细胞生物学课件-自噬

细胞自噬细胞的自我清洁“”机制细胞自噬是细胞内一种重要的自我保护机制，类似于细胞的自我清洁过程“”它通过降解和回收细胞内的受损或不需要的成分，维持细胞的健康和稳定自噬在细胞的生长、发育、分化以及应对各种应激反应中发挥着关键作用本课件将深入探讨自噬的定义、类型、分子机制、调控方式以及在生理和病理过程中的作用，旨在帮助大家全面了解这一重要的细胞生物学现象什么是自噬？定义与基本概念自噬的定义基本概念自噬（）一词源于希腊语，意为自我吞噬在细胞自噬是真核细胞中普遍存在的现象，对于维持细胞稳态至关重要Autophagy“”生物学中，自噬是指细胞通过双层膜包裹自身细胞质成分（如受它不仅能够清除细胞内的垃圾，还能为细胞提供能量和构建模块损的蛋白质、细胞器等），形成自噬体，然后与溶酶体融合，降自噬的发生受到多种因素的调控，如营养状况、应激反应等自解其内容物，并回收利用降解产物的过程噬功能异常与多种疾病的发生发展密切相关自噬的类型巨自噬、微自噬、分子伴侣介导的自噬巨自噬（）微自噬（）Macroautophagy Microautophagy12巨自噬是最常见的自噬类型它通微自噬是指溶酶体直接吞噬细胞质过形成双层膜结构的自噬体来包裹成分的过程溶酶体膜内陷形成小细胞质成分，然后与溶酶体融合进囊泡，包裹细胞质成分并将其降解行降解巨自噬具有高度的选择性，微自噬的机制相对简单，但同样在可以清除特定的细胞器或蛋白质聚细胞稳态维持中发挥重要作用集体分子伴侣介导的自噬（Chaperone-mediated Autophagy,3）CMA是一种高度选择性的自噬类型它通过分子伴侣蛋白（如）识别含CMA HSC70有特定基序的蛋白质，然后将其转运到溶酶体中进行降解对于清除特定CMA的蛋白质具有高度的特异性自噬的发现与历史沿革1960s1克里斯蒂安德杜夫（）首次观察到溶酶体内的··Christian deDuve自噬现象，并创造了自噬一词他因此获得了年诺贝尔生理“”1974学或医学奖1990s2大隅良典（）通过在酵母中进行遗传筛选，发现Yoshinori Ohsumi了参与自噬的关键基因（基因）他的研究为深入理解自噬的分Atg子机制奠定了基础至今2000s3随着研究的深入，人们逐渐认识到自噬在细胞生理和病理过程中的重要作用自噬研究成为生命科学领域的热点，并在肿瘤、神经退行性疾病、感染等疾病的治疗中展现出巨大的潜力自噬在细胞内的作用维持细胞稳态清除受损细胞器降解错误折叠蛋白自噬能够选择性地清除受损的线自噬可以降解错误折叠或聚集的粒体、内质网等细胞器，防止其蛋白质，维持细胞内的蛋白稳态，积累对细胞造成损伤防止蛋白聚集体的形成提供能量和构建模块自噬降解的产物可以被细胞重新利用，为细胞提供能量和构建模块，维持细胞的正常功能自噬的分子机制起始阶段营养缺乏或应激刺激复合物激活复合物募集ULK1Beclin1自噬通常在营养缺乏或细胞受到应激刺激复合物是自噬起始的关键，它包括激活的复合物募集复合物ULK1ULK1Beclin1时启动，例如缺氧、氧化应激、损伤、、和等到内质网等细胞器，复合物是自DNA ULK1Atg13FIP200Atg101Beclin1等蛋白在营养缺乏时，失活，噬膜形成的平台mTOR被去磷酸化激活ULK1复合物自噬起始的关键ULK1ULK1Atg13FIP200一种蛋白激酶，在自噬复合物的支架蛋参与自噬体形成的调控，ULK1起始中发挥重要作用白，参与的募集与相互作用ULK1ULK1其激活依赖于的和激活mTOR失活复合物自噬膜形成的平台Beclin11Beclin1VPS3424VPS15Atg14L3复合物由、、和等蛋白组成它具有磷脂酰肌醇激酶（）活性，能够产生，Beclin1Beclin1VPS34Atg14L VPS15-3PI3K PI3P对于募集自噬相关蛋白到自噬体形成位点至关重要PI3P复合物磷脂酰肌醇激酶的作用PI3K-3活性的作用PI3K PI3P复合物具有磷脂酰肌醇激酶（）活性，能够催化磷是一种重要的脂类信号分子，能够募集蛋白等自噬相PI3K-3PI3K PI3P WIPI脂酰肌醇（）转化为磷脂酰肌醇磷酸（）关蛋白到自噬体形成位点，促进自噬膜的延伸PI-3-PI3P自噬的分子机制延伸阶段自噬膜的形成在起始阶段的基础上，自噬膜开始延伸，逐渐包裹细胞质成分的修饰LC3是一种重要的自噬标志物，在延伸阶段被修饰为，与LC3LC3-II LC3-II自噬膜结合蛋白的作用Atg多个蛋白参与自噬膜的延伸过程，例如、、等Atg Atg5Atg12Atg16L1自噬体的形成最终，自噬膜完全闭合，形成双层膜结构的自噬体，包裹细胞质成分的修饰自噬标志物LC3LC3LC3-II微管相关蛋白轻链（被磷脂酰乙醇胺（）修饰后转化为与13Microtubule-associated protein1LC3-I PELC3-II LC3-II）是自噬过程中最常用的标志物存在自噬膜结合，因此可以作为自噬体形成的标志的含量与light chain3,LC3LC3LC3-II两种形式和自噬活性呈正相关LC3-I LC3-II蛋白的作用延伸过程中Atg的关键分子复合物Atg5-Atg12Atg16L1参与自噬膜的延伸和自噬体的形与复合物结合，形Atg5-Atg12成成更大的复合物，促进自噬膜的延伸Atg8/LC3被修饰为，与自噬膜结合，参与自噬体的形成和内容物的选择性包LC3-II裹自噬体的形成双层膜结构的构建自噬膜来源自噬膜闭合自噬膜的来源尚不完全清楚，可能来自内质网、高尔基体、线粒自噬膜逐渐延伸并最终闭合，形成双层膜结构的自噬体，包裹细体等细胞器胞质成分自噬的分子机制降解阶段自噬体转运自噬体与溶酶体融合内容物降解降解产物再利用自噬体形成后，沿着微管转自噬体与溶酶体融合，形成溶酶体内的水解酶降解自噬降解产物被转运到细胞质中，运到溶酶体附近自噬溶酶体体的内容物供细胞重新利用自噬体与溶酶体的融合内容物释放蛋白蛋白SNARE Rab自噬体与溶酶体的融合需要蛋白的参与，例如、蛋白也参与自噬体与溶酶体的融合过程，例如等SNARE SNAP-29Rab Rab7和等Syntaxin17VAMP8溶酶体酶的作用物质降解水解酶酸性环境溶酶体含有多种水解酶，例如蛋白酶、脂酶、核酸酶等，能够溶酶体内的酸性环境有利于水解酶的活性，促进物质的降解降解蛋白质、脂类、核酸等生物大分子降解产物的再利用细胞能量来源氨基酸脂肪酸核苷酸蛋白质降解产生氨基酸，可以用于合成新脂类降解产生脂肪酸，可以用于合成新的核酸降解产生核苷酸，可以用于合成新的的蛋白质或作为能量来源脂类或作为能量来源核酸自噬的调控机制营养物质的调控营养充足在营养充足的条件下，信号通路激活，抑制自噬的发生mTOR营养缺乏在营养缺乏的条件下，信号通路失活，自噬被激活mTOR信号通路自噬的负调控因子mTOR的激活mTOR mTORC1mTORC1雷帕霉素靶蛋白（存在于两个不同的复合物中的激活抑制复合物的活mammalian targetmTOR mTORC1ULK1）是一种丝氨酸和是自性，从而抑制自噬的起始of rapamycin,mTOR/mTORC1mTORC2mTORC1苏氨酸蛋白激酶，是细胞生长、增殖和代噬的主要调控因子谢的重要调控因子信号通路自噬的正调控因子AMPK的激活AMPK AMPK激活的蛋白激酶（的激活可以通过多种机制促进自噬的发生，例如直接磷酸AMP AMP-activated proteinkinase,AMPK）是一种重要的能量传感器，在细胞能量不足时被激活化或间接抑制AMPK ULK1mTORC1自噬的调控机制应激反应的调控氧化应激缺氧活性氧（）的积累可以激活缺氧可以诱导自噬的发生，帮助ROS自噬，清除受损的细胞器和蛋白细胞适应低氧环境质损伤DNA损伤可以激活自噬，清除受损的和蛋白质，维持基因组的稳定DNA DNA性氧化应激与自噬活性氧的作用氧化应激自噬的激活ROS活性氧（当产生过多或清除不足时，会导致氧氧化应激可以激活自噬，清除受损的细胞Reactive oxygenspecies,ROS）是细胞代谢的副产物，在正常情况化应激，损伤细胞内的各种成分器和蛋白质，减轻氧化损伤ROS下维持在较低水平缺氧与自噬的调控HIF-1α缺氧自噬的激活HIF-1α缺氧是指细胞所处的氧气浓度低于正常水缺氧诱导因子（可以激活自噬，帮助细胞适应低1αHypoxia-inducible HIF-1α平）是细胞应对缺氧的氧环境factor1α,HIF-1α重要转录因子损伤与自噬肿瘤抑制的作用DNA损伤自噬的激活肿瘤抑制DNA损伤是指分子的结构发生改变，损伤可以激活自噬，清除受损的自噬的激活可以抑制肿瘤的发生和发展DNA DNADNA影响其正常功能和蛋白质，维持基因组的稳定性DNA自噬在生理过程中的作用细胞存活细胞器质量控制蛋白稳态能量供应自噬清除受损的细胞器，维持细胞的正自噬降解错误折叠或聚集的蛋白质，维自噬降解的产物可以为细胞提供能量和常功能持蛋白稳态构建模块胚胎发育细胞重塑细胞凋亡自噬在胚胎发育过程中，需要清除一些不需要的细胞，细胞凋亡是主自噬也参与胚胎发育过程中的细胞重塑，例如清除受损的细胞器要的机制之一和蛋白质免疫应答清除病原体固有免疫适应性免疫自噬可以清除胞内的病原体，激活固有免疫应答自噬可以将抗原呈递给细胞，激活适应性免疫应答T细胞分化功能特化细胞分化自噬细胞分化是指细胞在形态、结构和功能上发生改变，形成具有特自噬参与细胞分化过程，例如清除不需要的细胞器和蛋白质，促定功能的细胞进细胞功能的特化自噬在疾病中的作用神经退行性疾病阿尔茨海默病帕金森病自噬功能障碍导致异常蛋白（如自噬功能障碍导致线粒体功能障淀粉样蛋白）的积累，诱发阿碍和突触核蛋白的积累，诱发β-α-尔茨海默病帕金森病亨廷顿病自噬功能障碍导致亨廷顿蛋白聚集体的形成，诱发亨廷顿病阿尔茨海默病异常蛋白的积累淀粉样蛋白蛋白自噬β-tau淀粉样蛋白（）是阿尔茨海默病的蛋白过度磷酸化后形成神经纤维缠结，自噬功能障碍导致和蛋白的积累，β-Aβtau Aβtau主要病理特征之一，其积累形成老年斑也是阿尔茨海默病的重要病理特征加重阿尔茨海默病的病情帕金森病线粒体功能障碍线粒体突触核蛋白自噬α-线粒体是细胞的能量工厂，其功能障碍会突触核蛋白是帕金森病的主要病理蛋自噬功能障碍导致线粒体功能障碍和α-α-导致能量供应不足和活性氧的产生白，其积累形成路易小体突触核蛋白的积累，诱发帕金森病亨廷顿病蛋白聚集体的形成亨廷顿蛋白蛋白聚集体自噬亨廷顿蛋白（）是一种突变的蛋白容易形成聚集体，对神经自噬可以清除蛋白聚集体，减轻其毒Huntingtin,Htt HttHtt存在于所有细胞中的蛋白质，其突变会导细胞造成损伤性作用致亨廷顿病自噬在疾病中的作用肿瘤双重作用自噬在肿瘤的发生和发展中发挥双重作用，既可以抑制肿瘤，也可以促进肿瘤自噬在肿瘤发生中的双重作用抑制肿瘤1清除受损的细胞器和蛋白质，维持基因组的稳定性，防止肿瘤的发生促进肿瘤2为肿瘤细胞提供能量和构建模块，促进肿瘤细胞的生长和转移自噬抑制肿瘤的机制清除受损细胞器维持蛋白稳态防止活性氧的产生，减少损防止错误折叠蛋白的积累，减少DNA伤细胞毒性抑制炎症反应防止慢性炎症诱发肿瘤自噬促进肿瘤转移的机制能量供应营养供应免疫逃逸为肿瘤细胞提供能量，促进肿瘤细胞的生为肿瘤细胞提供营养，促进肿瘤细胞的存帮助肿瘤细胞逃避免疫系统的攻击长和增殖活自噬在疾病中的作用感染免疫防御病原体清除免疫调控自噬是细胞抵抗病原体感染的重要机制自噬可以清除胞内的病原体，例如细菌、自噬可以调控免疫应答，促进病原体的清病毒等除自噬清除胞内病原体病原体识别自噬体的形成溶酶体降解细胞通过模式识别受体（）识别病自噬体包裹病原体自噬体与溶酶体融合，病原体被降解PRRs原体病毒感染与自噬病毒复制抗病毒宿主防御一些病毒可以利用自噬促进自身的复制另一些病毒可以被自噬清除自噬是宿主防御病毒感染的重要机制细菌感染与自噬细菌入侵自噬清除宿主防御细菌可以入侵细胞，并在细胞内复制自噬可以清除胞内的细菌，抑制细菌的复自噬是宿主防御细菌感染的重要机制制自噬与衰老延缓衰老的潜力衰老自噬衰老是指生物体随着年龄的增长，生理功能逐渐衰退的过程自噬可以清除受损的细胞器和蛋白质，维持细胞的稳态，延缓衰老的进程清除受损细胞器线粒体自噬线粒体功能障碍线粒体自噬线粒体功能障碍是衰老的重要原因之一线粒体自噬可以选择性地清除受损的线粒体，维持细胞的能量供应维持蛋白稳态减少蛋白聚集蛋白聚集自噬蛋白聚集是衰老的重要特征之一自噬可以降解错误折叠或聚集的蛋白质，维持蛋白稳态，延缓衰老的进程自噬的检测方法的检测LC3免疫荧光流式细胞术Western blotting检测的表达水平观察在细胞内的定位定量分析的表达水平LC3-II LC3LC3-II蛋白表达水平分析Western blotting蛋白提取电泳转膜抗体孵育从细胞或组织中提取总蛋白将蛋白样品进行电泳分离将蛋白转移到膜上用一抗和二抗孵育膜免疫荧光细胞内定位观察细胞固定抗体孵育荧光显微镜用固定剂固定细胞用一抗和二抗孵育细胞用荧光显微镜观察蛋白在细胞内的定位自噬的检测方法自噬体的检测电子显微镜报告系统GFP-LC3观察自噬体的形态结构实时监测自噬体形成电子显微镜观察自噬体的形态结构样品制备电镜观察将细胞或组织进行固定、包埋、切片等处理用电子显微镜观察自噬体的形态结构，例如双层膜结构报告系统实时监测自噬体形成GFP-LC3自噬体形成实时监测GFP-LC3是一种融合蛋白，由绿色荧光当自噬发生时，会聚集到自噬可以用荧光显微镜实时监测的GFP-LC3GFP-LC3GFP-LC3蛋白（）和组成体上，形成荧光斑点聚集情况，从而判断自噬的活性GFP LC3自噬的检测方法溶酶体功能的检测溶酶体酶活性测定溶酶体标记物的检测检测溶酶体酶的活性检测溶酶体标记物的表达水平溶酶体酶活性测定酶活性测定底物检测溶酶体酶的水解活性，例如酸性磷酸酶、半乳糖苷酶等使用特定的底物，检测酶的活性溶酶体标记物的检测抗体检测LAMP1/2溶酶体相关膜蛋白（可以用抗体检测的表达水平，从而判断溶酶体的数量1/2Lysosomal-associated membraneLAMP1/2）是溶酶体的标记物和功能protein1/2,LAMP1/2自噬与药物研发靶向自噬的药物药物研发靶向自噬的药物自噬在多种疾病中发挥重要作用，因此成为药物研发的热点目前已经有一些靶向自噬的药物，例如自噬抑制剂和自噬激活剂自噬抑制剂氯喹、羟氯喹氯喹羟氯喹作用机制氯喹是一种抗疟药，可以抑制自噬羟氯喹是氯喹的衍生物，也可以抑制自噬，氯喹和羟氯喹可以抑制溶酶体的功能，从且毒性较低而抑制自噬的降解阶段自噬激活剂雷帕霉素雷帕霉素作用机制雷帕霉素（）是一种免疫抑制剂，可以激活自噬雷帕霉素可以抑制的活性，从而激活自噬Rapamycin mTORC1自噬研究的挑战与展望选择性自噬自噬与其他细胞过程临床应用如何调控自噬的选择性，使其只清除特定自噬与其他细胞过程（例如细胞凋亡、细如何将自噬研究成果应用于临床，开发治的细胞器或蛋白质，而不影响其他细胞成胞周期等）之间存在复杂的相互作用，如疗相关疾病的药物？分？何理解这些相互作用？自噬选择性的调控机制受体介导衔接蛋白一些受体可以识别特定的细胞器或蛋白质，并将其转运到自噬体一些衔接蛋白可以连接自噬体和需要降解的细胞成分中自噬与其他细胞过程的相互作用细胞凋亡细胞周期炎症反应自噬和细胞凋亡是细胞死亡的两种主要自噬参与细胞周期的调控，例如清除受自噬可以抑制炎症反应，防止慢性炎症方式，它们之间存在复杂的相互作用损的和蛋白质，维持基因组的稳诱发肿瘤DNA在某些情况下，自噬可以抑制细胞凋亡，定性而在另一些情况下，自噬可以促进细胞凋亡自噬研究的未来方向分子机制深入研究自噬的分子机制，例如自噬体的形成、自噬体与溶酶体的融合等调控机制研究自噬的调控机制，例如营养物质、应激反应等对自噬的影响临床应用开发靶向自噬的药物，治疗相关疾病，例如肿瘤、神经退行性疾病、感染等总结自噬的重要性自噬是细胞内一种重要的自我保护机制，对于维持细胞稳态、清除病原体、延缓衰老等方面发挥着重要作用自噬功能障碍与多种疾病的发生发展密切相关深入研究自噬的分子机制、调控机制以及在疾病中的作用，将为开发治疗相关疾病的药物提供新的思路和策略我们有理由相信，随着研究的深入，自噬将在未来的医学领域发挥越来越重要的作用。