腫瘤微環(huán)境下未折疊蛋白反應(yīng)細(xì)胞自噬及腫瘤代謝之間的cross-talk*

侯 旭 劉耀華

·國家基金研究進展綜述·

腫瘤微環(huán)境下未折疊蛋白反應(yīng)細(xì)胞自噬及腫瘤代謝之間的cross-talk*

侯 旭 劉耀華

惡性腫瘤的典型特點是增殖速度快、侵襲性強，腫瘤血供往往不能滿足生長所需，由此使得腫瘤處于低氧、營養(yǎng)物質(zhì)缺乏的應(yīng)激微環(huán)境中。腫瘤細(xì)胞在應(yīng)激微環(huán)境下通過激活未折疊蛋白反應(yīng)、啟動自噬和改變其代謝途徑等一系列信號通路促進其存活發(fā)展。未折疊蛋白反應(yīng)（unfolded protein response，UPR）、自噬的啟動及代謝方式的改變?nèi)咧g有著緊密的聯(lián)系，本文將對三者之間的相互作用關(guān)系進行綜述，將對理解腫瘤與其微環(huán)境之間的互動以及探索新的治療策略提供新視角。

腫瘤 未折疊蛋白反應(yīng) 代謝 自噬

理解腫瘤與其所處微環(huán)境的互動對于研究腫瘤生物學(xué)行為特點和針對性治療至關(guān)重要。惡性腫瘤增殖速度快，侵襲性強是其生長的主要特征。但是，腫瘤內(nèi)部的新生血管不能滿足腫瘤生長的需要，造成腫瘤內(nèi)部血供不足，使得腫瘤細(xì)胞處于一種供氧不足和營養(yǎng)物質(zhì)匱乏的微環(huán)境中。雖然實體腫瘤中這種微環(huán)境造成的應(yīng)激不利于細(xì)胞存活，但其通過選擇使得能夠耐受應(yīng)激的細(xì)胞存活并繼續(xù)分裂增殖，從而使腫瘤朝著更加惡性的方向發(fā)展［1］。在腫瘤生長的應(yīng)激微環(huán)境下，腫瘤細(xì)胞表現(xiàn)出特殊的生物學(xué)特點，包括未折疊蛋白反應(yīng)（unfolded protein response，UPR）的啟動、代謝方式改變和自噬等。

1 UPR啟動對于腫瘤在應(yīng)激微環(huán)境下存活的意義

大量研究表明，實體腫瘤組織中的低氧、營養(yǎng)缺乏等環(huán)境可以激活內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激（ER stress，ERS）和UPR［1］。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)是真核細(xì)胞蛋白質(zhì)折疊加工的重要場所，分子氧為蛋白折疊所必須，因此錯誤折疊蛋白在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中的堆積是低氧造成的必然結(jié)果［2］，從而誘發(fā)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激啟動的UPR反應(yīng)通過Perk-eIF2a-ATF4、ATF6a、IRE1a-XBP1信號通路，一方面減少蛋白合成，另一方面誘導(dǎo)分子伴侶和激活蛋白降解途徑，減少錯誤折疊蛋白的堆積，從而保護細(xì)胞，使得其在應(yīng)激條件下存活［3］。目前認(rèn)為，啟動UPR是腫瘤細(xì)胞為適應(yīng)體內(nèi)低氧環(huán)境的一種必須行為，對于實體腫瘤細(xì)胞在體內(nèi)的存活至關(guān)重要［1］，在很多腫瘤中均檢測到UPR下游靶信號的激活［4-6］，而抑制UPR或其誘導(dǎo)的保護性分子/信號通路均不利于腫瘤生長［1-2］，并且UPR的激活可使腫瘤對治療抵抗［7］。在膠質(zhì)瘤組織中UPR相關(guān)的保護性分子Bip呈高表達(dá)，抑制Bip表達(dá)可使膠質(zhì)瘤對化療敏感［8］。有研究［9］發(fā)現(xiàn)XBP1在多種腫瘤組織中顯著上調(diào)并出現(xiàn)明顯剪接激活，且抑制XBP1基因可顯著提高膠質(zhì)瘤對化療藥物的敏感性，并且XBP1通過調(diào)控Catalase等基因使腫瘤細(xì)胞對氧化應(yīng)激抵抗［10］。由此可見UPR對于多種實體腫瘤的重要意義，但UPR對腫瘤細(xì)胞在應(yīng)激條件的調(diào)控作用及其具體機制仍有待進一步研究。

2 腫瘤在應(yīng)激微環(huán)境下代謝方式改變

在體內(nèi)應(yīng)激環(huán)境下，腫瘤細(xì)胞的能量代謝方式發(fā)生異常改變。通過糖酵解獲取能量是實體腫瘤適應(yīng)體內(nèi)低氧微環(huán)境的必須行為［11］，活躍的糖酵解是惡性腫瘤顯著的生化特征，這一生化表型被稱為Warburg效應(yīng)［12］，且糖酵解導(dǎo)致腫瘤對放化療抵抗［13］。通過Warburg效應(yīng)了解到腫瘤細(xì)胞代謝方式即使是有氧條件下，亦從氧化磷酸化（OXPHOS）轉(zhuǎn)向有氧糖酵解，作為ATP的主要來源［14］。這種腫瘤細(xì)胞代謝方式的轉(zhuǎn)變抵制了細(xì)胞凋亡的過程［15］，并且為腫瘤的增殖和侵襲提供了前期所需物質(zhì)［14］。在不同的腫瘤中，有氧糖酵解作用的分子基礎(chǔ)仍然不確定。前期的實驗研究證實，腫瘤細(xì)胞中遺傳和表觀遺傳改變導(dǎo)致代謝關(guān)鍵酶功能變化，其中包括基因的突變、同種蛋白不同表型之間功能的轉(zhuǎn)變及對于致瘤的信號通路二次調(diào)解和功能的轉(zhuǎn)變或腫瘤微環(huán)境誘發(fā)因素等［14］。

有研究［15］顯示腫瘤細(xì)胞內(nèi)調(diào)控糖酵解的基因被普遍上調(diào)，而線粒體三羧酸循環(huán)中的重要調(diào)控酶IDH（異檸檬酸脫氫酶）在膠質(zhì)瘤等一些腫瘤中發(fā)生突變［16］，其突變使得IDH活性降低，IDH突變失活后使腦腫瘤內(nèi)HIF-1α活性升高，促進腫瘤發(fā)生發(fā)展［17］。有學(xué)者［18］也指出，IDH突變使得腫瘤細(xì)胞發(fā)生“重新編程”，最終導(dǎo)致其代謝向無氧糖酵解方式轉(zhuǎn)化。有研究［19］發(fā)現(xiàn)糖酵解限速酶己糖激酶2（hexokinase 2，HK2）在多種腫瘤中異常高表達(dá)，其功能主要是調(diào)節(jié)惡性腫瘤細(xì)胞的有氧糖酵解，為細(xì)胞提供增殖和生存的優(yōu)勢，而正常組織中則主要表達(dá)己糖激酶1（HK1）。胰島素生長因子、myc、胰高血糖素、cAMP等轉(zhuǎn)錄和生長因子可以促進惡性腫瘤增長，同時也促進HK2的表達(dá)［20］。

3 腫瘤應(yīng)激微環(huán)境下自噬的啟動

細(xì)胞自噬是實體腫瘤在體內(nèi)應(yīng)激環(huán)境下產(chǎn)生的一種保護機制，在低氧和營養(yǎng)物質(zhì)缺乏狀態(tài)下，溶酶體可降解胞內(nèi)一些蛋白和細(xì)胞器，降解產(chǎn)生的氨基酸和營養(yǎng)物質(zhì)重新進入能量代謝循環(huán)，從而維持細(xì)胞存活。自噬對于應(yīng)激狀態(tài)下的腫瘤細(xì)胞清除胞內(nèi)不利分子、維持代謝水平、影響蛋白合成和調(diào)控代謝途徑至關(guān)重要，且自噬的激活使得腫瘤細(xì)胞對放療耐受［21］。

有研究［1］顯示因缺乏足夠的血液供應(yīng)，缺氧和營養(yǎng)剝奪廣泛存在于人的實體腫瘤。然而，癌細(xì)胞可以在這種看似不利于細(xì)胞生存的條件下存活，并且不斷擴散發(fā)展。應(yīng)用抗血管新生療法導(dǎo)致血管生成減少限制了腫瘤的生長，但血管生成抑制劑通常僅短暫抑制腫瘤的發(fā)展。抗血管新生治療引起的缺氧誘發(fā)了腫瘤細(xì)胞自噬，其誘導(dǎo)自噬是依賴于信號HIF-1α/AMPK途徑，自噬這種細(xì)胞保護性反應(yīng)導(dǎo)致治療抵抗，通過抗血管新生藥物配合自噬抑制劑可以明顯誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞凋亡［22］。在對于肝臟微環(huán)境誘導(dǎo)自噬的研究中，通過模擬體內(nèi)低氧和營養(yǎng)缺乏的腫瘤生長環(huán)境，發(fā)現(xiàn)自噬可通過Beclin-1依賴途徑促進肝癌細(xì)胞在低氧和營養(yǎng)缺乏狀態(tài)下生存［23］。因此抗腫瘤細(xì)胞自噬作用的藥物為目前研究的重點，眾多制藥公司和一些學(xué)術(shù)團體現(xiàn)在致力于對特定小分子自噬抑制劑的篩選研究。眾多自噬抑制劑也顯示出對腫瘤的抑制作用而倍受重視，并對于多自噬抑制劑進行臨床前期研究［24］。

此外，有研究［25］還發(fā)現(xiàn)抑癌基PTEN可通過抑制Akt/PKB信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑來誘導(dǎo)自噬，而Akt/PKB可激活拮抗自噬的mTOR，進一步將自噬與腫瘤細(xì)胞的致癌基因表達(dá)關(guān)聯(lián)。自噬基因的缺失與腫瘤發(fā)生密切相關(guān)，一些原癌基因可以激活自噬，抑癌基因可以誘導(dǎo)自噬，且自噬基因（ARG）與原癌基因和抑癌基因之間存在聯(lián)系［25］，提示自噬可能對抑制腫瘤有重要作用，但目前對其中涉及的多種復(fù)雜機制尚了解甚少，而這些可能正是腫瘤治療的新靶點，有待人們進一步研究。

4 腫瘤細(xì)胞中UPR、自噬和代謝方式轉(zhuǎn)變之間的cross-talk

UPR促進實體腫瘤在應(yīng)激微環(huán)境下發(fā)生發(fā)展，主要認(rèn)為與其誘導(dǎo)下游分子伴侶表達(dá)、維持內(nèi)質(zhì)網(wǎng)穩(wěn)態(tài)、促進錯配蛋白水解等途徑有關(guān)，但這些機制不足以解釋其對腫瘤在低氧環(huán)境下存活的必要性。有學(xué)者［26］指出，UPR通過對細(xì)胞代謝的調(diào)控影響細(xì)胞命運，UPR的3個通路均與細(xì)胞代謝關(guān)系密切。ATF4對糖代謝有重要調(diào)控作用［27］；ATF6a激活后與CRTC2結(jié)合進入細(xì)胞核，其結(jié)果抑制CRTC2對糖異生的正向調(diào)節(jié)［28］，而糖異生的抑制可導(dǎo)致糖酵解中間產(chǎn)物堆積，這些中間產(chǎn)物對腫瘤發(fā)生發(fā)展具有促進作用［28］。Acosta-Alvear等［29］研究發(fā)現(xiàn)，XBP1-s可直接調(diào)控多個與糖酵解有關(guān)的基因；有趣的是調(diào)控丙酮酸激酶剪接的蛋白hnRNP的家族成員也是XBP1-s的下游分子［29］，在腫瘤細(xì)胞內(nèi)hnRNP可促使糖酵解的限速酶丙酮酸激酶從M1型向M2型轉(zhuǎn)變［30］，M2型丙酮酸激酶在多種腫瘤包括膠質(zhì)瘤中高表達(dá)，并且與腫瘤在低氧環(huán)境下發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)［31］。XBP1-s可以與轉(zhuǎn)錄因子FOXO1結(jié)合導(dǎo)致其發(fā)生蛋白酶體依賴性水解［32］，而FOXO1可以抑制腫瘤細(xì)胞內(nèi)糖酵解相關(guān)基因表達(dá)［33］。

UPR與自噬關(guān)系也極為密切，UPR的啟動與自噬的激活均為腫瘤在體內(nèi)應(yīng)激環(huán)境生存和發(fā)展的重要保護機制。UPR中許多重要分子參與自噬的調(diào)控：低氧狀態(tài)下UPR中Perk通路的ATF4和CHOP可以上調(diào)自噬相關(guān)基因MAP1LC3B和ATG12，并對自噬有促進作用［34］；抑制UPR中另外一個重要分子IRE1α可以顯著抑制自噬，且不利于細(xì)胞在營養(yǎng)物質(zhì)缺乏狀態(tài)下存活［35］；XBP1對細(xì)胞自噬也有重要影響［36］。

5 結(jié)語

腫瘤細(xì)胞啟動UPR、激活自噬及代謝方式的變化均是其適應(yīng)腫瘤內(nèi)部低氧、營養(yǎng)物質(zhì)缺乏等應(yīng)激微環(huán)境的重要機制，其結(jié)果使得腫瘤細(xì)胞在應(yīng)激微環(huán)境存活［37-38］。綜上所述，UPR、自噬的啟動和代謝方式的改變?nèi)咧g存在諸多相互作用的機制，通過進一步實驗研究，明確三者之間的作用關(guān)系，將對理解腫瘤與其微環(huán)境之間的互動以及探索新的治療策略提供新的視角。

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（2014-04-08收稿）

（2014-04-27修回）

（本文編輯：邢穎）

Cross-talk among unfolded protein response,cancer metabolism, and autophagy in a cancer microenvironment

Xu HOU,Yaohua LIU
Correspondence to:Yaohua LIU;E-mail:liu_yaohua@163.com

Department of Neurosurgery,The FirstAffiliated Hospital of Harbin Medical University,Harbin 150001,China

This study was supported by the National Natural Science Foundation of China(Grant No.81172388)

Malignant tumor is typically characterized by fast proliferation and invasiveness.As such,tumor blood supply often fails to satisfy tumor growth requirements,resulting in a stressful cancer microenvironment with low oxygen level and insufficient nutrients.Cancer cells survive in such stressful environments by activating various signals(such as unfolded protein response),changing metabolic pathways,and undergoing autophagy.Hence,the cross-talk among these mechanisms should be determined to provide new insights into the interdynamics of cancer cells and their microenvironment.Furthermore,results would provide relevant information for the development of novel therapeutic strategies.

cancer,unfolded protein response,metabolism,autophagy

10.3969/j.issn.1000-8179.20140555

侯旭 在讀博士研究生。研究方向為膠質(zhì)瘤的外科治療。

哈爾濱醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院神經(jīng)外科（哈爾濱市150001）

*本文課題受國家自然科學(xué)基金項目（編號：81172388）資助

劉耀華 liu_yaohua@163.com

E-mail：houxu19830809@163.com