韓曉夢，李冠武

（汕頭大學(xué)醫(yī)學(xué)院生物化學(xué)與分子生物學(xué)教研室，腫瘤分子生物學(xué)開放實驗室，廣東 汕頭 515041）

0 引言

自噬是真核細(xì)胞內(nèi)非常重要的生理機(jī)制之一，是一個保守的、有損細(xì)胞蛋白等分子自我降解的系統(tǒng)[1]，在人體正常的生理過程中起著“管家”的作用.它通過粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的無核核糖體附著區(qū)脫落的雙層膜包裹著長壽、聚集和錯誤折疊的蛋白質(zhì)及受損的細(xì)胞器等形成自噬溶酶體，降解其所包裹的內(nèi)容物，從而調(diào)節(jié)細(xì)胞的增殖、衰老和細(xì)胞在應(yīng)激狀態(tài)下的穩(wěn)態(tài)平衡[2].

自噬可分為微自噬、巨自噬和分子伴侶介導(dǎo)的自噬（Chaperone-mediated autophagy，CMA）.通常所說的自噬即巨自噬（下文統(tǒng)稱為自噬），認(rèn)為是細(xì)胞胞質(zhì)成分周轉(zhuǎn)的主要降解途徑，由自噬體將細(xì)胞質(zhì)成分傳遞給溶酶體進(jìn)行降解的過程，此過程涉及到各種疾病[3]，包括癌癥、神經(jīng)退行性疾病、代謝紊亂和微生物感染等[9].微自噬是一個與膜動力學(xué)相關(guān)的過程，是一個核膜和核質(zhì)內(nèi)陷后進(jìn)入液泡并在液泡內(nèi)腔降解的過程[4].CMA，是一種選擇性的自噬，是自體吞噬的一個亞型，有選擇性的將蛋白質(zhì)進(jìn)入溶酶體降解.研究發(fā)現(xiàn)，CMA缺陷導(dǎo)致錯誤折疊蛋白的積累已與神經(jīng)退行性疾病密切相關(guān)，但CMA在癌癥中的作用尚未闡明[5].

有研究表明自噬在癌癥中的作用是復(fù)雜的，具有雙向性，它既有致瘤作用，又有抑制腫瘤的作用[3].自噬不僅能在營養(yǎng)豐富的條件下維持細(xì)胞的穩(wěn)態(tài)，當(dāng)有高溫、饑餓、DNA損傷等應(yīng)激刺激時，自噬能夠幫助細(xì)胞抵御這些不良因素，從而維持細(xì)胞穩(wěn)態(tài).反之，自噬的過度激活會導(dǎo)致細(xì)胞死亡，即自噬性細(xì)胞死亡.多數(shù)情況下自噬促進(jìn)腫瘤生長[6].

MAP1LC3/LC3（microtubul-associated protein 1 light chain 3）是Atg8的同源蛋白，是參與自噬的關(guān)鍵蛋白.已有研究表明，LC3主要在自噬體和自噬溶酶體產(chǎn)生的細(xì)胞質(zhì)中起作用，但LC3在細(xì)胞核中含量豐富.在營養(yǎng)豐富的條件下，LC3以乙?；男问椒植加诩?xì)胞核和細(xì)胞質(zhì)中.營養(yǎng)剝奪促進(jìn)了LC3從細(xì)胞核向細(xì)胞質(zhì)的再分配.這種重新定位依賴于激活的核去乙?；窼IRT1對蛋白的去乙酰化，以及該蛋白與其核相互作用蛋白TP53INP2/DOR的關(guān)聯(lián).

由此學(xué)者們提出一個新的概念：在某些情況下，為了延長細(xì)胞壽命和使細(xì)胞正常運作，去除受損的或非必要的細(xì)胞核部分，甚至整個細(xì)胞核，是至關(guān)重要的.這就是自噬的另外一種形式，稱為核自噬[8]，通過該過程可以用來完成核衍生物的降解.那么，LC3在細(xì)胞核自噬中發(fā)揮了什么樣的作用和機(jī)制呢？本文將對最新研究進(jìn)展做一綜述.

1 核自噬的定義

細(xì)胞核是細(xì)胞進(jìn)行一系列基因表達(dá)相關(guān)代謝活動的場所，包括：DNA復(fù)制、重組和修復(fù)、基因轉(zhuǎn)錄、RNA處理和核糖體亞基成熟和組裝等.研究表明，細(xì)胞核的某些部分可以通過核自噬特異地降解[4]，這引起了學(xué)者對核自噬的廣泛關(guān)注.核自噬首先在酵母中發(fā)現(xiàn)，由編碼核膜蛋白的基因突變引起的，如LMNs（lamins）、EMD（emerin）等[9].核自噬需要額外的自噬受體，如p62和NDP52，其中含有LC3B識別的位于外自噬體膜的LC3相互作用區(qū)域[10].

2 核自噬的類型

核自噬是自噬的一種形式，通過自噬選擇性地從細(xì)胞中去除核內(nèi)物質(zhì)，對機(jī)體內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定至關(guān)重要.它可以分為微核自噬、宏核自噬、巨核自噬和非常規(guī)核自噬[11].這幾種類型均包括非選擇性和選擇性過程.

2.1 微核自噬

微核自噬（piecemeal nucleophagy,PMN）是一種自噬形式，最初被定義為溶酶體（空泡）膜動力學(xué)，直接包裹和運輸胞質(zhì)成分到溶出細(xì)胞器的腔內(nèi).非選擇性微核自噬的機(jī)制及其生理作用尚不明確.這種類型的微核自噬不直接依賴于參與選擇性微自噬或大自噬類型的細(xì)胞成分.相比之下，選擇性微核自噬用于線粒體、部分細(xì)胞核和過氧化物酶體.在這種情況下，核內(nèi)含物被液泡膜吸收并直接隔離，隨后的內(nèi)凹或突出/分隔導(dǎo)致核內(nèi)含物進(jìn)入液泡腔[12].微核自噬的分子細(xì)節(jié)直到在酵母中進(jìn)行的基因研究確定了該過程所需的一組蛋白質(zhì)才逐漸清晰[13]，核心的大自噬因子Atg3、Atg5、Atg8、Atg12和Atg16是有效PMN的必要自噬成分[9].微核自噬的主要功能是維持細(xì)胞器的大小、膜的穩(wěn)態(tài)和細(xì)胞在氮限制下的存活[14].已經(jīng)證明在沒有自噬小體形成的情況下，酵母中核成分的消化是通過微自噬發(fā)生的，或者是通過片段性微自噬，或后期的噬核（late nucleophagy，LN）[10].

2.2 宏核自噬

宏核自噬是一種常見的類型，主要以降解方式起作用的進(jìn)化保守的動態(tài)途徑.大自噬的基礎(chǔ)水平是組成性的，但這一過程可以在饑餓、缺氧和激素刺激等各種壓力下進(jìn)一步誘導(dǎo)[15].在宏核自噬中，自噬體將核源物質(zhì)隔離，隨后與液泡或溶酶體融合，導(dǎo)致其內(nèi)容物降解[8].核自噬體的產(chǎn)生過程可能類似于利用核膜的胞吐過程.用于封裝所述核內(nèi)含物的隔離膜在核膜附近形成.由于LC3B自噬蛋白的活性形式LC3B-Ⅱ存在于細(xì)胞核中，所以LC3B-Ⅱ參與了核自噬體的形成.在酵母中也發(fā)現(xiàn)了巨噬細(xì)胞吞噬，atg39介導(dǎo)的選擇性宏核自噬可以降解酵母的部分細(xì)胞核.Atg39在發(fā)育中的自噬體膜上與Atg8結(jié)合，使部分核內(nèi)含物被封裝到自噬體中[9].

2.3 巨核自噬

巨核自噬是嗜熱四膜蟲的一種特殊類型的核自噬.四膜蟲的程序性核死亡（Programmed nuclear death，PND）是偶聯(lián)過程中一個獨特的過程，在這個過程中只有親本大核被降解，然后從子代細(xì)胞質(zhì)中消失，而其他共存核如新微核和大核則不受影響.考慮到PND在纖毛蟲廢棄細(xì)胞器的周轉(zhuǎn)和下一代的產(chǎn)生等方面的重要作用，通過自噬消除的PND有望得到嚴(yán)格控制.患PND的細(xì)胞核膜中脂質(zhì)和蛋白的總體組成和分布與未患PND的細(xì)胞不同.這種與PND相關(guān)的分子改變促進(jìn)了核膜與溶酶體的相互作用.消化囊泡隨后與核膜融合，釋放其內(nèi)容物（如酸性酶）進(jìn)入細(xì)胞核.通過這種方式，親代大核經(jīng)歷了大自噬介導(dǎo)的降解[16].

2.4 非常規(guī)核自噬

在酵母中觀察到的LN可能是一種非常規(guī)的噬核過程，是一個不同于PMN的過程，已被提出發(fā)生在酵母.LN在沒有Nvj1和Vac8的情況下發(fā)生，不需要Vps30/Atg6或Atg11.并且，LN的抑制伴隨著細(xì)胞核的形態(tài)學(xué)改變.這就是LN與PMN不同的地方.功能性Atg8和Atg10蛋白對于高效LN至關(guān)重要[8].也有學(xué)者將LN歸類于微核自噬.

3 核自噬的機(jī)制

3.1 酵母中的核自噬

核自噬現(xiàn)象首先是在酵母中發(fā)現(xiàn)的.在酵母中有兩種類型的核自噬.（1）酵母細(xì)胞核的PMN是一種典型的微噬形式.在酵母中，微自噬參與了多種底物的降解，包括過氧化物酶體（一種稱為微自噬的過程，歷史上描述的酵母微自噬的第一種形式）[17].PMN經(jīng)歷了一系列形態(tài)上明顯的變化，外核膜中的Nvj1與空泡膜中的Vac8相互作用產(chǎn)生接觸的核仁-空泡連接，使小片細(xì)胞核被隔離在空泡膜內(nèi)，發(fā)生內(nèi)陷降解.Vac8與Nvj1相互作用，Nvj1招募至少2個蛋白質(zhì)，Tsc13和Osh1，到NV連接形成自噬體膜.核成分最終在空泡腔內(nèi)降解.（2）atg39介導(dǎo)的選擇性大自噬降解酵母部分細(xì)胞核[4].在酵母中，PMN可以發(fā)生在營養(yǎng)豐富的條件下，也可以發(fā)生在短時間的氮饑餓之后[10].除此之外，LN也被歸類為微自噬過程，因為核物質(zhì)的遞送不涉及自噬體結(jié)構(gòu)[8].

3.2 哺乳動物的核自噬

在哺乳動物中，也存在兩種類型的核自噬.（1）將被降解的核材料通過類似于胞吐的過程進(jìn)行封裝.封裝后的核材料將經(jīng)歷自噬降解過程.LMNB1與LC3B相互作用，可能誘導(dǎo)了核自噬體的形成[9].（2）微核自噬.基因毒性可導(dǎo)致受影響細(xì)胞產(chǎn)生某些微核，這些微核含有受損的染色體片段.微核可以通過自噬被隔離和降解[9].

4 核膜在核自噬中的重要性

細(xì)胞核由兩個部分組成，一是核膜（nuclear envelope，NE），二是核片層，由位于NE內(nèi)表面的lamin和與lamin相關(guān)蛋白（如emerin）構(gòu)成的中間絲組成[4].NE是一種高度可調(diào)的膜屏障，是真核細(xì)胞的一個標(biāo)志，它將真核細(xì)胞的細(xì)胞核與細(xì)胞質(zhì)分開，包裹著核基因組.NE由外核膜和內(nèi)核膜組成，含有大量不同的蛋白質(zhì)，這些蛋白質(zhì)參與了染色質(zhì)的組織和基因調(diào)控[18].已有研究表明，染色質(zhì)和核膜是核自噬的靶點.在核自噬過程中，核成分從細(xì)胞核中伸出，微核或小核隨后在細(xì)胞質(zhì)中形成，靠近核膜進(jìn)行降解.利用DNA和/或組蛋白標(biāo)記可以很容易地檢測到這些微核.為了檢測它們的自噬降解，自噬機(jī)制（即LC3B-II蛋白應(yīng)該出現(xiàn)在微核中，微核逐漸成熟成為自噬體（可能通過與從頭開始的自噬體融合）.這些含核成分的自噬體最終與溶酶體融合形成自噬體[9].現(xiàn)已證明，核自噬是由編碼核膜蛋白的基因突變引起的，如lamins、emerin等，表明核膜除了是自噬的靶點外，還可能參與自噬體膜的形成，在核自噬中起關(guān)鍵作用.LC3B與核膜降解的laminB1相互作用可能驅(qū)動細(xì)胞衰老并抑制腫瘤的發(fā)生[19].因此，核自噬可以作為一種保護(hù)機(jī)制，抑制腫瘤的發(fā)生.

5 LC3在核自噬中的機(jī)制和作用

核自噬的調(diào)控分為兩方面，一是轉(zhuǎn)錄調(diào)控.二是LC3B/Atg8是自噬底物傳遞和膜轉(zhuǎn)運的關(guān)鍵調(diào)控因子[9].

自噬體蛋白多定位于細(xì)胞核.自噬的關(guān)鍵調(diào)控因子是LC3，而LC3B定位于細(xì)胞質(zhì)和細(xì)胞核，與核相關(guān)的LC3B蛋白主要以LC3B-Ⅱ的形式存在.LC3在細(xì)胞核和細(xì)胞質(zhì)之間循環(huán)，在饑餓期間通過核去乙酰酶Sirt1去乙酰化在細(xì)胞核中選擇性激活.Sirt1使LC3在K49和K51處去乙?；?，使LC3能夠與核蛋白DOR相互作用，并與DOR一起返回到細(xì)胞質(zhì)中，在那里它能夠與Atg7和其他自噬因子結(jié)合，并通過磷脂酰乙醇胺偶聯(lián)到預(yù)自噬膜.去乙?；腖C3與自噬因子的結(jié)合使LC3的分布從細(xì)胞核向細(xì)胞質(zhì)轉(zhuǎn)移.因此，乙?；?去乙?；h(huán)確保LC3以活化的形式從細(xì)胞核重新分布到細(xì)胞質(zhì)，在細(xì)胞自噬過程中發(fā)揮核心作用，使細(xì)胞能夠應(yīng)對外界營養(yǎng)物質(zhì)的缺乏[20].研究發(fā)現(xiàn)約有500個LC3B潛在互作蛋白，其中三分之一與核成分和途徑相關(guān)，因此了解LC3B的互作蛋白對核自噬有重要作用，這提示了核自噬調(diào)節(jié)機(jī)制的復(fù)雜性[9].

Lamin是維持核完整性所需的內(nèi)核膜蛋白，LaminA和LaminB1均在核膜上表達(dá)[21].

現(xiàn)階段認(rèn)為，lamin B是一種自噬底物.具體來說，在細(xì)胞受到外界刺激后激活EGFR等信號通路時，KRAS被活性EGFR等酪氨酸激酶磷酸化后短暫活化，活化后的KRAS可以激活該信號通路中的下游信號蛋白，再通過LC3相互作用區(qū)域（LC3 interaction region，LIR） 直接誘導(dǎo)核LC3和lamin B1相互作用.LC3與lamin B1和異染色質(zhì)結(jié)構(gòu)域一起被運輸?shù)郊?xì)胞質(zhì)中進(jìn)行自噬降解.重要的是，饑餓或雷帕霉素處理對mTOR的抑制不會引起依賴LC3的lamin B的降解，這突出了核自噬的選擇性.因此，致癌作用導(dǎo)致了lamin B的下調(diào)，ATG7的耗竭或lamin B LIR域的突變導(dǎo)致了lamin B的降解停止，同時導(dǎo)致細(xì)胞周期停滯和細(xì)胞衰老.DNA損傷本身促進(jìn)了LC3的上調(diào)，在核芽或小斑點（熒光中特定的點）中也發(fā)現(xiàn)了DNA的損傷，自噬或Dnase2a缺乏導(dǎo)致的核外DNA也增加了LC3.因此，DNA損傷也可以促進(jìn)細(xì)胞衰老[10].

Lamin A/C也是一種選擇性的核自噬底物.研究表明，經(jīng)可致DNA損傷的藥物處理后，通過檢測LC3以及泛素結(jié)合受體蛋白p62/SQSTM1在全細(xì)胞及核提取物中的含量發(fā)現(xiàn)，在全細(xì)胞和核提取液中，LC3B-II均出現(xiàn)了劑量和時間依賴的積累，泛素結(jié)合受體蛋白p62/SQSTM1的水平也呈劑量和時間依賴性下降，該現(xiàn)象即細(xì)胞在DNA發(fā)生損傷時的反應(yīng).在DNA損傷過程中，lamin A/C顯著下調(diào).免疫沉淀結(jié)果顯示，在DNA損傷后，LC3在細(xì)胞核中與lamin A/C相互作用，而非lamin B1和B2，免疫熒光結(jié)果顯示，LC3與lamin A/C、LAMP1共定位，核DNA外泄.上述結(jié)果表明LC3-lamin A/C相互作用可能促進(jìn)核吞噬作用，從而介導(dǎo)lamin A/C降解和核DNA外泄[18].當(dāng)核自噬基因ATG5或ATG7敲除后，與LC3共域化消失，證實染色質(zhì)和LC3陽性結(jié)構(gòu)確實是自噬體[14].此外，lamin A/C與SUMO E2蛋白UBC9之間的相互作用，這表明lamin A/C可能是UBC9介導(dǎo)的一個蘇酰化靶點.UBC9-SUMOylated（類泛素化）lamin A/C可以促進(jìn)自噬蛋白LC3與核膜蛋白lamin A/C相互作用，以應(yīng)對DNA損傷[22].

6 小結(jié)

自噬是一個從單細(xì)胞真核生物（如釀酒酵母）到高等哺乳動物（如人類）的進(jìn)化保守的降解過程.自噬是把雙刃劍，一方面能維持機(jī)體內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)，另一方面卻與某些疾病的發(fā)生發(fā)展相關(guān).在應(yīng)激狀態(tài)下，如營養(yǎng)缺乏或病原體感染時，自噬可以上調(diào).自噬在癌癥中可以作為一個抑制過程，通過消除活性氧（ROS）損害的細(xì)胞器，防止癌癥的形成.自噬還可以通過向營養(yǎng)不良的腫瘤提供營養(yǎng)物質(zhì)來促進(jìn)癌癥的進(jìn)展[23].

除了傳統(tǒng)意義細(xì)胞質(zhì)中的自噬，還有核自噬，即在某些情況下為了延長細(xì)胞壽命和使細(xì)胞正常運作，去除受損的或非必要的細(xì)胞核部分，甚至是整個細(xì)胞核.細(xì)胞核是真核細(xì)胞的中心細(xì)胞器，其存在的理由是維持和表達(dá)基因組.維持細(xì)胞核結(jié)構(gòu)和組織對大多數(shù)細(xì)胞類型的活力至關(guān)重要[6].在哺乳動物中，在病理環(huán)境中觀察到不同類型的巨噬細(xì)胞吞噬，如癌癥和神經(jīng)變性.迄今為止，致癌應(yīng)激和神經(jīng)退行性變一直是與疾病相關(guān)的噬核行為的誘因，因此研究哺乳動物是否存在一種生理上的噬核現(xiàn)象是至關(guān)重要的.而LC3可能和核自噬有著緊密的聯(lián)系.目前還有許多未解決的問題，希望未來我們對噬核機(jī)制和生理意義的理解上取得重大進(jìn)展.核自噬的生理和病理意義的研究將有助于闡明多種人類疾病的發(fā)病機(jī)制，并將促進(jìn)涉及核自噬的有效治療策略的發(fā)展.