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 Institute of 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 in Biomedical 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。   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's disease)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(专题)医学和牙科大学 (University of Medicine 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 (Mycobacterium tuberculosis,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(Francisella tularensis)、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。