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这篇综述聚焦自噬（Autophagy）在成体干细胞（SCs）中的关键作用。阐述了自噬参与 SCs 静息、增殖等过程的调控机制，揭示其与 SCs 衰老的关联，探讨了通过调节自噬干预衰老相关疾病和癌症的治疗策略，为再生医学提供了新思路。
自噬的功能与机制
自噬是一种高度保守的细胞过程，在维持细胞内环境稳定方面发挥着至关重要的作用。其主要功能包括维持蛋白质稳态和调节能量平衡。当细胞受到热休克、氧化应激等压力时，蛋白质会发生错误折叠和损伤，形成可能有毒的蛋白质聚集体。自噬通过降解这些蛋白质聚集体，实现蛋白质组的平衡和功能正常。同时，在营养匮乏时，自噬会上调，分解非必需的蛋白质、脂质和糖原，为细胞提供合成必需大分子和产生能量的底物，以维持细胞存活。例如，限时进食（TRF）这种饮食干预方式，能诱导自噬，促进代谢健康，对延长寿命起到关键作用。
自噬主要有三种形式：巨自噬（Macroautophagy）、微自噬（Microautophagy）和分子伴侣介导的自噬（Chaperone-mediated autophagy，CMA）。巨自噬是研究最为广泛的一种自噬形式，其过程包括吞噬泡起始、囊泡延伸、自噬体成熟、溶酶体融合和自噬溶酶体降解。在这个过程中，Unc-51 样自噬激活激酶（ULK1）复合物被激活并转移到自噬体形成位点，磷酸化液泡蛋白分选 34（VPS34）复合物，启动吞噬泡的形成。随后，泛素样结合系统使吞噬泡延伸并形成双膜自噬体，微管相关蛋白 1 轻链 3（LC3）在这一过程中发挥重要作用，它先被自噬相关蛋白（ATG4B）切割转化为 LC3-I，再与磷脂酰乙醇胺（PE）结合形成 LC3-II，LC3-II 参与自噬体的形成和货物招募。最后，Ras 相关结合蛋白（RAB）等帮助自噬体与溶酶体融合，使货物在自噬溶酶体中被水解酶降解和回收。巨自噬还包括选择性自噬，如线粒体自噬（Mitophagy）和聚集自噬（Aggrephagy），分别用于清除受损的线粒体和蛋白质聚集体，维持细胞正常功能。
微自噬是指溶酶体或源自内质网、内体、细胞膜的液泡膜直接吞噬小部分细胞质成分的过程。在哺乳动物细胞中，内体分选转运复合体（ESCRT）在微自噬中起着关键作用，它介导膜内陷、囊泡形成和断裂，将吞噬的细胞质成分运输到溶酶体进行降解。例如，Charged Multivesicular Body Protein 4B（CHMP4B）作为 ESCRT 复合物的核心亚基，驱动膜向内凹陷；Vacuolar Protein Sorting 4 Homolog A（VPS4）促进 ESCRT 复合物的解体，帮助形成腔内囊泡。内体自噬和溶酶体微自噬都是微自噬的具体形式。
分子伴侣介导的自噬是一种高度选择性和保守的自噬过程，专门针对可溶性胞质蛋白。含有 KFERQ 基序的蛋白质被热休克同源蛋白 70（HSPA8/HSC70）识别，并运输到溶酶体上的受体溶酶体相关膜蛋白 2A（LAMP2A）。底物蛋白与 LAMP2A 结合后，刺激单体 LAMP2A 组装成多聚体转运复合体，使底物蛋白进入溶酶体被降解。
在自噬研究中，自噬通量是一个常用的测量指标，它涵盖了自噬从自噬体形成到与溶酶体融合再到内容物降解的整个过程。由于自噬是一个动态过程，测量自噬通量比仅测量自噬体数量能更准确地评估自噬活性。目前有多种方法可以评估自噬，如基于 LC3 的可视化方法，LC3 从胞质形式（LC3-I）转化为脂化形式（LC3-II）并整合到自噬体膜上，可用于监测自噬体，但需要结合其他检测方法（如透射电子显微镜、通量分析）进行综合判断。此外，一些药物（如雷帕霉素、羟氯喹等）和行为干预（如饥饿、运动）可以改变自噬活性，有助于研究自噬的作用机制。
成体干细胞的调控
成体干细胞存在于各种组织中，具有自我更新和分化为特定组织细胞类型的能力，在维持组织稳态、促进组织修复和补充方面发挥着关键作用。成体干细胞的状态包括静息、激活、自我更新和分化，这些状态受到严格调控，以确保干细胞功能的正常发挥。
干细胞静息是一种可逆的G0状态，此时成体干细胞处于非活动状态，代谢活性较低。静息状态对于干细胞耐受代谢压力、保护基因组完整性至关重要，有助于干细胞在生物体的整个生命周期中保持功能。静息干细胞具有低 RNA 含量和紧密的异染色质结构，以维持低转录活性。P53、Notch、Wnt 和 BMP 信号通路是调节干细胞静息的主要途径，Forkhead box O（FOXO）家族在抵抗代谢压力方面也发挥着重要作用。
当受到内在和外在信号（如生长因子、环境信号）刺激时，静息的成体干细胞会重新进入细胞周期，激活并增殖。这一过程伴随着染色质构象从异染色质向更易接近的常染色质结构转变，基因表达和蛋白质合成水平整体增加，特别是与细胞周期进展和增殖相关的基因上调。同时，一些成体干细胞会经历代谢重编程，从糖酵解转变为线粒体氧化磷酸化，以满足快速细胞分裂和细胞内成分合成所需的高能量需求。
在干细胞群体扩增后，干细胞会做出命运决定，要么分化为特定的细胞谱系，要么回到静息状态。干细胞可以进行对称分裂，即两个子细胞要么都分化，要么都保留干细胞特性；也可以进行不对称分裂，即一个子细胞保持干细胞状态，另一个子细胞则分化。自我更新对于维持干细胞库的稳定和保留未来谱系分化的潜能至关重要，而干细胞分化则是补充和修复受损或退化组织的必要过程。例如，转录因子和微环境衍生的信号在调节造血干细胞（HSCs）向特定分化细胞谱系的转变中起着关键作用。
随着生物体的衰老，成体干细胞的数量和功能都会下降。衰老的静息干细胞染色质景观失调，例如，衰老的静息肌肉干细胞会向慢性激活的染色质特征转变，导致基因表达模式改变。干细胞会积累氧化应激，线粒体功能受损，并表现出细胞衰老的特征。同时，干细胞微环境也会发生扭曲，细胞外基质变硬，成分改变。这些变化共同导致干细胞功能失调，组织再生能力受损，进而促进衰老相关疾病和癌症的发展。
自噬在静息干细胞中的作用
静息干细胞表现出不同水平的自噬活性，自噬对于维持干细胞干性、保护静息干细胞免受代谢和氧化应激至关重要。不同类型的静息干细胞自噬水平存在差异。静息神经干细胞（qNSCs）表达高水平的编码溶酶体因子的 mRNA，包括组织蛋白酶（CtsA、CtsB 和 CtsF）和溶酶体膜蛋白 LAMP1，转录因子 EB（TFEB）也被激活，qNSCs 含有比激活的神经干细胞（aNSCs）更多的溶酶体。在 qNSCs 建立初期，细胞内会积累蛋白质聚集体，随后 qNSCs 会获得更多自噬体，增加聚集自噬受体 TAX1BP1 和溶酶体标记物 LAMP2 的表达，并激活 AMPK/ULK1 复合物来增强自噬机制。间充质干细胞（MSCs）通过成纤维细胞生长因子 1（FGF1）与微环境中的感觉神经相互作用，FGF1 激活 p-JNK 和 mTOR 信号通路，最终上调自噬，维持 MSC 的稳态。Escargot（Esg）阳性的静息肠干细胞（qISCs）与分化细胞相比，具有较高的 ATG8a 信号和自噬活性，自噬缺失会导致 DNA 损伤和细胞周期停滞。
然而，肌肉干细胞（MuSCs）、造血干细胞（HSCs）和唾液腺干细胞（SGSCs）在静息期维持较低水平的自噬。静息 MuSCs 维持基础自噬通量，以促进蛋白质和细胞器的周转；静息 HSCs 线粒体膜电位（MMP）较低，能量产生少，且含有较大的溶酶体，表明溶酶体活性受阻导致未消化物质积累；SGSCs 与祖细胞相比，自噬通量较低，SQSTM1 周转减少。
ATG5 和 ATG7 是自噬体形成的关键蛋白，对建立干细胞静息状态至关重要。遗传敲除 ATG5 或 ATG7 会破坏自噬，损害静息状态的维持，显著减少干细胞数量。例如，ATG5 敲除的静息 HSCs 会突然增殖，代谢活动增强；BafA1 处理的 qNSCs，由于溶酶体功能被抑制，会表现出 aNSCs 的特征，形态和增殖表型发生改变。自噬缺陷还会导致干细胞过早出现衰老表型，如 ATG7 缺失的 MuSCs 会上调衰老相关标记物，包括p16INK4a、p21CIP1和p15INK4b，同时 ROS 水平和 Parkin 表达增加；ATG5 或 ATG7 敲除的 HSCs 会出现线粒体异常积累，DNA 损伤增加；Beclin1 敲除的肠干细胞（ISCs）会出现 DNA 损伤，易受基因毒性应激，最终进入复制性衰老。
自噬和线粒体自噬是保护静息干细胞免受多种环境压力的重要机制。它们能够减轻氧化、代谢和机械应力，维持干细胞的干性和干细胞库的完整性，支持长期的组织稳态。在静息 MuSCs 中，经典的线粒体自噬途径（由 Pink1 和 Parkin 介导）高度活跃，线粒体自噬受体也丰富，线粒体与自噬溶酶体共定位，表明线粒体在静息期不断被降解。长期造血干细胞（LT-HSC）线粒体活性和质量最低，在间充质干细胞（MSCs）中，雷帕霉素增强自噬可减少辐射诱导的 ROS 积累和 DNA 损伤。在代谢应激时，自噬会上调，如在骨髓环境中，静息 HSCs 遇到营养缺乏时，FOXO3A 会促进自噬，保护 HSCs 免受凋亡。在机械应激方面，椎间盘髓核来源的干细胞（NPSCs）在缺氧环境下，HIF1A 会通过上调 BNIP3 和 Hmox1 促进自噬，保护细胞免受物理应力的损害。
自噬在干细胞增殖中的调节作用
自噬在干细胞激活过程中发挥着生物能量作用，通过细胞内物质循环补充 ATP，满足激活过程中增加的代谢需求。在成体干细胞激活时，细胞能量状态和营养可用性发生变化，营养传感器 Sirtuin1（Sirt1）被激活，去乙酰化 ATG7，促进自噬诱导。例如，在 MuSC 激活过程中，自噬活性增加，ATP 水平也随之上升，抑制自噬导致的 ATP 含量降低和 MuSC 激活延迟可通过补充外源性丙酮酸部分挽救，这突出了自噬在 MuSC 激活中的生物能量重要性。
同时，自噬还能作为一种防御机制，防止 ATP 产生过程中产生的 ROS 积累。在干细胞增殖过程中，虽然 ATP 合成增加，但过多的 ROS 会对细胞造成损伤。例如，RB1 诱导的卷曲螺旋 1（Fip200）是调节自噬体形成的支架蛋白，Fip200 缺陷的神经干细胞（NSCs）会导致 p62 聚集，破坏抗氧化酶超氧化物歧化酶（SOD）的功能，使超氧化物增加，ROS 积累；ATG5 或 ATG7 缺失的肠干细胞（ISCs）也会出现 ROS 积累和凋亡增加，增殖能力受损，而抗氧化治疗可部分恢复这些受损的功能。
自噬失调会导致 ROS 积累，进而引发氧化应激和细胞凋亡，减少成体干细胞的增殖。在成年神经发生中，自噬调节因子 Ambra1 和 Beclin1（Becn1）对神经干细胞（NSCs）的存活和增殖至关重要，它们的下调会导致 NSCs 增殖减少、凋亡增加，对 DNA 损伤诱导的细胞死亡敏感性增强。同样，自噬缺陷的肠干细胞（ISCs）会出现 DNA 损伤、细胞周期停滞，与微生物群的相互作用改变，最终通过 JNK 介导的凋亡被清除；ATG5 缺失会导致唾液腺干细胞（SGSCs）自我更新能力下降，凋亡增加；在骨髓来源的间充质干细胞（BMMSCs）中，自噬受损会导致 ROS 水平升高，p53 激活，促进细胞周期停滞和凋亡。相反，通过禁食增强自噬可以保护干细胞免受 DNA 损伤和细胞死亡。
自噬在干细胞命运决定中的调节作用
干细胞命运决定是指增殖的干细胞选择自我更新以补充干细胞库，还是分化为特定的细胞类型。自噬被认为通过调节细胞器降解来影响干细胞命运决定。在肌肉再生过程中，自我更新的 MuSCs 自噬水平较低，而分化的 MuSCs 自噬水平较高。抑制线粒体自噬会导致 ROS 水平升高，促使 MuSCs 向分化方向发展，而使用线粒体靶向的超氧化物清除剂 mitoTEMPO 可以减少分化细胞数量，恢复自我更新的 MuSC 群体。在造血干细胞（HSCs）中也有类似现象，TMRM（tetramethylrhodamine methylester）染色显示，线粒体极化和氧化磷酸化水平高的 HSCs 更倾向于分化，而降低 HSC 线粒体活性可促使其向自我更新方向发展。这些结果表明，自噬通过调节线粒体活性，引导干细胞走向自我更新或分化的路径。
自噬还参与了干细胞谱系定向的决定。在骨髓间充质干细胞（BMMSCs）中，抑制自噬活性会减少成骨分化，促进脂肪分化。这表明精确调节自噬对于实现干细胞的平衡分化和维持细胞内环境稳定至关重要。
自噬在干细胞分化中的调节作用
自噬通过调节 Notch 信号通路来促进成体干细胞分化。Notch 信号通路在细胞间相互作用中起核心作用，调节干细胞分化。在干细胞分化过程中，自噬将膜结合的 Notch1 捕获到 ATG16L1 阳性的自噬体前体囊泡中，从而靶向降解 Notch 受体。ATG16L1 缺陷会导致 Notch1 异常表达，损害神经干细胞（NSCs）分化，导致发育迟缓和神经发生改变。在骨髓间充质干细胞（BMMSCs）中，雷帕霉素诱导的自噬会抑制细胞增殖，促进神经元分化，而 3 - 甲基腺嘌呤（3-MA）或氯喹（CQ）抑制自噬则会减少凋亡和神经元分化，但对增殖无影响。
在干细胞分化过程中，一些类型的干细胞会经历从糖酵解到氧化磷酸化的能量转变，以满足增加的能量需求。这一转变需要对线粒体网络进行重塑，包括通过线粒体自噬清除现有线粒体，并重新建立一个具有更高耗氧率（OCRs）和更多氧化磷酸化（OXPHOS）成分的致密丝状线粒体网络。例如，在骨骼肌生成过程中，Dynamin 1 like（Dnm1l）介导的线粒体分裂和 SQSTM1 介导的线粒体自噬会上调，同时自噬标记物如 Microtubule-associated proteins 1A/1B light chain 3A（Map1lc3a）也会增加，随后通过 Peroxisome proliferator-activated receptor gamma coactivator 1-alpha（PPARGC1A）介导的生物发生，线粒体含量显著增加。使用自噬抑制剂 BafA1 或靶向 ATG5 和 SQSTM1 的 siRNA 会阻碍肌源性分化；沉默 Vacuolar protein sorting 39（VPS39），一种介导自噬体与溶酶体融合的自噬蛋白，会导致葡萄糖摄取减少、自噬通量降低和分化受损。
自噬受到多种信号的精细调节，不同水平的自噬对干细胞命运有不同影响。适度的自噬（如由适度血清饥饿诱导）可以促进 MuSCs 的细胞代谢和分化，增强肌肉分化标记物 Myoblast determination protein 1（MyoD1）、Myosin heavy chain（MHC）以及脂肪生成标记物 peroxisome proliferator-activated receptor gamma（PPARγ）、Lipoprotein lipase（LPL）的表达。而严重的自噬则会导致细胞凋亡增加、代谢缺陷，并抑制 MuSC 分化。在神经干细胞（NSCs）中，电刺激（ES）增强自噬信号可促进 NSCs 向成熟神经元分化，但过度的自噬会抑制 NSC 的活力，使用自噬抑制剂可以挽救过度 ES 诱导的负面影响。这表明，维持最佳的自噬活性对于支持干细胞的正常功能至关重要。
自噬不仅在普遍意义上调节干细胞分化，还在组织特异性分化中发挥重要作用。在造血干细胞（HSCs）中，自噬水平与造血潜能高度相关，鞘脂代谢通过调节自噬和未折叠蛋白反应（UPR）来调控 HSCs 的自我更新和分化。例如，鞘氨醇酶 DEGS1 通过抑制 N-(4 - 羟苯基) 视黄酰胺（4HPR）激活自噬和 UPR，维持 HSCs 的特性，影响谱系定向。相反，内皮细胞中 ATG5 缺失会破坏内皮向造血细胞的转变（EHT）。在肌肉干细胞（MuSCs）分化和肌肉再生过程中，自噬与 Wnt 信号相互作用，Immunoglobulin superfamily protein immunoglobulin superfamily consisting of the leucine-rich repeat（ISLR）蛋白通过抑制自噬系统稳定 Dishevelled-2（Dvl2）蛋白，激活经典 Wnt 信号通路，调节肌源性因子，促进肌源性分化。对于间充质干细胞（MSCs），自噬平衡对其向成骨和脂肪谱系的有效分化至关重要，激活 AMPK 可启动自噬过程，促进早期成骨分化，而添加自噬抑制剂 3-MA 则会模拟<
