自噬與惡性腫瘤代謝的研究進(jìn)展

劉嘉欣，潘 瑤，任亮欣，李豐玲

（濱州醫(yī)學(xué)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(fù)擔(dān)在持續(xù)增長[1]。惡性腫瘤可導(dǎo)致巨大的疾病負(fù)擔(dān)，其作為全球的主要死因之一，嚴(yán)重阻礙人類的生活質(zhì)量和壽命的延長。自噬廣泛存在于真核細(xì)胞中，其在進(jìn)化上高度保守，是細(xì)胞內(nèi)溶酶體對自身結(jié)構(gòu)的吞噬降解過程，借此實(shí)現(xiàn)細(xì)胞的新陳代謝，參與和調(diào)節(jié)機(jī)體的各項(xiàng)生理和病理過程[2-3]。人體可以通過自噬這個關(guān)鍵環(huán)節(jié)保護(hù)細(xì)胞免受一些應(yīng)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(jìn)腫瘤細(xì)胞的生長和存活，其關(guān)鍵機(jī)制是支持細(xì)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(jìn)行臨床試驗(yàn)。

1 自噬概述

對腫瘤細(xì)胞而言，自噬是其降解過程的一種。在腫瘤細(xì)胞發(fā)育的關(guān)鍵時期，其中很重要的是平衡能量來源和應(yīng)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(xì)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(jīng)歷成熟、伸展和擴(kuò)張階段，最終與溶酶體融合形成自噬溶酶體。為了維持細(xì)胞內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)定，自噬對受損的細(xì)胞器或錯誤折疊的蛋白質(zhì)進(jìn)行裂解，從而為細(xì)胞提供能量。自噬可以清除錯誤折疊或聚集的蛋白質(zhì)，清除一些受損的特定細(xì)胞器（線粒體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和過氧化物等），除此之外還在清除細(xì)胞內(nèi)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(xì)胞內(nèi)的聚集體和受損細(xì)胞器，還可以促進(jìn)細(xì)胞衰老和細(xì)胞表面抗原呈遞，防止基因組不穩(wěn)定及壞死，使其在預(yù)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(guān)鍵作用。自噬不僅可以清除和降解一些受損的細(xì)胞器和大分子物質(zhì)，還可以參與細(xì)胞成分的基本轉(zhuǎn)化，使細(xì)胞自我更新、營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)利用，從而為細(xì)胞提供營養(yǎng)和能量，維持細(xì)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(guān)[8-9]。

2 自噬與惡性腫瘤

從生理上講，在應(yīng)激和衰老過程中自噬可以通過清除受損的蛋白質(zhì)和細(xì)胞器，在調(diào)節(jié)機(jī)體發(fā)育、與適應(yīng)性免疫系統(tǒng)合作、維持能量平衡及維持蛋白質(zhì)和細(xì)胞器質(zhì)量控制方面發(fā)揮關(guān)鍵作用[10-11]。在一些代謝性、神經(jīng)退行性、傳染性疾病中，若自噬功能失調(diào)將導(dǎo)致異常和受損的蛋白質(zhì)、細(xì)胞器的聚集以及細(xì)胞內(nèi)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(jìn)腫瘤的作用，這取決于營養(yǎng)物質(zhì)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(zhuǎn)移中的作用是復(fù)雜而非單一的。有報(bào)道表明，自噬有促進(jìn)惡性腫瘤轉(zhuǎn)移的作用，同時也有抑制惡性腫瘤轉(zhuǎn)移的作用。在惡性腫瘤轉(zhuǎn)移的過程中，階段特異性可能會影響細(xì)胞對自噬的反應(yīng)[16]。在惡性腫瘤轉(zhuǎn)移的早期，自噬可通過抑制腫瘤的壞死、炎性細(xì)胞的侵襲、減輕癌基因誘導(dǎo)的衰老等發(fā)揮抑制腫瘤細(xì)胞轉(zhuǎn)移的作用。這些過程可能有助于減少腫瘤細(xì)胞從原發(fā)部位向其他部位的侵襲和擴(kuò)散。在惡性腫瘤轉(zhuǎn)移的晚期，自噬更加傾向通過促進(jìn)上皮間質(zhì)轉(zhuǎn)化分離的轉(zhuǎn)移細(xì)胞在遠(yuǎn)處的存活和定植，并通過誘導(dǎo)在新環(huán)境中無法與上皮間質(zhì)轉(zhuǎn)化建立聯(lián)系的轉(zhuǎn)移細(xì)胞進(jìn)入休眠而作為轉(zhuǎn)移的加速器。

2.1 自噬的促轉(zhuǎn)移作用

惡性腫瘤細(xì)胞中代謝和氧化應(yīng)激的不斷增加與不利的環(huán)境應(yīng)激是惡性腫瘤細(xì)胞轉(zhuǎn)移的主要障礙。研究顯示，自噬缺陷的KRAS 驅(qū)動的肺癌細(xì)胞可表現(xiàn)出氧化應(yīng)激、線粒體能量穩(wěn)態(tài)受損和結(jié)構(gòu)性活躍的DNA損傷反應(yīng)等，這些反應(yīng)由P53 進(jìn)一步介導(dǎo)并引發(fā)惡性腫瘤細(xì)胞的凋亡，表明自噬可能通過維持線粒體功能、清除誘導(dǎo)細(xì)胞死亡的風(fēng)險因素等發(fā)揮重要作用，從而進(jìn)一步促進(jìn)腫瘤的進(jìn)展[17-18]。自噬也可能通過刺激線粒體β 氧化而促進(jìn)細(xì)胞內(nèi)三磷酸腺苷的產(chǎn)生，從而促進(jìn)肝癌細(xì)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(zhì)轉(zhuǎn)化接觸的播散性腫瘤細(xì)胞可能會轉(zhuǎn)化進(jìn)入休眠狀態(tài)，這可能增加腫瘤細(xì)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(dāng)條件下能夠發(fā)生轉(zhuǎn)移的能力[19]。另有研究報(bào)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(dǎo)自噬并且提高體內(nèi)休眠腫瘤細(xì)胞的存活率，第一次指出了自噬與調(diào)節(jié)惡性腫瘤細(xì)胞休眠之間存在的關(guān)聯(lián)[20]。因此，不能順利地與上皮間質(zhì)轉(zhuǎn)化建立相互作用的部分播散的惡性腫瘤細(xì)胞可能會啟動自噬，從而使惡性腫瘤細(xì)胞進(jìn)入休眠狀態(tài)，進(jìn)一步促進(jìn)惡性腫瘤細(xì)胞的存活。

2.2 自噬的抗轉(zhuǎn)移作用

由于細(xì)胞缺氧和代謝性應(yīng)激反應(yīng)的發(fā)生，腫瘤內(nèi)部發(fā)生壞死的幾率增加，這使得以巨噬細(xì)胞為主的炎癥細(xì)胞滲入腫瘤部位，為惡性腫瘤的轉(zhuǎn)移創(chuàng)造和提供了一個有利的微環(huán)境[21]。在一些代謝應(yīng)激和低氧條件下，自噬有助于惡性腫瘤細(xì)胞的存活，從而有效減少了腫瘤壞死和相關(guān)免疫細(xì)胞的滲透和轉(zhuǎn)移[22]。ATG5 是自噬的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子，與良性痣相比，在原發(fā)性黑色素瘤中ATG5 的表達(dá)下調(diào)，這種表達(dá)的下調(diào)伴隨著基礎(chǔ)自噬的降低和LC3 的表達(dá)。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(dá)ATG5 的腫瘤患者無進(jìn)展生存率是降低的。從機(jī)制上講，可能通過減少ATG5 的表達(dá)來實(shí)現(xiàn)阻止惡性腫瘤基因誘導(dǎo)的衰老，促進(jìn)細(xì)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(fù)向調(diào)節(jié)作用，促進(jìn)腫瘤進(jìn)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(diào)，其發(fā)生通常與PTEN（一種抑癌基因）的缺失有關(guān)。據(jù)報(bào)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(fù)發(fā)的風(fēng)險有關(guān)[24]。惡性腫瘤轉(zhuǎn)移風(fēng)險的增加與PTEN 在原發(fā)腫瘤中的突變和缺失有關(guān)，早期靶向PTEN 可能會防止惡性腫瘤細(xì)胞的轉(zhuǎn)移。從機(jī)制上講，抑制PI3K/Akt/mTOR 途徑、增加自噬通量對促進(jìn)惡性腫瘤細(xì)胞的凋亡有一定的正向調(diào)節(jié)作用。

3 自噬與細(xì)胞凋亡

自噬可以通過去除細(xì)胞中受損的細(xì)胞器和大分子物質(zhì)來促進(jìn)細(xì)胞存活，并維持細(xì)胞的動態(tài)平衡。然而，自噬也可以通過與細(xì)胞凋亡的聯(lián)系來促進(jìn)細(xì)胞死亡。自噬和細(xì)胞凋亡之間有很強(qiáng)的聯(lián)系，自噬和細(xì)胞凋亡往往相互作用，自噬可以促進(jìn)或抑制細(xì)胞凋亡，而細(xì)胞凋亡也可以促進(jìn)或抑制自噬[25-26]。自噬和細(xì)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(xì)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(xì)胞凋亡的機(jī)制

自噬過程的機(jī)制是由一系列蛋白質(zhì)控制的。哺乳動物雷帕霉素靶蛋白（mTOR）與細(xì)胞增殖、應(yīng)激和癌癥進(jìn)展有關(guān)。復(fù)合物mTORC1 和mTORC2 共同組成mTOR，每個復(fù)合物都表現(xiàn)出不同的功能和定位[27-28]。在自噬相關(guān)蛋白（ATG）的磷酸化中，活化的mTORC1起關(guān)鍵作用，進(jìn)一步導(dǎo)致自噬的抑制。當(dāng)在一些壓力條件下（如饑餓和細(xì)胞器損傷等）抑制mTORC1 時，自噬增強(qiáng)。mTORC1 受AMP 活化蛋白激酶（AMPK）的調(diào)節(jié)，抑制mTORC1 和增加AMPK 會誘導(dǎo)自噬過程[29]。然而，mTORC1 在自噬中的作用尚不清楚。細(xì)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(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)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(guān)死亡結(jié)構(gòu)域或腫瘤壞死因子相關(guān)的凋亡誘導(dǎo)配體受體（TRAILR）結(jié)合，依賴于切割的特定蛋白的激活或失活會導(dǎo)致細(xì)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(zhì)膜起泡和DNA 片段化，從而誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡[30-31]。

3.2 自噬與細(xì)胞凋亡在腫瘤發(fā)生中的作用

自噬在同一細(xì)胞內(nèi)以支持生存和支持死亡的兩種方式發(fā)揮作用。當(dāng)細(xì)胞處于氧化應(yīng)激、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激、營養(yǎng)應(yīng)激和能量應(yīng)激等應(yīng)激狀態(tài)時，自噬可以促進(jìn)正常細(xì)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(xì)胞器來維持細(xì)胞的動態(tài)平衡，也可以通過降解細(xì)胞中的大分子物質(zhì)來為細(xì)胞的生存提供營養(yǎng)。自噬抑制細(xì)胞凋亡的另一個重要機(jī)制是它可以吞噬受損的線粒體。當(dāng)線粒體受損時，會釋放各種死亡信號，導(dǎo)致線粒體內(nèi)的跨膜電位消失，引起細(xì)胞死亡。自噬還可以通過選擇性地減少細(xì)胞中促凋亡蛋白的豐度來減少細(xì)胞凋亡。自噬和細(xì)胞凋亡相互作用，或促進(jìn)或抑制，其在腫瘤發(fā)生中的作用機(jī)制仍在探索中。一些學(xué)者認(rèn)為自噬可以通過促進(jìn)細(xì)胞凋亡來減少腫瘤的發(fā)生：當(dāng)自噬被抑制時，細(xì)胞凋亡減少，導(dǎo)致細(xì)胞異常生長和腫瘤發(fā)生[32-33]。另一些學(xué)者認(rèn)為自噬和細(xì)胞凋亡是相互抑制的：大量的細(xì)胞分子往往通過抑制自噬而促進(jìn)細(xì)胞凋亡，從而減少腫瘤的發(fā)生[34-35]。然而，更多的學(xué)者傾向于認(rèn)為自噬在腫瘤中起著雙刃劍的作用。一方面，自噬通過促進(jìn)細(xì)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(xì)胞的生長提供能量和物質(zhì)支持。不僅如此，自噬水平的提高也會導(dǎo)致癌細(xì)胞對抗腫瘤藥物，產(chǎn)生抗藥性。毫無疑問，自噬在惡性腫瘤的發(fā)病機(jī)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(guān)的蛋白分子通過調(diào)節(jié)自噬和細(xì)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(xì)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(diào)節(jié)自噬、細(xì)胞凋亡和腫瘤發(fā)生之間相互作用的重要連接點(diǎn)。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(diǎn)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(guān)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(yīng)激和抗炎功能中也起到了重要作用[37-38]。氧化應(yīng)激和炎癥與腫瘤的發(fā)生有關(guān)，因此HO-1 在腫瘤中的作用引起了人們的關(guān)注。HO-1 在多種惡性腫瘤組織中呈高表達(dá)，如口腔癌、結(jié)腸癌和胰腺癌，并與腫瘤的臨床分期和不良預(yù)后相關(guān)[39-41]。最近，多項(xiàng)研究表明HO-1 在婦科惡性腫瘤中表達(dá)增高，并通過調(diào)節(jié)細(xì)胞自噬作用促進(jìn)惡性腫瘤的發(fā)生、發(fā)展。新的證據(jù)表明，誘導(dǎo)HO-1 的表達(dá)與增強(qiáng)細(xì)胞自噬在一定反應(yīng)中起協(xié)同作用，因?yàn)檫@兩種事件都被認(rèn)為是氧化應(yīng)激反應(yīng)的一部分。這種關(guān)系的本質(zhì)有相關(guān)證據(jù)支持，但仍需進(jìn)一步研究。可促進(jìn)氧化應(yīng)激和線粒體功能障礙的細(xì)胞毒性物質(zhì)可能是在自噬激活和HO-1 誘導(dǎo)的共同重疊刺激下產(chǎn)生的。遺傳學(xué)研究表明，HO-1 可以通過增強(qiáng)線粒體吞噬和線粒體質(zhì)量控制來調(diào)節(jié)線粒體穩(wěn)態(tài)，從而提供部分保護(hù)作用。HO-1 可上調(diào)肝細(xì)胞的自噬功能，從而避免小鼠在敗血癥期間發(fā)生肝細(xì)胞死亡和肝損傷。HO-1 和自噬在肝細(xì)胞代謝過程發(fā)揮協(xié)同作用，以應(yīng)對敗血癥并抑制肝細(xì)胞死亡。HO-1 活性的藥理學(xué)抑制或HO-1的敲除阻止了該模型中自噬和相關(guān)信號的誘導(dǎo)，并導(dǎo)致肝細(xì)胞損傷、凋亡和死亡的增加[42]。最近的研究表明，病毒介導(dǎo)的HO-1 過表達(dá)可以直接在肝臟和分離的肝細(xì)胞中誘導(dǎo)自噬，并可防止肝毒素暴露[43]。其他報(bào)道將HO-1 依賴性自噬激活與肝臟缺血預(yù)處理、I/R損傷和移植相關(guān)I/R 損傷的保護(hù)聯(lián)系起來[44]。HO-1依賴性自噬信號在LPS 激活的巨噬細(xì)胞中發(fā)揮抗炎作用，其中HO-1 和自噬協(xié)同抑制促炎細(xì)胞因子的產(chǎn)生。有趣的是，p38 MAPK 抑制劑SB202190 在內(nèi)皮細(xì)胞中激活自噬并誘導(dǎo)HO-1 產(chǎn)生，且這一途徑可被自噬抑制劑巴菲霉素A1 逆轉(zhuǎn)[45]。

5 小結(jié)

自噬作為一種細(xì)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(yīng)激防止生物能量衰竭，維持蛋白質(zhì)和細(xì)胞器的質(zhì)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(xì)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(xì)胞的生長、擴(kuò)散和形成實(shí)體腫瘤或充斥著異常細(xì)胞，它們總是面臨著日益嚴(yán)重的缺氧和營養(yǎng)匱乏的問題，這可能會促進(jìn)它們的死亡，阻止其生長、擴(kuò)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(jìn)腫瘤以及觀察治療反應(yīng)等方面也起著關(guān)鍵作用。自噬具有雙重作用，表現(xiàn)在惡性腫瘤的促進(jìn)和抑制中。到目前為止，許多數(shù)據(jù)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(xì)胞的生理代謝，為應(yīng)激反應(yīng)提供生物物質(zhì)和能量，并作為一種動態(tài)機(jī)制，清除受損的蛋白質(zhì)和細(xì)胞器以達(dá)到防止腫瘤發(fā)生的目的。若腫瘤進(jìn)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(jīng)存在的惡性腫瘤起到一種促進(jìn)作用，并且可以通過促進(jìn)轉(zhuǎn)移來增強(qiáng)腫瘤的侵襲性。因此，調(diào)節(jié)自噬可以作為惡性腫瘤有效的干預(yù)策略，通過預(yù)防腫瘤的發(fā)展、限制腫瘤的進(jìn)展、提高癌癥的治療效率來預(yù)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(diǎn)。自噬與細(xì)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(jī)制，才能在未來的抗癌藥物研究中獲得更大的成功機(jī)會。