2016年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)：細(xì)胞自噬機(jī)理

王曉冰

2016年10月3日，瑞典卡羅林斯卡醫(yī)學(xué)院諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)委員會(huì)宣布，2016年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)授予日本科學(xué)家大隅良典，因?yàn)樗l(fā)現(xiàn)了細(xì)胞自噬的機(jī)理。大隅良典獨(dú)自獲得800萬瑞典克朗（約合人民幣625萬元）獎(jiǎng)金。

細(xì)胞自噬是什么？

自噬是細(xì)胞內(nèi)的一種“自食”現(xiàn)象。細(xì)胞自噬已經(jīng)被研究人員研究了60多年，目前的定義是，細(xì)胞自噬是指生物膜（大部分表現(xiàn)為雙層膜，有時(shí)多層或單層）包裹部分細(xì)胞質(zhì)和細(xì)胞內(nèi)需要降解的細(xì)胞器、蛋白質(zhì)等形成自噬體，并與內(nèi)涵體形成自噬內(nèi)涵體，最后與溶酶體融合形成自噬溶酶體，降解其所包裹的內(nèi)容物，以實(shí)現(xiàn)細(xì)胞穩(wěn)態(tài)和細(xì)胞器的更新。

通俗地講，細(xì)胞自噬就是細(xì)胞的自我吞噬，通常發(fā)生在細(xì)胞或者機(jī)體缺乏能量、或受到環(huán)境脅迫，如缺乏氨基酸、缺氧的情況下，細(xì)胞里會(huì)產(chǎn)生雙層膜結(jié)構(gòu)，包裹自己的一部分細(xì)胞器，運(yùn)送到溶酶體進(jìn)行降解。

自噬的出現(xiàn)是因?yàn)榧?xì)胞在新陳代謝過程中會(huì)不斷產(chǎn)生受損傷的細(xì)胞器，如受損的線粒體、蛋白質(zhì)聚合體等，這就需要細(xì)胞清理它們。通過自噬作用，組織和細(xì)胞對(duì)自身不斷地清理，以保持細(xì)胞的穩(wěn)態(tài)平衡。這個(gè)作用有點(diǎn)像人用吸塵器清潔衛(wèi)生，用以吸收室內(nèi)各種臟東西，從而保持室內(nèi)清潔和干凈。

自噬這個(gè)單詞源于希臘語，希臘語單詞前綴auto意為“自我”，另一個(gè)希臘語單詞phagein意為“吞食”，二者組合成一個(gè)詞就是自我吞噬。最早研究細(xì)胞自噬并提出這一概念的并非大隅良典，而是比利時(shí)科學(xué)家杜夫。他在20世紀(jì)50年代通過電鏡觀察細(xì)胞的內(nèi)部情況時(shí)，發(fā)現(xiàn)了溶酶體，是細(xì)胞內(nèi)的一種細(xì)胞器，其功能是處理細(xì)胞攝入的營養(yǎng)物質(zhì)并分解較大的顆粒。與此同時(shí)，他也發(fā)現(xiàn)了自噬現(xiàn)象，并且在1963年溶酶體國際會(huì)議上首先提出了“自噬”的概念。因此，他和他的同事、電子顯微鏡專家克洛德和帕拉迪分享了1974年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。

細(xì)胞中有三種類型的自噬：大自噬、小自噬和伴侶介導(dǎo)的自噬。大自噬始于杯狀雙層隔離膜的形成（也稱為自噬膜或隔離膜）。隔離膜合閉形成一個(gè)成熟的囊泡，如自噬體，最終與溶酶體融合，使自噬體的內(nèi)容物被溶酶體水解酶降解。通常溶酶體被認(rèn)為是作用于壽命較長的蛋白的降解。

小自噬則直接通過溶酶體膜的內(nèi)陷、突出和分離來吞噬細(xì)胞質(zhì)。伴侶介導(dǎo)的細(xì)胞自噬則是直接通過溶酶體伴侶——溶酶體膜受體HSC70和LAMP-2A運(yùn)輸未折疊蛋白到溶酶體中進(jìn)行降解。在這三種自噬中，大自噬是最普遍的，常被簡稱并指代自噬。

細(xì)胞自噬與細(xì)胞凋亡（即細(xì)胞自殺）有相似處，也相輔相成，二者共用相同的刺激因素和調(diào)節(jié)蛋白，但是誘發(fā)閾值和門檻不同，它們是如何轉(zhuǎn)換和協(xié)調(diào)的目前還不清楚。細(xì)胞凋亡機(jī)理的研究結(jié)果已經(jīng)獲得2002年的諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)（英國的悉尼·布雷內(nèi)、美國的羅伯特·霍維茨和英國的約翰·蘇爾斯頓共同獲獎(jiǎng)，因?yàn)樗麄儼l(fā)現(xiàn)了器官發(fā)育和程序性細(xì)胞死亡即細(xì)胞凋亡過程中的基因調(diào)節(jié)作用）。

另一方面，20世紀(jì)七八十年代，研究人員也發(fā)現(xiàn)了另一種與細(xì)胞自噬相似的蛋白質(zhì)降解（死亡）的現(xiàn)象。一種被稱為泛素的多肽在需要能量的蛋白質(zhì)降解過程中扮演著重要角色。這種多肽由76個(gè)氨基酸組成，最初是從小牛的胰臟中分離出來的。它就像標(biāo)簽一樣，被貼上標(biāo)簽的蛋白質(zhì)會(huì)被運(yùn)送到細(xì)胞內(nèi)的“垃圾處理廠”（溶酶體）中被降解。由于這一機(jī)理的發(fā)現(xiàn)，以色列的阿龍·切哈諾沃、阿夫拉姆·赫什科、美國的歐文·羅斯三人共同獲得2004年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。

但是，蛋白質(zhì)降解的機(jī)理并不能解釋細(xì)胞是如何降解大的蛋白復(fù)合體和其他廢棄的細(xì)胞器的，細(xì)胞自噬機(jī)理的發(fā)現(xiàn)則能解釋這一切。因此，今天，繼蛋白質(zhì)降解后，細(xì)胞凋亡和細(xì)胞自噬成為細(xì)胞生物學(xué)研究最熱門的研究領(lǐng)域。

為何大隅良典獨(dú)自獲獎(jiǎng)？

按照近年來諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)的慣例，是三人或二人獲獎(jiǎng)，而且在細(xì)胞自噬研究中，至少還有另外幾人的研究也具有獨(dú)創(chuàng)性和重要意義，但此次卻是大隅良典獨(dú)自獲獎(jiǎng)。這意味著，諾貝爾獎(jiǎng)委員會(huì)認(rèn)為大隅良典的發(fā)現(xiàn)更重要和更有創(chuàng)新。

大隅良典最早是在1992年的《細(xì)胞生物學(xué)雜志》（119卷第2期）上發(fā)表了發(fā)現(xiàn)酵母細(xì)胞自噬現(xiàn)象的論文，此后，又在1997年克隆了第一個(gè)酵母自噬基因（ATG），命名為ATG1，以及在2000年參與克隆了目前廣泛使用的自噬標(biāo)志物L(fēng)C3。迄今研究人員已經(jīng)發(fā)現(xiàn)并克隆了40多個(gè)ATG基因。

1998年美國研究人員也在細(xì)胞自噬研究中獲得重大發(fā)現(xiàn)，美國西南醫(yī)學(xué)中心的貝思·萊文研究小組克隆了第一個(gè)哺乳動(dòng)物自噬基因，命名為Beclin 1，后者實(shí)際上是一個(gè)抑癌基因，是通過調(diào)節(jié)細(xì)胞自噬的過程來實(shí)現(xiàn)抑癌功能。

美國密歇根大學(xué)的丹尼爾·克利昂斯基也在酵母模型的自噬研究中獲得重大成果，1996年在研究蛋白從細(xì)胞質(zhì)到溶酶體的定位過程中，發(fā)現(xiàn)這一過程和細(xì)胞自噬采用了同樣的基因，因而促發(fā)了在后來發(fā)現(xiàn)一系列細(xì)胞自噬的調(diào)節(jié)基因。

如果說大隅良典的研究與其他研究人員有什么區(qū)別，以致諾貝爾獎(jiǎng)委員會(huì)對(duì)其研究青睞有加，就在于他設(shè)計(jì)了不同的研究模式，直觀地觀察到細(xì)胞自噬現(xiàn)象和克隆自噬基因，并能合理和圓滿地解釋這一現(xiàn)象。

1988年，大隅良典任東京大學(xué)教養(yǎng)學(xué)部副教授，在博士畢業(yè)后15年擁有了自己的實(shí)驗(yàn)室，并且選擇對(duì)酵母液泡降解機(jī)制進(jìn)行深入研究，因?yàn)橹斑€沒有任何人開展這樣的研究。液泡是一種充滿細(xì)胞液的細(xì)胞器，是植物細(xì)胞的主要成分，約占植物細(xì)胞體積的90%，1980年代液泡被簡單地視為惰性細(xì)胞器和廢物存儲(chǔ)庫。

促使大隅良典選擇這一研究內(nèi)容的原因主要是要完成他此前未竟的探索。在美國洛克菲勒大學(xué)進(jìn)行博士后研究期間（1974～1977），他曾試圖分離出酵母細(xì)胞核，但在離心管的頂層無意發(fā)現(xiàn)了一層明顯的細(xì)胞器，這就是酵母液泡，這些成分原本是要被拋棄的，但他認(rèn)為這種物質(zhì)既然是酵母的細(xì)胞器，相當(dāng)于人類細(xì)胞中的溶酶體，不會(huì)沒有功能和作用。

回到日本東京大學(xué)理學(xué)院之后，大隅良典心無旁鶩地認(rèn)真研究起酵母液泡來。經(jīng)過長期觀察，他發(fā)現(xiàn)酵母液泡具有主動(dòng)運(yùn)輸物質(zhì)的能力，運(yùn)輸?shù)奈镔|(zhì)包括氨基酸等代謝物和離子，這種作用對(duì)維持細(xì)胞內(nèi)穩(wěn)態(tài)具有重要作用。

為什么酵母液泡主動(dòng)運(yùn)輸細(xì)胞內(nèi)的物質(zhì)會(huì)穩(wěn)定細(xì)胞？大隅良典一是通過顯微鏡觀察液泡的變化，二是通過設(shè)置一定條件來觀察，以尋求答案。當(dāng)把酵母放置于缺乏營養(yǎng)物質(zhì)的培養(yǎng)條件下，大隅良典發(fā)現(xiàn)酵母細(xì)胞內(nèi)出現(xiàn)了自噬現(xiàn)象。具體過程是，酵母在饑餓狀態(tài)下細(xì)胞內(nèi)會(huì)形成孢子樣結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)會(huì)使細(xì)胞內(nèi)的代謝產(chǎn)物獲得降解，由此讓酵母細(xì)胞平穩(wěn)地度過艱難的饑荒時(shí)期。

大隅良典的發(fā)現(xiàn)當(dāng)然也有機(jī)遇，但是機(jī)遇特別寵愛像大隅良典這樣有準(zhǔn)備的人。他發(fā)現(xiàn)，酵母被饑餓處理幾個(gè)小時(shí)后，有大量小顆粒積累在液泡內(nèi)，這些顆粒能快速晃動(dòng)，即所謂的布朗運(yùn)動(dòng)。這一運(yùn)動(dòng)吸引了大隅良典，讓其一連觀察幾小時(shí)。布朗運(yùn)動(dòng)的產(chǎn)生是因?yàn)榻湍负械牡鞍壮煞稚?，?xì)胞液黏度小。這些活動(dòng)的顆粒內(nèi)含部分胞質(zhì)成分，被酵母的單層膜結(jié)構(gòu)約束。

更驚人的發(fā)現(xiàn)是，當(dāng)正常酵母的液泡中存在降解酶時(shí)，液泡內(nèi)的胞質(zhì)成分會(huì)很快被降解。當(dāng)時(shí)的光學(xué)顯微鏡只能放大600倍（今天的光學(xué)顯微鏡放大倍數(shù)已經(jīng)高達(dá)2250倍），因此在大隅良典之前并沒有人能直觀地觀察到這種現(xiàn)象。能讓大隅良典直觀地觀察到這個(gè)現(xiàn)象的，是酵母細(xì)胞內(nèi)的那些做布朗運(yùn)動(dòng)的細(xì)胞顆粒，沒有這些顆粒的運(yùn)動(dòng)，也不會(huì)吸引大隅良典長時(shí)間關(guān)注和研究它們，從而發(fā)現(xiàn)細(xì)胞自噬。

但是，這還不是細(xì)胞自噬的全部內(nèi)容，也即還不能完全證實(shí)細(xì)胞自噬。用顯微鏡觀察并證明了自噬現(xiàn)象后，大隅良典要找到產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因，例如發(fā)現(xiàn)和確定引發(fā)自噬的自噬基因。因?yàn)槿绻允苫蚴菧缁畹模允梢膊粫?huì)發(fā)生。于是，大隅良典把酵母細(xì)胞暴露在一種化學(xué)物質(zhì)下，并隨意引入多個(gè)基因突變，誘導(dǎo)細(xì)胞自噬。在發(fā)現(xiàn)酵母自噬現(xiàn)象后的一年內(nèi)，大隅良典從數(shù)千個(gè)基因中篩選到自噬基因（ATG），即ATG1。

后來，大隅良典陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了10多個(gè)自噬基因，再到近幾年，這樣的基因已經(jīng)被其他研究人員發(fā)現(xiàn)了40多個(gè)。在后來的一系列研究中，由這些基因所編碼的蛋白質(zhì)也從功能層面上被識(shí)別。這些研究結(jié)果表明，細(xì)胞自噬是由一連串的蛋白質(zhì)和蛋白質(zhì)復(fù)合物所控制，每一個(gè)都掌管著自噬體的萌生和形成的不同階段。

這些發(fā)現(xiàn)讓大隅良典推論，細(xì)胞自噬不只是在酵母細(xì)胞中存在，而且在其他動(dòng)植物的細(xì)胞中也存在。1996年，大隅良典到實(shí)驗(yàn)條件更好的日本岡崎國家基礎(chǔ)生物學(xué)研究所進(jìn)行研究，經(jīng)過幾年的艱苦工作，大隅良典證明，細(xì)胞自噬是許多動(dòng)植物細(xì)胞的最基本的功能之一，其主要功能就在于能保持細(xì)胞的穩(wěn)定。

細(xì)胞自噬有什么用？

細(xì)胞自噬與許多疾病、衰老和生命現(xiàn)象相關(guān)。細(xì)胞自噬能夠控制細(xì)胞中重要的生理學(xué)功能，細(xì)胞中的組分需要被降解并且回收利用，細(xì)胞自噬能夠快速提供能量并且為細(xì)胞組分的回收利用提供基本的構(gòu)件，同時(shí)細(xì)胞自噬對(duì)于細(xì)胞對(duì)饑餓及其他壓力的反應(yīng)也至關(guān)重要。在機(jī)體感染后，細(xì)胞自噬能夠消滅外來入侵的細(xì)菌和病毒，而且細(xì)胞自噬對(duì)于胚胎發(fā)育和細(xì)胞分化也非常關(guān)鍵，細(xì)胞還能夠利用自噬來消除損傷的蛋白質(zhì)和細(xì)胞器，這種細(xì)胞內(nèi)部的質(zhì)量控制機(jī)制對(duì)于應(yīng)對(duì)老化帶來的副作用也發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。

現(xiàn)在，研究人員發(fā)現(xiàn)，干擾自噬作用或許與帕金森病、Ⅱ型糖尿病及其他機(jī)體障礙直接相關(guān)，自噬基因的突變往往也會(huì)引發(fā)遺傳性疾病的發(fā)生，干擾自體吞噬過程既可能治療癌癥，也可能誘發(fā)癌癥，因此，研究人員正在根據(jù)自噬的機(jī)理和過程進(jìn)行更為深入的研究，以開發(fā)新型靶向作用的自噬療法，從而治療多種類型的疾病。

以癌癥治療為例，美國芝加哥大學(xué)的研究人員最近發(fā)現(xiàn)抑制細(xì)胞的自噬過程能夠有效阻斷動(dòng)物腫瘤模型中的乳腺癌細(xì)胞轉(zhuǎn)移，因?yàn)樽允稍谀[瘤轉(zhuǎn)移過程中發(fā)揮了非常重要的作用。研究人員對(duì)患癌小鼠進(jìn)行研究，敲除了癌細(xì)胞中的自噬關(guān)鍵基因ATG5和ATG7，隨后在顯微鏡下觀察癌細(xì)胞的遷移運(yùn)動(dòng)情況，結(jié)果發(fā)現(xiàn)對(duì)照組癌細(xì)胞的遷移運(yùn)動(dòng)比較活躍，但敲除自噬關(guān)鍵基因的癌細(xì)胞不能移動(dòng)，它們似乎被卡住了。這也意味著利用這一點(diǎn)可以阻止癌細(xì)胞的轉(zhuǎn)移。因?yàn)椋允墒歉叨绒D(zhuǎn)移性腫瘤細(xì)胞運(yùn)動(dòng)和侵襲所必須的一個(gè)生物學(xué)過程。抑制自噬或許是臨床上阻斷腫瘤轉(zhuǎn)移擴(kuò)散的一個(gè)有效方法。

同時(shí)，結(jié)合自噬作用也可以讓藥物治癌（化療）產(chǎn)生更好的效果。美國科羅拉多大學(xué)癌癥中心的索伯恩等人最近的一項(xiàng)研究顯示，腫瘤受到抗癌藥物的攻擊時(shí)，一些較敏感的細(xì)胞死亡，但另一些有抵抗力的細(xì)胞存活下來。原因在于這些敏感細(xì)胞和抵抗細(xì)胞之間存在自噬凈化自己的能力不同。

例如，用一種稱為IC-50的藥物處理癌細(xì)胞，50%的癌細(xì)胞會(huì)死亡，但另外50%的細(xì)胞能夠存活。為什么有這種差異呢？研究發(fā)現(xiàn)，這取決于細(xì)胞自噬水平的差異。因?yàn)椋允煽梢栽趬毫l件下幫助細(xì)胞生存，例如分解掉非必需的組分來提供能量，或者降解掉有破壞性的蛋白避免細(xì)胞損傷。

因此，自噬水平低的癌細(xì)胞在接受藥物處理時(shí)死亡率會(huì)更高。但實(shí)際上研究人員發(fā)現(xiàn)，癌細(xì)胞死亡率的高低不僅依賴于細(xì)胞的自噬水平，還取決于抗癌藥物的作用機(jī)制。根據(jù)自噬水平的高低將細(xì)胞分組，然后用兩種激活細(xì)胞死亡受體的藥物處理細(xì)胞。用第一種藥物處理時(shí)，自噬水平高的細(xì)胞死亡率最高；用第二種藥物處理時(shí)，自噬水平低的細(xì)胞死亡率最高?？梢?，使用的藥物不同，自噬的影響相反。

而且，用一些生物分子激活細(xì)胞自噬也能幫助治療癌癥。一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，腫瘤壞死因子受體（TNFR）的跨膜蛋白通過激活細(xì)胞的死亡受體和細(xì)胞自噬，使細(xì)胞進(jìn)入程序性死亡（凋亡）。例如，F(xiàn)as（Apo-1/CD95）和TRAIL就是腫瘤壞死因子受體（TNFR）家族的跨膜蛋白，它們介導(dǎo)細(xì)胞凋亡。這一過程是通過激活細(xì)胞自噬來完成的，激活細(xì)胞自噬后使得細(xì)胞的致死率或者上升或者下降，因此Fas和TRAIL介導(dǎo)具體細(xì)胞（癌細(xì)胞）的凋亡效果是不同的。自噬水平高的細(xì)胞對(duì)Fas更為敏感，而自噬水平低的細(xì)胞對(duì)TRAIL更為敏感，從而促使細(xì)胞凋亡。最重要的是，研究人員在不同類型的癌細(xì)胞中也觀察到了類似的差異。

原因在于，一些癌細(xì)胞含有FAP-1蛋白，這種蛋白能夠降低Fas殺死細(xì)胞的能力。但自噬會(huì)將這種蛋白降解，從而使細(xì)胞對(duì)Fas更為敏感。顯然，自噬的這種作用只對(duì)含有FAP-1蛋白的細(xì)胞有效。

這提示，在治療癌癥時(shí)可以根據(jù)不同癌細(xì)胞自噬的機(jī)理和過程配以不同的藥物，以取得更好的療效。

最近的研究還發(fā)現(xiàn)，自噬與人的肥胖也有關(guān)。人體內(nèi)存在棕色和白色兩種脂肪，前者引起肥胖，因?yàn)榘咨径逊e在皮下，負(fù)責(zé)儲(chǔ)存多余熱量；但棕色脂肪阻止肥胖，因?yàn)樽厣矩?fù)責(zé)分解引發(fā)肥胖的白色脂肪，將后者轉(zhuǎn)化成二氧化碳、水和熱量，本身不儲(chǔ)存熱量。所以，棕色脂肪具有減肥功效。

美國加州大學(xué)舊金山分校的研究人員最近 在《細(xì)胞代謝》上發(fā)表的論文指出，自噬介導(dǎo)的線粒體清除是導(dǎo)致棕色脂肪細(xì)胞向白色脂肪細(xì)胞轉(zhuǎn)變的一個(gè)關(guān)鍵調(diào)控過程，抑制該過程可以維持棕色脂肪細(xì)胞的形態(tài)和功能，從而可以讓白色脂肪細(xì)胞棕色化，找到治療肥胖或減肥的新方法。

其中的機(jī)理是，在撤除外部刺激之后，棕色脂肪細(xì)胞會(huì)逐步失去形態(tài)學(xué)和分子特征，直接獲得白色脂肪細(xì)胞樣特征。與此同時(shí)，棕色脂肪細(xì)胞向白色脂肪細(xì)胞轉(zhuǎn)變與線粒體數(shù)目下降、自噬增加以及MiT/TFE轉(zhuǎn)錄因子介導(dǎo)的溶酶體生成激活有密切關(guān)聯(lián)。自噬途徑對(duì)于這個(gè)轉(zhuǎn)變過程中線粒體的清除至關(guān)重要，在脂肪細(xì)胞中特異性敲除ATG5或ATG12基因，可以抑制自噬，從而能夠阻止外部刺激撤除之后棕色脂肪細(xì)胞喪失，由此可以讓棕色脂肪細(xì)胞維持高產(chǎn)熱能力，抵抗人們因飲食誘導(dǎo)的肥胖和胰島素抵抗。

因此，自噬不僅與疾病治療有關(guān)，也與生命代謝、衰老有關(guān)。在自噬的原理充分揭示后，將會(huì)引發(fā)更多的醫(yī)療和藥物變革，造福于公眾。