自噬是細胞自身物質(zhì)更新代謝的重要機制，簡單地說，就是“自己吃自己”。自噬事關細胞從成長、發(fā)育到衰老的全部過程，對維持機體健康至關重要，吸引著科學家的高度關注。

自2015年起，在國家自然科學基金創(chuàng)新研究群體項目“多細胞生物自噬過程中膜的構(gòu)建與融合”(以下簡稱創(chuàng)新群體項目)支持下，中國科學院生物物理研究所研究員張宏帶領科研人員對自噬小體的形成以及自噬小體的成熟機制進行了深入研究，取得豐碩成果。

科研一小步 認知一大步

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

盡管早在上世紀60年代科學家就發(fā)現(xiàn)了細胞自噬的現(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)皆白的日本科學家大隅良典獨享諾貝爾生理學或醫(yī)學獎。從上世紀90年代開始，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胞自噬的遺傳篩選模型奠定了基礎。

很長一段時間，科學家對自噬的理解都是基于單細胞生物酵母中鑒定的自噬基因的研究。長期從事秀麗線蟲研究的張宏認為，多細胞生物的自噬過程要復雜得多。“在多細胞生物中，自噬小體形成時，需與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)建立動態(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’的過程，最終與溶酶體融合形成有降解活性的自噬溶酶體。”他說。

這一過程一直沒有得到揭示。2015年，在大隅良典獲頒諾貝爾獎的前一年，國內(nèi)該領域的專家就前瞻性地預見到多細胞自噬在科學上的重大價值，創(chuàng)新群體項目正是在這樣的背景下立項。

5年來，在國家自然科學基金的支持下，創(chuàng)新群體項目成員率先推進了全球“獨一份”的研究工作。“我們在前人基礎上走的一小步，卻是多細胞生物自噬認知上的一大步。”張宏說。

張宏課題組建立了線蟲作為研究多細胞生物自噬的研究模型，在國際上首次通過遺傳篩選鑒定了系列多細胞生物特有的新自噬基因，并揭示了這些新基因在多細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，則會阻斷自噬小體正常形成。而EPG5則通過與溶酶體上的多個蛋白相互作用，在自噬小體成熟過程中扮演著重要角色。

基礎研究的使命與擔當

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

作為生命科學研究者，群體成員也一直堅信，基礎研究要堅持面向人民生命健康。2020年初，新冠疫情來勢洶洶，張宏和團隊成員立刻付諸實踐。“這是我們項目計劃以外的一個課題。”張宏告訴《中國科學報》，新冠疫情牽動著全中國乃至全球人民的心，作為科學家，他們更不能置身事外。

抵抗外來入侵的病原體，自噬也是相當重要的機制之一。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程。形象地說，這個病毒蛋白把一些原本在自噬小體成熟過程中發(fā)揮關鍵作用的分子牢牢“拽”著，幫助病毒逃脫被降解的命運。研究人員相信，這項研究對于理解新冠病毒的高傳染性和致病性以及開發(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關注的現(xiàn)實需求之一。過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。那么，為什么淀粉樣蛋白不能被自噬清除呢?

“我們看到一個現(xiàn)象，即使細胞自噬機制正常，沒有受到任何損傷，有一些蛋白質(zhì)聚集體仍然無法被清除。”張宏介紹。于是，群體成員獨辟蹊徑地將目標鎖定在蛋白質(zhì)聚集體上。經(jīng)過一系列實驗，他們確認，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)聚集體才能誘導產(chǎn)生雙層膜結(jié)構(gòu)從而進入自噬過程被清除掉。而呈現(xiàn)出固體、纖維狀的淀粉樣蛋白則無法誘導形成雙層膜，從而逃避被清除。

基礎研究本身也推動人們對相關疾病的認知。“人類遺傳學研究發(fā)現(xiàn)，我們利用線蟲遺傳體系篩選得到的EPG5基因突變會導致一種稱作Vici綜合征的多系統(tǒng)紊亂疾病，但其致病機制仍不清楚。”該團隊的研究發(fā)現(xiàn)EPG5特異性介導自噬小體與晚期內(nèi)吞體之間的融合。EPG5缺失會導致無法形成有功能的自噬溶酶體，從而引起細胞內(nèi)膜系統(tǒng)功能紊亂。這一研究對闡述Vici綜合征的發(fā)生發(fā)展有重要意義。

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

優(yōu)勢互補 精誠合作

在該創(chuàng)新群體項目中，張宏和胡俊杰、徐平勇、徐濤等4位來自中國科學院生物物理研究所的研究員優(yōu)勢互補、協(xié)同攻關，共同解析細胞自噬作用。

張宏坦言，回顧創(chuàng)新群體項目申請與執(zhí)行的歷程，正是這一項目為他們提供了合作的契機和平臺。“胡俊杰長期從事內(nèi)質(zhì)網(wǎng)方面的研究，多細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)的動態(tài)互作也是多細胞生物特有的過程。”他說。因此，決定申請項目之初，張宏就主動邀請剛剛加入中國科學院生物物理研究所的胡俊杰。

徐濤和徐平勇的強項則在于發(fā)展新技術(shù)新方法研究自噬過程的膜融合。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，提高了在活細胞中觀測自噬小體的分辨率。

“一項成像技術(shù)從開發(fā)到真正在某一個生物學問題上實現(xiàn)應用，可能需要很長時間的積累，特別是對于細胞自噬這一高度動態(tài)的過程。”張宏說。

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

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

《中國科學報》：您對基礎研究堅持面向人民生命健康有哪些體會?

張宏：基礎研究堅持面向人民生命健康，需要我們從現(xiàn)實存在的疾病中尋找科學問題。多年來，我的體會是解決基礎科學問題和解決疾病中的科學問題二者相輔相成，不能分割。一方面，基礎科學問題的研究成果能夠應用在疾病診治中，有助于應對疾病。另一方面，從疾病中尋找并解決科學問題也能增加人類的認知，“反哺”基礎科學的發(fā)展。

例如，我們以細胞自噬為視角對新冠病毒的研究，對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，也增加了我們對自噬膜動態(tài)過程的理解。

當然，在這個循環(huán)中，基礎科學的進步是“總機關”，沒有基礎科學研究成果就談不上解決現(xiàn)實問題。

《中國科學報》：未來多細胞自噬的關鍵問題有哪些?

張宏：首先，自噬小體雙層膜的來源仍然不清楚，這是領域中最基礎的科學問題，將來還要進行深入研究。第二，自噬作用的特異性如何決定，也就是說自噬如何“定點”清除細胞垃圾，這個問題會與健康緊密相關。第三，有關自噬活性協(xié)同調(diào)控的規(guī)律，這也是多細胞生物自噬所特有的。

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

《中國科學報》：對研究這些科學問題的新技術(shù)有什么期待?

張宏：自噬研究對探針和成像技術(shù)都提出了挑戰(zhàn)。我們知道，多細胞生物的自噬小體成熟過程要和很多囊泡進行融合，并且過程發(fā)生很快。這就需要能夠標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，對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)在不久的將來能夠涌現(xiàn)出來。

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