腫瘤細(xì)胞的自噬和窖蛋白-1

劉艷，王洋，史丹，鄒偉,2

1 遼寧師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，遼寧 大連 116081

2 遼寧省生物技術(shù)與分子藥物研發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116081

細(xì)胞內(nèi)穩(wěn)態(tài)依賴于大分子物質(zhì)生物合成和分解代謝間的平衡。自噬 (Autophagy) 就是細(xì)胞用來(lái)達(dá)到這種動(dòng)態(tài)平衡的重要機(jī)制之一，它是普遍存在于大部分真核細(xì)胞中的一種現(xiàn)象，從酵母到人類存在著共同的自噬分子調(diào)控機(jī)制。有趣的是，它能夠保護(hù)細(xì)胞，也能造成細(xì)胞損傷，在細(xì)胞的生長(zhǎng)、發(fā)育和疾病中起著重要的作用。

早在50年代末期，Palade等在電子顯微鏡下就發(fā)現(xiàn)血管內(nèi)皮細(xì)胞表面有一些頸瓶狀的內(nèi)陷結(jié)構(gòu)。Yamada等在膀胱上皮細(xì)胞表面發(fā)現(xiàn)同類結(jié)構(gòu)，并將其命名為胞膜窖 (Caveolae)。窖蛋白 (Caveolin) 是構(gòu)成細(xì)胞膜上胞膜窖主要結(jié)構(gòu)的標(biāo)志蛋白，由Caveolin基因家族編碼而成，分子量21~24 kDa。Glenney等發(fā)現(xiàn)并克隆出胞膜窖的第一個(gè)標(biāo)志性蛋白質(zhì)-窖蛋白/VIP21 (現(xiàn)被稱為窖蛋白-1或Cav-1)。Cav-1基因是Caveolin基因家族的成員之一，是Caveolae的主要結(jié)構(gòu)成分，參與許多細(xì)胞過(guò)程調(diào)節(jié)，如形成胞膜窖、膜泡運(yùn)輸、膽固醇運(yùn)輸、脂類穩(wěn)定、血管形成以及細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的調(diào)控。研究發(fā)現(xiàn)，Cav-1作為抑癌基因，與腫瘤細(xì)胞增殖、侵襲、轉(zhuǎn)移以及腫瘤多藥耐藥 (MDR) 等有關(guān)。本實(shí)驗(yàn)室前期研究結(jié)果表明，Cav-1在肝細(xì)胞中同時(shí)起著抑制過(guò)度增殖和維持肝再生的雙重作用[1]；在乳腺癌中，Cav-1與 ER-α36相互作用調(diào)節(jié)的膜起始雌激素信號(hào)通路可以控制乳腺細(xì)胞轉(zhuǎn)化[2]；在神經(jīng)細(xì)胞中，Cav-1與動(dòng)物發(fā)育和學(xué)習(xí)記憶密切相關(guān)，可能參與中樞可塑性的調(diào)節(jié)[3]。Cav-1在一定時(shí)期分化的成纖維細(xì)胞、脂肪細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞中高度表達(dá)。有證據(jù)證明Cav-1在成纖維細(xì)胞中扮演著腫瘤抑制因子的角色[4]。更重要的是，在乳腺癌患者體內(nèi)，Cav-1缺失是一個(gè)浸潤(rùn)性的癌癥相關(guān)成纖維細(xì)胞 (Cancer associated fibroblasts，CAFs)的標(biāo)志[5]。

由此可見，Cav-1與腫瘤細(xì)胞的關(guān)系非常密切，所以以下將就近年來(lái)腫瘤細(xì)胞自噬的研究進(jìn)展及與Cav-1的關(guān)系展開討論，也為腫瘤的治療和預(yù)防提供新的思路。

1 什么是自噬

早在上世紀(jì)的 50年代比利時(shí)科學(xué)家Christian de Duve在電鏡下觀察時(shí)發(fā)現(xiàn)一種由膜包裹胞內(nèi)大分子物質(zhì)和細(xì)胞器后形成具有雙層或多層膜的結(jié)構(gòu)，即自噬體或自噬液泡(Autophagic vacuole)。他發(fā)現(xiàn)自噬體形成后，通過(guò)與溶酶體融合形成自噬性溶酶體 (Autophagy lysosome)，完成對(duì)包裹物質(zhì)的降解和循環(huán)再利用。并且在 1963年溶酶體國(guó)際會(huì)議上首先提出了“自噬”這種說(shuō)法。時(shí)隔一個(gè)世紀(jì)后，人們又提出自噬性程序性死亡是一種新的程序性死亡方式，隨著參與自噬性死亡途徑的關(guān)鍵分子的鑒定成功，我們對(duì)其分子機(jī)制、生理功能和在病理過(guò)程中的作用有了進(jìn)一步的了解。

作為一種新的程序性細(xì)胞死亡的方式，自噬在進(jìn)化過(guò)程中是高度保守的，從酵母、果蠅、到脊椎動(dòng)物以及人類，都可以找到參與自噬的同源基因。根據(jù)細(xì)胞內(nèi)底物運(yùn)送到溶酶體腔的方式不同，細(xì)胞自噬可分為 3種主要的方式：巨自噬(Macroautophagy)、微自噬 (Microautophagy) 和分子伴侶介導(dǎo)的自噬 (Chaperone mediated autophagy，CMA)[6]。巨自噬即通常所指的自噬，胞質(zhì)被來(lái)源于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的非核糖體區(qū)域、高爾基體等脫落的雙層膜所包繞。在微自噬中也發(fā)生相同的包繞過(guò)程，但包繞底物的是自身發(fā)生內(nèi)陷的溶酶體膜。CMA是指某些胞漿蛋白與分子伴侶結(jié)合后轉(zhuǎn)運(yùn)到溶酶體內(nèi)被酶消化的過(guò)程。CMA的底物是可溶的蛋白分子，所以CMA降解途徑在清除蛋白質(zhì)時(shí)有選擇性，而前兩者無(wú)明顯的選擇性。

2 腫瘤細(xì)胞中的自噬

研究發(fā)現(xiàn)，多種腫瘤細(xì)胞中均有自噬活性的改變，自噬與腫瘤發(fā)生和腫瘤細(xì)胞生長(zhǎng)之間存在著一定的關(guān)系[7-8]。腫瘤的發(fā)展階段、組織類型、細(xì)胞分化狀態(tài)、周圍環(huán)境及特定的基因特征和信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑共同影響自噬的活性與結(jié)果。對(duì)于腫瘤細(xì)胞來(lái)說(shuō)，自噬起著雙刃劍的作用，誘導(dǎo)自噬可以導(dǎo)致某些腫瘤細(xì)胞的死亡，而在一些腫瘤細(xì)胞中抑制自噬有時(shí)候也可以促進(jìn)其凋亡。

首先，自噬是腫瘤細(xì)胞自身免受缺乏營(yíng)養(yǎng)、電離輻射和治療損傷的一種保護(hù)機(jī)制。在腫瘤進(jìn)展過(guò)程中，由于供血減少，腫瘤細(xì)胞特別是腫瘤內(nèi)部細(xì)胞在乏氧和營(yíng)養(yǎng)受限的狀況下生存。有趣的是，低氧和營(yíng)養(yǎng)缺失均能刺激自噬啟動(dòng)，通過(guò)自噬對(duì)胞內(nèi)物質(zhì)的降解和循環(huán)利用而改變新陳代謝，腫瘤細(xì)胞對(duì)應(yīng)激作出適應(yīng)性反應(yīng)得以生存。例如在不允許大規(guī)模增殖的腫瘤微環(huán)境下，腫瘤細(xì)胞還可以激活自噬以介導(dǎo)卵巢腫瘤細(xì)胞的休眠[9]。在大多數(shù)的人類腫瘤細(xì)胞中都觀察到了PI3K途徑的持續(xù)活化[10]。此外，自噬包含衰老和受損細(xì)胞器的清除，自噬通過(guò)去除受損細(xì)胞器，保護(hù)腫瘤細(xì)胞以對(duì)抗抗癌治療 (如：放療、化療)，使細(xì)胞逃避凋亡[11]。

其次，自噬也可作為一種腫瘤抑制機(jī)制。當(dāng)細(xì)胞中受損細(xì)胞器產(chǎn)生的活性氧類 (Reactive oxygen species, ROS) 對(duì)DNA造成損傷，從而誘發(fā)腫瘤發(fā)生的時(shí)候，自噬可以參與清理受損的線粒體和過(guò)氧化物酶體，維持細(xì)胞功能和染色體的穩(wěn)定性，抑制腫瘤發(fā)生。Ding等[12]在對(duì)44名肝細(xì)胞性肝癌患者的研究中發(fā)現(xiàn)癌組織中 Beclin1的表達(dá)下調(diào)，由此得出自噬可能抑制腫瘤的發(fā)生。但并不是所有的腫瘤自噬反應(yīng)都一致，如人上皮樣肺癌細(xì)胞、人子宮頸癌細(xì)胞株HeLa細(xì)胞、鼠惡性畸胎瘤細(xì)胞、淋巴細(xì)胞等。

3 腫瘤細(xì)胞的自噬與Cav-1

3.1 腫瘤細(xì)胞中Cav-1的作用

許多研究已經(jīng)表明，Cav-1的缺乏是一個(gè)預(yù)測(cè)腫瘤復(fù)發(fā)和轉(zhuǎn)移的重要標(biāo)志。Ubaldo等在共培養(yǎng)模型中首次提出，MCF7乳腺癌細(xì)胞與其相鄰的正常成纖維細(xì)胞之間的相互作用能促使成纖維細(xì)胞中Cav-1的下調(diào)[13-15]。Cav-1的降低引起缺氧誘導(dǎo)因子1α (HIF-1α) 在CAFs中表達(dá)升高，從而增強(qiáng)自噬。自噬產(chǎn)生的養(yǎng)分 (如游離氨基酸和核苷酸) 可以轉(zhuǎn)移至腫瘤細(xì)胞以維持其高能量的需求。本實(shí)驗(yàn)室利用 siRNA技術(shù)基因沉默MCF10A-ST1細(xì)胞內(nèi)Cav-1表達(dá)，建立了Cav-1低表達(dá)而 ER-α36高表達(dá)的乳腺細(xì)胞模型MCF10ACE，細(xì)胞的增殖速率明顯加快，在軟瓊脂培養(yǎng)基上形成的集落數(shù)目明顯增多，提示Cav-1基因沉默可以明顯促進(jìn)人乳腺上皮細(xì)胞的轉(zhuǎn)化[2]。反義抑制Cav-1的表達(dá)足以誘導(dǎo)細(xì)胞轉(zhuǎn)化，而且 Cav-1基因敲除的小鼠腫瘤發(fā)生率顯著提高。因此，學(xué)者推斷 Cav-1基因可能是候選的抑癌基因。然而，近幾年研究表明，Cav-1在少數(shù)腫瘤中亦發(fā)揮癌基因樣的作用，如在前列腺癌中 Cav-1表達(dá)上調(diào)，且表達(dá)水平與腫瘤細(xì)胞的惡性程度呈正相關(guān)，Cav-1表達(dá)下調(diào)可逆轉(zhuǎn)這些腫瘤細(xì)胞的惡性表型[16-17]。Ho等研究也發(fā)現(xiàn)特征化的肺腺癌細(xì)胞 Cav-1上調(diào)是調(diào)節(jié)絲足形成所必要的，進(jìn)而增加肺腺癌細(xì)胞侵襲能力[18]。

3.2 腫瘤自噬標(biāo)志基因和Cav-1

近年來(lái)發(fā)現(xiàn)，自噬體的形成與許多基因相關(guān)。缺氧誘導(dǎo)因子1α (HIF-1α) 既是介導(dǎo)低氧反應(yīng)最主要的轉(zhuǎn)錄因子，也是自噬的標(biāo)志基因，被稱為自噬的分子驅(qū)動(dòng)器。同時(shí)，幾項(xiàng)研究已經(jīng)表明，組織缺氧能夠提升核因子 κB (NFκB) 轉(zhuǎn)錄因子的激活。NFκB是HIF-1α的一個(gè)轉(zhuǎn)錄催化劑，在正常氧含量和低氧環(huán)境下，NFκB和HIF-1α的激活是一致的，并且NFκB是HIF-1α的積累所必需的[19]。由此可見，HIF-1α與NFκB信號(hào)之間相互依賴、相互調(diào)節(jié)[20-22]。值得注意的是，這些基因的激活和功能對(duì)腫瘤細(xì)胞的調(diào)控都與Cav-1密切相關(guān)。

3.2.1 HIF-1α與Cav-1

HIF-1α作為自噬的分子驅(qū)動(dòng)器，它的激活能夠誘導(dǎo)成纖維細(xì)胞中Cav-1降低。Toullec等用藥物激活成纖維細(xì)胞中的HIF-1α?xí)r發(fā)現(xiàn)，Cav-1的表達(dá)水平降低。而抑制 HIF-1α可以解除低氧誘導(dǎo)的Cav-1的降解。同樣，通過(guò)藥物抑制NFκB，可以防止 Cav-1的降解。如用氧化應(yīng)激誘導(dǎo)物(ROS) 處理細(xì)胞，可以誘導(dǎo)自噬的Cav-1降解?？梢?，氧化應(yīng)激作用通過(guò)誘導(dǎo) HIF-1α和 NFκB的激活，調(diào)控促進(jìn)自噬的Cav-1的降解。據(jù)報(bào)道，氧化應(yīng)激提高成纖維細(xì)胞的轉(zhuǎn)移速度，加速腫瘤的擴(kuò)散[23]。而恰恰這種細(xì)胞中Cav-1表達(dá)水平很低，Cav-1缺乏又可以使HIF-1α積累，進(jìn)一步使線粒體功能紊亂從而誘導(dǎo)自噬[24]。這表明HIF-1α的激活驅(qū)動(dòng)自噬的Cav-1的降解，在HIF-1α激活作用和Cav-1降低之間提供一個(gè)積極的“前饋”控制回路。

3.2.2 NFκB與Cav-1

人們通常認(rèn)為，巨噬細(xì)胞NFκB的激活能夠促進(jìn)新陳代謝，但NFκB的活性在CAFs中扮演什么樣的角色并不十分清楚。研究已經(jīng)表明，NFκB激活可能促進(jìn)腫瘤的生長(zhǎng)。例如 Mueller等研究發(fā)現(xiàn)，結(jié)腸直腸癌轉(zhuǎn)移的成纖維細(xì)胞NFκB活性增強(qiáng)，并促使 IL-8 (浸染和血管生成的重要趨化因子) 高表達(dá)[25]。此外來(lái)自乳腺、胰腺和皮膚癌的CAFs，與正常的成纖維細(xì)胞相比，表現(xiàn)出一個(gè)前炎癥基因信號(hào)。重要的是，這些炎癥成纖維細(xì)胞是通過(guò)依賴NFκB的機(jī)制促進(jìn)腫瘤的生長(zhǎng)[26]。研究證明，Cav-1基因的敲除能夠促進(jìn)NFκB和NFκB靶基因的轉(zhuǎn)錄激活[27]。此外，藥物抑制NFκB可以預(yù)防CAFs中Cav-1的降解。相反，嚴(yán)重的Cav-1缺乏可以激活NFκB從而促進(jìn)自噬，這清楚地表明，Cav-1的缺乏和 NFκB激活之間是互相促進(jìn)的關(guān)系。

3.2.3 Cav-1的缺乏促進(jìn)自噬標(biāo)記物的表達(dá)

Cav-1的缺乏是否與自噬的標(biāo)記物有關(guān)聯(lián)呢？讓 hTERT-fibroblasts (人類無(wú)限增殖的成纖維細(xì)胞) 經(jīng)受缺氧，用Cav-1的抗體或自噬標(biāo)記物 (LC3A/B和 ATG16L) 的抗體和線粒體自噬的標(biāo)記物 (BNIP3和 BNIP3L) 抗體標(biāo)記，結(jié)果表明，在纖維母細(xì)胞中，低氧誘導(dǎo)的自噬和線粒體自噬標(biāo)記物的表達(dá)，與Cav-1的下調(diào)有直接關(guān)聯(lián)[26]。另外，在自噬標(biāo)志蛋白LC3B引起的肺氣腫細(xì)胞處在凋亡的過(guò)程中，Cav-1起著非常重要的作用[28]。

4 展望

越來(lái)越多的資料已顯示自噬在許多腫瘤發(fā)生、發(fā)展和治療中占有重要地位。作為腫瘤抑制機(jī)制，自噬可以導(dǎo)致細(xì)胞死亡，通過(guò)限制細(xì)胞數(shù)量或者減少 DNA的突變概率以抑制腫瘤的形成；作為腫瘤保護(hù)機(jī)制，自噬可以保護(hù)癌細(xì)胞免受化療藥物的作用并延緩腫瘤細(xì)胞凋亡。此外，Cav-1也是一個(gè)新的預(yù)測(cè)腫瘤復(fù)發(fā)和轉(zhuǎn)移的重要因子，人們對(duì)它在腫瘤細(xì)胞內(nèi)降解信號(hào)過(guò)程的了解也十分重要。然而，這個(gè)過(guò)程詳細(xì)的信號(hào)機(jī)制仍然未知，需要進(jìn)一步研究。考慮到自噬和Cav-1在腫瘤中的復(fù)雜效應(yīng)，深入識(shí)別它們的功能將有助于找到抑制腫瘤生長(zhǎng)的有效途徑，這對(duì)腫瘤發(fā)病機(jī)制的研究及臨床治療均有重要意義。

[1] Ren G, Wang ZC, Zou W, et al. Role of caveolin-1 in hepatocyte proliferation and liver regeneration. Prog Physiol Sci, 2009, 40(4): 341?344.任剛, 王震春, 鄒偉, 等. 窖蛋白-1在細(xì)胞增殖和肝再生中的作用. 生理科學(xué)進(jìn)展, 2009, 40(4): 341?344.

[2] Feng S, Wang Y, Zou W, et al. Caveolin-1 gene silencing promotes the activation of PI3K/AKT signal passageway mediated by breast epithelial cell ERα36. Science in China (Series C): Life Sci, 2009, 39(9): 830?838.封爽, 王洋, 鄒偉, 等. Caveolin-1基因沉默促進(jìn)乳腺上皮細(xì)胞ERα36介導(dǎo)的PI3K/AKT信號(hào)通路的激活. 中國(guó)科學(xué) (C輯): 生命科學(xué), 2009, 39(9): 830?838.

[3] Zou W, Wang HX, Liu J, et al. Expression of caveolin-1 protein in the rat brain and its role in the discrimination learning. Acta Physiol Sin, 2006, 58(5): 429?434.鄒偉, 王紅霞, 劉晶, 等. 大鼠腦內(nèi)Caveolin-1蛋白的表達(dá)及其在分辨學(xué)習(xí)中的作用. 生理學(xué)報(bào), 2006, 58(5): 429?434.

[4] Galbiati F, Volonte D, Engelman JA, et al. Targeted downregulation of caveolin-1 is sufficient to drive cell transformation and hyperactivate the p42/44 MAP kinase cascade. EMBO J, 1998, 17(22): 6633?6648.

[5] Sloan EK, Ciocca DR, Pouliot N, et al. Stromal cell expression of caveolin-1 predicts outcome in breast cancer. Am J Pathol, 2009, 174(6): 2035?2043.

[6] Hussey S, Terebiznik MR, Jones NL. Autophagy: healthy eating and self-digestion for gastroenterologists. J Pediatr Gastroenterol Nutr, 2008, 46(5): 496?506.

[7] Dikic I, Johansen T, Kirkin V. Selective autophagy in cancer development and therapy. Cancer Res, 2010, 70(9): 3431?3434.

[8] Chen N, Debnath J. Autophagy and tumorigensis. FEBS Lett, 2010, 584(7): 1427?1435.

[9] Lu Z, Luo RZ, Lu YL, et al. The tumor suppressor gene ARHI regulates autophagy and tumor dormancy in human ovarian cancer cells. J Clin Invest, 2008, 118(12): 3917?3929.

[10] Manning BD, Cantley LC. AKT/PKB signaling: navigating downstream. Cell, 2007, 129(7): 1261?1274.

[11] Mizushima N, Levine B, Cuervo AM, et al. Autophagy fights disease through cellular self-digestion. Nature, 2008, 451(7182): 1069?1075.

[12] Ding ZB, Shi YH, Zhou J, et al. Association of autophagy defect with a malignant phenotype and poor prognosis of hepatocellular carcinoma. Cancer Res, 2008, 68(22): 9167?9175.

[13] Martinez-Outschoorn UE, Pavlides S, Whitaker-Menezes D, et al. Tumor cells induce the cancer associated fibroblast phenotype via caveolin-1 degradation: implications for breast cancer and DCIS therapy with autophagy inhibitors. Cell Cycle, 2010, 9(12): 2423?2433.

[14] Witkiewicz AK, Dasgupta A, Sotgia F, et al. An absence of stromal caveolin-1 expression predicts early tumor recurrence and poor clinical outcome in human breast cancers. Am J Pathol, 2009, 174(6): 2023?2034.

[15] Witkiewicz AK, Dasgupta A, Sammons S, et al. Loss of stromal caveolin-1 expression predicts poor clinical outcome in triple negative and basal-like breast cancers. Cancer Biol Ther, 2010, 10(2): 135?143.

[16] Ho CC, Huang PH, Huang HY, et al. Up-regulated caveolin-1 accentuates the metastasis capability of lung adenocarcinoma by inducing filopodia formation. Am J Pathol, 2002, 161(5): 1647?1656. [17] Karam JA, Lotan Y, Roehrborn CG, et al. Caveolin-1 overexpression is associated with aggressive prostate cancer recurrence. Prostate, 2007, 67(6): 614?622.

[18] Corn P G, Thompson T C. Identification of a novel prostate cancer biomarker, caveolin-1: implications and potential clinical benefit. Cancer Manag Res, 2010, 2: 111?122.

[19] Rius J, Guma M, Schachtrup C, et al. NF-κB links innate immunity to the hypoxic response through transcriptional regulation of HIF-1α. Nature, 2008, 453(7196): 807?811.

[20] Jung YJ, Isaacs JS, Lee S, et al. Hypoxia-inducible factor induction by tumour necrosis factor in normoxic cells requires receptor-interacting protein-dependent nuclear factor κB activation. Biochem J, 2003, 370: 1011?1017.

[21] Pantuck AJ, An JB, Liu HR, et al. NF-κB-dependent plasticity of the epithelial to mesenchymal transition induced by Von Hippel-Lindau inactivation in renal cell carcinomas. Cancer Res, 2010, 70(2): 752?761.

[22] An JB, Rettig MB. Mechanism of von Hippel-Lindau protein-mediated suppression of nuclear factor kappa B activity. Mol Cell Biol, 2005, 25(17): 7546?7556.

[23] Toullec A, Gerald D, Despouy G, et al. Oxidative stress promotes myofibroblast differentiation and tumour spreading. EMBO Mol Med, 2010, 2(6): 211?230.

[24] Martinez-Outschoorn UE, Balliet RM, Rivadeneira DB, et al. Oxidative stress in cancer associated fibroblasts drives tumor-stroma co-evolution: a new paradigm for understanding tumor metabolism, the field effect and genomic instability in cancer cells. Cell Cycle, 2010, 9(16): 3256?3276.

[25] Mueller L, Goumas FA, Affeldt M, et al. Stromal fibroblasts in colorectal liver metastases originate from resident fibroblasts and generate an inflammatory microenvironment. Am J Pathol, 2007, 171(5): 1608?1618.

[26] Erez N, Truitt M, Olson P, et al. Cancer-associated fibroblasts are activated in incipient neoplasia to orchestrate tumor-promoting inflammation in an NF-κB-dependent manner. Cancer Cell, 2010, 17(2): 135?147.

[27] Pavlides S, Tsirigos A, Vera I, et al. Loss of stromal caveolin-1 leads to oxidative stress, mimics hypoxia and drives inflammation in the tumor microenvironment, conferring the “reverse Warburg effect”: a transcriptional informatics analysis with validation. Cell Cycle, 2010, 9(11): 2201?2219.

[28] Chen ZH, Lam HC, Jin Y, et al. Autophagy protein microtubule-associated protein 1 light chain-3B (LC3B) activates extrinsic apoptosis during cigarette smoke-induced emphysema. Proc Natl Acad Sci USA, 2010, 107(44): 18880?18885.