細(xì)胞“垃圾回收”面紗 幫助細(xì)胞渡過(guò)艱難困境

自噬是細(xì)胞自身物質(zhì)更新代謝的重要機(jī)制，簡(jiǎn)單地說(shuō)，就是“自己吃自己”。自噬事關(guān)細(xì)胞從成長(zhǎng)、發(fā)育到衰老的全部過(guò)程，對(duì)維持機(jī)體健康至關(guān)重要，吸引著科學(xué)家的高度關(guān)注。

自2015年起，在國(guó)家自然科學(xué)基金創(chuàng)新研究群體項(xiàng)目“多細(xì)胞生物自噬過(guò)程中膜的構(gòu)建與融合”(以下簡(jiǎn)稱創(chuàng)新群體項(xiàng)目)支持下，中國(guó)科學(xué)院生物物理研究所研究員張宏帶領(lǐng)科研人員對(duì)自噬小體的形成以及自噬小體的成熟機(jī)制進(jìn)行了深入研究，取得豐碩成果。

科研一小步 認(rèn)知一大步

“自己吃自己”的細(xì)胞自噬相當(dāng)于“垃圾回收”的過(guò)程，具有雙層膜結(jié)構(gòu)的自噬小體收集細(xì)胞內(nèi)受損的細(xì)胞器和其他垃圾，送給“回收站”溶酶體，并在酸性條件下進(jìn)行降解。當(dāng)細(xì)胞處于包括饑餓在內(nèi)的各種脅迫條件下，自噬又能降解細(xì)胞內(nèi)一些不必要的物質(zhì)，為細(xì)胞提供物質(zhì)和能量，幫助細(xì)胞渡過(guò)艱難困境。

盡管早在上世紀(jì)60年代科學(xué)家就發(fā)現(xiàn)了細(xì)胞自噬的現(xiàn)象，但其真正為普通人所熟悉還是在2016年。這一年，喜歡喝酒、能寫一手漂亮的毛筆字、須發(fā)皆白的日本科學(xué)家大隅良典獨(dú)享諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。從上世紀(jì)90年代開(kāi)始，大隅良典選擇酵母為研究自噬的模型，不僅首次在酵母中觀察到自噬現(xiàn)象，還為建立酵母為研究細(xì)胞自噬的遺傳篩選模型奠定了基礎(chǔ)。

很長(zhǎng)一段時(shí)間，科學(xué)家對(duì)自噬的理解都是基于單細(xì)胞生物酵母中鑒定的自噬基因的研究。長(zhǎng)期從事秀麗線蟲(chóng)研究的張宏認(rèn)為，多細(xì)胞生物的自噬過(guò)程要復(fù)雜得多。“在多細(xì)胞生物中，自噬小體形成時(shí)，需與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)建立動(dòng)態(tài)的互作，另外新形成的自噬小體需要先與多種內(nèi)吞體融合，經(jīng)歷‘自噬小體成熟’的過(guò)程，最終與溶酶體融合形成有降解活性的自噬溶酶體。”他說(shuō)。

這一過(guò)程一直沒(méi)有得到揭示。2015年，在大隅良典獲頒諾貝爾獎(jiǎng)的前一年，國(guó)內(nèi)該領(lǐng)域的專家就前瞻性地預(yù)見(jiàn)到多細(xì)胞自噬在科學(xué)上的重大價(jià)值，創(chuàng)新群體項(xiàng)目正是在這樣的背景下立項(xiàng)。

5年來(lái)，在國(guó)家自然科學(xué)基金的支持下，創(chuàng)新群體項(xiàng)目成員率先推進(jìn)了全球“獨(dú)一份”的研究工作。“我們?cè)谇叭嘶A(chǔ)上走的一小步，卻是多細(xì)胞生物自噬認(rèn)知上的一大步。”張宏說(shuō)。

張宏課題組建立了線蟲(chóng)作為研究多細(xì)胞生物自噬的研究模型，在國(guó)際上首次通過(guò)遺傳篩選鑒定了系列多細(xì)胞生物特有的新自噬基因，并揭示了這些新基因在多細(xì)胞生物自噬特有步驟中發(fā)揮的功能。例如，研究人員發(fā)現(xiàn)定位內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的一個(gè)基因EPG3能夠調(diào)控自噬小體和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的相互作用，如果這一基因缺失，則會(huì)阻斷自噬小體正常形成。而EPG5則通過(guò)與溶酶體上的多個(gè)蛋白相互作用，在自噬小體成熟過(guò)程中扮演著重要角色。

基礎(chǔ)研究的使命與擔(dān)當(dāng)

黨的十九屆五中全會(huì)把科技自立自強(qiáng)作為國(guó)家發(fā)展的戰(zhàn)略支撐，提出“面向世界科技前沿、面向經(jīng)濟(jì)主戰(zhàn)場(chǎng)、面向國(guó)家重大需求、面向人民生命健康”。其中，“面向人民生命健康”是一個(gè)新的方向。

作為生命科學(xué)研究者，群體成員也一直堅(jiān)信，基礎(chǔ)研究要堅(jiān)持面向人民生命健康。2020年初，新冠疫情來(lái)勢(shì)洶洶，張宏和團(tuán)隊(duì)成員立刻付諸實(shí)踐。“這是我們項(xiàng)目計(jì)劃以外的一個(gè)課題。”張宏告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，新冠疫情牽動(dòng)著全中國(guó)乃至全球人民的心，作為科學(xué)家，他們更不能置身事外。

抵抗外來(lái)入侵的病原體，自噬也是相當(dāng)重要的機(jī)制之一。新冠病毒快速入侵人體的現(xiàn)象引起了群體成員的注意。經(jīng)過(guò)篩選，群體成員發(fā)現(xiàn)新冠病毒編碼的ORF3a蛋白能夠抑制自噬小體和溶酶體的融合過(guò)程。形象地說(shuō)，這個(gè)病毒蛋白把一些原本在自噬小體成熟過(guò)程中發(fā)揮關(guān)鍵作用的分子牢牢“拽”著，幫助病毒逃脫被降解的命運(yùn)。研究人員相信，這項(xiàng)研究對(duì)于理解新冠病毒的高傳染性和致病性以及開(kāi)發(fā)潛在的治療方法有重要意義。

神經(jīng)退行性疾病也是群體成員重點(diǎn)關(guān)注的現(xiàn)實(shí)需求之一。過(guò)去的一系列研究顯示，阿爾茨海默病的發(fā)生與淀粉樣蛋白聚集相關(guān)。那么，為什么淀粉樣蛋白不能被自噬清除呢?

“我們看到一個(gè)現(xiàn)象，即使細(xì)胞自噬機(jī)制正常，沒(méi)有受到任何損傷，有一些蛋白質(zhì)聚集體仍然無(wú)法被清除。”張宏介紹。于是，群體成員獨(dú)辟蹊徑地將目標(biāo)鎖定在蛋白質(zhì)聚集體上。經(jīng)過(guò)一系列實(shí)驗(yàn)，他們確認(rèn)，蛋白質(zhì)本身的物質(zhì)狀態(tài)影響了自噬作用的效果，如呈現(xiàn)出膠狀的蛋白質(zhì)聚集體才能誘導(dǎo)產(chǎn)生雙層膜結(jié)構(gòu)從而進(jìn)入自噬過(guò)程被清除掉。而呈現(xiàn)出固體、纖維狀的淀粉樣蛋白則無(wú)法誘導(dǎo)形成雙層膜，從而逃避被清除。

基礎(chǔ)研究本身也推動(dòng)人們對(duì)相關(guān)疾病的認(rèn)知。“人類遺傳學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，我們利用線蟲(chóng)遺傳體系篩選得到的EPG5基因突變會(huì)導(dǎo)致一種稱作Vici綜合征的多系統(tǒng)紊亂疾病，但其致病機(jī)制仍不清楚。”該團(tuán)隊(duì)的研究發(fā)現(xiàn)EPG5特異性介導(dǎo)自噬小體與晚期內(nèi)吞體之間的融合。EPG5缺失會(huì)導(dǎo)致無(wú)法形成有功能的自噬溶酶體，從而引起細(xì)胞內(nèi)膜系統(tǒng)功能紊亂。這一研究對(duì)闡述Vici綜合征的發(fā)生發(fā)展有重要意義。

群體成員表示，未來(lái)，他們將繼續(xù)以細(xì)胞自噬為視角探索重大疾病發(fā)生的機(jī)制、發(fā)現(xiàn)新藥物靶點(diǎn)、開(kāi)發(fā)新治療方案，為面向人民生命健康作出基礎(chǔ)研究者應(yīng)有的貢獻(xiàn)。

優(yōu)勢(shì)互補(bǔ) 精誠(chéng)合作

在該創(chuàng)新群體項(xiàng)目中，張宏和胡俊杰、徐平勇、徐濤等4位來(lái)自中國(guó)科學(xué)院生物物理研究所的研究員優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)、協(xié)同攻關(guān)，共同解析細(xì)胞自噬作用。

張宏坦言，回顧創(chuàng)新群體項(xiàng)目申請(qǐng)與執(zhí)行的歷程，正是這一項(xiàng)目為他們提供了合作的契機(jī)和平臺(tái)。“胡俊杰長(zhǎng)期從事內(nèi)質(zhì)網(wǎng)方面的研究，多細(xì)胞生物的自噬小體是在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上生成，與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的動(dòng)態(tài)互作也是多細(xì)胞生物特有的過(guò)程。”他說(shuō)。因此，決定申請(qǐng)項(xiàng)目之初，張宏就主動(dòng)邀請(qǐng)剛剛加入中國(guó)科學(xué)院生物物理研究所的胡俊杰。

徐濤和徐平勇的強(qiáng)項(xiàng)則在于發(fā)展新技術(shù)新方法研究自噬過(guò)程的膜融合。其中，徐濤主攻超高分辨顯微成像技術(shù)以研究自噬蛋白的定位，徐平勇則主攻熒光探針與成像方法。在創(chuàng)新群體項(xiàng)目支持下，他們和群體成員合作發(fā)展出光鏡—電鏡聯(lián)合探針mEosEM和PANL-SIM超分辨成像探針，提高了在活細(xì)胞中觀測(cè)自噬小體的分辨率。

“一項(xiàng)成像技術(shù)從開(kāi)發(fā)到真正在某一個(gè)生物學(xué)問(wèn)題上實(shí)現(xiàn)應(yīng)用，可能需要很長(zhǎng)時(shí)間的積累，特別是對(duì)于細(xì)胞自噬這一高度動(dòng)態(tài)的過(guò)程。”張宏說(shuō)。

因此，盡管創(chuàng)新群體項(xiàng)目已經(jīng)結(jié)題，幾位群體成員仍在進(jìn)行通力合作，靜待新技術(shù)“開(kāi)花結(jié)果”。

面向未來(lái)，研究人員看好自噬研究的前景。“多細(xì)胞生物自噬研究才剛剛起步，還有許多問(wèn)題需要科學(xué)家繼續(xù)努力。”張宏表示。

《中國(guó)科學(xué)報(bào)》：您對(duì)基礎(chǔ)研究堅(jiān)持面向人民生命健康有哪些體會(huì)?

張宏：基礎(chǔ)研究堅(jiān)持面向人民生命健康，需要我們從現(xiàn)實(shí)存在的疾病中尋找科學(xué)問(wèn)題。多年來(lái)，我的體會(huì)是解決基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題和解決疾病中的科學(xué)問(wèn)題二者相輔相成，不能分割。一方面，基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題的研究成果能夠應(yīng)用在疾病診治中，有助于應(yīng)對(duì)疾病。另一方面，從疾病中尋找并解決科學(xué)問(wèn)題也能增加人類的認(rèn)知，“反哺”基礎(chǔ)科學(xué)的發(fā)展。

例如，我們以細(xì)胞自噬為視角對(duì)新冠病毒的研究，對(duì)ORF3a蛋白功能的闡明不僅有助于解釋新冠病毒逃脫自噬監(jiān)控的現(xiàn)象，也增加了我們對(duì)自噬膜動(dòng)態(tài)過(guò)程的理解。

當(dāng)然，在這個(gè)循環(huán)中，基礎(chǔ)科學(xué)的進(jìn)步是“總機(jī)關(guān)”，沒(méi)有基礎(chǔ)科學(xué)研究成果就談不上解決現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。

《中國(guó)科學(xué)報(bào)》：未來(lái)多細(xì)胞自噬的關(guān)鍵問(wèn)題有哪些?

張宏：首先，自噬小體雙層膜的來(lái)源仍然不清楚，這是領(lǐng)域中最基礎(chǔ)的科學(xué)問(wèn)題，將來(lái)還要進(jìn)行深入研究。第二，自噬作用的特異性如何決定，也就是說(shuō)自噬如何“定點(diǎn)”清除細(xì)胞垃圾，這個(gè)問(wèn)題會(huì)與健康緊密相關(guān)。第三，有關(guān)自噬活性協(xié)同調(diào)控的規(guī)律，這也是多細(xì)胞生物自噬所特有的。

總之，深入剖析多細(xì)胞生物的自噬過(guò)程, 有助于找到診斷和治療這些疾病的新靶點(diǎn)，并為這類疾病的發(fā)病機(jī)制研究和臨床治療提供理論支撐。

《中國(guó)科學(xué)報(bào)》：對(duì)研究這些科學(xué)問(wèn)題的新技術(shù)有什么期待?

張宏：自噬研究對(duì)探針和成像技術(shù)都提出了挑戰(zhàn)。我們知道，多細(xì)胞生物的自噬小體成熟過(guò)程要和很多囊泡進(jìn)行融合，并且過(guò)程發(fā)生很快。這就需要能夠標(biāo)記不同種類囊泡的快速探針，自噬小體、溶酶體以及內(nèi)吞體中都需要。同時(shí)，對(duì)探針的靈敏度也有要求，自噬小體和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)之間的互作發(fā)生在幾十納米的尺度上。我們期待這些新技術(shù)在不久的將來(lái)能夠涌現(xiàn)出來(lái)。

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