自噬信号转导通路和机制

如果对自我吞噬的想法不感兴趣，您可能不想看后面的内容了……您的细胞确实正在吞噬自己！在 20 世纪 60 年代，赢得诺贝尔奖的比利时细胞学家和生物化学家 Christian de Duve 将这个过程命名为“自噬”，取自希腊语 auto（自我）和 phagein（吃）。de Duve 对这个词会带来什么问题知之甚少：您是否将它读作“aw-tof-a-gee”或“auto-fay-gee”？实际上，它有点像 tom-ay-tow/tom-ah-tow，两种发音都可以接受。正如 de Duve 自己所说，“我创造了这个词，但没创造它的发音”。

在这篇文章中，我们探讨了自噬机制以及 ULK1 复合体、AMPK 和 mTOR 在应激诱导的自噬信号转导中的作用。

无论怎么说，自噬都引起大团细胞浆内容物、异常蛋白及老旧或受损细胞器分解及所得代谢物再循环。自噬在“正常”细胞中按基础比率发生，以维持稳态，但它也是一种在营养饥饿、氧耗竭和内质网 (ER) 应激等应激条件期间所应用的存活机制。在诸如此类情况期间，诱导自噬为细胞提供急需的营养。¹ 简而言之，您可以说自噬是细胞在资源稀缺时“减少、再利用和再循环”的一种方式——重点是这个短语的再利用和再循环部分。

博客：表征帕金森病的自噬-溶酶体通路

在营养饥饿（即氨基酸或葡萄糖耗竭）等应激下，细胞内会形成一种称为吞噬泡的双层膜结构，这个结构会延伸并开始包裹细胞浆组分（转运蛋白）。最终，该膜环绕载货密封，形成一个称为自噬体的结构。自噬体随后与溶酶体融合以形成自溶酶体或自噬溶酶体，溶酶体是一种含有在酸性条件下效力最佳的酶混合物的膜约束细胞器。载货经历溶酶体酶降解，所得营养素可供细胞再使用。

简化通路图中的自噬机制

此图是自噬通路的简化版本。在 CST 网站上查看完整的交互式自噬信号转导通路。

一直以来，我们已了解的许多关于哺乳动物细胞自噬信号转导的知识源于酵母研究。² 而且事实证明，酵母和哺乳动物之间在自噬机制方面高度保守。在一项对酵母进行的基因筛选中首次鉴定到十五种自噬相关 (ATG) 基因，并且这些基因中的突变导致自噬缺陷。³ 现在，酵母中已经报道至少 41 种 ATG 核心基因。⁴哺乳动物中许多自噬相关蛋白以它们的酵母对应物命名，这就是许多哺乳动物自噬通路蛋白具有名称“AtgX”的原因。

Autophagy_mTOR inhibitor_Phospho-Atg14 (Ser29) 使用 Phospho-Atg14 (Ser29) (D4B8M) Rabbit mAb #92340（绿色）对未经处理（左图）和经 mTOR-inhibitor Torin 1 #14379 处理（右图）的 HCT 116 Atg14 细胞进行免疫荧光 (IF) 分析。在此实验中，左图中磷酸化 Atg14 的低表达水平表明自噬“关闭”。如右图所示，用 Torin 1 处理后，Atg14 磷酸化，mTOR 活性被抑制，自噬“开启”。欲知更多详述 #92340 的验证实验的数据图像，包括免疫荧光分析中的敲除验证测试，请访问 #92340 的产品页面。

我们现在知道自噬参与许多生理病理事件，包括心血管疾病、神经退行性疾病、代谢疾病、肌肉骨骼疾病、肺部疾病和传染性疾病，并且我们在理解自噬中复杂、高度调节的信号转导方面取得了巨大进展。

自噬调节：ULK1 复合体的作用

在自噬体组装前，自噬信号转导通路通过激活哺乳动物 ULK1 复合体或酵母ATG1 复合体启动来启动，这种复合体由 ULK1 或 ULK2、FIP200、Atg101 和 Atg13组成。⁵ ULK1 复合体充当上游营养素及能量感知蛋白 mTOR（雷帕霉素的哺乳动物靶标）和 AMPK 与下游自噬体形成之间的桥梁。

相关：AMPK 信号转导通路和 mTOR 信号转导通路

ULK1 和 ULK2 高度受多个磷酸化位点调控。⁶ 激活时，ULK1 复合体与吞噬泡结合，从而在吞噬泡膜上形成 ULK1 小点，在这里数个其他复合体随后以一个仍知之甚少的过程被招募。⁷

AMPK 和 mTOR 的 ULK1 磷酸化

人们早就知道 ULK1 的磷酸化是自噬调控的关键机制。一种广泛接受的理论是，营养素匮乏的细胞可以通过 AMPK 诱导自噬，而 mTOR 在营养素丰富条件下阻止自噬。

使用 Phospho-mTOR (Ser2448) (D9C2) XP^® Rabbit mAb #5536 （绿色）对经 Rapamycin #9904（一种 mTOR 抑制剂）（左图）或经胰岛素（激活 mTOR）（右图）处理的 HeLa 细胞进行免疫荧光分析。左图中缺乏磷酰-mTOR 表明自噬“开启”。雷帕霉素处理后，右图显示 mTOR 已经在 Ser2448 磷酸化，这表明自噬已经下调（即“关闭”）。

当 AMPK 在 Ser 317、Ser 467、Ser 555、Ser 574、Ser 638 和 Ser 777 处磷酸化 ULK1 时，ULK 复合体激活，从而促进或“开启”自噬。相反，当营养素充足时，AMPK 无活性，mTOR 在 Ser 757 处与 ULK1 结合并使其磷酸化，从而阻止 AMPK 激活 ULK1。在这种情况下，自噬“关闭”。^8,9

使用 Phospho-ULK1 (Ser757) (D7O6U) Rabbit mAb #14202（绿色）对未经处理（左图）或经 mTOR-inhibitor Torin 1 #14379（右图）处理的 MCF7 细胞进行免疫荧光分析。该实验表明，左图中自噬“关闭”，这描绘了来自乳腺癌细胞系 MCF7 的细胞。在 mTOR 活性被抑制后，自噬又“开启”，如右图所示。

然而，最近的研究继续揭示了提供自噬调节备选方法的额外假设。JM Park 等人在 2023 年发表的一篇研究论文中发现，AMPK 通过使 ULK1 在 Thr 660 处磷酸化来抑制 ULK 复合体活性。¹⁰ 这一发现表明 AMPK 的潜在双重功能，这将改变我们对应激期间自噬信号转导和细胞稳态的理解。

除了作为自噬信号转导的中心，ULK 复合体还因作为自噬核心蛋白之间的唯一丝氨酸/苏氨酸激酶引人注目。2015 年，Egan 等人报告了一种 ULK1 共有磷酸化基序。¹¹ 为了鉴定 ULK1 底物，他们对人类蛋白质组检索含有这种基序的蛋白质。不出所料，发现了很多自噬核心蛋白。

以下 ULK1 底物代表了目前已知调节自噬的最可靠磷酸化位点：

Atg13 Ser355

ATG14 Ser29

Beclin-1 Ser15

Beclin-1 Ser30

揭开自噬信号转导通路将有助于我们更清楚地理解自噬维持细胞稳态的作用以及它如何在癌症、糖尿病和神经退化等疾病中受到不当调控。

通过失活诸如 ULK1 等重要蛋白抑制自噬是否有可能治疗这些疾病？这确实提供了一些值得思考的意见。

自噬信号转导抗体小包装组合

查看我们的抗体小包装组合，其中包含推动您的研究所需的试剂：

Autophagy Induction (ULK1 Complex) Antibody Sampler Kit #46486

ULK1 Substrate Antibody Sampler Kit #85493

Autophagy Antibody Sampler Kit #4445

Human Reactive Cell Death and Autophagy Antibody Sampler Kit #42867

Mouse Reactive Cell Death and Autophagy Antibody Sampler Kit #48734

ER Stress-induced Autophagy Antibody Sampler Kit #89947

Autophagy Vesicle Nucleation Antibody Sampler Kit #70751

Autophagy Atg8 Family Antibody Sampler Kit #64459

Autophagy Vesicle Elongation (LC3 Conjugation) Antibody Sampler Kit #19848

Autophagy Vesicle Elongation (Atg12 Conjugation) Antibody Sampler Kit #32345

其他资源

有意更多了解自噬信号转导？访问我们的细胞生长和活性信号转导通路综合列表，其中包括以下通路：自噬信号转导、PI3K /Akt 信号转导、p53 信号转导、MAPK 信号转导、mTOR 信号转导等等。

您还可以观看点播式网络研讨会，该研讨会由索尔克生物研究所的 Reuben Shaw 博士主讲，重点关注将自噬和 ULK1 作为潜在治疗靶标。

选择参考文献：

Shang L, Chen S, Du F, Li S, Zhao L, Wang X. Nutrient starvation elicits an acute autophagic response mediated by Ulk1 dephosphorylation and its subsequent dissociation from AMPK. Proc Natl Acad Sci U S A. 2011;108(12):4788-4793. doi:10.1073/pnas.1100844108

Yang Z, Klionsky DJ. Eaten alive: a history of macroautophagy. Nat Cell Biol. 2010;12(9):814-822. doi:10.1038/ncb0910-814

Tsukada M, Ohsumi Y (1993) Isolation and characterization of autophagy-defective mutants of Saccharomyces cerevisiae. FEBS Lett. 333(1-2), 169–74。

Kuma A, Komatsu M, Mizushima N. Autophagy-monitoring and autophagy-deficient mice. Autophagy. 2017;13(10):1619-1628. doi:10.1080/15548627.2017.1343770

Ganley IG, Lam du H, Wang J, Ding X, Chen S, Jiang X (2009) ULK1.ATG13.FIP200 complex mediates mTOR signaling and is essential for autophagy. J. Biol. Chem. 284(18), 12297–305。

Bach M, Larance M, James DE, Ramm G (2011) The serine/threonine kinase ULK1 is a target of multiple phosphorylation events. Biochem. J. 440(2), 283–91。

Itakura E, Mizushima N (2010) Characterization of autophagosome formation site by a hierarchical analysis of mammalian Atg proteins. Autophagy 6(6), 764–76.

^{Kim J, Kundu M, Viollet B, Guan KL (2011) AMPK and mTOR regulate autophagy through direct phosphorylation of Ulk1. Nat. Cell Biol. 13(2), 132–41。}

Egan DF, Shackelford DB, Mihaylova MM, Gelino S, Kohnz RA, Mair W, Vasquez DS, Joshi A, Gwinn DM, Taylor R, Asara JM, Fitzpatrick J, Dillin A, Viollet B, Kundu M, Hansen M, Shaw RJ (2011) Phosphorylation of ULK1 (hATG1) by AMP-activated protein kinase connects energy sensing to mitophagy. Science. 331(6016), 456–61.

Park JM, Lee DH, Kim DH. Redefining the role of AMPK in autophagy and the energy stress response. Nat Commun. 2023;14(1):2994. Published 2023 May 24. doi:10.1038/s41467-023-38401-z

Egan DF, Chun MG, Vamos M, Zou H, Rong J, Miller CJ, Lou HJ, Raveendra-Panickar D, Yang CC, Sheffler DJ, Teriete P, Asara JM, Turk BE, Cosford ND, Shaw RJ (2015) Small Molecule Inhibition of the Autophagy Kinase ULK1 and Identification of ULK1 Substrates. Mol. Cell 59(2), 285–97。

Russell RC, Tian Y, Yuan H, Park HW, Chang YY, Kim J, Kim H, Neufeld TP, Dillin A, Guan KL (2013) ULK1 induces autophagy by phosphorylating Beclin-1 and activating VPS34 lipid kinase. Nat. Cell Biol. 15(7), 741–50。

本博文最初发表于 2017 年 9 月。更新版本于 2024 年 5 月发布。

CST 博客：实验室展望

自噬：这是一个细胞自食的世界