自噬

細胞自噬（autophagy）是一個涉及到細胞自身結構通過溶酶體機制，負責將受損的細胞器、錯誤折疊的蛋白及其他大分子物質等運送至溶酶體降解並再利用的進化保守過程。細胞自噬是廣泛存在於真核細胞的現象，並且可分為巨自噬、微自噬和分子伴侶介導的自噬三大類。這是一個受到緊密調控的步驟，此步驟是細胞生長、發育與穩態中的常規步驟，幫助細胞產物在合成、降解以及接下來的循環中保持一個平衡狀態。目前已有多份研究顯示細胞自噬在許多細胞的分化進程中被不同程度地觸發，例如參與血管生成、成骨分化、脂肪生成、神經發生等過程。

細胞自噬的發生取決於 beclin 1 是否產生並工作，使細胞自噬體形成以及後續細胞自噬體與溶酶體融合跟後續內含物的降解和回收。

命名為「細胞自噬」（autophagy）是由比利時化學家克里斯汀·德·迪夫在1963年發現的。當代的細胞自噬研究是1990年代酵母的研究人員通過識別的細胞自噬相關基因而被推動。其中之一人，日本科學家大隅良典因「對細胞自噬機制的發現」獲得2016年度的諾貝爾生理學或醫學獎。

## 歷史

1962年1月，美國洛克菲勒醫學研究院的基思·R·波特和其學生Thomas Ashford報導了添加胰高血糖素後，大鼠肝細胞中的溶酶體數量增加，並且發現一些向細胞中心移位的溶酶體，包含著線粒體等細胞器的成分。Porter和Ashford錯誤地將數據解釋為溶酶體的形成過程，不認為溶酶體是像線粒體一樣存在於細胞質中的細胞器，並且將觀察到的水解酶理解為是由微體產生的水解酶。

1963年，赫魯班（Hruban）、Spargo及其同事等報道了局部細胞質降解的超微結構，該報道參考了1955年德國科學家的損傷誘導融合模型，觀察到了從細胞質融合到生成溶酶體的三個連續步驟，並提出這個過程不僅由損傷階段誘發，而且在細胞分化的生理階段，同樣的過程也在「細胞器處置」和「細胞成分再利用」中行使功能。這篇報道引起了當時也在洛克菲勒醫學研究所工作的克里斯汀·德·迪夫的興趣，與之前Porter和Ashford的看法不同，德迪夫受到這一發現的啟發，把這種現象命名為細胞自噬（autophagy），並提出在胰高血糖素引發的肝細胞降解過程中，溶酶體發揮了功能。他與其學生拉塞爾·德特（Russell Deter）一起證實胰高血糖素誘發的細胞自噬是由溶酶體介導的，並且在1967年連續發表兩篇文章，他也由此成為第一位報導溶酶體參與細胞自噬的科學家。這是首次確定溶酶體是細胞自噬的部位。1974年德迪夫發現細胞內結構及功能性器官，即溶酶體和過氧物酶體，而與另外兩位科學家共享了該年度的諾貝爾生理學或醫學獎。

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在1990年代，幾組科學家使用發芽酵母獨立地發現了細胞自噬相關基因。值得注意的是，大隅良典（他於2016年獲得了諾貝爾生理學或醫學獎，儘管有人指出該獎項可能更具包容性）和Michael Thumm研究了飢餓誘導的非選擇性細胞自噬。同時，Daniel J Klionsky發現細胞質至液泡傳遞途徑（CVT），這是選擇性細胞自噬的一種形式。他們很快發現他們實際上是從不同的角度看本質上相同的路徑。最初，由酵母菌組發現的基因被賦予不同的名稱（APG、AUT、CVT、GSA、PAG、PAZ和PDD）。2003年，有研究人員提出了統一的命名法，即使用ATG表示細胞自噬基因。

21世紀初，細胞自噬研究領域經歷快速的發展。ATG基因的知識為科學家提供了更方便的工具，以分析細胞自噬在人類健康和疾病中的功能。1999年，貝絲·萊文（Beth Levine）的小組發表了一項具有里程碑意義的發現，將細胞自噬與癌症聯繫起來。迄今為止，癌症與細胞自噬之間的關係仍然是細胞自噬研究的主要主題。細胞自噬在神經退行性變和免疫防禦中的作用也受到了廣泛的關注。2003年，第一屆戈登細胞自噬研究會議（Gordon Research Conference on autophagy）在沃特維爾舉行。2005年，Daniel J Klionsky發行了致力於該領域的科學期刊《細胞自噬》。2007年，首屆Keystone細胞自噬專題討論會在蒙特里舉行。2008年，Carol A Mercer創建了BHMT融合蛋白（GST-BHMT），該蛋白在細胞系中顯示飢餓誘導的位點特異性片段化，而甜菜鹼高半胱氨酸甲基轉移酶的降解是一種可用於評估哺乳類動物細胞中細胞自噬的代謝酶。

巨自噬作用、微自噬作用和伴侶分子介導細胞自噬由細胞自噬相關基因及其相關酶介導。巨細胞自噬作用細分為本體細胞自噬和選擇性細胞自噬（bulk and selective autophagy）。在選擇性細胞自噬中，又細分為線粒體自噬、脂細胞自噬、過氧化物酶體細胞自噬、葉綠體細胞自噬及核糖體細胞自噬等。

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- 巨細胞自噬作用是主要的細胞自噬途徑，主要用於清除受損的細胞器或未被使用的蛋白質。首先，吞噬細胞將需要降解的物質吞噬，並在受損的細胞器周圍形成細胞自噬體。然後細胞自噬體穿過細胞的細胞質到達溶酶體，兩個細胞器融合。在溶酶體內，細胞自噬體內的內容物通過酸性溶酶體水解酶降解。

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- 微細胞自噬涉及將細胞質內的物質直接吞噬到溶酶體中。這是通過內陷發生的，意味著溶酶體膜向內折疊或細胞向外突出。
- 伴侶分子介導細胞自噬（CMA）是一個非常複雜和特異的途徑，涉及到包含hsc70的複合物的識別。這意味著蛋白質必須包含hsc70複合物的識別位點，這將使其能夠與該分子伴侶結合，形成CMA-底物/分子伴侶複合物。然後，該複合物移動到溶酶體膜結合蛋白上，該蛋白將識別並與CMA受體結合。底物蛋白在識別後就解折疊，並在溶酶體hsc70分子伴侶的幫助下，跨越溶酶體膜轉運。CMA與其他類型的細胞自噬存在顯著差異，因為它以一種一種的方式轉運蛋白物質，並且對哪種物質穿過溶酶體屏障具有極高的選擇性。
- 線粒體細胞自噬是通過細胞自噬選擇性降解受損或未受損的線粒體。經歷損傷或受壓後，經常發生線粒體缺陷。線粒體吞噬作用促進線粒體的更新，並且防止功能異常的線粒體積聚，從而導致細胞變性。它是由酵母中的Atg3、NIX及其調節物BNIP3在哺乳動物中介導的。線粒體吞噬作用受到PINK1和parkin蛋白的調節。
- 脂細胞自噬是通過細胞自噬脂質，該功能在動物和真菌細胞中都存在。然而，脂肪吞噬作用在植物細胞中的作用仍然難以捉摸。在脂質吞噬中，靶標是稱為脂質滴（LDs）的脂質結構，具有主要是三醯基甘油（TAGs）核心，以及單層磷脂和膜蛋白組成的球形細胞器。在動物細胞中，主要的脂肪吞噬途徑是通過吞噬細胞吞噬LD，即巨自噬。另一方面，在真菌細胞中，微脂代謝是主要途徑，尤其是在發芽酵母及釀酒酵母中得到了很好的研究。脂吞噬作用最早在小鼠中發現，並且在2009年發表。

## 分子生物學

屬於絲氨酸/蘇氨酸類蛋白激酶的ATG1/ULK1是啟動細胞自噬的關鍵蛋白激酶。細胞自噬的初始階段主要是誘導細胞自噬和形成細胞自噬體膜，然而細胞自噬體膜的形成需要細胞自噬前體（即細胞自噬調控的重要節點）的形成。Beclin1-Vps34復合體是哺乳動物細胞自噬的核心復合物。AtG4參與細胞自噬體的形成，而UVRAG作用於細胞自噬體成熟及其運輸過程，Rubicon負調節其功能。誘導細胞自噬後，在Atg14-Vps15-mVps34復合物作用下，啟動膜泡的成核反應，進一步結合Atg21和Atg24，形成前細胞自噬體。

細胞自噬體膜進一步擴張並包繞底物，最終形成細胞自噬體。Atg12-Atg5復合物系統和LC3-Ⅱ-磷脂醯乙醇胺復合物系統均是泛素化系統，參與著細胞自噬體的形成。目前已知p62蛋白會誘導鑲嵌有LC3的細胞自噬體到溶酶體，將其吞噬並清除，與底物結合的p62也能被蛋白水解酶降解，而細胞內的微管骨架其實也會將細胞自噬體運輸到溶酶體，水解酶在二者融合降解細胞自噬體內容物，Rab7及UVRAG等因子參與此過程。目前已知Rab7與膜泡表面的脂分子尾部作用進行定位，而UVRAG則活化Rab7，將囊泡運送到靶位點。

細胞自噬過程通常涉及兩種泛素偶聯反應，以維持細胞自噬體的擴展。第1種反應發生在LC3 (酵母Atg8在哺乳動物中的同源物)，LC3對溶酶體的形成是必需的。Atg4及Atg7切割LC3獲得彌散胞質狀態的LC3-Ⅰ，LC3-Ⅰ其後與磷脂醯乙醇胺偶聯，以形成膜結合狀態的LC3-Ⅱ，LC3-Ⅱ其後定位於細胞自噬體膜。Atg5-Atg12-Atg16L1復合物與前細胞自噬體膜相關聯，通過協助招募LC3延長它們的伸長。隨著吞噬細胞擴大並接近閉合，Atg5-Atg12-Atg16L1復合物從外膜解離，而LC3-Ⅱ仍然與完成的細胞自噬體結合。除此之外，mAtg9是核心Atg蛋白中唯一確定的多次跨膜蛋白，吞噬細胞的延伸也由mAtg9輔助。第2種反應則是在Atg12與Atg5共軛後，Atg16L1與偶聯物Atg12-Atg5結合，形成一個對吞噬細胞成熟至關重要的Atg5-Atg12-Atg16L1復合物。

- ATG8酯化在細胞自噬過程中的作用仍未解釋清楚，可以對促進細胞自噬體膜的延伸和閉合起著關鍵作用。ATG8的酯化過程依賴於兩個泛素系統的幫助。所有生物中的ATG5-ATG12共價結合復合物對於細胞內ATG8的酯化均是必須的。
- 在細胞自噬相關基因中，Beclin1、Atg5、Atg12和LC3對細胞自噬的誘導階段十分重要。其中，LC3是細胞自噬體的關鍵蛋白，LC3前體正常會被ATG4切掉C端120個胺基酸，而殘片稱為LC3Ⅰ。細胞自噬體胞膜形式的LC3Ⅰ在細胞自噬發生時，已活化的LC3-Ⅰ經Atg3泛素化修飾後，與細胞自噬體表面的磷脂醯乙醇胺結合，形成膜形式且疏水性較強的LC3Ⅱ，並且鉚釘於細胞自噬體結構上，參與細胞自噬。
- ULK復合物能引發細胞自噬，主要由ULK1/2、細胞自噬相關基因13（ATG13）、ATG101和200 kD家族相互作用蛋白組成。ULK1/2負責募集ATG蛋白，其中ULK1是哺乳動物細胞自噬體形成所必需的一種蛋白質，其活性缺失時LC3-Ⅱ不能形成，阻礙細胞自噬。ULK1激酶復合體能夠促進PI3K和ATG14形成復合物，並且促進Beclin1從Bcl2-Beclin1復合體中解離出來，形成參與細胞自噬體形成的關鍵因子Beclin1-PI3K-ATG14復合物。單磷酸腺苷活化蛋白質激酶（AMPK）和mTOR都可以催化ULK1的磷酸化。AMPK在營養充足的條件下失活，mTORC活化並磷酸化ULK1和ATG13，從而抑制細胞自噬的發生。AMPK在飢餓條件下活化，同時mTORC失活，已活化的AMPK催化ULK1絲氨酸磷酸化，促進細胞自噬。除此之外，ATG13可以由mTORC1磷酸化並調控ULK復合物的活性，ATG101結合並穩定FIP200，而FIP200則為ULK及ATG13提供支架。
- PI3K復合物由Vps34、Vps15、Beclin1和Atg14蛋白組成，ULK1復合物在膜泡形成後會從由細胞質轉移至內質網，並且增強PI3K復合物的活性，隨後可產生磷脂醯肌醇-3磷酸酯，促進其他效應蛋白與細胞自噬體結合，從而引發細胞自噬體的形成。

## 功能

### 營養不足

細胞自噬在各種細胞功能中都發揮作用。營養不足會導致高度的細胞自噬，降解不需要的蛋白質，並且回收胺基酸，以合成細胞生存的蛋白質。在真核生物中，細胞自噬因動物在出生後切斷了來自胎盤的營養供應而引發。細胞自噬能力降低的突變酵母細胞會在營養缺乏的情況下迅速消失。對APG突變體的研究表明，在飢餓條件下，通過細胞自噬體進行的細胞自噬對於液泡中的蛋白質降解是必不可少的，並且酵母中至少有15個APG基因參與細胞自噬。營養素引發的細胞自噬涉及一種稱為ATG7的基因，因為小鼠研究表明，APG7缺陷型小鼠有著飢餓引起的細胞自噬。

### 異種吞噬

在微生物學中，異種吞噬是指感染性顆粒的細胞自噬水解。細胞自噬機制在先天免疫中發揮重要作用。結核桿菌等細胞內的病原體被靶向降解，當中的細胞機制和調控機制與靶向線粒體降解的機制相同。這是內共生學說的進一步證據。儘管某些細菌會阻止吞噬體成熟為降解的細胞器，稱為吞噬溶酶體，但是這個過程通常會導致由侵入性微生物帶來的破壞。

### 感染

水皰性口炎病毒是由細胞自噬體從胞質溶膠中吸收並轉移到內體中，並且在那裡通過TLR7檢測單鏈核糖核酸。在類鐸受體被激活後，細胞內信號級聯反應就會開始，導致干擾素和其他抗病毒細胞因子的誘導。部分病毒和細菌破壞了細胞自噬途徑，以促進自身複製。半乳凝素8已經被鑑定為細胞內的「危險受體」，能夠啟動針對細胞內病原體的細胞自噬。當半乳凝素8與受損的液泡結合時，它會募集CALCOCO2等細胞自噬受體，導致細胞自噬體的形成和細菌的降解。

### 修復機制

細胞自噬可以降解受損的細胞器、細胞膜和蛋白質，而抵制細胞自噬被認為是造成受損細胞蓄積和衰老的其中一個主要原因。細胞自噬和細胞自噬調節劑參與溶酶體損傷的反應，通常由半乳凝素-3和半乳凝素-8等半乳凝素指導，半乳凝素-8負責募集TRIM16。和NDP52等受體，並直接影響mTOR和AMPK的活性，而mTOR和AMPK分別抑制和激活細胞自噬

### 程序性細胞死亡

程序性細胞死亡（PCD）的其中一個機制與自噬小體的出現有關，並且依賴於細胞自噬蛋白。這種細胞死亡形式最有可能與形態學上定義為細胞自噬PCD（autophagic PCD）的過程相對應。其中一個問題，是步入死亡過程的細胞中，其細胞自噬的活性是導致其死亡的原因，還是為了防止細胞死亡的一個嘗試。迄今為止，形態學和組織化學研究並未證明細胞自噬過程與細胞死亡之間存在因果關係。最近有論據認為，垂死細胞中的細胞自噬活性可能是一種生存機制。對昆蟲變態的研究表明，細胞經歷了一種PCD形式，這種形式與其他形式截然不同。這些已被提議作為細胞自噬使細胞死亡的例子。最近的藥理和生化研究表明，有助細胞生存或致死的細胞自噬可以通過壓力期間，尤其是病毒感染後，調控信號的類型和程度來區分。然而尚未在病毒系統之外觀察到這些發現。

## 影響細胞自噬的因素及其影響

### 力學方面

- 左心室心肌組織中，壓力超負荷會導致其蛋白酶的表達量和活性均顯著增強（目前已知蛋白酶的活性與細胞自噬存在密切的關係），並且導致小鼠心肌細胞的細胞自噬活性持續地增強，甚至發現升高的情況維持至少3周。許多研究證實心肌細胞的細胞自噬活性因壓力超負荷而提高。因為壓力超負荷使心肌細胞中，在細胞核周圍逐漸聚集的錯誤折疊蛋白數量增多，並且形成被細胞自噬系統識別並降解的聚集體。其後的科研人員利用動脈結扎的方法，使已經敲除Beclin-1的雜合子小鼠心臟處於壓力超負荷的狀況，最終發現敲除Beclin-1可以減弱壓力超負荷造成的細胞自噬活性提高，並且減弱心肌細胞對壓力超負荷的病理性重建作用，同時又發現在小鼠體內過度表達Beclin-1則造成相反的作用。另一些科研人員進行的實驗也證明了心肌細胞為了維持細胞穩態和心肌的正常結構及功能，而擁有基礎水平的細胞自噬。當心肌面對著血流壓力超負荷的狀況時，細胞自噬的提升就是心肌應對這種狀況的適應性反應。若然ATG5等細胞自噬相關基因被特異性敲除，小鼠體內會出現左心室擴張及收縮功能減弱等異常現象，甚至在2周後出現了心肌肥大的問題。除此之外，有多份研究指出壓力超負荷的情況消失時，細胞會逐漸回復正常的形態，而細胞自噬則發揮著重要的作用。當去除小鼠主動脈結扎後，會發現心肌細胞逐漸復原，並且觀察到細胞自噬相關標誌分子LC3b-Ⅱ的表達提高，反映細胞自噬的活性極大地提升。
- 心肌細胞若然處於去應力負荷的環境，其細胞自噬會受到影響，然而細胞自噬能其所促進或降低。有些研究人員心肌細胞處於去應力負荷的環境時會萎縮，並且發現LC3b-Ⅱ和Beclin-1的表達提升。然而，科研人員發現有佩戴左心室輔助裝置的心臟衰竭患者，體內心肌細胞自噬的水平會降低，推測可能是因為心肌細胞的能量需求降低，不再需要維持高水平的細胞自噬活性。
- 細胞自噬在力學刺激或衝擊引起的軟骨反應中，發揮重要的作用。最先研究有關方面的研究人員發現遭受40%力學衝擊的細胞的存活率會降低，並且發現細胞外基質中硫酸化糖胺聚糖逐漸丟失，同時在24小時後檢測到LC3b-Ⅱ的表達提高，然而在48小時後細胞的細胞自噬逐漸受到了抑制。由此可見，細胞自噬在軟骨組織面對力學衝擊時，會有一定程度的保護作用，但是在損傷過大時，就會因受到抑制而失去對軟骨組織的保護作用。除此之外，有不少科研人員指出不同時程的力學刺激，對軟骨細胞的細胞自噬影響存在著差異。例如短時程的間歇循環機械張力可以促進軟骨細胞的細胞自噬，而長時程則有相反的結果
- 層流剪切力對血管內皮細胞的細胞自噬的影響在2014年已被證實。其後的研究發現層流剪切力可以促進內皮細胞的細胞自噬活性，可能跟細胞內氧化-抗氧化平衡有關，而較小的層流剪切力及震蕩流剪切力卻不能夠促進細胞自噬活性。流動剪切力（即適當的層流剪切力）能夠幫助維持內皮細胞的細胞自噬，內皮細胞在加載流動剪切力後會維持靜止狀態，同時細胞自噬的活性逐漸降低到基礎水平。除此之外，有科研人員指出流動剪切力在炎症狀態下，對內皮細胞自噬也會增強，並且起到抗炎症反應的作用。
- 在受到機械損傷及壓縮損傷時，神經細胞會提升細胞自噬，在細胞受損早期可以透過抑制細胞凋亡的途徑來保護神經細胞。除此之外，力學因素對肝癌細胞、精原瘤細胞、成纖維細胞、足細胞及小梁細胞等細胞自噬的促進作用也被一些研究人員所報道。

### 胺基酸

- 當胞內賴氨酸（Lys）不足時，骨骼肌細胞會因細胞自噬體-溶酶體途徑被激活而發生細胞自噬，使得自身的蛋白質被降解，以抵抗外部因素引起的胺基酸缺乏，在短時間內維持自身胺基酸的平衡狀態。
- 白胺酸（Leu）是必需的支鏈胺基酸，然而因Leu不能在動物體內合成而只可以從食物中攝取。目前已經有多項研究將Leu剝奪而引起的蛋白質分解與細胞自噬聯繫着，有研究顯示miR-20a和miR-106b（均為miR-17 microRNA家族）可能通過抑制小鼠成肌細胞系C2C12中Unc-51細胞自噬激活激酶1的表達，調節因Leu被剝奪而誘導的細胞自噬。另外一份研究則發現，細胞自噬體-溶酶體系統會攝入Leu後被激活，抑制肌原纖維蛋白質的降解，接著發現，在C2C12細胞（經達爾伯克氏必需基本培養基培養）中，補充Leu 30分鐘之後，LC3-Ⅱ與LC3-Ⅰ的比值顯著降低，顯示補充Leu會顯著抑制C2C12細胞自噬的發生。由於缺乏胺基酸可以誘導細胞發生細胞自噬，所以Leu是一種有效的細胞自噬抑制劑。
- 精氨酸（Arg）是一種半必需胺基酸，有研究人員首次發現一般性調控阻遏蛋白質激酶2可以介導干擾素-γ，響應因缺乏Arg而引起的牛乳腺上皮細胞自噬。
- 麩醯胺酸（Gln）是人體中含量最豐富的非必需胺基酸。有研究發現通過Gln缺乏的培養基處理豬腸道上皮細胞8小時後，細胞數目會顯著減少，同時顯著提升LC3-Ⅱ的表達，故而缺乏Gln會令豬腸道上皮細胞發生細胞自噬。

### 窄譜中波紫外線

窄譜中波紫外線（NB⁃UVB）可以促進正常黑素細胞發生細胞自噬，使用穿透式電子顯微鏡觀察有關細胞時，發現隨著NB⁃UVB照射劑量的增大，黑素細胞中的黑素小體會增多，而細胞質內出現較多單層膜空泡狀的細胞自噬溶酶體，以及較少的雙層膜細胞自噬體。有研究人員結合他們的研究結果及以往的研究報道，推測NB⁃UVB通過上調黑素細胞自噬水平的途徑，促進黑素細胞存活，並且可以在白癜風治療中發揮作用。

### 懸浮粒子

2013年，首次報道暴露於PM2.5可以提高A549細胞內的活性氧簇生成，並且促進細胞自噬激活及抑制細胞成活，呈濃度和時間依賴性。2014年，有研究證實暴露於PM2.5不僅可以通過死亡受體途徑和線粒體途徑誘導A549細胞凋亡，同時可以誘導A549細胞發生細胞自噬，並且發現二者存在交互作用。2015年，有研究發現，PM2.5通過AMPK的信號通路，誘導產生細胞自噬體及表達細胞自噬相關蛋白，通過mTOR信號通路抑制細胞自噬，而與MAPK信號通路沒有明顯的相關性。進一步的研究更顯示，暴露於高劑量PM2.5可以促進人類肺上皮細胞BEAS-2B的細胞自噬功能障礙。

## 和運動之關聯

細胞自噬對於基礎的體內平衡至關重要，並且在運動過程中保持肌肉穩定狀態也非常重要。對小鼠的研究表明，細胞自噬對於不斷變化的營養和能量需求至關重要，特別是通過蛋白質進行分解代謝的代謝途徑。2012年，由德克薩斯大學達拉斯西南醫學中心進行的一項研究中，測試了具有BCL2磷酸化位點突變的小鼠驗證此理論。實驗結果顯示，這些小鼠在急性運動中，表現出耐力下降和葡萄糖代謝改變的情況。另一項則研究顯示，膠原蛋白VI基因敲除小鼠的骨骼肌纖維因細胞自噬不足而顯示變性的跡象，導致線粒體受損和細胞死亡。運動誘導的細胞自噬未能成功，然而在運動後以人為的方式進行細胞自噬時，可以防止受損的細胞器在缺乏膠原蛋白VI的肌肉纖維中積累，並且保持細胞穩態。兩項研究均顯示細胞自噬可能有助於運動的有益代謝作用，並且在維持運動過程中的肌肉穩態，尤其是在膠原VI纖維中至關重要。波恩大學細胞生物學研究所的研究表明，收縮肌肉會誘發伴侶-輔助選擇性細胞自噬（CASA），CASA是在機械張力下維持肌肉肌節必需的。CASA分子伴侶複合物識別機械損傷的細胞骨架成分，並且通過蛋白依賴性細胞自噬途徑，將這些細胞骨架成分引導至溶酶體進行處理。這是維持肌肉活動必需的。

## 炎症與自噬之間的相互作用

細胞自噬調節劑控制炎症調節劑，反之亦然。脊椎動物細胞通常會激活炎症，以增強免疫系統處理感染的能力，並且啟動恢復組織結構和功能的過程，故而至關重要的是將去除細胞和細菌碎片的機制與調節炎症的主要因素結合起來：溶酶體在細胞自噬中對細胞成分的降解，可以回收重要的分子，並且產生及積聚物質來幫助細胞應對不斷變化的微環境。控制炎症和細胞自噬的蛋白質形成了一個對組織功能至關重要的網路，而該網路在癌症中失調：在癌細胞中，異常表達及突變的蛋白質增加細胞存活，對保護惡性細胞的蛋白水解系統「重新連接」網路的依賴性。這使癌細胞容易受到細胞自噬調節劑的干預。

## 臨床意義

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### 骨關節炎

由於細胞自噬隨著年齡的增長而下降，是骨關節炎的主要危險因素，因此細胞自噬在該疾病發展中的作用得到重視。在人類和小鼠的關節軟骨中，參與細胞自噬的蛋白質都隨著年齡的增長而減少。經培養的軟骨外植體，其機械損傷也會減少細胞自噬蛋白。細胞自噬在正常的軟骨中會不斷被激活，但會隨著年齡的增長而受到損害，並且先於軟骨細胞死亡和出現結構受到破壞的現象。因此，細胞自噬參與了關節的正常保護過程。

### 炎症性腸病

炎症性腸病（inflammatory bowel disease）是由易感基因、環境和免疫系統之間一系列的相互作用所導致的慢性且易復發的消化系統疾病，包括潰瘍性結腸炎和克隆氏症等。功能失調的細胞自噬被認為是炎症性腸病的發病因素。臨床上廣泛使用的炎症性腸病治療劑與細胞自噬均密切相關，均能誘導細胞自噬的發生，包括類固醇、5-氨基水楊酸及硫銼嘌呤等。尼古丁目前已被用作潰瘍性結腸炎患者的治療劑，咀嚼尼古丁口香糖可以有效控制輕度及中度結腸炎的病症。經尼古丁處理後，細胞內雙層細胞自噬體及自噬小體的數量明顯增高。尼古丁誘導細胞自噬的分子機制可能與內質網應激相關，或者可能與mTOR信號通路相關。目前已有不少研究證實尼古丁與內質網應激存在密切關係，因為他們發現尼古丁上調GRP78/BIP的表達水平，並且直接誘導內質網應激，上調內質網應激標誌物PERK、EIF2A等的表達或磷酸化修飾。對低濃度尼古丁的研究有助於開發調節細胞自噬治療潰瘍性結腸炎的新治療靶點。

### 牙周炎

細胞自噬能促進感染細胞對病原體和毒素的清除，抵抗細菌的入侵。然而，牙齦卟啉單胞菌等牙周細菌則可逃避細胞自噬分子的識別，干擾細胞自噬體形成，阻止細胞自噬體和溶酶體融合，甚至可以在細胞自噬體中生存和增殖，利用其中的蛋白質等物質為自身生存提供能量。目前的研究雖提示細胞自噬與牙周炎相關，但沒有充分的證據證實細胞自噬在牙周炎中的作用是保護作用還是病理作用。因為有研究發現牙周炎患者相較於健康人群的外周血單核細胞中，細胞自噬基因表達量更高，而細胞自噬被抑制後，出現了細胞存活率降低及凋亡細胞比例增加的情況，顯示細胞自噬在牙周炎中的保護作用。然而，有研究得出相反的結果，顯示細胞自噬在牙周炎中的病理作用。

### 敗血症及其併發症

敗血症是感染誘導的失調性宿主免疫反應。目前已知細胞自噬在敗血症進展與器官功能障礙的發生中具有一定保護作用，故而是一個值得研究的治療靶點。大量促炎因子及聚集的白細胞通過炎症信號通路，誘導組織細胞內出現內質網應激及線粒體損傷等，繼而誘發保護性細胞自噬，以包裹損傷的細胞器，限制損傷信號的擴散。敗血症時，肝細胞代謝狀態會出現改變，肝細胞通過細胞自噬來分解胞內有機物，並且產生小分子，以維持代謝需要，而分解的產物（例如糖類、脂類及胺基酸等）又可有負反饋的作用，減弱細胞自噬的程度。由於一氧化碳能夠增強肺部組織的細胞自噬，所以有學者發表了了關於吸入低濃度一氧化碳，以治療敗血症引致的肺部損傷的報道。

### 結核病

細胞自噬參與到宿主細胞清除胞內致病菌的免疫應答中。結核分枝桿菌是一種胞內寄生菌，目前發現細胞自噬有利於清除結核桿菌。

在結核的免疫應答中，γ-干擾素不僅可直接加速巨噬細胞通過MHC-Ⅱ呈遞抗原的作用；還可調控巨噬細胞表達IRGM，繼而促進巨噬細胞內產生大量的細胞自噬體，啟動巨噬細胞的細胞自噬。基因型分析發現，IRGM的某些基因型與分支桿菌的易感性明顯相關，提示了IRGM基因在抗結核細胞自噬中起到關鍵性作用。

除此之外，細胞自噬也參與獲得性免疫，例如加工抗原並通過MHC-Ⅱ的呈遞。與此同時，一些結核桿菌的亞群也會進化出一些機制阻礙宿主細胞對其的細胞自噬，達到免疫逃避的效果；有些結核桿菌可通過募集並聚合肌動蛋白以逃避泛肽化；而另一些結核桿菌則「丟卒保帥」的策略，主動脫去被泛肽化的細胞壁；這些策略都能使結核桿菌達到從吞噬體中逃離的效果。

細胞自噬可以增強一線抗結核藥物，例如異煙肼和吡嗪醯胺的作用。

### 癌症

當調節細胞分化的幾種不同途徑被干擾時，通常會發生癌症。細胞自噬在癌症中起著重要作用，既可以預防癌症，也可以促進癌症的發展。細胞自噬可通過促進已飢餓或通過細胞自噬降解凋亡介體的腫瘤細胞的存活，促進癌症的發展。細胞自噬在癌症中的作用已得到高度研究和審查，目前已知細胞自噬既是腫瘤抑制因子，又是腫瘤細胞存活的因素，然而根據幾種模型，細胞自噬更可能被用作抑癌劑。在細胞自噬的後期階段使用氯喹等抑製劑，會增加被抗腫瘤藥殺死的癌細胞數量。

但是對於細胞自噬和癌症的因果關係，以目前的研究結果顯示，尚未明瞭，有可能是細胞自噬基因的突變造成癌症，也可能為癌症使得細胞自噬基因的突變，或甚至互為因果關係，還有待後續研究。

- 抑癌藥：目前已經對小鼠和Beclin1（一種調節細胞自噬的蛋白質）進行了一些實驗。當Beclin1基因變為雜合子時，研究人員發現小鼠體內更容易出現腫瘤。然而，當Beclin1過度表達時，腫瘤的發展就會受到抑制。在解釋beclin突變體的表型，並且將觀察結果歸因於細胞自噬存在缺陷時應該要格外小心。Beclin1通常是產生磷脂醯肌醇3-磷酸的必需物質，因此它會影響許多溶酶體和內體功能，包括內吞作用和已活化的內吞降解生長因子受體。有認為Beclin1存在著通過非依賴細胞自噬的途徑，影響癌症發展的可能性，然而事實是Atg7或Atg5等的核心細胞自噬因子（暫時未知會影響其他細胞進程，並且不影響細胞增殖和細胞死亡）敲除各個基因時，顯示出非常不同的表型。此外，Beclin1的完全基因敲落會對胚胎致死，而Atg7或Atg5的敲落對則胚胎無害。壞死和慢性炎症也已顯示出通過細胞自噬而受到限制，有助於防止腫瘤細胞的形成。
- 腫瘤細胞存活率：細胞自噬在腫瘤細胞存活中發揮重要作用。在癌細胞中，細胞自噬被用作一種應對細胞壓力的途徑。例如，miRNA-4673誘導細胞自噬是一種有助癌細胞生存的機制，可以提高癌細胞對放射線的抵抗力。一旦這些細胞自噬相關基因被抑制，細胞死亡的情況就會加劇。細胞自噬抵消了代謝能的增加。這些代謝壓力包括缺氧、營養缺乏及細胞增殖增加。這些壓力激活細胞自噬，以回收ATP並維持癌細胞的存活。細胞自噬已被證明可以通過維持細胞能量的產生，而使腫瘤細胞持續地生長。通過抑制這些腫瘤細胞中的細胞自噬基因，發現腫瘤消退，並且延長了受腫瘤影響的器官的存活率。此外，也顯示出抑制細胞自噬可以增強抗癌治療的效果。
- 細胞死亡機制：承受極大壓力的細胞會通過細胞凋亡或壞死經歷細胞死亡。長時間的細胞自噬活化會導致蛋白質和細胞器的高轉換率。高於生存閾值的比率，可能會殺死具有高凋亡閾值的癌細胞。該技術可以用作癌症的治療方法。
- 治療目標：有研究發現，靶向細胞自噬可能是抗擊癌症的可行治療方法。細胞自噬在腫瘤抑制和腫瘤細胞存活中均起作用。因此，細胞自噬可以用作預防癌症的策略。第一種策略是引發細胞自噬並增強其腫瘤抑制特性。第二種策略是抑制細胞自噬，從而誘導細胞凋亡。通過研究細胞自噬誘導療法期間的劑量反應抗腫瘤作用，測試了第一種策略。這些療法顯示細胞自噬以劑量依賴性方式增加。這也直接與癌細胞的生長呈劑量依賴性。該數據支持將鼓勵細胞自噬的療法的發展。其次，抑制直接誘導細胞自噬的蛋白質途徑也可以用作抗癌治療。第二種策略發現細胞自噬是用於維持體內穩態的蛋白質降解系統，並且發現抑制細胞自噬通常會導致細胞凋亡。抑制細胞自噬的風險較高，因為可能導致細胞存活，而不是預計中的細胞死亡。
- 細胞自噬的負調節物：mTOR，CFLAR和表皮生長因子受體等細胞自噬的負調節物，被安排在細胞自噬訊息傳遞路徑的不同階段發揮作用。細胞自噬消化的最終產物也可以充當負反饋調節機制，以阻止長時間的活動。

### 帕金森氏病

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帕金森氏病是一種神經退化性疾病，可以肇因於黑質緻密部的多巴胺性神經元退化。帕金森氏病的特徵是在受影響的神經元中，包含著細胞無法分解的α-突觸核蛋白，其以路易氏體的形式堆積，故而帕金森氏病被視為一種突觸核蛋白病變。細胞自噬途徑的失調和調節細胞自噬的等位基因的突變被認為會引起神經退化性疾病。細胞自噬對神經元的生存至關重要。如果沒有有效的細胞自噬，神經元會聚集遍在蛋白化的蛋白質聚集體並降解。蛋白質是已被泛素標記以降解的蛋白質。突觸核蛋白等位基因的突變導致溶酶體pH值升高和水解酶抑制。由實驗結果可知，溶酶體降解能力降低。該疾病涉及多種基因突變，包括功能喪失PTEN誘導激酶-1和Parkin。這些基因的功能喪失可能導致線粒體積累和蛋白質聚集體受損，而不是導致細胞變性。線粒體參與帕金森氏病。在特發性帕金森氏病中，該病通常是由線粒體功能異常、細胞氧化應激、細胞自噬的改變和蛋白質聚集引起的，並會導致線粒體腫脹和去極化。

### 阿茲海默症

阿茲海默症是一種普遍流行於老年群體，並且以記憶、行為及學習功能障礙為主要特徵的神經退行性疾病。細胞自噬的異常是導致阿茲海默症的兩大神經病理改變，即瀰漫於整個大腦皮層的β 澱粉樣蛋白（Aβ）老年斑的形成，以及神經元細胞核周圍堆積的無膜束狀異常纖維包涵體（主要由過度磷酸化Tau蛋白組成）的重要原因。此時的Tau蛋白失去促進微管組裝的生物學活性，並且表現出抗蛋白水解酶的神經毒性。細胞囊泡在正常情況下，通過溶酶體途徑的代謝速率很高，故而產生的Aβ量很少，不會造成Aβ的堆積，然而細胞自噬體轉運異常或溶酶體對細胞自噬體內容物降解效率下降，會導致細胞自噬體堆積、大量Aβ及老年斑的形成。Tau蛋白的兩大代謝途徑是細胞自噬體-溶酶體和泛素-蛋白體酶體系統，並且是在細胞自噬受體NDP52的協助下進行清除。細胞自噬作用參與過度表達Tau蛋白和異常磷酸化Tau蛋白的降解，可以降低磷酸化Tau蛋白寡聚體的水平，不過對內源性Tau蛋白則沒有明顯影響，並且發現抑制細胞自噬能夠增加Tau蛋白的細胞毒性。細胞自噬在阿茲海默症中的作用具有兩面性。在阿茲海默症早期，由蛋白質損傷和聚集等因素誘發的細胞自噬可以發揮保護作用。如果長時間維持這種狀態，或者溶酶體功能出現異常，就會形成神經元萎縮及細胞死亡等病理改變，所以細胞自噬的平衡十分重要。

### 青光眼

青光眼是一種以視網膜神經節細胞（RGCs）和視神經軸突的逐漸喪失為特徵的神經退行性疾病，並且伴有視野敏感性的喪失。目前已知細胞自噬在青光眼的發生中起著重要的作用，並且因為大量的動物實驗研究指出細胞自噬的激活導致RGCs的凋亡，故而抑制細胞自噬可能是預防青光眼RGCs變性的一個臨床靶點，所以有學者寄望細胞自噬靶向治療能夠成為青光眼視神經退行性疾病的一種治療方法。

### 病毒方面

細胞自噬作為真核細胞早期的保護防禦機制，可以清除水疱性口炎病毒（VSV）等病原體，例如VSV的複製過程可被細胞自噬有效抑制。然而，克沙奇病毒B3（CVB3）、C型肝炎病毒（HCV）、乙型腦炎病毒（JEV）等病毒具有快速進化以應對宿主細胞免疫作用的能力，甚至會利用細胞自噬來增強病毒的增殖。在細胞自噬活化後，B肝病毒及C肝病毒會對細胞自噬體的降解產生抑製作用。HPIV 3病毒會抑制細胞自噬體及溶酶體的融合，阻止細胞自噬體的降解，從而提高病毒的增殖。T細胞白血病通過Tax蛋白阻斷自噬小體與溶酶體的融合，增加自噬小體的積累，並且促進病毒的複製。有關脊髓灰質炎病毒的研究指出，當細胞自噬體與質膜融合時，細胞自噬體內的病毒離子被釋放。

### 性傳播疾病方面

目前有研究指出細胞自噬在性傳播疾病病原體的在進入宿主細胞後可以激活細胞自噬，但是又可以逃避或抑制細胞自噬，故而針對有關作用機制的研究或能幫助性傳播疾病的治療和預後，以及新型藥物與疫苗的研發。許多細胞自噬相關基因都是人類免疫缺陷病毒-1感染依賴因子，故而HIV-1的早期複製依賴於細胞自噬。HIV-1許多的病毒蛋白可以透過抑制細胞自噬過程的方式，而在宿主體內持續性複製存活。例如Env編碼的外膜蛋白gp120、反式激活因子Tat及負性因子調控蛋白Nef等。淋球菌可以抑制細胞自噬，增強淋球菌在巨噬細胞中的存活能力，也可以阻礙自噬小體成熟及自噬小體與溶酶體的融合過程，以逃避細胞自噬引發的殺傷作用。砂眼衣原體抑制細胞內溶酶體酶的活性，阻礙晚期自噬小體與自噬小體與溶酶體的融合過程，導致細胞自噬的完整性受到抑制，降低細胞自噬的抗感染作用。除此之外，高危型HPV調節細胞內小分子核糖核酸的水平，影響細胞自噬過程。例如miR-224-3p的高表達減少FIP200（參與自噬小體形成的蛋白）的水平，因抑制宿主細胞自噬而促進子宮頸癌的進展。

### 不育症

細胞自噬在精子發生過程中起著重要作用。精原幹細胞中的缺失或受損可引起不可逆性的弱精子症及無精子症等，導致不育症。當遇精原幹細胞到不利環境時，會為了適應代謝條件的變化而進行細胞自噬調節。例如，有研究指出三鄰甲苯基磷酸酯等生殖毒性物質均可使大鼠精原幹細胞的細胞自噬標誌蛋白及LC3-II/LC3-I 比明顯增加，細胞內含有大量退化細胞器的細胞自噬體顯著增加。而且，精原幹細胞中的細胞自噬可以清除錯誤折疊蛋白質，以及受損細胞器，故而對細胞起著保護作用。此外，細胞自噬可以促進減數分裂前DNA複製，既為細胞提供胺基酸及核苷酸等，也保證基因遺傳的穩定性。PDLIM1蛋白是一種精子細胞骨架組裝的負調控因子，並且是通過細胞自噬途徑而降解，以維持微管結構的組裝。這對精子形成有著重要作用。然而，有研究指出高脂肪食物可誘導小鼠體內的細胞自噬被過度激活，導致精子生成存在缺陷。

### 抑鬱症

細胞自噬可能參與抑鬱症的發生，有多個證據提示細胞自噬的異常可能參與抑鬱症的發生，例如有研究指出精神分裂症斷裂基因1（一種精神疾病的關鍵易感基因）能被細胞自噬途徑降解、躁狂抑鬱症患者血清中蛋白激酶B（AKT）和mTOR 信使核糖核酸水平下降、雙相抑鬱症患者腦內Bcl-2的水平下降，已知Bcl-2是通過與Beclin-1結合從而抑制細胞自噬的發生。細胞自噬對抑鬱症等神經系統疾病的調節作用是正向，抑或負向仍然存有爭議。有研究提示激活細胞自噬能促進突觸的發展，另一些研究則證實抗抑鬱藥可以通過抑制細胞自噬，發揮抗抑鬱的作用。

### 作為藥物靶標

由於細胞自噬失調與多種疾病的發病機理有關，因此科研人員投入了許多努力來鑑定和表徵可以調節細胞自噬的合成人工合成小分子或天然小分子。

例如，巨噬細胞的細胞自噬可消滅結核桿菌，對結核病治癒有益。研究人員通過小鼠實驗發現，從東革阿里中提取的巴沙克布明A可誘導巨噬細胞自噬從而控制結核桿菌的增殖。

以神經退化性疾病來說，增強細胞自噬是非常有展望，但需要擔憂的就是目前的藥物都是依賴於溶體活性，但在此類疾病中，溶體往往已經有功能上缺失了，因此可能對於藥物的作用就沒預期那麼好，所以需要警慎選擇目標疾病和階段才可以使藥物有最大的作用效果。

目前細胞自噬調節療法都非選擇性、非特定在細胞自噬上，像是mTORC1抑制劑，會抑制其他多種代謝途徑；甚至某些藥物可能同時具有誘導細胞自噬和抑制細胞自噬。

因此未來在藥物標靶研究上，應該專於在特定細胞自噬過程上，避免有影響其他細胞生理機能的情況。

## 檢測方法

第一是LC3 turnover實驗，因為單檢測LC3-II的靜態水平並不能夠完全反映細胞內的細胞自噬變化，故而需要聯合細胞自噬後期抑制劑如溶酶體抑制劑Bafilomycin A1或CQ，來比較LC3-II在抑制劑加入前後的變化差異。第二是綠色螢光蛋白（GFP）的抗降解性，通過檢測轉染了GFP-LC3的細胞所產生的GFP片段來評判細胞內細胞自噬的變化。第三是以p62蛋白作為細胞自噬活性指標，經常被科研人員用作細胞自噬水平升高的輔助檢測手段，然而需聯合其他檢測手段進行證實。第四是mRFP-GFP-LC3雙螢光活細胞成像，實時動態監測細胞自噬過程，並且能夠通過顏色變化確定細胞自噬潮水平的高低。第五是使用電子顯微鏡，然而對實驗設備和實驗者的技能與辨別能力要求較高，有學者推薦進行雙盲實驗來定量細胞中細胞自噬體或溶酶體數量。第六是流式細胞術，可以檢測各個細胞時相的細胞自噬水平，還可以直接計算出螢光強度和陽性細胞百分比，然而在細胞在染色之前，需要使用去垢劑預處理細胞質中的LC3-I。

### 影響因素

第一個主要影響因素是培養基的新鮮程度及血清，防止較高溫度下長時間或不適當存儲而導致的左旋麩醯胺酸（L-glutamine）降解，並產生氨。目前已知氨會因影響溶酶體的pH值而對細胞自噬潮有明顯的抑製作用，並且通過抑制mTORC1促進細胞自噬。此外，血清也對細胞自噬活性也有顯著影響。第二個主要影響因素是培養基的換液時間，因為培養基換液的目的，就是要減弱培養基及細胞代謝產物，對藥物靶點相關信號通路本底產生的影響。

## 參閱

- 細胞自噬資料庫

## 外部鏈接

- Autophagy, a journal produced by Landes Bioscience and edited by DJ Klionsky
- LongevityMeme entry describing PubMed article on the effects of autophagy and lifespan
- Autophagolysosome on Drugs.com
- HADb, a Human Autophagy dedicated Database
- Autophagy DB, an autophagy database that covers all eukaryotes
- Self-Destructive Behavior in Cells May Hold Key to a Longer Life