自噬和凋亡是真核生物中广泛存在的主动或应激代谢过程，是细胞内蛋白质的生物合成和分解代谢之间保持动态平衡的关键因素之一，平衡的破坏会造成肿瘤细胞生长和细胞死亡，因此自噬和凋亡这两种程序性细胞死亡(PCD)在维持细胞生存和发育过程中扮演着重要角色^[1]。在哺乳动物细胞中，一系列自噬相关蛋白质(ATGS)如ATG4、ATG5、Beclin－1(酵母ATG6同源物)和ATG12等参与到自噬和凋亡的分子调控网络过程中^{[2,3,4,5,6,7]}。本文就自噬相关蛋白质ATG5调控细胞自噬和凋亡的研究进展作一综述，为进一步研究ATG5调控细胞自噬和凋亡的分子机制奠定基础。

在哺乳动物细胞中，自噬由一系列ATGS通过起始、成核、延伸、闭合、成熟和降解等六个阶段完成，以自噬体和溶酶体融合为自噬溶酶体、批量降解长寿命蛋白质和细胞器为特点^[8]。这些ATGS主要通过LC3－Ⅱ(酵母ATG8－PE同源物)和ATG5－ATG12－ATG16L两大泛素化途经在自噬体的前体装配结构(PAS)位点上募集组装形成自噬体^[9]。目前认为，ATG5和LC3－Ⅱ在自噬体和自噬小泡形成中起重要作用，ATG5参与自噬体的起始、成核、延伸、闭合等阶段，而LC3－Ⅱ是自噬体发生和发展过程中唯一留存在自噬体双层膜上的蛋白质，是确认细胞自噬的最直接证据^[10]。我们也通过Western印迹技术检测了昆虫细胞中ATG8－PE含量与自噬的相关性，发现ATG8－PE的含量与昆虫细胞自噬程度呈正相关关系，该研究结果与哺乳动物细胞研究结果一致^[11]。

细胞凋亡是由半胱氨酸的天冬氨酸蛋白水解酶(cCaspase)参与，以染色体浓聚、细胞皱缩、DNA降解和凋亡小体形成等为特征的一种程序性细胞死亡^[12]。目前认为细胞凋亡的信号通路主要有三条：线粒体途径、死亡受体途径和内质网途径^[13]。自噬和凋亡信号通路既单独存在，也相互联系，最初认为自噬和凋亡作为细胞降解方式在形态、生化指标、参与分子和机制方面均存在不同，后来许多证据显示二者在某些情况下可以相互拮抗或促进^[14]。最近的研究表明，参与自噬和凋亡的分子也可能存在交叉，这些分子在自噬与凋亡两种机制中可发挥正向或负向的作用，如在哺乳动物细胞中，P53、Beclin 1、ATG4、ATG5和Bcl－2家族等很多相关蛋白质参与到了自噬和凋亡的分子调控网络当中^[15]。

自噬作为一种促细胞生存或保护机制发挥作用，饥饿或其他胁迫信号通过抑制PI3KⅠ/Akt －Tor途经和激活PI3K Ⅲ /Beclin 1途经诱导细胞的基础自噬，以降解和清除错误折叠的蛋白质和缺陷型细胞器而继续存活^[16]。其次，自噬又作为一种促细胞死亡机制发挥作用，过度饥饿通过上述二个途经诱导细胞发生高水平自噬触发凋亡的程序性细胞死亡，即自噬的促凋亡机制，这种情况下，PCD由两种作用共同推进，加速了细胞不可逆死亡的进程，细胞表现为自噬(PCDⅡ)先于凋亡(PCDⅠ)的时序^[17]。通过对哺乳动物的研究揭示，在饥饿信号诱导的自噬先于凋亡的PCD进程中，ATG4、ATG5和Beclin 1的截短型分子ATG4D、ATG5－tN和Beclin 1－C发挥了在细胞自噬过程中诱导细胞凋亡的功能，即ATG4、ATG5和Beclin 1被认为是导致PCD机制中细胞自噬触发凋亡的重要分子开关蛋白质^{[2,3,5,6,7,18,19]}。

自噬相关蛋白ATG5存在于大部分真核生物，相对保守，在自噬体形成过程中起重要作用。以酵母为模式生物，自噬体形成的早期阶段，由ATG12－ATG5－ATG16L形成的复合物与其外膜结合，这种结合一方面促进了自噬体的伸展扩张，使之由开始的小囊泡样、杯样结构逐渐发展为半环状、环状结构^[20]；另一方面，ATG5复合物与自噬体膜的结合还促进了LC3(酵母ATG8)向自噬体的募集^[21]。ATG5复合物在膜上的定位决定膜的弯曲方向，膜向着背对ATG5复合物的方向延伸，当双层膜结构的自噬体即将形成环状闭合结构或刚刚闭合时，ATG5复合物便从膜上脱离下来，只留下LC3(酵母ATG8)与磷脂酰乙醇胺(PE)结合形成的LC3－Ⅱ(ATG8－PE)锚定在自噬体膜上^[22]，因此，LC3－Ⅱ含量的多少与自噬体数量的多少呈正比，当哺乳动物细胞发生自噬时，细胞内LC3的含量及LC3－Ⅰ向LC3－Ⅱ的转化均明显增加，通过对LC3－Ⅱ(ATG8－PE)表达水平的检测，可以作为评价自噬发生程度的明确证据^[23]。

另外的研究发现ATG5裂解物氨基端相对分子质量24 000截短型的ATG5－tN具有促凋亡作用。全长相对分子质量24 000的ATG5除了参与形成自噬体外，还会被钙蛋白酶(calpains)裂解，裂解产生相对分子质量24 000的氨基端截短片段ATG5－tN定位到线粒体膜而具有促凋亡活性，在其他凋亡细胞中也观察到相对分子质量24 000的ATG5－tN以同样的规律出现，同时在凋亡细胞中用钙蛋白酶抑制剂或者RNAi下调钙蛋白酶后，能够阻断ATG5的裂解^[24]。进一步研究发现定位于线粒体膜上的ATG5－tN与凋亡抑制蛋白BCL－XL结合，导致Bax活化形成Bax－Bax同源二聚体，从而促进凋亡^[25]。

钙蛋白酶是钙依赖性中性蛋白酶，其活性受细胞质中Ca^＋浓度调节，哺乳动物中钙蛋白酶含量的高低与ATG5的活性密切相关^[26]。内质网是细胞内蛋白质合成的主要场所，同时也是Ca^2＋的主要储存库，内质网对细胞凋亡的作用表现在两个方面：一是内质网对Ca^2＋的调控，二是Caspase－12在内质网上的激活。相对高浓度的Ca^2＋可以激活胞质中的钙蛋白酶，钙蛋白酶进一步切割ATG5形成ATG5－tN，ATG5－tN与线粒体膜上的抗凋亡蛋白BCL－XL结合，影响线粒体膜通透性和膜电位的改变，从而促进凋亡。但是内质网上BCL－2家族中凋亡抑制蛋白BCL－2或BCL－XL则可以调节网腔中游离Ca^2＋浓度，使胞质中的Ca^2＋维持在合适的浓度水平，进而起到抗凋亡的作用^[27]。研究发现caspase家族中的caspase－12定位于内质网，当内质网钙离子动态平衡破坏或过多蛋白积聚时内质网可激活caspase－12，活化的caspase－12可进一步激活caspase－9，再级联激活凋亡执行分子caspase－3而参与内质网途径引起的细胞凋亡^[28]。

Atg5基因的缺失对哺乳动物细胞自噬和凋亡进程也会产生影响。Mizushima等^[29]证实Atg5基因缺陷的鼠胚胎干细胞缺乏ATG5－ATG12－ATG16L复合物，其LC3－Ⅰ到LC3－Ⅱ的修饰同时受到影响，从而导致自噬泡形成缺陷，基因突变的ATG5丧失了与ATG12结合的能力，同时也导致自噬泡延伸障碍。而Chen等^[30]证实ATG5基因缺陷的鼠胚胎干细胞更易于引起饥饿诱导的细胞凋亡，这些研究暗示ATG5在调控哺乳动物细胞自噬和凋亡过程中起重要作用。我们在昆虫细胞中的研究发现，全长的ATG5(相对分子质量31 000)能调控细胞自噬进程，而截短分子ATG5－tN(相对分子质量24 000)则具有触发细胞凋亡的作用，这些结果为ATG5在昆虫细胞自噬和凋亡中的重要作用奠定了基础，但对ATG5调控昆虫细胞自噬触发凋亡的分子机理还需深入研究^[11]。

ATG5在调控自噬和凋亡两种程序性细胞死亡过程中的关键作用还有待于我们进一步深入研究。前期研究结果显示在哺乳动物细胞中ATG5与ATG12、ATG16L结合形成ATG5－ATG12－ATG16L复合体促进自噬体的延伸与闭合，当ATG5在氨基端130位的赖氨酸发生突变后将不能和ATG12羧基端的甘氨酸结合成ATG5－ATG12－ATG16L复合体，使细胞死亡而不能发生自噬^[31]，一旦ATG5和ATG12结合就很难解离，但迄今为止没有发现分解ATG5－ATG12复合物的解离酶^[32]。在凋亡调控通路中，截短型的ATG5－tN在线粒体膜上与抗凋亡分子BCL－XL结合促进凋亡的发生，BCL－XL为凋亡抑制分子家族中的一种，其他的凋亡抑制分子还有BCL－2, BCL－W, MCL－1, BCL－B和A1等^[33]。在凋亡信号通路中，ATG5－tN是否与其他凋亡抑制分子结合？抑制或敲除BCL－XL分子后，细胞对凋亡的响应增强还是减弱？在自噬信号调控通路中，抑制或敲除ATG12或ATG16L是否能减弱自噬程度？这些问题值得我们深入研究。为此，本课题组在前期研究基础上对ATG调控细胞自噬和凋亡方面着重开展以下方面的研究：(1)通过CRISPR/Cas9系统分别敲除ATG5，ATG12，ATG16L，研究细胞对自噬和凋亡的响应程度。(2)RNAi技术分别干扰BCL－2, BCL－W, MCL－1, BCL－B和A1等凋亡抑制因子，研究细胞对自噬和凋亡的响应程度。(3)应用不同的蛋白酶与纯化的ATG5－ATG12复合物体外孵育，深入挖掘解离ATG5－ATG12复合物的酶，为研究ATG5－ATG12－ATG16L复合物对自噬体的形成提供新的思路。(4)由于自噬和凋亡的异常会造成肿瘤细胞生长和细胞死亡，通过对细胞中ATG5含量的表达检测，研究癌症、肿瘤、神经退行性疾病与ATG5的密切关系，为这些疾病的早期检测、诊断和治疗提供新的方法和依据。当然，对ATG5调控自噬和凋亡的研究还远不止这些，它所扮演的许多关键作用还有待于我们去进一步研究，解析ATG5调控自噬和凋亡的分子机制，有助于我们进一步掌握这两种程序性细胞死亡方式对细胞生长发育的影响，为我们人类重大疾病的发生机制、与自噬和凋亡的密切关系提供新的思路和想法。