Cadwell, K. (2016). "Crosstalk between autophagy and inflammatory signalling pathways: balancing defence and homeostasis." Nature Reviews Immunology 16: 661.
自噬概述
自噬小体(autophagosome)的生物合成与自噬相关蛋白。
自噬小体的生成是由三个重要的蛋白复合物介绍的,分别为:
1. ULK1复合物,由ULK1,FIP200,ATG13,ATG101构成,
2. PI3KC3复合物,全称为phosphoinositide 3‑kinase catalytic subunit type III,由beclin1, VPS34(Vacuolar protein sorting 34),VPS15和ATG14L构成;
3. ATG16L1复合物,由ATG16L1,ATG5和ATG12构成。
通过使用饥饿这种手段抑制mOTRC1(全称为mechanistic target of rapamycin complex 1),就能使ULK1复合物激活PI3KC复合物。在ER-Golgi中间产物的表面或其它的膜上就会形成富含Ptdlns3P的区域,Ptdlns3P结合蛋白WIPI2就会招募ATG16L1复合物到自噬小体的前体结构上。UBL分子ATG12偶联到ATG5上,随后就是ATG7,ATG10,最终通过这样的泛素样(UBL,ubiquitin-like)偶联反应形成ATG16L1复合物,ATG16L1以非共价的形式与ATG5-ATG12偶联。与此同时,另外一个UBL分子是LC3,它被ATG4蛋白水解酶加工,经历第二波UBL偶联,此时的反应涉及ATG7和ATG3。ATG16L1复合物与LC3和PE(phosphatidylethanolamine)偶联,完成这个反应。LC3-PE介导膜的锚定,以及通过招募多个来源的膜(这些膜的来源可能含有跨膜蛋白ATG9L1的内体囊泡),并与这些膜进行融合,最终导致自身融合,诱导自噬小体的形成。再接着,在VPS(class C vacuolar protein sorting)与SNARE样蛋白的介导下,自噬小体与溶酶体融合,将自噬小体内部的物质降解。
注:mTOR参与自噬,在营养丰富这种正常情况下,mTOR高度磷酸化ATG13,并抑制ATG13的活性,当抑制mTOR时,就会导致ATG13去磷酸化,开启自噬。
自噬与免疫
自噬可以清除病原体,由病原体诱导的自噬称为异噬(xenophagy)。异噬依赖于接头分子与病原体相互作用。参与异噬的分子有Sequestosome 1(简称为SQSTM1,也叫p62),NDP52,optineurin(OPTN)与TAX1结合蛋白1(TAX1BP1,TAX1binding protein 1),这些分子可以与LC3结合,并与宿主的一些分子协同发挥作用,例如宿主的一些分子可以与包含了Salmonella的囊泡相互作用,这些分子包括ubiquitin与galectin8。这些结合事件会诱导宿主细胞内分离的膜(isolation membrane)在细菌周围生长,最终将细胞包裹在自噬小体中。自噬是宿主细胞的一个最重要的防御机制的证据就是,许多入侵的病原体能编码一些毒力因子,这些毒力因子能对抗宿主的自噬途径,例如Legionella pneumophila就能编码RavZ,它能诱导LC3的去偶联。此外,enteroviruses也能利用自噬提供的膜结构来增强其在细胞-细胞之间的扩散。
自噬机制的一些非经典功能(non-canonical function)能内化一些病原体(后文称为非经典自噬)。例如LC3结合的吞噬作用(LAP,LC3-associated phagocytosis)能介导吞噬体成熟,它也需要许多与经典自噬(conventional autophagy)相同的蛋白来发挥作用,但是非经典自噬并不形成自噬小体。IFN-γ也能诱导另外一种形式的非经典自唾,这种自噬并不形成溶酶体,它能抑制norovirus与Toxoplasma gondii在巨噬细胞中的复制。在T.gondii感染时,ATG16L1复合物与LC3会招募p47免疫结合GTPases(IRGs,guanylatebinding proteins )与p65鸟苷酸相关蛋白(GBPs, immunityrelated GTPases) 打破虫空泡(parasitophorous)。虽然现在还不清楚经典自噬与非经典自噬是滞涉及宿主的防御功能,但是自噬蛋白仍然是开发抗感染药物的候选靶点。实际上,使用能透过细胞的beclin1肽段来诱导自噬能够保护宿主细胞免受一些病原体的感染,这些病原体包括chikungunya病毒与WNV。
非经典自噬途径与免疫
LAP介导吞噬体的成熟,这些吞噬体中含有TLR配体,这种途径不依赖于ULK1复合物,但是需要rubicon与PI3KC结合。Brucella abortus对对抗ULK1和PI3KC复合物,但无法对抗ATG16L1或LC3,此类病原体会形成一个含有病原体的囊泡,这类囊泡含有单层膜或双层膜结构。在Toxoplasma gondii感染过程中,招募IFN-γ的效应分子,例如IRG与GBP到虫空泡的过程需要ATG16L1复合物的参与,但是此过程不形成自噬小体与溶酶体。这一类似的过程还涉及IFNγ抑制noroviurs的复制。
除了非经典自噬途径外,还有一些涉及自噬蛋白能发挥非经典自噬,经典自噬功能的案例。在Mycobacterium tuberculosis感染过程中,ATG5能抑制中性粒细胞介导的肺部损伤,这种保护并不涉及ATG16L1复合物的形成,目前还不清楚ATG5的这种作用是否代表了另外一种形式的非经典自噬。Coronavirus的复制发生了ER来源的膜,此膜被非偶联形式的LC3修改,它并不需要其余自噬机制成员的参与。ATG9L1能抑制DNA对STING的刺激,此过程不涉及LC3的偶联机制。在缺陷ATG9L1与ULK1和和PI3KC复合物亚基的情况下,LC3可以能被招募到含有Salmonella spp的双层膜结构上,这种现象挑战了原先的假设,即在异噬过程中,由饥饿诱导的自噬机制的保守机制。此外,ATG16L1对NOD1与NOD2信号转导的抑制作用并不依赖于此蛋白本身的自噬功能。CD4+T细胞能识别包含有T.gondii的树突细胞依赖于ATG5,而非ATG7。这种发现并不意外,因为ATG5融合到ATG16L1复合物中要依赖于ATG7,这说明在DC中,ATG5可能还有其它的机制。上述的这些发现共同说明了,在一个特定的免疫应答过程中,一个自噬蛋白并不能简单地以经典自噬或非经典自噬途径来区分。
自噬与免疫信号转导通路的汇合
在细菌感染期间,氨基酸的消耗会诱发自噬,这就存在这样一种可能性,即感知营养成分的变化是一种由感染诱发自噬的古老机制。随着免疫系统的进货,自噬与相关的信号通路已经被整合成了复杂的信号转导通路,它们共同构成了宿主多元的防御系统。在不同的环境中,宿主细胞内的DAMP与DAMP能诱导或抑制自噬。此外,自噬还能对PAMP和DAMP的识别进行反馈,用于抑制过度的免疫应答。
上图:TLR与NLR信号转导与自噬之间的交叉对话。
当一些外源物质,例如ATP,细菌毒素,尿酸结晶进入细胞质时,就会导致线粒体损伤,进而导致线粒体释放出ROS和mtDNA,这两种物质能激活NLRP3炎性小体。自噬会将受损的线粒体进行隔离,NLRP3结合蛋白ASC会阻止由caspase1介导的pro-IL-1β与pro-IL-18进入活化状态,避免细胞进入焦亡(pyroptosis)。细胞质中的NOD2会识别细菌的肽多糖,以及病毒的RNA,接着诱导自噬,或者是通过RIP2(receptor-interacting protein 2)或直接招募ATG16L1与免疫相关的GTPase家族M蛋白(IRGM,immunity-related GTPase family M protein)来诱导自噬。LC3结合蛋白,例如SQSTM1(sequestosome 1),OPTN(optineurin)和NDP52调控了细菌进入自噬小体,它们能够识别受损的囊泡或由泛素与galectin8(GAL8)介导的受损的线粒体。除了抑制病原体的复制外,自噬还能减少LPS向细胞质中泄漏,避免激活caspase 11炎性小体。当LPS激活TLR4后,MYD88与TRIF( TIR-domain-containing adaptor protein inducing IFNβ)通过TRAF6和TRAF3进行信号转导,通过K63结合的多聚泛素化来促进自噬,将beclin1从抑制状态释放,通过TBK1的泛素化来对OPTN进行磷酸化,并激活,诱导NF-kappaB信号转导与SQSTM1和自噬小体的成熟相关的DNA损伤调控自噬调节蛋白1(DRAM1)的转录。TLR2和FcγR受体能识别内化的真菌多糖与免疫复合物,触发LC3相关的吞噬作用。随着吞噬体的酸化,真菌类病原体会被降解,激活TLR9,通过IRF7诱导信号转导。
NLR是细胞质中的PAMP和DAMP,许多NLR是炎性小体的亚基,它们介导IL-1β和IL-18的生成,触发细胞焦亡。线粒体自噬是一种选择性自噬形式,它能移除受损的线粒体,通过阻止线粒体来源的ROS与mtDNAd的积累来抑制IL-1β和IL-18的生成。
自噬与细胞因子之间的交集。
a- 自噬可以调控细胞因子的产生,也会被细胞因子调控。RIG-I识别病毒的RNA,诱导线粒体ROS的产生,以及MAVS信号转导,导致IFN-I转录。NLRX1会诱导ATG16L1复合物与延伸因子Tu(TUFM, elongation factor Tu, mitochondria)招募到线粒体上,促进线粒体自噬,通过清除MAVS信号转导平台来抑制MAVS与ROS。
b- cGSA识别细胞质中的DNA,产生cyclic dinucleotide,被STING识别,诱导IFN-I的产生。cGAS激活ULK,后者介导STING的抑制。引自,beclin1与cGAS结合,通过PI3KC3来诱导自噬,它会清除细胞质DNA,同时抑制cGAS依赖的IFN-I的产生。
c- IFNγ通过JAK1,JAK2和p38诱导自噬。线粒体自噬能强化这个通路,线粒体会降低ROS,进而降低SHP2的活性(ROS能激活SHP2),而SHP2则是IFNγ信号通路的抑制剂。IL-10促进STAT3和PKR的结合,而这种结合则抑制eIF2α的活性,因此,IL-10的作用则是抑制自噬。
d- 自噬抑制NLRP3炎性小体,从而抑制IL-1β的产生。细胞外的IL-1β通过IL-1R和MYD88进行信号转导,诱导自噬,诱导自噬小体的成熟,以及诱导自噬小体内物质的降解,这一赛程依赖于TBK1,以及抑制NLRP3炎性小体。
e- HMGB1位于细胞中,当细胞死亡时,就会释放HMGB1,促进自噬。RAGE与HMGB1结合时就抑制mTOR,诱导自噬。细胞核中的HMG1会产生ROS,诱导自噬,其具体机制是,它通过避免beclin1与BCL-2的抑制性接触来诱导自噬。
自噬与适应性免疫应答。T细胞中的自噬活性,APC与死亡的细胞会影响T细胞的免疫。APC,例如DC中的自噬会传递细胞内与细胞外的抗原到内体溶酶体(endolysosomal vesicle)囊泡中,在这里,抗原与MHC II分子结合,并向CD4T细胞呈递。自噬小体中的PAD会产生多氨酸酸化的肽段,因此会影响抗原呈递库。细胞外的抗原会被LAP传递到内体溶酶体中。濒死细胞(例如由病毒感染导致的)释放的自噬介导的ATP,会导致APC的吞噬作用。濒死细胞内化的抗原然后会被交叉呈递到MHC I分子(位于内体溶酶体中),用于刺激CD8细胞,这一过程是由自噬或GCN2活化的下游LAP介导的。自噬会抑制一些关键细胞因子的释放,降低CD4T细胞向TH17细胞的分化。另外,外源抗原也许会被传递到细胞质或ER的MHC I分子上。例如,移除产生ROS的线粒体则会抑制由calpain介导的IL-1α的加工。初始CD4T细胞需要自噬用于存活和增殖。形成CD8T细胞的记也需要自噬。