自噬與惡性腫瘤代謝的研究進展

劉嘉欣，潘 瑤，任亮欣，李豐玲

（濱州醫(yī)學院煙臺附屬醫(yī)院婦科，山東 煙臺 264100）

2020 年全球有近2000 萬新發(fā)惡性腫瘤病例，死于惡性腫瘤的患者近1000 萬，在目前100 多個國家中惡性腫瘤是人口的第一或第二大死因，以及是23個國家人口的第三或第四大死因，全球惡性腫瘤負擔在持續(xù)增長[1]。惡性腫瘤可導致巨大的疾病負擔，其作為全球的主要死因之一，嚴重阻礙人類的生活質量和壽命的延長。自噬廣泛存在于真核細胞中，其在進化上高度保守，是細胞內溶酶體對自身結構的吞噬降解過程，借此實現(xiàn)細胞的新陳代謝，參與和調節(jié)機體的各項生理和病理過程[2-3]。人體可以通過自噬這個關鍵環(huán)節(jié)保護細胞免受一些應激因素的影響。在某些類型的癌癥中，自噬對支持腫瘤生長非常重要。自噬可以促進腫瘤細胞的生長和存活，其關鍵機制是支持細胞新陳代謝的能力，因此抑制自噬作為惡性腫瘤的一種新的治療方法正在積極地進行臨床試驗。

1 自噬概述

對腫瘤細胞而言，自噬是其降解過程的一種。在腫瘤細胞發(fā)育的關鍵時期，其中很重要的是平衡能量來源和應對營養(yǎng)脅迫。自噬可通過巨噬、微自噬或分子伴侶自噬的形式發(fā)生，其中巨噬最為常見。自噬是一個完整的細胞自噬過程，其在各種觸發(fā)條件下被激活，自噬小體在形成后經歷成熟、伸展和擴張階段，最終與溶酶體融合形成自噬溶酶體。為了維持細胞內環(huán)境的穩(wěn)定，自噬對受損的細胞器或錯誤折疊的蛋白質進行裂解，從而為細胞提供能量。自噬可以清除錯誤折疊或聚集的蛋白質，清除一些受損的特定細胞器（線粒體、內質網和過氧化物等），除此之外還在清除細胞內的病原體等方面發(fā)揮著重要的作用[4]。自噬不僅可以消除細胞內的聚集體和受損細胞器，還可以促進細胞衰老和細胞表面抗原呈遞，防止基因組不穩(wěn)定及壞死，使其在預防癌癥、自身免疫性疾病、心肌病、糖尿病、肝病和一些感染等疾病中發(fā)揮著關鍵作用。自噬不僅可以清除和降解一些受損的細胞器和大分子物質，還可以參與細胞成分的基本轉化，使細胞自我更新、營養(yǎng)物質循環(huán)利用，從而為細胞提供營養(yǎng)和能量，維持細胞的動態(tài)平衡[5-7]。近年來大量的研究表明，自噬異常與多種惡性腫瘤的發(fā)生有關[8-9]。

2 自噬與惡性腫瘤

從生理上講，在應激和衰老過程中自噬可以通過清除受損的蛋白質和細胞器，在調節(jié)機體發(fā)育、與適應性免疫系統(tǒng)合作、維持能量平衡及維持蛋白質和細胞器質量控制方面發(fā)揮關鍵作用[10-11]。在一些代謝性、神經退行性、傳染性疾病中，若自噬功能失調將導致異常和受損的蛋白質、細胞器的聚集以及細胞內聚集物的形成，從而阻止自噬與感染性病原體的斗爭并降低其消除病原體的能力[12-13]。在惡性腫瘤中，自噬可以在腫瘤發(fā)展的不同背景和階段發(fā)揮中性、腫瘤抑制或促進腫瘤的作用，這取決于營養(yǎng)物質的可獲得性、微環(huán)境壓力、致病條件和免疫系統(tǒng)的存在[14-15]。自噬在癌癥轉移中的作用是復雜而非單一的。有報道表明，自噬有促進惡性腫瘤轉移的作用，同時也有抑制惡性腫瘤轉移的作用。在惡性腫瘤轉移的過程中，階段特異性可能會影響細胞對自噬的反應[16]。在惡性腫瘤轉移的早期，自噬可通過抑制腫瘤的壞死、炎性細胞的侵襲、減輕癌基因誘導的衰老等發(fā)揮抑制腫瘤細胞轉移的作用。這些過程可能有助于減少腫瘤細胞從原發(fā)部位向其他部位的侵襲和擴散。在惡性腫瘤轉移的晚期，自噬更加傾向通過促進上皮間質轉化分離的轉移細胞在遠處的存活和定植，并通過誘導在新環(huán)境中無法與上皮間質轉化建立聯(lián)系的轉移細胞進入休眠而作為轉移的加速器。

2.1 自噬的促轉移作用

惡性腫瘤細胞中代謝和氧化應激的不斷增加與不利的環(huán)境應激是惡性腫瘤細胞轉移的主要障礙。研究顯示，自噬缺陷的KRAS 驅動的肺癌細胞可表現(xiàn)出氧化應激、線粒體能量穩(wěn)態(tài)受損和結構性活躍的DNA損傷反應等，這些反應由P53 進一步介導并引發(fā)惡性腫瘤細胞的凋亡，表明自噬可能通過維持線粒體功能、清除誘導細胞死亡的風險因素等發(fā)揮重要作用，從而進一步促進腫瘤的進展[17-18]。自噬也可能通過刺激線粒體β 氧化而促進細胞內三磷酸腺苷的產生，從而促進肝癌細胞在低氧條件下存活。不能在外來微環(huán)境中形成牢固的上皮間質轉化接觸的播散性腫瘤細胞可能會轉化進入休眠狀態(tài)，這可能增加腫瘤細胞在未來的存活年限，或未來不會發(fā)展成繼發(fā)性腫瘤，同時保持在適當條件下能夠發(fā)生轉移的能力[19]。另有研究報道，腫瘤抑制因子再生障礙性貧血RAS 同源成員I（ARHI）可以誘導自噬并且提高體內休眠腫瘤細胞的存活率，第一次指出了自噬與調節(jié)惡性腫瘤細胞休眠之間存在的關聯(lián)[20]。因此，不能順利地與上皮間質轉化建立相互作用的部分播散的惡性腫瘤細胞可能會啟動自噬，從而使惡性腫瘤細胞進入休眠狀態(tài)，進一步促進惡性腫瘤細胞的存活。

2.2 自噬的抗轉移作用

由于細胞缺氧和代謝性應激反應的發(fā)生，腫瘤內部發(fā)生壞死的幾率增加，這使得以巨噬細胞為主的炎癥細胞滲入腫瘤部位，為惡性腫瘤的轉移創(chuàng)造和提供了一個有利的微環(huán)境[21]。在一些代謝應激和低氧條件下，自噬有助于惡性腫瘤細胞的存活，從而有效減少了腫瘤壞死和相關免疫細胞的滲透和轉移[22]。ATG5 是自噬的關鍵調節(jié)因子，與良性痣相比，在原發(fā)性黑色素瘤中ATG5 的表達下調，這種表達的下調伴隨著基礎自噬的降低和LC3 的表達。在對100 多名原發(fā)黑色素瘤患者的隨訪追蹤中發(fā)現(xiàn)，中低水平表達ATG5 的腫瘤患者無進展生存率是降低的。從機制上講，可能通過減少ATG5 的表達來實現(xiàn)阻止惡性腫瘤基因誘導的衰老，促進細胞增殖，這對早期皮膚黑色素瘤的研究有一定的幫助[23]。PI3K/Akt/mTOR 通路作為一條重要的信號通路，對自噬起負向調節(jié)作用，促進腫瘤進展。最近的研究表明，前列腺癌中有30% ～50% 的PI3K/Akt/mTOR 信號可出現(xiàn)上調，其發(fā)生通常與PTEN（一種抑癌基因）的缺失有關。據報道，PI3K/Akt/mTOR 信號通路的分子變化與腫瘤分期和分級的升高以及復發(fā)的風險有關[24]。惡性腫瘤轉移風險的增加與PTEN 在原發(fā)腫瘤中的突變和缺失有關，早期靶向PTEN 可能會防止惡性腫瘤細胞的轉移。從機制上講，抑制PI3K/Akt/mTOR 途徑、增加自噬通量對促進惡性腫瘤細胞的凋亡有一定的正向調節(jié)作用。

3 自噬與細胞凋亡

自噬可以通過去除細胞中受損的細胞器和大分子物質來促進細胞存活，并維持細胞的動態(tài)平衡。然而，自噬也可以通過與細胞凋亡的聯(lián)系來促進細胞死亡。自噬和細胞凋亡之間有很強的聯(lián)系，自噬和細胞凋亡往往相互作用，自噬可以促進或抑制細胞凋亡，而細胞凋亡也可以促進或抑制自噬[25-26]。自噬和細胞凋亡之間動態(tài)平衡的破壞可能是惡性腫瘤發(fā)生的重要原因之一。然而，自噬和細胞凋亡在不同類型惡性腫瘤發(fā)生中的作用仍存在爭議。

3.1 自噬與細胞凋亡的機制

自噬過程的機制是由一系列蛋白質控制的。哺乳動物雷帕霉素靶蛋白（mTOR）與細胞增殖、應激和癌癥進展有關。復合物mTORC1 和mTORC2 共同組成mTOR，每個復合物都表現(xiàn)出不同的功能和定位[27-28]。在自噬相關蛋白（ATG）的磷酸化中，活化的mTORC1起關鍵作用，進一步導致自噬的抑制。當在一些壓力條件下（如饑餓和細胞器損傷等）抑制mTORC1 時，自噬增強。mTORC1 受AMP 活化蛋白激酶（AMPK）的調節(jié)，抑制mTORC1 和增加AMPK 會誘導自噬過程[29]。然而，mTORC1 在自噬中的作用尚不清楚。細胞凋亡有3 個主要途徑，分別是死亡受體途徑、線粒體損傷途徑和內質網應激啟動途徑。外源性途徑是死亡受體，主要通過Fas/FasL、腫瘤壞死因子受體1（TNFR1）和相關死亡結構域或腫瘤壞死因子相關的凋亡誘導配體受體（TRAILR）結合，依賴于切割的特定蛋白的激活或失活會導致細胞凋亡的形態(tài)和生化特征的改變，包括磷脂酰絲氨酸暴露、質膜起泡和DNA 片段化，從而誘導細胞凋亡[30-31]。

3.2 自噬與細胞凋亡在腫瘤發(fā)生中的作用

自噬在同一細胞內以支持生存和支持死亡的兩種方式發(fā)揮作用。當細胞處于氧化應激、內質網應激、營養(yǎng)應激和能量應激等應激狀態(tài)時，自噬可以促進正常細胞在營養(yǎng)饑餓過程中的存活。自噬可以通過去除受損的細胞器來維持細胞的動態(tài)平衡，也可以通過降解細胞中的大分子物質來為細胞的生存提供營養(yǎng)。自噬抑制細胞凋亡的另一個重要機制是它可以吞噬受損的線粒體。當線粒體受損時，會釋放各種死亡信號，導致線粒體內的跨膜電位消失，引起細胞死亡。自噬還可以通過選擇性地減少細胞中促凋亡蛋白的豐度來減少細胞凋亡。自噬和細胞凋亡相互作用，或促進或抑制，其在腫瘤發(fā)生中的作用機制仍在探索中。一些學者認為自噬可以通過促進細胞凋亡來減少腫瘤的發(fā)生：當自噬被抑制時，細胞凋亡減少，導致細胞異常生長和腫瘤發(fā)生[32-33]。另一些學者認為自噬和細胞凋亡是相互抑制的：大量的細胞分子往往通過抑制自噬而促進細胞凋亡，從而減少腫瘤的發(fā)生[34-35]。然而，更多的學者傾向于認為自噬在腫瘤中起著雙刃劍的作用。一方面，自噬通過促進細胞凋亡來抑制腫瘤的發(fā)生。另一方面，自噬在腫瘤發(fā)生后通過自身的分解代謝能力為腫瘤細胞的生長提供能量和物質支持。不僅如此，自噬水平的提高也會導致癌細胞對抗腫瘤藥物，產生抗藥性。毫無疑問，自噬在惡性腫瘤的發(fā)病機制中起著重要作用。已有研究發(fā)現(xiàn)，許多與腫瘤發(fā)病相關的蛋白分子通過調節(jié)自噬和細胞凋亡來影響腫瘤的發(fā)生，其中大部分是通過自噬蛋白BECLIN-1、凋亡蛋白家族Bcl2 或兩者之間的相互作用來影響腫瘤的發(fā)生。細胞凋亡家族中的P53 與自噬蛋白家族中的ATG5、ATG7 和Beclin-1 之間的相互作用也是調節(jié)自噬、細胞凋亡和腫瘤發(fā)生之間相互作用的重要連接點。因此，P53 與自噬、BECLIN-1 和Bcl2 之間的聯(lián)系可能成為未來腫瘤治療的靶點之一。

4 自噬與血紅素加氧酶-1（HO-1）

HO-1 是一種32kDa 的熱休克蛋白，首次被鑒定為降解血紅素的關鍵限速酶[36]。HO-1 在血紅素降解中發(fā)揮主要作用，同時在抗氧化應激和抗炎功能中也起到了重要作用[37-38]。氧化應激和炎癥與腫瘤的發(fā)生有關，因此HO-1 在腫瘤中的作用引起了人們的關注。HO-1 在多種惡性腫瘤組織中呈高表達，如口腔癌、結腸癌和胰腺癌，并與腫瘤的臨床分期和不良預后相關[39-41]。最近，多項研究表明HO-1 在婦科惡性腫瘤中表達增高，并通過調節(jié)細胞自噬作用促進惡性腫瘤的發(fā)生、發(fā)展。新的證據表明，誘導HO-1 的表達與增強細胞自噬在一定反應中起協(xié)同作用，因為這兩種事件都被認為是氧化應激反應的一部分。這種關系的本質有相關證據支持，但仍需進一步研究?？纱龠M氧化應激和線粒體功能障礙的細胞毒性物質可能是在自噬激活和HO-1 誘導的共同重疊刺激下產生的。遺傳學研究表明，HO-1 可以通過增強線粒體吞噬和線粒體質量控制來調節(jié)線粒體穩(wěn)態(tài)，從而提供部分保護作用。HO-1 可上調肝細胞的自噬功能，從而避免小鼠在敗血癥期間發(fā)生肝細胞死亡和肝損傷。HO-1 和自噬在肝細胞代謝過程發(fā)揮協(xié)同作用，以應對敗血癥并抑制肝細胞死亡。HO-1 活性的藥理學抑制或HO-1的敲除阻止了該模型中自噬和相關信號的誘導，并導致肝細胞損傷、凋亡和死亡的增加[42]。最近的研究表明，病毒介導的HO-1 過表達可以直接在肝臟和分離的肝細胞中誘導自噬，并可防止肝毒素暴露[43]。其他報道將HO-1 依賴性自噬激活與肝臟缺血預處理、I/R損傷和移植相關I/R 損傷的保護聯(lián)系起來[44]。HO-1依賴性自噬信號在LPS 激活的巨噬細胞中發(fā)揮抗炎作用，其中HO-1 和自噬協(xié)同抑制促炎細胞因子的產生。有趣的是，p38 MAPK 抑制劑SB202190 在內皮細胞中激活自噬并誘導HO-1 產生，且這一途徑可被自噬抑制劑巴菲霉素A1 逆轉[45]。

5 小結

自噬作為一種細胞生存途徑，在惡性腫瘤中起著重要的作用，可以通過代謝應激防止生物能量衰竭，維持蛋白質和細胞器的質量與數(shù)量，并參與腫瘤發(fā)生的方方面面，包括腫瘤的發(fā)生、發(fā)展和惡性狀態(tài)的維持。惡性腫瘤細胞不斷分裂，它們也承受著新陳代謝的壓力。隨著惡性腫瘤細胞的生長、擴散和形成實體腫瘤或充斥著異常細胞，它們總是面臨著日益嚴重的缺氧和營養(yǎng)匱乏的問題，這可能會促進它們的死亡，阻止其生長、擴散和發(fā)展，而自噬對于在這些壓力下維持腫瘤的形成是必不可少的。自噬在控制腫瘤微環(huán)境、早期抑制腫瘤、晚期促進腫瘤以及觀察治療反應等方面也起著關鍵作用。自噬具有雙重作用，表現(xiàn)在惡性腫瘤的促進和抑制中。到目前為止，許多數(shù)據支持自噬在惡性腫瘤中的動態(tài)作用，它既可以是腫瘤早期的一種抑制因子，也可以作為一種促癌因子為以后的腫瘤維持和治療耐藥發(fā)揮作用。在惡性腫瘤發(fā)生的早期階段，自噬有助于正常細胞的生理代謝，為應激反應提供生物物質和能量，并作為一種動態(tài)機制，清除受損的蛋白質和細胞器以達到防止腫瘤發(fā)生的目的。若腫瘤進展到晚期，并受到血管生成受限、營養(yǎng)缺乏和缺氧等環(huán)境壓力的影響，自噬作為一種動態(tài)的降解和再循環(huán)系統(tǒng)，對已經存在的惡性腫瘤起到一種促進作用，并且可以通過促進轉移來增強腫瘤的侵襲性。因此，調節(jié)自噬可以作為惡性腫瘤有效的干預策略，通過預防腫瘤的發(fā)展、限制腫瘤的進展、提高癌癥的治療效率來預防和治療癌癥。也許在未來的某一天，自噬可以成為治療惡性腫瘤的重要靶點。自噬與細胞凋亡之間的相互作用是一個非常微妙的過程，只有更深入地研究這一機制，才能在未來的抗癌藥物研究中獲得更大的成功機會。