自噬的調控及其對腫瘤的作用

陽麗君(綜述)，鄭志竑(審校)

(福建醫科大學基礎醫學院生物化學與分子生物學系，福州350004)

自噬是細胞利用溶酶體降解自身受損細胞器和大分子物質的過程，細胞內多數長半衰期蛋白質可通過自噬途徑降解，從而維持細胞內穩定。在這個過程中，首先由前自噬體結構(pre-autophagosomal structure，PAS)形成具有雙層膜結構的自噬泡，該膜不斷延伸并包裹部分細胞質和待降解的蛋白質、細胞器從而形成自噬體。隨著自噬泡外膜與溶酶體膜的融合，內膜及其包裹物質進入溶酶體腔降解，其降解產物釋放到細胞質中供生物合成和代謝，維持細胞穩態。根據細胞內底物運送到溶酶體腔方式的不同，哺乳動物細胞自噬可分為三種主要方式:巨自噬、微自噬和分子伴侶介導的自噬［1］。自噬廣泛存在于真核細胞的病理和生理過程中，是真核細胞特有的生命現象。

1 自噬的分子機制

自噬過程可分為誘導階段、起始階段、延長階段和成熟降解階段。目前已經發現30多種自噬相關基因(autophagy associated gene，Atg)的產物參與協調自噬體的形成，在自噬的不同階段發揮不同的作用。

Atg1/ULK1(在酵母中命名為Atg1，其哺乳動物同源蛋白命名為ULK1)主要參與自噬的誘導階段，對于自噬體成核和延伸至關重要［2］，其活性受哺乳動物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin，mTOR)的調控。mTOR是一種非典型的絲/蘇氨酸激酶，是能量與營養狀態的感受器。根據對雷帕霉素的敏感性，目前mTOR激酶復合體可分為對雷帕霉素敏感的 mTORC1(mTOR、GβL和 raptor)和不敏感的mTORC2(mTOR、mLST8、rictor、SIN1 和 protor)。在營養豐富的條件下，mTORC1(Raptor與 Atg1/ULK1相互作用)與Atg1/ULK1結合而直接抑制自噬的下游信號，也可以引起Atg13的高磷酸化。Atg13在高磷酸化狀態下，與Atg1的親和力下降，使Atg1激酶活性降低，抑制自噬的下游信號［3］。

Atg6/Beclin1(在酵母中命名為Atg6，其哺乳動物同源蛋白命名為Beclin1)主要參與自噬的起始階段。Ⅲ型磷脂酰肌醇3激酶(classⅢ phosphatidylinositol 3-kinase，ⅢPI3K)的催化亞基Vps34與Atg6/Beclin1的保守結構域(ECD)結合，催化質膜的磷脂酰肌醇生成磷脂酰肌醇三磷酸，磷脂酰肌醇三磷酸募集含有其結合域的分子到細胞內膜，并促進自噬相關蛋白 Atg21、Atg24 等結合到膜上，形成 PAS［4-5］。

自噬體膜的延長階段需要兩個泛素樣蛋白結合系統的參與。一個是定位于自噬體外膜的泛素樣蛋白質系統，Atg12分別在Atg7和Atg10兩種酶作用下連接到Atg5形成復合體，Atg5進一步與Atg16的螺旋-螺旋區非共價結合形成 Atg12-Atg5-Atg16復合體，而Atg16依靠自身的卷曲螺旋結構發生同源寡聚作用，在形成更大的復合物后結合到PAS上參與PAS的延伸［6］;另一個是內外膜都有定位的泛素樣蛋白質系統，Atg8/LC3(在酵母中命名為Atg8，其哺乳動物同源蛋白命名為LC3)分別在Atg7和Atg3兩種酶作用下共價連接到磷脂酰乙醇胺(phosphatidyl ethanolamine，PE)上形成復合體 LC3-Ⅱ-PE，LC3-Ⅱ-PE 再結合到膜上參與PAS的延伸［7］。

最后，自噬體通過與溶酶體融合而形成成熟的自噬體，即自噬溶酶體。在自噬溶酶體內，自噬體內膜及其包裹物在溶酶體內被降解，隨后降解產物釋放到細胞質中以供生物合成和代謝，這些降解產物包括氨基酸、脂類、核苷酸和碳水化合物等［8］。

2 自噬的信號調控

近年來，自噬的信號調控機制的研究取得了很大的進展。自噬根據信號調控主要可分為依賴mTOR的自噬和不依賴mTOR的自噬。

mTOR作為能量與營養狀態的感受器，在自噬過程中發揮門控作用，其活性是自噬體形成及成熟的關鍵。在哺乳動物細胞內，調節mTOR活性的信號通路主要有兩條，分別是PI3K/蛋白激酶B(PI3K/PKB)信號通路和腺苷酸活化蛋白激酶(5'AMP-activated protein kinase，AMPK)信號通路。PI3K/PKB信號通路是調節mTOR活性的主要信號通路。PI3K目前被分為三類——ⅠPI3K、ⅡPI3K、ⅢPI3K，這三類PI3K均參與自噬的調節。ⅠPI3K是自噬的負調節分子，其產生的PIP2和PIP3可結合PKB和它的活化分子磷酸肌醇依賴性蛋白激酶1，活化的PKB不僅可以直接磷酸化mTOR，還可以通過結節性硬化復合物(tuberous sclerosis complex，TSC)激活下游分子mTOR［9］。TSC是 mTOR 活性的負調控因子，TSC2與TSC1形成的TSC復合物具有GTP酶激活蛋白活性，它能夠促使Rheb蛋白由活化形式轉變為非活化形式，抑制mTOR活性。生長因子包括胰島素和胰島素樣生長因子與其受體結合，可經ⅠPI3K/PKB信號通路激活 mTOR，進而抑制自噬［10］。腫瘤抑制基因PTEN是ⅠPI3K活性的負向調節分子，它使PIP3去磷酸化，從而解除ⅠPI3K/PKB途徑對自噬的抑制［11］。此外，ⅢPI3K也參與調節自噬，它的催化亞基Vps34與Atg6/Beclin1結合促進自噬體的形成［3-4］。研究結果顯示自噬抑制劑3-甲基腺嘌呤(3-MA)是通過抑制ⅢPI3K(Vps34)的活性而抑制自噬［12］。

AMPK信號通路是調節mTOR活性的另一條信號通路，AMPK是細胞內重要的能量感受器，其上游分子蘇氨酸蛋白激酶1可磷酸化激活AMPK相關激酶家族蛋白，它的活性受胞內AMP/ATP比值的調控，AMPK在胞內AMP/ATP比值升高時活化，活化的AMPK可以介導TSC2的磷酸化而抑制mTOR的活性，從而誘導自噬［13-14］。胞核腫瘤抑制基因p53的激活可以促進AMPK激活進而抑制mTOR活性來誘導自噬，p53作為核轉錄因子還能夠轉錄激活許多自噬相關基因，從而誘導自噬［15-16］。

細胞內還存在一些不依賴mTOR信號通路的自噬。在線粒體中，谷氨酰胺脫氨作用產生的氨，可以通過自分泌或旁分泌作用誘導自噬［17］。胰高血糖素是一種促進分解代謝的激素，在肝臟中，它可以誘導自噬［8］。環磷腺苷酸在間質干細胞也能誘導自噬［18］。

3 自噬在腫瘤中的“雙刃劍”作用

自噬在腫瘤中的作用極其復雜，研究結果顯示，在大多數腫瘤中，盡管癌變前細胞自噬能力各不相同，但在癌變之后其自噬能力均減弱，說明自噬具有抑制腫瘤發生的作用。Won等［19］對168例鱗狀細胞癌患者及94例肺腺癌患者研究中發現癌組織中Beclin1的表達下調，由此得出自噬能力的減弱與腫瘤的發生相關。自噬缺陷的腫瘤細胞在應激條件下其基因組通常表現出很高程度的損傷，自噬具有維持基因組穩定性的功能。在應激條件下，細胞依賴于自噬將受損的DNA和蛋白質清除來維持其穩態，自噬能力的減弱會造成損傷的積累，最終造成腫瘤的發生［20］。

盡管研究表明多數腫瘤細胞的自噬活性都降低，但是仍然有一些腫瘤細胞保持了較高的自噬活性。這種現象可以在實體瘤的核心和血液供應比較差的腫瘤細胞觀察到，腫瘤細胞可以在營養缺乏和缺氧的微環境中存活，在惡劣環境中的生存起到了一定的保護作用［21-22］。另外，有代謝壓力及瀕臨死亡的細胞通過釋放促炎因子如損傷相關分子模式分子誘導自噬，利于其在惡劣的腫瘤微環境中存活［23］。腫瘤化療、放療后自噬活性增強，表明自噬可能通過去除受損的細胞器，保護癌細胞免于抗癌治療，使細胞逃避凋亡，繼續存活［24］。

4 結語

自噬是真核細胞中一種普遍而又重要的生命現象，廣泛參與多種生理和病理過程。但自噬究竟是抑制腫瘤還是促進腫瘤生長，還未有明確定論，許多學者都暫認為自噬具有“雙刃劍”效應。隨著對自噬與腫瘤形成、生長及其與多種抗癌治療反應之間關系的不斷深入研究，將來有望通過誘導自噬或者抑制自噬達到治療腫瘤的目的。

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