文 / 盧敏吉
盧敏吉
中國醫藥大學附設醫院 內科感染科 中國醫藥大學微生物學科教授兼主任 編按： 日本分子細胞生物學家大隅良典，「細胞自噬」（autophagy）機制研究獲得去年諾貝爾生醫獎。一時間，國際間大家都在問什麼是細胞自噬?細胞自噬對人體有哪些作用？研究細胞自噬能為醫療帶來什麼福音？本刊特別邀請對此主題有深入研究的盧敏吉教授分享新知。
自噬作用(Autophagy)是細胞自然的，受調控的破壞機制。
此作用是為了應付壓力如飢餓或入侵的微生物，細胞以有次序的降解作用和再循環利用的方式，分解自身不必要或功能異常的結構組件，如內質網(endoplasmic reticulum)、線粒體(mitochondria)、細胞核(nucleus)和核醣體(ribosomes)等，而且這過程能夠裂解大量的胞器，讓細胞獲得足夠的養分，以度過壓力的傷害。
自噬作用更是重要的蛋白質降解途徑，其機制是不同於泛素蛋白酶體系統(Ubiquitin Proteasome System，UPS；此課題相關的研究獲頒2004年諾貝爾化學獎)。UPS是許多細胞的生理過程中所必需的，包括細胞週期、基因表達調控和細胞對氧化壓力反應；其主要的功能是把不需要或損傷的蛋白質，經由蛋白水解破壞肽鍵的化學反應降解，降解過程產生大約七到八個氨基酸長度的肽，再進一步降解成較短的氨基酸序列，並用於合成新的蛋白質；用此機制以達成調節特定蛋白質濃度，與移除折疊錯誤蛋白質的功能。
發現自噬現象的歷史
首次是在1962年由Keith R. Porter和Thomas Ashford觀察到的。1963年研究人員研究認知隔離細胞質成為溶酶體(lysosome)的連續三個階段，發現該過程不限於生理損傷情況下，作為細胞材料的再利用，也在細胞分化期間作為處置細胞器的方法，這是第一次建立溶酶體當成細胞內自噬位點的事實。而「自噬」的名稱就是由比利時的Christian de Duve在1963年創造的。
1990年代研究人員由酵母中自噬相關基因的鑑定，找出自噬的機制；Yoshinori Ohsumi和Michael Thumm研究飢餓誘導的非選擇性自噬；Daniel J Klionsky發現了細胞質到真菌細胞質到液泡的靶向選擇性自噬，發現路徑的基因，並統一使用ATG來命名自噬基因，日本的Yoshinori Ohsumi博士因對自噬研究的貢獻，於2016年被授予諾貝爾生理醫學獎。 自噬在人類健康和疾病研究領域快速的增長，ATG基因的知識提供了更方便的工具來了解自噬的功能。已知自噬參與許多生理與致病機轉，被認為是細胞損傷和衰老累積的主要原因之一，包括免疫防禦功能、神經變性、腫瘤癌症形成、代謝性疾病及心血管疾病等專門醫學領域，近年的研究與應用都有長足的進展。
細胞自噬作用是由自噬相關的基因與酶參與的過程
已知的自噬機制的過程和途徑有三個，簡述如圖一。 (1)巨大細胞自噬(macroautophagy)是主要的途徑，在破壞的細胞器周圍，蛋白質和脂質形成彎月形的雙膜，然後包圍成囊泡狀的自噬體(autophagosome)，與其餘部分的細胞質成分分離，這過程需要如類似泛素的LC3蛋白，與自噬體表面上的脂質磷脂酰乙醇胺（PE）結合，這脂質化的LC3-PE複合物有助於自噬體的閉合。由自噬體攜載被清理的受損細胞器或未使用的蛋白質，通過細胞質，進入與溶酶體(lysosome)融合成自噬溶小體(autolysosome)，這過程需要包括SNAREs與UVRAG等多種蛋白參與；自噬體的內容物由溶酶體內提供的水解酶降解，然後降解完成的小分子物質如胺基酸，通過滲透酶(permease)的作用，由囊泡被釋放出來，可以回收再利用。 (2)微小細胞自噬(microautophagy)則是細胞質物質，經由溶酶體膜或內吞膜體(endosome)的折疊內陷或細胞突起，直接被吞噬進入，再由溶酶體蛋白酶降解而發生。 (3)輔助蛋白或分子伴侶媒介的細胞自噬(Chaperone-mediated autophagy, or CMA)是複雜，且不同於巨大與微小細胞自噬。CMA是經由熱休克蛋白70 (heat shock protein of 70 kDa，hsc70)組裝的複合物所產生的特異性途徑；此路徑選擇性的識別且幫助細胞內，含類似KFERQ五肽基序構造的個別蛋白質物質，穿過溶酶體屏障。經由包含hsc70的辨識，而結合形成CMA-伴侶複合物，進行蛋白質構形解折疊，且移動到溶酶體膜結合蛋白，並在溶酶體hsc70分子伴侶的協助下，以依賴LAMP2A蛋白的方式，轉位跨過溶酶體膜至溶酶體內，再由溶酶體內腔的蛋白酶分解。 自噬作用是由自噬相關基因Atg執行，簡化的描述其啟動機制，是可以由調控蛋白激酶(protein kinase) mTOR與AMPK的活性來調節，經由活化的ULK與含括Beclin-1等蛋白的複合體，誘發自噬並參與形成自噬體，開始活化如上述的下游自噬成份。
自噬作用與程序性細胞死亡(PCD)，如細胞凋亡(apoptosis)是不同的
細胞凋亡就是細胞註定要死亡，但自噬作用是取決於細胞內自噬蛋白堆積的程度，選擇細胞的存亡走向；而PCD的機制之一，是與自噬體的出現相關。事實上最近被討論到，死亡細胞中的自噬活動，實際上可能是一種求生存的機制，而其機制仍需釐清。
營養缺乏會誘導高度的自噬
自噬是因應壓力時產生能量（ATP）的重要機制，也可以調整蛋白質和胞器的質量。在飢餓狀態時，細胞可通過自噬作用分解，維持細胞能量水平穩定。在酵母菌中，自噬作用將不需要的蛋白質降解，產生的氨基酸再循環，用於合成存活不可或缺的蛋白質。在高等真核生物中，當細胞接受到缺乏營養、氧氣等訊息，引發的自噬作用是適應性的反應，可以促進細胞的存活。處於極端的飢餓狀態時，脂肪細胞的成分會開始分解，以提供貯存的能量給予身體利用，維持必要的功能，促進細胞的存活；最終肌肉細胞都會進行自噬作用，以維持身體的代謝功能。在正常和壓力環境下，自噬可以動員不同的細胞能量儲存，如碳水化合物，脂質和鐵蛋白，以提供代謝所需。在非壓力狀態下，持續進行的自噬，對於細胞內蛋白質的轉換和維持細胞穩定平衡至關重要；而這個功能是自噬與另一個關鍵的蛋白質降解途徑UPS，共同維持的。自噬的蛋白質降解作用，在飢餓細胞中可維持氨基酸的供應和蛋白質的生物合成。
自噬在運動鍛煉期間，促進維持肌肉動態平衡
雖然在飢餓期間，自噬是重要的蛋白質分解代謝途徑，但即使在營養豐富的條件下，基礎的自噬作用也被認為是關鍵的細胞內部反應。小鼠研究顯示，經過蛋白質分解代謝途徑，自噬作用提供運動時所快速增加的營養和能量的需求，可能有助於運動的代謝反應，也對肌肉膠原纖維的動態平衡相當重要。也有研究顯示，細胞的CMA自噬，在肌肉收縮時被誘導，辨識了機械損傷的細胞骨架組成，再送至溶酶體處理，此反應是在機械張力下維持肌肉細胞活動所需的。
自噬對於神經和肌肉的保護是特別重要的
因為自噬的控制機轉可以去除細胞內聚集的蛋白質，這避免功能異常蛋白質的毒性作用；事實上，當神經元細胞或心肌喪失自噬功能，形成泛素標記的蛋白(ubiquitinated proteins)和包涵體(inclusion bodies)的累積，這是不能經過細胞分裂稀釋的，會導致神經變性和心臟肥大。自噬作用會隨著年齡的增加而降低，骨關節炎的危險也隨著年齡增加。人和實驗老鼠關節軟骨的研究顯示，參與自噬的蛋白質隨年齡減少。自噬在正常軟骨中不斷被活化，是具有軟骨保護作用的；但自噬隨年齡而受損，可以造成軟骨細胞死亡和關節結構損傷。
自噬作用是身體免疫力(immunity)的基本細胞生物路徑之一
它可以進行直接降解入侵微生物的作用，也調控多細胞生物其他不同方面的核心免疫作用。包括 (1)白血球細胞的自噬作用，捕捉感染性微生物的自噬降解，其機制為SLR模式識別受體（PRR）的抗微生物作用器，捕獲大分子標的如毒素蛋白質聚合體，通過依賴ATG因子消除入侵的細胞內微生物。 (2)哺乳動物細胞的抗微生物自噬與其他先天免疫(innate immunity)和適應性免疫(adaptive immunity)調節系統有良好整合，其作用受到調節先天和適應免疫的細胞因子和受體的調節，譬如NADPH氧化酶和活性氧（ROS）在沙門氏菌吞噬作用，會同時激活自噬和ROS的殺菌機制。 (3)另一方面，自噬作用控制炎症反應是通過調節先天免疫訊息傳導的作用達成，主要經由去除內源性發炎體(inflammasome)的誘發劑及影響細胞介質的分泌，如減低RLR與干擾素(interferon，IFN)的訊息，抑制第一型白介素(inrerleukin-1α，IL-1α)活化。 (4)自噬也參與適應性免疫的過程，包括抗原呈獻，T細胞平衡，及Th17細胞的炎症反應。
癌細胞會利用自噬作用充飢來延長細胞壽命
保持細胞胞器的功能，預防胞內毒性廢物的累積，並維持代謝狀態；自噬也可以通過促進血管生成，供應營養物質和調節炎症反應以調節腫瘤維生環境。
腫瘤細胞利用自噬機制，為他們克服營養限制條件和促進腫瘤生長提供了途徑。 因此在大部分的情況下，自噬是促進腫瘤細胞發生、增生與惡性化的，其機制包括自噬會抑制p53腫瘤抑制蛋白的誘導與維持線粒體代謝功能。一般說來，進行抑制腫瘤細胞的自噬作用，是作為抗癌治療的有利策略。 但更進一步的問題和疑慮是，自噬可能會抑制氧化壓力(oxidative stress)、發炎反應、p62累積和基因組不穩定性，可能也會增加癌細胞的基因突變，使得癌症更加惡化。此外因為自噬對於正常組織是重要的功能，主要限制是如何能夠選擇性的抑制腫瘤細胞的自噬作用，並避免對正常組織造成傷害。針對自噬機轉，目前還不清楚能選擇哪些有效且有利的標定成份及機制，來治療腫瘤細胞或對哪些亞族群的癌症患者是有效的。
神經變性疾病的細胞變異特徵，是在不同的疾病可見到不同的蛋白質
甚至有特異性突變蛋白質的異常聚集，從而產生毒性；如帕金森氏病(Parkinson’s disease)的α-突觸核蛋白(α-synuclein)突變，或亨廷頓舞蹈病（Huntington's Huntington）累積含擴增多聚谷氨酰胺(polyglutamine)的亨廷頓蛋白(huntingtin)，這些退化性疾病是在不同的神經細胞內的隔間中，聚集不同階段錯誤折疊的蛋白質，可能通過多種途徑引起病理變化。這些疾病與阿滋海默症(Alzheimer's disease)等退化性疾病的成因類似，都是自噬作用失去清除的功能，導致細胞內代謝物堆積，細胞正常的功能因而損壞。最近以小鼠動物模式的研究，以兩個種類調節自噬機制的藥物，分別作用於抑製mTOR或經由與mTOR無關的路徑，做為這些神經退化疾病的潛在治療策略，值得更進一步深入探討。
自噬不僅僅具有細胞內代謝廢物清除的功用，更是維護組織的正常運作，修復和適應所必需的；之前研究顯示，疾病中的自噬作用，既作為病理破壞機制，又可能作為治療人類疾病的標的
雖然自噬缺陷的途徑與多種疾病相關，但現在仍處於開發自噬調節劑藥物的早期階段，經由新式實驗技術的發展，近期已經能夠識別一些小分子調節劑具有某些自噬機制的特異性，作用於如mTORC1、IMPase、class I PI3K、AKT、AMPK等訊息傳導分子；期望更具針對性的自噬誘導劑或抑製劑的開發，能夠成為人類疾病的新型自噬機制治療藥物。參考文獻
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