1.細(xì)胞自噬簡(jiǎn)介
細(xì)胞自噬(autophagy=self-eating)意為自體吞噬,是真核細(xì)胞在細(xì)胞自噬相關(guān)基因(autophagy related gene,Atg)的調(diào)控下利用溶酶體降解自身細(xì)胞質(zhì)蛋白和受損細(xì)胞器的過(guò)程。細(xì)胞自噬可防止細(xì)胞損傷,促進(jìn)細(xì)胞在營(yíng)養(yǎng)缺乏的情況下存活,并對(duì)細(xì)胞毒性刺激作出反應(yīng)。細(xì)胞自噬包括生理?xiàng)l件下的基礎(chǔ)型細(xì)胞自噬和應(yīng)激條件下的誘導(dǎo)型細(xì)胞自噬。前者是細(xì)胞的自我保護(hù)機(jī)制,有益于細(xì)胞的生長(zhǎng)發(fā)育,保護(hù)細(xì)胞防止代謝應(yīng)激和氧化損傷,對(duì)維持細(xì)胞內(nèi)穩(wěn)態(tài)以及細(xì)胞產(chǎn)物的合成、降解和循環(huán)再利用具有重要作用;但細(xì)胞自噬過(guò)度可能導(dǎo)致代謝應(yīng)激、降解細(xì)胞成分,甚至引起細(xì)胞死亡等。研究表明,細(xì)胞自噬能在細(xì)胞穩(wěn)態(tài)、衰老、免疫、腫瘤發(fā)生及神經(jīng)退行性疾病等多種生理病理過(guò)程中發(fā)揮重要作用。
根據(jù)包裹物質(zhì)及運(yùn)送方式的不同可將細(xì)胞自噬分為3種類(lèi)型(圖1):
① 巨細(xì)胞自噬(macroautophagy):通過(guò)形成具有雙層膜結(jié)構(gòu)的細(xì)胞自噬體(autophagosome)包裹胞內(nèi)物質(zhì),最終細(xì)胞自噬體與溶酶體融合。一般情況下所說(shuō)的細(xì)胞自噬是指巨細(xì)胞自噬。
② 微細(xì)胞自噬(microautophagy):通過(guò)溶酶體或液泡表面的形變直接吞沒(méi)特定的細(xì)胞器。
③ 分子伴侶介導(dǎo)的細(xì)胞自噬(chaperone-mediated autophagy, CMA):具有KEFRQ樣基序的蛋白在HSP70伴侶的幫助下,通過(guò)LAMP-2A轉(zhuǎn)運(yùn)體轉(zhuǎn)運(yùn)到溶酶體。
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圖1. 3種細(xì)胞自噬途徑 (Duraes Fernanda V et al. Front Immunol, 2015)
2.細(xì)胞自噬的發(fā)生過(guò)程
細(xì)胞自噬是一種在進(jìn)化上保守的細(xì)胞內(nèi)分解代謝過(guò)程,在該過(guò)程中,細(xì)胞質(zhì)大分子、聚集性蛋白、受損細(xì)胞器或病原體被運(yùn)送至溶酶體,并被溶酶體水解酶降解,產(chǎn)生核苷酸、氨基酸、脂肪酸、糖和三磷酸腺苷,最終再循環(huán)到胞漿中。諸如饑餓、輻射、缺氧、細(xì)菌入侵、生長(zhǎng)因子匱乏等多種因素均可誘導(dǎo)細(xì)胞自噬發(fā)生。
細(xì)胞自噬的發(fā)生過(guò)程大體分為以下4個(gè)階段(圖2):
①細(xì)胞自噬的起始 在細(xì)胞自噬誘導(dǎo)信號(hào)的調(diào)控下,ULK1復(fù)合物和多種ATG蛋白被活化,并定位于前細(xì)胞自噬體處。
②隔離膜和細(xì)胞自噬體的形成 ATG蛋白和脂質(zhì)不斷被募集,從而形成杯狀的雙層膜結(jié)構(gòu)(隔離膜,phagophore);隨著隔離膜的逐漸延伸,將要被降解的胞漿成分完全包裹,最終形成閉合的細(xì)胞自噬體(autophagosome)。
③細(xì)胞自噬體與溶酶體融合 細(xì)胞自噬體形成后將其包裹物通過(guò)胞內(nèi)運(yùn)輸系統(tǒng)運(yùn)輸至溶酶體,并與溶酶體融合。
④細(xì)胞自噬體的裂解 細(xì)胞自噬體與溶酶體融合后形成細(xì)胞自噬溶酶體(autolysosome),最終在溶酶體水解酶的作用下降解其包裹物。
總而言之,細(xì)胞自噬的本質(zhì)其實(shí)是細(xì)胞內(nèi)的膜重排。在膜重排的過(guò)程中,會(huì)形成一個(gè)具有雙層膜并裹挾著隨機(jī)或特定底物的封閉囊泡,即細(xì)胞自噬體,進(jìn)而與溶酶體融合,形成細(xì)胞自噬溶酶體并降解底物。
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圖2. 細(xì)胞自噬的發(fā)生過(guò)程 (Li et al. Molecular Cancer,2020)
3.細(xì)胞自噬相關(guān)蛋白
細(xì)胞自噬的發(fā)生與營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)、能量狀態(tài)、氧化應(yīng)激、缺血缺氧等相關(guān),其受多重機(jī)制調(diào)節(jié),如ULK1通路、Beclin1通路、AMPK通路等。在細(xì)胞自噬的發(fā)生過(guò)程中,有多種細(xì)胞自噬相關(guān)蛋白可調(diào)節(jié)和控制細(xì)胞自噬形成的不同階段。
如圖2所示,在細(xì)胞自噬的發(fā)生過(guò)程中,多種細(xì)胞自噬相關(guān)基因調(diào)控細(xì)胞自噬流的不同階段。迄今為止,科學(xué)家已在酵母中鑒定出40余個(gè)編碼ATG蛋白的基因,并且大多數(shù)在酵母和哺乳動(dòng)物之間高度保守。在哺乳動(dòng)物細(xì)胞中,饑餓誘導(dǎo)的細(xì)胞自噬大約受20種核心ATG基因調(diào)節(jié),它們?cè)谝号莞浇徊粩嗄技?,并組裝形成細(xì)胞自噬前體。這些基因的分類(lèi)和作用(表1)如下:
①ULK1激酶核心復(fù)合物 包括ULK1/2、ATG13、RB1CC1/FIP200和 ATG101;
②PI3K復(fù)合物 包括VPS34、VPS15、Beclin1和ATG14L;
③ATG9A轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng) 包括ATG9A、WIPI1/2和ATG2A;
④ATG12泛素樣結(jié)合系統(tǒng) 包括ATG12、ATG7、ATG10、ATG5和ATG16L1;
⑤LC3泛素樣結(jié)合系統(tǒng) 包括LC3A/B/C、ATG7、ATG3和ATG4A/B/C/D。
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表1. 細(xì)胞自噬相關(guān)基因及其在細(xì)胞自噬中的蛋白質(zhì)功能
(Li et al. Molecular Cancer,2020)
4.細(xì)胞自噬的調(diào)控
細(xì)胞基礎(chǔ)水平的細(xì)胞自噬活性很低,不適于觀察,因此,對(duì)細(xì)胞自噬研究多需人工干預(yù)。
雷帕霉素靶蛋白(mTOR)激酶在細(xì)胞自噬反應(yīng)中起著重要的調(diào)節(jié)作用。mTOR(Akt and MAPK signaling)在被mTOR激酶激活后,細(xì)胞自噬反應(yīng)被抑制;而在mTOR(AMPK and p53 signaling)被抑制后,細(xì)胞自噬反應(yīng)機(jī)制啟動(dòng)。細(xì)胞自噬相關(guān)基因(autophagy related gene,Atg)通過(guò)形成Atg12-Atg5 和 LC3-II (Atg8-II)復(fù)合物來(lái)調(diào)控細(xì)胞自噬體的形成。
細(xì)胞自噬既能抑制也能促進(jìn)細(xì)胞凋亡,兩種反應(yīng)在生物體內(nèi)廣泛存在。在營(yíng)養(yǎng)缺乏時(shí),細(xì)胞自噬反應(yīng)作為一個(gè)細(xì)胞的促活反應(yīng)機(jī)制存在,但是過(guò)量的細(xì)胞自噬反應(yīng)也會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞死亡,但由細(xì)胞自噬導(dǎo)致的細(xì)胞死亡與細(xì)胞凋亡在形態(tài)學(xué)上有明顯的不同。幾種促凋亡信號(hào)因子,如TNF、TRAIL和 FADD也會(huì)誘導(dǎo)細(xì)胞自噬的反應(yīng)發(fā)生。此外,Bcl-2也是細(xì)胞自噬反應(yīng)重要的調(diào)節(jié)因子,其為凋亡抑制蛋白,通過(guò)與Beclin-1結(jié)合形成復(fù)合物,來(lái)抑制由Beclin-1誘導(dǎo)的細(xì)胞自噬。
已報(bào)道的部分干預(yù)藥物詳見(jiàn)表2:
細(xì)胞自噬激動(dòng)劑 | 細(xì)胞自噬拮抗劑 |
Rapamycin:雷帕霉素,mTOR抑制劑(最常用); | Chloroquine:氯奎寧,溶酶體抑制劑; |
EBSS:Earle's平衡鹽溶液,制造饑餓; | Bafilomycin A1:巴佛洛霉素A1,質(zhì)子泵抑制劑; |
Lithium Chloride:氯化鋰,IMPase 抑制劑 | 3-Methyladenine:3-甲基腺嘌呤hVps34抑制劑; |
Xestospongin B/C:光溜海綿素 B/C,IP3R阻滯劑等。 | NH4Cl:氯化銨,溶酶體抑制劑等。 |
表2. 細(xì)胞自噬激動(dòng)劑和拮抗劑
目前常用的細(xì)胞自噬激動(dòng)劑有Rapamycin,EBSS等,常用的細(xì)胞自噬抑制劑有Chloroquine,3-MA,NH4Cl和 Bafilomycin A1等。這些細(xì)胞自噬激動(dòng)劑和抑制劑可以分別激活/抑制細(xì)胞自噬發(fā)生的不同階段,因此研究者可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要選擇合適的激動(dòng)劑或抑制劑。更多細(xì)胞自噬通路調(diào)控藥物見(jiàn)圖3。
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圖3.細(xì)胞自噬通路調(diào)控藥物
(Lorenzo Galluzi et al. Nat Rev Drug Discov, 2017 )
5.細(xì)胞自噬檢測(cè)方法
在生理?xiàng)l件下,細(xì)胞自噬活性通常較低。但在饑餓、缺氧和疾病等刺激下細(xì)胞自噬活性會(huì)顯著上調(diào)。另外,細(xì)胞自噬抑制也與某些疾病相關(guān),如癌癥、神經(jīng)退行性疾病和傳染病等。鑒于細(xì)胞自噬與不同的生理和病理生理過(guò)程之間存在緊密聯(lián)系,故科學(xué)工作者需要選擇理想的細(xì)胞自噬檢測(cè)方法。細(xì)胞經(jīng)細(xì)胞自噬誘導(dǎo)或抑制后,常用的觀察和檢測(cè)方法有∶
5.1 透射電鏡法
細(xì)胞自噬體屬于亞細(xì)胞結(jié)構(gòu),普通光鏡下看不到,直接在透射電鏡下觀察細(xì)胞自噬不同階段的形態(tài)變化是一種非常直接的方法。細(xì)胞自噬各階段的形態(tài)學(xué)特征見(jiàn)表3;透射電鏡下細(xì)胞自噬小體和細(xì)胞自噬溶酶體的形態(tài)見(jiàn)圖4。
細(xì)胞自噬階段 | 形態(tài)特征 |
隔離膜 | 新月?tīng)罨虮瓲?,雙層或多層膜,有包繞胞漿成分的趨勢(shì)。 |
細(xì)胞自噬小體 | 雙層或多層膜的液泡狀結(jié)構(gòu),內(nèi)含胞漿成分,如線粒體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、核糖體等。 |
細(xì)胞自噬溶酶體 | 單層膜,胞漿成分已降解。 |
表3. 細(xì)胞自噬各階段特征
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圖4. 透射電鏡下細(xì)胞自噬小體(單箭頭)和細(xì)胞自噬溶酶體(雙箭頭)形態(tài)
(Noboru, Mizushima et al. Cell, 2010)
5.2 熒光顯微鏡觀察法
LC3(light chain 3)全稱(chēng)MAP1LC3 (microtubule-associated proteins light chain 3),貫穿整個(gè)細(xì)胞自噬過(guò)程,是目前公認(rèn)的細(xì)胞自噬標(biāo)記物。哺乳動(dòng)物中的LC3與酵母中的細(xì)胞自噬相關(guān)蛋白Apg8/Aut7/Atg8具有同源性。哺乳動(dòng)物的LC3可分為三種:LC3A、LC3B和LC3C。其中,LC3B應(yīng)用最為廣泛。
LC3蛋白合成后在其羧基端被Atg4剪切掉C端5肽,暴露甘氨酸殘基,產(chǎn)生細(xì)胞漿定位的LC3-I。在細(xì)胞自噬過(guò)程中,LC3-I會(huì)被包括Atg7和Atg3在內(nèi)的泛素樣體系修飾和加工,與磷脂酰乙醇胺(PE)相偶聯(lián),形成LC3-II并定位于細(xì)胞自噬體內(nèi)外膜上。細(xì)胞自噬體和溶酶體融合后,外膜上的LC3-II被Atg4切割,產(chǎn)生LC3-I循環(huán)利用;內(nèi)膜上的LC3-II被溶酶體酶降解,導(dǎo)致細(xì)胞自噬溶酶體中LC3含量很低(圖5)。因此,科研工作者可以通過(guò)熒光顯微鏡觀察內(nèi)源性LC3或GFP-LC3,即可實(shí)現(xiàn)對(duì)細(xì)胞自噬發(fā)生的檢測(cè)。
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圖5. LC3在細(xì)胞自噬發(fā)生中的路徑
(Kiriyama, Y et al. International Electronic Conference on Medicinal Chemistry,2016)
GFP-LC3單熒光和mCherry-GFP-LC3雙熒光指示系統(tǒng)
細(xì)胞自噬形成時(shí),GFP-LC3或mCherry-GFP-LC3融合蛋白轉(zhuǎn)移至細(xì)胞自噬體膜,在熒光顯微鏡下形成多個(gè)明亮的綠色或黃色熒光斑點(diǎn)。當(dāng)細(xì)胞自噬溶酶體形成后,酸性的溶酶體環(huán)境使GFP熒光淬滅,而mCherry熒光不受影響,細(xì)胞自噬溶酶體呈現(xiàn)紅色熒光(圖6)。因此,科研工作者可以通過(guò)LC3熒光指示系統(tǒng)來(lái)監(jiān)測(cè)細(xì)胞自噬流。
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圖6. LC3細(xì)胞自噬雙標(biāo)系統(tǒng)追蹤細(xì)胞自噬流不同階段
(Hansen T E, Johansen T. BMC Biology, 2011)
5.3 Western Blot檢測(cè)LC3和p62蛋白的表達(dá)量
① 利用Western Blot檢測(cè)LC3-II/I比值的變化以評(píng)價(jià)細(xì)胞自噬形成(圖7)。細(xì)胞自噬形成時(shí),胞漿型LC3-I會(huì)酶解掉一小段多肽,隨后跟PE結(jié)合轉(zhuǎn)變?yōu)槟ば偷腖C3-II。因此可以通過(guò)LC3-II/I比值的大小估計(jì)細(xì)胞自噬水平的高低。
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② 除LC3外,其他細(xì)胞自噬底物表達(dá)量的變化也可以用于監(jiān)測(cè)細(xì)胞自噬流。其中,p62是研究廣泛的一個(gè)細(xì)胞自噬底物。p62(也稱(chēng)為SQSTM1蛋白),由以下三個(gè)結(jié)構(gòu)域組成:N端Phox和Bem1 (PB1)結(jié)構(gòu)域、鋅指結(jié)構(gòu)域和C端泛素相關(guān)(UBA)結(jié)構(gòu)域。研究表明,p62蛋白鋅指結(jié)構(gòu)域和UBA結(jié)構(gòu)域之間的連接區(qū)域(LRS區(qū)域)負(fù)責(zé)與細(xì)胞自噬受體蛋白 Atg8/LC3結(jié)合,UBA結(jié)構(gòu)域負(fù)責(zé)招募泛素化蛋白。在細(xì)胞自噬體形成過(guò)程中,p62作為鏈接LC3和聚泛素化蛋白之間的橋梁,被選擇性地包裹進(jìn)細(xì)胞自噬體,之后被細(xì)胞自噬溶酶體中的蛋白水解酶將其降解(圖8),所以p62蛋白的表達(dá)量與細(xì)胞自噬活性呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)。因此,利用Western Blot檢測(cè)p62蛋白的表達(dá)量也可以用來(lái)評(píng)價(jià)細(xì)胞自噬水平(圖7)。
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圖8. p62介導(dǎo)的選擇性細(xì)胞自噬模型
(Ichimura Y et al. J Biol Chem, 2008)
5.4 基于Keima蛋白的細(xì)胞自噬評(píng)價(jià)
Keima是一種PH敏感型的熒光蛋白,其雙峰激發(fā)光譜依賴(lài)于周?chē)膒H值,在中性和酸性環(huán)境中分別在440 nm和586 nm處激活。Keima在中性和酸性pH中熒光信號(hào)不同的特性,可以直觀地反映細(xì)胞自噬程度。將細(xì)胞質(zhì)的Keima傳遞到溶酶體可反映非選擇性細(xì)胞自噬,將Keima融合到特定的蛋白(如融合到線粒體靶向序列—mt-Keima,作為線粒體細(xì)胞自噬標(biāo)記)可用于反映選擇性細(xì)胞自噬。值得注意是,基于keima的檢測(cè)不能在固定細(xì)胞中進(jìn)行,因?yàn)檫@種檢測(cè)完全依賴(lài)于溶酶體的酸性。
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6.維真細(xì)胞自噬相關(guān)產(chǎn)品
維真生物可提供細(xì)胞自噬研究相關(guān)工具,包含大量細(xì)胞自噬相關(guān)基因的現(xiàn)貨克隆,shRNA克隆,CRISPR克隆,以及LC3細(xì)胞自噬單雙標(biāo)克隆和病毒,多種策略、多種規(guī)格、部分現(xiàn)貨,滿(mǎn)足您多樣化的研究需求。
6.1 病毒產(chǎn)品
細(xì)胞自噬單雙標(biāo)病毒
產(chǎn)品名稱(chēng) | 熒光蛋白 | 滴度 |
AdV5-CMV-GFP-LC3 | GFP | ≥1*10E10pfu/ml |
AdV5-CMV-mCherry-GFP-LC3 | mCherry、GFP | ≥1*10E10pfu/ml |
AAV-CMV-GFP-LC3 | GFP | ≥1*10E13vg/ml |
AAV-CMV-mCherry-GFP-LC3 | mCherry、GFP | ≥1*10E13vg/ml |
注:?jiǎn)?dòng)子為CMV
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圖10. 維真細(xì)胞自噬雙標(biāo)病毒載體圖譜
6.2 克隆產(chǎn)品
部分細(xì)胞自噬相關(guān)基因
產(chǎn)品貨號(hào) |
基因名稱(chēng) |
基因編號(hào) |
基因長(zhǎng)度 |
分類(lèi) |
CH842100 |
ATG13 |
NM_014741 |
1443 bp |
The ULK1 kinase core complex |
CH870272 |
ATG101 |
NM_021934 |
657bp |
The ULK1 kinase core complex |
CH826495 |
BECN1/Beclin1 |
NM_003766 |
1353bp |
The class III PI3K complex I |
CH810399 |
PIK3C3/VPS34 |
NM_002647 |
2664bp |
The class III PI3K complex I |
CH841329 |
PIK3R4/VPS15 |
NM_014602 |
4077 bp |
The class III PI3K complex I |
CH838864 |
ATG14/ATG14L |
NM_014924 |
1479bp |
The class III PI3K complex I |
CH854934 |
WIPI1 |
NM_017983 |
1341 bp |
The ATG9A/ATG2-WIPI1/2 trafficking system |
CH882336 |
WIPI2 |
NM_015610 |
1365 bp |
The ATG9A/ATG2-WIPI1/2 trafficking system |
CH821707 |
ATG12 |
NM_004707 |
423 bp |
The ATG12-conjugation system |
CH805558 |
ATG10 |
NM_031482 |
663 bp |
The ATG12-conjugation system |
CH828790 |
ATG5 |
NM_004849 |
828 bp |
The ATG12-conjugation system |
CH886537 |
ATG16L1 |
NM_030803 |
1824 bp |
The ATG12-conjugation system |
CH824179 |
MAP1LC3A/LC3A |
NM_032514 |
366 bp |
The LC3-conjugation system |
CH837322 |
MAP1LC3B/LC3B |
NM_022818 |
378 bp |
The LC3-conjugation system |
CH893675 |
MAP1LC3C/LC3C |
NM_001004343 |
444 bp |
The LC3-conjugation system |
CH811236 |
ATG3 |
NM_022488 |
945 bp |
The LC3-conjugation system |
CH878793 |
ATG4A |
NM_052936 |
1197 bp |
The LC3-conjugation system |
CH896350 |
ATG4B |
NM_013325 |
1182 bp |
The LC3-conjugation system |
CH804672 |
ATG4C |
NM_178221/ NM_032852 |
1377 bp |
The LC3-conjugation system |
CH800065 |
ATG4D |
NM_032885 |
1425 bp |
The LC3-conjugation system |
CH871029 |
ATG7 |
NM_006395 |
2112 bp |
The LC3-conjugation system |
附:維真細(xì)胞自噬雙標(biāo)系統(tǒng)感染誘導(dǎo)細(xì)胞自噬的HEK293細(xì)胞效果圖
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7.客戶(hù)代表性文章(部分)