细胞自噬机制课件

1、1细胞自噬机制细胞细胞(xbo)自噬机制自噬机制主讲人：晏剑虹主讲人：晏剑虹第一页，共二十六页。细胞自噬机制克里斯汀克里斯汀德德迪夫（迪夫（Christian deDuve）比利时科学家比利时科学家Christian de DuveChristian de Duve在上在上世纪世纪5050年代通过年代通过(tnggu)(tnggu)电镜观察到电镜观察到自噬体（自噬体（autophagosomeautophagosome）结构，并且在）结构，并且在 1963 1963 年溶酶体国际会议（年溶酶体国际会议（CIBA CIBA Foundation Symposium on LysosomesFou

2、ndation Symposium on Lysosomes）上首先提出了上首先提出了“自噬自噬”这种说法。因此这种说法。因此Christian de DuveChristian de Duve被公认为自噬研究被公认为自噬研究的鼻祖。的鼻祖。Christian de Duve Christian de Duve 也因发现也因发现溶酶体，于溶酶体，于19741974年获得诺贝尔奖年获得诺贝尔奖第二页，共二十六页。细胞自噬机制大隅良典大隅良典2016年，因年，因“在细胞自噬机制方在细胞自噬机制方面的发现面的发现”而获得诺贝尔生理学或而获得诺贝尔生理学或医学奖。大隅教授的贡献在于，他医学奖。大隅教授

3、的贡献在于，他找到了酵母找到了酵母(jiom)这种简单又与人这种简单又与人体细胞相似的实验模型，将复杂的体细胞相似的实验模型，将复杂的问题化难为易了。问题化难为易了。第三页，共二十六页。细胞自噬机制大隅良典大隅良典宫崎骏宫崎骏第四页，共二十六页。细胞自噬机制在酵母菌体内(左侧)存在一个巨大的细胞(xbo)器，名为液泡，其功能与人以及其他哺乳动物体内细胞(xbo)内的溶酶体相类似。于是他培养了经过改造，缺乏液泡膜降解酶的酵母菌并通过饥饿的方法激活细胞(xbo)的自噬机制。此时，当这些酵母菌遭受饥饿时，吞噬小体开始在液泡内部大量聚集(右图)。大隅良典的实验证明酵母菌内部存在自噬现象。此后，大隅良典

4、教授对数以千计的酵母菌变异样本进行了核对(右侧)，并从中找到了据信与自噬作用密切相关的15组基因。第五页，共二十六页。细胞自噬机制凋亡凋亡(dio wn)(dio wn)与自噬与自噬表中可以看出，在过去表中可以看出，在过去(guq)(guq)的十年之中，几乎每个生命科学家都知道的十年之中，几乎每个生命科学家都知道“凋亡凋亡”这个概念并且有这个概念并且有意无意将自己的研究工作与之挂钩。自噬（意无意将自己的研究工作与之挂钩。自噬（autophagyautophagy）是继凋亡（）是继凋亡（apoptosisapoptosis）后，当前生）后，当前生命科学最热的研究领域，命科学最热的研究领域，Pub

5、medPubmed记录的文献数量在最近记录的文献数量在最近4 4年呈爆炸式增长，其中年呈爆炸式增长，其中20062006年以前年以前相关文献大约相关文献大约15001500条。条。20072007年是自噬研究有历史意义的一年，召开了第一次自噬国际会议，与会人年是自噬研究有历史意义的一年，召开了第一次自噬国际会议，与会人员构成自噬学术圈的奠基者，并且在各自领域宣传和研究一些基本概念。员构成自噬学术圈的奠基者，并且在各自领域宣传和研究一些基本概念。20072007年到年到20102010年年9 9月短月短短三年文献发表量达到大约短三年文献发表量达到大约44004400条。我们坚信在未来十年条。我们

6、坚信在未来十年“自噬自噬”也将会成为另一个也将会成为另一个“万金油万金油”和和生命科学的生命科学的“闪亮新星闪亮新星”。第六页，共二十六页。细胞自噬机制在大隅良典发现细胞自噬的关键机制之后，研究局面豁然开朗，相关论文在大隅良典发现细胞自噬的关键机制之后，研究局面豁然开朗，相关论文(lnwn)发表量骤然上升。发表量骤然上升。第七页，共二十六页。细胞自噬机制细胞细胞(xbo)自噬的定义自噬的定义l 细胞自噬(autophagy)是真核生物中进化保守的对细胞内物质进行(jnxng)周转的重要过程。该过程中一些损坏的蛋白或细胞器被双层膜结构的自噬小泡包裹后，送入溶酶体(动物）或液泡（酵母和植物）中进行

7、(jnxng)降解并得以循环利用。第八页，共二十六页。细胞自噬机制细胞细胞(xbo)自噬基本过程自噬基本过程第九页，共二十六页。细胞自噬机制自噬基本自噬基本(jbn)(jbn)过程：过程：1.1.自噬前体的形成自噬前体的形成2.2.自噬体的形成自噬体的形成3.3.自噬溶酶体的融合自噬溶酶体的融合4.4.自噬体的溶解自噬体的溶解内涵(nihn)体自噬内涵(nihn)体溶酶体自噬溶酶体自噬前体 自噬体第十页，共二十六页。细胞自噬机制细胞自噬分类细胞自噬分类（根据进入（根据进入(jnr)(jnr)溶酶体途径不同）溶酶体途径不同）l巨自噬巨自噬l微自噬微自噬l分子分子(fnz)(fnz)伴侣介导的自噬

8、伴侣介导的自噬第十一页，共二十六页。细胞自噬机制巨自噬巨自噬内外刺激诱导下，细胞通过自噬基因调控内外刺激诱导下，细胞通过自噬基因调控(dio kn)组装自噬前体。自噬组装自噬前体。自噬体包裹细胞质体包裹细胞质,细胞器或细菌等形成自噬体，在微管作用下，自噬体与细胞器或细菌等形成自噬体，在微管作用下，自噬体与溶酶体靠近，自噬体外层膜与溶酶体膜融合，包有内层膜的自噬体进溶酶体靠近，自噬体外层膜与溶酶体膜融合，包有内层膜的自噬体进入溶酶体，形成自噬溶酶体。继而，自噬体内膜被溶酶体酶降解，继入溶酶体，形成自噬溶酶体。继而，自噬体内膜被溶酶体酶降解，继而内容物被降解，营养成分被细胞重新利用。而内容物被降解

9、，营养成分被细胞重新利用。第十二页，共二十六页。细胞自噬机制微自噬微自噬主要集中于酵母。当受到饥饿等刺激时，溶酶体膜局部凹陷，吞噬细胞质或微体，形成自噬体。自噬体脱离溶酶体膜，进入溶酶体腔，由溶酶体酶降解，降解物质(wzh)被细胞再利用。第十三页，共二十六页。细胞自噬机制分子分子(fnz)(fnz)伴侣介导的自噬（伴侣介导的自噬（CMACMA）l 分子伴侣介导的自噬（分子伴侣介导的自噬（CMACMA）：胞质内蛋白结合到）：胞质内蛋白结合到分子分子伴侣伴侣后被转运到溶酶体腔中，然后被溶酶体酶消化。后被转运到溶酶体腔中，然后被溶酶体酶消化。CMA CMA 的底物是可溶的蛋白质分子，在清除蛋白质时有

10、选的底物是可溶的蛋白质分子，在清除蛋白质时有选择性，而前两者无明显的选择性。择性，而前两者无明显的选择性。l 分子伴侣：分子伴侣：一类在序列上没有相关性但有共同功能的蛋白质，它们在细胞内一类在序列上没有相关性但有共同功能的蛋白质，它们在细胞内帮助其他含多肽帮助其他含多肽(du ti)(du ti)的结构完成正确的组装，而且在组装完毕后与之分离的结构完成正确的组装，而且在组装完毕后与之分离，不构成这些蛋白质结构执行功能的组份，不构成这些蛋白质结构执行功能的组份第十四页，共二十六页。细胞自噬机制自噬的特性自噬的特性(txng)(txng)l1）自噬是细胞消化掉自身的一部分，即self-eating

11、，初一看似乎对细胞不利。事实上，细胞正常情况下很少发生自噬，除非有诱发因素的存在。这些诱发因素很多，也是研究的热门。既有来自于细胞外的（如外界中的营养成分、缺血缺氧、生长因子的浓度等），也有细胞内的（代谢压力、衰老或破损的细胞器、折叠错误或聚集的蛋白质等）。由于这些因素的经常性存在，因此，细胞保持了一种很低的、基础的自噬活性以维持自稳。l2）自噬过程很快，被诱导后8min即可观察到自噬体（autophagosome）形成，2h后自噬溶酶体（autolysosome）基本降解消失。这有利于细胞快速适应恶劣环境。l3）自噬的可诱导特性：表现在2个方面，第一是自噬相关蛋白的快速合成，这是准备阶段。第

12、二是自噬体的快速大量形成，这是执行阶段。l4）批量降解：这是与蛋白酶体降解途径的显著区别l5）“捕获”胞浆成分的非特异性：由于自噬的速度要快、量要大，因此特异性不是首先考虑的，这与自噬的应急特性是相适应的。l6）自噬的保守(boshu)性：由于自噬有利于细胞的存活，因此无论是物种间、还是各细胞类型之间（包括肿瘤细胞），自噬都普遍被保留下来（谁不喜欢留一手呢？）。第十五页，共二十六页。细胞自噬机制微管微管(wi un)(wi un)相关蛋白轻链相关蛋白轻链3 3（MAP-LC3MAP-LC3）12135-1-AP微管相关蛋白轻链微管相关蛋白轻链3（MAP-LC3），简称），简称LC3，参与了自噬

13、的形成，并被证明了是哺乳动物细胞中常见的自噬小体标记蛋白之一，参与了自噬的形成，并被证明了是哺乳动物细胞中常见的自噬小体标记蛋白之一。Western blot可能会检测到LC3的两种形式，这是由于自噬形成时，胞浆型LC3会酶解掉一小段多肽形成LC3-I，LC3-I跟磷脂酰乙醇胺即脑磷脂(PE)结合转变为（自噬体）膜型（即LC3-II），这两种形式在正常细胞中都是存在(cnzi)的，而发生自噬的细胞中LC3-II会有明显的增加。第十六页，共二十六页。细胞自噬机制第十七页，共二十六页。细胞自噬机制l 一是形成增加即自噬被诱导(yudo)；l 另外一种是自噬体成熟受抑即自噬体不能和溶酶体结合。l 自

14、噬诱导剂l 1）Bredeldin A / Thapsigargin / Tunicamycin ：模拟内质网应激l 2）Carbamazepine/ L-690，330/ Lithium Chloride（氯化锂）：IMPase 抑制剂（即Inositol monophosphatase，肌醇单磷酸酶）l 3）Earles平衡盐溶液：制造饥饿l 4）N-Acetyl-D-sphingosine（C2-ceramide）：Class I PI3K Pathway抑制剂l 5）Rapamycin：mTOR抑制剂l 6）Xestospongin B/C：IP3R阻滞剂第十八页，共二十六页。细胞自噬

15、机制自噬的抑制剂自噬的抑制剂l 根据自噬形成的过程，自噬的抑制也分为不同的阶段，包括自噬的起始阶段，自噬泡和溶酶体融合阶段，以及溶酶体内的降解阶段。目前常用的一些抑制药物如下：l （1）对自噬体形成的抑制：主要(zhyo)是PI3K通路的抑制剂（如3-MA），这些药物均可干扰或阻断自噬体形成。l （2）对自噬体与溶酶体融合的抑制：对自噬体与溶酶体融合过程进行阻断也能起着抑制自噬的作用，这些药物有巴伐洛霉素A1、长春碱、诺考达唑等。l （3）对溶酶体降解的抑制：蛋白酶抑制剂，如E64d、Pepstatin A等第十九页，共二十六页。细胞自噬机制自噬体的检测自噬体的检测(jin c)l （1）以透

16、射电子显微镜下超微结构的形态学检测。l （2）自噬体膜标志性蛋白质的检测。l （3）单丹(磺)酰戊二胺(MDC)染色法。l （4）检测长寿(chngshu)蛋白的批量降解l （5）CellTrackerTM Green染色第二十页，共二十六页。细胞自噬机制细胞细胞(xbo)(xbo)自噬功能自噬功能l （1）细胞自噬通过防御环境变化和应激代谢反应调控来维持细胞内部 的稳态。l （2）细胞自噬具有自我“清理”功能，可以处理细胞内的废物，降解 错误折叠的 蛋白质多聚体，减少DNA的损伤和染色体的不稳定性， 防止异常蛋白质累积，还能降解功能 失常的线粒体、高尔基体等 细胞器，对蛋白质和细胞器进行质量

17、控制 ，并且通过降解底物来为细胞生存提供原材料或ATPl （3）细胞自噬甚至可以清除细胞内的病原体，保护细胞免受损伤，对于对抗癌症、衰老、神经退行性病变、感染等都有着重要的意义。l （4）细胞自噬是程序性细胞死亡的一种，在某些情况(qngkung)下，若细胞无法 继续维持自身的生存，细胞自噬会诱导细胞主动性死亡。第二十一页，共二十六页。细胞自噬机制第二十二页，共二十六页。细胞自噬机制l 与凋亡（在肿瘤细胞中一般都存在缺限）不同，自噬是被优先(yuxin)保留的。无论是肿瘤细胞还是正常细胞，保持一种基础、低水平的自噬活性是至关重要的。因为细胞中随时产生的“垃圾”（破损或衰老的细胞器、长寿命蛋白质

18、、错误合成或折叠错误的蛋白质等等）都需要及时清除，而这主要靠自噬来完成，因此，自噬具有维持细胞自稳的功能；如果将自噬相关基因突变失活，如神经元会发生大量聚集蛋白，并出现神经元退化。同时，自噬的产物，如氨基酸、脂肪酸等小分子物质又可为细胞提供一定的能量和合成底物，可以说，自噬就是一个“备用仓库”。如Atg-5缺陷的小鼠在出生后喝上第一口奶之前就会饿死。更重要的是，自噬活性可在代谢应激（饥饿、生长因子缺乏、射线、化疗等）时大大增强l ，表现为胞浆中迅速涌现大量自噬体，这一现象被称为“自噬潮”（autophagic flux），广泛用于自噬形成的监测。自噬潮为细胞度过危机提供了紧急的营养和能量支持，有利于细胞的存活。第二十三页，共二十六页。细胞自噬机制自噬可为肿瘤自噬可为肿瘤(zhngli)细胞带来几大好处细胞带来几大好处l 1）肿瘤细胞本身就具有高代谢的特点，对营养和能量(nngling)的需求比正常细胞更高，但肿瘤微环境往往不能如意，如肿瘤发生初始期到血管发生之前、肿瘤长大发生血管崩塌时、肿瘤细胞脱离原发灶游走时等都会出现营养不足或供应中断，而此时提高自噬活性可以有助于度过这一危机。l 2）当化疗、放疗