內質網自噬的發(fā)展歷程和主要調控途徑詳細介紹
自噬 (Autophagh)，既 “自己吃自己”，是細胞應對不良環(huán)境自發(fā)產生的一種保護機制 (根據細胞內容物進入溶酶體的不同方式，自噬可分為三大類：微自噬、分子伴侶介導的自噬 (CMA) 和巨自噬)[1]。自噬受一系列自噬相關基因 (ATG) 的調控，一般符合 “Cargo-ligand-receptor” 模式，主要分為 4 個過程：自噬的誘導，自噬體形成，自噬體與溶酶體的融合，完成自噬。
自噬可以是非選擇性或選擇性的，選擇性自噬有目的吞噬不同底物：線粒體、過氧化物酶體、核糖體、內質網 (ER)、溶酶體、細胞核、蛋白酶體和脂滴 (LD) (圖 1)[2]。
不同的選擇性自噬方式：線粒體自噬 (Mitophagy)、核糖體自噬 (Ribophagy) 以及異源自噬(Xenophagy) 等。
圖 2. 內質網自噬的發(fā)展歷程[2]
■ 內質網：維持細胞穩(wěn)態(tài)的重要細胞器
作為一種重要的連續(xù)膜細胞器，內質網由一系列與核膜相連的扁平囊組成，其質量控制對維持細胞穩(wěn)態(tài)中起著重要作用。當細胞暴露于不利的外部刺激 (基因突變、缺氧、營養(yǎng)缺乏和氧化應激等條件) 時，會誘導內質網應激 (Endoplasmic reticulumstress, ERS) 的發(fā)生，導致未折疊和錯誤折疊的蛋白質在內質網腔中積累，從而激活未折疊蛋白反應 (Unfolded protein response, UPR) 抵御不利的外部環(huán)境[4]。
內質網的質量控制主要有兩條途徑介導：泛素-蛋白酶體系統(tǒng) (該系統(tǒng)為“ER 相關蛋白降解” (ERAD) 途徑）和自噬-溶酶體系統(tǒng)。
ERAD 的底物僅限于蛋白質，而自噬-溶酶體系統(tǒng)能夠降解蛋白的物質以及部分內質網。
ER 應激誘導的自噬有兩個主要功能：
2. 當 ER 壓力消失時，將擴大的 ER 大小減小到正常水平。
■ 內質網應激下自噬的主要調控途徑
在 ERS 誘導的自噬過程中，UPR 通過相應的 IRE1α、PERK，ATF6 和 Ca2+ 調控自噬的發(fā)生，其中關鍵的調節(jié)因子是C/EBP同源蛋白 (CHOP)[3]。
IRE1α：IRE1α通路中 TRAF2 被激活，進而下游細胞凋亡信號調節(jié)激酶 (ASK)/c-JNK 被激活，從而介導磷酸化 Bcl2，并破壞 Bcl2/Beclin1 間的相互作用，導致 Beclin1 的釋放，從而增強基礎自噬。IRE1α-TRAF2 通路還可以通過促進 ATG 復合物和 LC3 的形成來促進自噬體膜的延伸和擴展[5][6]。
PERK：UPR 的 PERK-eIF2α-ATF4 通路導致 Sestrin2 和 DDIT4 相關基因的表達，抑制 mTORC1 活性，并誘導自噬。ER 中 Ca2+ 的釋放激活死亡相關蛋白激酶 1(DAPK1)、蛋白激酶 C (PKC)、鈣/鈣調蛋白依賴性蛋白激酶 II (CaMKII) 等相應因子參與調控自噬。
■ 內質網自噬發(fā)生的關鍵 “守門人”：自噬受體
這里不得不先說關鍵選手，自噬受體 (ER-Phagy adaptor)，為了確保選擇性自噬順利發(fā)生，貨物 (Cargos) 必須被自噬體膜上的蛋白質識別，ERA 可以通過自噬受體直接連接到內質網并降解過量的 ER。迄今為止，在哺乳動物和酵母中分別發(fā)現了FAM134B、RTN3L、CCPG1、SEC62、TEX264 和 ATL3 和 Atg39 和 Atg40 等自噬受體 (圖 4)[6]。
以上自噬受體的都是 ER 膜蛋白，它們在結構、組織分布方面有所不同，可介導內質網不同區(qū)域的降解 (內質網由幾個子結構域組成，如片內質網、管狀內質網、核膜和內質網出口位點, 如 FAM134B 主要介導片內質網的降解，而 RTN3L 和 ATL3 介導管狀內質網的降解)。
圖 5. 不同的自噬受體[7]
這些受體它們都含有至少一個LC3/GABARAP 相互作用區(qū) (LIR；LC3-interacting region) 或 Atg8 相互作用基序)；可以結合哺乳動物的自噬體 LC3/GABARAP 家族蛋白或酵母的Atg8家族蛋白；或者可與最上游的自噬起始復合物組分 (如 Atg1/ULK1) 相互作用。■ 內質網自噬的三大途徑
介紹完自噬的受體，就該介紹內質網自噬的途徑了，依據內質網結構，分為以下 3 大途徑：大 ER 自噬 (Macro-ER-phagy)，微 ER 自噬 (Micro-ER-phagy) 和囊泡傳遞 (Vesicular delivery)。
圖 5：內質網自噬的不同途徑[8]
Macro-ER-phagy：在內質網應激的誘導下，內質網結構被破壞，需要降解的內質網成分被特定的內質網自噬受體識別 “標記”，并被 LC3/GABARAP/Atg8 識別，與 ER 連接的隔離膜組裝并擴展為吞噬細胞，然后吞噬細胞包裹 ER 片段并密封形成自噬體。隨后，自噬體與溶酶體融合形成哺乳動物細胞中的自噬溶酶體。最終，被自噬體吞噬的成分被溶酶體水解酶降解。
Micro-ER-phagy：微吞噬溶酶體膜內陷并“擠壓”內質網進入溶酶體腔。此外，溶酶體可以直接與內質網衍生的囊泡融合進行降解 (“囊泡傳遞”）。
當然內質網自噬的形成是一個復雜的過程，內質網自噬的信號也可能會傳遞到線粒體或者其他細胞器，其常常伴隨核糖體自噬和線粒體自噬一起發(fā)生或相互傳遞信號，共同在細胞中發(fā)揮作用；下面 Table 為不同自噬的關聯情況。
■ 小結
內質網，作為細胞重要的細胞器之一，其穩(wěn)態(tài)改變會引發(fā)一系列細胞反應，小 M 今天給大家簡要介紹了一種選擇性自噬，ER 誘導的自噬，這種自噬方式清除細胞內受損的內質網或內質網片段，以幫助內質網的質量調控；還介紹了內質網自噬的誘導的相關信號通路，形成過程，以及與其他自噬的區(qū)別，希望對大家有所幫助！| 相關產品 |
| 4μ8C (IRE1 Inhibitor III) 是 IRE1α 的小分子抑制劑。 |
| APY29 一種特異性的 IRE1α 別構調節(jié)劑，通過結合到 ATP 結合口袋來抑制 IRE1α 的自主磷酸化，IC50 值為 280 nM。APY29 也可以變構激活 IRE1α 相鄰 RNase 域。 |
| GSK2850163 GSK2850163 是一個新型的肌醇需要酶-1α (IRE1α) 抑制劑，它可抑制 IRE1α 的激酶活性和 RNA 酶活性，其 IC50 值分別為 20 和 200 nM。 |
| GSK2606414 GSK2606414 是可滲透細胞且有口服活性的蛋白激酶 R 樣內質網 (ER) 激酶 (PERK) 抑制劑，IC50 值為 0.4 nM。 |
| MK-28 MK-28 是有效、選擇性的 PERK 激動劑。MK-28 在小鼠中表現出良好的藥代動力學特征，且能透過血腦屏障。 |
| 自噬化合物庫 自噬參與多種生理和病理過程。細胞自噬調控異常會導致多種疾病的發(fā)生，包括感染、癌癥、神經退行性疾病、衰老和心臟病等。MCE 提供 1245 種自噬信號通路相關的產品，是研究自噬相關調控及疾病的有用工具。 |
| 3-Methyladenine (3-MA) PI3K 的抑制劑。它通過抑制 class III PI3K 廣泛作為自噬 (autophagy) 的抑制劑使用。 |
| Bafilomycin A1 大環(huán)內酯類抗生素， 是一種自噬 (autophagy) 晚期階段抑制劑。Bafilomycin A1 阻斷自噬體與溶酶體的融合，并抑制培養(yǎng)細胞溶酶體中的酸化和蛋白質降解。Bafilomycin A1 也誘導調亡 (apoptosis)。 |
參考文獻
1. Evripidis Gavathiotis, Ana Maria Cuerv, et al. Chaperone-mediated autophagy prevents collapse of the neuronal metastable proteome. Cell2021 May 13;184(10):2696-2714.e25.
2. Wen Li, Pengcheng He, Yuge Huang, et al. Selective autophagy of intracellular organelles: recent research advances. Theranostics. 2021 Jan 1;11(1):222-256.
3.Sebastián Bernales, Sebastian Schuck, Peter Walter. ER-phagy: selective autophagy of the endoplasmic reticulum. Autophagy. 2007 May-Jun;3(3):285-7.
4.Khaminets, A, et al., Regulation of endoplasmic reticulum turnover by selective autophagy. Nature, 2015. 522(7556): p. 354
5.Jian Zhang, Jiafu Guo, et al. Endoplasmic reticulum stressmediated cell death in liver injury. Cell Death Dis. 2022 Dec 19;13(12):1051.
6.Mochida, K, et al., Receptor-mediated selective autophagy degrades the endoplasmic reticulum and the nucleus. Nature, 2015. 522(7556): p. 359-62.
7.Haruka Chino, et al. ER-Phagy: Quality Control and Turnover of Endoplasmic Reticulum. Trends Cell Biol. 2020 May;30(5):384-398.
8.Fulvio Reggiori, et al. ER-phagy: mechanisms, regulation, and diseases connected to the lysosomal clearance of the endoplasmic reticulum. Physiol Rev. 2022 Jul 1;102(3):1393-1448.
9. Yo-Hei Yamamoto, Takeshi Noda. Autophagosome formation in relation to the endoplasmic reticulum. J Biomed Sci. 2020 Oct 22;27(1):97.
10. Jose Norberto S Vargas, Maho Hamasaki, et al. The mechanisms and roles of selective autophagy in mammals. Nat Rev Mol Cell Biol. 2023 Mar;24(3):167-185.
