上皮细胞机械支撑结构损伤调控自噬机制研究

A variety of cellular stresses, such as starvation, organelle damage, heat stress, hypoxia and pathogen infection can trigger the autophagic process. However, whether the autophagy machinery can be regulated by structural damage of the cell remains largely unknown. In this work, we utilize the C. elegans epidermis as the model and systemically investigate the relationship between damage of mechanical supporting structures (cytoskeletons, cell junctions, adhesions and extracellular matrix) and autophagy induction. Our results show that, surprisingly, most types of structural damage do not trigger autophagy. Only damage of basal extracellular matrix or the underlying muscle cells activates a distinct autophagic response in the epidermis. On the contrary, detachment of the epidermal cells from the apical extracellular matrix inhibits autophagosome formation caused by heat stress. Our discoveries reveal that the autophagic activation or inhibition in response to epidermal structural damage is clearly spatially restricted. We plan to explore in-depth the underlying mechanisms of how the epidermal supporting structures regulate autophagy, and how they may affect the survival and damage repair of the epidermal cells. The results obtained from these studies will not only help us better understand the pathogenesis of structural damage- and autophagy-related diseases, but also provide insight into more generic rules of autophagy regulation by the structural and mechanical properties of the cells across species.

细胞内的自噬可以被饥饿，细胞器损伤，病原体感染，低氧，热激等多种侵扰因素激活。但是我们对自噬过程是否及如何应对细胞机械损伤或支撑结构的破坏仍然知之甚少。在本项目中，我们选用秀丽线虫表皮上皮细胞层为研究模型，系统性地检测各类上皮细胞支撑结构(包括细胞骨架，细胞黏着结构和胞外基质层等)的损坏对自噬过程的调控作用。已完成的实验结果显示，绝大多数支撑结构的破坏均不会引起显著自噬现象，只有底膜黏着结构和基底膜胞外基质的缺失可明显激活自噬过程。相反，上皮细胞顶膜黏着结构的破坏可有效阻断热激引起的自噬小体形成。这些研究成果表明上皮细胞特定支撑结构对自噬的调控作用具有明显的空间特异性。我们计划深入解析上皮细胞不同支撑结构促进或抑制自噬的分子机制，并且探索这些调控机制对细胞存活和生理功能的影响。本课题的研究成果可以为各种与自噬或上皮细胞结构损伤相关的疾病的病理机制提供基础的理论支持。

上皮组织构成了我们大多数器官的物理屏障，并不断面临物理损伤和各种结构损伤的挑战。然而，上皮细胞机械损伤或支撑结构的破坏是否以及如何影响受损细胞本身的自噬过程仍不完全清楚。虽然已有研究表明上皮细胞内多种类型的机械支撑结构参与调节自噬过程，但是这些研究相对比较零散，且大多是在体外培养的细胞中进行的。目前仍缺乏在活体内对上皮细胞应对结构损伤的自噬调节机制及其生理意义的全面系统的分析。 在本项目中，我们利用线虫表皮上皮细胞层作为研究模型，发现机械损伤引起的结构破坏在单个表皮细胞内产生了对自噬的近端抑制和远端促进的效应。通过逐个破坏不同的机械支撑结构，我们发现底部细胞外基质或相邻的肌肉细胞的损伤激活了表皮细胞中的自噬反应。相反，表皮细胞的顶部结构破坏可抑制由不同应激因素引起的自噬激活。机制研究表明，底部结构损伤对表皮自噬的促进作用是由于机械张力信号的减弱，而顶部结构损伤抑制自噬的作用则主要通过激活钙离子信号来实现。此外，我们还发现表皮自噬水平的增加对机体应对结构损伤不是有利的而是有害的。以上发现表明受损的表皮细胞可能通过释放抑制自噬的信号来尽量减轻结构破坏诱发的自噬水平上调造成的伤害。而机械损伤对单个上皮细胞自噬的最终影响可能取决于被破坏的结构的类型、位置和损伤程度。该研究可帮助我们更深入地了解细胞的结构以及机械特性调节自噬的普遍规律，并为各种与自噬或上皮细胞结构损伤相关的疾病的病理机制提供基础的理论支持。