beclin1基因研究论文

贝克兰 人名吧

本文是一篇综述，选自nature  review 摘要：调节细胞死亡过程的发现促进了癌症治疗的进展。在过去的十年中，铁死亡，一种由过度脂质过氧化驱动的铁依赖形式的调节性细胞死亡，与各种类型肿瘤的发展和治疗反应有关。实验试剂(如erastin和RSL3)、批准的药物(如索拉非尼、柳氮磺胺吡啶、他汀类和青蒿素)、电离辐射和细胞因子(如IFNγ和TGFβ1)可诱导铁死亡和抑制肿瘤生长。然而，铁死亡性损伤可以在肿瘤微环境中引发炎症相关的免疫抑制，从而促进肿瘤生长。铁死亡对肿瘤生物学的影响程度尚不清楚，尽管一些研究发现了癌症相关基因(如RAS和TP53)突变、编码参与应激反应途径(如NFE2L2信号传导、自噬和缺氧)的蛋白质的基因突变、上皮-间充质转化与激活铁死亡的治疗反应之间的重要相关性。在这里，我们介绍了铁死亡的关键分子机制，描述了铁死亡和肿瘤相关信号通路之间的相互作用，并讨论了铁死亡在全身治疗、放射治疗和免疫治疗中的潜在应用。 大多数癌症治疗策略旨在选择性地消除癌细胞，而不伤害非恶性细胞。调节性细胞死亡(RCD)过程的不同致死子程序不同地影响肿瘤进展和对治疗的反应。与意外细胞死亡相比，RCD由特定的信号转导途径控制，这些途径可以通过药理学或遗传干预来调节。最广泛研究的RCD类型是细胞凋亡、焦亡、坏死和铁死亡，每一种都有独特的分子机制。死亡受体和线粒体途径是凋亡激活的两种最常见的机制，一个称为胱天蛋白酶的细胞内蛋白酶家族负责这些形式的RCD的效应期。焦亡也是一个半胱天冬酶依赖的过程，其效应期需要半胱天冬酶1或半胱天冬酶11介导的gasdermin D的裂解来释放其N端结构域，从而可以寡聚化并在质膜中形成孔。坏死的发生没有半胱天冬酶的激活，而是涉及其他效应分子，如假激酶MLKL，由RIPK3介导的磷酸化激活。 铁死亡这个术语是在2012年提出的，指的是一种由无限制的脂质过氧化和随后的质膜破裂引起的铁依赖性RCD。铁死亡可通过外在或内在途径诱发。外源途径是通过抑制细胞膜转运蛋白如胱氨酸/谷氨酸转运蛋白(也称为系统xc)或通过激活铁转运蛋白5-羟色胺转运蛋白和乳转铁蛋白来启动的。内在途径通过阻断细胞内抗氧化酶(如谷胱甘肽过氧化物酶GPX4)而被激活。尽管这一过程不涉及胱天蛋白酶、MLKL或gasdermin D的活性， 但铁死亡的效应分子仍有待鉴定 。值得注意的是，氧化损伤，一种由谷氨酸介导的神经细胞xc系统抑制引起的氧化损伤，其分子机制与铁死亡相似。 细胞凋亡在过去的30年里得到了广泛的研究；然而，肿瘤学中以凋亡调节因子(如来自半胱天冬酶或BCL-2家族的蛋白质)为靶点的治疗药物的临床应用仍然面临挑战。对凋亡的抵抗是癌症的标志，因此，靶向非凋亡的RCD过程可能提供抑制肿瘤生长的替代策略。三个早期临床前观察支持某些致癌信号和铁死亡诱导之间的联系:(1)铁死亡激活剂erastin被鉴定，因为它能够选择性地在含有突变型而非野生型RAS的癌细胞中触发细胞死亡；(2)RAS-RAF-MEK-ERK通路的激活是erastin诱导的细胞死亡所必需的和(3)铁，已知对癌细胞增殖很重要，也是erastin诱导的细胞死亡所必需的。随后的研究发现了一种通过铁积累、脂质过氧化和膜损伤控制铁死亡的复杂信号通路。 该网络作为肿瘤学中潜在的新靶点已经引起了极大的关注(表1)。特别是，对传统疗法有抵抗力或具有高转移倾向的癌细胞可能特别容易发生铁死亡敏感，从而开辟了靶向治疗研究的新领域。作为对先前综述的补充，我们旨在深入了解铁死亡在肿瘤发展中的机制和功能，并将其作为潜在的治疗靶点。我们描述了肿瘤异质性和与铁死亡敏感阈值相关的信号，并强调了临床应用的潜在治疗药物。 铁积累和脂质过氧化是铁死亡过程中引发膜氧化损伤的两个关键信号。铁死亡的核心分子机制涉及调节氧化损伤和抗氧化防御之间的平衡。 与非恶性细胞相比，癌细胞(尤其是癌症干细胞)的生长强烈依赖于微量元素铁。流行病学证据表明，高膳食铁摄入量增加了几种癌症类型的风险(如肝细胞癌(HCC)和乳腺癌)。这些特点表明，铁螯合药物(如去铁胺)或增加铁介导毒性的药物(如索拉非尼、柳氮磺吡啶、他汀类和青蒿素等诱导铁死亡的药物)可用于治疗癌症患者。 在动物模型中，由于多种水平的干预(如增加铁吸收、减少铁储存和限制铁流出)导致的铁积累增加通过整合的信号通路促进铁死亡。5-羟色胺转运体介导或乳转铁蛋白介导的铁摄取通过转铁蛋白受体(TFRC)和/或另一种未知受体促进铁转运，而SLC40A1介导的铁输出抑制铁转运。铁蛋白(一种铁储存蛋白)的自噬降解通过增加细胞间铁水平来增强铁死亡，而外泌体介导的铁蛋白输出抑制铁死亡。参与铁硫簇生物发生铁利用的几种线粒体蛋白(包括NFS1、ISCU26、CISD1和CISD2)可能通过降低有效的氧化还原活性铁含量来负调节铁死亡。 过量的铁通过至少两种机制促进随后的脂质过氧化:通过依赖铁的芬顿反应产生活性氧和激活含铁的酶(例如，脂氧合酶) 。因此，铁螯合剂和抗氧化剂可防止铁中毒。铁螯合剂去铁胺联合常规经动脉化疗栓塞的安全性和有效性目前正在不能切除的HCC患者中进行研究(NCT03652467)。 在铁死亡过程中，多不饱和脂肪酸(PUFAs)，特别是花生四烯酸和肾上腺素酸，最容易发生过氧化反应，从而导致脂质双层的破坏，影响膜功能。细胞膜中多不饱和脂肪酸的生物合成和重塑需要酶ACSL4和LPCAT3。ACSL4催化游离花生四烯酸或肾上腺素酸和辅酶a的结合，分别形成衍生物AA–CoA或AdA–CoA，然后LPCAT3促进它们酯化成膜磷脂酰乙醇胺，形成AA–PE或AdA–PE。ACSL3将单不饱和脂肪酸(MUFAs)转化为它们的酰基辅酶a酯，以结合到膜磷脂中，从而保护癌细胞免受铁敏感性。AMPK介导的beclin1磷酸化通过抑制还原型谷胱甘肽(GSH)的产生而促进铁死亡，而AMPK介导的ACAC磷酸化被认为通过限制PUFA的产生而抑制铁死亡。这些研究扩展了AMPK的已知功能，揭示了这种激酶作为能量传感器的作用，通过不同下游底物的磷酸化决定细胞命运。过氧化物酶体介导的缩醛磷脂生物合成为铁缺乏症期间的脂质过氧化提供了另一种PUFA来源。最后，不同的脂氧合酶在介导脂质过氧化以产生氢过氧化物AA-PE-OOH或AdA-PE-OOH方面具有环境依赖性作用，这些氢过氧化物促进铁死亡。例如，脂氧合酶ALOX5、ALOXE3、ALOX15和ALOX15B负责来源于各种肿瘤类型(BJeLR、HT-1080或PANC1细胞)的人细胞系中的铁死亡，而ALOX15和ALOX12在来源于非小细胞肺癌(NSCLC)的H1299细胞中介导p53诱导的铁死亡。 几种膜电子转移蛋白，特别是POR和NADPH氧化酶(NOXs)有助于铁死亡脂质过氧化的活性氧产生。在其他情况下，哺乳动物线粒体电子传递链和三羧酸循环，再加上谷氨酰胺分解和脂质合成信号，参与了铁死亡的诱导，尽管线粒体在铁死亡中的作用目前仍有争议。当新的治疗方法可用时，进一步评估不同类型肿瘤中脂质过氧化调节因子的表达谱对指导患者选择是至关重要的 抗氧化酶GPX4可以直接将磷脂氢过氧化物还原为羟基磷脂，从而作为癌细胞中铁死亡的中心阻遏物。GPX4表达和生存结果之间的关系是肿瘤类型依赖性的。例如，GPX4的高表达水平与乳腺癌患者的预后呈负相关，但与胰腺癌患者的良好生存结果呈正相关。GPX4在铁死亡中的表达和活性依赖于谷胱甘肽和硒的存在。 谷胱甘肽是由半胱氨酸、甘氨酸和谷氨酸三种氨基酸合成的；半胱氨酸的可用性是这一过程的主要限制因素。 在哺乳动物细胞中，xc系统在将胱氨酸(半胱氨酸的氧化形式)导入细胞用于随后的GCL介导的谷胱甘肽生产中起主要作用。系统xc由两个子单元组成，SLC7A11和SLC3A2。 SLC7A11的表达和活性进一步被NFE2L2正向调节，并被肿瘤抑制基因负向调节，如TP53、BAP1和BECN1 。这种双重调节构成了一种微调机制来控制铁死亡中的谷胱甘肽水平。谷胱甘肽的其他来源可能包括反式硫化途径，该途径由氨酰基-tRNA合成酶家族负调节，如CARS1，CARS1中的一些多态性与胃癌风险增加相关。 GPX4以谷胱甘肽为底物，将膜脂氢过氧化物还原为无毒的脂醇 。在GPX4中用半胱氨酸残基取代硒代半胱氨酸(U46C)增加了它的铁死亡抗性。对系统xc(用伊拉斯汀、柳氮磺胺吡啶或索拉非尼)或GPX4(用RSL3、ML162、ML210、FIN56或FINO2)的药理学抑制诱导铁死亡。同样，SLC7A11或GPX4的基因缺失会导致脂质过氧化，并导致某些细胞或组织的铁死亡。 GPX4缺失还介导小鼠中的其他RCD过程(如凋亡、坏死和焦亡)，表明脂质过氧化位于这些途径的十字路口，尽管下游效应物可能有所不同 。 几个非GPX4途径，包括AIFM2–CoQ10、GCh1–BH4和ESCRT- III膜修复系统，在防止铁死亡期间的氧化损伤方面也具有作用。这些修复途径之间可能存在协同或互补效应。事实上，AIFM2调节还原性CoQ10产生，但也可以通过激活ESCRT-III膜修复系统来防止癌细胞的铁死亡。 RAS家族(HRAS、NRAS和KRAS)的癌基因是所有人类癌症中最常见的突变。在发现索托菲尼之前，这些蛋白质被认为是“undruggable”，索托菲尼是KRAS-G12C突变蛋白质的直接抑制剂，在非小细胞肺癌患者中具有很好的活性，尽管对这种化合物的获得性抗性是常见的。KRAS-G12C的另一种选择性抑制剂阿达格列西布也显示出对KRAS-G12C阳性非小细胞肺癌和其他实体肿瘤患者的令人鼓舞的临床活性。其他针对RAS信号传导的间接策略依赖于筛选RAS依赖性生长抑制剂或特定细胞死亡诱导剂时识别的小分子。 铁死亡诱导剂erastin和RSL3对工程化RAS突变肿瘤细胞显示出选择性致死作用 。 RAS或其下游信号分子(BRAF、MEK和ERK)的遗传或药理学抑制逆转了erastin和RSL3的抗癌活性 ，可能是因为突变的RAS信号通过调节铁代谢相关基因(如TFRC、FTH1和FTL19)的表达丰富了细胞铁库。KRAS突变型肺腺癌细胞对SLC7A11抑制剂诱导的铁敏感；此外，在EGFR具有上游突变的非小细胞肺癌衍生细胞对铁死亡敏感。 这些临床前的发现支持了铁死亡的诱导可能是对抗致癌性RAS携带肿瘤的合适策略的观点 。 在临床前研究中，致癌RAS突变体(NRASV12、KRASV12和HRASV12)的异位表达降低了RMS13横纹肌肉瘤衍生细胞的铁死亡易感性，表明这些突变可能在特定情况下抑制铁死亡。此外，对117种癌细胞系对erastin的反应的分析揭示了RAS依赖和RAS非依赖铁死亡机制，这些试图破译使某些癌症易受铁死亡诱导的特定遗传特征的努力正在进行中。 在大约50%的人类癌症中，TP53是双等位基因突变或缺失的，导致野生型P53活性的丧失和肿瘤进展。所有人类癌症中最常见的六种TP53突变包括R175H(5.6%)、R248Q (4.37%)、R273H (3.95%)、R248W (3.53%)、R273C (3.31%)和R282W(2.83%)。众所周知， p53是一种转录因子，它与靶基因的启动子结合，然后激活或抑制基因合成 。例如，p53主动调节BBC3(也称为PUMA)和BAX的表达，以诱导凋亡。相比之下， p53介导的SLC7A11转录抑制促进癌细胞的铁死亡 。TP53改变(突变或多态性)改变了P53促进细胞凋亡和铁死亡的能力。p53 3KR (K117R，K161R，K162R)乙酰化缺陷突变株不能诱导细胞凋亡，但完全保留了诱导肺癌细胞系铁死亡的能力。另一个乙酰化缺陷突变体p53 4KR(K98R和3KR)和p53 P47S(一种位于p53 N端反式激活结构域的多态性)也不能诱导铁死亡。有趣的是，p53 R273H和R175H不能结合DNA，但仍然可以通过抑制其他转录因子的活性来抑制SLC7A11的表达，从而表明整合的转录因子网络控制了铁死亡主要调控因素的表达。 一些代谢相关基因，如SAT1、FDXR和GLS2，已被报道为在各种条件下负责p53介导的铁死亡的直接靶标，从而强调了p53在铁死亡中作为参与代谢的基因的调节剂的重要性。p53还具有通过直接结合二肽基肽酶DPP4来抑制人结直肠癌细胞中氮氧化物介导的脂质过氧化或通过诱导纤维肉瘤细胞中CDKN1A的表达来限制铁死亡的能力。DPP4抑制剂(如vildagliptin、alogliptin和linagliptin)用于降低2型糖尿病患者的血糖水平，并可能限制铁死亡激活剂的抗癌活性。 迄今发表的数据不仅暗示脂质过氧化是铁死亡的关键因素，而且单一p53靶基因或结合蛋白在铁死亡中的总体重要性可能是细胞类型特异性的 。此外，MDM2和MDMX这两种结合p53并调节其稳定性的蛋白质以与p53无关的方式促进癌细胞中的铁死亡，从而强调了铁死亡中p53的稳定性可能不依赖于来自MDM家族的蛋白质。Eprenetapopt和COTI-2都旨在重新激活突变型p53，目前正在应用于急性髓系白血病(AMLNCT03931291)和各种实体恶性肿瘤(NCT04383938和NCT02433626)；这些药物的临床活性可能与铁死亡有关。 NFE2L2是氧化应激信号的主要调节因子，在肿瘤进展中具有双重作用:NFE2L2活性不足可导致早期肿瘤发生，而NFE2L2高组成性活性可触发肿瘤进展和对治疗的抵抗。NFE2L2在癌细胞中的表达不仅受KEAP1介导的蛋白质降解调节，还受致癌信号通路(如KRAS-BRAF-MYC)的转录调节。临床前研究表明NFE2L2信号是抵抗铁死亡的重要防御机制，并与HCC细胞对索拉非尼的抗性有关。Sequestosome 1是一种多功能支架蛋白，可结合KEAP1，并防止其在癌细胞的铁死亡过程中结合新合成的NFE2L2。 NFE2L2通过反式激活铁代谢 (包括SLC40A1、MT1G、HMOX1和FTH1)、 谷胱甘肽代谢 (包括SLC7A11、GCLM和CHAC1) 和ROS解毒酶 (包括TXNRD1、AKR1C1、AKR1C2和AKR1C3、SESN2、GSTP1和NQO1)中涉及的几种细胞保护基因来 抑制铁死亡中的氧化损伤 。NFE2L2中的功能获得突变或KEAP1中的功能丧失突变进一步增加了氧化应激反应的复杂性，这反过来可能影响对铁死亡的抗性。NFE2L2对铁死亡抗性的贡献和NFE2L2抑制剂(如布鲁塞尔醇和葫芦巴碱)增强铁死亡的治疗潜力需要在临床前和临床研究中进一步探讨。 缺氧促进肿瘤形成和治疗抵抗。缺氧的主要调节因子——缺氧诱导因子包括一个氧不稳定的α亚单位(包括缺氧诱导因子1α、EPAS1(也称为缺氧诱导因子2α)和缺氧诱导因子3α)和一个组成型表达的β亚单位(ARNT)。在常氧条件下，缺氧诱导因子EGLN家族的成员将缺氧诱导因子1α和EPAS1羟基化，然后被E3泛素连接酶VHL识别用于蛋白酶体降解。在低氧条件下，羟化酶失活导致HIF1α和EPAS1积累并与ARNT形成异二聚体，从而诱导参与低氧适应和存活的基因转录。HIF1α和EPAS1表达在多种癌症类型中都升高，通常与患者预后不良有关. 在临床试验中，已经探索了使用小分子，如2-甲氧基雌二醇(NCT00030095)、BAY 87-2243 (NCT01297530)、PX-478 (NCT00522652)和PT2385抑制缺氧诱导因子信号的策略。在这些药物中，PT2385可以稍微提高转移性透明细胞肾细胞癌(RCC)患者的生存率，而长期使用PT2385会导致获得耐药性。在临床前研究中， 缺氧诱导因子似乎在调节癌细胞铁死亡中具有双重作用 。EGLN用于催化缺氧诱导因子羟基化，不仅是氧的铁依赖性传感器，也是半胱氨酸的铁依赖性传感器。铁螯合剂可能通过抑制EGLN的活性来提高缺氧诱导因子的稳定性。在HT-1080纤维肉瘤细胞中，缺氧诱导的HIF1α表达通过增加脂肪酸结合蛋白3和7的表达来抑制铁死亡，从而促进脂肪酸摄取并增加脂质储存能力以避免随后的脂质过氧化。相反，在肾细胞癌衍生的细胞中，EPAS1的激活通过上调HILPDA的表达而促进铁死亡，从而增加PUFA的产生和随后的脂质过氧化。相比之下，在肾细胞癌衍生的细胞中，活化的EPAS1通过上调HILPDA的表达促进铁死亡，从而增加PUFA产生和随后的脂质过氧化。因此，有效控制缺氧诱导因子介导的信号是维持脂质稳态以调控铁死亡反应所必需的。如果将肿瘤细胞中铁死亡调控蛋白基因的表达作为纳入/排除标准，临床试验中缺氧诱导因子抑制剂的使用可能会得到改善。 上皮-间充质转化(EMT)是上皮细胞失去与上皮表型相关的极性和细胞间粘附特性，并逐渐获得与间充质表型相关的迁移和侵袭能力的过程。在临床实践中，EMT被认为会产生癌症干细胞，导致转移性扩散并导致治疗耐药性。EMT介导的肿瘤转移和耐药性是由转录因子刺激的，如SNAI1、TWIST1和ZB1，它们都是肿瘤学中潜在的治疗靶点。除了限制大多数抗癌治疗的效果，EMT信号还可以促进铁死亡(图3)。人类癌细胞系和器官样细胞中的高度间充质样细胞状态与对铁死亡易感性相关。ZB1的高基线转录水平与细胞对铁死亡敏感性相关，部分归因于ZB1诱导的PPARγ的上调，PPARγ是肝脏脂质代谢的主要调节因子。EMT的积极调节因子蛋白LYRIC(也称为间粘附素)通过抑制GPX4和SLC3A2的表达来促进铁死亡。CD44依赖性铁内吞作用的增加促进了铁依赖性去甲基化酶的活性，从而促进了与EMT信号传导相关的基因的表达，从而使乳腺癌细胞对铁死亡敏感。来自这些临床前研究的数据表明， EMT可能赋予铁死亡治疗的敏感性 。 EMT的第一步涉及上皮细胞之间接触的中断。钙粘蛋白1介导的细胞-细胞接触据报道可防止铁死亡。相反，SNAI1、TWIST1或ZB1表达增加可恢复铁死亡敏感性。其他细胞粘附促进剂，如整合素亚单位α6和β4，也能保护体外乳腺癌衍生细胞不发生铁死亡。相比之下，参与HIPPO途径的转录因子(如YAP1和WWTR1(也称为TAZ，通常在发育过程中控制细胞数量和器官大小)的激活通过调节铁死亡调节剂(如ACSL4、TFRC、EMP1和ANGGPTL4)的表达促进癌细胞的铁死亡。总的来说，这些发现强调了理论上的使用铁死亡诱导药物特异性消除具有间充质样表型的癌细胞的可能性。未完待续………………

1、 自噬的定义： 细胞自噬是真核生物中进化保守的对细胞内物质进行周转的重要过程。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）中进行降解并得以循环利用。2、 自噬的过程： 从一张图片开始： 步骤1：细胞接受自噬诱导信号后，在胞浆的某处形成一个小的类似“脂质体”样的膜结构，然后不断扩张，但它并不呈球形，而是扁平的，就像一个由2层脂双层组成的碗，可在电镜下观察到，被称为Phagophore，是自噬发生的铁证之一。 步骤2：Phagophore不断延伸，将胞浆中的任何成分，包括细胞器，全部揽入“碗”中，然后“收口”，成为密闭的球状的autophagosome，我把它翻译为“自噬体”。电镜下观察到自噬体是自噬发生的铁证之二。有2个特征：一是双层膜，二是内含胞浆成分，如线粒体、内质网碎片等。 步骤3：自噬体形成后，可与细胞内吞的吞噬泡、吞饮泡和内体融合（加了个“可”字，意思是这种情况不是必然要发生的）。 步骤4：自噬体与溶酶体融合形成autolysosome，期间自噬体的内膜被溶酶体酶降解，2者的内容物合为一体，自噬体中的“货物”也被降解，产物（氨基酸、脂肪酸等）被输送到胞浆中，供细胞重新利用，而残渣或被排出细胞外或滞留在胞浆中。3 、自噬的特性： 1）自噬是细胞消化掉自身的一部分，即self-eating，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。 2）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。 3）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。第二是自噬体的快速大量形成，这是执行阶段。 4）批量降解：这是与蛋白酶体降解途径的显著区别 5）“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。 6）自噬的保守性：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？）。4 、自噬过程的调控： 从上面总结的自噬特点中可以看出，自噬这一过程一旦启动，必须在度过危机后适时停止，否则，其非特异性捕获胞浆成分的特性将导致细胞发生不可逆的损伤。这也提醒我们在研究自噬时一定要动态观察，任何横断面的研究结果都不足以评价自噬的活性。目前，已经报告了很多因素能诱导细胞发生自噬，如饥饿、生长因子缺乏、微生物感染、细胞器损伤、蛋白质折叠错误或聚集、DNA损伤、放疗、化疗等等，这么多刺激信号如何传递的、哪些自噬蛋白接受信号、又有哪些自噬蛋白去执行等很多问题都还在等待进一步解答中。 关于传递自噬信号的通路目前比较肯定的有： 抑制类 1）Class I PI3K pathway（PI-phosphatidylinositol，磷脂酰肌醇）与IRS (Insulin receptor substrate)结合，接受胰岛素受体传来的信号（血糖水平高抑制自噬） 2）mTOR pathway（mammalian target of rapamycin） mTOR在人类中的同源基因是FRAP1（FK506 binding protein 12-rapamycin associated protein 1），是一个丝/苏氨酸蛋白激酶。能接受多种上游信号，如Class I PI3K、IGF-1/2、MAPK，能感受营养和能量的变化,rapamycin是最典型最常用的自噬激动剂. 激活类 1）Class III PI3K 结构上类似于Class I PI3K，但作用相反。3-MA是Class III PI3K的抑制剂,因此3-MA可以作为自噬的抑制剂. 5 、自噬的研究方法： 正常培养的细胞自噬活性很低，不适于观察，因此，必须对自噬进行人工干预和调节，经报道的工具药有： （一）自噬诱导剂    1）Bredeldin A /Thapsigargin / Tunicamycin ：  模拟内质网应激 2 ）Carbamazepine/L-690，330/ LithiumChloride（氯化锂）： IMPase  抑制剂 （即Inositolmonophosphatase，肌醇单磷酸酶） 3 ）Earle's平衡盐溶液：  制造饥饿 4 ）N-Acetyl-D-sphingosine（C2-ceramide）：Class I PI3KPathway抑制剂 5 ）Rapamycin：mTOR抑制剂 6 ）Xestospongin B/C：IP3R阻滞剂 （二）自噬抑制剂 1 ）3-Methyladenine（3-MA）：（Class III PI3K） hVps34 抑制剂 2 ）Bafilomycin A1：质子泵抑制剂 3 ）Hydroxychloroquine（羟氯喹）：Lysosomal lumenalkalizer（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RNA干扰技术（Knockdown）、突变株筛选、外源基因导入等。 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等融合蛋白来示踪自噬形成：(常用) GFP-LC3单荧光指示体系：由于电镜耗时长，不利于监测（Monitoring）自噬形成。我们利用LC3在自噬形成过程中发生聚集的现象开发出了GFP-LC3指示技术：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。双荧光指示体系：汉恒生物科技（上海）有限公司已开发出用于表达mRFP-GFP-LC3融合蛋白的病毒产品。mRFP用于标记及追踪LC3，GFP的减弱可指示溶酶体与自噬小体的融合形成自噬溶酶体，即由于GFP荧光蛋白对酸性敏感，当自噬体与溶酶体融合后GFP荧光发生淬灭,此时只能检测到红色荧光。 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。 (Note：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) 利用Western Blot检测p62蛋白来评价自噬以及自噬流的强弱:起初自噬所降解的底物被认为是随机的,但是后来的研究表明有些蛋白是选择性降解的,在这些蛋白之中研究的最为透彻的是p62蛋白，p62蛋白水平的多少与自噬流的强弱有着反比例关系。 5）MDC或者Cyto-ID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）Cell Tracker TM 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。 6、自噬体的发生： 目前认为，自噬体的膜不是直接来源于高尔基体或内质网，而是在胞浆中重新生成的，但具体的机制尚不清楚。当beclin-1被活化后，胞浆中先形成很多个membrane source（自噬体膜发生中心），在它们不断扩展的过程中(phagophore到autolysosome)，VMP1蛋白由内质网和高尔基体转位到自噬体膜上（VMP1又叫TMEM49，已知唯一与自噬有关的  跨膜 蛋白），同时，MAP1-LC3由胞浆型（即LC3-I）转位到自噬体膜（即LC3-II），LC3这一转变过程可被Western Blot和荧光显微镜检测到，现已成为监测自噬体形成的推荐方法。7、自噬与细胞死亡的关系：       有必要说明一下的是，细胞死亡是一个非常复杂的过程，为了研究方便，需进行分类，但我们思考时不要局限于这些 人为的分类，而应注重于现象本身来研究其背后的机制。       一直以来人们从不同角度、用不同方法来观察细胞的死亡，并把细胞的死亡方式分为2类：坏死和凋亡，因为两者有着明显的区别，其中最主要的区别之一就是细胞膜的通透性——坏死细胞的细胞膜丧失了完整性，内容物被释放出来，染料可自由进入细胞，而凋亡细胞保持完整，无内容物释放，染料也被排斥。很多实验亦根据这一原理来设计以区分坏死和凋亡，这将在后面一一介绍，如同刚刚说明的那样，这些实验只能说明细胞膜的通透性（必要条件，不是充分必要条件），而不能用来证实坏死细胞或凋亡细胞。一般认为坏死是被动的，不可控的，而凋亡是主动的，可控的。为了强调这一点，凋亡被定义为程序性细胞死亡（program celldeath，PCD）。但无论是坏死还是凋亡，都是一个过程，是需要时间的（尤其是凋亡，从启动到完成，细胞要执行很多反应），而且细胞死亡后都有“尸体”。在研究自噬与凋亡的关系时，人们发现细胞死亡前胞浆中存在大量的自噬体或自噬溶酶体，但这样的细胞缺乏凋亡的典型特点，如核固缩（pyknosis）, 核破裂（karyorhexis）、细胞皱缩（shrinkage）、没有凋亡小体的形成等，被称为自噬样细胞死亡（autophagic celldeath，ACD），它是一种新的细胞程序性死亡，为了与凋亡区别，被命名为Type II cell death，相应的，凋亡为Type I cell death，坏死为Type III cell death。尽管这样，但对于自噬是否是细胞死亡的直接原因目前还存在很大的争议。到底是Cell death  by  autophagy（自噬引起死亡）还是Cell death  with  autophagy（死亡时有自噬发生，但不是直接原因）？对此，自噬研究领域“大牛”级专家Levine Beth在一篇nature的Review中表达了自己的观点。由于在形态学上2者无明显区别，但通过阻断自噬，观察细胞的结局可区分开来：Cell death  by  autophagy细胞存活，而Cell death  with  autophagy细胞死亡。8、自噬与肿瘤的关系：       与凋亡（在肿瘤细胞中一般都存在缺限）不同，自噬是被优先保留的。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、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，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。 鉴于自噬的上述作用，自噬可为肿瘤细胞带来几大好处： 1 ）肿瘤细胞本身就具有高代谢的特点，对营养和能量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。 2）当化疗、放疗后，肿瘤细胞会产生大量的破损细胞器、损坏的蛋白质等有害成分，而此时提高自噬活性可及时清除这些有害物质，并提供应急的底物和能量为修复受损DNA赢得时间和条件。由于自噬减少了肿瘤细胞在代谢应激时发生坏死的机会，而对于肿瘤细胞群体而言，需要一部分细胞发生坏死，以引发适度的炎症（有利于血管的长入、吸引免疫细胞分泌生长因子等）。研究发现，很多类型的肿瘤在代谢应激时会“组成性”活化PI3K信号以抑制自噬（由于凋亡通路已受阻，抑制自噬会促进坏死），但具体机制尚不清楚。自噬与肿瘤的关系可能是双重的。①对不同的细胞，自噬的作用可能不同。②相同的细胞在不同的外部因素作用时，自噬的作用可能不同。③在肿瘤发生发展的不同阶段，自噬的作用可能不同。肿瘤生长的早期阶段自噬增强，是由于此时肿瘤的血管化作用不足，癌细胞的营养供给有限，需要通过自噬为自身提供营养。肿瘤进入发展阶段后基因变异积累，使包括 Beclin 1在内的众多抑癌基因失活，自噬活力降低。④对单个细胞和对整个肿瘤阻滞的作用可能不同。自噬功能不全的细胞易于坏死，但是坏死组织产生的细胞因子（包括部分生长因子）反而会促进肿瘤的生长。上述各种假设均有待证实。肿瘤为细胞分化障碍性的疾病已得到肯定，但自噬在肿瘤细胞的分化抑制过程中起着什么样的作用，自噬水平提高是抑制分化甚至导致去分化还是促进分化等问题尚未解决。 9、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）。 MitoTracker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   Note：这些蛋白均为胞浆蛋白，爬片或胰酶消化的细胞在做免疫荧光前需先透膜（permeabilize），可采用0.1%SDS处理 自噬与细胞死亡经常需一起考虑，下面介绍一些检测细胞死亡的方法： 1）△ψmdissipation（线粒体跨膜电位的消失）：TMRM发红色荧光，DiOC6（3）发绿色荧光。 2）Phosphatidylserine Externalization（磷脂酰丝氨酸外翻）：Annexin V-FITC（绿色）染细胞膜。 3）检测线粒体产生的ROS：无荧光的HE（hydroethidine，氢化乙啶）可被ROS氧化为EthBr（ethidium bromide，溴乙啡啶），发红色荧光。NAO（nonylacridine orange，烷化吖啶橙，可发荧光）能与非氧化的cardiolipin（心磷脂，可被ROS氧化）反应而失去荧光。 4）线粒体IMS蛋白的释放：AIF，细胞色素c，分别用荧光二抗染色。 5）Capase 3a 染色：用荧光二抗染色，胞浆弥散分布。 6）细胞膜完整性检测：DAPI（蓝色）、Hoechst 33342或PI（红色）染核。胞膜完整的细胞（活细胞和早中期凋亡细胞）排斥，可联用annexin V。 10、如何用实验区分Cell death by autophagy和Cell death with autophagy？ 第一步：利用上述方法证实细胞死亡 第二步：证实细胞死亡前发生了自噬 第三步：在形态学上区别开“自噬样死亡”与凋亡 第四步：利用遗传学手段（反义RNA干扰Knockdown掉Atg基因或hVps34）或工具药抑制自噬 第五步：细胞存活则为Cell death by autophagy，反之，细胞死亡则为Cell death with autophagy。 自噬的抑制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：     1）对自噬体形成的抑制：主要是PI3K通路的抑制剂（如3-MA, Wortmannin，LY294002等），这些药物均可干扰或阻断自噬体形成。3-甲基腺嘌呤（3-Methyladenine,3-MA）是磷脂酰肌醇3激酶的抑制剂，可特异性阻断Autophagy中自噬体的形成，被广泛用作Autophagy的抑制剂。另外，渥曼青霉素（Wortmannin）、LY294002 也可用作Autophagy的抑制剂。            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。巴伐洛霉素A1（Bafilomycin A1）是一种来源于灰色链霉菌的大环内酯类抗生素，分子式C35H58O9，是空泡型H+-ATP酶的特异性抑制剂，具有抗菌、抗真菌、抗肿瘤等作用。当突触小泡经历胞外分泌时，巴伐洛霉素A1可以避免小泡重新酸化。有研究表明，在已发生自噬的肿瘤细胞中加入巴伐洛霉素A1，可使蛋白降解被抑制，自噬体增多而自噬溶酶体数目减少，并且自噬体中的酸性磷酸酶的活性也明显降低，从而证明其阻断了自噬体与溶酶体的融合过程。这种阻断是可逆的，在去除了药物作用后，自噬体仍可以与溶酶体融合形成自噬溶酶体，继续自噬进程。     3）对溶酶体降解的抑制:自噬体与溶酶体融合后最终被溶酶体中的水解酶水解，它首先经过囊泡酸化，达到所需的PH值后经多种蛋白酶作用使囊内容物降解，降解产物在细胞内再循环利用。对溶酶体的降解进行抑制，使得被降解的囊泡内容物大量蓄积于溶酶体内，而不能释放出来进入细胞内再循环利用，这也同样起着抑制自噬的作用。因此，蛋白酶抑制剂，如E64d、Pepstatin A等，在抑制溶酶体降解的过程中发挥着自噬抑制剂的作用。E64d和Pepstatin A均属于蛋白酶抑制剂，二者以1：1的比例联用可以抑制自噬。有研究表明，在结肠癌细胞系中联用E64d及Pepstatin A，可明显抑制溶酶体的降解从而阻断自噬的进展，而自噬体的形成并没有受到明显影响。11 、自噬领域的大牛们：    1）YoshinoriOhsumi博士。日本科学家，克隆了第一个酵母自噬基因Atg1以及LC3，主要成果在酵母模型下自噬研究； 2 ）Daniel J. Klionsky博士。美国科学家，主要成果在酵母模型的自噬研究。最早在《Science》上发表综述介绍自噬，2005年创办了第一本自噬杂志《Autophagy》；2007年举办了第一次自噬国际会议，为自噬的宣传做了大量工作。 3 ）Noboru Mizushima博士。日本科学家，2001年主要报道了Atg5的功能，被认为是哺乳动物分子机制研究的第一环，以及参与克隆自噬标志物LC3，而且制备了一些ATG基因敲除老鼠以及LC3转基因老鼠； 4 ）Beth Levine博士。美国科学家，首先克隆了第一个哺乳动物自噬基因Beclin 1； 5 ）Guido Kroemer博士。法国科学家，是细胞凋亡和死亡领域中引用率第一的科学家。在细胞凋亡研究中作出了卓越贡献而且涉猎及其广泛。目前也从事自噬研究，例如p53，Bcl2家族与细胞自噬。 6 ）Tamotsu Yoshimori博士。日本科学家，2000年克隆了目前广泛使用的自噬标志物LC3文章的通讯作者，而且也参与了2010年ATG5机制研究，是通讯作者之一。在方法学上也有关键贡献。目前主要研究ATG14和ATG16。值得注意的是，上述三位日本科学家合作紧密，克隆了目前大部分的ATG基因，经常共享文章通讯作者。 7 ）Patrice Codogno博士。法国科学家，2000年首先证实了PI3K信号通路在自噬的作用，I型抗自噬，III型促自噬，是自噬信号通路的开拓者。 8 ）Ana Maria Cuervo博士。美国科学家，是分子伴侣自噬的开拓者。 9 ）David Rubinsztein博士。英国科学家，2004年首次报道了mTOR与自噬的关系，抑制mTOR促进自噬。目前利用rapamycin诱导自噬成为经典模型之一。2010年Nature的报道首次证实了自噬对mTOR的负反馈调节。 12 、自噬信号通路：    1 ） KEGG    2 ） Abcam    3 ） CST    4) Enzo 13、我在做自噬课题中的一些心得： 自噬小体的增多有两种可能：一是形成增加即自噬被诱导；另外一种是自噬体成熟受抑即自噬体不能和溶酶体结合。该怎么来判断呢？自噬体增多，也就是“自噬潮”出现的原因一是形成增多，二是与溶酶体融合受阻（如使用了氢化氯喹或氯喹，另外，溶酶体的酶抑制剂和质子泵抑制剂的使用亦有可能影响溶酶体与自噬体或异噬泡的融合），使自噬体不能降解而积聚，这种积聚造成的自噬体增多的效应要大于自噬体诱导剂效应的数倍之多。鉴于这样的原因，单纯的GFP-LC3荧光斑点增多不足以作为自噬激活的证据，可联用多个方法来判断：   1 ）加用自噬体与溶酶体融合的抑制剂，如氯喹，观察自噬潮的变化。   2 ）或加用LC3和溶酶体示踪物在荧光显微镜下观察共定位情况。   3 ）或Knockdown掉LAMP-2基因（溶酶体膜蛋白）。   4 ）检测胞浆长寿蛋白的降解。  WesternBlot 检测LC3时除了上述的原因外，还有几个需考虑到的地方： 1 ）抗体的亲和力：有报道认为LC3抗体对II型LC3的亲和力较高 2 ）结合于自噬体内层膜的LC3-II在与溶酶体结合后被降解。 3 ）自噬过程很快，一个自噬体从产生到降解仅需2~3个小时或更短，其中自噬体形成阶段更迅速，数分钟即可完成，而溶酶体降解阶段耗时相对较长。因此，设置多个检测时间点（time frame）是非常重要的。