自噬與凋亡的相互作用及其對腫瘤發展過程影響的研究進展

唐　琪，布文奐，王丹丹，辛　穎，徐曉薇，孫宏晨

(吉林大學口腔醫院病理科，吉林 長春 130021)

自噬與凋亡的相互作用及其對腫瘤發展過程影響的研究進展

唐琪，布文奐，王丹丹，辛穎，徐曉薇，孫宏晨

(吉林大學口腔醫院病理科，吉林 長春 130021)

自噬與凋亡是細胞程序性死亡的2種方式，均涉及一系列基因的激活、表達及調控。自噬與凋亡對于維持機體內環境的穩態和正常的生長發育有重要的意義，并且在腫瘤的發展過程中也起到不同程度的調控作用。自噬與凋亡在發生過程中存在著某些交叉串擾，使二者之間能夠發生相互作用，而這種相互作用又對腫瘤的發展產生復雜的影響。本文分別從自噬與凋亡的發生過程、自噬與凋亡之間的相互作用和自噬與凋亡對腫瘤發展過程的影響作一綜述。

自噬；細胞凋亡；調控；相互作用；腫瘤

自噬和凋亡是機體在漫長的進化過程中發展起來的一種細胞死亡機制，其有利于清除機體內無用的、有害的或癌變的細胞，對于維持機體內環境的穩態等有重要意義。其中，經典的細胞凋亡被稱為Ⅰ型程序性細胞死亡，自噬性細胞死亡又稱為Ⅱ型程序性細胞死亡。二者的發生都是由一定的“程序”所調控，比如各種相關基因和蛋白質等。自噬和凋亡與腫瘤關系密切，而且自噬與凋亡間的串擾，使二者之間能夠相互影響，進而對癌癥治療產生不同程度的影響。因此，掌握自噬與凋亡的發生過程、兩者間相互關系及其對腫瘤的影響，可以為研究者進行抗癌治療的研究提供新的思路。

1　自噬的發生過程及調控

自噬是一種應激反應，通常在饑餓、缺氧、放射和化療藥物等刺激作用下被觸發。按照自噬的發生特點，將其分為3種類型：巨自噬、微自噬和分子伴侶介導的自噬。其中通常所說的自噬即巨自噬，是一種細胞自我消耗的過程，其特點是用雙層膜囊泡(即自噬體)包裹大量的細胞內待降解物，如長壽蛋白質及受損的細胞器等，并將這些待降解物運送到溶酶體處降解[1]。自噬通過降解過多的、受損的或有害的蛋白質和細胞器，以維持重要細胞成分的含量，從而達到保持細胞內穩態的作用[2]。

整個自噬過程可分為自噬的啟動、自噬體的形成(包括囊泡成核、擴張生長和完成)、成熟和降解4個階段：①自噬的啟動。在營養缺乏時期，雷帕霉素靶蛋白mTOR與unc-51類自噬激活激酶1/2(unc-51 like autophagy activating kinase1/2,ULK1/2)復合體分離，使ULK1/2發生脫磷酸作用，進而誘導自噬相關基因13(autophagy associated gene 13,ATG13)和FAK家族相互作用蛋白200(FAK-family interacting protein of 200 kDa,FIP200)與ULK1/2結合，形成ULK1/2-ATG13-FIP200復合體，啟動自噬；②自噬體的形成。磷脂酰肌醇3激酶家族Ⅲ(phosphatidylinositol 3 kinase class Ⅲ,PI3KC3，或稱為Vps34)、p150(或稱為Vps15)和自噬基因Beclin1結合形成復合體，參與囊泡成核過程。自噬小泡生長和自噬體形成過程則由2個泛素樣結合系統ATG12和ATG8/LC3直接調控。其中，ATG7激活ATG12，使其在與ATG5結合之前，暫時與ATG10結合。隨后，ATG5進一步與ATG16相互作用形成ATG12-ATG5-ATG16復合體。前體蛋白proLC3被ATG4加工成LC3-Ⅰ，LC3-Ⅰ通過ATG3和ATG7可逆性結合到磷脂酰乙醇胺PE的羥基端，從而在自噬體表面形成LC3-Ⅱ；③自噬體的成熟。自噬體與溶酶體融合，形成自噬性溶酶體。該過程與溶酶體膜糖蛋白LAMP1和LAMP2以及Ras癌基因相關蛋白Rab7A、UVRAG等相關。其中，UVRAG能促進自噬體與其靶蛋白結合的蛋白質至自噬體膜進而激活Rab7，最終促進自噬體與溶酶體的融合；④自噬體的降解。自噬性溶酶體內的物質被溶酶體水解酶所降解，在這個過程中產生的氨基酸和其他成分被釋放出來，為細胞提供氨基酸和能源[3]。

2　凋亡的發生過程及調控

凋亡是一種典型的程序性細胞死亡途徑。正常情況下，凋亡能夠維持細胞內的穩態，當有害物質存在時，則作為一種防御機制發揮作用。多種刺激可以誘發凋亡：包括內源性刺激，如活性氧(reactive oxygen species,ROS)引起的氧化性損傷、缺氧和細胞內Ca2+濃度增加；外源性刺激，如細菌性病原體、毒素、生長因子和激素等。

根據誘發凋亡的刺激來源，凋亡主要分為2種途徑：①內源性途徑。細胞內的凋亡信號觸發內在途徑，激活各種單BH3結構域的蛋白質。活化的該類蛋白質與Bcl-2家族中抗凋亡蛋白結合，從而阻止其與多結構域的促凋亡蛋白BAX和BAK結合。隨后，在線粒體外膜上形成BAX和(或)BAK的同二聚體，增加線粒體膜透化作用，形成釋放細胞色素C及其他凋亡效應器的通道。細胞色素C與凋亡蛋白酶活化因子1(apoptotic protease activating factor-1,APAF-1)及caspase 9相結合形成復合體，稱為凋亡小體。凋亡小體激活下游的效應caspase酶，即caspase 3和caspase 6等，從而引起凋亡性細胞死亡[4]；②外源性途徑。起始于特定死亡受體的刺激，該受體與其相應的配體結合，如腫瘤壞死因子受體(TNFR)與其配體TNF結合。受體與配體結合使這些死亡受體發生三聚反應，導致其死亡域聚集和FADD、caspase 8及caspase 10的招募，形成誘導死亡的信號復合體(DISC)。在DISC內加工的caspase 8/10觸發caspase級聯反應，最終導致凋亡性細胞死亡[5]。

3　自噬與凋亡之間相互作用的分子機制

雖然自噬與凋亡被視為細胞死亡的2種途徑，但二者并不是獨立存在的。某些調控自噬和凋亡的基因及信號通路等可以發生交叉串擾，從而使自噬與凋亡之間起到相互調節的作用。自噬與凋亡之間相互作用的節點包括Beclin1與Bcl-2間的相互作用、caspase對Beclin1的剪切作用、UVRAG-BAX間的相互作用、ATG12-ATG3間的相互作用、ATG12-Mcl-1間的相互作用、Calpain介導的ATG5的剪切作用和抑癌基因p53的交叉調節作用等。

3.1Beclin1與Bcl-2間的相互作用Beclin1是一種重要的自噬調節因子，其最初作為一種能與Bcl-2相互作用的蛋白質被人們所認識[6]，后來又被證明能與PO3KC3和p150相結合形成對自噬非常重要的囊泡成核復合體。因此，Beclin1-Bcl-2是自噬與凋亡間第一個確定的分子連接。當Beclin1表達水平升高時，可將促凋亡蛋白BAK/BAX從與Bcl-2的結合中釋放出來，從而促進細胞凋亡；而Bcl-2表達下降時則可能導致更多的Beclin1依賴性自噬[7-8]。近年來研究[9]顯示:抗凋亡蛋白Bcl-2的抑制劑ABT-373能競爭性地抑制Beclin1與Bcl-XL的結合，并減弱Beclin1與Bcl-2的結合，因而釋放Beclin1以促進Beclin1依賴性自噬。

3.2caspase對Beclin1的剪切作用caspase能夠調控Beclin1對自噬和凋亡的調節作用。caspase對Beclin1的剪切降低了細胞內Beclin1的水平，進而減弱自噬的水平。Beclin1中有3個caspase剪切位點：D133、D146和D149[10-12]。Wirawan等[10]研究發現:在Ba/F3細胞中，IL-3消耗的初期，能上調自噬水平，然而，隨著生長因子持續性地被消耗，發現Beclin1的D133和D149位點被剪切，使Beclin1失去了調節自噬的能力，最終自噬減弱，凋亡被激活。

3.3UVRAG與BAX間的相互作用UVRAG能激活Beclin1/PI3KC3復合體，促進自噬小體的形成及成熟，是一種重要的自噬效應分子。此外，UVRAG也能與BAX相互作用進而調節凋亡。UVRAG 的C2域與BAX結合，UVRAG過度表達能夠抑制BAX向線粒體移位，同時抑制線粒體膜電位MMP下降及細胞色素C釋放，最終抑制凋亡發生[13]。同樣在人早幼粒白血病HL60細胞和人結腸癌HCT116細胞中，抑制UVRAG的表達能夠明顯增強凋亡同時減弱自噬。此外，在自噬基因缺陷的小鼠胚胎成纖維細胞中，沉默UVRAG能增強阿霉素誘導的凋亡[7]。

3.4ATG12與ATG3間的相互作用研究[14]發現:缺少ATG12-ATG3 結合的細胞中，線粒體解偶聯藥物誘導的凋亡水平減弱。調節ATG12與ATG3結合的因子，可能在調節自噬與凋亡相對水平的過程中也起到重要作用，這提示抗癌治療時可以針對ATG12，有選擇性地增加或減少ATG12與ATG3的結合，從而調節相關的自噬或凋亡水平。

3.5ATG12與Mcl-1間的相互作用ATG12能與Bcl-2家族中的抗凋亡蛋白尤其是Mcl-1結合，從而阻止該類蛋白與促凋亡蛋白結合，最終誘導凋亡發生[15]。在各種癌癥中均能觀察到Mcl-1的過表達，這類腫瘤細胞能夠耐受化療藥物誘導的凋亡。與其他的抗凋亡蛋白不同，Mcl-1的半衰期非常短，因此可以在抑制Mcl-1的基礎上，使Mcl-1依賴性腫瘤細胞對化療誘導的凋亡迅速敏感化來對抗腫瘤[7]。

3.6Calpain對ATG5的剪切作用有研究[16]表明：鈣蛋白酶Calpain能剪切ATG5，進而激發凋亡性細胞死亡。剪切產物為ATG5的氨基端片段，其能從胞漿移動至線粒體內。在發生凋亡的細胞內同時存在完整的ATG5和被剪切縮短的ATG5，然而，只有剪切后的ATG5才能與抗凋亡蛋白Bcl-XL發生免疫共沉淀，從而觸發細胞色素C的釋放和caspase的激活。因此，被剪切的ATG5失去其誘導自噬的能力，反而變為一種促凋亡蛋白，通過抑制Bcl-2等抗凋亡蛋白的功能，最終激活線粒體依賴性凋亡。

3.7p53的調節作用p53是由TP53基因編碼的一種抑癌基因，其在細胞周期阻滯和細胞死亡中起到重要的作用。p53既能激活內源性的，也能激活外源性的凋亡途徑。細胞核內的p53通過增加死亡受體(如Fas受體和TRAIL受體)的表達觸發外源性凋亡途徑[16]。在內源性途徑中，核p53激活促凋亡蛋白，如PUMA、NOXA、BAX和BID的表達，導致MMP增加，細胞色素C釋放并激活caspase 9和caspase 8，使細胞發生凋亡。同時，胞漿中p53轉移至線粒體，并與Bcl-2/Bcl-XL形成復合體，從而釋放出促凋亡蛋白BAX和BAK，觸發凋亡[7]。與p53促進凋亡的作用相反，胞漿和胞核內的p53在調節自噬中起相互矛盾的2種作用。胞漿中p53通過滅活AMP激酶進而激活mTOR通路來抑制自噬[17]。此外，其也能通過與自噬相關蛋白FIP200的相互作用，阻礙ULK1-FIP200-ATG13-ATG101復合體的激活，抑制自噬體的形成，從而達到抑制自噬的目的[18]。與胞漿中p53的作用不同，胞核中的p53激活Cdc42/JNK1激酶，觸發Bcl-2在T56、S70、T74和S87等處磷酸化，磷酸化后的Bcl-2不能與Beclin1結合，Beclin1被釋放出來，最終誘導自噬發生[7]。

4　自噬和凋亡在腫瘤發展過程中的作用

4.1自噬在腫瘤發展過程中的作用自噬在腫瘤發展過程中起相互矛盾的2種作用：①自噬維持腫瘤細胞生存，促進腫瘤發展。一方面，自噬吞噬降解受損的蛋白質和細胞器，減輕損害。另一方面，自噬使腫瘤細胞耐受某些應激刺激，如缺氧、饑餓、放療及化療，甚至在長期的應激作用下，自噬也可以維持細胞的長期生存。自噬促使腫瘤細胞進入休眠狀態，這種休眠的腫瘤細胞能夠在環境變得更為有利時解除休眠，恢復生長[19]；②自噬促進腫瘤細胞死亡，抑制腫瘤發展。自噬通過降解長壽蛋白質和缺陷細胞器來控制細胞內穩態，此外，也通過限制炎癥、消除有毒的蛋白質并移除受損的線粒體來抑制腫瘤發展[20]。甚至長期的應激作用、過度的細胞損傷均可能過度刺激自噬從而導致腫瘤細胞死亡，最終抑制腫瘤發展。

4.2凋亡在腫瘤發展過程中的作用在多細胞生物體中，有害的細胞如惡性細胞等通過凋亡以一種無害的方式被清除[5]。凋亡是腫瘤細胞死亡的主要原因，凋亡受損或缺失有利于腫瘤的發展。若改變調控凋亡的因子，比如Bcl-2家族蛋白的表達，會對機體造成不利的影響。凋亡抑制會導致腫瘤細胞從免疫監管中逃脫，并最終導致耐藥腫瘤細胞的擴增[7]。

4.3自噬與凋亡之間的相互關系及其對腫瘤發展過程的影響由于各種調節因子對自噬和凋亡的調控，使自噬和凋亡之間存在著復雜的關系。通常自噬與凋亡之間的關系大致分為3種：①促進關系。Cui等[21]研究發現：東凌草素能誘導人乳腺癌MCF-7細胞發生自噬和凋亡，若用自噬抑制劑3-MA預處理后，可發現能夠明顯降低自噬水平和凋亡率。此外，相比于單獨使用東凌草素，將其與3-MA混合后能上調ERK的磷酸化并下調JNK和P38激酶的磷酸化作用，這些都提示經東凌草素處理的MCF-7細胞中，自噬能夠促進凋亡的發生，從而抑制腫瘤的發展。②拮抗關系。Song等[22]發現：放射療法和鉑化合物使鼻咽癌細胞發生自噬和凋亡，但加入3-MA抑制自噬后細胞的增殖能力明顯下降，而且部分細胞有典型凋亡形態學改變，提示3-MA促進了凋亡的發生，表明自噬與凋亡之間是對抗的關系，自噬對腫瘤的發展起促進作用。Wu等[23]研究也證明了這一點。該實驗用硼替佐米分別與自噬抑制劑3-MA及氯喹結合后處理非小細胞肺癌，發現與單獨使用硼替佐米相比，實驗組均能明顯增強凋亡的水平，抑制腫瘤細胞增殖。③合作關系。自噬和凋亡協作引起細胞死亡，兩者可能同時發生；或者當其中一個程序受到阻礙或抑制時，另一個程序被激活并繼續完成細胞死亡過程。研究[24]證實：凋亡和自噬間有協同關系，如用三氧化二砷治療T淋巴細胞白血病時，同時激活了自噬和凋亡，二者協同作用促進細胞死亡[25]。另一項研究[26]用維生素K2治療HL-60白血病時，發現自噬和凋亡是實現細胞死亡必需的過程，此外，當Bcl-2抑制凋亡后，自噬的作用尤其突出。在上述體系中，自噬和凋亡作用的結果是相同的，甚至是共同協作完成腫瘤細胞的消除，及至最終的腫瘤抑制。

5　展　望

基于自噬、凋亡以及二者相互作用后對腫瘤的發展過程產生的復雜影響，尤其是對于腫瘤耐藥耐輻射的影響，國內外學者都在探討如何利用自噬與凋亡的作用關系，促進對腫瘤的抑制，使抗癌治療更加有效。雖然目前已經取得了一些進展，然而，自噬與凋亡間相互作用的確切機制仍不十分清楚。此外，自噬與凋亡的關系與腫瘤細胞的類型及所處的環境密切相關，然而這種關聯性及規律性仍有待于研究發現。但可以確定的是，如何利用好自噬與凋亡之間的關系，促進腫瘤細胞死亡，達到理想的抗癌效果仍將是今后研究的重點。

[1]Klionsky DJ.Autophagy revisited:a conversation with Christian de Duve[J].Autophagy,2008,4(6):740-743.

[2]Mizushima N,Levine B,Cuervo AM,et al.Autophagy fights disease through cellular self-digestion[J].Nature,2008,451(7182):1069-1075.

[3]Levy JMM,Thorburn A.Targeting autophagy during cancer therapy to improve clinical outcomes[J].Pharmacol Ther,2011,131(1):130-141.

[4]Giansanti V,Torriglia A,Scovassi AI.Conversation between apoptosis and autophagy:“Is it your turn or mine?”[J].Apoptosis,2011,16(4):321-333.

[5]Pennarun B,Meijer A,de Vries EGE,et al.Playing the DISC:turning on TRAIL death receptor-mediated apoptosis in cancer[J].BBA-Rev Cancer,2010,1805(2):123-140.

[6]Liang XH,Kleeman LK,Jiang HH,et.al.Protection against fatal Sindbis virus encephalitis by beclin,a novel Bcl-2-interacing protein[J].J Virol,1998,72(11):8586-8596.

[7]Su M,Mei Y,Sinha S.Role of the crosstalk between autophagy and apoptosis in cancer[J].J Oncol,2013,2013:1-14.

[8]Pattingre S,Tassa A,Qu XP,et al.Bcl-2 antiapoptotic proteins inhibit Beclin 1-dependent autophagy[J].Cell,2005,122(6):927-939.

[9]Maiuri MC,Le Toumelin G,Criollo A,et al.Functional and physical interaction between Bcl‐XL and a BH3‐like domain in Beclin-1[J].EMBO J,2007,26(10):2527-2539.

[10]Wirawan E,van de Walle L,Kersse K,et al.Caspase-mediated cleavage of Beclin-1 inactivates Beclin-1-induced autophagy and enhances apoptosis by promoting the release of proapoptotic factors from mitochondria[J].Cell Death Dis,2010,1:e18.

[11]Rohn TT,Wirawan E,Brown RJ,et al.Depletion of Beclin-1 due to proteolytic cleavage by caspases in the Alzheimer’s disease brain[J].Neurobiol Dis,2011,43(1):68-78.

[12]Li H,Wang P,Yu J,et al.Cleaving Beclin1 to suppress autophagy in chemotherapy-induced apoptosis[J].Autophagy,2011,7(10):1239-1241.

[13]Yin X,Cao L,Peng Y,et al.A critical role for UVRAG in apoptosis[J].Autophagy,2011,7(10):1242-1244.

[14]Radoshevich L,Murrow L,Chen N,et al.ATG12 conjugation to ATG3 regulates mitochondrial homeostasis and cell death[J].Cell,2010,142(4):590-600.

[15]Rubinstein AD,Eisenstein M,Ber Y,et al.The autophagy protein Atg12 associates with antiapoptotic Bcl-2 family members to promote mitochondrial apoptosis[J].Mol Cell,2011,44(5):698-709.

[16]Lépine S,Allegood JC,Edmonds Y,et al.Autophagy induced by deficiency of sphingosine-1-phosphate phosphohydrolase 1 is switched to apoptosis by calpain-mediated autophagy-related gene 5 (Atg5) cleavage[J].J Biol Chem,2011,286(52):44380-44390.

[17]Mukhopadhyay S,Panda PK,Sinha N,et al.Autophagy and apoptosis:where do they meet?[J].Apoptosis,2014,19(4):555-566.

[18]Marino G,Niso-Santano M,Baehrecke EH,et al.Self-consumption:the interplay of autophagy and apoptosis[J].Nat Rev Mol Cell Bio,2014,15(2):81-94.

[19]White E,DiPaola RS.The double-edged sword of autophagy modulation in cancer[J].Clin Cancer Res,2009,15(17):5308-5316.

[20]Koren I,Kimchi A.Promoting tumorigenesis by suppressing autophagy[J].Science,2012,338(6109):889-890.

[21]Cui Q,Tashiro S,Onodera S,et al.Autophagy preceded apoptosis in oridonin-treated human breast cancer MCF-7 cells[J].Biol Pharm Bull,2007,30(5):859-864.

[22]Song LL,Liu H,Ma LY,et al.Inhhibition of autophagy by 3-MA enhances endoplasmic reticulum stress-induced apoptosis in human nasopharyngeal carcinoma cell[J].Oncol Lett,2013,6(4):1031-1038.

[23]Wu GD,Li HF,Ji ZY,et al.Inhibition of autophagy by autophagic inhibitors enhances apoptosis induced by bortezomib in non-small cell lung cancer cells[J].Biotechnol Lett,2014,36(6):1171-1178.

[24]Eisenberg-Lerner A,Bialik S,Simon HU,et al.Life and death partners:apoptosis,autophagy and the cross-talk between them[J].Cell Death Differ,2009,16(7):966-975.

[25]Qian W,Liu J,Jin J,et al.Arsenic trioxide induces not only apoptosis but also autophagic cell death in leukemia cell lines via up-regulation of Beclin-1[J].Leukemia Res,2007,31(3):329-339.

[26]Yokoyama T,Miyazawa K,Naito M,et al.Vitamin K2 induces autophagy and apoptosis simultaneously in leukemia cells[J].Autophagy,2008,4(5):629-640.

Advance research on interaction between autophagy and apoptosis and its influence in development of tumors

1671-587Ⅹ(2015)06-1303-04

10.13481/j.1671-587x.20150640

2015-02-06

國家自然科學基金資助課題(8132010801,81271111)

唐琪(1986-)，女，黑龍江省訥河市人，在讀醫學碩士，主要從事納米材料載藥或載基因治療方面的研究。

孫宏晨，教授，主任醫師，博士研究生導師(Tel：0431-88796010，E-mail：hcsun@mail.jlu.edu.cn)

R730.23

A