線粒體自噬與消化系腫瘤發生發展關系的研究進展

辛辰，笪俊，王忠瓊

(1西南醫科大學臨床醫學院，四川瀘州646000；2 西南醫科大學附屬醫院)

線粒體自噬與消化系腫瘤發生發展關系的研究進展

辛辰1，笪俊2，王忠瓊2

(1西南醫科大學臨床醫學院，四川瀘州646000；2 西南醫科大學附屬醫院)

線粒體自噬是一個高度選擇性的細胞器自噬過程，對于維持線粒體質量和數量平衡、細胞功能穩定、機體內穩態至關重要。一方面線粒體促發凋亡信號，誘導細胞進入程序性死亡途徑；另一方面通過線粒體自噬，有利于細胞存活。腫瘤細胞依賴自噬途徑將受損、衰老線粒體降解消化并回收利用，線粒體自噬對于腫瘤細胞增殖、存活有正向作用。線粒體自噬可發生在多種腫瘤中，包括胃癌、結腸癌、肝癌、膽管癌、胰腺癌等。

消化系腫瘤；線粒體；線粒體自噬

線粒體是細胞內呈長橢圓形、高度折疊的雙層膜結構細胞器，其是真核細胞有氧呼吸的主要場所，通過氧化磷酸化的方式為細胞提供能量。此外，線粒體還參與了細胞內鈣穩態調控、ROS產生、細胞增殖凋亡及自噬等胞內信號轉導過程[1]。然而，當線粒體受損時，其雙層膜結構中的通透性轉換孔 (MPTP)過度開放,線粒體膜電位降低,促凋亡信號激活 ,誘導細胞進入線粒體依賴的程序性細胞死亡途徑，同時線粒體內的Bcl-2家族具有雙向調節凋亡的作用[2]。有研究[3]表明損傷的線粒體可通過自噬途徑被細胞選擇性清除，即線粒體自噬。其是一種特有的自噬形式，通過自噬溶酶體選擇性地清除受損、折疊、多余的線粒體，從而維持線粒體質量和數量的平衡，以及細胞生存。近年來越來越多的研究表明[4,5]，線粒體自噬與諸多疾病相關，如神經退行性疾病、免疫相關性疾病、腫瘤等。現就線粒體自噬與消化系腫瘤發生發展的關系作一綜述。

1 線粒體自噬概述

細胞自噬是真核生物中非常保守的一類物質降解方式,其依賴于溶酶體，對衰老、受損、折疊、聚集的蛋白質和細胞器進行分解代謝和回收利用。自噬通常分為3類：巨自噬、微自噬和伴侶介導的自噬。自噬的演變可分為以下幾步：自噬體的起始形成，雙層膜結構的擴展、延伸、包裹各種胞內組分(如線粒體、核糖體、內質網、高爾基體等)、自噬溶酶復合體形成并降解胞內物質、新的溶酶體產生。其中，有大約 18 個核心基因編碼的蛋白質參與調控上述過程，分別是Atg1/ULK1復合體、Atg9 的囊泡和 Atg2-Atg18 復合體、PI3K激酶復合體、兩套類泛素化體系(Atg8/LC3、Atg4、Atg3、Atg7復合體系和Atg12、Atg7、Atg5、Atg10、Atg16復合體系)。細胞自噬是一種自我保護機制，有利于細胞生存，免受代謝、免疫、炎癥、腫瘤等不良因素的刺激損害，維持機體內穩態平衡。有研究[6]顯示對腫瘤細胞而言，自噬不僅可以抑制腫瘤的發生，同時還可促進腫瘤細胞增殖，使其免受各種刺激損傷，如乏氧、營養缺乏、光照和化療等。

線粒體自噬是自噬的一種特殊形式，對于維持線粒體的平衡十分重要。泛素化連接酶Pink1在正常的線粒體中被PARL水解，線粒體膜電位下降，Pink1穩定并募集激活E3泛素化連接酶Parkin，后者可泛素化線粒體膜蛋白，以p62、LC3連接自噬體和線粒體，并通過Mfn2的泛素化來抑制線粒體融合[7]。缺氧條件下，NIX和BNIP3介導線粒體自噬的產生，并以同源二聚體的形式與LC3-Ⅱ直接連接。與此同時二聚體解離Beclin1和Bcl-2；缺氧還可阻斷Src激酶磷酸化FUNDC1,使FUNDC1與LC3-Ⅱ相連[8]。E3連接酶RNF185還可泛素化BNIP3，通過p62和LC3將線粒體和自噬體相連[11]。線粒體自噬來源于線粒體分裂，其中多種蛋白質均參與到線粒體自噬中，如E3泛素化連接酶Parkin可靶向定位于受損線粒體外膜蛋白，從而啟動后續線粒體自噬過程；線粒體外膜上的固有蛋白，包括VDAC1、Mfn1、Mfn2和Miro，在磷酸化的Parkin作用下分別泛素化后進一步促進線粒體分裂，加速其自噬進程[9]。線粒體自噬還與多種疾病相關[10]，線粒體自噬相關基因Parkin和Pink在帕金森病患者的神經元中發生突變，線粒體自噬無法正常進行，受損傷的線粒體逐漸增多，最終導致神經退行性改變；自噬相關基因Atg5缺失小鼠，心臟內受損及功能異常的線粒體增多，最終導致心功能不全。有研究推測，受損的線粒體如不及時清除會導致細胞內ROS堆積，進一步損傷核DNA或mtDNA，可能導致基因突變，腫瘤形成，同時腫瘤微環境中間質細胞的自噬或線粒體自噬缺失，可導致細胞分泌過多乳酸和酮體，這些代謝物質有助于腫瘤細胞增殖。在諸多腫瘤中線粒體自噬相關蛋白表達異常，Parkin在惡性膠質瘤、乳腺癌、卵巢癌、大腸癌、肝細胞癌和胰腺癌中表達均下調，因此推測其可能是抑癌基因；Pink的mRNA水平與腎上腺皮質癌的生存期有關。與正常組織相比，胰腺癌組織中BNIP3表達下調。BNIP3和線粒體自噬可能通過調控細胞內ROS以防止腫瘤發生，而一旦腫瘤發生，BNIP3的表達即減少，ROS堆積，DNA受損，腫瘤不斷惡化[11]。

2 線粒體自噬與消化系腫瘤的發生發展

腫瘤細胞中常出現自噬抑制，其導致腫瘤細胞對抗增殖信號不敏感、凋亡減少、增殖異常、新生血管瘋長，以及腫瘤細胞轉移引起組織浸潤、逃避免疫監控[12]。當外界的有害因素，如乏氧、營養缺失、化療、放療等發生于腫瘤細胞時，線粒體膜電位首先受到攻擊，表現為膜電位的降低和膜通透性增加，促發一系列的凋亡信號，以及抗凋亡途徑的抑制，二者共同導致腫瘤細胞增殖抑制、凋亡激活、細胞死亡增加，但與此同時細胞自噬發生激活，尤其是對受損線粒體的自噬激活，消化分解后降低了細胞內過多積累的ROS、維持正常線粒體功能，從而減輕了氧化應激對腫瘤細胞產生的危害。

2.1 線粒體自噬與胃癌的發生發展 Zhu 等[13]構建了PI3KⅢ(Ⅲ類磷酸肌醇3激酶)-RNAi(小干擾RNA)-GFP(綠色熒光蛋白)-AD(重組復制腺病毒)轉染的SGC7901胃癌細胞模型，發現用5-FU和Ⅲ型PI3K信號轉導抑制劑聯合治療后，SGC7901細胞增殖明顯減少，線粒體膜電位顯著降低，自噬標志物表達水平明顯下調。其中，PI3KⅢ-RNAi-GFP-AD通過抑制自噬，使癌細胞無法完成對損傷、破壞、衰老線粒體的自噬消化，進一步誘導細胞凋亡，從而增強了胃癌細胞對化療藥物的敏感性。

2.2 線粒體自噬與結腸癌的發生發展 短鏈脂肪酸(SCFAs)有抑制結腸癌細胞增殖和誘導凋亡的作用。其誘導自噬的發生與降低的mTOR活性和增強的AMP激酶活性相關，其中的中心事件即為線粒體功能障礙。癌細胞將受損、聚集、缺陷的線粒體進行自噬消化降解，繼而避免凋亡因子的釋放來阻止凋亡的發生，從而阻礙凋亡級聯的活化。自噬便作為了延緩線粒體介導的凋亡細胞死亡的適應性策略。Kim等[14]研究煙堿在人結腸癌細胞中活化自噬，自噬激活保護腫瘤細胞免于TRAIL誘導的線粒體膜電位和腫瘤細胞死亡的功能障礙。該過程通過下調死亡受體蛋白DR4和DR5以及預防線粒體膜去極化，誘導TRAIL介導的凋亡中線粒體自噬。Tylichova等[15]使用短鏈和n-3多不飽和脂肪酸作用于人結腸癌細胞，證明自噬對腫瘤細胞的保護作用，使其免受藥物，如丁酸鈉(NaBt)誘導細胞分化或激活涉及線粒體的程序性細胞死亡途徑的影響，將受損、折疊、聚集的線粒體進行消化分解重吸收利用。通過自噬途徑支持腫瘤細胞的存活。此外，Lai等[16]研究發現缺氧通過HCT116細胞中的翻譯調節誘導細胞自噬，該過程中，高度保守的溶酶體糖蛋白PSAP和LAMP2翻譯上調所誘導的溶酶體自噬和12種線粒體特異性核糖體蛋白(MRPL36，MRPL12，MRP63，MRPL41，MRPS7，MRPS34，MRPS16，MRPL43，MRPL34，MRPS12，MRPL38和MRPS26)的翻譯抑制而引起的線粒體自噬，共同誘導了自噬激活，有助于結腸癌細胞的存活。

2.3 線粒體自噬與肝癌的發生發展 有研究使用不同濃度的木犀草素來處理HepG2肝癌細胞，分別觀察細胞自噬形成、線粒體膜電位和活性氧濃度變化以及Bcl-2 mRNA和蛋白表達，發現肝癌細胞在經過木犀草素(具有抗氧化、抗炎、抗腫瘤、抗病毒的天然中藥材化合物)處理后，HepG2細胞的線粒體自噬激活，認為其自噬過程的產生與Bcl-2靶點的表達下調密切相關。許榮等構建了細胞轉染 HMGB1siRNA的模型，并將其放置于1%O+5%CO+94%N三氣培養箱中培養，發現高遷移率蛋白B1(HMGB1)的表達會調控細胞線粒體的生物合成，從而增強細胞的能量代謝，使細胞在不良環境中(如缺氧)仍能繼續增殖，而其中調控作用的實現與線粒體自噬的發生密切相關。Sun等[17]認為肝癌腫瘤形成前期，由于缺氧、營養缺乏、應激等不良刺激，線粒體膜電位下降，功能受損，細胞內ROS增加，自噬缺陷的肝臟庫弗氏細胞會通過增加mtROS-NF-kB-IL1a / b依賴性炎癥和纖維化來促進肝癌發生。這也說明了線粒體的狀態變化，會引起該細胞器的自噬及腫瘤細胞的進一步改變。Ke等利用Tetrandrine(粉防己堿，中藥材提取物)抗腫瘤的作用，探討線粒體、自噬、腫瘤三者之間的關系。實驗發現低濃度Tetrandrine處理的肝癌細胞中，線粒體膜電位降低(ΔΨm↓)，線粒體外膜通透性增高，細胞內ROS累積，其通過調節Ras / Raf / ERK信號通路調節下游AP-1結合基因表達，從而誘導其自噬的發生；其他研究如穿心蓮內酯可誘導人肝癌細胞Huh-7，Bel-7402和QGY-7703發生自噬細胞死亡，發揮抗腫瘤作用。這種自噬細胞死亡機制是由于親環蛋白D介導的線粒體通透性轉換孔(MPTP)的開放，導致線粒體跨膜電位的破壞和活性氧的升高，從而誘導自噬發生。此實驗進一步驗證了上述結論。Geng等[18]研究發現IS有誘導肝癌細胞凋亡作用，其為誘導線粒體和溶酶體功能障礙所致。IS治療后，肝癌細胞中促凋亡蛋白(如Bid，Bax，Bad和Bak)和抗凋亡蛋白Bcl-2和Bcl-XL平衡失調，Bax/Bcl-2蛋白表達比例的上調促進線粒體膜的透化，包括細胞內受損線粒體積累，線粒體膜電位的降低和ROS的產生并積聚，最終促使細胞凋亡發生。而在此過程中，IS降低了mTOR(Ser2448)，Akt(Thr308)，ULK1(Ser757)，p70S6K(Ser371，Thr389)和4EBP1(Thr37 / 46)的磷酸化水平，誘發了自噬的發生，自噬體的出現進一步發揮對受損、聚集、功能障礙的線粒體和溶酶體的消化和分解，使上述凋亡步驟受限，以及抑制了溶酶體內組織蛋白酶和其他水解酶的釋放，使得早期的自噬積累對肝癌細胞產生了保護作用。同時Chen等[19]構建含有VP3(雞貧血病毒的促凋亡因子凋亡蛋白)、IL-18(干擾素-γ誘導因子)和HN基因(新陳疫病毒的血凝素神經氨酸酶蛋白)的重組DNA疫苗，通過體內和體外的線粒體途徑抑制肝癌細胞增殖和誘導自噬，證明上述結論。

2.4 線粒體自噬與膽管癌的發生發展 Zhang等[20]發現ABT737聯合順鉑可促進LC3Ⅰ向LC3Ⅱ轉化，激活自噬，同時可以促進線粒體和p62、LC3、酸性細胞器的相互作用并降低線粒體標志蛋白Tom20蛋白水平，誘導線粒體自噬發生。同時抑制線粒體自噬關鍵蛋白p62后可抑制線粒體自噬，同時降低聯合用藥對膽管癌細胞生存率的抑制作用。因此膽管癌可能通過調控自噬(包括線粒體自噬)來抑制順鉑殺傷作用。過度線粒體自噬可能是聯合用藥殺傷膽管癌細胞的機制之一。

2.5 線粒體自噬與胰腺癌的發生發展 Li等[21]發現，硼替佐米可明顯改變人胰腺癌細胞中線粒體膜電位，促使線粒體功能受損，內部ROS濃度升高，其自噬相關蛋白(如LC3B)表達增加；同時給予自噬抑制后，LC3B表達減少，且線粒體凋亡相關蛋白的表達明顯增加。表明外部因素干擾人胰腺癌細胞后，誘導線粒體自噬的發生，細胞凋亡減輕。Lumican是胰腺星狀細胞(PSC)和胰腺導管腺癌細胞(PDAC)過表達的細胞外基質蛋白聚糖，驅動了腫瘤特異性微環境的形成。而化療藥物吉西他濱對癌細胞的作用機制是由于損傷線粒體功能、細胞內ROS積累和細胞色素C的釋放，激活線粒體依賴的細胞凋亡途徑。其中，化療誘導的對線粒體本身的自噬消化阻礙了該過程的進展。有研究發現細胞外基質蛋白聚糖通過刺激EGFR二聚化和內化，導致EGFR激酶活性下降及其下游激活蛋白激酶B(PKB)/ Akt、C(PKC)和HIF-1α的減弱，從而抑制LKB1的活化、降低AMP與ATP比例、抑制AMPK磷酸化，對上述線粒體自噬過程的阻礙，使得線粒體依賴的細胞凋亡增加，發揮抗癌作用。Kang 等[22]研究發現晚期糖基化產物特異性受體(AGER/RAGE)有助于胰腺腫瘤的發生。AGER介導的自噬促進白細胞介素6誘導的信號轉導和轉錄激活因子3(pSTAT3)的磷酸化和pSTAT3的線粒體定位。增強的線粒體pSTAT3增加可用ATP庫并促進細胞增殖，再一次從線粒體途徑與腫瘤關系角度闡明二者之間的關系。線粒體解偶聯蛋白2(UCP2)可以促進質子向線粒體基質的流入來緩解氧化應激，從而減少呼吸鏈和線粒體超氧化物產生的電子泄漏[23]。研究發現UCP2抑制可以引發GAPDH的ROS依賴性核移位，自噬體的形成和LC3-Ⅱ的表達，提高細胞的自噬活性，從而導致細胞內ROS產生減少，發揮腫瘤細胞的保護作用。西沙姜(SSHE)的提取物對胰腺癌細胞(包括Panc-1細胞)具有明顯的生長抑制和細胞死亡誘導活性，Akimoto等[24]研究發現西沙姜提取物可抑制細胞周期進程，從而誘導人胰腺癌細胞系，包括Panc-1細胞的死亡。形態學上表現為細胞局灶膜破裂，核收縮，核周空間和電子致密線粒體的局灶性腫脹，同時顯著增加了LC3-Ⅱ與LC3-Ⅰ比例，降低了SQSTM1/p62蛋白，增強了Panc-1細胞中細胞質的空泡化。SSHE激活AMPK并抑制mTOR。從而激活細胞自噬。其中發現西沙姜作用后的胰腺癌細胞，線粒體膜電位下降、通透性降低、胞內ROS累積，最終導致細胞的自噬性死亡。

總之，線粒體自噬與各種疾病，如癌癥、腫瘤、神經退行性疾病、腦損傷、免疫性疾病、肌肉疾病等相關。線粒體是細胞各種代謝、存活、死亡的關鍵調控器。線粒體受損，細胞內ROS濃度升高，ATP產生紊亂，進一步引起線粒體DNA損傷，功能障礙。而線粒體自噬可以吞噬消化降解異常線粒體，來減弱細胞內的高水平ROS，降低細胞癌變風險，抑制細胞凋亡、壞死。本文對線粒體自噬與幾種常見的消化系腫瘤的關系作了簡單綜述，但其中確切的分子機制仍不十分明確，仍需進一步研究和證明，相信隨著線粒體自噬研究的不斷深入，其在腫瘤發展過程中的作用和機制將會被進一步揭示。

[1] Mukherjee UA, Ong SB, Ong SG, et al. Parkinson′s disease proteins: Novel mitochondrial targets for cardioprotection[J]. Pharmacol Ther, 2015,156:34-43.

[2] Chae YC, Vaira V, Caino MC, et al. Mitochondrial Akt Regulation of Hypoxic Tumor Reprogramming[J]. Cancer Cell, 2016,30(2):257-272.

[3] Altshuler-Keylin S, Shinoda K, Hasegawa Y, et al. Beige Adipocyte Maintenance Is Regulated by Autophagy-Induced Mitochondrial Clearance[J]. Cell Metab, 2016,24(3):402-419.

[4] Schulz E, Wenzel P, Munzel T, et al. Mitochondrial redox signaling: Interaction of mitochondrial reactive oxygen species with other sources of oxidative stress[J]. Antioxid Redox Signal, 2014,20(2):308-324.

[5] Li HY, Zhang J, Sun LL, et al. Celastrol induces apoptosis and autophagy via the ROS/JNK signaling pathway in human osteosarcoma cells: an in vitro and in vivo study[J]. Cell Death Dis, 2015,6:e1604.

[6] Sha Y, Rao L, Settembre C, et al. STUB1 regulates TFEB-induced autophagy-lysosome pathway[J]. EMBO J, 2017,36(17):2544-2552.

[7] Zhou X, Han TL, Chen H, et al. Impaired Mitochondrial Fusion, Autophagy, Biogenesis and Dysregulated Lipid Metabolism is associated with Preeclampsia[J]. Exp Cell Res, 2017,4827(17):30401-30409.

[8] Chen RJ, Lee YH, Yeh YL, et al. The Roles of Autophagy and the Inflammasome during Environmental Stress-Triggered Skin Inflammation[J]. Int J Mol Sci, 2016,17(12):E2063.

[9] Arun RP, Sivanesan D, Vidyasekar P, et al. PTEN/FOXO3/AKT pathway regulates cell death and mediates morphogeneticdifferentiation of Colorectal Cancer Cells under Simulated Microgravity[J]. Sci Rep, 2017,7(1):5952.

[10] Yamano K, Matsuda N, Tanaka K. The ubiquitin signal and autophagy: an orchestrated dance leading to mitochondrial degradation[J]. EMBO Rep, 2016,17(3):300-316.

[11] Nakamura Y, Arakawa H. Discovery of Mieap-regulated mitochondrial quality control as a new function of tumor suppressor p53[J]. Cancer Sci, 2017,108(5):809-817.

[12] Corum DG, Tsichlis PN, Muise-Helmericks RC. AKT3 controls mitochondrial biogenesis and autophagy via regulation of the major nuclear export protein CRM-1[J]. FASEB J, 2014,28(1):395-407.

[13] Zhu BS, Sun JL, Gong W, et al. Effects of 5 fluorouracil and class III phosphoinositide 3-kinase small interfering RNA combination therapy on SGC7901 human gastric cancer cells[J]. Mol Med Rep, 2015,11(3):1891-1898.

[14] Kim SW, Lee JH, Moon JH, et al. Niacin alleviates TRAIL-mediated colon cancer cell death via autophagy flux activation[J]. Oncotarget, 2016,7(4):4356-4368.

[15] Tylichova Z, Strakova N, Vondracek J, et al. Activation of autophagy and PPARgamma protect colon cancer cells against apoptosis induced by interactive effects of butyrate and DHA in a cell type-dependent manner: The role of cell differentiation[J]. J Nutr Biochem, 2017,39:145-155.

[16] Lai MC, Chang CM, Sun HS. Hypoxia Induces Autophagy through Translational Up-Regulation of Lysosomal Proteins in Human Colon Cancer Cells[J]. PLoS One, 2016,11(4):e0153627.

[17] Sun K, Xu L, Jing Y, et al. Autophagy-deficient Kupffer cells promote tumorigenesis by enhancing mtROS-NF-kappaB-IL1alpha/beta-dependent inflammation and fibrosis during the preneoplastic stage of hepatocarcinogenesis[J]. Cancer Lett, 2017,388:198-207.

[18] Geng YD, Zhang C, Shi YM, et al. Icariside II-induced mitochondrion and lysosome mediated apoptosis is counterbalanced by an autophagic salvage response in hepatoblastoma[J]. Cancer Lett, 2015,366(1):19-31.

[19] Chen LG, Liu YS, Zheng TH, et al. Therapeutic targeting of liver cancer with a recombinant DNA vaccine containing the hemagglutinin-neuraminidase gene of Newcastle disease virus via apoptotic-dependent pathways[J]. Oncol Lett, 2016,12(5):3344-3350.

[20] Zhang A, He W, Shi H, et al. Natural compound oblongifolin C inhibits autophagic flux, and induces apoptosis and mitochondrial dysfunction in human cholangiocarcinoma QBC939 cells[J]. Mol Med Rep, 2016,14(4):3179-3183.

[21] Li X, Roife D, Kang Y, et al. Extracellular lumican augments cytotoxicity of chemotherapy in pancreatic ductal adenocarcinoma cells via autophagy inhibition[J]. Oncogene, 2016,35(37):4881-4890.

[22] Kang R, Tang D, Lotze MT, et al. AGER/RAGE-mediated autophagy promotes pancreatic tumorigenesis and bioenergetics through the IL6-pSTAT3 pathway[J]. Autophagy, 2012,8(6):989-991.

[23] Dando I, Fiorini C, Pozza ED, et al. UCP2 inhibition triggers ROS-dependent nuclear translocation of GAPDH and autophagic cell death in pancreatic adenocarcinoma cells[J]. Biochim Biophys Acta, 2013,1833(3):672-679.

[24] Akimoto M, Iizuka M, Kanematsu R, et al. Anticancer Effect of Ginger Extract against Pancreatic Cancer Cells Mainly through Reactive Oxygen Species-Mediated Autotic Cell Death[J]. PLoS One, 2015,10(5):e0126605.

10.3969/j.issn.1002-266X.2017.41.034

R735

A

1002-266X(2017)41-0102-04

四川醫科大學科技戰略合作項目(2015LZCYD-S01)。

王忠瓊(E-mail:yqwzqyk@163.com)

207-07-10)