撰文 沃約·德雷蒂奇(Vojo Deretic)
丹尼爾·J ·克利昂斯基(Daniel J. Klionsky)
翻譯 趙瑾
科學家常常會在研究中突然發(fā)現(xiàn)，一些原本以為不重要的分子或細胞活動，其實對人體健康有著非常重要的影響。這些分子或細胞活動不僅普遍存在于人體中，而且正因為普遍存在的特性，才在各種正常及病理狀態(tài)下發(fā)揮作用。
ink="" style="border: 0px; vertical-align: middle; display: block; margin: 0px auto;" />自噬作用(autophagy)是一個非常簡單的細胞活動，字面上也很好理解：自己吃自己。總體上看，動物細胞是一個三層結(jié)構(gòu)：最外面是細胞膜，中間是細胞質(zhì)，細胞核被包裹在最里面。大部分功能性細胞器和生物分子都懸浮在細胞質(zhì)中，因此，很多細胞活動都在細胞質(zhì)中進行。由于生理生化反應(yīng)多而復(fù)雜，經(jīng)常產(chǎn)生大量殘渣，致使細胞活動受到影響甚至停滯，在這種情況下，自噬作用就非常重要：將淤積在細胞質(zhì)中的蛋白質(zhì)等代謝殘渣清除掉，恢復(fù)正常的細胞活動。
清理細胞質(zhì)能讓細胞重獲新生，對于神經(jīng)細胞這類不可替換的細胞來說，這個過程尤為重要。神經(jīng)細胞一旦分化成熟，就會保持當前狀態(tài)，直到母體生物死去，它們沒有其他方式來恢復(fù)和維護自身功能。細胞生物學家還發(fā)現(xiàn)，自噬作用還能抵御病毒和細菌的侵襲。任何躲過細胞外免疫系統(tǒng)，通過細胞膜進入細胞質(zhì)的異物或微生物，都可能成為自噬系統(tǒng)的攻擊目標。
不論自噬過程啟動過慢還是過快，或者出現(xiàn)功能障礙，都將導(dǎo)致可怕的后果。數(shù)百萬克羅恩病(Crohn’s disease，一種炎癥性腸病)患者的患病原因，可能就是因為他們的自噬系統(tǒng)出現(xiàn)缺陷，無法抑制腸道微生物的過度生長；大腦神經(jīng)細胞自噬系統(tǒng)的崩潰，則與阿爾茨海默病(Alzheimer's disease)和細胞衰老有關(guān)。即使自噬系統(tǒng)運作良好，它仍可能對人體不利。當癌癥病人接受了放療及化療后，自噬系統(tǒng)可能救活奄奄一息的癌細胞，使癌癥無法根治。有時，自噬系統(tǒng)會為了生物體的整體利益，將病變細胞去除，但它偶爾又會熱心過度，去除一些重要細胞，完全不理會這樣做是否符合生物體的整體利益。
過去10年，研究人員對自噬作用的機制已有了深入了解。基于這些認識，我們對細胞的運作機理更為了解，科學家也可能因此設(shè)計出控制自噬作用的藥物。如果能人為控制自噬作用，很多醫(yī)學難題也許就能迎刃而解，延緩衰老也不再是一個夢。
細胞中的清潔工
生物學上，多種生理過程都與“自噬”相關(guān)，但我們這里所講的，是迄今研究得最清楚的一種自噬作用——巨自噬(macroautophagy)。當細胞質(zhì)中的蛋白質(zhì)、脂肪分子形成一片一片的雙層膜結(jié)構(gòu)，巨自噬過程就開始了。膜結(jié)構(gòu)會自動卷曲，形成一個具有開口的小球，把周圍的細胞質(zhì)“吞”進去。此后，小球的開口逐漸封閉，成為自噬體(autophagosome)，并向溶酶體(lysosome，細胞的廢料處理工廠)靠攏，與之融合，把包裹著的分子倒入溶酶體的“消化液”中。經(jīng)過消化，尚可利用的分子碎片將被送回細胞質(zhì)，循環(huán)利用。
作為一種時刻都在進行的細胞活動，科學家在20世紀60年代便注意到了自噬作用。當時，美國洛克菲勒大學的克里斯汀·德迪夫(Christian De Duve)等科學家開始用電子顯微鏡，觀察細胞自噬過程。本文作者克利昂斯基和其他研究者(特別是日本國立基礎(chǔ)生物學研究所的大隅良典及其合作伙伴，可惜他本人沒給《環(huán)球科學》寫文章)則在10年前，利用酵母研究自噬過程的分子機理。與高等動物相比，用酵母研究自噬作用要容易得多，因為在酵母中，很多參與或調(diào)控自噬作用的蛋白質(zhì)，在進化過程中變化很小，與人體中的同類蛋白相差無幾。正是憑借這種研究策略，科學家對自噬過程的機理有了更詳細的了解。
進化之初，自噬作用可能是細胞在養(yǎng)分不足時作出的反應(yīng)，也可能是最原始的免疫反應(yīng)，或兩者皆是。但是，細胞為什么需要饑餓脅迫反應(yīng)？試想一下，缺乏食物時，生物體會有怎樣的反應(yīng)：它的生理活動肯定不會立即停止，而是開始分解體內(nèi)儲存的營養(yǎng)物質(zhì)。最先被分解的是脂肪細胞，如果一直沒有食物供應(yīng)，肌肉細胞最終也會被分解，為基本的生理活動提供能量。
同樣，當細胞缺乏養(yǎng)分時，它們也會分解自己的一部分，維持基本的生理活動。不論細胞的養(yǎng)分是否充足，自噬體始終處于活躍狀態(tài)，也就是說，它一直在一點一點地吞噬細胞質(zhì)，不斷更新細胞質(zhì)中的各種組分。但是，如果遇到養(yǎng)分不足、缺氧、生長因子缺乏等特殊情況，細胞就會組裝更多的自噬體。因此，當細胞缺乏養(yǎng)分時，自噬體的活動就會增強，將細胞質(zhì)中的蛋白質(zhì)和細胞器(不管其功能正常與否)分解成可利用的養(yǎng)分和能量。
如果自噬作用確實是從饑餓脅迫反應(yīng)進化而來，那么在很早以前，它可能就是細胞不可缺少的一種功能。細胞有時會錯誤地裝配功能性蛋白質(zhì)，使這些蛋白完全喪失功能，造成更嚴重的功能障礙。因此，在出現(xiàn)故障之前，細胞就會把異常蛋白質(zhì)除去——正是持續(xù)進行的自噬作用，讓異常蛋白的濃度始終處于較低水平。
自噬體不僅能將受損蛋白從細胞中去除，還能除去比蛋白質(zhì)大得多的細胞器，如線粒體。在細胞中，線粒體是能量工廠，它會向細胞的其他部分發(fā)出信號，引發(fā)細胞凋亡(即細胞自殺)。
雖然細胞會因為多種原因發(fā)生凋亡，但通常是為了顧及整個生物體的利益。如果機體內(nèi)細胞過多，多余細胞就必須被清除；不能發(fā)揮功能的衰老細胞也必須自我毀滅，給更年輕、更健康的細胞讓出位置；當一個細胞從正常狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榘┘毎麜r，也可能被誘導(dǎo)自殺，因此細胞凋亡是人體內(nèi)最重要的抗癌機制。由于細胞凋亡受一系列復(fù)雜細胞活動的調(diào)控，而這些細胞活動又受到多種蛋白信號的嚴格調(diào)控，因此細胞凋亡又叫做細胞程序化死亡。
然而，如果線粒體出現(xiàn)異常，在錯誤時間誘發(fā)細胞凋亡，則會帶來一場災(zāi)難。發(fā)揮正常功能的過程中，線粒體會產(chǎn)生很多副產(chǎn)物：活性氧、氧離子及其他氧基分子片斷。這些副產(chǎn)物極不穩(wěn)定，受到它們的影響，線粒體可能泄漏一些信號蛋白，引發(fā)細胞調(diào)亡。換句話說，細胞中一個“零件”上的小瑕疵，也能在不經(jīng)意間導(dǎo)致細胞死亡。偶然“犧牲”幾個皮膚細胞也許沒有太大影響，但如果記憶神經(jīng)細胞死亡，就會造成不小的麻煩。
自噬體就是細胞中的保險裝置，專門阻止上述“失誤”的發(fā)生。一旦有細胞器受損，自噬體就會將它們吞掉，送至溶酶體，確保不會發(fā)生非正常細胞凋亡或壞死。
活性氧(reactive oxygen species)能與很多分子發(fā)生反應(yīng)。在健康細胞中，活性氧的水平由抗氧化分子控制。然而，美國新澤西醫(yī)學和牙科大學(University of Medicine and Dentistry of New Jersey)的金勝侃(Shengkan V. Jin)認為，當線粒體遭到破壞時，它們釋放出的活性氧會比平時多10倍，遠遠超出解毒系統(tǒng)的處理水平。大量的活性氧可能導(dǎo)致癌癥，因為進入細胞核后，它們會引發(fā)基因突變。在這種情況下，自噬作用會清除異常線粒體，恢復(fù)細胞內(nèi)的正常秩序。美國羅格斯大學的艾琳·懷特(Eileen White)認為，自噬作用還能減輕癌細胞中的基因損傷，有助于預(yù)防新腫瘤的形成。
自噬的“正反面”
弄清了細胞凋亡的分子機制后，細胞生物學家不久又發(fā)現(xiàn)，細胞還能通過其他方式自殺。自噬作用立即成為首要關(guān)注對象。一個稱呼的變化就反映了這段歷史：細胞凋亡也叫I型細胞程序化死亡，而自噬作用有時被稱為II型細胞程序化死亡(對于這種命名方式，科學界還存在著爭議)。
自噬作用能通過兩種方式導(dǎo)致細胞死亡：一是自噬體不斷消化細胞質(zhì)中的組分，直至細胞死亡；另一種則是直接激發(fā)細胞凋亡。為什么防止細胞非正常死亡的生理過程，有時又會導(dǎo)致細胞死亡？在這個令人困惑的問題背后，很可能藏著一個絕妙的答案。細胞凋亡與自噬作用聯(lián)系緊密，兩者間保持著微妙的平衡。如果細胞器的損壞程度過于嚴重，超出自噬作用的控制范圍，細胞就不得不死亡，以維護整個生物體的利益。隨后，細胞可能以程序化死亡的方式結(jié)束生命：自噬過程一直進行，直到細胞死亡；或者發(fā)出信號，直接引發(fā)細胞凋亡，并把自噬作用作為誘導(dǎo)細胞死亡的備用系統(tǒng)。目前，最受關(guān)注但又極具爭議的兩個研究領(lǐng)域是：自噬作用與細胞凋亡如何關(guān)聯(lián)；自噬作用本身是否應(yīng)該被看作細胞死亡的一種途徑。
那么，自噬作用到底是保證細胞健康的途徑，還是誘導(dǎo)細胞死亡的方式？科學家對自噬作用分子機理的研究，或許能解答這個問題。細胞中，一種叫做Beclin 1的信號蛋白，能誘發(fā)細胞的自噬作用，還能與抗凋亡蛋白Bcl-2結(jié)合。這兩種蛋白質(zhì)的結(jié)合或分開，決定著細胞的生死。其他科學家還發(fā)現(xiàn)，一個名為Atg5的蛋白對于自噬體的形成至關(guān)重要，它一旦進入線粒體，就能將一個自噬反應(yīng)轉(zhuǎn)變成凋亡反應(yīng)。
任何事物都有兩面性，自噬作用也不例外。很早以前，我們就注意到，癌細胞偶爾能激發(fā)自噬作用，達到“自救”的目的。通常，抗癌療法會誘導(dǎo)惡性細胞自殺，但在治療過程中，放療和化療會誘發(fā)超常水平的自噬作用，賦予癌細胞抵抗治療作用的能力。
癌細胞還能利用自噬作用，解決養(yǎng)分不足的問題。一般來說，只有很少的養(yǎng)分能進入腫瘤內(nèi)部，但養(yǎng)分缺乏會誘發(fā)自噬作用，讓癌細胞分解生物大分子，延長自身壽命。科學家因此提出了一種抗癌策略：在放療或化療期間，抑制腫瘤內(nèi)部的自噬作用。目前，用于這種療法的藥物已處于臨床試驗階段。但值得注意的是，抑制自噬作用的同時，也可能使癌細胞內(nèi)的基因突變增多，提高癌癥復(fù)發(fā)的幾率。要使這種療法奏效，可能還需要對治療策略做一些更精細的調(diào)整。
激發(fā)自噬作用
由于能清除細胞質(zhì)中的殘渣和失常細胞器，因此對于神經(jīng)細胞這種長壽細胞，自噬作用顯得尤為重要。如果自噬作用不能有效發(fā)揮，就可能引發(fā)阿爾茨海默病、帕金森病、亨廷頓病等神經(jīng)退行性疾病，這3種疾病造成的大腦損壞都是不可修復(fù)的。阿爾茨海默病是最常見的癡呆癥，僅僅在美國，就有450萬患者。
人體衰老過程中，脂褐素(lipofuscin)會在大腦細胞中累積。這種褐色物質(zhì)是脂類與蛋白質(zhì)的混合物，就像老年人皮膚上出現(xiàn)的黃褐斑。美國內(nèi)森·S·克萊恩精神病學研究所的拉爾夫·A·尼克森(Ralph A. Nixon)認為，脂褐素的累積其實是一種信號：衰老的大腦細胞已無法有效清除細胞內(nèi)的異常或受損蛋白。在阿爾茨海默病患者的神經(jīng)軸突上，一種黃色或褐色色素(蠟樣質(zhì)，ceroid)也會不斷累積。在蠟樣質(zhì)集中的部位，軸突會變得腫大，而阿爾茨海默病特有的淀粉樣斑塊則會在腫大的軸突周圍形成。
到目前為止，研究人員還沒有完全弄清楚，蠟樣質(zhì)或它的前體物質(zhì)是如何損害神經(jīng)細胞的。但最新研究明確顯示，在阿爾茨海默病發(fā)病早期發(fā)揮作用，促使淀粉樣斑塊形成的酶就存在于自噬體的外膜上。尼克森認為，在一定程度上，淀粉樣斑塊是由不完全的自噬作用造成的，正因為自噬作用不完全，神經(jīng)細胞無法消化那些本應(yīng)該被分解的物質(zhì)(見下圖)。利用電子顯微鏡，科學家拍攝到的阿爾茨海默病患者大腦中的斑塊照片，證實了尼克森的觀點：在最靠近斑塊的那些神經(jīng)細胞中，積累了大量“發(fā)育不良”的自噬體。這些斑塊究竟是如何聚集在神經(jīng)細胞周圍的，科學家還沒有定論。
從這些結(jié)果來看，只要是促進自噬作用的措施，似乎都可能緩解阿爾茨海默病。遺憾的是，目前還沒有人知道，假如一種療法不能保證自噬體與溶酶體融合，而僅僅是激發(fā)阿爾茨海默病患者體內(nèi)的自噬作用，是否會對病人有好處。不過，這樣的療法可能對亨廷頓病患者有效。科學家發(fā)現(xiàn)，一種用于抑制移植器官發(fā)生免疫排斥的藥物——雷帕霉素(rapamycin，也叫西羅莫司)也能誘發(fā)自噬作用。目前，研究人員正在測試，雷帕霉素能否有效激發(fā)自噬作用，去除亨廷頓病患者體內(nèi)的一種有害蛋白質(zhì)。
吞掉病原體
既然自噬體能捕捉、銷毀受損線粒體，它們是否也能以同樣的方式，對付侵入細胞內(nèi)部的寄生生物呢？科學家給出了肯定答案。最近，本文作者德雷蒂奇和兩個日本研究團隊(大阪大學的吉森保研究組與東京大學的笹川千尋研究組)，幾乎同時發(fā)現(xiàn)自噬作用能清除多種病原體：每年導(dǎo)致200萬人死亡的結(jié)核分枝桿菌(Mycobacterium tuberculosis，導(dǎo)致肺結(jié)核的病原體)、腸道病原體(如志賀氏菌及沙門氏菌)、A型鏈球菌(在人體內(nèi)釋放毒素，侵蝕身體組織)、鮮奶和乳酪中的李斯特菌(可引起腦膜炎和敗血癥)、被美國疾病控制與預(yù)防中心列為生物恐怖制劑的土拉弗朗西斯菌(Francisella tularensis)、主要以艾滋病患者為宿主的弓形蟲(Toxoplasma gondii)等。
然而，和癌細胞一樣，一些微生物也有對付自噬作用的辦法。嗜肺性軍團桿菌(Legionella pneumophila)是導(dǎo)致軍團病的病原體，它很容易侵入人體細胞。如果嗜肺性軍團桿菌被自噬體吞噬，它就會延遲甚至阻止自噬體與溶酶體融合。這樣一來，被感染的自噬體不但不能幫助細胞去除病原體，反倒成為了細菌繁殖的場所，而且它包裹著的細胞質(zhì)也成為了細菌的養(yǎng)料。細菌表現(xiàn)出的這種巧妙的進化策略，恰好證明自噬作用是人體阻擋病原體入侵的主要屏障，而且已在人體中存在了相當長的時間(因為病原體必須闖過這道屏障，才能存活下來)。
HIV病毒則能利用自噬體，消滅人體免疫細胞。法國病原體及衛(wèi)生生物技術(shù)研究中心的馬丁·比雅德－皮埃查克孜克(Martine Biard-Piechaczyk)和法國國家健康與醫(yī)學研究院的帕特利斯·科多諾(Patrice Codogno)的研究顯示，健康免疫細胞(主要是CD4+ T細胞)也可能被HIV病毒間接殺死。HIV病毒進入細胞時，它會褪去外殼，而構(gòu)成外殼的蛋白質(zhì)會誘使附近細胞進行過度自噬，直至發(fā)生凋亡。就這樣，通過激發(fā)周圍細胞的自噬作用，HIV病毒快速殺死人體內(nèi)的健康CD4+ T細胞。最終，免疫細胞大量死亡，艾滋病全面爆發(fā)。
聯(lián)手免疫系統(tǒng)
科學家還發(fā)現(xiàn)，自噬作用不僅能直接清除病原體，還會參與免疫反應(yīng)(見下圖)。為了幫助細胞消滅病原體，自噬體會把病原體或與病原體相關(guān)的物質(zhì)，送至細胞膜上的Toll樣受體(toll-like receptor，調(diào)控先天性免疫應(yīng)答的蛋白質(zhì)分子)。正常情況下，Toll樣受體與病原體的結(jié)合位點要么在細胞外，要么在某些細胞器內(nèi)，因此在細胞質(zhì)中，病原體不會接觸到Toll樣受體。但自噬體卻能把病原體及其組成部分，運載到結(jié)合位點，讓Toll樣受體與這些有害物質(zhì)結(jié)合在一起，刺激細胞釋放一種叫作干擾素(interferon)的化學物質(zhì)，抑制病原體增殖。人體內(nèi)的這種先天性免疫應(yīng)答反應(yīng)，能在第一時間抵抗感染，細胞根本不需要再做其他準備。
自噬體也能參與特異性免疫反應(yīng)，即獲得性免疫(adaptive immunity)。當病毒侵入細胞質(zhì)，“哄騙”細胞制造病毒蛋白時，自噬體就會吞噬某些病毒蛋白，將它們送到另一種細胞器(膜上具有一種叫做MHC II型分子的抗原呈遞分子)中，進行部分銷毀。MHC II型分子與病原體碎片結(jié)合后，就會被運送到細胞表面，刺激免疫系統(tǒng)作出獲得性免疫應(yīng)答。與先天性免疫應(yīng)答相比，雖然獲得性免疫應(yīng)答所需的時間較長，但針對性和有效性卻高得多。自噬作用可能還決定著人類的壽命。很多人都認為，許多疾病(包括癌癥和神經(jīng)性疾病)的發(fā)病幾率，都會隨著年齡的增長而升高。這可能是因為，年齡增大后，自噬作用的效率降低了。按照美國阿爾伯特·愛因斯坦醫(yī)學院(Albert Einstein College of Medicine)的安·瑪麗亞·庫爾沃(Ann Maria Cuervo)的說法，包括自噬作用在內(nèi)的細胞系統(tǒng)，都會隨著年齡的增長而逐步喪失功能，尤其是負責清除異常蛋白及細胞器的系統(tǒng)。它們的工作效率降低，會導(dǎo)致有害物質(zhì)大量累積，最終引發(fā)疾病。
庫爾沃認為，如果自噬作用效率降低，確實是造成年老體弱的首要因素，我們就可以解釋為什么限制熱量攝取，能延長多種實驗動物的平均壽命了。動物攝取的食物越少(在保證基本營養(yǎng)供給的前提下)，壽命就越長，人類可能也是如此。限制養(yǎng)料的供給(起始饑餓)，細胞加速自噬，因此，當個體衰老時，限制熱量的攝取，也許能提高自噬作用的效率。最新研究顯示，如果能阻止自噬作用的效率降低，實驗動物體內(nèi)就不會有受損蛋白或細胞器的累積。
我們曾以為，自噬作用只是細胞在養(yǎng)分不足時產(chǎn)生的應(yīng)急反應(yīng)，但現(xiàn)在已經(jīng)意識到，它是影響人類健康的重要因素。對于自噬作用，很多科學家開始從多個角度進行研究，對認識也在不斷深入。了解如何控制自噬作用，對于治療疾病甚至延緩衰老進程，都具有重大意義。不過，能否利用好自噬作用，還取決于科學家對它的了解程度。