分子亲属介导的细胞自噬

分子亲属介导的细胞自噬

分子伴侣是一种帮助细胞其他蛋白质或养分正常折叠、分解、运输和分解的蛋白质。现在，广泛研究了热休克蛋白质家族。近年来研究表明,组成型表达的热休克蛋白70(heatshockcognateprotein70,HSC70)作为分子伴侣参与细胞自噬作用,这种方式称为分子伴侣介导的自噬(chaperone-mediatedautophagy,CMA)。CMA不仅在维持细胞内环境稳态中发挥重要作用,而且与个体衰老和神经退行性疾病有关。本文将对这方面的研究进展进行综述。1分子中nd-pc70的结构及工作原理自噬(autophagy)是细胞将自身的胞质蛋白和细胞器以形成自噬泡的形式由溶酶体降解,对于清除细胞内衰老损伤的细胞器、聚集的变性蛋白和饥饿状态下氨基酸的循环再利用等发挥重要作用。在酵母和哺乳动物中,根据细胞内底物进入溶酶体腔的方式不同,自噬可分为大自噬(macroautophagy)、小自噬(microautophagy)和分子伴侣介导的自噬三种方式。大自噬是通过双层膜结构将细胞质中可溶性蛋白和细胞器包裹形成自噬泡(包括autophagicvacuoles和autophagosome),由自噬泡将其包含的细胞质组分和细胞器携带到溶酶体中降解加工;小自噬是通过溶酶体膜的内陷包裹吞噬胞质中的底物分子;分子伴侣介导的自噬仅存在哺乳动物细胞,具有一定的选择性,由分子伴侣HSC70识别带有KFERQ序列的可溶性胞质蛋白底物。分子伴侣-底物复合物与溶酶体膜上的受体LAMP-2a(lysosome-associatedmembraneprotein2a)结合后,底物去折叠;位于溶酶体腔中的HSC70(Ly-HSC70)介导底物在溶酶体膜转位,进入溶酶体腔中的底物在水解酶作用下分解为其组成成分,被细胞再利用。与其他两种自噬方式不同,CMA机制最显著的特点就是降解带有KFERQ序列的蛋白质底物,这个过程涉及分子伴侣与底物的识别、底物去折叠和跨溶酶体膜的转位三个阶段。在这个过程中,需要两个蛋白质复合体参与:其一是底物识别复合体;其二是溶酶体跨膜转位复合体。底物识别复合体由HSC70及其他共伴侣分子包括HSP90、HSP40、Hip、Hop和Bag-1等组成,识别带有KFERQ-序列的蛋白质底物分子。HSC70不仅引导底物到溶酶体膜上的跨膜转位复合体上,还促进底物分子去折叠,这是底物分子进入溶酶体腔的关键。溶酶体跨膜转位复合体主要由溶酶体膜上的受体蛋白LAMP-2a和溶酶体腔中Ly-HSC70组成,该复合体结合并吸收底物分子进入溶酶体腔。LAMP-2a是单次跨膜蛋白,其胞质尾巴上带正带荷的氨基酸残基是结合底物分子必不可少的。LAMP-2a先以单体的形式结合底物分子,然后组装成多亚基复合体促进底物进入溶酶体。一旦底物进入溶酶体腔,多亚基复合体解离成单体进入下一个循环。Ly-HSC70对于LAMP-2a多亚基复合体的稳定、组装和解体非常重要。如果溶酶体缺乏Ly-HSC70,尽管存在LAMP-2a,也不能执行CMA的功能。同样,如果敲除LAMP-2a,溶酶体膜上存在HSC70亦不能完成CMA的功能。可见,细胞内CMA的活性依赖LAMP-2a和Ly-HSC70的表达水平。2cm的生理效果2.1营养对macroautohage活性的影响饥饿是激活CMA的重要因素。Cuervo研究表明,培养细胞血清饥饿10h后,或动物饥饿3d能显著提高CMA活性,细胞质中含KFERQ-序列的蛋白质显著减少。随饥饿进程macroautophagy活性由高到低,而CMA活性恰恰相反,说明细胞选择更合理的、具有选择性的蛋白降解途径。CMA可以保留细胞质中的必需蛋白质,降解非关键蛋白质。例如,许多含有KFERQ-序列的分解糖类的酶(细胞在营养缺乏时不需要该类酶)在持久饥饿状态下通过CMA降解。在营养匮乏时CMA的激活具有组织和细胞特异性,主要体现在肝脏、脾脏、肾脏和心脏。神经细胞体现基础水平的CMA活性,饥饿对此没有影响。2.2氧自由基参与体外细胞中和kfeq-hsc60的表达氧化性损伤指活性氧自由基对生物大分子的破坏作用,包括DNA损伤、蛋白质交联、脂质过氧化等。应对氧化性损伤,生物体采取多种自我保护机制,如启动抗氧化系统、蛋白质降解系统等,其中CMA就是一种非常重要的机制。Kiffin等研究发现氧化性损伤使CMA活性增强,溶酶体膜上LAMP-2a和Ly-HSC70的含量增加。在CMA激活的溶酶体中,可以检测到大量氧化型蛋白。阻断CMA途径,细胞在受到氧化性胁迫时生存率急剧下降。氧自由基可能对蛋白质具有修饰作用,使蛋白质部分去折叠,暴露出隐藏的KFERQ-序列被胞质中的分子伴侣复合体识别。通过CMA途径清除因氧化性损伤造成的蛋白质聚集体,有助于维持细胞内环境的稳定性。2.3lamp-2ma在溶酶体膜上的分布及代谢细胞内蛋白质聚集体和变性蛋白质的数量增加是所有生物衰老的共同特征,究其原因是细胞内蛋白质降解系统,如泛素-蛋白酶体和自噬等功能下降。Rajawat等研究表明,CMA活性随年龄的增长而降低,衰老可能影响溶酶体膜上LAMP-2a与底物的结合以及溶酶体对底物的吸收。大鼠中LAMP-2a的水平在中年阶段前保持不变,然后随年龄增长而降低。LAMP-2a的水平降低并不是因其转录水平下调,而是由于衰老影响LAMP-2a在溶酶体膜上的分布及其稳定性。CMA的活性与溶酶体膜上可利用的LAMP-2a数量呈正相关,如果恢复溶酶体膜上LAMP-2a的正常水平有可能逆转衰老导致的CMA蛋白降解途径恶化现象。Zhang等利用转基因小鼠模型证实这一观点,激活转基因老龄化小鼠中外源Lamp-2a基因表达,CMA活性能恢复到年轻小鼠的水平。该小鼠模型中氧化型蛋白和蛋白质聚集体减少且肝脏功能良好,这进一步说明CMA参与细胞内稳态和胁迫保护。这项研究表明,阻止衰老依赖性CMA功能下降有可能应用于抗衰老治疗。3cm和疾病3.1半乳糖苷消化酶溶酶体贮积症(lysosomalstoragedisease,LSD)指溶酶体对某些底物降解失调的一类疾病的统称。尽管引起溶酶体功能缺陷的病因很多(如酶的结构变异或缺乏某些酶等),但结果很相似:由于溶酶体内一些物质的异常积累导致溶酶体肿胀,甚至内容物的渗漏,最终导致细胞死亡。溶酶体功能失调不可避免地影响CMA活性及其他自噬途径,但也有CMA功能障碍先于溶酶体失调。在半乳糖苷唾液酸贮积症(galactosialidosis)中存在CMA异常上调表达现象,这种病是由于溶酶体保护蛋白/组织蛋白酶A(CathepsinA)功能缺陷引起。CathepsinA不仅是溶酶体半乳糖苷酶形成所必需的,也参与调控LAMP-2a的降解。CathepsinA功能丧失使LAMP-2a的降解减少,结果CMA的活性很高,长期效应导致这类患者衰竭。其他LSD与CMA的直接联系见于IV型黏脂贮积症(mucolipidosistypeIV)。这种病例中,一种称之为TRPML1(transientreceptorpotentialmucolipin-1)的离子通道蛋白发生突变。TRPML1与参与CMA的分子伴侣HSC70和HSP40在溶酶体膜上相互作用,很可能是溶酶体跨膜转位通道的一个新调节因子。从这类患者中分离的成纤维细胞表现为CMA活性降低,溶酶体中氧化型蛋白增加,但是,TRPML1突变与CMA活性降低的机制尚待深入研究。3.2巨球蛋白参与肾增殖的机制CMA与肾病的直接联系见于肾小管玻璃样病变。长期接触化学性物质,如汽油衍生物等,肾小管远端出现玻璃样物质堆积,最终导致肾小管坏死。脂蛋白和α2-巨球蛋白是玻璃样物质的主要成分。α2-巨球蛋白由肝脏合成、分泌,主要定位于肾脏,参与转运脂肪酸进入肾小管上皮细胞。α2-巨球蛋白含有CMA识别的靶序列,且胞质形式的α2-巨球蛋白主要由CMA途径降解。受化学性毒物的影响,α2-巨球蛋白的结构发生改变,这些改变的α2-巨球蛋白可能激活CMA途径并被清除。在毒物处理的动物中,溶酶体膜上LAMP-2a水平升高。在这种肾病的初期阶段,激活CMA可以有选择性地清除受到损伤的蛋白质;但是,受毒素的长期影响,CMA机制不足以保护肾脏的功能,肾脏中蛋白质堆积最终导致肾衰。近年研究发现,CMA活性与肾小管上皮细胞增生有联系。配对盒转录因子Pax2(pairedbox-relatedtranscriptionfactor)参与调控肾细胞增殖,含有KFERQ-序列。像糖尿病、代谢性酸毒症和慢性肾炎等肾病中,肾脏存在不同程度的肥大性增生。在这些疾病中CMA活性受到抑制,导致胞质中CMA底物增多,其中Pax2水平升高。Pax2可能促进肾小管细胞的增殖导致肾脏肥大性增生。3.3阿尔茨海默氏病的病因蛋白质降解系统退变,胞浆中存在大量蛋白质聚合物是神经退行性疾病的典型特点。在亨廷顿氏病(Huntington’sdisease,HD)、帕金森氏病(Parkinson’sdisease,PD)和阿尔茨海默氏病(Alzheimer’sdisease,AD)中,蛋白酶体活性的降低早有报道。在这些疾病的神经元细胞中,观察到自噬泡(特指autophagicvacuoles,仅包含细胞质成分)的异常积累,自噬泡中含有不被消化的神经黑色素和脂褐质。自噬泡的增加是细胞清除蛋白质聚集体的防御性反应,亦或是自噬泡与溶酶体的融合发生缺陷,这个问题尚不清楚。蛋白质的突变与退行性疾病有关。α-synuclein是帕金森氏病的主要致病蛋白。野生型α-synuclein能通过溶酶体跨膜转位复合体就进入溶酶体腔,通过CMA途径降解。突变型α-synuclein与LAMP-2a的亲和力强于野生型,不能有效地进入溶酶体,且阻断其他CMA底物进入溶酶体。微管结合蛋白Tau与阿尔茨海默氏病的病理发生有关。正常Tau蛋白被蛋白水解酶裂解产生的两个片段均能直接进入溶酶体,而突变的Tau蛋白被裂解后产生的淀粉样蛋白前体(amyloidogenicfragment)不能由正常途径进入溶酶体,却被胞质中的CMA复合体识别。这种截短的Tau蛋白部分插入溶酶体转位复合体,进入溶酶体腔的C端被水解酶裂解成淀粉样多肽。与α-synuclein一样,病理性Tau蛋白与溶酶体转位复合体不可逆结合干扰CMA的正常功能,导致溶酶体膜的不稳定和溶酶体蛋白的渗漏。鉴于CMA在维持细胞内稳态中发挥重要作用,CMA途径受阻可能导致突变蛋白