细胞骨架在自噬中的作用

Abstract

细胞自噬主要通过清除细胞中异常或多余的结构，起到维持饥饿过程中物质和能量的代谢稳定的功能，而细胞骨架调控涉及膜重排和囊泡转运等多种细胞进程。细胞自噬受到微管和肌动蛋白丝的调控:微管促进自噬体的合成，与自噬体的移动密切相关；肌动蛋白丝支撑自噬泡的扩张，促进自噬体的移动以及与溶酶体的融合；非肌性肌球蛋白ⅡA 参与调控自噬体形成初期的膜传递，肌球蛋白Ⅵ和肌球蛋白 1C 分别影响自噬体的成熟以及自噬体与溶酶体的融合。本文综述了细胞骨架系统对细胞自噬的多重调节，重点介绍肌动蛋白和肌球蛋白对自噬进程的调控，以期为研究自噬相关疾病的发病机制以及开创新的疗法提供一些新的思路。

引言

自体吞噬，简称自噬，是细胞用来回收利用细胞质成分、废弃或受损的细胞器的一种自体降解途径。自噬与癌症、神经退行性疾病（如帕金森病、阿尔茨海默氏病）和炎症性肠炎等都有密切联系^[1-3]，自噬可在致病性细菌（如金黄色葡萄球菌）、病毒（如单纯疱疹病毒）和细胞内寄生菌入侵时有效地保护细胞^[4-5]。自噬在发挥细胞保护作用的同时，在一些病理条件下也是有害的，如肿瘤细胞可利用自噬途径从放射性治疗造成的损伤中恢复^[6]。此外，多种细菌和病毒（如肝炎病毒）已进化出一套机制摧毁自噬以实现感染细胞和自我增殖^[7]。因此，细胞自噬作为“双刃剑”，既是一种保守的细胞防御措施，又是一种特殊类型的细胞程序性死亡。

细胞内膜系统（包括内质网、高尔基体、内体、溶酶体、液泡和细胞膜）通过在细胞不同部位之间的动态膜流动维持在一个相对稳定的状态，这些物质转运是通过供体细胞器的囊泡出芽，然后与受体融合实现的^[8]。虽然自噬具有独特的膜重构方式，但自噬体的运动与其他膜转运方式一样，在转运的过程中均依赖于细胞骨架。最新的研究为细胞骨架系统与高等真核细胞自噬的相关性提供了证据，本文回顾和总结了有关细胞骨架系统不同成分和自噬之间的相互关系和作用机制方面的最新研究，明确了细胞骨架可以在多个层面调控细胞自噬的发生发展，有助于拓宽细胞自噬相关研究的方向，为研究自噬相关性疾病的发病机制以及开发药物提供新的思路。

1. 自噬及选择性自噬

在真核细胞中，根据将底物转运到溶酶体或液泡途径的不同，自噬可分为巨自噬（macroautophagy）、小自噬（microautophagy）和分子伴侣介导的自噬（chaperone-mediated autophagy，CMA）^[9]，本文所涉及自噬类型主要为真核细胞巨自噬。自噬是唯一能够同时分解代谢多种细胞成分（如蛋白质、脂类、糖类和核酸）的降解途径。大多数组织的细胞中发生基础水平的自噬，此过程有助于细胞质成分的正常运转，细胞的自噬水平可在环境改变和（或）细胞因子的诱导作用下迅速升高，以适应和应对各种生理和病理变化。自噬在机体发育的细胞重构中非常重要，此外还参与调控细胞的生长和老化。自噬的特征性结构是双层膜囊泡，发生的基本过程包括：首先在细胞质内，经过一系列膜重排，形成自噬体，这种双层膜囊泡将细胞质材料和（或）细胞器隔离后，可与内涵体或者细胞内吞的吞噬泡融合，最后与溶酶体发生融合，其内容物被运送至溶酶体的活性水解腔内水解，最后其腔内的细胞器和其他细胞基质成分以及自噬体本身，均被分解成细胞的基本组成部分从而实现重新利用^[10]。

长期以来，人们认为自噬是自噬体批量处理细胞质结构、受损和废弃细胞器的过程。然而越来越多的证据表明，在一些自噬活动中，一类特殊的细胞结构被标记，并选择性地运输至自噬体内进行降解，这类自噬被称为选择性自噬^[11]，例如，有专门针对过剩的过氧化物酶体、线粒体和内质网等细胞器的自噬体。目前研究较多的选择性自噬包括胞质液泡靶向（cytoplasm-to-vacuole targeting，Cvt）途径、线粒体自噬、内质网自噬、过氧化物酶体自噬、核糖体自噬和脂类自噬等^[12]。选择性自噬和非选择性自噬的不同点在于，选择性自噬进程中有一个额外的步骤，即囊泡的双层膜在形成过程中同时要对转运的货物进行准确的选择和识别^[12]。参与特异性识别泛素化底物的泛素受体包括 P62 蛋白，BRCA1 基因 1 邻位（neighbor of BRCAl gene 1，NRB1）、组蛋白去乙酰酶 6（histone deacetylation 6，HDAC6）、核点蛋白 52（nuclear dot protein 52，NDP52）等。在自噬体的内表面上，泛素受体蛋白一端和泛素化底物特异性结合，另一端和自噬体膜上的微管相关蛋白轻链 3（microtubule-associated protein light chain 3，MAPLC3，LC3）产生特异性相互作用^[13]，这种双重的结合能力使泛素受体能够有效地将特异性细胞器或蛋白呈递到双层膜囊泡内。

2. 细胞骨架在自噬中的作用

细胞骨架是一个复杂的纤维网状结构体系，包括微管、微丝（肌动蛋白丝）和中间丝 3 种结构，它们都是由相应的蛋白亚基组装而成。肌球蛋白（myosin）是依赖于微丝的分子马达，而驱动蛋白（kinesin）、动力蛋白（dynesin）是依赖于微管的分子马达。中间丝是最稳定的细胞骨架成分，对于中间丝与细胞自噬的相互关系的研究正处于刚起步阶段，故不作为本文的论述重点。

2.1. 微管在自噬中的作用

人们对于微管在自噬中的作用研究由来已久，这些研究一致确定微管可促进自噬体的运动。Köchl 等^[14]研究发现，在饥饿诱导自噬之前，预先用微管聚合抑制剂（诺考达唑和长春碱）处理稳定表达绿色荧光蛋白标记的 LC3（green fluorescent protein-LC3，GFP-LC3）的大鼠肝细胞，测定自噬体合成的速度和数量以及利用溶酶体探针（lysotracker）监测自噬晚期内体（溶酶体）与自噬体的融合。结果显示，微管不仅促进自噬体形成，而且加速自噬晚期内体（溶酶体）与自噬体的融合。但是 Fass 等^[15]提出与此并不相同的观点，在稳定表达 GFP-LC3 的仓鼠卵巢细胞系中，自噬体集中在微管组织中心（microtubule organizing center，MTOC）周围，利用活体成像系统进一步监测发现，只有成熟的自噬体与微管结合，且沿着这些微管的延伸方向移动。而在微管缺失的情况下，细胞内成熟自噬体的数量明显减少，但是并不影响自噬体与溶酶体的结合。鉴于以上研究结果，我们猜测，他们数据之间的差异性可能是由于使用不同的细胞系造成的。

最新研究证明，微管聚合发生障碍只是延缓了自噬体到达附近邻近内涵体和溶酶体所处的位置，从而使其融合发生延迟。Jahreiss 等^[16]利用荧光显微镜和活细胞成像技术发现，在正常大鼠肾细胞中，绝大多数晚期内体（溶酶体）都集中在环绕 MTOC 的核周区，而自噬体的形成则随机地分布在细胞的外围。显然，如果自噬体要与晚期内体（溶酶体）发生融合，那么自噬体必须从空间上接近它们。他们发现，新形成的自噬体沿着微管双向移动，并最终像晚期内含体（溶酶体）一样集中在核周区。MTOC 导向的自噬体向心性转运依赖于微管，当使用药物抑制微管聚合时，这种向心性地转运随之终止。

紧接着，研究者进一步研究了微管是如何连接到自噬体的。研究显示，自噬体是通过动力蛋白连接微管，并沿着微管轨道方向，向位于 MTOC 附近的溶酶体进行定向转运的^[17]。值的一提的是，动力蛋白的功能缺失与某些神经退行性疾病密切相关，动力蛋白的丧失导致自噬水平的降低，对易累积蛋白的清除作用减弱，易累积蛋白水平升高，同时 2 型 LC3 水平升高，自噬体与溶酶体发生融合缺陷。这些研究对之前的研究做出了补充，即虽然微管解聚药物抑制了易累积蛋白聚集物的形成，但这种治疗导致易累积蛋白整体水平的增加，这种增加是由于自噬体晚期内体（溶酶体）融合受损导致的。此外，LC3 通过自身的 N 端介导自噬体与微管相互作用，还与微管相关蛋白轻链 1 A/B 发生间接相互作用以促进自噬体的转运，因此 LC3 的 N 段可扮演双重角色，不仅能为自噬体招募动力蛋白，还能作为一个衔接蛋白连接微管和自噬体的双层膜结构。

综上所述，微管作为自噬体的转运“轨道”，在自噬体从细胞外周向 MTOC 的向心性转运过程中发挥重要作用，还可能促进自噬体的合成以及自噬体与内体（溶酶体）的融合。另一方面，动力蛋白作为分子马达连接自噬体和微管，参与调控自噬体在微管上的转运。另有研究表明，酵母细胞中的自噬并不依赖于微管^[18]，细胞自噬的微管依赖性可能只发生在哺乳动物细胞中。

2.2. 微丝在自噬中的作用

肌动蛋白丝作为细胞骨架的主要成分与自噬之间的关系十分密切。最新的一系列研究证明，在哺乳动物细胞中，肌动蛋白丝的动态变化是自噬体形成与移动的关键^[19]。肌动蛋白丝在成核蛋白、锚定蛋白以及固化蛋白质的调控下，为细胞不同部位的膜结构向自噬体的转运提供了一个通畅的纤维网络^[20]。这个纤维网络在结构上支撑自噬泡的扩张^[21]、自噬体的移动以及与溶酶体有效融合^[19]。迄今为止，少数的肌球蛋白也经证实在细胞自噬中发挥作用，例如：非肌性肌球蛋白ⅡA（non-muscle myosinⅡA，NMM2A）在自噬体形成初期的膜传递中发挥作用^[22]，而肌球蛋白 1C（myosin 1C，MYO1C）和肌球蛋白Ⅵ（myosinⅥ，MYO6）^[23]在最后阶段为自噬体提供特定的膜，间接影响自噬体的成熟及自噬体与溶酶体的融合。

肌动蛋白和不同类型的肌球蛋白作用于自噬活动的不同阶段，如图 1 所示。首先，在启动阶段：饥饿或应激条件下，由哺乳动物雷帕霉素靶蛋白（mammalian target of rapamycin，mTOR）感知后，unc-51 样激酶（unc-51 like kinase，ULK）复合体启动自噬体的合成。ULK 复合体和Ⅲ型磷脂酰肌醇三磷酸激酶（phosphatidylinositol 3-kinase Ⅲ，PI3KⅢ）结合，后者在自噬前体上产生磷脂酰肌醇 3-磷酸（phosphatidylinositol 3-phosphate，PI3P）。扩展阶段：肌动蛋白和 NMM2A 参与调控自噬相关蛋白 9（autophagy-related protein 9，ATG9）小泡的形成，ATG9 小泡在反面高尔基体管网状结构（trans Golgi network，TGN）和内体间循环，并结合其他几个来源的膜成分促进自噬前体的伸展。在肌动蛋白成核剂、肌动蛋白相关蛋白 2/3（actin-related proteins2/3，ARP2/3）复合体等的作用下，自噬前体内部的穹顶部位产生肌动蛋白网络支架，该支架支撑自噬泡的扩展。MYO6 和自噬受体 Tax1 绑定蛋白 1（Tax1 binding protein 1，TAX1BP1）一起，共同构成连接泛素化细菌（线粒体）与自噬体膜上 LC3 之间的桥梁。然后，在封闭和成熟阶段：LC3 参与自噬泡的延展、封闭和成熟，在此过程中，MYO6 通过与内体接头蛋白的结合，介导自噬体与内体的融合。自噬体表面发生的肌动蛋白聚合反应形成微丝，微丝形成彗星拖尾一样的聚合物，拖尾聚合物的快速组装与去组装可推动自噬体向溶酶体迁移。自噬体表面肌动蛋白彗星拖尾稳定地组装与去组装循环，使自噬体能以很快的速度移动^[19]。此外，皮层蛋白参与调控自噬体在微丝上的固定，间接调控自噬体的运动。最后，在融合和降解阶段，自噬体与溶酶体融合，其内容物被水解酶降解。在此过程中，胆固醇的转运对于自噬和溶酶体的融合是必须的，而该过程受到 MYO1C 的调控，且依赖于肌动蛋白网络的重构。

图 1.

Role of cytoskeleton in autophagy

细胞骨架在自噬中的作用

综上所述，细胞肌动蛋白丝是自噬发生发展的动力基础，其组成成分肌动蛋白和肌球蛋白调控着自噬的多个阶段。细胞自噬的微丝依赖性在酵母细胞和高等真核细胞中均有出现。

3. 总结和展望

细胞骨架的主要成分微管、肌动蛋白丝以及相关组成蛋白在自噬中发挥重要调控作用。哺乳动物真核细胞里，自噬活动同时受到微管和微丝的调控，其中微管参与调控成熟自噬体的转运，还可以促进自噬体的形成以及自噬体与溶酶体的融合。而肌动蛋白丝在相关蛋白的调控下，作为自噬前体扩展的结构支架，形成了肌动蛋白彗星拖尾并拖动自噬体，从而保证自噬体和溶酶体有效地融合。少数的肌球蛋白也在细胞自噬中发挥作用，例如：在自噬体的成熟阶段，MYO6 直接通过自身的衔接蛋白（自噬受体）结合系统与自噬体发生相互作用，而 NMM2A 和 MYO1C 则通过调控膜转运对自噬途径产生间接影响，NMM2A 与肌动蛋白调节蛋白一起保证了在 TGN 位点 ATG9 小泡的形成以及从循环内涵体运送膜结构到自噬前体延伸位点。综上所述，细胞骨架系统调控细胞自噬发生的多个阶段，在细胞自噬发生过程中发挥重要作用。

自噬信号转导通路的失活在人类众多疾病（肿瘤、自身免疫性疾病、代谢紊乱以及心血管疾病）中均有发生，影响人体多个系统（包括中枢神经系统、心脏、骨骼肌及骨骼系统）^[24]。NMM2A 表达异常与肿瘤和其他多种疾病（包括巨血小板减少症、白内障、耳聋和肾小球硬化）密切相关^[25]，MYO6 和 MYO1C 的突变是神经性聋的主要原因^[26]。目前，肌球蛋白和肌动蛋白的突变和（或）缺失以及细胞骨架在人类疾病的作用是一个新兴的研究领域，而这些研究均未考虑到由于细胞骨架异常引发的自噬功能变化，自噬功能的受限在细胞骨架相关疾病中的作用更有待进一步明确，此外，研究细胞骨架各成分在自噬各个阶段发挥的确切作用将有助于进一步认识自噬相关疾病的发病机制以及开发新的创新性药物。综上所述，本文课题组未来将细胞骨架系统各成分对自噬发生发展的各个阶段中的具体作用进行深入的探索和研究，重点关注在流体剪切力诱导细胞发生的自噬过程中的力学信号传导通路以及细胞骨架系统对自噬进程的影响。

Funding Statement

国家自然科学基金资助项目（31670960）