線粒體自噬在腫瘤干細(xì)胞中作用的研究進(jìn)展*

黃基峰 張怡 晏琛

腫瘤干細(xì)胞（cancer stem cells，CSCs）是腫瘤細(xì)胞中的一群特殊細(xì)胞，具有自我復(fù)制、多細(xì)胞分化和治療的抵抗能力［1］。CSCs被認(rèn)為是腫瘤治療失敗、復(fù)發(fā)及轉(zhuǎn)移的關(guān)鍵原因。自噬是將細(xì)胞內(nèi)受損、變性或衰老的蛋白質(zhì)以及細(xì)胞器運(yùn)輸?shù)饺苊阁w進(jìn)行降解的生理過程，在腫瘤的發(fā)生發(fā)展中起到重要作用［2］。線粒體自噬是一種靶向線粒體的選擇性自噬，在維持線粒體穩(wěn)態(tài)中起到重要作用。線粒體自噬是細(xì)胞分化過程中的一個固有組成部分，如從受精卵中去除父系線粒體，以及在紅細(xì)胞成熟和肌肉分化過程中去除多余的線粒體［3］。此外，線粒體自噬還被認(rèn)為是干細(xì)胞分化及細(xì)胞重編程的關(guān)鍵調(diào)控因素［4］。

異常的線粒體自噬可以導(dǎo)致細(xì)胞代謝、細(xì)胞分化、炎癥調(diào)控及DNA損傷修復(fù)等生理活動紊亂，上述均與腫瘤的發(fā)生和進(jìn)展密切相關(guān)［3］。線粒體自噬一方面可以通過清除受損的線粒體發(fā)揮腫瘤抑制作用，另一方面還可以促進(jìn)腫瘤的存活與治療抵抗［1，5］。線粒體自噬在CSCs中起到重要調(diào)控作用，本文旨在介紹線粒體自噬在CSCs中發(fā)揮的作用及其潛在機(jī)制。

1 線粒體自噬的啟動與調(diào)節(jié)

線粒體是調(diào)節(jié)哺乳動物細(xì)胞能量代謝、細(xì)胞信號和細(xì)胞凋亡的重要細(xì)胞器［6］。為了維持細(xì)胞內(nèi)穩(wěn)態(tài)，細(xì)胞已經(jīng)進(jìn)化出復(fù)雜的線粒體質(zhì)量控制系統(tǒng)［6］。線粒體自噬作為線粒體質(zhì)量控制系統(tǒng)中的一項(xiàng)重要機(jī)制，可以通過選擇性自噬降解過多或受損的線粒體，以應(yīng)對各種刺激［7］。自噬是一種重要的分解代謝途徑，其降解溶酶體中的蛋白質(zhì)或其他細(xì)胞成分。與傳統(tǒng)的非選擇自噬不同，線粒體自噬選擇性地靶向由線粒體自噬受體標(biāo)記的線粒體（圖1）。這些受體系統(tǒng)主要包括Parkin/PINK1受體系統(tǒng)、微管相關(guān)蛋白I輕鏈3（microtubuleassociated protein 1 light chain 3，LC3）相互作用區(qū)（LC3 interaction region，LIR）受體系統(tǒng)（如BNIP3、BNIP3L、FUNDC1）和脂質(zhì)介導(dǎo)系統(tǒng)（如神經(jīng)酰胺）［4，7］。

圖1 線粒體自噬過程的模式

1.1 Parkin/PINK1

PINK1作為一種絲氨酸/蘇氨酸激酶，是目前研究最為廣泛的一種線粒體自噬受體蛋白［1］。PINK1在維持線粒體形態(tài)、功能以及對受損線粒體的選擇性降解中發(fā)揮重要作用［8-9］。當(dāng)線粒體受損時，PINK1積聚在線粒體表面，并將E3泛素連接酶Parkin磷酸化后招募到去極化的線粒體外膜（outer mitochondrial membrane，OMM），OMM上的幾種蛋白通過泛素化啟動線粒體自噬，泛素化的外膜蛋白募集銜接蛋白并與LC3家族蛋白結(jié)合以完成線粒體自噬［8，10］。健康的線粒體可以通過PINK1降解機(jī)制避免線粒體自噬啟動［11］。目前，已知Parkin由PARK2基因編碼，PINK1由PARK6基因編碼，其表達(dá)受到多種基因產(chǎn)物的調(diào)控，具體調(diào)控途徑仍有待進(jìn)一步研究［8］。

1.2 BNIP3/BNIP3L

BNIP3、BNIP3L 均屬于Bcl-2 蛋白家族成員，是僅含有BH-3 結(jié)構(gòu)域的BH3-only 亞族，介導(dǎo)不依賴PINK1的線粒體自噬［12］。BNIP3 及BNIP3L 為低氧誘導(dǎo)的尾部錨定蛋白，通過羧基末端跨膜區(qū)整合入OMM，并將氨基末端延伸到胞質(zhì)中與LC3 家族蛋白相互作用［3］。在缺氧條件下，缺氧誘導(dǎo)因子-1α（hypoxia inducible factor-1α，HIF-1α）可以上調(diào)BNIP3及BNIP3L的表達(dá)水平，此外P53也能夠直接激活BNIP3及BNIP3L表達(dá)，進(jìn)而啟動線粒體自噬［13-14］。

1.3 FUNDC1

FUNDC1 為另一種被缺氧激活的線粒體自噬受體蛋白，其是一個定位于線粒體外膜上的三次跨膜蛋白。在低氧刺激下，F(xiàn)UNDC1通過LIR結(jié)構(gòu)域與活化后的LC3相互作用，隨后募集自噬體包裹被標(biāo)記的線粒體，進(jìn)而調(diào)控線粒體自噬。研究表明，F(xiàn)UNDC1與動力相關(guān)蛋白1（dynamin-related protein-1，Drp-1）之間的相互作用對缺氧誘導(dǎo)的線粒體自噬至關(guān)重要，通過阻斷FUNDC1 與Drp-1 相互作用可抑制FUNDC1 誘導(dǎo)的線粒體自噬［3，15］。此外，F(xiàn)UNDC1 對線粒體自噬的調(diào)控還受到LIR 結(jié)構(gòu)與周圍氨基酸殘基磷酸化的嚴(yán)格調(diào)節(jié)［3，15］。

2 線粒體自噬的生物學(xué)作用

線粒體自噬與各種生理過程和疾病有因果關(guān)系，參與到心肌缺血損傷、帕金森病、衰老和記憶性自然殺傷細(xì)胞的存活等生理病理過程［8，10，16-17］。研究表明，BNIP3介導(dǎo)的線粒體自噬可以通過清除受損的線粒體，對腎臟和心臟缺血再灌注損傷起到保護(hù)作用［16，18］。FUNDC1 也可在局部缺血的組織（如心臟）中被激活并介導(dǎo)線粒體自噬，從而避免缺血缺氧應(yīng)激誘發(fā)的細(xì)胞凋亡［19］。BNIP3L介導(dǎo)的線粒體自噬是維持紅細(xì)胞數(shù)量和紅細(xì)胞成熟末期清除線粒體所必需的［20］。研究表明，PINK1及Parkin基因突變導(dǎo)致的線粒體損傷與帕金森病發(fā)病有關(guān)［8］。此外，抑制PINK1 介導(dǎo)的線粒體自噬可以顯著降低干細(xì)胞重編程的效率［1］，敲除造血干細(xì)胞（hemopoietic stem cell，HSC）中PINK1基因的表達(dá)會抑制其介導(dǎo)的線粒體自噬從而損害HSC的自我更新能力［11］。

3 線粒體自噬在CSCs中的作用

在腫瘤的發(fā)生和進(jìn)展中，線粒體的調(diào)控起到重要作用［21］。作為線粒體質(zhì)量控制的重要機(jī)制，線粒體自噬在腫瘤發(fā)生的早期發(fā)揮著抑癌作用，然而在已經(jīng)形成的腫瘤中又可以起到促癌作用［22］。如缺少BNIP3 介導(dǎo)的線粒體自噬會引起受損線粒體積聚、ROS產(chǎn)生過多，最終導(dǎo)致乳腺癌的進(jìn)展［23］。但也有研究表明，低氧情況下食管鱗狀細(xì)胞癌細(xì)胞中BNIP3表達(dá)上調(diào)并誘導(dǎo)保護(hù)性線粒體自噬［1］；肝癌細(xì)胞中BNIP3 介導(dǎo)的線粒體自噬起到抗凋亡的促癌作用［24］。雖然近年來越來越多的研究表明線粒體自噬在腫瘤中具有促癌作用，但是針對腫瘤中的特殊群體—CSCs，線粒體自噬發(fā)揮作用的具體機(jī)制仍有待進(jìn)一步闡明（圖2）。

圖2 線粒體自噬在腫瘤干細(xì)胞中的作用模式

3.1 線粒體自噬與CSCs的干性維持

CSCs被認(rèn)為是具有干細(xì)胞特性（干性）的一類腫瘤細(xì)胞，在維持CSCs 的干性中線粒體自噬起到重要作用［25］。如在腦CSCs的干性維持中，腦CSCs通過激活細(xì)胞周期素依賴蛋白激酶5（cyclin-dependent kinase 5，CDK5）依賴的線粒體Drp-1 來促進(jìn)線粒體自噬。線粒體自噬通過清除損傷線粒體、減少細(xì)胞死亡，維持腦CSCs 的自我更新和生長［26］。在急性髓系白血?。╝cute myeloid leukemia，AML）中，線粒體自噬具有維持白血病干細(xì)胞（leukemia stem cells，LSCs）干性的促癌作用［27］。通過線粒體自噬，LSCs 獲得更低的能量代謝率和ROS 生成量。研究表明，LSCs 通過調(diào)控AMP 依賴的蛋白激酶（adenosine 5'-monophosphate-activated protein kinase，AMPK）途徑增加與線粒體裂變相關(guān)的線粒體裂變1蛋白（mitochondrial fission 1 protein，F(xiàn)IS1）的表達(dá)［27-28］。阻斷FIS1基因表達(dá)可抑制糖原合成激酶-3β（glycogen synthetase kinase-3β，GSK-3β）活性進(jìn)而阻斷線粒體自噬途徑，這使得LSCs 逐漸喪失干性［27］，使用GSK-3β 抑制劑靶向AMPK/FIS1/GSK-3β 介導(dǎo)的線粒體自噬軸有可能成為AML根治的策略。

還有研究表明，在腫瘤形成之前，線粒體自噬對正常干細(xì)胞可以起到抑癌作用，線粒體自噬缺失導(dǎo)致肝干細(xì)胞向CSCs的惡性轉(zhuǎn)變［29-30］。自噬缺失導(dǎo)致肝干細(xì)胞功能缺陷，增加受損線粒體和線粒體ROS的積累、抑制DNA的同源重組損傷修復(fù)途徑，肝干細(xì)胞進(jìn)而發(fā)生惡變［30］。但在腫瘤CSCs形成之后，肝CSCs中線粒體自噬可清除與線粒體共定位的抑癌基因p53，阻止磷酸化的p53與轉(zhuǎn)錄因子Nanog的啟動子結(jié)合，Nanog結(jié)合轉(zhuǎn)錄因子Oct4和Sox2后正常表達(dá)，使得腫瘤干細(xì)胞維持自行更新能力，從而維持肝CSCs的增殖［1］。線粒體自噬對肝CSCs的促癌作用是p53依賴性的，在p53缺失的肝CSCs中并無類似改變［1，31］。

在CSCs的干性維持過程中，線粒體自噬起到了降解受損線粒體、降低細(xì)胞內(nèi)ROS水平、降解清除線粒體上的抑癌基因等促癌作用。CSCs的干性維持使得腫瘤細(xì)胞保存了自我更新與增殖分化能力，促進(jìn)了腫瘤的進(jìn)展。同時，研究表明線粒體分裂相關(guān)的Drp1和F1S1蛋白參與了線粒體自噬的調(diào)控，線粒體動力學(xué)的改變在線粒體自噬調(diào)控中也發(fā)揮重要作用。

3.2 線粒體自噬與CSCs的代謝重編程

線粒體是細(xì)胞內(nèi)的能量代謝工廠，具有產(chǎn)生能量及合成生物分子等功能［6］。研究表明，通過調(diào)節(jié)線粒體數(shù)量與活性進(jìn)行代謝重編程是CSCs的一個關(guān)鍵特征，此過程調(diào)控了CSCs的干性、治療抵抗以及侵襲轉(zhuǎn)移等能力［6，32］。與正常干細(xì)胞依賴氧化磷酸化（oxidative phosphorylation，OXPHOS）作為主要能量來源不同，CSCs 表現(xiàn)出獨(dú)特的代謝可塑性，即CSCs 可以在OXPHOS 和糖酵解兩種代謝表型之間切換，以維持干性、促進(jìn)腫瘤的生長［33］。在這一過程中，CSCs可能根據(jù)細(xì)胞生存需求，通過線粒體自噬進(jìn)行代謝重塑并轉(zhuǎn)化成糖酵解或OXPHOS 表型，完成代謝重編程，進(jìn)而促進(jìn)腫瘤進(jìn)展［4］。

二氯乙酸（dichloroacetate，DCA）是一種已知的抗腫瘤藥物，通過抑制丙酮酸脫氫酶激酶將細(xì)胞代謝從無氧糖酵解轉(zhuǎn)化為OXPHOS，CSCs 對DCA 的處理相比普通腫瘤細(xì)胞更為敏感［34］。DCA處理促進(jìn)丙酮酸轉(zhuǎn)化為乙酰輔酶A，后者進(jìn)入三羧酸循環(huán)并為線粒體氧化磷酸化提供燃料，隨著丙酮酸氧化增強(qiáng)，ROS的產(chǎn)生增多并為線粒體呼吸鏈轉(zhuǎn)移更多還原當(dāng)量，形成惡性循環(huán)［34］。顯著上升的ROS水平伴隨著線粒體自噬標(biāo)記物L(fēng)C3B-Ⅱ（microtubule-associated protein 1 light chain 3B-Ⅱ）的上調(diào)，表明線粒體自噬參與對抗DCA 的CSCs 毒性作用之中。線粒體自噬作為線粒體質(zhì)量控制方式之一，很可能參與CSCs 對代謝變化的代償，并保護(hù)CSCs 適應(yīng)代謝轉(zhuǎn)變［34］，促進(jìn)CSCs 存活。線粒體自噬與CSCs 代謝之間的相互影響機(jī)制亟需更多研究，通過調(diào)控線粒體自噬，有望將調(diào)控CSCs代謝作為治療CSCs的新策略。

3.3 線粒體自噬與CSCs的治療抵抗

CSCs 被認(rèn)為是腫瘤的治療抵抗關(guān)鍵因素之一［2］。研究表明，LSCs 對傳統(tǒng)化療藥物存在耐藥性，存活的LSCs 為AML 復(fù)發(fā)的常見原因［27］。線粒體自噬在化療過程中往往起到細(xì)胞保護(hù)作用，因此可能成為針對CSCs耐藥性的潛在靶點(diǎn)。采用抗腫瘤藥物阿霉素刺激大腸癌細(xì)胞后，大腸CSCs 中線粒體自噬水平顯著上升，而抑制線粒體自噬后可增強(qiáng)阿霉素的敏感性［35］。在化療過程中，線粒體自噬可幫助CSCs 抵抗由化療藥物導(dǎo)致的細(xì)胞凋亡，進(jìn)而產(chǎn)生化療耐藥性。逆轉(zhuǎn)這一保護(hù)機(jī)制，可能成為解決CSCs化療耐藥性的途徑之一。

還有研究表明，口腔鱗狀細(xì)胞CSCs 中升高的線粒體自噬水平與對順鉑耐藥呈正相關(guān)［36-37］。順鉑刺激后產(chǎn)生的耐藥FaDu 細(xì)胞具有干細(xì)胞樣特征，在這種腫瘤細(xì)胞中觀察到較高的自噬通量與線粒體自噬水平，并且這些細(xì)胞還高表達(dá)CD44、多藥耐藥性蛋白ABCB1（ATP-binding cassette subfamily B member 1）和解聚素金屬酶蛋白17（a disintegrin and metalloprotease 17，ADAM17）［36］。而抑制線粒體自噬導(dǎo)致CSCs干性的喪失及CD44、ABCB1 和ADAM17 的表達(dá)降低［36］。上述研究提示，增強(qiáng)的線粒體自噬可通過借助耐藥相關(guān)蛋白的表達(dá)來維持CSCs 的存活，從而促進(jìn)腫瘤的化療耐藥性形成。

4 展望

CSCs的治療抵抗以及腫瘤復(fù)發(fā)為腫瘤治療中的難點(diǎn)。在CSCs中線粒體自噬發(fā)揮促進(jìn)干性維持、代謝重編程及治療抵抗等多種作用。因此，在腫瘤中使用靶向調(diào)控線粒體自噬的藥物可能是改善CSCs治療抵抗性并清除CSCs的治療手段。在今后的研究中，需要對線粒體自噬在CSCs起源和治療抵抗性中的可能機(jī)制進(jìn)行更為深入的研究。