细胞生存需要蛋白质降解和细胞器转化，若这一过程遭到破坏，会导致细胞异常生长或死亡，引发许多疾病^[1,2]。真核细胞通过泛素-蛋白酶和自噬两个系统进行蛋白质降解^{[3, 4]}。泛素-蛋白酶主要降解短寿命蛋白质，而自噬主要进行长寿命蛋白质和受损细胞器的降解^[4,5]。当细胞处于应激状态时，如营养限制、氧化应激和/或受损或过量的细胞器和异常的细胞成分的积累，自噬作为降解途径被诱导，通过溶酶体降解自身受损细胞器和大分子物质来进行“自我进食”，因此自噬主要被认为是细胞在不利条件下存活的保护机制。作为宿主免疫防御机制的一部分，自噬被激活以消除侵入性致病细菌，消除潜在的毒性成分，再加上营养循环，有助于细胞存活。

图1. 自噬过程示意图^[9]。

在真核细胞中常见的自噬主要有三类：巨自噬、微自噬和伴侣介导的自噬（chaperone-mediated autophagy ：CMA）^[6,7]。目前，对这些自噬途径研究最透彻的是巨自噬，也是我们通常所指的”自噬”。自噬的主要过程为（图1）：自噬诱导信号使吞噬细胞形成隔离膜，在一系列泛素化反应之后，LC3（微管相关蛋白1轻链3）与隔离膜结合并控制吞噬细胞的伸长^[8]。随着吞噬细胞的扩张，将细胞质成分包括细胞器如线粒体和内质网、聚集的蛋白质和外来生物（细菌和病毒）包裹在内。在伸长结束时，隔离膜闭合并形成双膜囊泡-自噬体，自噬体与溶酶体融合形成自溶酶体，将包裹的物质降解，来自外膜的LC3和自噬来源的营养物质被循环利用。

自噬作为细胞对各种应激条件（如营养限制、热量和氧化应激）的反应而被诱导，是保持细胞稳态平衡和存活的机制。此外，自噬涉及多种疾病，包括感染、癌症和神经退行性疾病，如阿尔茨海默病、帕金森病和亨廷顿病。

图2. 自噬失调涉及几种人类疾病^[9]。

自噬和细菌感染

细菌是一类可以感染人类并引发多种疾病的病原体，在入侵过程中，细菌进入宿主体内并在宿主体内复制，扩散到邻近的细胞和组织中，常常导致细胞死亡。免疫系统开发了各种机制来消除这些入侵者，如内吞/吞噬降解等途径^[10]，然而，仍有一些细菌能够逃逸^[11]。自噬就是一种应对这些逃逸而存在的防御机制，它以某些细胞内细菌为靶点，在自噬体内进行隔离，最终将它们输送到溶酶体中。

自噬过程因细菌而异。自噬可靶向20中细菌，这些细菌包括细胞质中的细菌（如化脓性链球菌）、未成熟吞噬体的细菌（结核分枝杆菌）或受损的吞噬体样空泡中的细菌（伤寒沙门氏菌）^[12-14]。这可能是一种宿主防御机制，它不仅限制细菌的生长，也限制进一步邻近细胞的感染^[15]。当然，为了生存，一些细菌进化出新的策略，以摆脱自噬，如破坏自噬途径，而自噬都会采取不同的策略来消灭细菌。

图3. 细胞内细菌被自噬降解。化脓性链球菌溶解噬菌体并逃逸到胞质中，在胞质中被自噬体隔离，最后在自溶体中降解^[16]。

自噬和病毒感染

病毒是另一类微生物病原体，它们通过将DNA或RNA注入宿主胞质来感染宿主，并在细胞内复制。病毒感染后，宿主细胞可能会分泌干扰素（IFN），触发细胞抗病毒机制来限制病毒复制。已有研究证明，干扰素能上调自噬水平^[17]。

与某些细菌感染一样，虽然自噬是一种有效应对病毒感染的防卫机制，但病毒也进化出了阻止或利用自噬的策略。如单纯疱疹病毒编码的ICp34.5（PKR 抑制剂）因子阻断了pkr依赖的自噬途径，使病毒逃避降解；脊髓灰质炎病毒，能够诱导自噬体的形成，并可能利用自噬体作为复制位点，但目前还不知道是在哪一阶段或如何破坏自噬途径^[17,18]。

自噬和蛋白质聚集疾病

近年来，人们认识并强调了自噬与蛋白质聚集相关疾病之间的联系。这些类型疾病背后分子机制的共同特征是：

（1）突变导致蛋白质构象的变化和折叠错误；

（2）错误折叠的蛋白质，积累到高水平，形成聚集体或包涵体；

（3）这些蛋白质的正常处置途径不能降解或改变蛋白聚集的形式（图4）。

一般来说，突变蛋白是有问题的，它们在高水平积累时会阻碍正常的细胞功能。自噬的作用在某些神经退行性疾病中最为明显，例如帕金森病、亨廷顿病（HD）和阿尔茨海默病（AD）。在AD中，神经元中tau蛋白的积累，aβ-淀粉样蛋白在胞外过度沉积。研究发现，在AD患者的大脑和AD小鼠模型中观察到自噬体中aβ的富集，并检测到自噬体的显著积累，aβ肽的低效自噬降解导致肽和肽聚集体在细胞内积累，可能对神经元有毒^[19]。

对于蛋白质聚集疾病可以通过增强自噬水平来保护细胞免受聚集倾向性蛋白质的毒性，但其活性必须控制在适当的水平，因为过度的自噬可能导致细胞死亡。

图4. 通过自噬途径清除蛋白质聚集物^[16]。

自噬与癌症

肿瘤和自噬的作用在30年前就有报道，虽然自噬的正效应和负效应都与肿瘤发生有关，但这种平衡更倾向于发挥肿瘤抑制作用。证据如下：

①肿瘤细胞自噬活性降低^[20,21]；

②人类自噬基因BECLIN 1, MAP1LC3 （酵母中Atg8的同系物）和Atg7/hsgsa7（酵母中Atg7的同系物）在不同的癌症中发生缺失；例如，40-75%的散发性乳腺癌和卵巢癌的beclin 1基因存在突变，而在某些肺癌中Atg7有突变^[22]。

③在各种小鼠模型中，自噬的必需基因在全身或组织特异性缺失会导致自噬缺陷，从而加速肿瘤的发生。例如，Becn1+/−小鼠会自发形成恶性肿瘤，包括淋巴瘤以及肺癌和肝癌；在MCF7 beclin 1+/-乳腺癌细胞中过表达beclin 1则刺激自噬，抑制肿瘤发生^[23,24]；全身性缺失Atg5的小鼠（Atg5^f/f;CAG-Cre）发展为肝癌；特异性敲除小鼠肝脏中的Atg7基因（Atg7^f/f;Alb-Cre），7个月时出现肿瘤，且肿瘤数量和大小随着年龄增长而增加^[25]。在特异性敲除胰腺中的Atg5或Atg7小鼠中，促使KRAS G12D驱动的癌变前胰腺病变出现^[26,27]。

图5. 肝脏中Atg7缺失，引发肝腺瘤（小鼠肝脏的不同解剖时间及HE染色）^[25]。

④自噬在许多抗癌治疗中被诱导;

⑥肿瘤抑制基因，如pten、p53和死亡相关蛋白激酶蛋白家族参与了自噬诱导信号^[28]。

图6. 自噬与不同抑瘤过程的关系^[16]。

然而，自噬在肿瘤发生中的直接作用尚不清楚。为了解释自噬性肿瘤的抑制机制，研究者们提出了几种解释自噬性肿瘤抑制机制的模型：

①自噬选择性降解受损线粒体，减少了活性氧物质的产生和DNA突变率的增加，自噬的保护作用有助于肿瘤抑制；

②自噬蛋白起着促凋亡因子的作用，从而触发细胞凋亡；

③细胞凋亡缺陷通常导致细胞生长失控，在这种情况下，细胞毒性刺激诱导自噬细胞死亡，从而杀死肿瘤细胞。

尽管许多数据表明自噬具有肿瘤抑制作用，但自噬也可能通过营养循环功能，有助于肿瘤的生存。如在营养缺乏的情况下，Atg基因敲除，自噬被抑制，会导致hela细胞凋亡，这表明自噬具有细胞存活作用^[29]。因此，自噬在细胞保护和程序性细胞死亡中的双重作用意味着其可以保护或杀死癌细胞，这取决于特定类型的癌症、疾病的进展和治疗方法。因此，在进行自噬调节进行治疗干预时，需要考虑以上因素。

2016年，大隅良典博士由于在自噬领域的重要贡献而获得诺贝尔生理学或医学奖，将自噬研究推向了一个新高潮。随着自噬基因功能研究的不断深入，Atg5和Atg7在自噬与肿瘤研究中展露头角。为了更好的研究Atg5和Atg7基因与神经退行性疾病、肝癌、贫血等之间的关系，江苏集萃药康生物利用基因编辑技术制作了Atg5 CKO和Atg7 CKO小鼠模型，Atg5 CKO和Atg7 CKO与全身或组织特异性表达Cre的小鼠交配后，可特异性的删除Atg5或Atg7基因，用于Atg5或Atg7基因在特异性组织中的功能研究。

模型信息

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