陳玨蓉綜述，郭佳男, 何 葦審校

0 引 言

初級(jí)纖毛是一種以微管為基礎(chǔ)的細(xì)胞器，突出于細(xì)胞表面并投射到細(xì)胞外環(huán)境中，起到細(xì)胞感受器的作用[1]。該細(xì)胞器可感知細(xì)胞外機(jī)械和化學(xué)信號(hào)變化，并可通過(guò)介導(dǎo)多種分子信號(hào)通路將信息傳導(dǎo)至細(xì)胞內(nèi)[2]。初級(jí)纖毛的纖毛膜富含多種信號(hào)受體，如Hedgehog (Hh)、Wnt、PDGF和Ca2+通道等[3-5]，因此，初級(jí)纖毛的生長(zhǎng)異常和功能缺陷會(huì)導(dǎo)致多個(gè)信號(hào)通路的傳導(dǎo)障礙而引起多種遺傳性疾病，一般統(tǒng)稱為纖毛病[6]。自噬是一種高度保守的代謝過(guò)程，用于降解損傷的細(xì)胞器、蛋白質(zhì)和細(xì)胞質(zhì)組分[7]，目前普遍認(rèn)為，自噬對(duì)維持細(xì)胞內(nèi)穩(wěn)態(tài)具有重要作用，自噬功能障礙會(huì)導(dǎo)致變異的蛋白質(zhì)和細(xì)胞器大量積累，進(jìn)而干擾正常的細(xì)胞功能，導(dǎo)致多種自噬相關(guān)疾病的發(fā)生[8]。初級(jí)纖毛和自噬是維持細(xì)胞內(nèi)穩(wěn)態(tài)所需的兩種不同的適應(yīng)機(jī)制，對(duì)它們之間的關(guān)系進(jìn)行深入研究可加深我們對(duì)人類疾病發(fā)病機(jī)制的了解。本文就初級(jí)纖毛與自噬的關(guān)系的研究進(jìn)展作一綜述。

1 初級(jí)纖毛的構(gòu)成與功能

初級(jí)纖毛由以微管為基礎(chǔ)的核心結(jié)構(gòu)軸突組成，軸突由基體成核，被與細(xì)胞質(zhì)膜相連的纖毛膜包圍，基體則由中心體的母中心粒形成[9]。軸突與胞內(nèi)其他部分被過(guò)渡區(qū)(transiton zone, TZ)所分離，TZ是一個(gè)高度有序的纖毛亞區(qū)，其分子結(jié)構(gòu)類似于核孔，可篩選進(jìn)出纖毛的相關(guān)蛋白[10]。

每個(gè)細(xì)胞只有一根初級(jí)纖毛，相較于動(dòng)纖毛而言，初級(jí)纖毛缺乏運(yùn)動(dòng)所需的2個(gè)單中心微管和動(dòng)力蛋白臂，因此初級(jí)纖毛缺乏合成其自身組裝和維持所需蛋白質(zhì)的能力，故需要依賴于纖毛內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)(intraflagellar Transport, IFT)家族蛋白來(lái)進(jìn)行物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)。IFT蛋白不僅負(fù)責(zé)調(diào)控初級(jí)纖毛內(nèi)物質(zhì)的雙向轉(zhuǎn)運(yùn)，還負(fù)責(zé)介導(dǎo)細(xì)胞質(zhì)與初級(jí)纖毛之間各種信號(hào)分子的傳遞及交換運(yùn)輸。根據(jù)生化特性和運(yùn)輸方向的不同，IFT蛋白被分為兩大類，即IFT-A復(fù)合體和IFT-B復(fù)合體[11]。其中IFT-A復(fù)合體在Dynein-2的驅(qū)動(dòng)下主要介導(dǎo)由纖毛頂部向基底部的逆向轉(zhuǎn)運(yùn)(retrograde)，而IFT-B復(fù)合體在kinesin-2的幫助下主要介導(dǎo)由纖毛基底部向頂部的順向轉(zhuǎn)運(yùn)(anterograde)[11]。由于初級(jí)纖毛必須通過(guò)IFT蛋白介導(dǎo)信號(hào)分子蛋白的轉(zhuǎn)運(yùn)，因此IFT中任何一個(gè)蛋白的缺失都有可能導(dǎo)致初級(jí)纖毛異常，從而出現(xiàn)多種發(fā)育和細(xì)胞信號(hào)缺陷，形成纖毛相關(guān)疾病，如神經(jīng)退行性疾病，肥胖，失明、多囊腎，多指畸形、癌癥及代謝紊亂等[6]。

2 自噬的分類及原理

自噬(autophagy)是一個(gè)高度保守的細(xì)胞內(nèi)過(guò)程，在這個(gè)過(guò)程中，錯(cuò)誤折疊或受損的蛋白質(zhì)及變異的細(xì)胞器被隔離到稱為自噬體的雙膜結(jié)合囊泡中[7]。在哺乳動(dòng)物中自噬主要有3種類型：①微自噬(microautophagy)，即細(xì)胞質(zhì)內(nèi)容物通過(guò)溶酶體膜的內(nèi)陷直接被溶酶體吞噬；②分子伴侶介導(dǎo)的自噬(chaperone-mediated autophagy, CMA)，即一部分帶有特定氨基酸序列(KFERQ-模式)的胞質(zhì)蛋白被熱休克蛋白70(heat shock protein of 70, Hsp70)識(shí)別，并在溶酶體中選擇性降解；③巨自噬(macroautophagy)，即先形成稱為自噬體(autophagosome)的雙膜囊泡，將蛋白和其他細(xì)胞質(zhì)成分隔離并運(yùn)送到溶酶體[12]。

自噬是由“自噬相關(guān)蛋白”完成的過(guò)程，其分為四個(gè)階段:起始階段、囊泡成核階段、自噬體延伸階段和溶酶體融合階段[13-14]。自噬起始于自噬啟動(dòng)激酶unc-51樣自噬激活激酶1(unc-51-like autophagy activating kinase 1, ULK1)復(fù)合物的激活，一般情況下，增加腺苷酸活化蛋白激酶(adenosine monophosphate activated protein kinase, AMPK)的活性和/或抑制哺乳動(dòng)物雷帕霉素靶蛋白復(fù)合物1(mammalian target of rapamycin complex, mTORC1)的活性可激活ULK1復(fù)合物。正常生理狀態(tài)下，細(xì)胞自噬水平受到控制，mTORC1抑制ULK1的激活并破壞AMPK和ULK1的結(jié)合；相反，在自噬刺激下，激活的AMPK可抑制mTORC1的活性從而激活ULK1復(fù)合體[14]。當(dāng)激活的ULK1復(fù)合物遷移到自噬體形成位點(diǎn)(包括內(nèi)質(zhì)網(wǎng)-線粒體接觸位點(diǎn)、質(zhì)膜、初級(jí)纖毛本身及內(nèi)質(zhì)網(wǎng)-高爾基體)時(shí)[16-19]，成核階段開(kāi)始。在自噬體延伸階段，微管相關(guān)蛋白1輕鏈3(microtubule-associated protein 1 light chain 3, LC3)前體與自噬相關(guān)基因4(autophagy related gene, Atg4)作用，形成 LC3Ⅰ，后在Atg7(E1樣酶)和Atg3(E2樣酶)作用下與磷脂酰乙醇胺(phosphatidylethanolamine, PE)共價(jià)連接成為脂溶性的LC3-Ⅱ-PE，隨后參與自噬體的延伸[20]。最后，自噬體與溶酶體融合，促進(jìn)自噬體內(nèi)被隔離物質(zhì)的降解[21]。

3 初級(jí)纖毛與自噬的關(guān)系

3.1 初級(jí)纖毛調(diào)控自噬的表達(dá)目前已有研究證實(shí)了自噬和纖毛形成之間存在相互作用。如Pampliega等[17]觀察到大量ATG蛋白定位于初級(jí)纖毛主要成核的基底體和軸絲，同時(shí)發(fā)現(xiàn)在饑餓誘導(dǎo)條件下，自噬的激活及自噬體的增加與依賴于初級(jí)纖毛傳導(dǎo)的Hh信號(hào)的激活相關(guān)，這提示可能是初級(jí)纖毛介導(dǎo)的自噬啟動(dòng)機(jī)制。且在血清饑餓期間幾種ATG蛋白被募集至初級(jí)纖毛基底部的現(xiàn)象已被證實(shí)[17, 22]。近年來(lái)國(guó)內(nèi)有研究者使用無(wú)血清培養(yǎng)基來(lái)誘導(dǎo)初級(jí)纖毛的表達(dá)，結(jié)果顯示當(dāng)初級(jí)纖毛的表達(dá)率上調(diào)時(shí)，可促進(jìn)軟骨細(xì)胞的自噬水平以及自噬相關(guān)標(biāo)志物卷曲螺旋/肌球蛋白樣bcl2結(jié)合蛋白1(bcl-2 interacting myosin/moesin-like coiled-coil protein 1, Beclin1)、IFT88和LC3的表達(dá)，同時(shí)纖毛長(zhǎng)度延長(zhǎng)。反之，用水合氯醛破壞纖毛結(jié)構(gòu)后，初級(jí)纖毛的表達(dá)率下調(diào)，同時(shí)降低軟骨細(xì)胞的自噬水平以及Beclin1、IFT88和LC3的表達(dá)，表明在軟骨細(xì)胞中存在初級(jí)纖毛和自噬的共表達(dá)關(guān)系，且初級(jí)纖毛的變化可調(diào)控細(xì)胞自噬的程度[23]。該課題組在另一項(xiàng)研究中給予軟骨細(xì)胞不同強(qiáng)度的應(yīng)力刺激，發(fā)現(xiàn)中低強(qiáng)度應(yīng)力刺激不僅可以促進(jìn)對(duì)初級(jí)纖毛的形成及IFT88的表達(dá)，同時(shí)也對(duì)自噬體的形成具有正調(diào)控作用，而高強(qiáng)度應(yīng)力刺激則具有負(fù)調(diào)控作用，該研究還發(fā)現(xiàn)應(yīng)力刺激可通過(guò)初級(jí)纖毛-ERK-mTOR信號(hào)軸來(lái)調(diào)控自噬的表達(dá)[24]。此外，在一項(xiàng)對(duì)腎上皮細(xì)胞分化的研究中發(fā)現(xiàn)，通過(guò)抑制mTOR信號(hào)(一種特征良好的內(nèi)源性自噬抑制因子)，可以恢復(fù)因纖毛形成受阻而導(dǎo)致的基礎(chǔ)自噬減少。在這項(xiàng)研究中，Wang等[25]使用腎上皮HK2細(xì)胞(IFT88基因被敲除)和C13細(xì)胞(具有短纖毛的腎上皮細(xì)胞)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)在這兩種缺乏纖毛或短纖毛的細(xì)胞中mTOR通路被高度激活，自噬的基礎(chǔ)水平均受到抑制。而用雷帕霉素(自噬激活劑)處理后，這兩種類型的細(xì)胞都能恢復(fù)自噬的基礎(chǔ)水平，這表明纖毛形成對(duì)基礎(chǔ)自噬具有積極的調(diào)節(jié)作用。

3.2自噬調(diào)控初級(jí)纖毛形成及長(zhǎng)度目前的研究表明初級(jí)纖毛與自噬存在雙向調(diào)控，且初級(jí)纖毛形成及長(zhǎng)度變化與自噬活性的變化直接相關(guān)[17, 26-27]。Pampliega等[17]發(fā)現(xiàn)在營(yíng)養(yǎng)正常的情況下，細(xì)胞內(nèi)可通過(guò)基礎(chǔ)自噬降解IFT20來(lái)抑制纖毛形成并使纖毛長(zhǎng)度縮短，而用血清饑餓誘導(dǎo)自噬時(shí)，可激活依賴于初級(jí)纖毛傳導(dǎo)的Hh信號(hào)通路，進(jìn)而促進(jìn)纖毛形成，同時(shí)恢復(fù)纖毛長(zhǎng)度。而Tang等[26]發(fā)現(xiàn)在血清饑餓條件下的野生型小鼠胚胎成纖維細(xì)胞中，中性粒隨體蛋白1 (oral-facial-digital, OFD1)表達(dá)下調(diào)，而在自噬缺陷的細(xì)胞中OFD1的下調(diào)也可恢復(fù)血清饑餓誘導(dǎo)的纖毛形成和纖毛長(zhǎng)度，提示饑餓誘導(dǎo)的纖毛形成需要OFD1介導(dǎo)的自噬降解。

國(guó)外有研究表明，初級(jí)纖毛與自噬之間的相互作用涉及mTOR通路和泛素-蛋白酶體系統(tǒng)，同時(shí)證明了自噬對(duì)纖毛具有正調(diào)控作用[25]。即在無(wú)血清/無(wú)葡萄糖的RKRB培養(yǎng)基、含海藻糖培養(yǎng)基及含BECN1肽培養(yǎng)基誘導(dǎo)的自噬激活可增加纖毛長(zhǎng)度；而使用3-甲基腺嘌呤(3-Methyladenine, 3-MA)(自噬早期抑制劑)和(自噬晚期抑制劑)抑制自噬可減少纖毛長(zhǎng)度。同時(shí)，該作者在使用3-MA抑制HK2細(xì)胞中的纖毛基礎(chǔ)上加入MG132(蛋白酶體抑制劑)后，發(fā)現(xiàn)該過(guò)程逆轉(zhuǎn)了由3-MA處理引起的纖毛長(zhǎng)度縮短。綜上所述，mTOR途徑和蛋白酶體系統(tǒng)分別參與了自噬與初級(jí)纖毛這兩個(gè)過(guò)程并在纖毛和自噬的相互調(diào)節(jié)中起著不同的作用。最近，Park等[28]研究了自噬和初級(jí)纖毛在皮質(zhì)發(fā)育局灶性畸形發(fā)展中的作用。該研究結(jié)果表明，激活mTOR突變的大腦體細(xì)胞，可導(dǎo)致自噬受損及OFD1蛋白的積累，從而減少神經(jīng)元的纖毛形成。Liu等[29]還深入研究了初級(jí)纖毛與自噬相互作用的轉(zhuǎn)錄控制。研究表明，過(guò)氧化物酶體增殖因子活化受體A(peroxisome proliferator activated receptor alpha, PPARA)的藥理激活促進(jìn)了纖毛形成，還誘導(dǎo)自噬基因的表達(dá)，并激活哺乳動(dòng)物細(xì)胞的自噬。相反，核受體亞家族1-H組-4(nuclear receptor subfamily 1, group H, member 4, NR1H4)的藥理激活負(fù)向調(diào)控自噬和纖毛形成，而使用RNA干擾技術(shù)沉默NR1H4則可以誘導(dǎo)纖毛形成以及促進(jìn)自噬水平，而NR1H4的激活則抑制了依賴PPARA的纖毛形成，這表明纖毛形成是由這兩個(gè)轉(zhuǎn)錄因子相互控制的。

與以上的研究均表明了自噬與纖毛生長(zhǎng)的關(guān)系呈正相關(guān)不同的是，有其他研究發(fā)現(xiàn)在小鼠胚胎成纖維3T3-L1細(xì)胞中，天然黃酮類化合物水飛薊賓(silibinin, SIL)可通過(guò)組蛋白去乙?；?(histone deacetylase 6, HDAC6)調(diào)節(jié)的自噬負(fù)調(diào)控纖毛長(zhǎng)度，而用3-MA或siRNA預(yù)處理阻斷自噬通量，均可逆轉(zhuǎn)水飛薊賓引起的纖毛長(zhǎng)度縮短，且恢復(fù)水飛薊賓誘導(dǎo)的自噬所降低的IFT88、驅(qū)動(dòng)蛋白家族成員3A(kinesin family member 3A , KIF3A)、乙?；⒐艿鞍?ac-tubulin)等纖毛相關(guān)蛋白的表達(dá)[30]。同樣，HDAC6介導(dǎo)的自噬途徑的下調(diào)也參與了I型膠原蛋白促進(jìn)的纖毛生長(zhǎng)的過(guò)程[31]。

綜上所述，這些研究表明自噬和纖毛形成之間存在雙向調(diào)控，但在不同的環(huán)境或不同的細(xì)胞中似乎調(diào)控模式并不一致，因此兩者之間相互作用的具體分子機(jī)制還有待進(jìn)一步研究。

4 總結(jié)與展望

隨著對(duì)初級(jí)纖毛和自噬認(rèn)識(shí)的不斷加深，初級(jí)纖毛和自噬之間的關(guān)系已逐漸成為焦點(diǎn)研究領(lǐng)域。目前已有很多研究顯示，在某些細(xì)胞模型(如成纖維細(xì)胞和腎上皮細(xì)胞)中，纖毛依賴性信號(hào)通路是誘導(dǎo)自噬的必要途徑，而基礎(chǔ)或饑餓誘導(dǎo)的自噬均通過(guò)降解特定的蛋白質(zhì)來(lái)調(diào)節(jié)纖毛的發(fā)生和長(zhǎng)度變化，但我們尚不能得知自噬和初級(jí)纖毛之間的相互作用是否也發(fā)生在其他細(xì)胞類型中。同時(shí)初級(jí)纖毛與自噬的相互功能意義，仍存在爭(zhēng)議，且在癌癥等更復(fù)雜的疾病模型中，初級(jí)纖毛和自噬之間的相互作用尚不清楚。所以我們?nèi)孕枰嗟难芯縼?lái)解釋初級(jí)纖毛和自噬之間這種復(fù)雜的聯(lián)系，從而為理解疾病的發(fā)病機(jī)制提供重要依據(jù)。