細胞自噬在腫瘤治療中的研究進展

宋園遠，姜曉峰，梁紅艷

(哈爾濱醫科大學附屬第四醫院檢驗科，哈爾濱 150000)

自噬是細胞體內一種溶酶體依賴性分解代謝過程,細胞自身老化及受損的蛋白質或某些細胞器被包裹進入囊泡，并與溶酶體結合形成自噬溶酶體，降解其包裹的內容物，借以實現細胞本身的代謝需求或某些細胞器的更新。這一過程通常可以緩解細胞的損傷及營養壓力。自噬作用除在正常細胞中的生理作用外，還在癌癥等病理過程中發揮重要作用，近年來人們已經逐漸意識到自噬在癌癥發生發展中具有復雜的作用。一方面，自噬作用可以清除自身老化蛋白質及受損細胞器來發揮細胞保護機制；另一方面，自噬減輕細胞生存壓力這一特性被腫瘤細胞所捕獲后，反而更加促進腫瘤細胞的生長與增殖[1]。但在臨床上自噬誘導還是抑制可以殺傷腫瘤細胞這一復雜作用取決于癌癥的種類及內環境的不同。靶向自噬通路治療腫瘤的治療劑的研發也為腫瘤治療提供了另一個新的思路。現就細胞自噬在腫瘤治療中的研究進展予以綜述。

1 自 噬

1.1自噬的基本概念 自噬分為三種類型：微自噬，分子伴侶介導的自噬及巨自噬。微自噬是指通過溶酶體膜的內陷直接遞送細胞溶質成分；而分子伴侶介導的自噬是溶酶體中可溶性胞質蛋白降解的選擇性機制；巨自噬是細胞的一種保護機制，該過程中一些損壞的蛋白或細胞器被雙層膜結構的自噬小泡包裹后，送入溶酶體中進行降解并得以循環利用[2]。自噬作用被發現以來就一直被視為細胞的關鍵保護機制，尤其在應對細胞增殖和營養缺乏的條件下起重要作用。基礎自噬通過降解過量，受損和(或)老化的蛋白質和細胞器，在細胞穩態中發揮重要作用[3]，這種細胞內機制是高度保守的，其功能的強弱與人類許多疾病均有關，如肌病[4]、微生物感染[5]、癌癥等[6]。

1.2自噬的分子調節通路

1.2.1哺乳動物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin,mTOR)信號通路 在調節自噬的各種途徑中，mTOR信號通路至關重要。研究已經確定了這一通路在調節細胞生長，蛋白質合成，新陳代謝和細胞死亡中的重要作用。mTOR是絲氨酸/蘇氨酸激酶的一種，分子量為300 000，其位于磷脂酰肌醇-3-激酶/蛋白激酶 B途徑的下游，它能與多種不同的蛋白質結合，并形成兩種不同的復合物：mTOR1和mTOR2[7]。當細胞營養素和生長因子豐富時，mTOR1被激活并使關鍵的自噬相關蛋白磷酸化，導致自噬的抑制；相反，mTOR1受到抑制時，即在能量、氨基酸等營養物質缺乏期間發生，誘導自噬。mTOR信號通路的上游是磷脂酰肌醇-3-激酶途徑，其顯著調節細胞增殖，mTOR2在自噬中的作用尚不明確[8]。

mTOR1受AMP活化的蛋白激酶調節,通過降低細胞ATP水平或細胞應激來刺激AMP活化的蛋白激酶導致mTOR1的抑制，mTOR1抑制可以阻止Unc-51的位點特異性抑制磷酸化，如自噬激活激酶1,去磷酸化的自噬激活激酶1可以自由地與AMP活化的蛋白激酶相互作用，AMP活化的蛋白激酶負責在活化位點磷酸化自噬激活激酶1，導致自噬誘導。mTOR1和自噬激活激酶1的調節顯示了AMP活化的蛋白激酶在自噬起始中起重要作用[9]。

1.2.2RAS(rat sarcoma)信號通路 RAS蛋白質家族由參與控制細胞生長和存活的鳥苷三磷酸酶組成。RAS信號轉導通過兩種主要細胞途徑調節自噬。RAS的激活導致磷脂酰肌醇-3-激酶/蛋白激酶B通路的刺激增加，mTOR1上調，導致自噬的抑制[10]。相反，RAS激活也可通過降低促分裂原活化的蛋白激酶/胞外信號調節激酶(mitogen-activated protein kinase/extracellular regulated protein kinases,MAPK/ERK)途徑的信號轉導導致自噬增加[10]。現已證明，當MAPK/ERK信號通路受到刺激時，HT-29結腸癌細胞會誘導自噬的發生[11]。

1.2.3MAPK信號通路 MAPK/應激活化蛋白激酶信號通路與自噬的調節有關。MAPK是絲氨酸-蘇氨酸激酶家族，其參與調節對生長因子受體信號轉導的廣泛細胞應答[12]。由MAPK激活的應激活化蛋白激酶信號轉導導致關鍵轉錄因子激活，其反過來調節抗凋亡基因如B細胞淋巴瘤-2(B-cell lymphoma-2，Bcl-2)的表達。研究已顯示Bcl-2與Beclin-1結合可導致自噬的抑制[13]。

2 自噬與腫瘤

近年來，自噬在癌癥進展中的作用已被廣泛關注和研究。由于癌癥的類型、階段、遺傳背景不同，其對自噬作用的反應也不同[14]。利用自噬的背景依賴性作用已成為腫瘤學中一種有前景的治療策略。

2.1自噬的腫瘤促進作用 自噬是細胞的一種應激反應和生存機制，因此其可能更有助于癌癥細胞在各種應激下的存活。與正常細胞相比，自噬的上調使癌癥細胞更能適應外界的一系列應激壓力，有助于癌細胞增殖，從而增加腫瘤細胞的侵襲性和對治療的抵抗性。研究發現在多種腫瘤細胞中自噬作用促進癌細胞的生長[15]。在血管化不良的腫瘤中，細胞經常出現缺氧和代謝應激。腫瘤內部的細胞在營養素和氧氣缺乏的情況下，缺氧誘導因子1α增加，其促進自噬和血管生成。缺氧誘導因子1α依賴的Bcl-2/腺病毒E1B相互作用蛋白3表達對線粒體的選擇性自噬是必需的，也稱為線粒體自噬[16]。有缺陷的線粒體自噬與帕金森病有關，因為這種患者常會發生帕金森相關基因PINK1(PTEN-induced putative kinase protein 1)和帕金森病蛋白2的突變，而這兩種基因對線粒體自噬誘導很重要。在遺傳篩選中，帕金森病蛋白2也被鑒定為腫瘤抑制基因，表明線粒體自噬在癌癥中具有一定的促進作用[17]。缺氧還可以通過缺氧誘導因子1α的獨立作用來激活自噬，缺氧通過錯誤折疊蛋白的蓄積誘導內質網應激，在這些情況下，線粒體由于缺氧而不能參與氧化磷酸化。自噬作用允許細胞消耗部分內質網并減少線粒體數量，這種對缺氧的適應性反應可以防止內質網上的ATP消耗浪費，使細胞分解代謝產生ATP，并限制線粒體中活性氧類的產生[18]。Yang等[19]的研究也從反向證明了胰腺癌細胞的自噬水平升高,研究人員通過沉默自噬相關蛋白(autophagy-related protein,ATG)及使用氯喹抑制自體溶酶體降解來抑制自噬，引起體內活性氧類積累，DNA損傷和線粒體功能缺陷抑制胰腺腫瘤生長，結果顯示，自噬抑制導致顯著的腫瘤消退，動物實驗也顯示通過自噬抑制攜帶胰腺癌異種移植物的小鼠存活時間延長。針對多種人類惡性腫瘤發生突變的RAS基因，研究發現即使存在豐富的營養物質，在H-ras或K-ras活化突變的人類癌細胞系中也具有高基礎自噬水平[20]。在這些細胞中，抑制基礎自噬相關的蛋白會顯著抑制細胞生長，表明自噬可維持腫瘤細胞存活。因此，抑制腫瘤中的自噬作用，如對Ras驅動的癌癥，可能是一種有效的抗癌療法。自噬對腫瘤細胞的促進作用也表現在對化療藥物的抗性增加。臨床藥物厄洛替尼是表皮生長因子受體突變的非小細胞肺癌中常用的酪氨酸激酶抑制劑，這種化療藥物會上調自噬，結果導致細胞對酪氨酸激酶抑制劑的耐藥性增加[21]。

2.2自噬的腫瘤抑制作用 與自噬的潛在促進腫瘤增殖作用形成鮮明對比，自噬具有抑制腫瘤生長作用。Beclin-1作為自噬過程的關鍵基因，是自噬所需的Ⅲ型磷脂酰肌醇-3-激酶復合物一部分，在小鼠體內是一種單倍體不足的腫瘤抑制基因，研究發現在人類乳腺癌、卵巢癌中Beclin-1基因的缺失。此外，p53和第10號染色體缺失的磷酸酶及張力蛋白同源的基因均誘導自噬[22]。而Bcl-2直接與Beclin-1 相互作用以抑制自噬[23]。致癌基因可以抑制自噬，腫瘤抑制因子誘導自噬，而真正的自噬調節因子本身就是腫瘤抑制因子，表明自噬具有抗癌作用。臨床上支持這一觀點的是三氧化二砷應用于急性早幼粒細胞白血病的治療，三氧化二砷已成為許多急性早幼粒細胞白血病患者的治療手段，與全反式視黃酸聯合治療大大提高了疾病的治愈率,最初三氧化二砷的作用機制尚不清楚，目前已知三氧化二砷介導的細胞死亡部分是由于通過上調Beclin-1進而介導自噬發生。目前誘導自噬抑制腫瘤發展的機制尚不完全清楚，可能是由于自噬過程中基因的調節抑制了腫瘤細胞的增殖；也可能是由于細胞內壞死物質釋放到周圍組織中會引發炎癥反應和慢性組織損傷，導致遺傳不穩定，致癌DNA突變率更高，最終導致更惡性的基因表型，而自噬通過去除受損的細胞器和蛋白質，限制細胞生長及基因組不穩定性而起到腫瘤抑制作用；或者自噬可以殺死發育中的腫瘤細胞，Thorburn等[24]發現原代上皮細胞成為永生細胞時，涉及自噬和凋亡的細胞死亡途徑被選擇性地滅活，研究也發現在乳腺腺泡形成的模型中，凋亡和自噬參與去除上皮細胞以形成腔結構，表明自噬阻止了上皮腫瘤發展的早期步驟。也有學者認為，自噬可以通過限制壞死和慢性炎癥來預防腫瘤發生，這與炎癥性高遷移率族蛋白B1的釋放有關[25]。總之，上述研究發現確立了自噬作為腫瘤抑制機制的作用。

2.3靶向自噬抗腫瘤研究 鑒于自噬作為腫瘤抑制因子和腫瘤啟動子的雙重作用，上調自噬及抑制自噬在不同類型的腫瘤中可作為治療的潛在策略。從自噬體形成到溶酶體降解到細胞信號轉導，在自噬過程的幾乎所有步驟中都已經鑒定出可用于藥物作用的靶標，目前部分藥物的研發正在進行中。

通過遺傳或藥理學手段抑制自噬已被廣泛證明可以使腫瘤細胞對抗癌治療敏感，自噬的小分子抑制劑可能作為抗癌藥物單獨使用或組合使用。目前溶酶體抑制劑——抗瘧藥氯喹及其衍生物羥氯喹是已被證明可通過改變溶酶體pH，抑制自噬體降解，引起自噬體積聚來直接抑制自噬的兩種藥物，對膀胱癌、胰腺癌和黑色素瘤的臨床前期研究表明，作為單一藥物，氯喹和羥氯喹能夠通過抑制自噬來抑制癌細胞的生長[26]。同樣地，一些靶向自噬的小分子抑制劑也顯示了抗腫瘤的潛力。ATG4B是一種半胱氨酸蛋白酶，其作用是裂解微管相關蛋白輕鏈3和其他ATG8銜接蛋白，這是自噬發生過程的后續脂質化、自噬體結合和成熟所必需的步驟。體外研究已證實ATG4B抑制劑具有阻斷自噬并促進腫瘤細胞死亡的作用，高選擇性的ATG4B蛋白酶活性抑制劑作為一種潛在的腫瘤治療方法正在被逐步開發中[26]。Egan等[27]發現SBI-0206965作為一種新型的自噬啟動激酶unc-51樣自噬激活激酶1(unc-51 like autophagy activating kinase 1，ULK1)抑制劑，在小鼠肺癌腫瘤細胞及U87MG膠質母細胞瘤的營養饑餓階段可促進細胞凋亡。另一種Bcl-2抑制劑ABT-737,在前列腺癌[28]、肝細胞癌[29]和小細胞肺癌中誘導腫瘤細胞的保護性自噬，抑制自噬有助于ABT-737治療潛力的發掘[30]。此外，研究表明，部分藥物可能通過抑制自噬介導的化學或放射抗性來增強化療的效果[31]。目前部分藥物的療效評估實驗正逐步從體外向體內實驗過渡。

如上所述，對于癌癥患者，標準治療輔助自噬抑制劑療法有望成為新的抗癌方案，但不適用于所有類型的癌癥，某些腫瘤細胞系對自噬誘導而不是自噬抑制敏感，目前已經發現誘導自噬對多種腫瘤細胞系具有明顯的抑制增殖作用。已經用于臨床的多種化療藥物通過誘導自噬殺傷腫瘤細胞，Akar等[32]研究發現他莫昔芬等雌激素受體拮抗劑以雌二醇受體為藥物靶點，能夠誘導乳腺癌細胞MCF-7發生過度自噬，引起細胞過度死亡；Chiu等[33]研究發現抗癌藥物替莫唑胺與達沙替尼的組合可殺傷膠質母細胞瘤，這兩種藥物均誘導自噬。作為精氨酸耗竭療法研究較為成熟的ADI-PEG20在精氨基琥珀酸合成酶1缺陷的腫瘤治療中正逐步進入臨床試驗階段，其機制之一是通過降解體內精氨酸誘導自噬，靶向藥ADI-PEG20用于肝癌的治療也已進入了Ⅲ期臨床試驗；同樣，組蛋白去乙酰化酶抑制劑顯示自噬誘導潛力是其抗癌作用之一[34]，Turcotte等[35]研究發現STF-62247作為一種小分子激動劑，可以誘導細胞自噬并選擇性殺死與自噬體積累相關的VHL(von Hippel-Lindau)缺陷性腎癌細胞，有望成為腎癌治療的新型靶向藥物。

3 小 結

自噬作為細胞內一種多通路參與調節的生物學過程，在腫瘤發生發展中的作用尚無清晰的定論。盡管目前臨床腫瘤治療的重點是將自噬抑制劑與化學治療藥物/細胞毒性藥物聯合使用，但仍應考慮自噬在不同類型腫瘤生長中的矛盾作用以及過度自噬是否會導致細胞死亡。目前尚不清楚自噬是作為腫瘤抑制因子起作用還是保護癌細胞免受抗癌治療起作用。如果自噬誘導可以限制腫瘤細胞的增殖或導致腫瘤體積消退，那么激活自噬可能是一種有效的抗癌療法。然而，如果自噬僅在癌癥治療中具有防御作用，針對自噬通路的部分靶向小分子抑制劑可能改善抗癌治療的功效。因此，確定在不同類型腫瘤細胞中自噬途徑相關分子的調節機制更有助于相關靶向藥物的研發。自噬作用在腫瘤發展過程中的不斷明確能夠促成發現新的診斷及治療靶點，并為腫瘤發病機制的研究提供新的思路。