自噬在腫瘤細胞中的功能與應用前景

郭曉明綜述 陳 琦審校

自噬在腫瘤細胞中的功能與應用前景

郭曉明綜述 陳 琦審校

自噬；自噬功能；自噬應用前景

1962年Ashford和Porten在人的干細胞中發現了細胞自噬，隨著人類對于自噬研究的不斷深入，自噬的機制以及在腫瘤細胞中的作用也逐漸被認知，臨床上通過調控自噬以及將自噬和傳統療法結合應用來治療腫瘤已收到一定的成效，這有可能會給眾多腫瘤患者帶來生命的希望。

1 自噬及其分子機制

1.1 自噬

自噬這個詞，源自于希臘的自食，是指細胞循環利用自己成分的分解代謝過程[1]，自噬在細胞內穩態中起著重要的作用，通常在不利的微環境應激時被激活。目前，自噬作用主要包括三大類：巨(大)自噬，微(小)自噬和分子伴侶介導的自噬(CMA)[1-2]。大自噬是指胞質中的蛋白質被雙模型結構(非溶酶體來源的)所包裹，而后在溶酶體分解代謝。相比之下，分子伴侶介導的自噬涉及特定底物熱休克同源蛋白70(HSC70)的識別機制。小自噬涉及溶酶體的內陷和小部分細胞質的攝入。大自噬和小自噬對于胞質蛋白質沒有選擇性，然而分子伴侶自噬只是針對于可溶性的蛋白質分子。因為有證據表明其它形式的自噬在腫瘤生物學中發揮到的作用是相對有限的[1]，所以本文主要介紹巨自噬(以下簡稱自噬)。

1.2 自噬的過程及分子機制

自噬是細胞的蛋白質、細胞器和細胞質成分降解和回收以維持細胞代謝的動態代謝過程。在自噬開始，雙膜吞噬細胞質成分，形成的囊泡稱為“自噬小體”。接著，自噬小體融合形成自噬溶酶體，最后自噬溶酶體將吞噬的細胞質成分降解和回收，以用來合成蛋白質和ATP。

自噬的分子機制首先是一個含有絲氨酸/蘇氨酸激酶ULK1(酵母中Atg1的哺乳動物同源基因)分子復合物的激活[3](mTORC1可抑制該復合物的活性)，此復合物集成了多種對氨基酸、ATP、生長因子、ROS水平效能敏感的信號通路。自噬小體的膨脹，變形和閉合是由另一個含有磷脂酰肌醇3激酶(PI3K)和Beclin-1(酵母中Atg6的哺乳動物同源基因)的復雜分子所調控，它誘導磷脂酰肌醇磷酸(PI3P)、隨后的PI3P結合蛋白wipi1/2[4]和 ATG12-ATG5-ATG16L和LC3-PE.兩類泛素共軛系統的產生。最后自噬小體與溶酶體融合需要小Rab蛋白和跨膜蛋白LAMP2[5]。存在于溶酶體管腔中的酸性水解酶和組織蛋白酶降解自噬體的組分。對自噬過程及其分子機制認識的深入，為我們揭示自噬在組織內穩態、代謝、免疫反應和各種疾病[2，6-7]發展中的重要性奠定了基礎。

2 自噬的功能

2.1 自噬與壞死、炎癥

一般情況下，凋亡是細胞在損傷或應激下發生消除的首選方式。如果凋亡失敗，在沒有炎癥時，自噬在短期內可以維持細胞的生存能力，長期的自噬可能導致細胞死亡。在代謝性應激條件下，對在有凋亡反應缺陷的腫瘤中的自噬作用加以抑制，是一種將正常的難治性細胞死亡轉變為一種交替壞死的細胞死亡途徑的有效手段。這表明，凋亡和自噬作用限制壞死。壞死與炎癥相關聯，自噬通過阻止壞死和隨后的炎癥，可能作為一個腫瘤抑制因素。在腫瘤中，通過類比傷口愈合，壞死炎癥反應可刺激血管生成和腫瘤細胞增殖[8-10]。最近的證據也表明，免疫功能正常的機體，腫瘤相關炎癥促進腫瘤進展。自噬的抗炎作用也可能參與了清除凋亡細胞殘體的過程[11]。

2.2 自噬與免疫

現在已證實，機體的免疫系統可以調節腫瘤的進展，免疫細胞和細胞因子或趨化因子在腫瘤中的表達與許多不同癌癥患者的臨床結果相關[12]。有研究表明自噬在先天性和適應性免疫反應方面具有重要作用，包括病原體清除、Ⅰ型干擾素的產生、抗原呈遞和淋巴細胞的發育以及細胞因子的信號和炎癥的下調[13-14]。研究表明腫瘤細胞中的自噬過程，對于化療藥物介導的腫瘤細胞死亡而引發的抗腫瘤免疫反應是至關重要的[15]。

2.3 自噬與腫瘤

在腫瘤細胞中，自噬同時擁有抑制腫瘤和促進腫瘤生長的雙重作用。一方面，自噬可抑制腫瘤，自噬的缺失或者受到抑制，會使得各種腫瘤的發生率大大增加，還可以通過限制腫瘤壞死及其隨后的炎癥，對免疫系統加以調控等途徑，抑制腫瘤的生長。另一方面，自噬在應激的環境下允許腫瘤細胞生存，促進腫瘤發展。當細胞惡性轉變后，自噬可以保持惡性轉變的細胞進行深度的代謝重組。自噬可以維持腫瘤干細胞的生存和自我更新，這對于腫瘤發展也是很重要的。

許多研究表明，自噬抑制腫瘤的發生。自噬的缺失或受到抑制可能會導致多種腫瘤的發生。Beclin-1是自噬中的一個關鍵調節蛋白，缺失Beclin-1雜合基因的小鼠有發生多種類型腫瘤的傾向，包括淋巴瘤和肝癌；現已證明細胞內的多種蛋白質與Beclin-1相互作用并且參與自噬的調節。例如beclin-1結合蛋白UVRAG和Bif-1等在自噬誘導中都發揮著重要作用；敲除這些蛋白質的小鼠有易患多種自發性癌癥的傾向。再有賦予細胞Beclin-1單等位基因的缺失(現已證實Beclin-1是一種單倍不足的腫瘤抑制基因[16])或自噬的關鍵基因Atg5的缺乏，在代謝應激環境中，易導致細胞出現生存損傷。

自噬也可促進腫瘤的進展，如腫瘤細胞的傳播和轉移，保護它們以避免失巢凋亡。失巢凋亡作為一種細胞死亡形式，當癌細胞脫離細胞外基質具備侵襲和轉移時出現，在組織自身平衡、機體發育、疾病的發生和腫瘤轉移中起重要作用。如在上皮細胞中，這種脫離誘導的促存活細胞自噬，保護它們從失巢凋亡的細胞死亡機制中逃脫[17]。

在應激條件下，自噬在腫瘤細胞發生休眠的過程中發揮了至關重要的作用。休眠可能有助于腫瘤的復發和進展，是影響患者發病率和死亡率的關鍵。在營養剝奪的條件下，自噬能維持細胞生存數周，為了節約能源，自噬會抑制細胞分裂和運動，將腫瘤細胞轉化為一種明顯的休眠狀態。當環境改善時，癌細胞可以在24 h內恢復增殖，促進腫瘤細胞生長。臨床研究表明，過度活化的自噬與黑色素瘤和肝細胞癌的早期轉移和患者預后不良相[18-19]。

自噬在腫瘤干細胞的保持和發展中具有重要作用。腫瘤干細胞是腫瘤內負責腫瘤復發和轉移的細胞群。自噬似乎在腫瘤干細胞的生存、分化和自我更新中發揮關鍵作用[20-21]。例如，自噬對于乳腺癌干細胞的發生和維持是至關重要的[22]。

3 自噬的應用前景

自噬在癌癥發生和進展過程中的作用，對于腫瘤的臨床治療具有重要的意義。隨著對自噬機制及其作用研究的深入，腫瘤治療的療效可能會有明顯的提高。

3.1 調控自噬藥物的臨床效應

一些研究表明，誘導自噬的藥物可能有利于防止腫瘤細胞的生長和發展，而自噬抑制劑藥物可能提高抗癌療法在已發生和轉移的癌癥患者中的療效。抗癌藥物(阿霉素、替莫唑胺、依托泊苷)、組蛋白去乙酰化酶抑制劑、抗雌激素治療等都可以誘導自噬[23]，自噬抑制劑如氯喹、羥氯喹以及它們的衍生物等，這些藥物在腫瘤的臨床治療或者臨床前的模型中，顯示出了比較明顯的效果。這也使得臨床上把調節細胞自噬作為抗腫瘤治療的一種新奇的治療手段。

3.2 自噬與化療的療效及耐藥性

誘導腫瘤細胞死亡和抑制細胞生存是腫瘤治療的主要原則。然而腫瘤對化療藥物的耐藥，限制了抗癌藥物的作用，是癌癥治療成功的一個主要障礙，所以化療藥物的耐藥性是一個急需解決的問題。在癌癥的治療中，自噬對于腫瘤的雙重作用，使其成為了腫瘤治療的一個潛在靶點，這有助于改善化療藥物的抗癌功效以及耐藥性。雖然關于自噬的作用是促存活還是抗癌的爭論仍然存在，但體外和體內的研究數據似乎更支持自噬促進癌細胞對于化療藥物產生耐藥的論斷，所以抑制自噬，可能加強耐藥腫瘤細胞對抗癌藥物的再敏化[24-25]。這為我們制定提高化療效果的治療策略，改善癌癥患者的臨床治療效果，帶來了希望。

3.3 自噬對于放療療效的影響

臨床腫瘤的治療很大程度上依賴于放射療法的使用，研究發現自噬關鍵蛋白(如Atg5和Beclin-1)的損耗，增加了人類和小鼠腫瘤細胞株對于輻射的敏感性，在體外、體內實驗中，抑制自噬可以增加輻射誘導的細胞死亡和降低細胞克隆性生存。將自噬抑制的細胞株移植到免疫缺陷的小鼠后，自噬抑制增強了放射治療對腫瘤的生長抑制作用。

然而，當具備自噬或缺乏自噬的腫瘤細胞被植入有免疫活性的小鼠中，結果發現自噬缺陷降低了放射治療的療效。研究結果表明，在免疫功能正常的情況下，自噬賦予腫瘤免疫原性，可以增強放療的療效。這對于藥理學的放射增敏劑的發展產生了深遠的影響。

綜上所述，隨著我們對細胞自噬的生物學功能認識的增加，自噬在腫瘤中的作用越來越成為關注的焦點。然而，將自噬調控作為一種潛在的治療腫瘤的方法，還只是一種合理的推測，其具體的治療效果還有待進一步的研究證實。

[1] Kroemer G，Marino G，Levine B.Autophagy and the integrated stress response〔J〕.Mol Cell,2010,40(2):280-293.

[2] Mizushima N，Komatsu M.Autophagy:renovation of cells and tissues〔J〕.Cell,2011,147(4):728-741.

[3] Mizushima N，Yoshimori T，Ohsumi Y.The role of Atg proteins in autophagosome formation〔J〕.Annu Rev Cell Dev Biol，2011，27:107-132.

[4] Polson HE，de Lartigue J，Rigden DJ，et al.Mammalian Atg18(WIPI- 2)localizes to omegasome-anchored phagophores and positively regulates LC3 lipidation〔J〕.Autophagy，2010，6(4):506-522.

[5] Simonsen A，Tooze SA.Coordination of membrane events during autophagy by multiple class Ⅲ PI3-kinase complexes〔J〕.J Cell Biol，2009，186(6):773-782.

[6] Choi AM，Ryter SW，Levine B.Autophagy in human health and disease〔J〕.N Engl J Med，2013，368(19):1845-1846.

[7] Deretic V.Autophagy:an emerging immunological paradigm〔J〕.J Immunol，2012，189(1):15-20.

[8] Balkwill F，Charles KA，Mantovani A.Smoldering and polarized inflammation in the initiation and promotion of malignant disease〔J〕.Cancer Cell，2005，7(3):211-217.

[9] Balkwill F，Coussens LM.Cancer:An inflammatory link〔J〕.Nature，2004，431(7007):405-406.

[10] Vakkila J，Lotze MT.Inflammation and necrosis promote tumour gro- wth〔J〕.Nat Rev Immunol,2004,4(8):641-648.

[11] Qu X，Zou Z，Sun Q，et al.Autophagy genedependent clearance of apoptotic cells during embryonic development〔J〕.Cell,2007,128(5):931-946.

[12] Fridman WH，Pages F，Sautes-Fridman C，et al.The immune contexture in human tumours:impact on clinical outcome〔J〕.Nat Rev Cancer,2012,12(4):298-306.

[13] Munz C.Enhancing immunity through autophagy〔J〕.Annu Rev Immunol，2009,27:423-449.

[14] Virgin HW，Levine B.Autophagy genes in immunity〔J〕.Nat Immunol,2009，10(5):461-470.

[15] Michaud M，Martins I，Sukkurwala AQ，et al.Autophagy-dependent anticancerimmune responses induced by chemotherapeutic agents in mice〔J〕.Science,2011,334(6062):1573-1577.

[16] Liang XH，Jackson S，Seamen M，et al.Induction of autophagy and inhibition of tumorigenesis by beclin 1〔J〕.Nature,1999，402(6762):672-676.

[17] Fung C，Lock R，Gao S，et al.Induction ofautophagy during extracellular matrix detachment promotes cell survival〔J〕.Mol Biol Cell，2008,19(3):797-806.

[18] Ding ZB.Association of autophagy defect with a malignant phenotype and poor prognosis of hepatocellular carcinoma〔J〕.Cancer Res，2008,68(22):916-975.

[19] Giatromanolaki AN，Charitoudis GS，Bechrakis NE，et al.Autophagy- patterns and prognosis in uveal melanomas〔J〕.Mod Pathol,2011,24(8):1036-1045.

[20] Oliver L，Hue E，Priault M，et al.Basal autophagy decreased duringthe differentiation of human adult mesenchymal stem cells〔J〕.Stem Cells Dev,2012，21(15):2779-2788.

[21] Pan H，Cai N，Li M，et al.Autophagic control of cell‘stemness’〔J〕.EMBO Mol Med,2013,5(3):327-331.

[22] Gong C，Song E，Codogno P，et al.The roles of BECN1 and autophagy in cancer are context dependent〔J〕.Autophagy,2012,8(12):1853-1855.

[23] Dalby KN，Tekedereli I，Lopez-Berestein G，et al.Targeting the pro- death and prosurvival functions of autophagy as novel therapeutic strategies in cancer〔J〕.Autophagy,2010,6(3):322-329.

[24] Hu YL，Jahangiri A，Delay M，et al.Tumor cell autophagy as an adaptive response mediating resistance to treatments such as antiangiogenic therapy〔J〕.Cancer Res,2012,72(17):4294-4299.

[25] Buchser WJ，Laskow TC，Pavlik PJ，et al.Cell-mediated autophagy - promotes cancer cell survival〔J〕.Cancer Res,2012,72(17):2970-2979.

(編輯：甘 艷)

國家自然科學基金項目“自噬與凋亡在藍莓花青素抗口腔癌作用中的分子機制研究”(編號：81460496)；內蒙古自然科學基金項目“藍莓花青素抑制口腔癌KB細胞增殖與p53、p21和p73甲基化相關性研究”(編號：2013MS11100)

內蒙古醫科大學研究生學院(郭曉明)；內蒙古醫科大學分子生物學研究中心(陳 琦)

陳 琦

10.3969/j.issn.1001-5930.2017.01.055

R730.5

B

1001-5930(2017)01-0171-02

2016-01-05

2016-06-12)