觀察小鼠不同組織細(xì)胞在不同營(yíng)養(yǎng)條件下的自噬情況。

與此同時(shí)還有Atg1-Atg13、PI3P復(fù)合體等自噬調(diào)節(jié)機(jī)制的發(fā)現(xiàn)，使得人們對(duì)自噬的理解更加深入。

7 疾病時(shí)代

自噬的分子機(jī)制被逐漸闡明的同時(shí)，有一波科學(xué)家開(kāi)始將目光有意無(wú)意地轉(zhuǎn)移到自噬與人類(lèi)疾病的關(guān)系上來(lái)，從而開(kāi)啟了自噬的“疾病時(shí)代”。

早在1999年，B. Levine實(shí)驗(yàn)室的X. H. Liang等[35]就發(fā)現(xiàn)酵母Atg6p的哺乳同源物Beclin 1可以抑制人類(lèi)乳腺癌細(xì)胞系MCF7的增殖和在裸鼠中的成瘤過(guò)程。

2000年，A. Petiot等[36]在HT-29細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)，PI3K直接參與細(xì)胞自噬過(guò)程；2001年，S. Arico等[37]發(fā)現(xiàn)腫瘤抑制因子PTEN通過(guò)抑制PI3K/蛋白激酶B通路來(lái)正向調(diào)控自噬；2001年，K. Podsypanina等[38]發(fā)現(xiàn)雷帕霉素的類(lèi)似物可以通過(guò)抑制mTOR的活性來(lái)減緩PTEN缺陷小鼠體內(nèi)腫瘤的形成。也正因此，在2002年時(shí)，雷帕霉素的類(lèi)似物CCI-779和RAD-001被運(yùn)用于臨床試驗(yàn)[39-40]。

2003年，B. Levine實(shí)驗(yàn)室的X. Qu等[41]進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)beclin 1的雜合敲除即可增加小鼠體內(nèi)形成惡性腫瘤的幾率，促進(jìn)細(xì)胞增殖。所以他們認(rèn)為自噬可能調(diào)控腫瘤的形成。

2006年，N. Mizushima實(shí)驗(yàn)室的T. Hara等[42]發(fā)現(xiàn)Atg5敲除小鼠神經(jīng)細(xì)胞在發(fā)育過(guò)程中存在漸進(jìn)的損傷，并在其神經(jīng)元的細(xì)胞質(zhì)中發(fā)現(xiàn)內(nèi)含體的積累。因此他們推斷，自噬可能通過(guò)降解不正常蛋白，避免其積累來(lái)保證神經(jīng)細(xì)胞的正常發(fā)育。

除去對(duì)傳統(tǒng)自噬異常導(dǎo)致的疾病的研究，科學(xué)家們對(duì)選擇性自噬與疾病關(guān)系的研究也越發(fā)深入。p62及Tollip等一系列重要的適配蛋白就此被發(fā)現(xiàn)。

2007年，M. Komatsu等[43]發(fā)現(xiàn)p62參與調(diào)控內(nèi)含體的形成，且敲除p62可以顯著緩解因自噬缺陷而導(dǎo)致的對(duì)肝細(xì)胞的損傷。所以自噬可能是通過(guò)調(diào)節(jié)p62的水平來(lái)調(diào)控內(nèi)含體的形成。有趣的是，同年S. Pankiv等[44]發(fā)現(xiàn)p62不僅參與內(nèi)含體的形成，還可以通過(guò)與泛素和LC3互作，將蛋白聚集體降解。

2014年，K. Lu等[44]在釀酒酵母中發(fā)現(xiàn)了類(lèi)似于哺乳細(xì)胞中的p62，通過(guò)與Atg8p及泛素互作，降解蛋白聚集體，卻不與p62同源的Cue5，并且在哺乳細(xì)胞中找到其同功同源物Tollip。進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)，Tollip可以通過(guò)選擇性自噬降解富谷氨酰胺蛋白來(lái)避免亨廷頓癥(Huntington’s disease)。

自噬同人類(lèi)健康和疾病之間極為密切的聯(lián)系，也讓人們開(kāi)始認(rèn)識(shí)到自噬其重要性。然而在用藥和監(jiān)控方面，自噬相關(guān)疾病的治療還任重而道遠(yuǎn)[45]。

綜上所述，我們可以將大隅良典對(duì)于自噬領(lǐng)域的貢獻(xiàn)總結(jié)為以下三個(gè)方面：①發(fā)現(xiàn)了ATG系列基因，不僅闡釋了自噬的分子機(jī)制，還為科學(xué)研究提供了阻抑自噬的手段；②發(fā)明了一系列檢測(cè)自噬水平的技術(shù)手段，例如GFP-Atg8p剪切實(shí)驗(yàn)及觀測(cè)GFP-Atg8p進(jìn)入液泡的情況等等；③為自噬領(lǐng)域培養(yǎng)了一大批科學(xué)人才，包括發(fā)現(xiàn)了Atg5p-Atg12p類(lèi)泛素化系統(tǒng)的N. Mizushima，發(fā)明了Pho8Δ60分析的T. Noda，以及發(fā)現(xiàn)自噬體標(biāo)記蛋白LC3的T. Yoshimori等等。

8 自噬與中國(guó)

我國(guó)在自噬領(lǐng)域起步較晚，但經(jīng)過(guò)多年的努力建設(shè)，我國(guó)的細(xì)胞自噬研究也已有長(zhǎng)足發(fā)展，得到國(guó)際同行的廣泛關(guān)注和認(rèn)可，在多個(gè)分領(lǐng)域已達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。

中國(guó)科學(xué)院生物物理研究所張宏研究員[46-49]鑒定了一系列多細(xì)胞生物特異的自噬新基因并闡明其作用機(jī)制，建立了以多細(xì)胞生物線蟲(chóng)為模式生物研究發(fā)育過(guò)程中自噬活性調(diào)控機(jī)制的模型。浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院劉偉教授[50-52]致力于研究乙酰化/去乙?；瘜?duì)自噬的影響、能量脅迫誘導(dǎo)的新自噬通路的分子調(diào)控機(jī)制和生理意義。中國(guó)科學(xué)院動(dòng)物研究所陳佺研究員[59-60]對(duì)線粒體選擇性自噬有深入的研究。清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院劉玉樂(lè)教授[61-62]鑒定了植物新自噬通路——葉綠體自噬，并在自噬調(diào)控植物先天免疫分子機(jī)制研究中取得重要進(jìn)展。北京大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院陳英玉教授[63-64]在新自噬分子的鑒定及其在腫瘤和自身免疫病中的作用研究中做出貢獻(xiàn)。上海交通大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院謝志平研究員[65-66]致力于自噬早期事件的研究。中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所楊崇林教授[67]長(zhǎng)期致力于溶酶體介導(dǎo)的蛋白質(zhì)降解通路的調(diào)控機(jī)制研究，同時(shí)在實(shí)驗(yàn)室中大力開(kāi)展了自噬晚期溶酶體事件的研究。上海生命科學(xué)研究院生物化學(xué)與細(xì)胞生物學(xué)研究所胡榮貴研究員[68]注重蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)平衡的研究，并尤其偏重于蛋白質(zhì)降解途徑中自噬途徑的研究。我們實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)自噬性溶酶體再生這一標(biāo)志自噬末期的細(xì)胞生物學(xué)過(guò)程，對(duì)其進(jìn)行了系統(tǒng)的研究(autophagic lysosome reformation, ALR)[53-58]，并利用酵母對(duì)自噬的調(diào)控進(jìn)行了深入的研究。

同時(shí)，多名中國(guó)科學(xué)家在Gordon Conference、Cold Spring Harbor、the Zing Conference、ISA、Keystone、EMBO Workshop等國(guó)際著名會(huì)議中擔(dān)任主席、分會(huì)主席或者受邀發(fā)表報(bào)告，影響力已不容小覷。俞立教授受邀作為2014年Keystone會(huì)議、2016年冷泉港亞洲會(huì)議的共同組織者，并被選為2020年Gordon國(guó)際自噬會(huì)議的主席。張宏研究員作為主席組織召開(kāi)了2015年第七屆國(guó)際細(xì)胞自噬會(huì)議。目前國(guó)內(nèi)已經(jīng)形成了以中年科學(xué)家為核心、青年科學(xué)家為骨干的研究隊(duì)伍，并逐步吸引領(lǐng)域相關(guān)人才的加入，具有一定的研究規(guī)模，成功搭建了重要的實(shí)驗(yàn)體系和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，建立了多種研究模型。此外還有一批海外歸國(guó)的青年科學(xué)家加入了自噬的研究隊(duì)伍。因此，當(dāng)前正是中國(guó)科學(xué)家對(duì)于自噬在多細(xì)胞生物中應(yīng)對(duì)多種脅迫條件的功能和生理學(xué)意義開(kāi)展研究的關(guān)鍵時(shí)機(jī)。

(2016年12月6日收稿)

[1] Nobelprize.org. Nobel Prizes and Laureates [EB/OL]. [2016-11-20]. http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/medicine/laureates/2016/.

[2] GLICK D, BARTH S, MACLEOD K F. Autophagy: cellular and molecular mechanisms [J]. J Pathol, 2010, 221(1): 3-12.

[3] 馮文之, 陳揚(yáng), 俞立. 細(xì)胞自噬分子機(jī)制的進(jìn)展[J]. 生命科學(xué), 2015, 27(7): 859-866.

[4] DE DUVE C, PRESSMAN B C, GIANETTO R, et al. Tissue fractionation studies. 6. Intracellular distribution patterns of enzymes in rat-liver tissue [J]. Biochem J, 1955, 60: 604-617.

[5] NOVIKOFF A B, BEAUFAY H, DE DUVE C. Electron microscopy of lysosome-rich fractions from rat liver [J]. J Biophys Biochem Cytol, 1956, 2:179-184.

[6] DE DUVE C, WATTIAUX R. Functions of lysosomes [J]. Annu Rev Physiol, 1966, 28: 435-492.

[7] OHSUMI Y. Historical landmarks of autophagy research [J]. Cell Research, 2014, 24: 9-23.

[8] CLARK S L. Cellular differentiation in the kidneys of newborn mice studies with the electron microscope [J]. J Biophys Biochem Cytol, 1957, 3: 349-362.

[9] ASHFORD T P, PORTER K R. Cytoplasmic components in hepatic cell lysosomes [J]. J Cell Biol, 1962, 12: 198-202.

[10] DE DUVE C. The lysosome concept [M]//DE REUCK A, CAMERON M P, eds. CIBA Foundation Symposium: Lysosome. Boston: Little Brown and Company, 1963.

[11] ARSTILA A U, TRUMP B F. Studies on cellular autophagocytosis. The formation of autophagic vacuoles in the liver after glucagonadministration [J]. Am J Pathol, 1968, 53: 687-733.

[12] DETER R L, BAUDHUIN P, DE DUVE C. Participation of lysosomes in cellular autophagy induced in rat liver by glucagon [J]. J Cell Biol, 1967, 35: C11-C16.

[13] MORTIMORE G E, WARD W F. Behavior of the lysosomal system during organ perfusion. An inquiry into the mechanism of hepatic proteolysis [J]. Front Biol, 1976, 45: 157-184.

[14] SEGLEN P O, GORDON P B, POLI A. Amino acid inhibition of the autophagic/lysosomal pathway of protein degradation in isolated rat hepatocytes [J]. Biochim Biophys Acta, 1980, 630: 103-118.

[15] SEGLEN P O, GORDON P B. 3-Methyladenine: specifc inhibitor of autophagic/lysosomal protein degradation in isolated rat hepatocytes [J]. Proc Natl Acad Sci USA, 1982, 79: 1889-1892.

[16] TAKESHIGE K, BABA M, TSUBOI S, et al. Autophagy in yeast demonstrated with proteinase-defcient mutants and conditions for its induction [J]. J Cell Biol, 1992, 119: 301-311.

[17] TSUKADA M, OHSUMI Y. Isolation and characterization of autophagy-defective mutants of Saccharomyces cerevisiae[J]. FEBS Lett, 1993, 333: 169-174.

[18] MATSUURA A, TSUKADA M, WADA Y, et al. Apg1p, a novel protein kinase required for the autophagic process in Saccharomyces cerevisiae [J]. Gene, 1997, 192: 245-250.

[19] KLIONSKY D J, CUEVA R, YAVER D S. Aminopeptidase I of Saccharomyces cerevisiaeis localized to the vacuole independent of the secretory pathway [J]. J Cell Biol, 1992, 119: 287-299.

[20] HARDING T M, MORANO K A, SCOTT S V, et al. Isolation and characterization of yeast mutants in the cytoplasm to vacuole protein targeting pathway [J]. J Cell Biol, 1995, 131: 591-602.

[21] LEVINE B, YOSHIMORI T, DERETIC V. 細(xì)胞自噬[M]. 程軼喆, 劉娟, 譯. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2012.

[22] BABA M, OSUMI M, SCOTT S V, et al. Two distinct pathways for targeting proteins from the cytoplasm to the vacuole/lysosome [J]. J Cell Biol, 1997, 139: 1687-1695.

[23] KLIONSKY D J, CREGG J M, DUNN W A, et al. A unified nomenclature for yeast autophagy-related genes [J]. Developmental Cell, 5: 539-545.

[24] FENG Y C, HE D, YAO Z Y, et al. The machinery of macroautophagy [J]. Cell Research, 2014, 24: 24-41.

[25] MIZUSHIMA N, NODA T, YOSHIMORI T, et al. A protein conjugation system essential for autophagy [J]. Nature, 1998, 395: 395-398.

[26] MIZUSHIMA N, SUGITA H, YOSHIMORI T, et al. A new protein conjugation system in human. The counterpart of the yeast Apg12p conjugation system essential for autophagy [J]. J Biol Chem, 1998, 273: 33889-33892.

[27] MIZUSHIMA N, NODA T, OHSUMI Y. Apg16p is required for the function of the Apg12p-Apg5p conjugate in the yeast autophagy pathway [J]. EMBO J, 1999, 18: 3888-3896.

[28] MIZUSHIMA N, YAMAMOTO A, HATANO M, et al. Dissection of autophagosome formation using Apg5-defcient mouse embryonic stem cells [J]. J Cell Biol, 2001, 152: 657-668.

[29] MIZUSHIMA N, KUMA A, KOBAYASHI Y, et al. Mouse Apg16L, novel WD-repeat protein, targets to the autophagic isolation membrane with the Apg12-Apg5 conjugate [J]. J Cell Sci, 2003, 116: 1679-1688.

[30] KIRISAKO T, BABA M, ISHIHARA N, et al. Formation process of autophagosome is traced with Apg8/Aut7p in yeast [J]. J Cell Biol, 1999, 147: 435-446.

[31] KIRISAKO T, ICHIMURA Y, OKADA H, et al. The reversible modifcation regulates the membrane-binding state of Apg8/Aut7 essential for autophagy and the cytoplasm to vacuole targeting pathway [J]. J Cell Biol, 2000, 151: 263-276.

[32] ICHIMURA Y, KIRISAKO T, TAKAO T, et al. A ubiquitin-like system mediates protein lipidation [J]. Nature, 2000, 408: 488-492.

[33] KABEYA Y, MIZUSHIMA N, UENO T, et al. LC3, a mammalian homologue of yeast Apg8p, is localized in autophagosome membranes after processing [J]. EMBO J, 2000, 19: 5720-5728.

[34] MIZUSHIMA N, YAMAMOTO A, MATSUI M, et al. In vivo analysis of autophagy in response to nutrient starvation using transgenic mice expressing a fuorescent autophagosome marker [J]. Mol Biol Cell, 2004, 15: 1101-1111.

[35] LIANG X H, JACKSON S, SEAMAN M, et al. Induction of autophagy and inhibition of tumorigenesis by beclin 1 [J]. Nature, 1999, 402: 672-676.

[36] PETIOT A, OGIER-DENIS E, BLOMMAART E F, et al. Distinct classes of phosphatidylinositol 3′-kinases are involved in signaling pathways that control macroautophagy in HT-29 cells [J]. J Biol Chem, 2000, 275: 992-998.

[37] ARICO S, PETIOT A, BAUVY C, et al. The tumor suppressor PTEN positively regulates macroautophagy by inhibiting the phosphatidylinositol 3-kinase/protein kinase B pathway [J]. J Biol Chem, 2001, 276: 35243-35246.

[38] PODSYPANINA K, LEE R T, POLITIS C, et al. An inhibitor of mTOR reduces neoplasia and normalizes p70/S6 kinase activity in Pten+/–mice [J]. Proc Natl Acad Sci USA, 2001, 98: 10320-10325.

[39] HUANG S, HOUGHTON P J. Inhibitors of mammalian target of rapamycin as novel antitumor agents: from bench to clinic [J]. Curr Opin Investig Drugs, 2002, 3: 295-304.

[40] ELIT L. CCI-779 Wyeth [J]. Curr Opin Investig Drugs, 2002, 3: 1249-1253.

[41] QU X, YU J, BHAGAT G, et al. Promotion of tumorigenesis by heterozygous disruption of the beclin 1 autophagy gene [J]. J Clin Investig, 2003, 112: 1809-1820.

[42] HARA T, NAKAMURA K, MATSUI M, et al. Suppression of basal autophagy in neural cells causes neurodegenerative disease in mice [J]. Nature, 2006, 441: 885-889.

[43] KOMATSU M, WAGURI S, KOIKE M, et al. Homeostatic levels of p62 control cytoplasmic inclusion body formation in autophagydefcient mice [J]. Cell, 2007, 131:1149-1163.

[44] PANKIV S, CLAUSEN T H, LAMARK T, et al. p62/SQSTM binds directly to Atg8/LC3 to facilitate degradation of ubiquitinated protein aggregates by autophagy [J]. J Bio Chem, 2007, 282: 24131-24145.

[45] JIANG P, MIZUSHIMA N. Autophagy and human diseases [J]. Cell Research, 2014, 24: 69-79.

[46] ZHANG Y, YAN L, ZHOU Z, et al. SEPA-1 mediates the specific recognition and degradation of P granule components by autophagy in C. elegans [J]. Cell, 2009, 136: 308-321.

[47] TIAN Y, LI Z, HU W, et al. C. elegans screen identifies autophagy genes specifc to multicellular organisms [J]. Cell, 2010, 141: 1042-1055.

[48] ZHAO H, ZHAO Y G, WANG X, et al. Mice defcient in Epg5 exhibit selective neuronal vulnerability to degeneration [J]. J Cell Biol, 2013, 200(6): 731-741.

[49] WU F, WATANABE Y, GUO X Y, et al. Structural basis of the differential function of the two C. elegans Atg8 homologs, LGG-1 and LGG-2, in autophagy [J]. Molecular Cell, 2015, 60: 914-929.

[50] GUO Y, CHANG C, HUANG R, et al. AP1 is essential for generation of autophagosomes from trans-Golgi network [J]. J Cell Sci, 2012, 125: 1706-1715.

[51] LIU B, FANG M D, HU Y, et al. Hepatitis B virus X protein inhibits autophagic degradation by impairing lysosomal maturation [J]. Autophagy, 2014, 10: 416-430.

[52] HUANG R, XU Y F, WAN W, et al. Deacetylation of nuclear LC3 drives autophagy initiation under starvation [J]. Mol Cell, 2015, 57: 456-466.

[53] YU L, MCPHEE C K, ZHENG L, et al. Autophagy termination and lysosome reformation regulated by mTOR [J]. Nature, 2010, 465(7300): 942-946.

[54] RONG Y, MCPHEE C K, DENG S, et al. Spinster is required for autophagic lysosome reformation and mTOR reactivation following starvation [J]. Proc Natl Acad Sci USA, 2011, 108(19): 7826-7831.

[55] RONG Y, LIU M, MA L, et al. Clathrin and phosphatidylinositol-4,5-bisphosphate regulate autophagic lysosome reformation [J]. Nat Cell Biol, 2012, 14(9): 924-934.

[56] DU W, SU Q P, CHEN Y, et al. Kinesin 1 drives autolysosome tabulation [J]. Dev Cell, 2016, 37(4): 326-336.

[57] YI C, MA M, RAN L, et al. Function and molecular mechanism of acetylation in autophagy regulation [J]. Science, 2012, 336: 474-477.

[58] MI N, CHEN Y, WANG S, et al. CapZ regulates autophagosomal membrane shaping by promoting actin assembly inside the isolation membrane [J]. Nat Cell Biol, 2015, 17(9): 1112-1123.

[59] WU H, XUE D F, CHEN G, et al. The BCL2L1 and PGAM5 axis defnes hypoxia-induced receptor-mediated mitophagy [J]. Autophagy, 2014, 10(10): 1712-1725.

[60] CHEN M, CHEN Z H, WANG Y Y, et al. Mitophagy receptor FUNDC1 regulates mitochondrial dynamics and mitophagy [J]. Autophagy, 2016, 12(4): 1-14.

[61] WANG Y, YU B, ZHAO J, et al. Autophagy contributes to the leaf starch degradation [J]. Plant Cell, 2013, 25(4): 1383-1399.

[62] WANG Y, ZHENG X, YU B, et al. Disruption of microtubules in plants suppresses macroautophagy and triggers starchy chloroplast autophagy [J]. Autophagy, 2015, 11(12): 2259-2274.

[63] CHANG Y, LI Y, HU J, et al. Adenovirus vector-mediated expression of TMEM166 inhibits human cancer cell growth by autophagy and apoptosis in vitro and in vivo [J]. Cancer Lett, 2013, 328(1): 126-134.

[64] WANG Z, HU J, LI G, et al. PHF23 (plant homeodomain fnger protein 23) negatively regulates cell autophagy by promoting ubiquitination and degradation of E3 ligase LRSAM1 [J]. Autophagy, 2014, 30: e36439.

[65] YU Z Q, NI T, HONG B, et al. Dual roles of Atg8-PE deconjugation by Atg4 in autophagy [J]. Autophagy, 2012, 8(6): 883-892.

[66] ZHU J, DENG S, LU P, et al. The Ccl1-Kin28 kinase complex regulates autophagy under nitrogen starvation [J]. J Cell Sci, 2016, 129(1): 135-144.

[67] LI Y, XU M, DING X, et al. Protein kinase C controls lysosome biogenesis independently of mTORC1 [J]. Nature Cell Biology, 2016, 18(10): 1065-1077.

[68] LIU Z, CHEN P, GAO H, et al. Ubiquitylation of autophagy receptor Optineurin by HACE1 activates selective autophagy for tumor suppression [J]. Cancer Cell, 2014, 26: 106-120.

[69] HAYASHI-NISHINO M, FUJITA N, NODA T, et al. A subdomain of the endoplasmic reticulum forms a cradle for autophagosome formation [J]. Nat Cell Biol, 2009, 11(12): 1433-1437.

[70] FUJITA N, HAYASHI-NISHINO M, FUKUMOTO H, et al. An Atg4B mutant hampers the lipidation of LC3 paralogues and causes defects in autophagosome closure [J]. Mol Biol Cell, 2008, 19: 4651-4659.

[71] SOU Y, WAGURI S, IWATA J, et al. The Atg8 conjugation system is indispensable for proper development of autophagic isolation membranes in mice [J]. Mol Biol Cell, 2008, 19: 4762-4775.

[72] SHIBUTANI S T, YOSHIMORI T. A current perspective of autophagosome biogenesis [J]. Cell Research, 2014, 24:58-68.

(編輯：段艷芳)

Brief history of autophagy research

WANG Yizheng①②, CHEN Yang②, YU Li②
①PTN Program, School of Life Sciences, Tsinghua University, Beijing 100084, China; ②State Key Laboratory of Biomembrane and Membrane Biotechnology, Tsinghua University-Peking University Joint Center for Life Sciences, School of Life Sciences, Tsinghua University, Beijing 100084, China

Autophagy is an evolutionarily conserved, lysosome based degradation process which plays important roles in various physiopathological conditions. Since Christian de Duve discovered lysosome, it has takenfour decadesfor autophagy researchers to reveal the basic mechanisms of autophagy. In 2016, Japanese biologist Yoshinori Ohsumi was awarded the Nobel Prize in Physiology or Medicine, for his discoveries of mechanisms for autophagy. In this review, wesummarized the key events in the development of autophagy research.

autophagy, brief history, Yoshinori Ohsumi

10.3969/j.issn.0253-9608.2016.06.003

?通信作者，國(guó)家杰出青年科學(xué)基金獲得者，主要研究新細(xì)胞器遷移體(migrasome)的機(jī)制與功能、自吞噬在細(xì)胞及分子水平上的調(diào)控機(jī)制。E-mail: liyulab@mail.tsinghua.edu.cn