自噬()通常是指機體細胞在發育過程中或在個別誘因作用下,通過細胞內基因及其產物的調控而發生的一種程序性細胞死亡(celldeath)。通常表現為單個細胞的死亡,且不伴有發炎反應。
1.細胞自噬的意義
細胞自噬普遍存在于生物界,既發生于生理狀態下,也發生于病理狀態下。因為細胞自噬對胚胎發育及形態發生()、組織內正常細胞群的穩定、機體的防御和免疫反應、疾病或中毒時導致的細胞損傷、老化、腫瘤的發生進展起著重要作用,并具有潛在的醫治意義,至今仍是生物醫學研究的熱點。
細胞自噬過多可導致癌癥發生,如:①愛滋病的發展過程中,CD4+T細胞數量的降低;②移植敵視反應中,細胞毒性T細胞介導的細胞死亡;③缺血及再灌注損傷,引起心肌細胞和神經細胞的自噬增多;④神經系統退化性疾患(病、's病)的重要誘因是細胞自噬的異常降低。神經細胞的自噬參與老化及病的發生。氏病是一種常見的老年病,病人在臨床上表現為進行性的智力衰弱。⑤暴露于電離幅射可導致多種組織細胞的自噬。
細胞自噬過少也可導致癌癥發生:在癌癥的發生過程中,誘導自噬的基因如p53等失活、突變,而抑制自噬的基因如bCL-2等過度抒發,就會導致細胞自噬明顯降低,在癌癥發病學中具有重要意義;針對自身抗體的淋巴細胞的自噬障礙可造成自身免疫性疾患;個別病毒能抑制其感染細胞的自噬而使病毒存活。
2.細胞自噬的形態變化
電鏡下細胞自噬的形態學變化是多階段的,可分為①細胞漿濃縮,內質網體、線粒體等集聚,細胞容積縮小,結構更加緊密;②染色質漸漸匯聚成新月狀附于核膜周邊,嗜酸性提高。細胞核固縮呈均一的致密物,從而破裂為大小不一的片斷:③胞膜不斷發芽、脫落,細胞弄成數個大小不等的由胞膜包裹的自噬小體()。自噬小體內可含細胞漿、細胞器和核碎片,有的不含核碎片;④凋亡小體被具有吞噬功能的細胞如巨噬細胞、上皮細胞等吞噬、降解:⑤凋亡發生過程中,細胞膜保持完整,細胞內容物不釋放下來,所以不造成發炎反應。
左圖典型自噬小體:染色質呈新月狀,并可見細胞器
下圖自噬細胞:自噬細胞(↑)與毗鄰細胞分離
光鏡下自噬通常累及單個或少數幾個細胞,自噬細胞呈方形,胞漿紅染,細胞核染色質集聚成團絮狀。因為自噬細胞迅速被吞噬,又無發炎反應,因而細胞膜圖片,在常規切塊檢測時,通常不易發覺,但在個別組織如反應性囊腫的次級淋巴濾泡生發中心則易看到。病毒性腦炎時,嗜酸性小體產生即是細胞自噬。
3.細胞自噬的機制
細胞自噬是一系列依賴能量的分子水平變化的終點,細胞自噬過程包括以下4個階段,即:誘導啟動、細胞內調控、實施和自噬細胞的吞噬搬運階段。
(1)誘導啟動導致自噬的訊號可以來自細胞外,通過跨膜傳導對細胞內的調控分子起作用;也可以直接作用于細胞內的靶分子。一些跨膜作用的抑制因子(如生長因子、某些激素、細胞因子、某些病毒蛋白等)具有抑制自噬的作用,有利于細胞的生存。當這種因子缺少時,會迸發細胞自噬。另外一些跨膜作用的剌激因子通過受體與官能團的結合而激活細胞自噬程序,其中最重要的是癌癥壞死因子受體家族。據悉,尚有多種其它自噬誘導因子。在胚胎發育過程中,形態發生蛋白、生長因子、分化因子對細胞自噬可起推動作用,又可起抑制作用。
(2)細胞內調控細胞內的個別特異蛋白與細胞死亡訊號相聯接,這種特異蛋白對細胞的死亡與否起決定作用。BCL-2蛋白家族(BCL-2of)是調節線粒體私密性的主要成份,通過產生同源(BCL-2/BCL-2,Bax/Bax)和異源(BCL-2/Bax)二聚體對細胞自噬進行調控。BCL-2同源二聚體抑制細胞自噬,Bax同源二聚體促使細胞自噬。據悉,細胞表面受體Fas(CD95),屬TNFR家族,當免疫細胞形成的Fas的絡合物與T細胞表面的Fas結合時,也啟動了死亡程序。這些Fas-Fas官能團介導的自噬在清理免疫反應(如自身免疫病)中被激活的淋巴細胞特別重要。
足葉乙甙誘導癌癥細胞自噬后的梯狀DNA
(3)自噬的施行細胞自噬的施行是通過蛋白酯化的一系列連鎖反應實現的。各類組織的細胞自噬都要激活家族。成員作為酶原的方式存在于細胞內,經裂解激活后,迅速啟動序列性酶解死亡程序,裂解細胞骨架和細胞核蛋白基質并激活了核苷酸內切酶。在內源性核苷酸內切酶作用下,DNA進行有控降解,形成厚度為180~200bp整倍數的DNA片斷,這恰好是纏繞組蛋白多聚體的厚度,提示染色質DNA正好是在核小體與核小體聯接部被切斷。DNA瓊脂糖凝膠電泳出現也成為測量自噬發生的重要標志。
(4)自噬細胞的吞噬搬運自噬細胞碎片的表面有標志分子(血小板反應素、粘附糖蛋白)有利于臨近的巨噬細胞以及其他細胞的辨識、吞噬和處理。自噬細胞的吞噬搬運過程十分有效而迅速,自噬細胞很快消失,不留痕跡,也無發炎反應。
4.細胞自噬與壞死的區別目前覺得,細胞壞死與自噬的形態改變不同,壞死表現為細胞腫脹,細胞器麻木、破壞,細胞核初期無變化,晚期染色質破碎破裂成許多不規則的小浮渣,呈簇狀,胞膜斷裂,胞內容物釋放,誘發發炎反應。壞死是成群的細胞死亡,而自噬通常是單個細胞的死亡,無炎性反應。
細胞自噬與細胞壞死的區別
細胞壞死
2細胞和細胞器麻木、核染色質邊集
3細胞膜、細胞器膜和核膜斷裂、崩解、自溶
細胞自噬
4細胞和細胞器披針形,胞質致密,核染色質邊集
5胞質分絲狀凸出并產生多個自噬小體,并與胞體分離
6毗鄰巨噬細胞等包裹、吞噬自噬小體
自噬
壞死
機制
基因調控的程序化()細胞死亡,主動進行(自盡性)
意外車禍性()細胞死亡,被動進行(他殺性)
原因
生理智或輕微病理智剌激因子誘導發生,如生長因子缺少
病理智剌激因子誘導發生,如缺氧、感染、中毒
死亡范圍
多為散在的單個細胞
多為集聚的大片細胞
形態特點
細胞固縮,核染色質邊集,細胞膜及各細胞器膜完整細胞膜圖片,膜可發泡成芽,產生自噬小體
細胞水腫,核染色質塊狀或邊集,細胞膜及各細胞器膜溶化破壞,溶酶體酶釋放,細胞自溶
生化特點
耗能的主動過程,有新蛋白合成,DNA初期規律降解為180-200bp片斷,瓊脂凝膠電泳呈特點性梯帶狀
不耗能的被動過程,無新蛋白合成,DNA降解不規律,片斷大小不一,瓊脂凝膠電泳不呈梯帶狀
周圍反應
不造成周圍組織增生反應和修補再生,但自噬小體可被毗鄰細胞吞噬
造成周圍組織增生反應和修補再生