自噬與腫瘤的關系研究進展

李彩麗 魏虎來 黃雙盛 李永泉

(西北民族大學醫學院生物化學教研室，甘肅 蘭州 730030)

化療藥物可引起非凋亡形式的細胞死亡，包括壞死、自噬等〔1～3〕。凋亡與壞死之間是有聯系的，這主要取決于化療藥物作用的濃度和時間，壞死被認為是損傷所引起的偶然性細胞死亡，但最近也有研究發現有些壞死方式是程序性的，這一過程稱為壞死性凋亡。另外，在同一細胞可同時觀察到自噬和凋亡現象，說明自噬與凋亡共同操縱著細胞的最終命運(死亡/存活)。本篇綜述旨在探討自噬在腫瘤發生及腫瘤化療中的作用，以進一步揭示腫瘤發生、發展的潛在機制。

1 自噬概念及類型

自噬是細胞在缺氧、營養缺乏等代謝壓力下，通過降解其自身的細胞內的大分子物質、細胞器和胞質以實行“自我消化”的一系列生化過程。在這個過程中，首先是從粗面內質網的無核糖體附著區脫落的雙層膜包裹部分胞質和細胞內需降解的細胞器、蛋白質等成分形成自噬體，再與溶酶體融合形成自噬溶酶體，降解其所包裹的內容物，以實現細胞本身的代謝需要和細胞器的更新，從而維持細胞的正常代謝和生存〔4〕。同時，在某些情況下它還可以選擇性地清除受損或多余的過氧化物酶體、內質網、線粒體、DNA，減少異常蛋白、細胞器的堆積，維持細胞自我穩態〔5〕。因此，人們普遍認為自噬是細胞的生存機制。但另一方面，當環境壓力刺激過強或過于持久時，自噬可能參與細胞死亡，因此人們將自噬稱為Ⅱ型程序性細胞死亡〔6〕。然而，自噬是通過什么機制在“促進生存”和“誘導死亡”間轉換的，目前尚不完全明了。

自噬共有三種類型，盡管都可以促進胞質內容物的降解，但它們運送底物的途徑和機制卻有所不同〔7〕：① 巨自噬：通稱為自噬，是細胞質中可溶性蛋白及受損細胞器等被非溶酶體來源的雙層膜結構所包裹形成自噬體，通過自噬體外膜與溶酶體膜融合，內膜及其包裹的物質進入溶酶體腔中被降解加工的過程，也是本文中重點闡述的類型。② 微自噬：是指溶酶體膜直接內陷，包裹細胞質中的成分，形成一個內在的囊泡。微自噬與巨自噬的區別就在于前者的胞質成分是直接被溶酶體包裹的，沒有形成自噬小體的過程。③ 分子伴侶介導的自噬(CMA)：僅存在于哺乳動物細胞中，胞質中的分子伴侶(Hsc)70識別底物蛋白分子的特定氨基酸序列(如KFERQ)并與之結合，分子伴侶-底物復合物與溶酶體相關膜蛋白(LAMP)-2a受體結合，從而進入溶酶體被降解。

2 自噬對腫瘤發生的雙重作用

自噬既可以抑制腫瘤的形成，也可以保護腫瘤細胞免遭各種有害因素的損傷〔8～10〕。

2.1自噬可保護腫瘤 腫瘤細胞具有高代謝的特點，對營養和能量的需求更高，從腫瘤初發到新生血管發生、腫瘤增大致血管崩塌、腫瘤細胞脫離原發灶游走等都會出現營養不足或供應中斷，高自噬活性可有助于腫瘤細胞度過這一危機。此外，當腫瘤細胞遭遇化學毒性物質或射線等時，會產生大量的破損細胞器、損壞的蛋白質等有害成分，高自噬活性可及時清除有害物質而抑制觸發死亡通路，并提供應急的底物和能量，為修復受損DNA贏得時間和條件。

2.2自噬可抑制腫瘤發生 自噬作用雖然可以緩解細胞的代謝壓力，并且保持細胞活性，可以認為，自噬作用是腫瘤細胞的生存機制。然而，許多實驗卻看到了與之相悖的結果：自噬途徑的功能缺失突變與腫瘤的發展存在相關性。關于自噬的抑癌作用的證據來自Beth Lecine的實驗室〔11，12〕：他們在人類40%～70%的散發乳腺癌、卵巢癌和前列腺癌中觀察到Beclin-1單等位基因缺失；在人乳腺癌細胞系密歇根癌癥基金會(MCF)-7中，Beclin-1蛋白表達下降，幾乎檢測不到。穩定轉染Beclin-1促進了細胞的自噬活性，從而抑制MCF-7細胞株在體外的增殖，并且抑制MCF-7在裸鼠中的成瘤性，提示自噬基因缺失致自噬活性下調，從而導致腫瘤的發生。其可能機制是：①細胞內基礎水平的自噬可以作為一種防御機制及時清除衰老或受損的細胞器及錯誤折疊的蛋白質，減少活性氧(ROS)的產生，維持染色體的穩定性，抑制突變癌基因的積聚，阻止腫瘤的發生，對機體起到保護作用；②及時清除p62蛋白，阻止p62在腫瘤形成中的信號轉導作用；③在營養缺乏時保護細胞以免發生壞死，因為，炎性細胞一旦進入腫瘤壞死區便可進一步促進腫瘤的生長。

3 自噬在抗癌藥誘導腫瘤細胞死亡過程中的作用

近幾年來的大量研究證實，當腫瘤細胞受到各種化療藥物刺激時，細胞內的自噬水平會不同程度地增加，而自噬的功能與腫瘤所受刺激類型、刺激強度及組織細胞類型有關。Sun等〔13〕用表柔比星誘導乳腺癌，發現抑制自噬可以增加腫瘤細胞對化療藥物的敏感性，證實自噬能夠為化療藥物刺激下的腫瘤細胞提供生存機制；然而，齊亞莉等〔14，15〕的研究證實自噬是化療藥物誘導下細胞的一種死亡途徑，能促進細胞凋亡。因此，在腫瘤治療中需視具體情況調控自噬水平方可達到最好的治療效果。

人們通常使用3-甲基腺嘌呤(MA)、巴佛洛霉素A1和氯喹(CQ)等藥物作為自噬的抑制劑。3-MA是磷脂酰肌醇-3-激酶(PI3K)-Ⅲ酵母磷脂酰肌醇-3-激酶(vps34)的抑制劑〔16〕，vps34和調控分子p150共同參與細胞內模型結構的形成，包括自噬體膜的形成〔17〕，因此3-MA抑制早期自噬的發生。巴佛洛霉素A1是大環內酯類抗生素之一，是特異性極高的v-ATPase(濾泡型H+-ATPase)抑制劑，通過抑制溶酶體的功能從而阻止自噬體的降解，因此抑制的是晚期自噬〔18〕。與此相似，CQ可以使溶酶體內的pH值升高〔19〕，從而阻止自噬體內容物的降解〔20，21〕。盡管以上這些藥物都可以有效抑制自噬而被作為自噬抑制劑廣泛應用，但都不具有絕對專一性，它們還有其他的多種生物作用，比如調控細胞內吞，細胞內物質轉運及溶酶體的生成和功能等。因此，要研究自噬抑制對治療的影響，最理想的辦法是使自噬相關基因〔如：自噬基因(atg)7、atg5、beclin-1/atg6等〕缺陷或功能缺失。

3.1抑制自噬治療腫瘤 當腫瘤細胞受到化療藥物刺激時細胞內自噬水平會明顯增加，這是腫瘤細胞逃避化療刺激的一種適應性反應〔22〕。由此可以推斷：自噬能使腫瘤細胞對化療藥物產生耐受，抑制自噬將會增加腫瘤對化療藥物的敏感性。近年來大量實驗研究也證實了這一點，例如，喜樹堿治療乳腺癌〔23〕；順鉑治療食道鱗癌〔24〕、轉移性皮膚癌〔25〕和肺腺癌〔26〕；5-氟尿嘧啶(FU)治療結腸癌〔27〕、食道癌〔28〕及一些新藥如蛋白酶體抑制劑〔29，30〕、Src激酶抑制劑〔31〕、抗-人表皮生長因子受體(HER)2的單克隆抗體〔32〕等在治療腫瘤中的應用。自噬抑制劑聯合抗癌藥治療腫瘤的研究已在多種腫瘤模型中進行，包括神經膠質瘤〔33～35〕、多發性骨髓瘤〔36〕、乳腺癌〔23，32〕、結腸癌〔37，38〕、前列腺癌〔39〕等。其中，抑制自噬治療慢性髓細胞性白血病(CML)是一個很好的例子。CML是成人白血病的主要類型，是由于染色體易位導致斷裂點叢集區-Abelson白血病病毒(BCR/ABL)蛋白融合，進一步激活酪氨酸激酶，從而促進了細胞的無限增殖。目前，臨床上選用酪氨酸激酶抑制劑(TKI)——伊馬替尼已達到良好的治療效果，而且已被廣泛用于各種腫瘤的治療，但是耐藥仍是一個普遍問題。近來，有學者用氯喹聯合伊馬替尼治療CML，發現能明顯增加CML細胞的死亡率〔40～44〕。與此相類似，用RNA干擾(RNAi)抑制自噬基因atg5 和atg7的表達，也觀察到同樣的效果，這進一步表明抑制自噬可增加腫瘤細胞對化療的敏感性。更重要的是，伊馬替尼聯合氯喹對三個不同臨床階段(剛被確診、伊馬替尼治療中、治療后復發)CML患者來源的腫瘤干細胞的抑制率也明顯增加〔45〕。

在眾多的自噬抑制劑中，氯喹作為溶酶體抑制劑備受關注，一方面是由于其副作用比較小，另一方面是由于臨床上用于治療瘧疾、風濕性關節炎等已有很長的歷史。目前，大量的臨床試驗中將氯喹作為常規化療藥物的增敏劑用于各種腫瘤的研究，包括：肺癌、多形性膠質細胞瘤、多發性骨髓瘤及耐藥的實體瘤。

3.2促進自噬治療腫瘤 目前臨床有些藥物被證明可能是通過自噬作用抑制腫瘤增殖。 三氧化二砷(As2O3)被廣泛用于急性非淋巴細胞白血病M3的治療，其細胞毒作用被認為是通過細胞色素C釋放和Caspases活化經典凋亡途徑實現的；近來用于治療人類T淋巴細胞白血病，發現其可以誘導自噬相關細胞毒作用〔46〕。研究表明As2O3的抗白血病效應主要是通過自噬的活化誘導白血病細胞自噬性細胞死亡，而無論是藥理學或基因學抑制自噬均可阻止As2O3誘導的細胞死亡〔47〕。另外，有研究發現，大麻(THC)也可以通過自噬活化而誘導膠質瘤細胞死亡〔48〕，基因敲除atg5或用RNAi技術封閉atg1基因都可保護細胞免遭THC的損傷。更有趣的是，抑制凋亡與敲除atg5對于阻止細胞死亡方面的效果很相似，而且敲除atg可抑制Caspase-3的活性，這說明THC誘導的自噬促進了腫瘤細胞凋亡而不是直接死亡。大量的體內外實驗證實，自噬與凋亡對于化療藥物殺死腫瘤細胞都是必不可少的〔49〕。從自噬與凋亡發生的時間順序來看，自噬出現早于凋亡，但隨著化療藥物濃度的增加和時間的延長，細胞內會出現自噬與凋亡共存甚至以凋亡為主的現象，這說明它們之間存在著復雜的內在聯系和協調機制。

該如何看待自噬在腫瘤化療中所扮演的看似矛盾的雙重功能呢?得出結論要綜合考慮多種因素。比如：3-MA和巴佛洛霉素A1均可作為自噬抑制劑，但當它們各自聯合化療藥物〔替莫唑胺(TMZ)〕治療膠質瘤時，卻會出現兩種完全相反的結果，3-MA可抑制TMZ誘導的細胞死亡，而巴佛洛霉素A1可促進TMZ誘導的細胞死亡，這是由于自噬抑制劑的作用存在階段特異性，3-MA抑制早期自噬，而巴佛洛霉素A1抑制晚期自噬〔50〕。同樣，當不同化療藥物作用同一腫瘤細胞或同一化療藥物作用兩種不同腫瘤細胞時，自噬的作用都可能是截然相反的，這主要取決于腫瘤細胞的組織類型和所受的刺激類型不同〔51〕。除此之外，當敲除atg造成細胞巨自噬功能缺陷時，分子伴侶介導的自噬(CMA)和微自噬便會活化從而補充巨自噬的功能，從而在腫瘤治療中發揮作用〔52〕。由于目前研究中所用的自噬抑制劑都不具有絕對專一性，也就是說，這些抑制劑除了可抑制自噬外，還有促進細胞內吞、參與物質轉運等其他的生物功能，因此，如果能夠獲取某些激酶(如ULK1)或蛋白酶(如Atg4B)的靶向性小分子物質，我們就可以用它們來準確地研究自噬在腫瘤化療中的作用及其機制。

總之，調控自噬并聯合化療藥物將是很有前景的腫瘤治療手段。然而，由于自噬在腫瘤發生、發展及治療中扮演雙重的作用，而且自噬的作用與腫瘤的組織細胞類型及所受刺激類型等因素有關，因此，如何調控自噬來協助腫瘤治療需視具體情況而定。

綜上，自噬在化療藥物誘導腫瘤細胞死亡中的作用及機制是非常復雜的。一方面，自噬可以保護腫瘤細胞免遭化療藥物的殺傷，因此，自噬抑制劑可用來克服腫瘤耐藥。另一方面，自噬在某些情況下又可促進腫瘤細胞死亡，因此，使用自噬誘導劑(雷帕霉素)可協同化療藥物殺死腫瘤細胞。但是，為了更好地應用于臨床，必須充分研究影響自噬作用的各種因素及自噬與凋亡之間的內在聯系；研究自噬發生的強度與速度對細胞生存的影響，明確：是否較強和(或)快速的自噬可導致細胞死亡，而溫和或緩慢出現的自噬可保護細胞存活〔53，54〕。隨著在分子水平對自噬認識的不斷深入，可通過調控細胞自噬水平更好地發揮其治療腫瘤的作用。

5 參考文獻

1Ricci MS，Zong WX.Chemotherapeutic approaches for targeting cell death Pathways〔J〕.Oncologist，2006；11：342-57.

2Portugal J，Bataller M，Mansilla S.Cell death pathways in response to antitumor therapy〔J〕.Tumori，2009；95：409-21.

3Al-Ejeh F，Kumar R，Wiegmans A，etal.Harnessing the complexity of DNA-damage response pathways to improve cancer treatment outcomes〔J〕.Oncogene，2010；29：6085-98.

4Kuma A，Hatano M，Matsui M，etal.The role of autophagy during the early neonatal starvation period〔J〕.Nature，2004；432：1032-6.

5Hara T，Nakamura K，Matsui M，etal.Suppression of basal autophagy in neural cells causes neurodegenerative disease in mice〔J〕.Nature，2006；441：885-9.

6Levine B，Yuan J.Autophagy in cell death：an innocent convict〔J〕?Clin Invest，2005；115：2679-88.

7Yoshimori T.Autophagy：a regulated bulk degradation process inside cells〔J〕.Biochem Biophys Res Comm，2004；313：453-8.

8Mathew R，Karantza-Wadsworth V，White E.Role of autophagy in cancer〔J〕.Nat Rev Cancer，2007；7：961-7.

9Chen S，Rehman SK，Zhang W.Autophagy is a therapeutic target in anticancer drug resistance〔J〕.Biochem Biophys Acta，2010；1806：220-9.

10Chen N，Debnath J.Autophagy and tumorigenesis〔J〕.FEBS Lett，2010；584：1427-35.

11Liang XH，Jackson S，Seaman M，etal.Induction of autophagy and inhibition of tumorigenesis by beclin-1〔J〕.Nature，1999；402(6762)：672-6.

12Ahn CH，Jeong EG，Lee JW，etal.Expression of beclin-1，an autophagy-related protein，in gastric and colorectal cancers〔J〕.APMIS，2007；115(12)：1344-9.

13Sun WL，Chen J，Wang YP.Autophagy protects breast cancer cells from epirubicin-induced apoptosis and facilitates epirubicin-resistance development〔J〕.Landes Biosci，2011；7(9)：1035-44.

14齊亞莉，張震宇，王洪艷，等.電離輻射誘導人乳腺癌細胞自噬與凋亡的關系〔J〕.吉林大學學報(醫學版)，2009；35(6)：1007-10.

15王 威，陳景紅，王新寧，等.葡萄籽原花青素誘導人肝癌HepG2細胞凋亡及自噬性死亡〔J〕.暨南大學學報(醫學版)，2011；32(2)：181-7.

16Petiot A，Ogier-Denis E，Blommaart EF，etal.Distinct classes of phosphatidylinositol 30-kinases are involved in signaling pathways that control macroautophagy in HT-29 cells〔J〕.Biol Chem，2000；275：992-8.

17Simonsen A，Tooze SA.Coordination of membrane events during autophagy by multiple class Ⅲ PI3-kinase complexes〔J〕.Cell Biol，2009；186：773-82.

18Yamamoto A，Tagawa Y，Yoshimori T，etal.Bafilomycin A1 prevents maturation of autophagic vacuoles by inhibiting fusion between autophagosomes and lysosomes in rat hepatoma cell line，H-4-II-E cells〔J〕.Cell Struct Funct，1998；23：33-42.

19Luiken JJ，Aerts JM,Meijer AJ.The role of the intralysosomal pH in the control of autophagic proteolytic flux in rat hepatocytes〔J〕.Eur J Biochem，1996；235：564-73.

20Amaravadi RK，Yu D，Lum JJ，etal.Autophagy inhibition enhances therapy-induced apoptosis in a Myc-induced model of lymphoma〔J〕.Clin Invest，2007；117：326-36.

21Maclean KH，Dorsey FC，Cleveland JL，etal.Targeting lysosomal degradation induces p53-dependent cell death and prevents cancer in mouse models of lymphomagenesis〔J〕.Clin Invest，2008；118：79-88.

22Kondo Y，Kanzawa T，Sawaya R，etal.The role of autophagy in cancer development and response to therapy〔J〕.Nat Rev Cancer，2005；5：726-34.

23Abedin MJ，Wang D，McDonnell MA，etal.Autophagy delays apoptotic death in breast cancer cells following DNA damage〔J〕.Cell Death Differ，2007；14：500-10.

24Liu D，Yang Y，Liu Q，etal.Inhibition of autophagy by 3-MA potentiates cisplatin-induced apoptosis in esophageal squamous cell carcinoma cells〔J〕.Med Oncol,2011；28：105-11.

25Claerhout S，Verschooten L，Van Kelst S，etal.Concomitant inhibition of AKT and autophagy is required for efficient cisplatin-induced apoptosis of metastatic skin carcinoma〔J〕.Int J Cancer，2010；127：2790-803.

26Ren JH，He WS，Nong L，etal.Acquired cisplatin resistance in human lung adenocarcinoma cells is associated with enhanced autophagy〔J〕.Cancer Biother Radiopharm，2010；25：75-80.

27Li J，Hou N，Faried A，etal.Inhibition of autophagy augments 5-fluorouracil chemotherapy in human colon cancer in vitro and in vivo model〔J〕.Eur J Cancer，2010；46：1900-9.

28O′Donovan TR，O′Sullivan GC，McKenna S.Induction of autophagy by drugresistant esophageal cancer cells promotes their survival and recovery following treatment with chemotherapeutics〔J〕.Autophagy，2011；7:322-9.

29Zhu K，Dunner Jr K，McConkey DJ.Proteasome inhibitors activate autophagy as a cytoprotective response in human prostate cancer cells〔J〕.Oncogene，2010；29：451-62.

30Wu WK，Sakamoto KM，Milani M，etal.Macroautophagy modulates cellular response to proteasome inhibitors in cancer therapy〔J〕.Drug Resist Updat，2010；13：87-92.

31Wu Z，Chang PC，Yang JC，etal.Autophagy blockade sensitizes prostate cancer cells towards Src family kinase inhibitors〔J〕.Genes Cancer，2010；1：40-9.

32Vazquez-Martin A，Oliveras-Ferraros C，Menendez JA.Autophagy facilitates the development of breast cancer resistance to the anti-HER2 monoclonal antibody trastuzumab〔J〕.PLoS One，2009；4：6251.

33Ito H，Daido S，Kanzawa T，etal.Radiation induced autophagy is associated with LC3 and its inhibition sensitizes malignant glioma cells〔J〕.Oncology，2005；26：1401-10.

34Lomonaco SL，Finniss S，Xiang C，etal.The induction of autophagy by ammaradiation contributes to the radioresistance of glioma stem cells〔J〕.Cancer，2009；125：717-22.

35Shingu T.Stage-specific effect of inhibition of autophagy on chemotherapy-induced cytotoxicity〔J〕.Autophagy，2009；5：537-9.

36Shanmugam M.Targeting glucose consumption and autophagy in myeloma with the novel nucleoside analogue 8-aminoadenosine〔J〕.Biol Chem，2009；284：26816-30.

37Carew JS.Autophagy inhibition enhances vorinostat-induced apoptosis via ubiquitinated protein accumulation〔J〕.Cell Mol，2009；2：54-61.

38Apel A，Herr I，Schwarz H，etal.Blocked autophagy sensitizes resistant carcinoma cells to radiation therapy〔J〕.Cancer Res,2008；68：1485- 94.

39Kim RH.Arginine deiminase as a novel therapy for prostate cancer induces autophagy and caspase-independent apoptosis〔J〕.Cancer Res，2008；69：700-8.

40Bellodi C.Targeting autophagy potentiates tyrosine kinase inhibitor-induced cell death in Philadelphia chromosome-positive cells，including primary CML stem cells〔J〕.Clin Invest，2009；119：1109-23.

41Carew JS.Targeting autophagy augments the anticancer activity of the histone deacetylase inhibitor SAHA to overcome Bcr-Abl-mediated drug resistance〔J〕.Blood，2007；110：313-22.

42Copland M.Dasatinib(BMS-354825)targets an earlier progenitor population than imatinib in primary CML but does not eliminate the quiescent fraction〔J〕.Blood，2006；107：4532-9.

43Ertmer A，Huber V，Gilch S，etal.The anticancer drug imatinib induces cellular autophagy〔J〕.Leukemia，2008；21：936-42.

44Kamitsuji Y.The Bcr-Abl kinase inhibitor INNO-406 induces autophagy and different modes of cell death execution in Bcr-Abl-positive leukemias〔J〕.Cell Death Differ，2008；15：1712-22.

45Jorgensen HG，Allan EK，Jordanides NE，etal.Nilotinib exerts equipotent antiproliferative effects to imatinib and does not induce apoptosis in CD34+CML cells〔J〕.Blood，2007；109：4016-9.

46Qian W，Liu J，Jin J，etal.Arsenic trioxide induces not only apoptosis but also autophagic cell lines via up-regulation of Beclin-1〔J〕.Leuk Res，2007；31(3)：329-39.

47Goussetis DJ，Altman JK，Glaser H，etal.Autophagy is a critical mechanism for the induction of the antileukemic effects of arsenic trioxide〔J〕.Biol Chem，2010；285(39)：29989-97.

48Salazar M.Cannabinoid action induces autophagy-mediated cell death through stimulation of ER stress in human glioma cells〔J〕.Clin Invest，2009；119：1359-72.

49Tormo D.Targeted activation of innate immunity for therapeutic induction of autophagy and apoptosis in melanoma cells〔J〕.Cancer Cell，2009；16：103-14.

50Shingu T.Stage-specific effect of inhibition of autophagy on chemotherapy-induced cytotoxicity〔J〕.Autophagy，2009；5：537-9.

51Wang Y.Loss of macroautophagy promotes or prevents fibroblast apoptosis depending on the death stimulus〔J〕.Biol Chem，2008；283：4766-77.

52Kaushik S，Massey AC，Mizushima N，etal.Constitutive activation of chaperone-mediated autophagy in cells with impaired acroautophagy〔J〕.Mol Biol Cell，2008；19：2179-92.

53Li H，Wang P，Sun Q，etal.Following cytochrome C release，autophagy is inhibited during chemotherapy-induced apoptosis by caspase-8-mediated cleavage of Beclin-1〔J〕.Cancer Res，2011；25：198-201.

54Giansanti V，Torriglia A，Scovassi AI.Conversation between apoptosis and autophagy：“is it your turn or mine?”〔J〕.Apoptosis，2011；16：321-33.