細胞自噬及其與支氣管哮喘、肺癌關系的研究進展

黃蘭，王宋平

(西南醫科大學附屬醫院，四川瀘州646000)

細胞自噬是先天性和適應性免疫機制的關鍵環節。細胞自噬及其調節蛋白可通過影響細胞的程序性死亡、增殖、炎癥反應和先天免疫功能等過程對疾病的發生產生重要影響[1,2]。對細胞自噬與肺疾病的關系的研究結果顯示，細胞自噬在不同肺疾病中發揮的作用不同[1]。本研究對細胞自噬及其與支氣管哮喘(簡稱哮喘)、肺癌關系的研究進展進行綜述。

1 細胞自噬的類型、步驟及其調控途徑

1.1 細胞自噬類型及途徑 細胞自噬主要分為三種類型，包括巨自噬、微自噬、分子伴侶介導的自噬，其中巨自噬研究最為廣泛。巨自噬是指細胞質中老化或損傷的蛋白質或細胞器以小泡形式轉運到溶酶體中被消化降解的過程[1]。細胞自噬最重要的標志是雙膜自噬空泡(AV)或自噬體形成。自噬體的形成包括起始、延伸、成熟三個步驟，自噬體形成后環繞在受損細胞器(如內質網、網狀線粒體等)或蛋白質周圍，與溶酶體融合形成自噬溶酶體[1,2]。在哺乳動物中，胞質型LC3(即LC3-Ⅰ)轉化為自噬體膜(即LC3-Ⅱ)是自噬體形成的關鍵調節步驟，LC3-Ⅰ/LC3-Ⅱ值是檢測細胞自噬水平的重要指標[3]。

1.2 細胞自噬的調控途徑

1.2.1 哺乳動物雷帕霉素靶蛋白(mTOR)通路 mTOR是一種在進化上保守的絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶，是細胞內的中心信號調節因子，受能量狀態、氨基酸、生長因子、激素、氧化應激等多種因素調節。mTOR包括對雷帕霉素敏感的mTOR復合物1(mTORC1)和對雷帕霉素不敏感的mTOR復合物2(mTORC2)。mTORC1主要調節能量代謝、細胞凋亡、細胞生長、細胞自噬；mTORC2主要與細胞骨架重組和細胞存活相關[4]。細胞內的能量狀態對mTORC1具有重要調控作用，當細胞饑餓時，ATP/AMP值降低，腺苷酸活化蛋白激酶(AMPK)被激活，激活的AMPK磷酸化激活結節性硬化癥(TSC)1/2復合物。TSC2具有GTP酶活性，抑制小GTP酶Rheb。Rheb是激活mTORC1所必需的因子，故TSC2磷酸化激活后將抑制mTORC1，從而上調細胞自噬水平[4,5]。支鏈氨基酸如纈氨酸、亮氨酸、異亮氨酸的攝入水平通過GTPases和MAP4K3介導影響mTORC1活性，當細胞內亮氨酸濃度降低時，通過下調GTPases和MAP4K3的活性抑制mTORC1，導致細胞自噬被激活；細胞內亮氨酸濃度升高時，mTORC1激活從而細胞自噬被抑制[4,5]。Vps34也是mTORC1上游通路的重要調節因子，其自身缺失可抑制亮氨酸激活的mTORC1信號通路。生長因子信號主要通過胰島素樣生長因子/磷脂酰肌醇3激酶/蛋白酶B(IGF1-PI3K-Akt)通路調節mTORC1，該通路主要包括PTEN、PDK1Rheb、TSC2等因子。細胞內缺氧、內質網(ER)壓力刺激、活性氧(ROS)等多種因素均能影響mTORC1信號通路[5,6]。

1.2.2 Bcl-2家族蛋白信號通路 研究證實，Bcl-2家族中的抗凋亡因子Bcl-2、Bcl-XL、Bcl-wl和Mcl-1可抑制細胞自噬；促凋亡因子Bad、Bik、Noxa等則誘導自噬。Bcl-2家族蛋白主要通過與Beclin1(Atg6同系物)相互作用調節自噬，Beclin1是一種重要的自噬蛋白和單倍體腫瘤抑癌因子，含有BH3(Bcl-2 homology3)、中央螺旋區(CCD)、進化保守區(ECD)三個結構域。Bcl-2與幾種輔因子(Ambral、Bif-1、UVRAG等)相互作用激活脂質激酶vps34，從而誘導自噬[7]。Bcl-2和the Bcl-2同系物 Bcl-XL均含有BH3受體，能與Beclin1競爭性調節細胞自噬，抗凋亡蛋白如Bcl-2可通過BH3受體域作用而抑制Beclin1依賴的自噬。正常情況下，Beclin1被Bcl-2和the Bcl-2同系物Bcl-XL抑制。有研究顯示，促凋亡BH3-only蛋白可競爭性破壞Beclin1與Bcl-2/Bcl-XL的相互作用，從而誘導自噬[7]。

2 細胞自噬與哮喘

哮喘是由多種細胞(如嗜酸性粒細胞、肥大細胞、中性粒細胞、T淋巴細胞、平滑肌細胞、氣道上皮細胞等)和細胞組分參與的慢性氣道炎癥疾病。嗜酸性粒細胞被認為是哮喘的關鍵效應細胞，血嗜酸性粒細胞計數與哮喘嚴重程度相關，嗜酸性粒細胞在AHR、黏液過度分泌、氣道重塑等方面均發揮重要作用[8]。哮喘是一種Th2細胞(主要分泌IL-4、IL-5、IL-10、IL-13等)途徑占主導地位的免疫性疾病，該途徑過度激活導致哮喘慢性氣道炎癥形成[9]。

近年來，大量研究表明哮喘患者細胞自噬水平明顯升高。電鏡觀察發現，嚴重哮喘患者成纖維細胞和氣道上皮細胞自噬體形成明顯增加。有研究報道，嗜中性粒細胞自噬增加將通過損傷氣道上皮激發氣道上皮細胞(AECs)、外周血嗜酸性粒細胞(PBEs)發生炎癥反應，加重哮喘程度[10]。Pham等[11]發現，與非嚴重哮喘患者和正常人相比，重度哮喘患者痰液中粒細胞、外周血細胞及嗜酸性粒細胞的自噬水平較高。Liu等[12]在小鼠重癥哮喘模型中也發現了類似結果：與正常組及1% OVA激發哮喘組小鼠相比，2% OVA激發組小鼠肺組織微管相關蛋白1輕鏈3(LC3)表達明顯增加，肺泡灌洗液(BALF)中嗜酸性粒細胞計數與細胞自噬蛋白LC3表達之間存在顯著相關性，雙重免疫熒光染色等檢測結果表明，BALF和肺組織中嗜酸性粒細胞自噬體形成和LC3表達水平顯著增加。此外，給予細胞自噬抑制劑6-氨基-3-甲基嘌呤(3-MA)處理或敲除自噬相關基因5(Atg5)后，肺組織及BALF中嗜酸性粒細胞自噬水平顯著降低，肺組織炎癥得到改善[12]。上述研究提示嗜酸性粒細胞自噬在嚴重哮喘病理過程中發揮重要作用，可能是哮喘慢性持續氣道炎癥的重要原因之一。但有研究發現，自噬誘導劑雷帕霉素可緩解哮喘小鼠的氣道炎癥[13]。目前細胞自噬在哮喘病理過程中發揮保護作用亦或損害作用仍存在爭議。

多種細胞因子參與了細胞自噬的調節。研究發現，IL-5是重要的Th2細胞因子，可增加嚴重哮喘患者PBCs、PBEs的細胞自噬水平[12]；哮喘患者給予抗IL-5抗體治療后肺勻漿中LC3Ⅱ水平顯著降低[12]；IL-8可提高嚴重哮喘患者PBNs的自噬水平[11]。Dickinson等[14]建立哮喘小鼠模型發現，IL-13可激活AECs自噬，從而誘導大量黏液分泌，自噬對于依賴IL-13的黏液分泌是必不可少的。Dickinson等[15]發現，IL-13和IL-4升高伴隨著自噬體水平增加，人氣管上皮細胞給予IL-13或IL-4處理后自噬體形成增加；與之相反，Th1細胞因子IFN-α具有潛在的自噬誘導作用，而Th2細胞因子IL-13、IL-4有抑制自噬的作用[16]。我們推測，通過調控細胞因子從而影響細胞自噬過程可能成為哮喘治療的靶點。自噬基因多態性與哮喘的發生密切相關。Jyothulaa等[17]對加拿大魁北克省家族哮喘的自噬基因遺傳關聯進行了臨床隊列研究，1 000多名家族性哮喘患者被納入自噬基因(ULK1、SQSTM1、MAP1LC3B、Beclin1、ATG5)的研究，結果發現位于ATG5的單核基因多態性(SNP)rs12212740與哮喘相關，等位基因G頻率為0.88，在哮喘患者后代中高表達；而在另一個非西班牙裔白人兒童哮喘隊列研究中發現，ATG5 SNP與支氣管舒張前FEV1有關而非哮喘。通過隊列研究發現，ATG5 SNP rs12201458 和rs510432與哮喘相關；ATG5 rs510432的次要等位基因(G)與哮喘風險增加有關，而ATG5 rs12201458的次要等位基因(A)與哮喘風險降低有關[17,18]。ATG5基因變異包括功能性啟動子變異，與兒童哮喘有關[18,19]。有研究認為，在成人哮喘病理變化過程中，ATG5和ATG7的遺傳基因多態性可能導致嗜中性粒細胞氣道炎癥，而ATG5和ATG7基因多態性與哮喘易感性和嚴重性無關[20]。

3 細胞自噬與肺癌

研究發現，細胞自噬可能是缺氧狀態下腫瘤細胞生存的機制，可能影響放化療藥物的療效[21]。另一方面，過度的細胞自噬也可能與腫瘤細胞死亡相關[22]，增強自噬導致腫瘤自噬性死亡可能是某些藥物發揮療效的基礎。調控細胞自噬有利于提高肺癌的治療效果，延長患者生命[23]。

大多數肺癌患者在化療數月內會出現鉑類藥物耐藥，而順鉑耐藥是非小細胞肺癌治療成功的主要障礙。目前很多研究發現，順鉑耐藥和鉑類等藥物療效可能與細胞自噬相關[24]。Circu等[24]通過siRNA技術沉默ATG5基因從而抑制肺癌A549cisR細胞自噬后，細胞對順鉑的敏感性顯著增強，療效提高。Zhang等[25]報道，自噬抑制劑3-MA能顯著降低順氯氨鉑(DDP)的半數抑制濃度(IC50)，且在肺癌A549細胞中可促進DDP誘導的細胞凋亡。在A549/DDP細胞中，生長停滯特異性轉錄因子5(GAS5)與3-MA具有相似的自噬抑制作用，從而增強非小細胞肺癌對順鉑的敏感性。Yao等[26]發現，3-MA可增加DDP的敏感性。當肺腺癌細胞暴露于順鉑時其細胞自噬水平升高，同時，與單用順鉑治療相比，順鉑與自噬抑制劑羥氯喹(CQ)聯用在抑制肺腺癌細胞生長方面更有效，也能增加順鉑誘導的細胞凋亡[27,28]。穿心蓮內酯是一種天然的二萜類化合物，通過下調PTEN促進Akt/mTOR信號通路激活，順鉑聯合穿心蓮內酯可顯著阻止體內耐藥細胞的生長[28]。氯喹可通過抑制自噬增強力達霉素等藥物的抗癌療效[29]。上述研究均表明細胞自噬與肺癌密切相關，抑制自噬能降低鉑類等藥物耐藥性，從而提高肺癌的治療效果，調控細胞自噬可能成為抑制肺癌順鉑耐藥的靶點。

放射治療是肺癌的重要治療方法，腫瘤細胞對輻射的抵抗一直是肺癌患者預后差的重要原因之一。有研究將人腺癌A549細胞分為空白組、放射線治療組(放療組)、雷帕霉素聯合放射線治療組(聯合組)，在透射電子顯微鏡下觀察各組自噬體形成情況發現，聯合組自噬活性和Rad51、Ku70/80蛋白水平均顯著高于放療組，說明雷帕霉素激活自噬可增強肺癌細胞的放射敏感性，并且該過程可能與DNA修復相關[30]。然而很多研究結果與上述研究結果相反。Chen等[31]發現，細胞自噬可通過調節缺氧條件下ROS水平增強非小細胞肺癌的放射抗性；Chaachouay等[32]研究表明，在體外低氧條件下，AMPK非依賴性自噬促進人肺癌細胞的放射抗性。ROS/自噬/Nrf2通路介導的低劑量輻射可誘導人肺腺癌A549細胞的放射抵抗[33，34]；缺氧誘導的自噬通過c-Jun介導的Beclin1增加肺癌細胞輻射抗性[35，36]。由上可知，細胞自噬與肺癌放射治療密切相關，但自噬的利弊仍存在爭議，有待進一步研究。

綜上所述，細胞自噬在哮喘及肺癌中發揮的作用并不相同，既可發揮保護作用，也可能加劇疾病的進展，同時對疾病療效產生影響；其具體機制還需進一步研究。雖然目前細胞自噬與肺疾病的相關研究甚多，但是調節細胞自噬的藥物研究較少，與自噬相關的治療策略并未真正應用于臨床。從自噬藥物干預方面進行相關研究將為肺疾病的治療提供新的策略。