[科普中国]-深度解读2016诺贝尔生理学或医学奖：让病变细胞自杀

深度解读2016诺贝尔生理学或医学奖 | 大隅良典：让病变细胞自杀2016诺贝尔生理学或医学奖授予了日本分子细胞生物学家大隅良典， 表彰他为阐明细胞自噬过程背后的基本原理而做出的贡献。大隅良典是第四位获得诺贝尔生理学或医学奖的日本科学家。大隅良典（Yoshinori Ohsumi）1945年出生于日本福冈，现任日本东京工业大学（Tokyo Instituteof Technology）教授。大隅良典1974年在东京大学取得博士学位，并于1977年在美国洛克菲勒大学完成博士后研究回国，在日本工作至今。他是细胞自噬研究的先驱，2015-2016年间，共获得5项国际医学或生理学大奖，其中包括2015年盖尔德纳基金会国际奖（Gairdner Foundation International Award）及2016年威利奖（Wiley Prize inBiomedical Sciences）。那么大隅良典所研究的细胞自噬作用到底是什么呢？它是细胞维持正常功能的关键：清除细胞内的“垃圾”、病原体，防止细胞非正常死亡。自噬作用一旦失常，疾病就会接踵而至。现在，科学家准备恢复病变细胞的自噬作用，让它们吞掉疾病。撰文 沃约·德雷蒂奇（VojoDeretic）丹尼尔·J ·克利昂斯基（Daniel J. Klionsky）翻译 赵瑾科学家常常会在研究中突然发现，一些原本以为不重要的分子或细胞活动，其实对人体健康有着非常重要的影响。这些分子或细胞活动不仅普遍存在于人体中，而且正因为普遍存在的特性，才在各种正常及病理状态下发挥作用。自噬作用（autophagy）是一个非常简单的细胞活动，字面上也很好理解：自己吃自己。总体上看，动物细胞是一个三层结构：最外面是细胞膜，中间是细胞质，细胞核被包裹在最里面。大部分功能性细胞器和生物分子都悬浮在细胞质中，因此，很多细胞活动都在细胞质中进行。由于生理生化反应多而复杂，经常产生大量残渣，致使细胞活动受到影响甚至停滞，在这种情况下，自噬作用就非常重要：将淤积在细胞质中的蛋白质等代谢残渣清除掉，恢复正常的细胞活动。清理细胞质能让细胞重获新生，对于神经细胞这类不可替换的细胞来说，这个过程尤为重要。神经细胞一旦分化成熟，就会保持当前状态，直到母体生物死去，它们没有其他方式来恢复和维护自身功能。细胞生物学家还发现，自噬作用还能抵御病毒和细菌的侵袭。任何躲过细胞外免疫系统，通过细胞膜进入细胞质的异物或微生物，都可能成为自噬系统的攻击目标。不论自噬过程启动过慢还是过快，或者出现功能障碍，都将导致可怕的后果。数百万克罗恩病（Crohn’s disease，一种炎症性肠病）患者的患病原因，可能就是因为他们的自噬系统出现缺陷，无法抑制肠道微生物的过度生长；大脑神经细胞自噬系统的崩溃，则与阿尔茨海默病（Alzheimer'sdisease）和细胞衰老有关。即使自噬系统运作良好，它仍可能对人体不利。当癌症病人接受了放疗及化疗后，自噬系统可能救活奄奄一息的癌细胞，使癌症无法根治。有时，自噬系统会为了生物体的整体利益，将病变细胞去除，但它偶尔又会热心过度，去除一些重要细胞，完全不理会这样做是否符合生物体的整体利益。过去10年，研究人员对自噬作用的机制已有了深入了解。基于这些认识，我们对细胞的运作机理更为了解，科学家也可能因此设计出控制自噬作用的药物。如果能人为控制自噬作用，很多医学难题也许就能迎刃而解，延缓衰老也不再是一个梦。细胞中的清洁工生物学上，多种生理过程都与“自噬”相关，但我们这里所讲的，是迄今研究得最清楚的一种自噬作用——巨自噬（macroautophagy）。当细胞质中的蛋白质、脂肪分子形成一片一片的双层膜结构，巨自噬过程就开始了。膜结构会自动卷曲，形成一个具有开口的小球，把周围的细胞质“吞”进去。此后，小球的开口逐渐封闭，成为自噬体（autophagosome），并向溶酶体（lysosome，细胞的废料处理工厂）靠拢，与之融合，把包裹着的分子倒入溶酶体的“消化液”中。经过消化，尚可利用的分子碎片将被送回细胞质，循环利用。作为一种时刻都在进行的细胞活动，科学家在20世纪60年代便注意到了自噬作用。当时，美国洛克菲勒大学的克里斯汀·德迪夫（Christian De Duve）等科学家开始用电子显微镜，观察细胞自噬过程。本文作者克利昂斯基和其他研究者（特别是日本国立基础生物学研究所的大隅良典及其合作伙伴，可惜他本人没给《环球科学》写文章）则在10年前，利用酵母研究自噬过程的分子机理。与高等动物相比，用酵母研究自噬作用要容易得多，因为在酵母中，很多参与或调控自噬作用的蛋白质，在进化过程中变化很小，与人体中的同类蛋白相差无几。正是凭借这种研究策略，科学家对自噬过程的机理有了更详细的了解。进化之初，自噬作用可能是细胞在养分不足时作出的反应，也可能是最原始的免疫反应，或两者皆是。但是，细胞为什么需要饥饿胁迫反应？试想一下，缺乏食物时，生物体会有怎样的反应：它的生理活动肯定不会立即停止，而是开始分解体内储存的营养物质。最先被分解的是脂肪细胞，如果一直没有食物供应，肌肉细胞最终也会被分解，为基本的生理活动提供能量。同样，当细胞缺乏养分时，它们也会分解自己的一部分，维持基本的生理活动。不论细胞的养分是否充足，自噬体始终处于活跃状态，也就是说，它一直在一点一点地吞噬细胞质，不断更新细胞质中的各种组分。但是，如果遇到养分不足、缺氧、生长因子缺乏等特殊情况，细胞就会组装更多的自噬体。因此，当细胞缺乏养分时，自噬体的活动就会增强，将细胞质中的蛋白质和细胞器（不管其功能正常与否）分解成可利用的养分和能量。如果自噬作用确实是从饥饿胁迫反应进化而来，那么在很早以前，它可能就是细胞不可缺少的一种功能。细胞有时会错误地装配功能性蛋白质，使这些蛋白完全丧失功能，造成更严重的功能障碍。因此，在出现故障之前，细胞就会把异常蛋白质除去——正是持续进行的自噬作用，让异常蛋白的浓度始终处于较低水平。自噬体不仅能将受损蛋白从细胞中去除，还能除去比蛋白质大得多的细胞器，如线粒体。在细胞中，线粒体是能量工厂，它会向细胞的其他部分发出信号，引发细胞凋亡（即细胞自杀）。虽然细胞会因为多种原因发生凋亡，但通常是为了顾及整个生物体的利益。如果机体内细胞过多，多余细胞就必须被清除；不能发挥功能的衰老细胞也必须自我毁灭，给更年轻、更健康的细胞让出位置；当一个细胞从正常状态转变为癌细胞时，也可能被诱导自杀，因此细胞凋亡是人体内最重要的抗癌机制。由于细胞凋亡受一系列复杂细胞活动的调控，而这些细胞活动又受到多种蛋白信号的严格调控，因此细胞凋亡又叫做细胞程序化死亡。然而，如果线粒体出现异常，在错误时间诱发细胞凋亡，则会带来一场灾难。发挥正常功能的过程中，线粒体会产生很多副产物：活性氧、氧离子及其他氧基分子片断。这些副产物极不稳定，受到它们的影响，线粒体可能泄漏一些信号蛋白，引发细胞调亡。换句话说，细胞中一个“零件”上的小瑕疵，也能在不经意间导致细胞死亡。偶然“牺牲”几个皮肤细胞也许没有太大影响，但如果记忆神经细胞死亡，就会造成不小的麻烦。自噬体就是细胞中的保险装置，专门阻止上述“失误”的发生。一旦有细胞器受损，自噬体就会将它们吞掉，送至溶酶体，确保不会发生非正常细胞凋亡或坏死。活性氧（reactive oxygen species）能与很多分子发生反应。在健康细胞中，活性氧的水平由抗氧化分子控制。然而，美国新泽西医学和牙科大学（University ofMedicine and Dentistry of New Jersey）的金胜侃（Shengkan V. Jin）认为，当线粒体遭到破坏时，它们释放出的活性氧会比平时多10倍，远远超出解毒系统的处理水平。大量的活性氧可能导致癌症，因为进入细胞核后，它们会引发基因突变。在这种情况下，自噬作用会清除异常线粒体，恢复细胞内的正常秩序。美国罗格斯大学的艾琳·怀特（Eileen White）认为，自噬作用还能减轻癌细胞中的基因损伤，有助于预防新肿瘤的形成。自噬的“正反面”弄清了细胞凋亡的分子机制后，细胞生物学家不久又发现，细胞还能通过其他方式自杀。自噬作用立即成为首要关注对象。一个称呼的变化就反映了这段历史：细胞凋亡也叫I型细胞程序化死亡，而自噬作用有时被称为II型细胞程序化死亡（对于这种命名方式，科学界还存在着争议）。自噬作用能通过两种方式导致细胞死亡：一是自噬体不断消化细胞质中的组分，直至细胞死亡；另一种则是直接激发细胞凋亡。为什么防止细胞非正常死亡的生理过程，有时又会导致细胞死亡？在这个令人困惑的问题背后，很可能藏着一个绝妙的答案。细胞凋亡与自噬作用联系紧密，两者间保持着微妙的平衡。如果细胞器的损坏程度过于严重，超出自噬作用的控制范围，细胞就不得不死亡，以维护整个生物体的利益。随后，细胞可能以程序化死亡的方式结束生命：自噬过程一直进行，直到细胞死亡；或者发出信号，直接引发细胞凋亡，并把自噬作用作为诱导细胞死亡的备用系统。目前，最受关注但又极具争议的两个研究领域是：自噬作用与细胞凋亡如何关联；自噬作用本身是否应该被看作细胞死亡的一种途径。那么，自噬作用到底是保证细胞健康的途径，还是诱导细胞死亡的方式？科学家对自噬作用分子机理的研究，或许能解答这个问题。细胞中，一种叫做Beclin 1的信号蛋白，能诱发细胞的自噬作用，还能与抗凋亡蛋白Bcl-2结合。这两种蛋白质的结合或分开，决定着细胞的生死。其他科学家还发现，一个名为Atg5的蛋白对于自噬体的形成至关重要，它一旦进入线粒体，就能将一个自噬反应转变成凋亡反应。任何事物都有两面性，自噬作用也不例外。很早以前，我们就注意到，癌细胞偶尔能激发自噬作用，达到“自救”的目的。通常，抗癌疗法会诱导恶性细胞自杀，但在治疗过程中，放疗和化疗会诱发超常水平的自噬作用，赋予癌细胞抵抗治疗作用的能力。癌细胞还能利用自噬作用，解决养分不足的问题。一般来说，只有很少的养分能进入肿瘤内部，但养分缺乏会诱发自噬作用，让癌细胞分解生物大分子，延长自身寿命。科学家因此提出了一种抗癌策略：在放疗或化疗期间，抑制肿瘤内部的自噬作用。目前，用于这种疗法的药物已处于临床试验阶段。但值得注意的是，抑制自噬作用的同时，也可能使癌细胞内的基因突变增多，提高癌症复发的几率。要使这种疗法奏效，可能还需要对治疗策略做一些更精细的调整。激发自噬作用由于能清除细胞质中的残渣和失常细胞器，因此对于神经细胞这种长寿细胞，自噬作用显得尤为重要。如果自噬作用不能有效发挥，就可能引发阿尔茨海默病、帕金森病、亨廷顿病等神经退行性疾病，这3种疾病造成的大脑损坏都是不可修复的。阿尔茨海默病是最常见的痴呆症，仅仅在美国，就有450万患者。人体衰老过程中，脂褐素（lipofuscin）会在大脑细胞中累积。这种褐色物质是脂类与蛋白质的混合物，就像老年人皮肤上出现的黄褐斑。美国内森·S·克莱恩精神病学研究所的拉尔夫·A·尼克森（Ralph A. Nixon）认为，脂褐素的累积其实是一种信号：衰老的大脑细胞已无法有效清除细胞内的异常或受损蛋白。在阿尔茨海默病患者的神经轴突上，一种黄色或褐色色素（蜡样质，ceroid）也会不断累积。在蜡样质集中的部位，轴突会变得肿大，而阿尔茨海默病特有的淀粉样斑块则会在肿大的轴突周围形成。到目前为止，研究人员还没有完全弄清楚，蜡样质或它的前体物质是如何损害神经细胞的。但最新研究明确显示，在阿尔茨海默病发病早期发挥作用，促使淀粉样斑块形成的酶就存在于自噬体的外膜上。尼克森认为，在一定程度上，淀粉样斑块是由不完全的自噬作用造成的，正因为自噬作用不完全，神经细胞无法消化那些本应该被分解的物质（见下图）。利用电子显微镜，科学家拍摄到的阿尔茨海默病患者大脑中的斑块照片，证实了尼克森的观点：在最靠近斑块的那些神经细胞中，积累了大量“发育不良”的自噬体。这些斑块究竟是如何聚集在神经细胞周围的，科学家还没有定论。从这些结果来看，只要是促进自噬作用的措施，似乎都可能缓解阿尔茨海默病。遗憾的是，目前还没有人知道，假如一种疗法不能保证自噬体与溶酶体融合，而仅仅是激发阿尔茨海默病患者体内的自噬作用，是否会对病人有好处。不过，这样的疗法可能对亨廷顿病患者有效。科学家发现，一种用于抑制移植器官发生免疫排斥的药物——雷帕霉素（rapamycin，也叫西罗莫司）也能诱发自噬作用。目前，研究人员正在测试，雷帕霉素能否有效激发自噬作用，去除亨廷顿病患者体内的一种有害蛋白质。吞掉病原体既然自噬体能捕捉、销毁受损线粒体，它们是否也能以同样的方式，对付侵入细胞内部的寄生生物呢？科学家给出了肯定答案。最近，本文作者德雷蒂奇和两个日本研究团队（大阪大学的吉森保研究组与东京大学的笹川千寻研究组），几乎同时发现自噬作用能清除多种病原体：每年导致200万人死亡的结核分枝杆菌（Mycobacteriumtuberculosis，导致肺结核的病原体）、肠道病原体（如志贺氏菌及沙门氏菌）、A型链球菌（在人体内释放毒素，侵蚀身体组织）、鲜奶和乳酪中的李斯特菌（可引起脑膜炎和败血症）、被美国疾病控制与预防中心列为生物恐怖制剂的土拉弗朗西斯菌（Francisellatularensis）、主要以艾滋病患者为宿主的弓形虫（Toxoplasma gondii）等。然而，和癌细胞一样，一些微生物也有对付自噬作用的办法。嗜肺性军团杆菌（Legionella pneumophila）是导致军团病的病原体，它很容易侵入人体细胞。如果嗜肺性军团杆菌被自噬体吞噬，它就会延迟甚至阻止自噬体与溶酶体融合。这样一来，被感染的自噬体不但不能帮助细胞去除病原体，反倒成为了细菌繁殖的场所，而且它包裹着的细胞质也成为了细菌的养料。细菌表现出的这种巧妙的进化策略，恰好证明自噬作用是人体阻挡病原体入侵的主要屏障，而且已在人体中存在了相当长的时间（因为病原体必须闯过这道屏障，才能存活下来）。HIV病毒则能利用自噬体，消灭人体免疫细胞。法国病原体及卫生生物技术研究中心的马丁·比雅德－皮埃查克孜克（Martine Biard-Piechaczyk）和法国国家健康与医学研究院的帕特利斯·科多诺（Patrice Codogno）的研究显示，健康免疫细胞（主要是CD4+ T细胞）也可能被HIV病毒间接杀死。HIV病毒进入细胞时，它会褪去外壳，而构成外壳的蛋白质会诱使附近细胞进行过度自噬，直至发生凋亡。就这样，通过激发周围细胞的自噬作用，HIV病毒快速杀死人体内的健康CD4+ T细胞。最终，免疫细胞大量死亡，艾滋病全面爆发。联手免疫系统科学家还发现，自噬作用不仅能直接清除病原体，还会参与免疫反应（见下图）。为了帮助细胞消灭病原体，自噬体会把病原体或与病原体相关的物质，送至细胞膜上的Toll样受体（toll-like receptor，调控先天性免疫应答的蛋白质分子）。正常情况下，Toll样受体与病原体的结合位点要么在细胞外，要么在某些细胞器内，因此在细胞质中，病原体不会接触到Toll样受体。但自噬体却能把病原体及其组成部分，运载到结合位点，让Toll样受体与这些有害物质结合在一起，刺激细胞释放一种叫作干扰素（interferon）的化学物质，抑制病原体增殖。人体内的这种先天性免疫应答反应，能在第一时间抵抗感染，细胞根本不需要再做其他准备。自噬体也能参与特异性免疫反应，即获得性免疫（adaptive immunity）。当病毒侵入细胞质，“哄骗”细胞制造病毒蛋白时，自噬体就会吞噬某些病毒蛋白，将它们送到另一种细胞器（膜上具有一种叫做MHC II型分子的抗原呈递分子）中，进行部分销毁。MHC II型分子与病原体碎片结合后，就会被运送到细胞表面，刺激免疫系统作出获得性免疫应答。与先天性免疫应答相比，虽然获得性免疫应答所需的时间较长，但针对性和有效性却高得多。延缓衰老自噬作用可能还决定着人类的寿命。很多人都认为，许多疾病（包括癌症和神经性疾病）的发病几率，都会随着年龄的增长而升高。这可能是因为，年龄增大后，自噬作用的效率降低了。按照美国阿尔伯特·爱因斯坦医学院（Albert Einstein College of Medicine）的安·玛丽亚·库尔沃（Ann Maria Cuervo）的说法，包括自噬作用在内的细胞系统，都会随着年龄的增长而逐步丧失功能，尤其是负责清除异常蛋白及细胞器的系统。它们的工作效率降低，会导致有害物质大量累积，最终引发疾病。库尔沃认为，如果自噬作用效率降低，确实是造成年老体弱的首要因素，我们就可以解释为什么限制热量摄取，能延长多种实验动物的平均寿命了。动物摄取的食物越少（在保证基本营养供给的前提下），寿命就越长，人类可能也是如此。限制养料的供给（起始饥饿），细胞加速自噬，因此，当个体衰老时，限制热量的摄取，也许能提高自噬作用的效率。最新研究显示，如果能阻止自噬作用的效率降低，实验动物体内就不会有受损蛋白或细胞器的累积。我们曾以为，自噬作用只是细胞在养分不足时产生的应急反应，但现在已经意识到，它是影响人类健康的重要因素。对于自噬作用，很多科学家开始从多个角度进行研究，对认识也在不断深入。了解如何控制自噬作用，对于治疗疾病甚至延缓衰老进程，都具有重大意义。不过，能否利用好自噬作用，还取决于科学家对它的了解程度。作者简介：沃约·德雷蒂奇、丹尼尔·J·克利昂斯基（Daniel J. Klionsky）是《环球科学》特约撰稿人