自噬，即溶酶体中细胞成分的降解过程[1],它维持细胞在多种生理情况下的内稳态[2]。在这个过程中，细胞质成分被运送到溶酶体进行大量降解，以应对长时间的饥饿、环境中的营养波动、组织发育及重塑、细胞器质量控制或免疫反应[3,4,5]。自噬可以是非选择性的，也可以是选择性的。非选择性自噬通常是由饥饿引起的应激反应，而选择性自噬能够专一的降解蛋白质或细胞器[6,7,8,9]。根据细胞内底物进入溶酶体腔方式的不同，在哺乳动物中将自噬分为3种不同类型：巨自噬、微自噬、分子伴侣介导的自噬(CMA)[10]。巨自噬即通常所指的自噬，由双层膜结构包裹胞质物质形成自噬小体，最终与溶酶体(酵母和植物中的液泡)融合形成自溶酶体[11]。微自噬是指溶酶体或液泡膜直接内陷包裹胞质物质或者细胞器进行降解的过程。而CMA是一种具有严格选择性的蛋白质降解过程[12],其选择性是由分子伴侣相互作用蛋白(Hsc)70识别带有KFERQ五肽序列的底物蛋白而实现的[13,14]。越来越多的证据表明，CMA不仅可以去除受损或功能不全的蛋白质以维持机体内环境稳态，还能够通过底物蛋白分解参与氨基酸循环，以维持对细胞能量平衡的控制。此外，CMA活性改变最近被证明与一些人类疾病有密切关联性，随着年龄的增长CMA功能障碍会对细胞及器官的动态平衡及功能造成极大影响，逐渐成为多种严重疾病发生的基础。因此本文就CMA的生理功能及病理作用进行综述。

1、CMA的发生过程

1.1 底物蛋白的识别

CMA是一个多步骤的蛋白质降解过程，可引起细胞内可溶性蛋白质的选择性降解，其选择性主要体现在对底物蛋白质的识别。识别过程是由 Hsc70及其他共伴侣分子包括热休克蛋白(HSP)90、HSP40、相互作用蛋白质(Hip)、应激诱导蛋白(Hop)和辅伴侣(Bag)-1 等组成的底物识别复合体，与CMA底物氨基酸序列中的五肽基序相结合[13]。在这个基序中谷氨酰胺(Q)残基是侧翼氨基酸，在序列的开头或结尾是两个带正电的氨基酸赖氨酸(K)或精氨酸(R),基序还包括4个疏水氨基酸苯丙氨酸(F),缬氨酸(V),亮氨酸(L)或异亮氨酸(I)中的一个，和两个带负电的氨基酸谷氨酸(E)或天冬氨酸(D)其中之一 [15]。序列分析表明CMA基序很少存在于细胞器或膜蛋白的蛋白质中，大部分存在于胞质可溶性蛋白中。到目前为止，只有一种膜蛋白，即表皮生长因子受体(EGF),被认为是依赖CMA方式进行溶酶体降解的[16]。而在蛋白质中基序的位置通常是被隐藏或覆盖的，为了使底物顺利进行CMA,需要经历蛋白质展开、蛋白质复合体的分解或蛋白质从膜上移除的过程[17],例如，当基序定位在蛋白质的核心，在蛋白质展开后基序可与伴侣结合；当基序隐藏在蛋白质-蛋白质相互作用的区域，则在蛋白质从多蛋白质复合体中解体后，基序可供伴侣识别[18]。在一些酶中，由于基序靠近其催化位置，因此只有在没有酶底物的情况下，底物识别复合体才能与基序相结合[19]。

1.2 底物转位到溶酶体

当CMA发生时，底物蛋白与底物识别复合体结合后，将定位于参与自噬途径的溶酶体表面，进一步将与溶酶体相关膜蛋白(LAMP)2A结合[20]。LAMP2A作为一种溶酶体膜蛋白，起源于单个基因LAMP2的选择性剪接的三种变体之一，它们具有不同的胞质区和跨膜区，但共享一个共同的管腔结构域[18]。LAMP2A以单体形式存在于溶酶体膜上，当CMA底物到达溶酶体膜时先与单体LAMP2A结合，LAMP2A与底物的结合启动了其在溶酶体膜上的多聚化，随后在由LAMP2A 和溶酶体腔中Ly-Hsc70组成的溶酶体跨膜易位复合体的介导下[21],底物蛋白去折叠并借助溶酶体内驻留的Ly-Hsc70转移至溶酶体腔中[22]。但CMA底物与LAMP2A结合后转运到溶酶体腔内的具体机制并未完全揭示，目前仅证实它们在溶酶体膜上转位之前需要底物蛋白稳定的过程。如Cuervo等[18]研究发现，CMA底物蛋白在转位时Ly-Hsc70可能通过棘轮状的方式拉动底物蛋白，或者被动地抓住底物以防止其返回胞质。除此之外，底物的易位还需要溶酶体膜上存在多种其他胞质伴侣蛋白共同参与，如Hsp40、Hsc70 Hip和Hsp70-Hsp90组织蛋白(Hop)等[23],以此维持LAMP2A在其多聚体形成过程中的稳定性。

1.3 溶酶体腔内底物降解

当底物被转移到溶酶体腔内后，底物蛋白将会被溶酶体内的组织蛋白酶完全降解为氨基酸(图1),LAMP2A也将从易位复合体迅速分解成单体，以便进行下一次与底物的结合。因此，易位复合体的组装和拆解速率决定了CMA的发生速率[21]。而影响易位复合体的组装和拆解速率的因素有很多种，例如，溶酶体膜流动性的变化或该膜的蛋白质密度变化等[24]。目前已有研究报道，一对调控因子胶质纤维酸性蛋白(GFAP)和翻译延伸因子1A(EF1α)以依赖GTP的方式控制LAMP2A型易位复合体的稳定性[25]。GFAP以两种形式存在于膜上：与LAMP2A多聚体结合的未修饰GFAP 和被EF1α掩盖的磷酸化(p)GFAP[12]。在GTP存在的情况下，一旦底物通过CMA易位复合体，EF1α从细胞膜中释放，通过动员复合体中GFAP与驻留在膜上的pGFAP结合，形成与易位复合物中LAMP2A有更高亲和性的二聚体，使LAMP2A与易位复合物分离，完成易位复合物的拆卸。同时，溶酶体膜上LAMP2A的含量也直接决定CMA速率[18],研究报道发现，在氧化应激情况下通过转录上调LAMP2A表达量来调节CMA速率[26]。

图1 哺乳动物细胞中3种不同类型的自噬   

在巨自噬中，细胞内成分被双层膜结构包裹形成自噬小体，通过与溶酶体融合获得降解所需的酶。在微自噬中，溶酶体膜内陷以捕获胞质物质进行降解。在伴侣介导的自噬中，底物蛋白通过分子伴侣蛋白直接靶向溶酶体，结合膜受体后在溶酶体常驻伴侣的协助下进入溶酶体腔

2、CMA的生理功能

2.1 CMA的激活为细胞提供营养

在长期饥饿的情况下，可以观察到CMA活性最高，它可以通过促进氨基酸的再循环，以维持蛋白质正常合成[27]。Cuervo等[28]在成纤维细胞的培养中发现，在血清饥饿条件下，巨自噬在第一时间被激活，但其形成的最大速率在6 h左右达到最大值，并在此之后逐渐下降。如果饥饿持续超过8 h, 蛋白质分解就会切换到CMA途径，并在饥饿10～12 h时达峰值，这种最大活性将持续3 d。从巨自噬和CMA发生的时间点上推断，这两种自噬在饥饿条件下维持细胞生存是完全互补的[28]。这种在长期的营养压力下，从大量降解到具体选择性降解蛋白质的变化可以使细胞降解非必要蛋白质，保护对生存至关重要的蛋白质及其结构，使机体进行正常氨基酸循环。然而，在机体营养匮乏时CMA的激活并不是在所有组织中发生，它是具有组织和细胞特异性的，主要发生在肝脏、脾脏、肾脏和心脏等维持机体正常生理功能的重要组织器官中[29]。

2.2 CMA在氧化性损伤中对细胞的保护作用

CMA在细胞中履行的另一个重要功能是质量控制，能够选择性地从胞质中去除受损或功能不全的蛋白质从而起到保护细胞的作用[18]。在氧化性损伤条件下，活性氧自由基对生物大分子的破坏作用会引起机体中的蛋白质损伤，通过CMA途径，可以清除因氧化性损伤造成的蛋白质聚集体，起到对细胞保护作用。有研究证实，将培养的啮齿动物和细胞暴露在不同的氧化剂或促氧化剂化合物中可增加溶酶体膜上LAMP2A和Ly-Hsc70的含量，提高CMA速率，溶酶体管腔中可以检测到大量氧化蛋白[26]。而在这个过程中若CMA上调受阻则会导致氧化损伤的显著积累和细胞活力的降低[30]。CMA活性的增强一部分可直接由氧自由基修饰底物蛋白引起，暴露隐藏在底物蛋白质中的CMA靶向基序，促进其与底物识别复合体结合。因此CMA在氧化性损伤中通过发挥质控作用，有助于维持细胞内环境的稳定。

2.3 CMA活性增强对衰老的延缓作用

已有研究表明，CMA的活性随着年龄的增长而下降，从而减弱了细胞/生物体应对损伤的能力[18]。早期研究表明[31],在老年大鼠的肝脏细胞中能够观察到CMA速率的降低，这与溶酶体膜上LAMP2A水平下降，底物结合及移位到溶酶体腔的显著减少有关。LAMP2A的这种减少并不是由于LAMP2A的转录水平下调，也不是其蛋白变体的剪接发生变化，而是由于溶酶体动力学发生改变，LAMP2A很大一部分都停留在溶酶体腔中并被降解所引起[31]。虽然LAMP2A水平下降最初会被具有CMA能力的溶酶体数量的逐渐增加所补偿，然而这种补偿是远远不够的，最终依然会导致CMA活性的降低[32]。在Cuervo等[28]研究中，通过构建一种双转基因小鼠模型，在肝脏中表达额外的LAMP2A,发现当这些小鼠年老时仍保持幼鼠时的CMA活性，这改善了小鼠细胞的动态平衡，降低氧化和聚集蛋白质的含量，提高其他质量控制系统的活性，并增强其对不同应激源的抵抗力。这些结果表明至少在肝脏中可以通过阻止CMA活性依赖年龄的下降来延缓衰老。进一步强调了CMA活性在衰老病理中的重要性。

CMA活性随年龄增长而降低的发现对许多与年龄密切相关的疾病有了新的认识，可能为多种衰老相关疾病的治疗提供新的方向。

3、CMA活性对疾病的影响

越来越多的证据表明[33,34,35],随着年龄的增长，CMA功能障碍与多种人类疾病的发病机制有着密切的关联。CMA活动的减弱和增强都被证明与疾病有关，这也突显了对CMA活性研究的重要性。本文主要选择神经退行性疾病、癌症作为阐明CMA活性降低与增强对的病理的作用。

3.1 CMA活性降低影响神经退行性疾病发生发展

3.1.1 帕金森病(PD)

PD是一种最常见的神经退行性运动障碍，其特征是多巴胺能神经元的选择性丧失和随后的运动障碍[18]。CMA和神经退行性疾病之间的第一个联系是在PD中建立的，在PD患者的序列分析中显示大多数PD相关蛋白中存在CMA靶向序列，其中α-突触核蛋白被鉴定为CMA底物[33]。α-突触核蛋白可以被泛素蛋白酶体系统、CMA和巨自噬途径降解[33,34]。然而，致病突变体的α-突触核蛋白虽然能够被胞质Hsc70识别并靶向溶酶体，但由于这些致病突变体的α-突触核蛋白以异常高的亲和力与LAMP2A结合，导致其不能穿过溶酶体膜[18],不仅抑制了致病突变体的α-突触核蛋白自身的降解还抑制了其他CMA底物的降解。因此，PD的致病原因可能有两个方面，第一，无法适当地转化致病突变体的α-突触核蛋白，第二，CMA途径的受阻使细胞更容易受到多种应激源的影响。此外，还有研究发现，即使在没有明显翻译后修饰的情况下，细胞内α-突触核蛋白过表达对CMA活性抑制的机制也非常类似[35]。

3.1.2 阿尔茨海默病(AD)

已经证实致病蛋白对CMA转位机制的干扰从PD扩展到其他神经退行性疾病[28]。肌萎缩侧索硬化症相关的Tau蛋白是一种能够在AD中聚集并产生神经纤维缠结的蛋白质。与PD相关蛋白的机制相似，正常的Tau能够被Hsc70识别并靶向溶酶体[36],通过CMA途径降解。而相比之下，突变的Tau蛋白一旦与LAMP-2A结合，只有一部分能够进入溶酶体腔，被组织蛋白酶D双重切割，导致在溶酶体膜上形成较小的淀粉样变性Tau片段[36]。这些片段直接在溶酶体表面寡聚，导致溶酶体膜完整性的破坏和正常CMA功能的阻断。这些有害的突变型Tau寡聚体在被溶酶体释放出来后，可以作为成核中心在胞质中进一步引起Tau聚集[37]。除了Tau, CMA和第2个AD相关蛋白之间的联系，钙调神经磷酸酶(RCAN)1的调节也已经建立。研究发现，RCAN1调节因子在CMA活性随年龄降低后，其蛋白质降解速率也随之降低[38],这也侧面解释了衰老对AD产生的原因。

3.1.3 亨廷顿病(HD)

除了PD、AD,CMA还与HD有关。这是一种与衰老和突变亨廷顿蛋白(Htt)在患病神经元中积累有关的神经退行性疾病[39],突变Htt中N端的聚谷氨酰胺(PolyQ)重复序列的扩展是导致HD的原因，同时突变蛋白在细胞中的聚集会导致细胞毒性。巨自噬是蛋白质聚集清除的机制之一，然而突变的Htt会引起巨自噬中囊泡的异常和破坏线粒体等细胞器的能力[40],阻滞巨自噬的正常功能。与抑制巨自噬活性一样，依赖LAMP2A磷酸化清除Htt的效率也会随着年龄的增长，LAMP2A水平的降低而下降，可能成为HD的发病机制[17]。研究发现[40],在HD的早期阶段，不同的HD细胞和小鼠模型中CMA的组成成分，即溶酶体相关膜蛋白LAMP2A和溶酶体-Hsc70会出现代偿性上调。研究者们认为，这种CMA活性增加是对巨自噬功能障碍的反应，但代偿机制的效率可能会随着年龄的增长而降低，依然会导致细胞衰竭和病理表现的发生。因此，CMA的活性调节可能成为治疗HD的有效途径。

3.2 CMA活性增强影响癌症的发生发展

CMA活性降低是许多神经退行性疾病的特征，但在对大量癌细胞系和人类肿瘤组织活检中发现CMA活性的上调与癌细胞的存活和增殖息息相关[41]。而CMA作为促进癌细胞存活的一种策略，是否可以通过阻断CMA进程来降低癌细胞的增殖和迁移能力?通过敲除癌细胞中LAMP2A基因能够确定CMA的激活主要是由于这些癌细胞和肿瘤中LAMP2A水平的增加[42]。而CMA活性增强对于促进不同细胞类型的增殖也有不同机制。包括提供对细胞氧化应激时的保护[43],降解特定的抗癌靶标[44],保护致癌蛋白免受其他途径的降解[45]及增强糖酵解以满足癌细胞快速生长和增殖的能力需求。癌细胞的糖酵解上调不仅增加ATP的产生还有助于支持细胞生长的大分子化合物的产生。在Kon等[42]研究表明，选择性阻断癌细胞中的CMA会导致几种限速糖酵解酶在转录水平减弱，从而导致糖酵解和能量产生的减少。而CMA阻断后导致糖酵解减少的原因不仅是由于糖酵解酶在转录水平发生的变化，在蛋白水平也会发生变化。如M2-型丙酮酸激酶(PKM)2的非活性形式能够通过CMA清除，而CMA的阻断导致大量PKM2的非活性形式的积累，减少了糖酵解和ATP的产生[46]。最后，CMA的阻断对癌细胞生长带来的负面影响也可能与CMA的质量控制有关。在部分癌症中，CMA的长期阻断会引起氧化及错误蛋白的积累抑制癌细胞的增殖。

综上，无论CMA以何种机制参与肿瘤增殖过程，CMA都可能是抗癌治疗的药物靶点，选择性阻断某些类型的癌细胞中的CMA可能是抗癌治疗干预的基础，未来能够阻断CMA的化学修饰剂的开发可能是一种广泛有用的肿瘤治疗途径。CMA的选择性使其更加适合去除衰老受损蛋白质或在营养稀缺时回收非必要成分，以保证细胞存活。这些关键功能也解释了为什么CMA与人类疾病发展有密切关系，近年来大量的CMA与人类疾病之间的相关联性被发现，这扩展了对CMA在机体内多种生理功能的了解，能够帮助尽快了解控制这一途径在疾病中的病理机制并为疾病干预提供新的分子靶点。

参考文献:

[22]陈俊慧,谷有全,姚利和,等.分子伴侣介导的自噬在阿尔茨海默病中作用的研究进展 [J].上海交通大学学报(医学版),2021;41(11):1529-34.

[29]席兴字.分子伴侣介导的细胞自噬作用机制及其功能 [J].生命科学,2010;22(10):991-4.

基金资助:陕西省教育厅重点科研项目(20JY006,20JS025);

文章来源:俞枭柯,柯美伶,王令,等.分子伴侣介导自噬发生及对疾病影响的研究进展[J].中国老年学杂志,2024,44(09):2299-2303.