細胞自噬摭談

吳勁松

(江蘇省高淳高級中學 南京 211300)

2016年諾貝爾生理學或醫(yī)學獎頒發(fā)給日本科學家大隅良典(Yoshinori Ohsumi)以表彰其“發(fā)現(xiàn)了細胞自噬機制”的研究。20世紀60年代，科研人員首次觀察到細胞能破壞自身成分，用膜將這些成分包裹，形成袋狀囊泡并轉(zhuǎn)移給溶酶體進行降解回收。20世紀90年代初，大隅良典在一系列實驗中，巧妙地利用面包酵母找到了細胞自噬有關(guān)的基因。

1 細胞自噬的發(fā)現(xiàn)

自噬(autophagy)一詞來源于希臘語auto-(自我)和phagein(吞噬)。因此，autophagy便引申為“自噬”。自噬是指細胞或者機體在缺乏能量或受到環(huán)境脅迫(如缺乏氨基酸、缺氧)的情況下，會在細胞內(nèi)產(chǎn)生雙層膜結(jié)構(gòu)，去包裹自己的一部分細胞質(zhì)，運送到溶酶體進行降解。此外，細胞會不斷產(chǎn)生受損傷的細胞器，例如，受損傷的線粒體以及蛋白質(zhì)聚合體需要自噬體把它們包裹起來，運送到溶酶體進行降解。自噬不斷地對細胞本身進行清理，以保持細胞的穩(wěn)態(tài)平衡。

雖然科學家觀察到細胞自噬現(xiàn)象的時間不短，但人們對于自噬的分子機制卻并不十分清楚。大隅良典在1988年開始建立自己的實驗室時，就將研究重點放在液泡中蛋白質(zhì)的降解方面。酵母細胞相對比較容易研究，是科學界公認的模式生物。大隅良典嘗試解答酵母細胞中是否存在著自噬作用。他培養(yǎng)了缺乏液泡降解酶的酵母細胞，并通過饑餓細胞來刺激自噬作用。他推斷細胞自噬的過程被打斷后，自噬體會在液泡不斷積累，這樣就能夠利用顯微鏡進行觀察和判斷。隨著時間的推移，他果然用顯微鏡觀察到液泡內(nèi)充滿了未被降解的小囊泡，這些小囊泡就是自噬體。由此大隅良典用實驗證明了酵母細胞中存在自噬作用。20世紀90年代，大隅良典在研究了上千種突變型的酵母細胞后，分離出十多種與自噬相關(guān)的關(guān)鍵基因(ATG，autophagy-related gene)，并對這些基因進行了詳細研究，初步摸清了自噬作用的大體過程，以及各個ATG在這個過程中起到的作用?，F(xiàn)在已在酵母中發(fā)現(xiàn)超過30種自噬相關(guān)的基因[1]。目前研究得比較清楚的是：通過Atg1- Atg13-Atg17復(fù)合物來調(diào)節(jié)細胞自噬的水平。

2 細胞自噬的意義

自噬調(diào)控重要的生理功能在于細胞組件得以降解和循環(huán)。自噬能夠為細胞快速提供能量燃料及物質(zhì)更新，從而對細胞響應(yīng)饑餓或其他應(yīng)激起到重要作用；在感染后，自噬能夠清除入侵的胞內(nèi)細菌和病毒；自噬對于胚胎發(fā)育和細胞分化也發(fā)揮作用。細胞還利用自噬清除受損蛋白和細胞器，這是一種質(zhì)量控制機制，對于抵消衰老帶來的副作用至關(guān)重要。

大隅良典的科學研究不僅證實細胞自噬現(xiàn)象在酵母中存在，闡明了細胞自噬的基本原理，并證明類似的復(fù)雜機制也存在于人體細胞內(nèi)。最近發(fā)現(xiàn)這些自噬基因的突變會引起人類很多疾病。例如，中斷自噬作用已被認為與帕金森癥、II型糖尿病及其他老年易患病相關(guān)，干擾自噬作用被認為與癌癥相關(guān)。

3 細胞自噬與高中生物學教學內(nèi)容的聯(lián)系

3.1 溶酶體 人教版高中生物學必修1《分子與細胞》教材中，對溶酶體的描述為：溶酶體是“消化車間”，內(nèi)含多種水解酶，能分解衰老、損傷的細胞器，吞噬并殺死侵入細胞的病毒或病菌。溶酶體起源于高爾基體，其參與細胞消化作用一般可概括為三種途徑：吞噬作用、胞飲作用、自噬作用，每種途徑導(dǎo)致不同來源的物質(zhì)在細胞內(nèi)被消化[2]。

3.2 細胞凋亡 人教版高中生物學必修1《分子與細胞》模塊中，對細胞凋亡的描述為：細胞的自然更新、被病原體感染細胞的清除，都是通過細胞凋亡完成的，它對于多細胞生物完成正常發(fā)育、維持內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定發(fā)揮重要作用。動物細胞凋亡在形態(tài)學上分為三個階段：凋亡的起始、凋亡小體的形成、凋亡小體被吞噬消化[2]。細胞的凋亡過程離不開細胞的自噬作用，人體細胞過多的凋亡會導(dǎo)致機體免疫功能的的喪失或引起自身免疫疾病或炎癥。例如，艾滋病患者表現(xiàn)為過多的淋巴、非淋巴細胞凋亡，免疫力低下。

3.3 試題命制 各省歷年高考生物學試題常會與當年的最新科研或諾貝爾獎相關(guān)研究相聯(lián)系。例如，2016年江蘇卷第18題考查CRISPR/Cas9基因編輯技術(shù)；第30題考查青蒿素對瘧疾患者群體基因型的影響。以科研成果為背景命題，不僅考察學生對高中生物學基礎(chǔ)知識的把握，還能提高學生對生物學科的興趣。這就要求教師應(yīng)該多關(guān)注生物學最新的科學研究成果，把握前沿科學動態(tài)。