细胞自噬在肿瘤中的作用

汪生宝， 唐淑兰， 贺振华， 潘亚文

自噬是一种进化上的保守，是由特定基因控制的细胞自我消耗过程。其包括：自噬小体的形成，细胞质成分、长效蛋白和细胞器被双层质膜自噬小体内吞，与溶酶体融合形成自噬溶酶体，内容物降解，能量再利用等过程。在健康和疾病情况下自噬都可能发生。近年的研究指出，自噬作为一种细胞自我消耗过程，在不同的病理状态下，具有潜在的抗肿瘤生物学活性。各种抗肿瘤治疗时，例如：激素、化疗药物、放射治疗，均可频繁地诱发自噬反应。自噬也可能与肿瘤耐药相关[1]。自噬在肿瘤中的作用极为复杂，必须清楚地掌握肿瘤及药物的特性，才能合理地应用自噬治疗肿瘤。本文就自噬的调节机制和药理性自噬调节对肿瘤的治疗意义作一综述。

1 自噬的调节机制

自噬的调节机制非常复杂，多种信号途径参与其中。包括自噬小体膜的诱导和延伸，膜闭合形成自噬小体及与溶酶体的融合。现就几个与肿瘤相关的信号途径介绍如下。

1.1 PI3K/AKT/mTOR

肿瘤细胞内，因为异常的PI3K/AKT/mTOR轴和其他信号级联途径激活、相互作用，使得调节机制更加复杂。经典的PI3K/AKT/mTOR轴主要通过活化的mTOR调节自噬。简单地说，PI3K磷酸化磷脂酰肌醇2(P2)产生磷脂酰肌醇3(P3)。P3可以激活磷酸肌醇依赖性激酶1(PDK-1)。PDK-1能够磷酸化激活蛋白激酶B(AKT)，能够进一步磷酸化灭活结节性硬化相关复合物(TSC)。TSC是一个GTP酶激活蛋白复合物，其下游靶蛋白为Rheb。当TSC被AKT灭活，Rheb的GTP酶活性被抑制，形成一个Rheb GTP抑制结构，这种结构是主要的mTOR激活因子。活化的mTOR能够阻止Atg复合物的形成，如：atg1/atg13/atg17丝苏氨酸蛋白激酶复合物和vps34/atg6/vps15脂质激酶复合物；其也可与两种泛素化的共轭系统相互影响。相反，当细胞处于营养缺乏状态时，mTOR将失去活性，释放自噬级联反应。因此，通过活化的mTOR，PI3K/AKT/mTOR轴可以抑制自噬。有研究发现，在营养或生长因子缺乏、缺氧和其他应激条件下，异常激活状态的PI3K/AKT/mTOR轴能够促进肿瘤细胞生长、增殖和存活[2]。这与多种与肿瘤起源有关的细胞内事件有关，如磷酸酯酶和张力蛋白同系物缺失造成的10号染色体(PTEN)突变或丢失，TSC1及TSC2突变，酪氨酸激酶生长因子受体、I型PI3K突变，AKT过表达等。在肿瘤患者中，肿瘤抑制基因PTEN通常会突变或丢失，这可能导致Akt激活，自噬反应受抑制。失调的PI3K/AKT/mTOR轴不只会抑制自噬，还可能诱导蛋白翻译，细胞生长及增殖[3]。治疗肿瘤过程中，使用药物抑制PI3K/AKT/mTOR轴，将导致相应的自噬反应激活，可能造成自噬对疗效的不确定性影响。

1.2 AMPK-mTOR

AMP依赖性蛋白激酶(AMPK)对于体内的AMP/ATP比率非常敏感，任何代谢应激都可能影响这个比率，如葡萄糖剥夺、缺氧、缺血、热休克等，都可能激活肿瘤抑制因子LBK1，导致AMPK活化。在这些条件下，AMPK的生物活性改变与自噬诱导有关。近来的研究证明，AMPK参与哺乳动物体内的自噬过程，AMPK通过抑制mTOR活性，诱导自噬[4]。AMPK可以通过磷酸化作用直接抑制mTOR活性，还可以通过磷酸化TSC复合物抑制mTOR。因此，AMPK-mTOR途径可以通过TSC依赖或非依赖性两种方式抑制mTOR，且在代谢应激条件下，以LKB1依赖方式激活自噬。

1.3 Ca2+信号途径

Ca2+是一种多向性细胞内离子信号，作为第二信使在许多生物反应过程中起重要作用，包括：肌肉收缩，运动，新陈代谢，基因表达，细胞增殖与死亡等。肿瘤患者的Ca2+信号途径通常被改造或者重调。一定条件下，细胞内游离Ca2+大量积聚，通过激活钙调蛋白依赖性蛋白激酶B(CAMKK-B)，而后活化AMPK抑制mTOR，诱导自噬反应。

1.4 内质网应激

内质网(endoplasmic reticulum，ER)是一个分泌和包装膜蛋白的细胞器。细胞内应激包括：缺氧，低糖，钙离子水平失调，这些都会导致错折叠的蛋白积聚在内质网内，通过蛋白激酶样内质网激酶(PERK)、肌醇依赖激酶(IRE1)诱导细胞自噬，以提高ER应激引起的细胞死亡。总的来说，ER应激对于肿瘤演进有双向作用：既可能引起凋亡，促进肿瘤细胞死亡；又可能上调肿瘤细胞适应反应，在肿瘤治疗过程中引发耐药。

1.5 Bcl-2家族蛋白

2005年Pattingre等[5]首次发现Bcl-2在酵母菌和哺乳动物体内都能抑制自噬。这种抑制效果体现在Bcl-2与Beclin-1的相互作用。这种抗自噬活性不仅见于Bcl-2，其同系物Bcl-XL、Bcl-w和Mcl-1也存在[6]。Bcl-2和Beclin-1复合物的形成，主要依赖于Beclin-1的BH3结构域和Bcl-2的BH3受体结构域。通过敲除基因Bcl-2，模拟BH3状态或者激活JNK，干扰Bcl-2 Beclin-1复合物的形成，给临床提供了新的肿瘤治疗方法。

此外，与肿瘤相关的自噬信号途径还有丝裂素激活的蛋白激酶(MAPKs)途径、p53、Ras/RAF1及Atg蛋白等，每条途径在自噬调节中作用是复杂的，每种细胞系的反应各不相同。

2 自噬参与肿瘤发生的机制

自噬缺陷患者容易罹患肿瘤的原因尚未被阐明。尤其是在代谢应激状态下，自噬在延长正常或肿瘤细胞存活时间方面的作用还不清楚。近来的研究发现自噬参与肿瘤发生，涉及到非细胞自主和细胞自主两种机制。

2.1 非细胞自主机制

在对肿瘤细胞和活体动物的研究中发现，凋亡和自噬都可促进坏死性细胞死亡[7]。在饥饿和缺氧状态下，自噬缺陷破坏了凋亡缺陷肿瘤细胞的存活机制，导致细胞坏死性死亡。坏死是一种与细胞内炎症反应有关的细胞死亡途径，包括多种细胞因子的激活和NFκB的活化，这些因子的活化与肿瘤细胞生长加速有关。因此，自噬可能通过缓和代谢应激的方式抑制肿瘤发生，这与凋亡阻止坏死性细胞死亡作用一致。然而，肿瘤坏死的发生，其微环境和免疫系统，以及在肿瘤发生过程中独特的分子途径等之间的相互联系还不清楚。

2.2 细胞自主机制

一个选择性代偿样的自噬抑制肿瘤发生的机制包括其独特的维持细胞内环境稳定和保持基因组完整的功能。自噬缺陷涉及到：(1)泛素化阳性蛋白凝聚在神经元和肝细胞内；(2)细胞器畸形和功能失调，如：线粒体和过氧化物酶；(3)肿瘤细胞的细胞周期受到影响，DNA受到损伤，基因组不稳定。

3 自噬在肿瘤治疗中的作用及应用

3.1 自噬的肿瘤抑制作用

很多研究已经证明自噬具有抑制肿瘤发生的作用。自噬的通路基因Beclin-1是一个单一的功能不足的肿瘤抑制基因，在乳腺癌、卵巢癌、前列腺癌细胞内也均发现Beclin-1单等位基因缺失[8]。相反，Beclin-1过表达可以抑制肿瘤生长[9]。P62/SQSTM1蛋白、损伤的线粒体、错误折叠蛋白聚集也把自噬与肿瘤抑制联系起来。P62/SQSTM1常见于自噬缺陷的人类肿瘤中，抑制P62/SQSTM1的聚集可以阻止因自噬缺陷引起的损伤。P62/SQSTM1有一个TRAF6黏着结构域，提高TRAF6的寡聚化可以激活NFκB[10]。自噬的另一个抑制肿瘤生长的原因，可能是通过限制与炎症后介质HMGB1有关的坏死和慢性炎症来实现。

3.2 自噬在肿瘤治疗中的应用

3.2.1 肿瘤治疗过程中的自噬抑制剂 与肿瘤相关的基因突变可降低自噬的存活功能，在癌细胞体内阻止自噬或许更易实现。有研究发现敲除Atg5后，癌细胞生长停止，这说明即使单用一种自噬抑制剂，同样有肿瘤抑制效果[11]。不过，值得注意的是，如果联合应用了其他细胞毒性药物，可能更容易激活一个保护性的自噬反应(即耐药)。当联合使用自噬抑制剂与其他代谢抑制剂后，可以看到二者的协同作用，这是因为肿瘤细胞需要更高的能量消耗同时降低了体内的氧化磷酸化[12]。作为补偿，肿瘤细胞增加了自身的糖酵解，激活了自噬反应。因此，联合使用血管发生或糖吸收抑制剂与自噬抑制剂，有潜在的抗肿瘤效果。另外，代谢反应中的基础自噬，可能承担着从细胞内除去损伤的或者有潜在危险的细胞器的作用。同时使用细胞器损伤药和自噬抑制剂可能对诱导细胞死亡有效，如合并使用溶酶体损伤药siramesine和抑制Atg蛋白表达抑制自噬，可以增加细胞杀伤效果[13]。对癌细胞使用thapsigargin，可以引起内质网应激，但同时应用自噬抑制剂会增加癌细胞的死亡[14]。此外，抑制自噬可以增加camptothecin对于乳腺癌细胞的线粒体损伤和杀伤效果[15]。对于大鼠肿瘤模型联合使用溶酶体功能抑制与质子泵抑制剂omeprazole/cisplatin，具有协同的抗肿瘤作用[16]。目前与自噬抑制相关的临床药物种类还太少，且大部分都是针对溶酶体的。

3.2.2 肿瘤治疗过程中的自噬诱导剂 经过研究发现，针对各种癌细胞的许多的化疗药物(alkylating agents,actinomycin D)，激素(tamoxifen,vitamin D)，化学合成药物(resveratrol)，细胞因子(IFN-γ)，基因(p53和p27kipI)，辐射都可以引发自噬性细胞死亡。然而这些干预措施在动物体内的应用效果却还有待进一步证明[17]。自噬诱导剂可能保护癌细胞免受营养缺乏或者其他抗肿瘤药引起的细胞死亡。例如，辐射引起的凋亡可以被雷帕霉素诱导的自噬所抑制[18]。Siramesine诱导的非凋亡溶酶体性细胞死亡也会被Beclin-1缺失所提高[19]。另一方面，通过合并两种不同的药物引发自噬可以增加自噬性细胞死亡的灵敏性。Vitamin D的类似物EB1089就可以提高乳腺癌细胞对于辐射的敏感性[20]。因此，设计一种包括自噬诱导药物的联合治疗方法，将是未来肿瘤治疗的一个新突破点。

4 总结

探索自噬作为一种新的抗癌疗法是很有前景的研究方向。自噬在肿瘤抑制方面扮演着重要角色；同时作为一种应激适应反应，可以促进肿瘤细胞存活和增殖。由于Beclin-1杂合缺失造成的自噬缺陷可能与人类乳腺癌、卵巢癌和前列腺癌的发生有关。因为自噬有肿瘤抑制作用，自噬激活可能是一种重要的肿瘤预防方法。在许多癌细胞中，自噬能够阻止由代谢应激，微环境缺氧和抗癌疗法造成的细胞死亡。自噬调节可能成为一种新的与传统细胞毒性药物或靶向试剂相关的抗癌疗法。大量的证据支持自噬针对癌细胞的细胞毒作用，抑制自噬也可以提高化疗药物或抗肿瘤药物的疗效。不过虽然很多药物都可以抑制自噬，但大部分缺乏特异性和抗肿瘤活性。氯喹合并化疗药抑制自噬目前正在被用于临床抗癌药理监测。一些抗癌药物可以诱导细胞自噬，但是过量或持续地自噬反应也可能导致细胞死亡。肿瘤细胞是否对于自噬敏感，取决于细胞的基因类型或所用药物，不过由于资料有限，现在还无法确定这样的疗法是否有确切的临床价值。自噬激活机制与凋亡的相互联系及自噬与临床耐药的关系还有待进一步研究。然而我们相信，未来将会有更多选择性针对自噬反应的药物被使用，这将为人类最终攻克肿瘤提供帮助。

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