自噬体成熟的机制、调控和病理生理学意义

来源：生信人（ID: biosxr） 作者：SCI

今天给大家介绍一份高分综述，这篇综述发表在Nature Reviews Molecular Cell Biology，这是Nature的子刊，在2021年的分数高达94.444分，比上一年增加了38.974分。中科院大类: 生物学 1区。中科院小类: 1区细胞生物学。JCR分区: Q1 1/195 Cell Biology。该篇综述全面的概括了自噬小体的相关知识，尤其是大家关心的相关表型知识。

自噬小体的形成过程

自噬是一种溶酶体介导的降解系统，是一种进化上保守的途径，用于循环利用细胞内容物，清除聚集的蛋白质、受损的细胞器和入侵的病原体(如病毒和细菌)，以维持正常的细胞功能和动态平衡。自噬是以一种循序渐进的方式发生的，涉及到连续的膜重塑过程。在诱导过程中，自噬开始于胞质中双膜囊的启动和成核。双膜囊也被称为隔离膜（噬菌体）。然后，隔离膜经历膨胀以包围cargos。它进一步膨胀和关闭，形成双膜自噬小体。接着，一旦自噬小体完全闭合，它就会与晚期内涵体/溶酶体融合，形成自噬内涵体（amphisome）/自噬溶酶体（autolysosome）。最后，被隔离的物质在降解的自溶酶体中被分解。自噬货物降解后，自溶酶体中的消化内容被释放，溶酶体重新形成以维持自噬通量。

自噬融合机制

自噬小体的成熟需要它们与功能性的内溶酶体隔膜融合，如早期内涵体(early endosome)和晚期内涵体(late endosome)/多囊泡体和溶酶体。自噬小体与晚期内涵体/溶酶体的融合涉及RABS、, tethers和SNARE复合体的协同作用。tethers因子通过招募小分子RAB GTP酶、磷酸肌醇和SNARE蛋白的活性形式到靶向膜和/或融合囊泡，促进囊泡的初始捕获和随后反式SNARE复合体的形成。

SNARE复合体的作用

SNARE (soluble N- ethylmaleimide- sensitive factor attachment protein receptor) complexes：由QA、QB、QC和R SNARE motifs组成的复合体位于相对的膜上。这些蛋白的SNAR基序被组装成一个异寡聚体、四股螺旋束，以驱动膜融合。自噬体膜定位的STX17(Qa)、SNAP29(Qbc)与晚期内体/溶酶体定位的VAMP8(果蝇中的VAMP7和蠕虫中的VAMP-7)或者通过自噬小体YKT6、SNAP29和晚期内体/溶酶体定位的STX7，部分冗余地驱动自噬小体与晚期内涵体/溶酶体的融合(FIG. 1a)。STX17靶向功能的形成会使自噬小体形成。自噬小体形成还伴随着自噬小体的关闭。鸟苷三磷酸酶IRGM通过与自噬体膜上的STX17和ATG8样蛋白相互作用，促进STX17向自噬小体的移位。SNAP29是通过与其他SNAREs蛋白相互作用来招募的。自噬蛋白ATG14通过与STX17的直接作用促进STX17–SNAP29复合体的组装。不同的SNARE复合体可能在自噬小体成熟的不同阶段起作用，或推动自噬空泡与不同的晚期内涵体/溶酶体的融合。融合后的SNAREs复合体被拆解并返回到供体内，以维持细胞内膜的特性，并为新一轮融合做准备。从自溶酶体中回收SNARE的分子机制尚未确定。已有研究表明，自溶酶体释放STX17与溶酶体酶的破坏导致自噬体内膜塌陷是一致的。

Tethering因子的作用：

Tethers：蛋白质或蛋白质复合体，将运输的囊泡连接到靶膜，还促进反式SNARE复合体的组装。

Tethering复合体多个亚单位和单个大tether蛋白参与自噬小体和/或自噬溶酶体的初始捕获，促进与早/晚内涵体和溶酶体的融合效率和特异性，但不能与其他囊泡融合，如在自噬小体成熟过程中回收内小体或分泌小泡(FIG.1b)。HOPS(同型融合和蛋白分选)复合体是一个重要的tethering复合体。【HOPS (homotypic fusion and protein sorting) complex：由VPS41、VPS39、VPS18、VPS33A、VPS11和VPS16组成的多亚单位海马状复合体。它促进了涉及晚期内涵体和溶酶体的融合事件。】它促进反式SNARE复合体的组装，作为RAB7的GEF，【Guanine nucleotide exchange factors(GEFs)：鸟嘌呤核苷酸交换因子，催化GDP结合小GTPase蛋白的失活形式转化为GTP结合的活性形式的因子】并作为SNARE伴侣来促进自噬小体与晚期内涵体和溶酶体的融合。HOPS复合体既可以针对自噬小体，也可以针对晚期内涵体/溶酶体，以促进融合。HOPS复合体对晚期内涵体/溶酶体的靶向是通过与RAB7【一个小的GTP酶亚群，由GTP-GDP循环驱动，动态地与膜结合的隔室结合，调节膜动力学的多个方面，如囊泡运输、融合和定位。】和磷脂酰肌醇3-磷酸(PtdIns3P)等磷脂酰肌醇结合介导的，而多种机制促进了它从胞浆到自噬小体的转位，包括与STX17、RAB7、GABARAPs或更大tether蛋白(如PLEKHM1) 的相互作用 (FIG.1b)。EPG5是一种进化上保守的自噬体成熟的大锚链蛋白(FIG.1b)。在自噬体成熟过程中，EPG5通过与LC3结合捕获自噬小体/自噬溶酶体，并促进STX17-SNAP29-V AMP8复合体的组装。EPG5耗尽导致自噬小体、自噬溶酶体和不可降解的溶酶体积聚。EPG5在自噬小体成熟过程中的作用似乎需要与晚期内涵子/溶酶体定位。β-螺旋蛋白WDR45和WDR45B与EPG5的晚期内涵体/溶酶体靶向相互作用和介导。在Wdr45-Wdr45b双基因敲除细胞中，EPG5错误定位在自噬小体上，EPG5-STX17相互作用增强。然而，STX17-SNAP29-VAMP8的组装减少，会损害了自噬小体的成熟。PLEKHM1，另一个tether蛋白和RAB7效应器，优先与GABARAP亚家族成员相互作用，促进自噬体成熟(FIG.1b)。PLEKHM1直接招募HOPS复合体，确保融合的特异性和效率。溶酶体定位的Pleckstrin Homology(PH)结构域的TECPR1选择性地与LC3C结合，并促进LC3C修饰的自噬小体/自噬内涵体与富含磷脂酰肌醇4-磷酸(PtdIns4P)的溶酶体融合(FIG.1b)。研究还表明，TECPR1与自噬小体PtdIns3P结合后，采用与ATG12-ATG5结合的构象，从而促进自噬小体与溶酶体的连接。

成熟过程中的囊泡运输

在非极化细胞中，自噬小体在整个细胞质中产生，而溶酶体主要位于核周区域。自噬小体的成熟需要由微管动力蛋白驱动的自噬空泡和溶酶体的逆行运输，以及由介导的顺行运输，从而使两个隔室相遇并融合。

介导自噬空泡和溶酶体的运输

溶酶体的顺行运输使它们能够与外周自噬小体融合。顺行转运是由晚期内涵体/溶酶体相关的多亚单位BORC复合体【一种多亚单位复合体，与溶酶体膜外围结合，通过招募ARL8来调节溶酶体的定位。它由八个亚基组成：BLoS1，BLoS2，Snapin，KxD1，Myrlysin，lyspersin，Diaskedin和MEF2BNB。】介导的，BORC复合体招募小GTPase ARL8来促进与驱动蛋白（ARL8依赖性）的偶联 (FIG.2)。ARL8直接与驱动蛋白3相互作用，或与其效应器Skip相互作用，后者又与驱动蛋白1偶联。BORC复合体的耗尽减少了外周自噬小体与溶酶体的融合，RAB7效应子FYCO1还可以作为驱动蛋白1的接头，通过与LC3和PtdIns3P的结合，介导晚期内涵体/溶酶体的顺行运输，以及自噬空泡的顺行运输(FIG.2)。RAB7及其效应物RILP和ORP1L募集动力蛋白-动力蛋白运动复合体到晚期内涵体/溶酶体和自噬空泡进行逆行运输(FIG.2)。RILP与动力蛋白-动力蛋白运动复合物的P150亚基相互作用，而ORP1L促进动力蛋白复合体与晚期内涵体/溶酶体膜相关的βⅢ光谱的结合。此外，ORP1L还可以感知胆固醇水平，并将其与溶酶体和自噬空泡的运输结合起来(FIG.2)。在低胆固醇条件下，ORP1L与内质网(ER)蛋白VAPA相互作用，形成内质网与溶酶体/自噬空泡之间的接触。动力蛋白随后与RAB7-RILP解离，导致这些细胞器分散。在Niemann-Pick C型和其他溶酶体储存性疾病(LSD)中，胆固醇在晚期内涵体/溶酶体隔室积聚，导致其在核周聚集和自噬小体成熟缺陷。自噬空泡和晚期内涵体/溶酶体的运输与tethering因子的募集密切协调。具体地说，HOPS复合体可以由ARL8【一种小的ADP核糖因子样的RAS家族GTPase，它介导由驱动蛋白驱动的溶酶体运输，也通过招募HOPS复合体来调节溶酶体融合。】或通过ORP1L-RAB7-RILP复合物招募，募集过程直接或通过PLEKHM1发生。这允许顺行和逆行运输与融合事件的耦合。自噬空泡的定向运输在极化的神经细胞中尤为突出，在突触末端形成的自噬小体经历长距离逆行运输至胞体。自噬小体的成熟与动力蛋白转运到胞体密切相关，这需要支架蛋白的协调作用，包括jnk相互作用蛋白1(Jip1)，HTT相关蛋白1(HAP1)和JIP3。这些因子将自噬空泡与动力蛋白-动力蛋白复合体连接起来，它们的作用取决于位置和自噬体成熟度。JIP1作用于轴突的远端，HAP1作用于轴突中部，而JIP3主要控制轴突近端较成熟的自噬空泡的运动。

自噬小体成熟的调控

控制自噬体成熟的机制是动态调节的，以允许自噬通量适应细胞的需要，并使自噬降解与外部输入相结合。这包括在融合事件调节膜招募关键成分，以及转录调节。这主要通过MIT/TFE家族转录因子TFEB和TFE3发生。在自噬生物发生过程中，不同的应激和信号通路可以通过多种机制调节自噬形成的启动，如通过调节激酶活性、稳定性和装配Atg1复合体(哺乳动物中的ULK1复合体)和Vps34 PtdIns3P激酶复合体。mTORC1，一个进化上保守的信号中枢，感知营养状态和生长因子信号，在这方面起着关键作用。营养状态和其他压力也整合到自噬成熟机制中，以增加对自噬通量的另一水平的控制。

SNARE蛋白的运输和翻译后修饰

SNARE蛋白在不同的膜间隔之间动态移动。在饥饿状态下，RAB21，一种内体RAB蛋白，被GEF MTMR13激活，进一步促进质膜上定位的VAMP8向晚期内涵体/溶酶体的移位(FIG.3a)。SNARE蛋白动态变化是内溶酶体结构与自噬空泡有效融合所必需的，LSD如多重硫酸酶缺乏症和粘多糖病IIIA型就证明了这一点。在这一疾病中，SNARE被隔离在内溶酶体膜的胆固醇富集区并锁定在组装的复合体中。因此，融合后SNARE复合物的解体以及它们的分选和再循环回到靶膜受到损害。所以，这会导致溶酶体与内吞和自噬小泡的融合减少。

STX17的SNARE活性受其SNARE结构域乙酰化的调节，该修饰受组蛋白乙酰转移酶CREBBP/CBP和脱乙酰酶HDAC2的控制(FIG.3a)。饥饿或mTORC1抑制可使CREBBP失活，同时促进STX17的脱乙酰化。STX17的脱乙酰基促进了STX17-SNAP29-VAMP8复合体的组装，并增强了其与HOPS复合体的结合，从而促进了应激条件下自噬小体-溶酶体的融合。SNAP29含有两个反向平行的螺旋束，是自噬体成熟的关键SNARE。SNAP29是由O-β-N-乙酰氨基葡萄糖转移酶(O-GlcNAc)催化的多个丝氨酸/苏氨酸残基上的O-GlcN酰化修饰的翻译后修饰。SNAP29的O-GlcN酰化减弱SNARE复合物组装(FIG.3a). OGT敲除或表达O-GlcN酰化缺陷的SNAP29可促进含SNAP29的SNARE复合物的形成，并增加自噬通量。添加O-GlcNAc的供体UDP-GlcNAc的水平与葡萄糖、脂肪酸、尿苷和谷氨酸的可获得性有关。在哺乳动物细胞和蠕虫中，SNAP29的O-GlcN酰化水平因饥饿而降低，从而将营养状态与自噬体成熟结合起来。

HOPS复合体招募的调节

在自噬生物发生过程中，Vps34-beclin1-ATG14复合体(PI3K复合体I)在内质网和/或隔离膜上产生PtdIns3P以招募效应器，如ATG18，以启动自噬小体发生。自噬液泡上PtdIns3P的表达水平也通过重新招募tethering因子HOPS复合体来促进自噬小体的成熟（FIG.3b)。Vps34-beclin 1-UVRAG复合体(PI3K复合体II)以在内涵体上产生PtdIns3P而闻名，似乎也介导了自噬液泡上PtdIns3P的产生。Pacer（与UVRAG一起作为自噬增强剂的相关蛋白）通过结合STX17和磷脂酰肌醇被招募到自噬空泡中，也参与Vps34-beclin1-UVRAG复合物的形成。Pacer和UVRAG也招募HOPS复合体(FIG.3b)。Rubicon是一种RAB7效应器，它与beclin1相互作用，并与Vps34复合物结合，拮抗UVRAG功能，负向调节自噬小体成熟。UVRAG-Rubicon相互作用通过mTORC1介导的UVRAG75磷酸化而增强，而活性GTP结合的RAB7和Pacer与Rubicon竞争释放UVRAG，从而重新招募HOPS复合体并刺激饥饿下的Vps34活性(FIG.3b)。然而，UVRAG在自噬小体成熟过程中的作用还存在争议，因为在果蝇脂肪细胞和某些哺乳动物细胞中，UVRAG对于自噬小体-溶酶体的融合是必不可少的。PtdIns3P，PtdIns4P还参与自噬途径的多个步骤。在自噬小体生物发生过程中，PtdIns4P参与了ULK1复合亚单位ATG13在自噬小体起始部位的募集。在成熟过程中，GABARAP将磷脂酰肌醇4-激酶IIα(PI4KIIα)招募到自噬小体上，以产生PtdIns4P，从而促进自噬小体和溶酶体的融合。PtdIns4P在内噬小体/溶酶体上的积累也促进了融合事件。PtdIns4P的时空分布受PI4Ks和PtdIns4P磷酸酶SAC1的调控。SAC1是一种完整的膜蛋白，通过COPI囊泡和CoPII囊泡介导的转运在内质网和高尔基体之间循环。内质网定位的跨膜蛋白SUSR2(也称为TMEM39A)通过与SAC1以及COPII【CoPII囊泡，其形成由CoPII外壳蛋白驱动。CoPII囊泡将蛋白质从内质网运输到高尔基体。】外壳蛋白SEC23和SEC24相互作用，促进SAC1从内质网到高尔基体的转运。在TMEM39A基因敲除细胞中，SAC1在ER上的滞留增加了晚期内涵体/溶酶体PtdIns4P水平，这可能是由于跨高尔基网络衍生的前级小泡中PtdIns4P水平升高和/或晚期内体/溶酶体PI4KIIα水平升高所致。因此，这会极大地促进了与PtdIns4P35紧密结合的HOPS复合体的招募，并随后促进了自噬体成熟(FIG.3b)。

RAB7蛋白的活性和动态

RAB7的活性和动力学对于自噬通量的进展是必不可少的。这包括它在自噬小泡上活跃的GTP结合状态和不活跃的GDP结合形式之间的转换。RAB7活性受一种名为“Armus”(也称为TBC1D2A)的GTP酶激活蛋白(GAP)的负调控，它的靶向调控是通过与PtdIns3P（自噬空泡上的LC3和Vps34在内涵体上产生的）结合来介导的。Armus微调RAB7的核苷酸循环以促进自溶酶体的形成和酸化(FIG. 3b)。通过饥饿诱导的小GTP酶RAC1的失活来调节Armus，RAC1与Armus竞争与自噬液泡上的LC3结合。限制Armus在靶膜上的募集导致活性RAB7在自噬空泡和内小体上的持续存在，这可能对自噬小体成熟有多方面的抑制作用：①降低了内涵体成熟为晚期内涵体/溶酶体所需的移动RAB7的可获得性。②维持RAB7效应物的高活性，如Rubicon，如前所述，其异常活性可能会阻碍自噬小体成熟。③它还阻碍了多囊泡体管腔内小泡的形成，这一过程对于内吞途径和自噬内涵体的形成以及内涵体成熟为晚期内涵体/溶酶体都是重要的。除了受到Armus的调控外，由PI4KIIα产生的内体PtdIns4P转化为磷脂酰肌醇4，5-二磷酸也使RAB7失活，并导致其与晚期内涵体和PLEKHM1解离。这一步骤也促进了自噬小体的成熟。

胞质到核的转运对TFEB/TFE3活性的调节

TFEB和TFE3是在自噬中起关键作用的转录因子，因为它们控制着参与自噬小体形成、自噬小体成熟和溶酶体生物发生的一系列基因的表达。它们的活性不仅受磷酸化状态的广泛调节，还受各种激酶和磷酸酶的控制，而TFEB和TFE3的磷酸化抑制了它们的胞质到细胞核的运输(FIG. 3c)。这一调节通过mTORC1与营养状态相关。在营养丰富的条件下，氨基酸促进mTORC1转位到溶酶体表面，在溶酶体表面的mTORC1被激活。这种溶酶体表面的mTORC1可以磷酸化TFEB和TFE3，为细胞质保留的支架蛋白创建结合位点，从而防止核移位和这些因子的激活。除了营养条件外，各种细胞外信号也调节TFEB/TFE3。例如，已有研究表明糖原合成酶激酶3β(Gsk3β)。Gsk3β被蛋白激酶C(PKC)灭活，PKC响应几个信号转导级联反应-磷酸化TFEB以阻止其移位到细胞核内。在各种压力下，TFEB/TFE3磷酸化被抑制，以促进核转运。TFEB和TFE3也被蛋白磷酸酶2A(PP2A)和钙调神经磷酸酶(一种由饥饿触发的溶酶体钙释放或内质网应激激活的磷酸酶)主动去磷酸化。

通过相分离调节TFEB活性

蛋白质液-液相分离(Llps)是目前公认的可以在受限的液状隔间中浓缩蛋白质。LLPs还可以将转录因子、共激活因子、介体复合体和RNA聚合酶II分割成凝聚体，以介导基因表达。最近研究表明，TFEB经历LLPs，然后，TFEB与介体复合物和靶mRNA共定位。核蛋白肌醇多聚磷酸激酶(IPMK)直接与TFEB相互作用并抑制LLP(FIG.3c)。IPMK基因敲除增加了TFEB转录缩合物的形成，而不改变TFEB磷酸化或核转运蛋白。因此，IPMK基因敲除促进了自噬小体的成熟，同时也促进了溶酶体的成熟和降解能力。

自噬体成熟机制的异质性和冗余性

总体而言，导致自体小体成熟、退化的融合事件有很高的可变性。这一过程可能涉及多个非连续的融合过程，包括具有不同内涵体和溶酶体结构的自噬小体的融合，以及不同类型的自噬空泡本身之间的各种同型和异型融合事件。这涉及到不同的tethers，tethers对ATG8成员具有不同的结合亲和力，因此可以介导不同ATG8蛋白修饰的不同自噬体群的成熟。但是，不同的细胞类型，具有不同的内吞囊泡组织，可能需要不同的tethers才能使自噬小体成熟。例如，在PLEKHM1缺失的A549肺腺癌细胞和线虫中不会导致自噬缺陷。自噬体成熟相关因子功能的丧失也可能导致不同细胞类型在不同成熟阶段的自噬空泡堆积。果蝇Rab2的耗尽导致肌肉细胞中的自噬小体和幼虫脂肪细胞中的的积聚。为了获得降解潜力，自噬空泡必须被有效酸化，这是通过与内小体/溶酶体进一步融合来实现的。晚期内涵体/溶酶体也表现出异质性，具体的表现为：具有不同的表面RAb蛋白和不同的水解酶。因此，有效的自噬降解需要自噬空泡与多个晚期内涵体/溶酶体融合，这可能需要不同的SNAREs和tethers。值得注意的是，多个SNAREs复合体和tethers因子的功能是部分冗余的，这在某些情况下意味着，通过促进另一种成熟机制，可以挽救由于一个因子的耗尽而导致的自噬小体的受损成熟。线虫中与EPG-5活性丧失相关的自噬缺陷抑制子的特征就是例证。首先，通过减少SNAP29的O -GlcNAcylation实现的STX17-SNAP29-VAMP8复合物的增强组装抑制了epg-5突变蠕虫、EPG5缺陷细胞、缺乏VCP（也称为p97）的细胞中的自噬缺陷——这是对含有泛素货物的自噬小体成熟必不可少（另见下一节）——和Wdr45–Wdr45b双敲除细胞。其次，由EPG5缺乏引起的自噬缺陷也可以通过TMEM39A敲低细胞HOPS复合物的晚期内涵体/溶酶体募集或通过IPMK敲除促进TFEB活性来提高溶酶体功能和生物发生来抑制。最后，epg-5中自噬小体成熟缺陷-通过表达RAB-7的GDP结合形式促进RAB-7动力学在非降解性自噬泡上的动态或通过消耗RBG-1-RBG-2复合物促进溶酶体生物发生和功能来拯救突变蠕虫— 一种GEF和GAP复合物，以促进突触传递和脂滴生物发生的RAB蛋白动力学而闻名。RBG-1-RBG-2已成为RAB-7活性的新调节剂，其可能通过将RAB-7 GEF靶向溶酶体或通过促进其对溶酶体的活性来发挥作用。然而，这些机制未能抑制由参与自噬小体形成的基因敲除引起的自噬缺陷。
自噬小体的成熟与对生长条件高度敏感的内吞转运通路有着错综复杂的联系。控制自噬小体成熟机制的异质性和冗余性赋予动态内吞运输以维持细胞稳态的灵活性和稳健性。

自噬小体成熟与疾病

降解性自溶酶体形成障碍与多种人类疾病的发病机制有关，包括神经退行性疾病、癌症和肌肉疾病(肌病)。有缺陷的自噬小体成熟会导致有毒蛋白聚集体的积累，并破坏细胞器，从而破坏细胞的动态平衡。无功能的双胞体、自溶酶体，甚至与其他腔室混杂融合产生的杂交囊泡，如回收内小体，可能会阻碍内皮细胞的转运和再循环，这也是疾病发病的原因之一。

神经退行性疾病中的功能障碍

自噬对神经元功能至关重要。突触蛋白、蛋白聚集体和受损线粒体的降解介导的循环在维持轴突内稳态中起到关键的作用。各种神经退行性疾病与自噬-内溶酶体系统功能障碍有关，包括阿尔茨海默病、帕金森病、亨廷顿病、肌萎缩侧索硬化症(Als)和额颞叶痴呆(Ftld)。值得注意的是，在这些疾病中，自噬小体形成，但随后累积为不可降解的自噬空泡。各种突变与这些神经退行性疾病有关(FIG.4)。其中一些突变在自噬小体成熟的交叉点发生并影响内吞运输。例如，影响动力蛋白-动力蛋白运动的P150亚基的突变会导致运动神经元疾病，而ESCRT-III复合亚基CHMP2B的突变会导致家族性肌萎缩侧索硬化症和FTLD。溶酶体功能受损也与神经退行性疾病的发病机制有关。当溶酶体酸化有缺陷时，溶酶体与自噬空泡的融合仍然可以发生，但所产生的自溶酶体是非降解的。突变的早老蛋白-1（Presenilin-1，PS1）是家族性阿尔茨海默病的主要原因之一，它损害溶酶体的酸化。此外，以功能障碍、非降解性自溶酶体为特征的LSD，如多重硫酸酯酶缺乏症、粘多糖病IIIA型和粘脂病IV型，与神经退行性变有关。溶酶体生物发生受损也是神经退行性疾病的一个特征。在这种情况下，疾病蛋白，如帕金森病中积累的α-synuclein，或x连锁脊髓和延髓肌萎缩中多谷氨酰胺扩张的雄激素受体，将TFEB隔离在细胞质中，损害溶酶体功能和自噬体成熟。溶酶体功能也可能因疾病蛋白引起的身体损伤而受损。疾病相关蛋白的淀粉样蛋白组合，包括阿尔茨海默病中的Aβ和Tau蛋白，帕金森病中的α-synuclein和亨廷顿病中病理性多谷氨酰胺扩张的亨廷顿蛋白(Htt)，可以在细胞间分泌和运输，并在内吞后诱导受体细胞内溶酶体破裂。

直接参与自噬体成熟的基因突变也会导致某些神经元群体的选择性损伤，从而导致神经退化特征(FIG.4)。EPg5基因缺陷的小鼠表现出运动神经元的选择性丢失，并表现出ALS41的关键特征。人类EPG5隐性突变与多系统疾病Vici综合征相关。Vici综合征患者表现出在Epg5基因敲除小鼠身上表现出来的神经发育和神经退行性改变的特征。维西综合征患者也表现出肌肉异常(骨骼肌病和心肌病)。这与自噬体成熟缺陷有关。在神经细胞中，WDR45和WDR45B在自噬小体成熟过程中冗余地作用于靶向EPG5的晚期内涵体/溶酶体。Wdr45的从头突变导致β螺旋蛋白相关的神经变性，以前被称为儿童期静止性脑病，成年后伴有神经变性。Wdr45基因敲除的小鼠表现出广泛的轴突肿胀和学习记忆障碍，这让人联想到β螺旋蛋白相关的神经变性。最近出现了WDR45B在智能障碍中的潜在致病作用。Wdr45b基因敲除的小鼠也表现出异常的运动行为和认知障碍，病理上表现为小脑萎缩和肿胀的轴突中自噬小体的聚集。值得注意的是，自噬体成熟过程中不同基因的突变会导致不同的神经病理缺陷。这可能是因为这些基因在不同的神经元亚群中有不同的表达，或者在不同类型的神经细胞中需要不同的表达，或者因为它们的突变导致不同类型的自噬物在不同的细胞中积累。这些基因在胞内转运和再循环中的不同功能也可能是导致不同的病理缺陷的原因之一。

肌肉疾病的发病机制

自噬对于保持肌肉质量和维持肌纤维完整性是必不可少的。溶酶体功能缺陷及其降解潜能与一组自噬性空泡肌病有关，包括Pompe病、Danon病和X连锁肌病的过度自噬，这些疾病都表现为无功能的自噬空泡堆积。庞贝病是由于溶酶体酸性α-葡萄糖苷酶(GAA)缺乏引起的，该酶能将糖原水解成葡萄糖。它的特点是大量积累自噬空泡，尤其是在骨骼肌中。与溶酶体膜蛋白LAMP2缺乏有关的患者表现为心肌病、肌病和变异性智力低下。Danon病患者和LAMP2基因缺陷小鼠心肌细胞和骨骼肌细胞内聚集大量自噬空泡。自噬过度的X连锁肌病是一种儿童起病，伴有进行性空泡化和骨骼肌萎缩，由空泡ATPase组装因子VMA21缺乏导致的溶酶体酸化受损引起。包括体肌病、骨佩吉特病和额颞叶痴呆(IBMPFD)相关肌病患者的肌肉细胞聚集了大量泛素阳性的边缘空泡，这些空泡是未消化的自噬空泡。IBMPFD的致病基因是VCP。VCP主要因其在泛素化蛋白提取中的作用而为人所知。VCP经常折叠错误，容易聚集，并且从膜或蛋白质复合物中提取以供降解或循环使用。VCP敲除或表达IBMPFD突变体VCP导致含有泛素阳性内容的自噬空泡积累。VCP被发现对后期(初始酸化之后)的自噬小体成熟是必不可少的，但VCP促进进一步成熟的确切机制尚不清楚。VCP突变也与家族性肌萎缩侧索硬化症相关。

癌症中的去调节机制

自噬以一种依赖于上下文的途径来起到肿瘤抑制和促进剂的作用。自噬通过在质量控制过程中起作用，如移除受损的线粒体和维持基因组的稳定性，来阻止肿瘤的启动和肿瘤发展的早期阶段。相比之下，在晚期肿瘤或癌症治疗过程中，自噬使肿瘤细胞能够在缺氧和新陈代谢压力等恶劣条件下生存下来。与此相一致，TFEB和TFE3活性增加导致溶酶体活性增加，这可能是由染色体重排、基因扩增或上调以及核运输增强引起的，并且与各种肿瘤的发展或转移有关，如肾细胞癌、前列腺癌、胰腺癌、非小细胞肺癌和乳腺癌。TFE3和TFEB也可能通过激活与肿瘤发生有关的信号通路，如wnt和转化生长因子β信号，促进癌症进展，部分独立于它们在自噬中的功能。然而，在胰腺导管腺癌的发病机制中，TFE3和TFEB的高表达和核输入已被证明维持较高的自噬水平，以维持细胞内的氨基酸库。增强的TFEB活性还可以促进溶酶体的胞吐作用，将组织蛋白酶等蛋白水解酶释放到细胞微环境中，刺激细胞外基质的重塑，从而刺激癌细胞的侵袭和转移。自噬成熟机制的紊乱也可能导致肿瘤的发生和发展。EPG5的改变被认为与乳腺癌和前列腺癌有关。EPG5在NSCLC临床样本中的表达显著降低，并且EPG5基因敲除促进了NSCLC细胞的增殖和肿瘤的发生。WDR45在子宫内膜癌患者中发生基因改变，在宫颈癌发生中下调。然而，由于上述自噬小体成熟机制的异质性和冗余性，单个成分的改变可能不足以驱动肿瘤的发生和肿瘤的进展，很可能自噬小体成熟的改变与其他致癌病变共存，进一步加重了病理。

与病原体生命周期相互作用

自噬通过捕获病原体并将其运送到溶酶体进行降解(这一过程被称为异源吞噬)来对入侵的病原体作出反应；这有助于抗原呈递以激活先天和获得性免疫反应。病原体已经进化出不同的策略，在逃避破坏的起始和/或成熟阶段抑制自噬。某些病原体甚至为了自身的利益阻止自噬体成熟并颠覆产生的小泡。

利用自噬小体/双体进行病毒复制和释放

PicorNaviridae家族的正链RNA病毒，如脊髓灰质炎病毒、鼻病毒、柯萨奇病毒B3和肠道病毒D68，利用双膜泡(DMV)作为膜支架进行复制和转录。在感染病毒的细胞中形成的DMV比正常的自噬小体要小。它们表现出自噬小体/自噬内涵体的特征，如LC3和晚期内噬/溶酶体标记LAMP1阳性，但它们进一步成熟为降解的自溶酶体是受阻的。β冠状病毒包括小鼠肝炎病毒(MHV)、中东呼吸综合征冠状病毒(SARS-CoV)、严重急性呼吸综合征冠状病毒(SARS-CoV)和SARS-CoV-2，它们也会诱导DMV的形成，以锚定病毒的复制和转录复合体。病毒RNA产物定位于DMV管腔，并通过双跨膜分子孔运输到胞浆进行翻译和病毒粒子组装。然而，典型的自噬机制，如LC3脂化系统，不是DMV形成或冠状病毒复制所必需的。相反，MHV感染细胞中的DMV与内质网衍生的小泡有关，这些小泡被称为“EDEMosome向晚期内涵体/溶酶体递送短暂的内质网相关降解调节因子(ERAD)。然而，冠状病毒感染需要某些自噬蛋白。LC3装饰DMV，是MHV复制所必需的。与自噬结构(LC3与磷脂酰乙醇胺偶联)不同，MHV感染细胞的DMV上存在非脂化LC3。SARS-CoV-2感染需要参与PtdIns3P生成的自噬蛋白。内质网定位的跨膜自噬蛋白EPG3(也称为VMP1)和TMEM41B对于自噬小体的形成是必不可少的。EPG3和TMEM41B对于SARS-CoV-2等冠状病毒的复制也是必不可少的。但这些蛋白质在病毒生命周期中的作用步骤尚未确定。在被β冠状病毒感染的细胞中，复制的病毒在溶酶体内运输，并通过胞外途径释放。通过装载过多的病毒颗粒和/或通过诸如SARS-CoV-2的ORF3a之类的病毒蛋白来使溶酶体脱酸，会促进溶酶体的胞吐，从而促进病毒从受感染的细胞中排出。自噬小体还可以隔离和介导脊髓灰质炎病毒、柯萨奇病毒B3和肠道病毒D68的非溶血性胞外释放。

细菌在自噬空泡中的生存和增殖

细菌通过吞噬作用侵入宿主细胞，并居住在含有细菌的液泡中。如果液泡膜受损，细菌可能会逃逸到细胞质中。自噬将细菌捕获到胞浆或受损的液泡中，并将它们运送到溶酶体进行破坏（通过异体吞噬通过异体吞噬）。细菌使用不同的分泌系统传递效应物或毒素，以逃避自噬监视，甚至利用自噬空泡在细胞内生存和生长。细菌毒力因子可以通过抑制自噬诱导信号、损害自噬识别或直接削弱自噬蛋白的功能来阻止自噬。例如，嗜肺军团菌效应蛋白RavZ通过作为解偶联脂质结合的ATG8蛋白的半胱氨酸蛋白酶来抑制宿主自噬。RavZ在羧基末端甘氨酸和倒数第二个芳香族残基之间切割ATG8蛋白，产生不能重新结合的ATG8蛋白。SopF是肠沙门氏菌亚种的效应子。鼠伤寒沙门氏菌通过干扰受损含菌液泡上的V-ATP酶与ATG16L的结合而影响异源吞噬的启动。含有细菌的自噬空泡(自噬小体或含有细菌的空泡和自噬小体的融合小泡)通过分解酶的沉积而成熟为降解的自溶酶体也可以被抑制。在巨噬细胞中，含有结核分枝杆菌强毒株(H37Rv)的自噬空泡不能招募RAB7成熟为自溶酶体。含有海洋分枝杆菌和鼠疫耶尔森氏菌的空泡具有不降解的自溶酶体的特征，没有溶酶体酶。一些细菌(例如粘质沙雷氏菌、金黄色葡萄球菌、吞噬无浆菌和伯氏柯克斯体)甚至利用自噬空泡作为细胞内生长和增殖的复制场所。与自噬小体的融合通过促进单个含有细菌的液泡的融合和/或为液泡扩张提供一层膜，促进了细菌驻留和复制的液泡的形成，也为病原体提供了营养。与此相一致，这些病原体的复制通过自噬诱导而促进，并通过自噬抑制来阻止。

病原体干扰自噬小体成熟的机制

病毒广泛使用抑制STX17-SNAP29-V AMP8的组装来防止可降解的自溶酶体的形成和/或积累自噬小体/自噬内涵体以供其复制或释放(FIG.5a)。柯萨奇病毒B3和肠道病毒D68的病毒蛋白酶3C介导SNAP29的裂解，使两个SNARE基序分离，从而阻碍SNARE复合体的形成。人副流感病毒3型磷酸化蛋白(P)与SNAP29结合抑制其与STX17的相互作用。而在复制丙型肝炎病毒的细胞中，由于STX17的表达减少和周转增加，STX17的水平降低。拴系因子也可以成为病毒效应器的靶点。PLEKHM1是柯萨奇病毒B3的蛋白酶3C的蛋白水解性靶标，目的是将HOPS复合物结合和LC3结合的氨基末端与RAB7相互作用的羧基末端分开，从而取消其拴系功能(FIG. 5a)。感染SARS-CoV-2或表达病毒辅助蛋白ORF3a的细胞，将HOPS复合体的隔离成分隔离在晚期内涵体上。这阻止了功能性HOPS复合物与STX17相互作用，从而抑制了STX17-SNAP29-V AMP8复合物的组装(FIG.5a)。甲型流感病毒M2蛋白通过干扰含Beclin 1和含UVRAG的Vps34复合物抑制自噬小体成熟(FIG.5a)。细菌毒力因子也会阻止含有细菌的自噬空泡的成熟和消除，但其机制还不是很清楚。图5B中示出了示例。

治疗性干预

自噬途径的不同步骤是治疗干预的潜在靶点。自噬形成的抑制剂和激活剂，包括Vps34和ULK1抑制剂或激活肽T-beclin 1，是有效的自噬调节剂，但还不能用于临床。相比之下，溶酶体促进剂可以抑制溶酶体的活性，阻止溶酶体与自噬小泡的融合，已经在几个临床试验中使用。通过靶向成熟机制的关键组件或通过靶向溶酶体的转录程序来控制自溶酶体的活性来调节自噬体成熟也是一种潜在的调节自噬通量的治疗选择，但如果要在临床上使用，这些方法还需要进一步的优化。抑制和刺激自噬体成熟是重要的治疗途径。在许多神经退行性疾病中，自噬小体成熟受阻，因此，恢复自噬通量将是一个重要的治疗选择。当需要抑制自噬时，例如在癌细胞中，重要的是要考虑必须中断自噬途径的步骤。当自噬在自噬形成或自噬成熟时被阻断时，可以观察到不同的结果。与此相一致，研究表明，在肿瘤坏死因子相关的凋亡诱导配体(TRAIL)作用下，阻断自噬小体的成熟有利于肿瘤坏死因子相关的凋亡诱导配体(TRAIL)引起的细胞死亡，而阻断自噬小体的形成则会触发肿瘤坏死因子相关凋亡诱导配体(TRAIL)依赖性的细胞凋亡。

干预自噬成熟机制

靶向控制自噬体成熟的机制(如ESCRT、SNARES和HOPS复合体)或靶向这些蛋白质的翻译后修饰将是增加或减少自噬通量的理想选择。O-GlcNAc转移酶抑制剂和与之相反的O-GlcNAcase抑制剂分别通过调节SNAP29的O-GlcN酰化来刺激或抑制自噬小体成熟(TABLE1)。由于许多细胞蛋白是O-GlcNacylated的，封闭特定蛋白上的O-GlcNAc位点将需要开发提高靶向选择性的方法，例如使用适体或纳米体。另一种抑制自噬体成熟的策略是使用小分子TCH-165来特异性地激活SNAP29和STX17的蛋白酶体降解。抑制Rubicon是一种潜在的促进自噬的方法；然而，药理上的Rubicon抑制剂还没有被开发出来。这一策略必须仔细评估，因为Rubicon是LC3相关吞噬作用的积极调节剂，这一过程已知在许多炎症性疾病中具有保护作用。

自噬体成熟过程中转录程序的调控

TFEB/TFE3 的调节是在转录水平上控制自噬的明显策略。已经表明，TFEB过表达通过刺激脂肪吞噬作用在改善LSD和肥胖方面具有有益作用。然而，TFEB的慢性过度表达有利于胰腺肿瘤和NSCLC的发展。因此，开发小分子以急性刺激TFEB并利用自噬-溶酶体途径将有利于改善自噬具有防御作用的疾病。小分子可以通过调节其上游激酶或磷酸酶间接激活 TFEB（TABLE1）。

例如，雷帕霉素通过抑制mTORC1活性或通过PKC-GSK3β级联从草本植物 Euphorbia peplus Linn中分离的化合物促进TFEB核转运。

溶酶体试剂阻断自噬小体成熟

氯喹 (CQ)、羟氯喹 (HCQ) 及其衍生物是唯一临床批准的作用于自噬小体成熟的药物（TABLE1）。它们单独使用或与其他药物联合使用，主要用于正在进行的肿瘤学试验，一般目标是通过阻断癌症治疗诱导的自噬来优化治疗。新一代二聚体CQ衍生物Ly05和DQ661的活性浓度低于CQ和HCQ。

CQ和HCQ通过抑制自溶酶体的水解能力来阻断自噬通量。它们增加自溶酶体区室的pH 值，从而阻断酸性蛋白酶和其他酶的活性。除了捕获H 的能力外，单体和二聚体CQ衍生物还通过抑制溶酶体酶棕榈酰蛋白硫酯酶1 (PPT1) 的活性来阻断溶酶体功能，该酶参与稳定V-ATPase亚基的溶酶体定位。因此，PPT1的抑制导致自噬抑制。此外，溶酶体功能和自噬小体的融合可以通过其他pH调节手段（例如通过调节V-ATPase）、抑制阳离子通道 TRPML1、抑制溶酶体酶或调节溶酶体膜动力学--融合和裂变--影响溶酶体数量和功能（TABLE1）

值得注意的是，溶酶体药物靶向所有酸性区室和其他途径，因此在某些情况下，溶酶体药物的有益作用可归因于除阻断自噬以外的机制。例如，这些药物通过改变内吞途径中信号分子（即NOTCH1）的运输和其他机制，独立于自噬阻断抑制肿瘤进展。还值得一提的是，由于参数不同，体外观察到的CQ和HCQ的活性在体内可能并不相同。例如，在病毒感染期间，体外使用的细胞类型可能无法反映病毒在体内的趋向性或对CQ的敏感性。此外，肿瘤中的酸性环境可以使溶酶体物质质子化并大大降低其细胞摄取。

本文小结：

自噬体成熟是自噬途径中必不可少的步骤，可确保形成降解的自溶酶体。它增加了另一层复杂性，并提供了一个额外的节点，以整合营养状况和调节自噬降解的压力。在不同的细胞类型和生长条件下，内溶酶体间隔的不同组织和运输增加了自噬和内吞途径的交叉点的复杂性。因此，反式SNARE复合物和tethering因子与上下文特定的因子协同作用，介导自噬小体与内吞囊泡和溶酶体的融合。需要进一步的研究来阐明不同的信号通路和胁迫如何协调自噬小体的启动和成熟，以确保自噬通量的有效进行，以及这些过程如何适应不同的细胞类型或病理生理环境。

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