劉　佳　楊　慧

(首都醫(yī)科大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院神經(jīng)生物學(xué)系　北京腦重大疾病研究院，北京 100069)

?

· 諾貝爾獎(jiǎng) ·

自噬：細(xì)胞的“清道夫”
——2016年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)簡(jiǎn)介

劉佳楊慧*

(首都醫(yī)科大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院神經(jīng)生物學(xué)系北京腦重大疾病研究院，北京 100069)

2016 年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)?lì)C發(fā)給日本國籍科學(xué)家大隅良典(Yoshinori Ohsumi)，以表彰他在自噬分子機(jī)制研究中所做出的卓越貢獻(xiàn)。

自噬；諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)； 大隅良典

2016年10月3日，瑞典卡羅林斯卡醫(yī)學(xué)院宣布，將本年度諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)授予日本東京工業(yè)大學(xué)的大隅良典(Yoshinori Ohsumi)教授，以表彰他在自噬反應(yīng)領(lǐng)域中所做出的卓越貢獻(xiàn)。他的工作不但揭示了一種基本的細(xì)胞機(jī)能，同時(shí)更為多種疾病的分子機(jī)制研究鋪平了道路，包括癌癥、神經(jīng)退行性疾病、糖尿病、心肌病等。

自噬，是一種細(xì)胞對(duì)自身成分進(jìn)行降解并回收利用的基本過程。通俗地說，細(xì)胞可以既通過降解自身的非必需成分來回收利用營(yíng)養(yǎng)和能量，同時(shí)也可以通過降解一些毒性成分以阻止細(xì)胞損傷，從而維持細(xì)胞穩(wěn)態(tài)。由此可知，自噬并不只發(fā)生于病變的細(xì)胞里，而是廣泛發(fā)生于所有細(xì)胞中。它好比一個(gè)清潔工，隨時(shí)都要工作，把細(xì)胞內(nèi)不需要的或有毒性的蛋白質(zhì)聚集體、耗竭的細(xì)胞器及時(shí)清除，從而保持細(xì)胞的清潔并維持細(xì)胞內(nèi)的穩(wěn)態(tài)。然而，自噬的活性會(huì)隨著衰老的過程而逐漸減弱，因此衰老的細(xì)胞中通常會(huì)堆積一系列受損的細(xì)胞器、蛋白聚集體等，從而影響細(xì)胞的正常功能。這也將自噬和癌癥、神經(jīng)退行性疾病等密切的聯(lián)系了起來。那么，提高自噬水平就可以抵抗衰老嗎？事實(shí)并非如此，自噬是一把“雙刃劍”，適度的自噬是細(xì)胞的清道夫，可以維持細(xì)胞的正常功能，然而過度的自噬卻可以加速細(xì)胞的死亡。因此，為了能夠更好地使用這把“雙刃劍”，科學(xué)家們開始有了一系列的疑惑：自噬的分子機(jī)制是什么？自噬如何被調(diào)節(jié)？是否可以通過調(diào)節(jié)自噬而干預(yù)疾病的進(jìn)展？大隅良典教授對(duì)自噬分子機(jī)制的研究打開了自噬這個(gè)未知領(lǐng)域的大門，諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)評(píng)委會(huì)主席朱琳·吉拉斯這樣評(píng)價(jià)大隅良典的研究成果：曾經(jīng)，人們一直認(rèn)為溶酶體是細(xì)胞內(nèi)的垃圾場(chǎng)，但直到大隅良典的研究問世后，才讓人們意識(shí)到這并不是一個(gè)簡(jiǎn)單的垃圾場(chǎng)，而是一個(gè)擁有著復(fù)雜巧妙工作機(jī)制的回收站。

1　獲獎(jiǎng)?wù)吆?jiǎn)介

大隅良典(圖1)于1945年2月9日出生于日本福岡，現(xiàn)任日本東京工業(yè)大學(xué)前沿科學(xué)研究中心教授，是日本著名的分子細(xì)胞生物學(xué)家，多年來致力于細(xì)胞自噬機(jī)制的研究。大隅良典分別于1967年和1974年在東京大學(xué)獲得學(xué)士和博士學(xué)位，1974至1977年在紐約洛克菲勒大學(xué)進(jìn)行博士后研究工作。1977年，大隅良典返回日本東京大學(xué)任職。1996年，大隅良典到日本國家生物學(xué)研究所任教授。自2009年開始，大隅良典開始任日本東京工業(yè)大學(xué)前沿科學(xué)研究中心教授，2014年被評(píng)為該校榮譽(yù)教授。大隅良典教授是自噬分子機(jī)制和生理學(xué)功能研究的先驅(qū)者和奠基人，他的研究團(tuán)隊(duì)主要以酵母為模式生物，發(fā)現(xiàn)多個(gè)自噬相關(guān)基因(autophagy related gene)，并闡明了其功能，為自噬的研究發(fā)展做出了杰出的貢獻(xiàn)。大隅良典教授團(tuán)隊(duì)發(fā)表高水平科研論文200余篇，曾獲得“Fujihara Award”、“Japan Academy Prize”、“Kyoto Prize”、“Gairdner Foundation International Award”“International Prize for Biology”“Wiley Prize in Biomedical Sciences”等重要獎(jiǎng)項(xiàng)。大隅良典教授現(xiàn)為歐洲分子生物學(xué)組織(European Molecular Biology Laboratory， EMBO)、日本分子生物學(xué)學(xué)會(huì)、美國細(xì)胞學(xué)學(xué)會(huì)等成員，并擔(dān)任多個(gè)國際知名學(xué)術(shù)期刊的編委。

圖1　大隅良典教授

2　主要科學(xué)貢獻(xiàn)

20世紀(jì)中期， 比利時(shí)生物學(xué)家Christian de Duve在細(xì)胞內(nèi)發(fā)現(xiàn)了溶酶體結(jié)構(gòu)，這個(gè)結(jié)構(gòu)好比細(xì)胞內(nèi)的回收站，專門負(fù)責(zé)回收細(xì)胞內(nèi)多余或耗竭的組分。正是因?yàn)榘l(fā)現(xiàn)了溶酶體，Christian de Duve教授于1974年獲得了諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。1963年，自噬一詞也是被Christian de Duve教授第一次所定義，該詞的詞源是auto(自)和phagein(吃)。顧名思義，自噬是指細(xì)胞自我消化的方式。這是一種十分奇妙的現(xiàn)象，即當(dāng)細(xì)胞處于特定條件(如饑餓)中，會(huì)通過細(xì)胞內(nèi)一些膜性結(jié)構(gòu)發(fā)生的微妙的變化，形成一個(gè)布袋樣結(jié)構(gòu)，將細(xì)胞內(nèi)的某些胞質(zhì)、蛋白質(zhì)或細(xì)胞器包裹起來并降解掉，從而滿足細(xì)胞所需要的能量并維持細(xì)胞穩(wěn)態(tài)(圖2)。

圖2　自噬溶酶體降解通路[1]

由內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、高爾基體、線粒體等脫落的雙層膜包裹部分細(xì)胞質(zhì)和胞內(nèi)待降解的細(xì)胞器、蛋白質(zhì)成分形成自噬小體(autophagosome)，后者與溶酶體融合形成自噬溶酶體(autolysosome)，從而降解其所包裹的內(nèi)容物，以滿足細(xì)胞本身的能量代謝需要及細(xì)胞器的更新。

1)主要成就：盡管自噬早在1963年便被定義，但這個(gè)領(lǐng)域卻沒有被科學(xué)家們廣泛關(guān)注，因?yàn)楫?dāng)時(shí)絕大多數(shù)的研究者們將重點(diǎn)集中在了另一種蛋白降解途徑上，即泛素蛋白酶體系統(tǒng)(ubiquitin proteasome system, UPS)。然而，隨著UPS研究的深入，研究者們逐漸發(fā)現(xiàn)這種過程雖然可以有效的降解細(xì)胞內(nèi)小分子的可溶性蛋白，但是卻不能清除大分子的蛋白復(fù)合體或耗盡的細(xì)胞器。因此便引出了科學(xué)家們的疑惑，即這些大分子蛋白或細(xì)胞器是不是可以通過自噬清除呢？如果可以，那么自噬的機(jī)制是什么？ 基于這些問題，研究者們逐漸開始關(guān)注并探索自噬的分子機(jī)制，但是在這一研究的道路上困難重重，以至于在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，有關(guān)自噬過程的分子機(jī)制始終是一個(gè)謎。直到20世紀(jì)90年代初期，大隅良典通過一系列精妙的實(shí)驗(yàn)闡述了酵母細(xì)胞中自噬的分子機(jī)制，從而開啟了自噬分子機(jī)制研究的大門(圖3)。

自1988年大隅良典教授留學(xué)回國并創(chuàng)立了自己的實(shí)驗(yàn)室后，他便把研究方向集中到了蛋白質(zhì)在液泡中的降解過程上，液泡是酵母細(xì)胞中的一種功能類似于溶酶體的細(xì)胞器。然而在大隅良典的研究的開始階段，他便遇到了一個(gè)科學(xué)難題：酵母細(xì)胞非常小，現(xiàn)有的顯微技術(shù)很難清楚地觀察到其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，因此便無法確定在酵母細(xì)胞中是否同樣存在自噬現(xiàn)象。為了解決這個(gè)難題，他試圖破壞自噬過程中最后一步的降解過程，即阻斷液泡對(duì)蛋白質(zhì)的分解，這樣如果自噬小體可以形成但又不會(huì)被降解，就會(huì)大量堆積在細(xì)胞內(nèi)，從而便容易被觀察到了。直到1992年，大隅良典教授找到了一種因突變而缺乏液泡降解酶的酵母細(xì)胞株，并且發(fā)現(xiàn)在饑餓的情況下，短短幾個(gè)小時(shí)內(nèi)，這種突變的酵母細(xì)胞內(nèi)便出現(xiàn)大量囊泡樣結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)正是自噬體(圖4)。大隅良典的實(shí)驗(yàn)第一次證明了在酵母細(xì)胞中同樣存在自噬現(xiàn)象，這也成為了自噬領(lǐng)域的一個(gè)突破性發(fā)現(xiàn)，相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)表在了JCellBiol雜志上[3]。隨后，大隅良典大膽猜想在細(xì)胞自噬過程中是否存在某個(gè)或某幾個(gè)關(guān)鍵基因，如果突變了這些基因，自噬是不是就會(huì)被阻斷了呢？基于這個(gè)想法，大隅良典決定進(jìn)行突變株篩選，并在1993年成功找到了一批與自噬相關(guān)的酵母突變體[4]。4年后，大隅良典教授的研究團(tuán)隊(duì)成功克隆出了ATG1基因[5]。2000年，大隅良典教授在EMBOJ上發(fā)表論文，闡述了微管相關(guān)蛋白LC3(ATG8)在自噬體膜表面的定位及其相關(guān)功能，這篇論文至今共被引用4 200余次，成為了自噬研究領(lǐng)域的另一里程碑[6]。之后，30余個(gè)ATG基因陸續(xù)被發(fā)現(xiàn)，隨之，與自噬相關(guān)的信號(hào)通路也漸漸被闡明。近年來，當(dāng)絕大部分科學(xué)家不斷探索自噬產(chǎn)生的后果以及與疾病的關(guān)系時(shí)，大隅良典的團(tuán)隊(duì)另辟蹊徑，仍將目光集中于自噬的發(fā)生層面。他們通過對(duì)酵母的研究發(fā)現(xiàn)，促進(jìn)自噬過程的ATG13蛋白會(huì)與其他4種蛋白質(zhì)通過網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)進(jìn)行連接形成一個(gè)巨大的細(xì)胞自噬啟動(dòng)裝置。這個(gè)裝置能通過創(chuàng)造出雙層膜結(jié)構(gòu)，招募待分解物質(zhì)。這個(gè)研究成果對(duì)于預(yù)防和治療與自噬紊亂相關(guān)的癌癥或神經(jīng)退行性疾病都有著重要意義[7]。

圖3　自噬研究論文數(shù)量[2]

圖4　饑餓狀態(tài)下酵母細(xì)胞體內(nèi)自噬小體[3]

氮缺乏培養(yǎng)基處理BJ3505細(xì)胞2h后細(xì)胞形態(tài)學(xué)改變。A．低倍鏡下; B. 高倍鏡下。AB：自噬小體，V：液泡。

2)科學(xué)意義：(1)該研究開啟了自噬分子機(jī)制研究的大門。自1963年自噬被定義以來，至今已經(jīng)50余年。但在早期，這個(gè)未知的領(lǐng)域并沒有被科學(xué)家們過多的關(guān)注，直到20世紀(jì)90年代初，大隅良典的開拓性研究問世后，自噬機(jī)制在生理及醫(yī)學(xué)研究中的核心重要性才廣泛被人們意識(shí)到。同時(shí)，大隅良典對(duì)于Atg1和LC3的克隆及功能學(xué)研究也為后續(xù)自噬相關(guān)基因的發(fā)現(xiàn)、自噬通路的分子機(jī)制研究以及干預(yù)奠定了基礎(chǔ)。(2)該研究有助于探究癌癥、神經(jīng)退行性疾病等病理機(jī)制，并為這些疾病的治療提供了新的思路。在大隅良典以及其他研究者的努力下，細(xì)胞自噬的分子機(jī)制及其功能也漸漸被闡明。細(xì)胞可以通過自噬為自身提供能量、更新組件，然而自噬的紊亂也在一系列疾病的致病機(jī)制中起著舉足輕重的作用，尤其是癌癥和神經(jīng)退行性疾病。

自噬與癌癥：對(duì)于癌癥來說，自噬是一把雙刃劍。在腫瘤產(chǎn)生過程中，細(xì)胞內(nèi)的氧化損傷會(huì)導(dǎo)致蛋白損傷及堆積，而后者又會(huì)進(jìn)一步造成DNA損傷，DNA損傷無法修復(fù)便會(huì)導(dǎo)致癌變，這種情況下，良好的自噬系統(tǒng)可以抑制正常細(xì)胞的惡性轉(zhuǎn)化以及腫瘤的發(fā)生。然而當(dāng)癌癥患者接受了放射治療或化學(xué)藥物治療后，奄奄一息的癌細(xì)胞又可能通過自噬系統(tǒng)而存活下來，從而使癌癥無法根治，這又使得自噬促進(jìn)了癌細(xì)胞的生存以及疾病的發(fā)展。因此適時(shí)適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)自噬成為了攻破癌癥的一個(gè)可行的方向[8]。

自噬與神經(jīng)退行性疾?。河捎谧允赡軌蚯宄?xì)胞中的大量殘?jiān)褪軗p的細(xì)胞器，因此對(duì)于神經(jīng)元這種長(zhǎng)壽細(xì)胞，自噬的作用便顯得尤為重要。伴隨著衰老的進(jìn)程，神經(jīng)退行性疾病的發(fā)病率逐漸升高，包括阿爾茨海默病(Alzheimer’s disease, AD)、帕金森病(Parkinson’s disease, PD)等。然而，這些疾病典型的病理改變與蛋白質(zhì)的堆積密切相關(guān)，包括β-淀粉樣蛋白(Aβ)、tau蛋白、α-突觸核蛋白(α-synuclein, α-syn)等。因此，研究人員普遍認(rèn)為自噬功能的紊亂與神經(jīng)退行性疾病的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)，調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)的自噬水平也可能成為一種有效的疾病干預(yù)手段[9]。

3)諸多相關(guān)問題有待揭示：大隅良典在接受諾貝爾媒體采訪時(shí)對(duì)其首席科學(xué)官 Adam Smith說道：自噬仍是一個(gè)未知的領(lǐng)域，現(xiàn)在這個(gè)領(lǐng)域需要解決的問題看上去比我開始研究時(shí)還要多！因此，盡管大隅良典為自噬分子機(jī)制的研究奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，但人們對(duì)自噬的了解仍然只是冰山一角。在這個(gè)領(lǐng)域中仍有許多問題有待澄清？如自噬體膜的來源、降解底物的識(shí)別性、特殊細(xì)胞器如線粒體自噬的分子機(jī)制等。因此，細(xì)胞自噬的大門才剛剛打開，一個(gè)龐大的未知世界等著我們?nèi)ヌ剿鳌?/p>

總之，大隅良典在自噬領(lǐng)域做出的杰出貢獻(xiàn)開啟了科學(xué)家們揭示細(xì)胞循環(huán)自身內(nèi)容物的新紀(jì)元，為理解機(jī)體內(nèi)許多生理學(xué)過程鋪平了道路，為癌癥、神經(jīng)退行性疾病的治療迎來了曙光。

[1]Lamb C A, Yoshimori T, Tooze S A. The autophagosome: origins unknown, biogenesis complex[J]. Nat Rev Mol Cell Biol, 2013, 14(12): 759-774.

[2]Ohsumi Y. Historical landmarks of autophagy research[J]. Cell Res, 2014, 24(1): 9-23.

[3]Takeshige K, Baba M, Tsuboi S, et al. Autophagy in yeast demonstrated with proteinase-deficient mutants and conditions for its induction[J]. J Cell Biol, 1992, 119(2): 301-311.

[4]Tsukada M, Ohsumi Y. Isolation and characterization of autophagy-defective mutants of Saccharomyces cerevisiae[J]. FEBS Lett, 1993, 333(1-2): 169-174.

[5]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(2): 245-250.

[6]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(21): 5720-5728.

[7]Yamamoto H, Fujioka Y, Suzuki S W, et al. The Intrinsically Disordered Protein Atg13 Mediates Supramolecular Assembly of Autophagy Initiation Complexes[J]. Dev Cell, 2016, 38(1): 86-99.

[8]Mowers E E, Sharifi M N, Macleod K F. Autophagy in cancer metastasis[J]. Oncogene, 2016.doi: 10.1038/onc.2016.333. [Epub ahead of print].

[9]Menzies F M, Fleming A, Rubinsztein D C. Compromised autophagy and neurodegenerative diseases[J]. Nat Rev Neurosci, 2015, 16(6): 345-357.

編輯陳瑞芳

， E-mail：huiyang@ccmu.edu.cn

Autophagy：intracellular “scavenger”—— introduction of Nobel Prize in Physiology or Medicine 2016

Liu Jia, Yang Hui*

(DepartmentofNeurobiology,SchoolofBasicMedicalSciences,CapitalMedicalUniversity;BeijingInstituteforBrainDisorders,Beijing100069,China)

The Nobel Prize in Physiology or Medicine 2016 was awarded to Yoshinori Ohsumi for his discoveries of mechanisms for autophagy.

autophagy; The Nobel Prize in Physiology or Medicine; Yoshinori Ohsumi

時(shí)間：2016-07-0010∶55

http://www.cnki.net/kcms/detail/11.3662.R.20161016.1055.002.html

10.3969/j.issn.1006-7795.2016.05.027]

2016-10-10)