细胞自噬摭谈

吴劲松

(江苏省高淳高级中学 南京 211300)

2016年诺贝尔生理学或医学奖颁发给日本科学家大隅良典(Yoshinori Ohsumi)以表彰其“发现了细胞自噬机制”的研究。20世纪60年代，科研人员首次观察到细胞能破坏自身成分，用膜将这些成分包裹，形成袋状囊泡并转移给溶酶体进行降解回收。20世纪90年代初，大隅良典在一系列实验中，巧妙地利用面包酵母找到了细胞自噬有关的基因。

1 细胞自噬的发现

自噬(autophagy)一词来源于希腊语auto-(自我)和phagein(吞噬)。因此，autophagy便引申为“自噬”。自噬是指细胞或者机体在缺乏能量或受到环境胁迫(如缺乏氨基酸、缺氧)的情况下，会在细胞内产生双层膜结构，去包裹自己的一部分细胞质，运送到溶酶体进行降解。此外，细胞会不断产生受损伤的细胞器，例如，受损伤的线粒体以及蛋白质聚合体需要自噬体把它们包裹起来，运送到溶酶体进行降解。自噬不断地对细胞本身进行清理，以保持细胞的稳态平衡。

虽然科学家观察到细胞自噬现象的时间不短，但人们对于自噬的分子机制却并不十分清楚。大隅良典在1988年开始建立自己的实验室时，就将研究重点放在液泡中蛋白质的降解方面。酵母细胞相对比较容易研究，是科学界公认的模式生物。大隅良典尝试解答酵母细胞中是否存在着自噬作用。他培养了缺乏液泡降解酶的酵母细胞，并通过饥饿细胞来刺激自噬作用。他推断细胞自噬的过程被打断后，自噬体会在液泡不断积累，这样就能够利用显微镜进行观察和判断。随着时间的推移，他果然用显微镜观察到液泡内充满了未被降解的小囊泡，这些小囊泡就是自噬体。由此大隅良典用实验证明了酵母细胞中存在自噬作用。20世纪90年代，大隅良典在研究了上千种突变型的酵母细胞后，分离出十多种与自噬相关的关键基因(ATG，autophagy-related gene)，并对这些基因进行了详细研究，初步摸清了自噬作用的大体过程，以及各个ATG在这个过程中起到的作用。现在已在酵母中发现超过30种自噬相关的基因[1]。目前研究得比较清楚的是：通过Atg1- Atg13-Atg17复合物来调节细胞自噬的水平。

2 细胞自噬的意义

自噬调控重要的生理功能在于细胞组件得以降解和循环。自噬能够为细胞快速提供能量燃料及物质更新，从而对细胞响应饥饿或其他应激起到重要作用；在感染后，自噬能够清除入侵的胞内细菌和病毒；自噬对于胚胎发育和细胞分化也发挥作用。细胞还利用自噬清除受损蛋白和细胞器，这是一种质量控制机制，对于抵消衰老带来的副作用至关重要。

大隅良典的科学研究不仅证实细胞自噬现象在酵母中存在，阐明了细胞自噬的基本原理，并证明类似的复杂机制也存在于人体细胞内。最近发现这些自噬基因的突变会引起人类很多疾病。例如，中断自噬作用已被认为与帕金森症、II型糖尿病及其他老年易患病相关，干扰自噬作用被认为与癌症相关。

3 细胞自噬与高中生物学教学内容的联系

3.1 溶酶体 人教版高中生物学必修1《分子与细胞》教材中，对溶酶体的描述为：溶酶体是“消化车间”，内含多种水解酶，能分解衰老、损伤的细胞器，吞噬并杀死侵入细胞的病毒或病菌。溶酶体起源于高尔基体，其参与细胞消化作用一般可概括为三种途径：吞噬作用、胞饮作用、自噬作用，每种途径导致不同来源的物质在细胞内被消化[2]。

3.2 细胞凋亡 人教版高中生物学必修1《分子与细胞》模块中，对细胞凋亡的描述为：细胞的自然更新、被病原体感染细胞的清除，都是通过细胞凋亡完成的，它对于多细胞生物完成正常发育、维持内环境稳定发挥重要作用。动物细胞凋亡在形态学上分为三个阶段：凋亡的起始、凋亡小体的形成、凋亡小体被吞噬消化[2]。细胞的凋亡过程离不开细胞的自噬作用，人体细胞过多的凋亡会导致机体免疫功能的的丧失或引起自身免疫疾病或炎症。例如，艾滋病患者表现为过多的淋巴、非淋巴细胞凋亡，免疫力低下。

3.3 试题命制 各省历年高考生物学试题常会与当年的最新科研或诺贝尔奖相关研究相联系。例如，2016年江苏卷第18题考查CRISPR/Cas9基因编辑技术；第30题考查青蒿素对疟疾患者群体基因型的影响。以科研成果为背景命题，不仅考察学生对高中生物学基础知识的把握，还能提高学生对生物学科的兴趣。这就要求教师应该多关注生物学最新的科学研究成果，把握前沿科学动态。