自噬調(diào)控腫瘤發(fā)生與發(fā)展的研究進(jìn)展

劉興哲，車 楠綜述，玄延花審校

0 引 言

自噬(autopaghy)是捕獲和降解溶酶體中受損蛋白和細(xì)胞器的分解代謝過程[1-4]，能有效降解正常細(xì)胞代謝產(chǎn)物，是維持機體健康的基礎(chǔ)。營養(yǎng)缺乏、缺氧、DNA損傷和細(xì)胞毒作用等均可以誘導(dǎo)細(xì)胞自噬發(fā)生[2, 5-6]。誘導(dǎo)自噬可通過調(diào)整細(xì)胞內(nèi)外的動態(tài)平衡而促進(jìn)細(xì)胞存活，然而過度的自噬則嚴(yán)重影響胚胎分化誘導(dǎo)細(xì)胞程序性死亡[7-8]。因此，自噬的改變與臨床各種疾病如癌癥、神經(jīng)退行性變、心臟疾病、肝和代謝紊亂、傳染病、炎癥和自身免疫性疾病等密切相關(guān)[1, 4, 8-11]。過去的十年中，自噬作為一種新的方法在疾病治療中受到了廣泛的關(guān)注。然而，目前尚未發(fā)現(xiàn)臨床可行的干預(yù)措施[8]。唯一在體內(nèi)有效且在臨床試驗中安全的自噬抑制劑是氯喹及其衍生物羥氯喹(Hydroxychloroquine, HCQ)，它們通過阻斷自噬體融合和降解抑制自噬。涉及或HCQ的30多個I/II期癌癥臨床試驗提示自噬抑制劑與抗腫瘤活性有關(guān)[12-13]。因此，明確自噬如何調(diào)節(jié)細(xì)胞代謝為腫瘤生長提供營養(yǎng)物質(zhì)是癌癥治療的關(guān)鍵點。

1 自噬的分類

根據(jù)自噬是否有目標(biāo)的選擇降解對象，將自噬分為選擇性自噬和非選擇性自噬。選擇性自噬通過識別特定的靶點起作用，如受損的細(xì)胞器、蛋白質(zhì)聚集物和細(xì)胞內(nèi)的病原體[2]。選擇性自噬降解途徑包括線粒體自噬(mitophagy)、異體自噬(xenophagy)、核糖體自噬(ribophagy)和鐵自噬(ferritinophagy)，自噬通過選擇適當(dāng)?shù)牡孜镌谔囟l件下將其降解并循環(huán)利用以維持體內(nèi)平衡[1]。非選擇性自噬將部分細(xì)胞質(zhì)隔離形成自噬體，并將其傳遞給溶酶體進(jìn)行降解。

根據(jù)運輸?shù)饺苊阁w的細(xì)胞質(zhì)成分和途徑不同，自噬可以分為大自噬、小自噬和分子伴侶介導(dǎo)的自噬。大自噬是最典型的過程，即通常所指的自噬[7]，在這個過程中，細(xì)胞質(zhì)成分被稱為自噬體的雙膜囊泡吞噬，隨后與溶酶體融合形成自噬溶酶體，其特異性物質(zhì)被降解或回收[5]。小自噬通過溶酶體膜內(nèi)陷直接吞噬細(xì)胞質(zhì)，如長壽蛋白。分子伴侶介導(dǎo)的自噬則利用暴露的氨基酸KFERQ樣基序回收可溶性蛋白，熱休克蛋白70識別該基序后繼而與溶酶體受體2A型溶酶體相關(guān)膜蛋白(lysosome-associated membrane proteins, LAMP-2A)結(jié)合而內(nèi)化[10]。

2 自噬的過程及標(biāo)志物

通過從酵母到哺乳動物的基因研究，目前已發(fā)現(xiàn)30多個自噬相關(guān)基因(autophagy associated gene, ATG)[7, 14-15]。近年來，ATG基因在調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)運輸、內(nèi)吞、胞吐、巨胞飲和外泌體產(chǎn)生中的作用越來越受到重視[16]。因此，明確自噬分子水平上的調(diào)控是十分重要的。自噬形成有五個關(guān)鍵階段:①吞噬泡形成或成核；②ATG5-ATG12耦聯(lián)、與ATG16L相互作用以及在自噬體上多重聚合；③微管相關(guān)蛋白1輕鏈3(microtubule-associated protein 1 light chain3, LC3)轉(zhuǎn)化并插入延伸的吞噬泡膜；④捕獲隨機或選擇性的降解目標(biāo)；⑤自噬體與溶酶體融合，隨后被溶酶體酶降解[9]。

2.1吞噬泡形成在缺氧情況下，當(dāng)腺苷酸活化蛋白激酶(Adenosine5’-monophosphate(AMP)-activated protein kinase, AMPK)激活時，抑制哺乳動物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin, mTOR)磷酸化從而誘導(dǎo)其失活，導(dǎo)致UNC-51樣激酶1/2(UNC-51-like kinase 1/2, ULK1/2)被激活。ULK1/2的激活促進(jìn)了包括Beclin-1(也稱BECN1)和磷脂酰肌醇-3激酶(phosphatidylinositol 3-kinase, PI3K)在內(nèi)的幾種自噬起始靶點的磷酸化[17]。這是吞噬泡形成初期的一個關(guān)鍵調(diào)控步驟[18]。

2.2ATG5與ATG12耦聯(lián)和LC3轉(zhuǎn)化ATG5與ATG12耦聯(lián)和LC3轉(zhuǎn)化兩個泛素化過程是自噬的關(guān)鍵[9]。ATG7(類泛素激活酶)和ATG10(類泛素結(jié)合酶)共同催化形成共價結(jié)合的ATG12-ATG5復(fù)合物。隨后ATG12-ATG5-ATG16L1復(fù)合物形成并直接與膜結(jié)合，促進(jìn)自噬體形成[7]。LC3被認(rèn)為是自噬過程中最重要的調(diào)控因子之一[19]。作為自噬體膜的結(jié)構(gòu)成分，proLC3的C端被半胱氨酸蛋白酶ATG4B裂解，產(chǎn)生胞質(zhì)異形體LC3-I[7]，隨后ATG7(類泛素激活酶)激活LC3-I并將其傳遞給ATG3(類泛素結(jié)合酶)，后者將LC3-I與磷脂酰乙醇胺結(jié)合，最終轉(zhuǎn)化為LC3-II，促進(jìn)自噬體膜擴(kuò)增[19]。因此，ATG4B是自噬途徑中必需的酶活性成分[18]。同樣，LC3-I和LC3-II轉(zhuǎn)化是評價自噬活性的重要指標(biāo)[18, 20]。

2.3捕獲目標(biāo)并降解自噬體膜形成時，可以選擇性地與蛋白質(zhì)聚集體和細(xì)胞器相互作用[9]。LC3-II位于自噬體的內(nèi)外膜，可以與p62等銜接蛋白相互作用，誘導(dǎo)自噬溶酶體被降解[5]。p62可以促進(jìn)多泛素化蛋白聚集物的周轉(zhuǎn)，是調(diào)控溶酶體降解途徑的間接靶點，也是抑制自噬體和溶酶體融合的非特異性靶點[16, 18]。

2.4自噬發(fā)生的主要調(diào)控因子細(xì)胞自噬及其分子機制由一系列蛋白質(zhì)控制。吞噬泡形成初期，AMPK通過抑制mTOR磷酸化從而激活ULK1/2。ULK1/2的激活可以促進(jìn)多種自噬起始靶點的磷酸化。而mTOR通過PI3K/AKT通路被生長因子信號激活，并由AMPK和p53抑制[12]。當(dāng)mTOR被激活時，自噬通過磷酸化mTOR影響ULK1/2，抑制下游自噬信號的級聯(lián)反應(yīng)，相反，AMPK可以通過磷酸化TSC1/2抑制mTORC1信號進(jìn)而刺激自噬[12]。抑癌因子受mTOR和AMPK的負(fù)調(diào)控，誘導(dǎo)自噬從而抑制癌變的起始階段，相反，mTOR、PI3K和AKT可激活原癌基因，抑制自噬從而增強癌細(xì)胞的形成[2]。

3 自噬與腫瘤的關(guān)系

癌癥是世界范圍內(nèi)的主要死亡原因，其發(fā)病率不斷上升。雖然抗癌治療已經(jīng)有了很大的進(jìn)步，但它在治療腫瘤方面的療效仍然有限[2]。自噬在腫瘤發(fā)生和腫瘤化療過程中頻繁發(fā)生。一般而言，在化療過程中自噬對癌細(xì)胞起到保護(hù)作用，易導(dǎo)致腫瘤耐藥進(jìn)而轉(zhuǎn)化為難治性癌癥[7]。在腫瘤發(fā)生發(fā)展的不同階段，自噬可能具有相反的作用，如作為腫瘤的抑制因子或啟動因子。許多外部刺激可能影響腫瘤自噬，如缺氧、腫瘤微環(huán)境酸化、營養(yǎng)缺乏、藥物治療或感染等[14]。此外，在癌癥中腫瘤抑制因子或致癌基因可以調(diào)節(jié)自噬通路。如p53，其狀態(tài)可以改變自噬在腫瘤進(jìn)展中的作用[14]。

3.1自噬抑制腫瘤發(fā)生自噬最初被認(rèn)為是一種抑癌機制。這一概念源于早期的報道，即重要的自噬基因BECN1在40%～75%的人類前列腺癌、乳腺癌和卵巢癌中以等位基因形式丟失[4, 14, 21]。在遺傳性乳腺癌的基因工程小鼠模型(genetically engineered mouse models, GEMMs)中，等位基因BECN1的缺失促進(jìn)了p53的激活，降低了腫瘤的發(fā)生。但在人類癌癥中BECN1的缺失與乳腺癌1號基因(breast cancer 1, BRCA1)的缺失是不能分離的，這表明BECN1在大多數(shù)人類癌癥中不是腫瘤抑制因子。綜上所述，BECN1僅在癌癥小鼠模型中發(fā)揮抑癌作用[4, 14]。

基礎(chǔ)水平的自噬通過控制細(xì)胞中受損成分或蛋白質(zhì)的降解抑制腫瘤的發(fā)生[2, 22]。GEMMs中自噬可通過抑制ROS、DNA損傷、組織損傷、炎癥和基因組不穩(wěn)定性等已知的腫瘤起始誘導(dǎo)因子，在腫瘤發(fā)生的早期發(fā)揮抑癌作用[1]。氧化應(yīng)激情況下，自噬通過調(diào)節(jié)ROS阻止腫瘤的發(fā)生，而線粒體的損傷會導(dǎo)致過多的ROS產(chǎn)生，從而促進(jìn)致癌過程[2, 22]。敲除ATG5和ATG7的小鼠中，可通過氧化應(yīng)激和線粒體受損誘導(dǎo)自噬缺失的肝細(xì)胞形成肝癌[2]。在肺癌、乳腺癌、胰腺癌和黑色素瘤的GEMMs中，敲除自噬基因RAS或BRAF抑制了良性腫瘤的生長，但加快了晚期癌癥的生長[13]。當(dāng)暴露于化學(xué)致癌物時，ATG4缺陷的小鼠對纖維肉瘤的易感性增加。其他研究表明，ATG3、ATG5、ATG9等自噬相關(guān)基因的缺失同樣與腫瘤發(fā)生相關(guān)[2]。這些結(jié)果提示自噬是抑制腫瘤發(fā)生的重要機制，自噬受損可能導(dǎo)致腫瘤發(fā)生。

3.2自噬促進(jìn)腫瘤發(fā)展雖然在正常細(xì)胞和組織中基底細(xì)胞自噬的水平較低，但許多癌細(xì)胞系具有高水平的基底細(xì)胞自噬。自噬通過維持腫瘤細(xì)胞的基本代謝功能促進(jìn)腫瘤生長、存活以及惡性腫瘤的發(fā)生[1]。此外，自噬通過增強應(yīng)激耐受性和提供營養(yǎng)物質(zhì)來滿足腫瘤細(xì)胞的代謝需求，甚至在不利環(huán)境條件下也能維持細(xì)胞存活，如饑餓或缺氧，這在腫瘤生長中極為常見[14]。研究證實，在腫瘤微環(huán)境中自噬在缺氧的腫瘤區(qū)域上調(diào)，抑制腫瘤誘導(dǎo)的炎癥，并促進(jìn)腫瘤細(xì)胞存活。因此，無論是腫瘤細(xì)胞內(nèi)促癌通路的激活，還是腫瘤微環(huán)境的應(yīng)激，都會增加自噬的需求，從而促進(jìn)腫瘤的生長和生存[22]。

3.2.1自噬促進(jìn)腫瘤生長研究發(fā)現(xiàn)，RAS突變使自噬增加，增強了腫瘤的生長、存活以及惡化，并與一些癌癥的發(fā)展相關(guān)，包括肺癌、結(jié)腸癌和胰腺癌[2]。肺癌、胰腺導(dǎo)管腺癌、前列腺癌和黑色素瘤的GEMMs中，敲除ATG5或ATG7腫瘤進(jìn)展緩慢。乳腺癌細(xì)胞中缺失Becn1以及膠質(zhì)母細(xì)胞瘤中缺失ATG13或ULK1都得到了類似的結(jié)果[1]，所以抑制自噬或自噬基因可誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞死亡。

3.2.2自噬促進(jìn)腫瘤細(xì)胞侵襲遷移ATG5或ATG7在小鼠體內(nèi)缺失會導(dǎo)致慢性肝損傷、炎癥和良性肝腫瘤，這些良性肝腫瘤未能發(fā)展為癌[1, 22]。這表明即使特異性敲除自噬基因可以增加小鼠胰腺和肝臟腫瘤的發(fā)生，但自噬是腫瘤發(fā)展到惡性階段所必需的。特異性敲除自噬基因的GEMMs中，抑制自噬可以促進(jìn)組織損傷和炎癥相關(guān)良性病變的形成，但許多侵襲性癌癥需要自噬才能生長、存活和惡化[1]。

3.2.3自噬影響腫瘤細(xì)胞表型研究發(fā)現(xiàn)，自噬可以通過影響腫瘤細(xì)胞表型調(diào)節(jié)細(xì)胞遷移和侵襲[2]。上皮間質(zhì)轉(zhuǎn)化(epithelial mesenchymal transition, EMT)在腫瘤轉(zhuǎn)移中起重要作用。早期的研究表明，自噬與EMT是相互聯(lián)系的。在腫瘤轉(zhuǎn)移過程中EMT激活的癌細(xì)胞具有高水平的自噬，在多種應(yīng)激條件下存活[2, 23]。

干細(xì)胞自噬與維持其分化和自我更新有關(guān)。研究發(fā)現(xiàn)，自噬通過維持干細(xì)胞干性、誘導(dǎo)復(fù)發(fā)和產(chǎn)生對抗癌藥物的耐藥性，調(diào)節(jié)癌癥干細(xì)胞的特性。而腫瘤細(xì)胞也可通過上調(diào)自噬增加其生長和侵襲性[2]。因此，自噬通過促進(jìn)癌細(xì)胞增殖和腫瘤生長進(jìn)而促進(jìn)腫瘤的發(fā)展。

4 自噬與腫瘤微環(huán)境的相互作用

自噬不僅對細(xì)胞生存至關(guān)重要，而且對機體在微環(huán)境影響下的生存也至關(guān)重要[24]。腫瘤微環(huán)境由缺氧、細(xì)胞因子、炎癥等多種因素構(gòu)成。腫瘤微環(huán)境不僅在腫瘤的發(fā)生、發(fā)展和轉(zhuǎn)移過程中起著關(guān)鍵作用，而且由于腫瘤細(xì)胞與其微環(huán)境周圍基質(zhì)持續(xù)相互作用引起的耐藥性對腫瘤治療效果也有明顯影響[25]。近期研究表明，腫瘤細(xì)胞自噬與腫瘤微環(huán)境相互作用不僅可以降低細(xì)胞毒性，也可以調(diào)控癌癥進(jìn)展[2]。

既往研究表明，缺氧條件下缺氧誘導(dǎo)因子-1(hypoxia inducible factor-1, HIF-1)等應(yīng)激信號影響自噬通路，促進(jìn)腫瘤細(xì)胞的適應(yīng)和生存。自噬中特定的HIF-1靶點包括BNIP3和BNIP3L，它們是細(xì)胞死亡調(diào)節(jié)因子Bcl-2超家族的非典型成員，也參與誘導(dǎo)線粒體自噬[9]。此外，BNIP3也是HIF-1下游的腫瘤抑制因子，通過促進(jìn)線粒體的完整性減少活性氧(reactive oxygen species, ROS)的產(chǎn)生，最終抑制HIF-1α的原癌活性[16]。值得注意的是，HIF-1也可以通過葡萄糖代謝間接地調(diào)節(jié)腫瘤細(xì)胞自噬。研究表明，HIF-1α可通過促腫瘤細(xì)胞自噬或者葡萄糖代謝滿足機體能量需求。當(dāng)大量葡萄糖和氨基酸被剝奪時，HIF-1α通過誘導(dǎo)AMPK而抑制mTOR從而激活自噬為機體供能[2]。

相關(guān)研究證實自噬參與細(xì)胞因子的產(chǎn)生，進(jìn)而誘導(dǎo)肝癌的發(fā)生和轉(zhuǎn)移[25]。炎性細(xì)胞因子在腫瘤微環(huán)境中高表達(dá)，參與并調(diào)控腫瘤的發(fā)生。研究表明，炎癥在癌細(xì)胞、巨噬細(xì)胞和其他免疫細(xì)胞中觸發(fā)高水平的ROS，這些細(xì)胞分泌趨化因子和細(xì)胞因子(白細(xì)胞介素-6、腫瘤壞死因子-α、白細(xì)胞介素-10和轉(zhuǎn)化生長因子-β)進(jìn)入腫瘤微環(huán)境，參與調(diào)控癌癥進(jìn)展[2]。

腫瘤微環(huán)境中，炎癥由其環(huán)境和癌旁細(xì)胞自噬引起。研究表明，炎癥干擾自噬能誘導(dǎo)腫瘤發(fā)生[2,26]。相反，自噬通過協(xié)調(diào)炎癥可以抑制腫瘤發(fā)生。如異體自噬直接清除外源性或內(nèi)源性微生物避免急性炎癥，從而降低炎癥引起腫瘤的可能性。線粒體自噬阻止線粒體ROS和DNA的積累，避免當(dāng)細(xì)胞暴露于DAMPs(損傷相關(guān)的分子模式)、ATP和其他致癌物質(zhì)時過度激活炎癥從而避免腫瘤發(fā)生。在炎癥促進(jìn)腫瘤發(fā)展過程中，炎癥小體NLRP3發(fā)揮重要作用，自噬也可以通過抑制NLRP3的形成抑制炎癥間接影響腫瘤發(fā)生[26]。

5 總 結(jié)

自噬在細(xì)胞器、蛋白質(zhì)、細(xì)胞內(nèi)運輸和新陳代謝中都發(fā)揮著重要的作用， 所以自噬在許多疾病中都有不同程度的調(diào)控。但自噬在調(diào)節(jié)癌細(xì)胞死亡或存活中的作用仍存在爭議。目前的研究表明，自噬可以有效地抑制早期腫瘤的形成，但在腫瘤晚期明顯促進(jìn)了腫瘤的生長。因此，明確自噬在腫瘤中的調(diào)控作用及分子機制為癌癥的治療提供了新的方向與前景。