自噬在結直腸癌中的作用研究進展

柴琳琳， 袁瑋， 胥傳海

(鹽城市第一人民醫院病理科，江蘇 鹽城 224001)

結直腸癌是一種常見惡性腫瘤，居女性惡性腫瘤的第2位，男性惡性腫瘤的第3位，約占全世界每年新診斷癌癥的10%[1]。研究表明，結直腸癌好發于發達國家，然而隨著發展中國家的持續進步及飲食結構的改變，預計到2030年全球結直腸癌新增病例達220萬，死亡人數達110萬[2-4]。結直腸癌發生源自多種內在和外在因素，其中包括TP53、KRAS等基因突變，家族史的易感等位基因的積累，常年的慢性炎癥等[5-6]。結直腸癌的傳統治療方式是手術、化療、放療以及靶向治療。雖然早期檢測手段和手術水平的進步使得局部和區域化結直腸癌患者的5年生存率提高至90%和71%，但是發生轉移的結直腸癌患者的5年存活率僅為14%左右[7]。更令人擔憂的是25%的結直腸癌在診斷時已經顯示腫瘤轉移，并且50%接受治療的患者最終也發生轉移[8]。這些統計結果表明傳統的標準治療方案需要補充新的治療方式，開發新的治療靶點。目前，結直腸癌靶點研究主要集中于血管內皮生長因子(VEGF)信號通路、Notch信號通路、Wnt信號通路以及自噬信號通路等[9]。

自噬又稱“自食”，最早在1962年由Ashford和Porter發現，它是在進化中高度保守且普遍存在的一種生理的細胞過程[10]。自噬目的是降解和消除錯誤折疊的蛋白質和受損的細胞器，而當細胞處于應激環境時，例如營養饑餓、氧化應激、缺氧或感染，自噬將保護細胞。在營養饑餓期間，自噬分解DNA/RNA、碳水化合物、蛋白質和三酰甘油，并產生基礎營養物質為細胞供能。自噬可以捕獲入侵的病原體并將它們遞送到溶酶體降解，也可通過選擇性隔離和清除受損的線粒體來減少活性氧損傷[11-12]。近年來研究表明，自噬與癌癥啟動和治療都有聯系[13-14]。事實上，一些研究表明自噬是多種癌基因和抑癌基因的調節器[15-16]，而其他研究表明自噬既涉及促進腫瘤的發生，也涉及癌癥的發展和抑制[17-19]。本文綜述自噬在結直腸癌中的功能研究進展。

1 自噬簡介

根據轉運到溶酶體的細胞內成分不同，自噬途徑可分為以下3類：巨自噬(macroautophagy)、微自噬(microautophagy)與分子伴侶介導的自噬(chaperone-mediated autophagy)。本文自噬指的是巨自噬。

自噬的發生是一個精準調控的多層次動態連續發展的過程。迄今為止發現，自噬全過程受到超過36個自噬相關基因(autophagy related genes，ATGs)及相應蛋白嚴格調控[20]，根據其發展過程主要分5個階段:起始階段(誘導階段)、自噬小體成核、自噬小體形成(延伸)、溶酶體融合(完成)、最終降解。哺乳動物的雷帕霉素靶點(mTOR)與細胞增殖、應激和癌癥進展有關，是自噬的關鍵因子。自噬激活激酶(ULK)復合體由ULK1/ULK2、ATG13/101、黏著斑激酶家族相互作用蛋白(FAK-family interacting protein of 200 kDa，FIP200)組成，該復合體的形成及活化啟動自噬的發生。mTOR復合物抑制ULK復合物的形成，實際上會阻止自噬。各種刺激(如缺氧、饑餓)會抑制mTOR，從而激活ULK復合物。ULK復合物是自噬中具有絲氨酸/蘇氨酸激酶活性的核心蛋白。當mTOR被抑制時，ULK復合物被去磷酸化，因此被激活。激活的ULK復合物定位在吞噬細胞上，并激活Ⅲ級胞內磷脂酰肌醇激酶(PI3K)復合體。Ⅲ級PI3K復合體包含了HVPS34、BECLIN-1、P150和ATG14等。ATG12與泛素E1連接酶ATG7、泛素E2連接酶ATG10和ATG5偶聯，然后以ATG12-ATG5的連接物與ATG16L1共價結合為新的復合物進而擴張自噬體膜。而ATG8家族蛋白中的微管相關蛋白輕鏈 3(microtubule associated protein-light chain 3，LC3)將與磷脂酰乙醇胺(PE)結合轉變為LC3-Ⅱ，LC3-Ⅱ位于自噬體的內膜和外膜中，使其能夠結合降解的底物。自噬相關基因信號通路見圖1。成熟的自噬體可以與溶酶體融合形成自噬溶酶體，通過自噬選擇性地去除蛋白質和受損的細胞器，參與自噬體的形成[21]。

圖1 自噬相關基因信號通路示意圖

2 自噬對結直腸癌的調控

腫瘤發生源于細胞增殖和細胞死亡之間的不平衡。當自噬被阻斷時，細胞增殖和細胞死亡之間的平衡被破壞，這種破壞可能代表著腫瘤發生過程的早期步驟[22-23]。為了應對壓力，細胞可以采用多種最終決定細胞死亡或存活的機制。在這些機制中，自噬最初被認為是一種抑制惡性轉化的機制。癌細胞的增殖需要源源不斷的資源來維持細胞內的能量和營養水平。在營養或能量有限的情況下，自噬通過降解細胞內的成分來維持癌細胞的存活。近年來，對自噬與腫瘤的關系研究日益增多，因此產生了眾多假說。目前較為公認的是自噬在癌癥發生過程中有著相互矛盾的雙重作用，這一矛盾可能與腫瘤發生的時期相關，但引起癌癥自噬的確切機制尚未完全確定。首先，自噬是正常細胞中的監視系統，它能夠清除細胞器以及積聚的蛋白質，減少DNA損傷，清除異常線粒體減少活性氧損傷等，并將產生的基礎物質重新循環利用，從而可以應激保護細胞免遭惡性轉化。然而，自噬也能夠為腫瘤的生長代謝提供關鍵營養物質，并通過抑制細胞的凋亡與耐藥性從而支持腫瘤形成[24-25]。

2.1 自噬對結直腸癌發生的抑制作用

引發結直腸癌的因素很多，其中炎癥或其他因素引起的腸上皮細胞反復損傷和再生可導致其惡變，最終形成腫瘤。在一項研究中發現，Atg7缺失的小鼠中炎性因子的表達使其更容易患實驗性結腸炎，并伴有結腸細胞因子表達增加和全身細菌侵襲[26]。而ATG5和ATG16L1介導的上皮細胞自噬有助于清除上皮細胞中的細菌，增強抗菌防御，從而降低炎癥反應，進而抑制腫瘤的發生。當巨噬細胞中缺乏ATG16L1會損害有絲分裂吞噬功能，從而活性氧的產生增加，導致小鼠結腸炎的發生[27]。從免疫學的角度來看，當惡性細胞通過改變其抗原性能或通過抑制抗腫瘤免疫應答從而逃避免疫系統的控制時，癌癥會快速發展。TP53突變體的積累，或抗凋亡BCL-2蛋白的過度表達抑制自噬，直接或者間接導致癌細胞中基因組的不穩定，最終形成惡性細胞免疫逃逸[28]。除了通過炎癥應激以及免疫應答，自噬相關基因也直接參與腫瘤的發生。TP53作為一個重要的抑癌基因能夠通過調節細胞凋亡、細胞周期等發揮抑癌作用。同時P53蛋白也可以通過抑制mTOR的活性，增強自噬，抑制結直腸癌的發展。通常來說TP53基因突變后喪失抑癌作用，可促進細胞向惡性轉化。然而一項研究中發現，當TP53基因突變后也能激活自噬，從而促進結直腸癌細胞的凋亡[29]，這一研究暗示了自噬的激活并不完全由單個基因表達的改變而發生變化。而當缺乏自噬相關蛋白LC3B、ATG5和BECLIN1的表達時，往往結直腸癌患者預后不良[30]。在具有高度微衛星不穩定性的結直腸癌中，27%的癌癥患者至少包含ATG2B、ATG5、ATG9B和ATG12基因中一個突變，且其蛋白表達降低與結直腸癌和胃癌相關[31-33]。紫外線抵抗相關基因(UV radition resistance associated gene，UVRAG)是紫外線耐受相關基因，編碼一種腫瘤抑制蛋白，通過與BECLIN1相互作用誘導自噬，在結直腸癌中，具有微衛星不穩定性的UVRAG移碼突變會導致腫瘤發生、上皮間充質轉化和轉移[34-35]。

2.2 自噬對結直腸癌發生的促進作用

在營養物質或能量匱乏的條件下，自噬通過降解細胞內的成分來維持癌細胞的存活從而促進腫瘤的發生。例如，在腫瘤細胞快速增殖期，細胞對氨基酸、氧氣和生長因子減少有明顯的反應。在代謝應激條件下，癌基因Ras被激活并誘導自噬[36]，Ras誘導的自噬通過提供能量和營養來源及延長細胞存活幫助癌細胞適應應激的微環境[37]。在人類結直腸癌樣本的分析表明，實體腫瘤中的腫瘤干細胞或腫瘤啟動細胞(TICs)通常處于缺氧狀態，缺氧增加了TICs的自我更新能力。一項研究發現，穩定敲除ATG5抑制自噬的發生，體內腫瘤啟動和生長顯著減少[38]。結直腸癌患者有很高的KRAS基因突變率，而KRAS的突變通過ERK信號通路促進自噬，從而為結直腸癌細胞提供營養保障[39]。除了營養支持，部分自噬相關蛋白的高表達也暗示了預后不良。研究發現，結直腸癌中LC3或BECLIN1高表達，而高水平的LC3或BECLIN1陽性細胞與轉移和預后不良有關[40-41]。結直腸癌組織中，ATG10蛋白高表達與腫瘤淋巴結轉移和侵襲有關，此外，ATG10的高表達也與生存不良相關，表明ATG10可能是結直腸癌潛在的預后標志物[42]。在一篇Meta分析報告中，BECLIN1的過度表達與結直腸癌患者的不良預后和轉移有關[43]。腫瘤的耐藥性是化療成功與否的關鍵因素，眾多研究表明自噬能夠通過增加機體對化療藥物的耐藥性間接促進癌癥的發展。在體外降低ATG7的表達能夠引起結直腸癌細胞的特異性凋亡，并增強化療藥物殺死結直腸癌細胞的效果[44]。阿帕替尼是一種新型的酪氨酸激酶抑制劑，研究表明阿帕替尼能夠通過內質網應激誘導結直腸癌細胞的凋亡，抑制自噬能夠降低結腸癌細胞耐藥性并提升阿帕替尼的抗腫瘤效果[45]。以上結果表明自噬對腫瘤的發生起到促進作用。

3 總結

一般來說，非選擇性自噬用于營養脅迫，而選擇性自噬用于細胞維持。然而，在結直腸癌腫瘤生長的背景下，這些角色可能會改變。自噬的復雜過程涉及多個基因和蛋白質。關于結直腸癌中最重要的研究主要集中在LC3、BECLIN1、ATG5及ATG7等分子上，這些研究產生了相互矛盾的結果，既有促進作用，也有抑制作用，而這種“矛”與“盾”的確切機制尚未研究透徹。根據現有研究我們有必要確定自噬的雙重作用如何調節結直腸癌的發生發展，并確定是什么信號和分子機制使得自噬在一種情況下起促進作用，而在另一種情況下起抑制作用。盡管目前針對自噬已開發部分臨床藥物，但仍然需要進一步的研究來更好地了解結直腸癌和自噬之間的關系，并開發出對治療和預后有潛在益處的藥物。