Until recently, autophagy, or cellular self-digestion, was thought of primarily as part of the cell's garbage disposal system. Now it is know to be involved in cellular protein and organelle degradation during development as well as during adaptations to changing environmental conditions. Many intriguing questions remain to be answered about this process. For example, how can this one pathway be involved in cytoprotection as well as cell death? What is the connection between autophagy and human disease or ageing? In a review, Mizushima et al. consider recent progress in the field. Autophagy, or cellular self-digestion, is a cellular pathway involved in protein and organelle degradation, with an astonishing number of connections to human disease and physiology. For example, autophagic dysfunction is associated with cancer, neurodegeneration, microbial infection and ageing. Paradoxically, although autophagy is primarily a protective process for the cell, it can also play a role in cell death. Understanding autophagy may ultimately allow scientists and clinicians to harness this process for the purpose of improving human health.

Autophagy has been implicated in many physiological and pathological processes. Accordingly, there is a growing scientific need to accurately identify, quantify, and manipulate the process of autophagy. However, as autophagy involves dynamic and complicated processes, it is often analyzed incorrectly. In this Primer, we discuss methods to monitor autophagy and to modulate autophagic activity, with a primary focus on mammalian macroautophagy.

Summary

 Apoptosis and autophagy are both tightly regulated biological processes that play a central role in tissue homeostasis, development, and disease. The anti-apoptotic protein, Bcl-2, interacts with the evolutionarily conserved autophagy protein, Beclin 1. However, little is known about the functional significance of this interaction. Here, we show that wild-type Bcl-2 antiapoptotic proteins, but not Beclin 1 binding defective mutants of Bcl-2, inhibit Beclin 1-dependent autophagy in yeast and mammalian cells and that cardiac Bcl-2 transgenic expression inhibits autophagy in mouse heart muscle. Furthermore, Beclin 1 mutants that cannot bind to Bcl-2 induce more autophagy than wild-type Beclin 1 and, unlike wild-type Beclin 1, promote cell death. Thus, Bcl-2 not only functions as an antiapoptotic protein, but also as an antiautophagy protein via its inhibitory interaction with Beclin 1. This antiautophagy function of Bcl-2 may help maintain autophagy at levels that are compatible with cell survival, rather than cell death.

Autophagy is a membrane-trafficking mechanism that delivers cytoplasmic constituents into the lysosome/vacuole for bulk protein degradation. This mechanism is involved in the preservation of nutrients under starvation condition as well as the normal turnover of cytoplasmic component. Aberrant autophagy has been reported in several neurodegenerative disorders, hepatitis, and myopathies. Here, we generated conditional knockout mice of Atg7, an essential gene for autophagy in yeast. Atg7 was essential for ATG conjugation systems and autophagosome formation, amino acid supply in neonates, and starvation-induced bulk degradation of proteins and organelles in mice. Furthermore, Atg7 deficiency led to multiple cellular abnormalities, such as appearance of concentric membranous structure and deformed mitochondria, and accumulation of ubiquitin-positive aggregates. Our results indicate the important role of autophagy in starvation response and the quality control of proteins and organelles in quiescent cells.

Malignant cells often display defects in autophagy, an evolutionarily conserved pathway for degrading long-lived proteins and cytoplasmic organelles. However, as yet, there is no genetic evidence for a role of autophagy genes in tumor suppression. The beclin 1 autophagy gene is monoallelically deleted in 40–75% of cases of human sporadic breast, ovarian, and prostate cancer. Therefore, we used a targeted mutant mouse model to test the hypothesis that monoallelic deletion of beclin 1 promotes tumorigenesis. Here we show that heterozygous disruption of beclin 1 increases the frequency of spontaneous malignancies and accelerates the development of hepatitis B virus–induced premalignant lesions. Molecular analyses of tumors in beclin 1 heterozygous mice show that the remaining wild-type allele is neither mutated nor silenced. Furthermore, beclin 1 heterozygous disruption results in increased cellular proliferation and reduced autophagy in vivo. These findings demonstrate that beclin 1 is a haplo-insufficient tumor-suppressor gene and provide genetic evidence that autophagy is a novel mechanism of cell-growth control and tumor suppression. Thus, mutation of beclin 1 or other autophagy genes may contribute to the pathogenesis of human cancers.

Inactivation of constitutive autophagy results in formation of cytoplasmic protein inclusions and leads to liver injury and neurodegeneration, but the details of abnormalities related to impaired autophagy are largely unknown. Here we used mouse genetic analyses to define the roles of autophagy in the aforementioned events. We report that the ubiquitin- and LC3-binding protein “p62” regulates the formation of protein aggregates and is removed by autophagy. Thus, genetic ablation of p62 suppressed the appearance of ubiquitin-positive protein aggregates in hepatocytes and neurons, indicating that p62 plays an important role in inclusion body formation. Moreover, loss of p62 markedly attenuated liver injury caused by autophagy deficiency, whereas it had little effect on neuronal degeneration. Our findings highlight the unexpected role of homeostatic level of p62, which is regulated by autophagy, in controlling intracellular inclusion body formation, and indicate that the pathologic process associated with autophagic deficiency is cell-type specific.