更新时间：2024-09-20 21:18
自噬是一种广泛存在于真核细胞的生命现象，细胞自噬（autophagy）即自我消化，是细胞对自身结构的吞噬和降解，是真核生物进化保守的对细胞内物质进行周转的重要过程在这一过程中，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）进行降解并得以循环利用。最终使细胞能够在缺氧、饥饿、高温、感染等不利环境下继续生存的过程，在维护细胞内环境稳态方面起重要作用，是细胞器和大分子蛋白降解的主要途径。但过度自噬也可以导致细胞死亡。
在真核生物的生理和病理过程中都有自噬发生，自噬被认为是细胞对内外界环境压力变化的一种反应，自噬作用并非是一个具体的机制，而是代表着一系列的反应。根据细胞质中底物被运送到溶酶体上的不同路线，细胞自噬主要有3种类型：巨自噬（macroautophagy）、微自噬（microautophagy）和分子伴侣介导的自噬（ chaperone-mediated autophagy）。
细胞自噬，所谓自噬作用(autophagy)是一个非常简单的细胞活动，字面上也很好理解：自己吃自己。总体上看，动物细胞是一个三层结构：最外面是细胞膜，中间是细胞质，细胞核被包裹在最里面。大部分功能性细胞器和生物分子都悬浮在细胞质中，因此，很多细胞活动都在细胞质中进行。由于生理生化反应多而复杂，经常产生大量残渣，致使细胞活动受到影响甚至停滞，在这种情况下，自噬作用就非常重要：将淤积在细胞质中的蛋白质等代谢残渣清除掉，恢复正常的细胞活动。
清理细胞质能让细胞重获新生，对于神经细胞这类不可替换的细胞来说，这个过程尤为重要。神经细胞一旦分化成熟，就会保持当前状态，直到母体生物死去，它们没有其他方式来恢复和维护自身功能。细胞生物学家还发现，自噬作用还能抵御病毒和细菌的侵袭。任何躲过细胞外免疫系统，通过细胞膜进入细胞质的异物或微生物，都可能成为自噬系统的攻击目标。
降解：所有活细胞的核心功能之一
20世纪50年代中期，科学家观察到细胞里的一个新的专门“小隔间”（这种隔间的学名是细胞器），包含消化蛋白质，糖类和脂质的酶。这个专门隔间被称作“溶酶体”，相当于降解细胞成分的工作站。比利时科学家克里斯汀·德·迪夫（Christian de Duve）在1974年因为溶酶体和过氧化物酶体的发现，被授予诺贝尔生理学或医学奖。
克里斯汀·德·迪夫，1974年获得诺贝尔生理学或医学奖，“自噬”这个词的命名人。
60年代的新观察表明，在溶酶体内部有时可以找到大量的细胞内部物质，乃至整个的细胞器。因此，细胞似乎有将大量的物质传输进溶酶体的策略。进一步的生化和显微分析发现，有一种新型的囊泡负责运输细胞货物进入溶酶体进行降解（图1）。发现溶酶体的科学家迪夫，创造了自噬（auotophagy）这个词来描述这一过程。这种新的囊泡被命名为自噬体。
我们的细胞有不同的细胞“小隔间”，承担不同的作用。溶酶体就是这样一种隔间，里面有用于消化细胞内容物的消化酶。人们在细胞内又观察到了一种新型的囊泡，叫做自噬体。自噬体形成的时候，逐渐吞没细胞内容物，例如受损的蛋白质和细胞器；然后它与溶酶体相融，其中的内容被降解成更小的物质成分。这一过程为细胞提供了自我更新所需的营养和材料。
图1
在20世纪70年代和80年代，研究人员集中研究阐明用于降解蛋白质的另一个系统，即“蛋白酶体”。在这一研究领域，阿龙·切哈诺沃（Aaron Ciechanover），阿夫拉姆·赫什科（Avram Hershko）和欧文·罗斯（Irwin Rose）因为“泛素介导的蛋白质降解的发现”被授予2004年诺贝尔化学奖。蛋白酶体降解蛋白质的效率很高，一个个单个降解蛋白质，但这个机制没有解释细胞是怎么解决更大的蛋白质复合物以及破旧的细胞器的。
细胞自噬这是细胞组分降解与再利用的基本过程。“自噬”(autophagy)一词源于希腊语前缀“auto-”，意为“自我”，以及另一个希腊语单词“phagein”，意为“吞食”。因此，自噬作用的意思非常明确，那就是“自我吞噬”。
这一概念最早出现于上世纪1960年代，当时研究人员发现细胞能够消灭自身内部物质，方式是将其包裹进一个膜结构中，从而形成小型囊体并被输运至被称作“溶酶体”的回收机构进行分解。对这一过程开展研究非常困难，这也就意味着我们对其知之甚少。
直到上世纪1990年代，在经过一系列出色的实验之后，日本科学家大隅良典利用面包酵母找到了与自噬作用有关的关键基因。随后他开始致力于阐明酵母菌体内自噬作用的背后机制，并发现与之相似的复杂过程也同样存在于我们人类的细胞内。大隅良典的研究更新了我们关于细胞物质循环的旧有观点，他的研究开启了理解自噬作用在许多生理过程中关键作用的崭新道路，如生物体对于饥饿的适应或者机体对于感染的反应。自噬基因的突变会导致疾病的发生，自噬作用机制在一些类型的疾病，如癌症和神经疾病等病症中也发挥了作用。
20世纪70年代至80年代，研究人员主要专注于研究另一套用来降解蛋白质的系统，即“蛋白酶体”(proteasome)。在该研究领域，阿龙·切哈诺沃(Aaron Ciechanover)、阿夫拉姆·赫什科(Avram Hershko)和美国科学家欧文·罗斯(Irwin Rose)被授予2004年诺贝尔化学奖，以表彰他们在泛素调节的蛋白质降解研究领域中的卓越成就。蛋白酶体虽然能有效地逐步降解蛋白质，但该机制仍未能解释细胞是如何消除大型蛋白质复合物和受损的细胞器。
开创性实验
大隅良典活跃于多个研究领域，但在他于1988年最初建立自己实验室的时候，他主要致力于对液泡内的蛋白质降解进行研究，液泡的地位就类似于人体细胞内的溶酶体。酵母细胞相对比较容易开展研究，因此它们常被科学家们用做人类细胞模型。它们对于锁定复杂细胞机制背后的特定基因尤其有效。但大隅良典正面临一项挑战：酵母细胞很小，在显微镜能够下它们的细胞器并不容易分辨出来。因此此时的大隅良典甚至还不能确认在这种细胞内部是否存在自噬现象。
他推理认为，如果他能够打断正在进行中的细胞物质自噬降解过程，那么液泡内部就应该会聚集大量的自噬小体，从而在显微镜下变得可见。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的自噬机制。这一实验得到的结果是惊人的！在短短几小时内，细胞液泡内快速聚集起大量未能被降解的小型囊体。
这些小型囊体是自噬小体。大隅良典的实验证明在酵母菌内部同样存在自噬作用。但更加重要的是，他现在有了一种方法去识别并观察在细胞自噬机制背后起到关键作用的基因。这是一项突破性的进展，大隅良典在1992年发表的文章里相信进行了报告。
发现自噬基因
大隅良典开始利用其所克隆的酵母菌。在酵母菌被饿死的过程中，自噬体就会被积累。但如果自噬基因是灭活的，该积累过程就不会出现。大隅良典将酵母细胞暴露在一种物质下，随意引入多个基因的突变后，开始诱导自噬。这种做法奏效了！在发现酵母自噬现象后的一年内，大隅良典又发现了导致自噬的第一个基因。在后来的一系列研究中，由这些基因所编码的蛋白质也被从功能层面上被识别。这些研究结果表明，自噬由一连串的蛋白质和蛋白质复合物所控制，每一个都掌管着自噬体的萌生和形成的不同阶段。
自噬—人类细胞的一个重要机制
在发现酵母自噬机制后，一个核心问题油然而生：在其他生物体中是否也有一个相应的机制来控制这一过程？很快就有了答案，在人类细胞中也运行着几乎同样的机制。如今，用于研究人体自噬重要性的工具也已经诞生。
细胞自噬主要有三种形式：微自噬（microautophagy)、巨自噬（macroautophagy）和分子伴侣介导的自噬 (Chaperone-mediated autophagy，CMA）。
定义：指溶酶体或者液泡内膜直接内陷底物包裹并降解的过程。
作用时间：多在种子成熟时储藏蛋白的沉积或萌发时储存蛋白的降解中起作用。
定义：在其过程中，底物蛋白被一种双层膜的结构（粗面内质网的无核糖体附着区脱落的双层膜）包裹后形成直径约400-900纳米大小的自噬小泡（autophagosome)，接着自噬小泡的外膜与溶酶体膜或者液泡膜融合，释放包裹底物蛋白的泡状结构到溶酶体或者液泡中，并最终在一系列水解酶的作用下将其降解，我们将这种进入溶酶体或者液泡腔中的泡状结构称为自噬小体。
作用时间：营养缺乏条件下培养的细胞、植物的免疫反应、叶片衰老及环境胁迫应答。
在动物细胞衰老反应过程中，往往发生分子伴侣介导的自噬过程，保存必须的组成细胞结构的蛋白和其他材料。
诱导剂(1) Bredeldin A / Thapsigargin / Tunicamycin ：模拟内质网应激(2) Carbamazepine/ L-690，330/ Lithium 氯代十六烷（氯化锂）：IMPase 抑制剂（即肌醇 monophosphatase，肌醇单磷酸酶）(3) Earle's平衡盐溶液：制造饥饿(4) N-Acetyl-D-sphingosine（C2-神经酰胺）：Class I pi3k 神经通路抑制剂(5) Rapamycin：mTOR抑制剂(6) Xestospongin B/C：IP3R阻滞剂抑制剂(1) 3-Methyladenine（3-MA）：（Class III PI3K） hVps34 抑制剂(2) Bafilomycin A1：质子泵抑制剂(3) Hydroxychloroquine（羟氯）：Lysosomal lumen alkalizer（溶酶体腔碱化剂）除了选用上述工具药外，一般还需结合遗传学技术对自噬相关基因进行干预：包括反义核糖核酸干扰技术（Knockdown）、突变株筛选、外源基因导入等。观察检测细胞经诱导或抑制后，需对自噬过程进行观察和检测，常用的策略和技术有：1、观察自噬体的形成由于自噬体属于亚细胞结构，普通光镜下看不到，因此，直接观察自噬体需在透射电镜下。Phagophore的特征为：新月状或杯状，双层或多层膜，有包绕胞浆成分的趋势。自噬体（AV1）的特征为：双层或多层膜的液泡状结构，内含胞浆成分，如线粒体、内质网、核糖体等。自噬溶酶体（AV2）的特征为：单层膜，胞浆成分已降解。（autophagic vacuole，AV）2、在荧光显微镜下采用GFP-LC3融合蛋白来示踪自噬形成由于电镜耗时长，不利于监测（Monitoring）自噬形成，人们利用LC3在自噬形成过程中发生聚集的现象开发出了此技术。无自噬时，GFP-LC3融合蛋白弥散在胞浆中；自噬形成时，GFP-LC3融合蛋白转位至自噬体膜，在荧光显微镜下形成多个明亮的绿色荧光斑点，一个斑点相当于一个自噬体，可以通过计数来评价自噬活性的高低。3、利用Western Blot检测LC3-II/I比值的变化以评价自噬形成自噬形成时，胞浆型LC3（即LC3-I）会酶解掉一小段多肽，转变为（自噬体）膜型（即LC3-II），因此，LC3-II/I比值的大小可估计自噬水平的高低。（注意：LC3抗体对LC3-II有更高的亲和力，会造成假阳性。方法2和3需结合使用，同时需考虑溶酶体活性的影响。）4、检测长寿蛋白的批量降解：非特异5、MDC（Monodansylcadaverine，单丹磺尸胺）染色：包括自噬体，所有酸性液泡都被染色，故属于非特异性的。6、CellTrackerTM Green染色：主要用于双染色，但其能染所有的液泡，故也属于非特异性的。蛋白定位在研究自噬相关蛋白时，需对其进行定位。由于自噬体与溶酶体、线粒体、内质网、高尔基体关系密切，为了区别，常用到一些示踪蛋白在荧光显微镜下来共定位：Lamp-2：溶酶体膜蛋白，可用于监测自噬体与溶酶体融合。LysoTrackerTM 探针：有红或蓝色可选，显示所有酸性液泡。pDsRed2-mito：载体，转染后表达一个融合蛋白（红色荧光蛋白+线粒体基质定位信号），可用来检测线粒体被自噬掉的程度（Mitophagy）。MitoTraker探针：特异性显示活的线粒体，荧光在经过固定后还能保留。Hsp60：定位与线粒体基质，细胞死亡时不会被释放。Calreticulin（钙网织蛋白）：内质网腔
揭示机制
加利福尼亚大学-圣地亚哥分校的管坤良教授领导的一支研究团队揭示了调控细胞自噬的一个关键分子机制，研究人员发现，AMPK酶，不仅参与了细胞的传感和能量调控，而且在细胞自噬酶作用方面，也扮演了重要角色。细胞自噬是细胞在恶劣条件下确保其生存的基本应激反应。研究人员发现，AMPK能以不同的方式，调控一种称为Vps34激酶家族不同的配位化合物，一些Vps34酶参与了正常细胞的囊泡运输——细胞中一种重要的分子运输，还有一些Vps34复合物则参与了细胞自噬。管教授与其同事们发现，AMPK能抑制那些未参与细胞自噬的酶，而激活参与细胞自噬的Vps34酶。
近年来科学家发现，细胞自噬作用与生物发育以及许多人类疾病，如衰老、肿瘤、感染与免疫、心血管疾病、肌肉病变及神经退化性疾病等密切相关。
应该说细胞自噬受到热捧的一个很重要原因就在于其与疾病的关联，首当其冲是衰老。
细胞自噬的典型特征是形成自噬体并呈递给溶酶体，这一过程在蛋白质和细胞器质量控制中起基础作用并维持了细胞能量的稳态。一些研究表明，自噬与细胞衰老密切相关，参与蛋白酶和自噬相关调节的BAG蛋白家族中BAG3/BAG1比值在复制性衰老时增高，且BAG3在细胞衰老时能介导自噬的激活。研究还发现在Ras诱导的细胞衰老进程中亦可观察到较高的自噬活性。
其次是包括帕金森病在内的一些神经退行性疾病，2013年的一项研究就指出一种与细胞自噬作用相关的基因若出现异常，会导致一种罕见的脑病。这种罕见脑病被称作“伴随成人期神经退行性变性的儿童期静态脑病”(SENDA)，患者大脑萎缩并伴随认知障碍。
当时参与研究的科学家指出，自噬作用的异常，比如负责运送蛋白到溶酶体的自噬CMA过程出了问题，都有可能导致认知障碍。
另外一大类就是与肿瘤的关系，近年来大量的研究表明，自噬与肿瘤的发生发展密切相关，许多调节自噬的药物被用于临床肿瘤治疗的研究中。
虽然到目前为止激活细胞自噬来预防肿瘤发生的直接临床依据稍显不足，但自噬在肿瘤早期发生过程中的抑制作用已被广泛证实, 因此适当地提高基础自噬水平可能成为未来肿瘤预防的重要措施。
斯德哥尔摩当地时间2016年9月3日中午11时30分，2016年诺贝尔生理学或医学奖授予日本分子细胞生物学家大隅良典（Yoshinori Ohsumi），以表彰他发现了细胞自噬的机制。
大隅良典生于1945年，是东京工业大学教授、分子细胞生物学家。他将获得今年诺贝尔生理学或医学奖的奖金800万瑞典克朗（约合93.33万美元）。