Crosstalk between autophagy and inflammatory signalling pathways: balancing defence and homeostasis

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。