自噬与凋亡的相互作用及其对肿瘤发展过程影响的研究进展

唐　琪，布文奂，王丹丹，辛　颖，徐晓薇，孙宏晨

(吉林大学口腔医院病理科，吉林 长春 130021)

自噬与凋亡的相互作用及其对肿瘤发展过程影响的研究进展

唐琪，布文奂，王丹丹，辛颖，徐晓薇，孙宏晨

(吉林大学口腔医院病理科，吉林 长春 130021)

自噬与凋亡是细胞程序性死亡的2种方式，均涉及一系列基因的激活、表达及调控。自噬与凋亡对于维持机体内环境的稳态和正常的生长发育有重要的意义，并且在肿瘤的发展过程中也起到不同程度的调控作用。自噬与凋亡在发生过程中存在着某些交叉串扰，使二者之间能够发生相互作用，而这种相互作用又对肿瘤的发展产生复杂的影响。本文分别从自噬与凋亡的发生过程、自噬与凋亡之间的相互作用和自噬与凋亡对肿瘤发展过程的影响作一综述。

自噬；细胞凋亡；调控；相互作用；肿瘤

自噬和凋亡是机体在漫长的进化过程中发展起来的一种细胞死亡机制，其有利于清除机体内无用的、有害的或癌变的细胞，对于维持机体内环境的稳态等有重要意义。其中，经典的细胞凋亡被称为Ⅰ型程序性细胞死亡，自噬性细胞死亡又称为Ⅱ型程序性细胞死亡。二者的发生都是由一定的“程序”所调控，比如各种相关基因和蛋白质等。自噬和凋亡与肿瘤关系密切，而且自噬与凋亡间的串扰，使二者之间能够相互影响，进而对癌症治疗产生不同程度的影响。因此，掌握自噬与凋亡的发生过程、两者间相互关系及其对肿瘤的影响，可以为研究者进行抗癌治疗的研究提供新的思路。

1　自噬的发生过程及调控

自噬是一种应激反应，通常在饥饿、缺氧、放射和化疗药物等刺激作用下被触发。按照自噬的发生特点，将其分为3种类型：巨自噬、微自噬和分子伴侣介导的自噬。其中通常所说的自噬即巨自噬，是一种细胞自我消耗的过程，其特点是用双层膜囊泡(即自噬体)包裹大量的细胞内待降解物，如长寿蛋白质及受损的细胞器等，并将这些待降解物运送到溶酶体处降解[1]。自噬通过降解过多的、受损的或有害的蛋白质和细胞器，以维持重要细胞成分的含量，从而达到保持细胞内稳态的作用[2]。

整个自噬过程可分为自噬的启动、自噬体的形成(包括囊泡成核、扩张生长和完成)、成熟和降解4个阶段：①自噬的启动。在营养缺乏时期，雷帕霉素靶蛋白mTOR与unc-51类自噬激活激酶1/2(unc-51 like autophagy activating kinase1/2,ULK1/2)复合体分离，使ULK1/2发生脱磷酸作用，进而诱导自噬相关基因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)与ULK1/2结合，形成ULK1/2-ATG13-FIP200复合体，启动自噬；②自噬体的形成。磷脂酰肌醇3激酶家族Ⅲ(phosphatidylinositol 3 kinase class Ⅲ,PI3KC3，或称为Vps34)、p150(或称为Vps15)和自噬基因Beclin1结合形成复合体，参与囊泡成核过程。自噬小泡生长和自噬体形成过程则由2个泛素样结合系统ATG12和ATG8/LC3直接调控。其中，ATG7激活ATG12，使其在与ATG5结合之前，暂时与ATG10结合。随后，ATG5进一步与ATG16相互作用形成ATG12-ATG5-ATG16复合体。前体蛋白proLC3被ATG4加工成LC3-Ⅰ，LC3-Ⅰ通过ATG3和ATG7可逆性结合到磷脂酰乙醇胺PE的羟基端，从而在自噬体表面形成LC3-Ⅱ；③自噬体的成熟。自噬体与溶酶体融合，形成自噬性溶酶体。该过程与溶酶体膜糖蛋白LAMP1和LAMP2以及Ras癌基因相关蛋白Rab7A、UVRAG等相关。其中，UVRAG能促进自噬体与其靶蛋白结合的蛋白质至自噬体膜进而激活Rab7，最终促进自噬体与溶酶体的融合；④自噬体的降解。自噬性溶酶体内的物质被溶酶体水解酶所降解，在这个过程中产生的氨基酸和其他成分被释放出来，为细胞提供氨基酸和能源[3]。

2　凋亡的发生过程及调控

凋亡是一种典型的程序性细胞死亡途径。正常情况下，凋亡能够维持细胞内的稳态，当有害物质存在时，则作为一种防御机制发挥作用。多种刺激可以诱发凋亡：包括内源性刺激，如活性氧(reactive oxygen species,ROS)引起的氧化性损伤、缺氧和细胞内Ca2+浓度增加；外源性刺激，如细菌性病原体、毒素、生长因子和激素等。

根据诱发凋亡的刺激来源，凋亡主要分为2种途径：①内源性途径。细胞内的凋亡信号触发内在途径，激活各种单BH3结构域的蛋白质。活化的该类蛋白质与Bcl-2家族中抗凋亡蛋白结合，从而阻止其与多结构域的促凋亡蛋白BAX和BAK结合。随后，在线粒体外膜上形成BAX和(或)BAK的同二聚体，增加线粒体膜透化作用，形成释放细胞色素C及其他凋亡效应器的通道。细胞色素C与凋亡蛋白酶活化因子1(apoptotic protease activating factor-1,APAF-1)及caspase 9相结合形成复合体，称为凋亡小体。凋亡小体激活下游的效应caspase酶，即caspase 3和caspase 6等，从而引起凋亡性细胞死亡[4]；②外源性途径。起始于特定死亡受体的刺激，该受体与其相应的配体结合，如肿瘤坏死因子受体(TNFR)与其配体TNF结合。受体与配体结合使这些死亡受体发生三聚反应，导致其死亡域聚集和FADD、caspase 8及caspase 10的招募，形成诱导死亡的信号复合体(DISC)。在DISC内加工的caspase 8/10触发caspase级联反应，最终导致凋亡性细胞死亡[5]。

3　自噬与凋亡之间相互作用的分子机制

虽然自噬与凋亡被视为细胞死亡的2种途径，但二者并不是独立存在的。某些调控自噬和凋亡的基因及信号通路等可以发生交叉串扰，从而使自噬与凋亡之间起到相互调节的作用。自噬与凋亡之间相互作用的节点包括Beclin1与Bcl-2间的相互作用、caspase对Beclin1的剪切作用、UVRAG-BAX间的相互作用、ATG12-ATG3间的相互作用、ATG12-Mcl-1间的相互作用、Calpain介导的ATG5的剪切作用和抑癌基因p53的交叉调节作用等。

3.1Beclin1与Bcl-2间的相互作用Beclin1是一种重要的自噬调节因子，其最初作为一种能与Bcl-2相互作用的蛋白质被人们所认识[6]，后来又被证明能与PO3KC3和p150相结合形成对自噬非常重要的囊泡成核复合体。因此，Beclin1-Bcl-2是自噬与凋亡间第一个确定的分子连接。当Beclin1表达水平升高时，可将促凋亡蛋白BAK/BAX从与Bcl-2的结合中释放出来，从而促进细胞凋亡；而Bcl-2表达下降时则可能导致更多的Beclin1依赖性自噬[7-8]。近年来研究[9]显示:抗凋亡蛋白Bcl-2的抑制剂ABT-373能竞争性地抑制Beclin1与Bcl-XL的结合，并减弱Beclin1与Bcl-2的结合，因而释放Beclin1以促进Beclin1依赖性自噬。

3.2caspase对Beclin1的剪切作用caspase能够调控Beclin1对自噬和凋亡的调节作用。caspase对Beclin1的剪切降低了细胞内Beclin1的水平，进而减弱自噬的水平。Beclin1中有3个caspase剪切位点：D133、D146和D149[10-12]。Wirawan等[10]研究发现:在Ba/F3细胞中，IL-3消耗的初期，能上调自噬水平，然而，随着生长因子持续性地被消耗，发现Beclin1的D133和D149位点被剪切，使Beclin1失去了调节自噬的能力，最终自噬减弱，凋亡被激活。

3.3UVRAG与BAX间的相互作用UVRAG能激活Beclin1/PI3KC3复合体，促进自噬小体的形成及成熟，是一种重要的自噬效应分子。此外，UVRAG也能与BAX相互作用进而调节凋亡。UVRAG 的C2域与BAX结合，UVRAG过度表达能够抑制BAX向线粒体移位，同时抑制线粒体膜电位MMP下降及细胞色素C释放，最终抑制凋亡发生[13]。同样在人早幼粒白血病HL60细胞和人结肠癌HCT116细胞中，抑制UVRAG的表达能够明显增强凋亡同时减弱自噬。此外，在自噬基因缺陷的小鼠胚胎成纤维细胞中，沉默UVRAG能增强阿霉素诱导的凋亡[7]。

3.4ATG12与ATG3间的相互作用研究[14]发现:缺少ATG12-ATG3 结合的细胞中，线粒体解偶联药物诱导的凋亡水平减弱。调节ATG12与ATG3结合的因子，可能在调节自噬与凋亡相对水平的过程中也起到重要作用，这提示抗癌治疗时可以针对ATG12，有选择性地增加或减少ATG12与ATG3的结合，从而调节相关的自噬或凋亡水平。

3.5ATG12与Mcl-1间的相互作用ATG12能与Bcl-2家族中的抗凋亡蛋白尤其是Mcl-1结合，从而阻止该类蛋白与促凋亡蛋白结合，最终诱导凋亡发生[15]。在各种癌症中均能观察到Mcl-1的过表达，这类肿瘤细胞能够耐受化疗药物诱导的凋亡。与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的基础上，使Mcl-1依赖性肿瘤细胞对化疗诱导的凋亡迅速敏感化来对抗肿瘤[7]。

3.6Calpain对ATG5的剪切作用有研究[16]表明：钙蛋白酶Calpain能剪切ATG5，进而激发凋亡性细胞死亡。剪切产物为ATG5的氨基端片段，其能从胞浆移动至线粒体内。在发生凋亡的细胞内同时存在完整的ATG5和被剪切缩短的ATG5，然而，只有剪切后的ATG5才能与抗凋亡蛋白Bcl-XL发生免疫共沉淀，从而触发细胞色素C的释放和caspase的激活。因此，被剪切的ATG5失去其诱导自噬的能力，反而变为一种促凋亡蛋白，通过抑制Bcl-2等抗凋亡蛋白的功能，最终激活线粒体依赖性凋亡。

3.7p53的调节作用p53是由TP53基因编码的一种抑癌基因，其在细胞周期阻滞和细胞死亡中起到重要的作用。p53既能激活内源性的，也能激活外源性的凋亡途径。细胞核内的p53通过增加死亡受体(如Fas受体和TRAIL受体)的表达触发外源性凋亡途径[16]。在内源性途径中，核p53激活促凋亡蛋白，如PUMA、NOXA、BAX和BID的表达，导致MMP增加，细胞色素C释放并激活caspase 9和caspase 8，使细胞发生凋亡。同时，胞浆中p53转移至线粒体，并与Bcl-2/Bcl-XL形成复合体，从而释放出促凋亡蛋白BAX和BAK，触发凋亡[7]。与p53促进凋亡的作用相反，胞浆和胞核内的p53在调节自噬中起相互矛盾的2种作用。胞浆中p53通过灭活AMP激酶进而激活mTOR通路来抑制自噬[17]。此外，其也能通过与自噬相关蛋白FIP200的相互作用，阻碍ULK1-FIP200-ATG13-ATG101复合体的激活，抑制自噬体的形成，从而达到抑制自噬的目的[18]。与胞浆中p53的作用不同，胞核中的p53激活Cdc42/JNK1激酶，触发Bcl-2在T56、S70、T74和S87等处磷酸化，磷酸化后的Bcl-2不能与Beclin1结合，Beclin1被释放出来，最终诱导自噬发生[7]。

4　自噬和凋亡在肿瘤发展过程中的作用

4.1自噬在肿瘤发展过程中的作用自噬在肿瘤发展过程中起相互矛盾的2种作用：①自噬维持肿瘤细胞生存，促进肿瘤发展。一方面，自噬吞噬降解受损的蛋白质和细胞器，减轻损害。另一方面，自噬使肿瘤细胞耐受某些应激刺激，如缺氧、饥饿、放疗及化疗，甚至在长期的应激作用下，自噬也可以维持细胞的长期生存。自噬促使肿瘤细胞进入休眠状态，这种休眠的肿瘤细胞能够在环境变得更为有利时解除休眠，恢复生长[19]；②自噬促进肿瘤细胞死亡，抑制肿瘤发展。自噬通过降解长寿蛋白质和缺陷细胞器来控制细胞内稳态，此外，也通过限制炎症、消除有毒的蛋白质并移除受损的线粒体来抑制肿瘤发展[20]。甚至长期的应激作用、过度的细胞损伤均可能过度刺激自噬从而导致肿瘤细胞死亡，最终抑制肿瘤发展。

4.2凋亡在肿瘤发展过程中的作用在多细胞生物体中，有害的细胞如恶性细胞等通过凋亡以一种无害的方式被清除[5]。凋亡是肿瘤细胞死亡的主要原因，凋亡受损或缺失有利于肿瘤的发展。若改变调控凋亡的因子，比如Bcl-2家族蛋白的表达，会对机体造成不利的影响。凋亡抑制会导致肿瘤细胞从免疫监管中逃脱，并最终导致耐药肿瘤细胞的扩增[7]。

4.3自噬与凋亡之间的相互关系及其对肿瘤发展过程的影响由于各种调节因子对自噬和凋亡的调控，使自噬和凋亡之间存在着复杂的关系。通常自噬与凋亡之间的关系大致分为3种：①促进关系。Cui等[21]研究发现：东凌草素能诱导人乳腺癌MCF-7细胞发生自噬和凋亡，若用自噬抑制剂3-MA预处理后，可发现能够明显降低自噬水平和凋亡率。此外，相比于单独使用东凌草素，将其与3-MA混合后能上调ERK的磷酸化并下调JNK和P38激酶的磷酸化作用，这些都提示经东凌草素处理的MCF-7细胞中，自噬能够促进凋亡的发生，从而抑制肿瘤的发展。②拮抗关系。Song等[22]发现：放射疗法和铂化合物使鼻咽癌细胞发生自噬和凋亡，但加入3-MA抑制自噬后细胞的增殖能力明显下降，而且部分细胞有典型凋亡形态学改变，提示3-MA促进了凋亡的发生，表明自噬与凋亡之间是对抗的关系，自噬对肿瘤的发展起促进作用。Wu等[23]研究也证明了这一点。该实验用硼替佐米分别与自噬抑制剂3-MA及氯喹结合后处理非小细胞肺癌，发现与单独使用硼替佐米相比，实验组均能明显增强凋亡的水平，抑制肿瘤细胞增殖。③合作关系。自噬和凋亡协作引起细胞死亡，两者可能同时发生；或者当其中一个程序受到阻碍或抑制时，另一个程序被激活并继续完成细胞死亡过程。研究[24]证实：凋亡和自噬间有协同关系，如用三氧化二砷治疗T淋巴细胞白血病时，同时激活了自噬和凋亡，二者协同作用促进细胞死亡[25]。另一项研究[26]用维生素K2治疗HL-60白血病时，发现自噬和凋亡是实现细胞死亡必需的过程，此外，当Bcl-2抑制凋亡后，自噬的作用尤其突出。在上述体系中，自噬和凋亡作用的结果是相同的，甚至是共同协作完成肿瘤细胞的消除，及至最终的肿瘤抑制。

5　展　望

基于自噬、凋亡以及二者相互作用后对肿瘤的发展过程产生的复杂影响，尤其是对于肿瘤耐药耐辐射的影响，国内外学者都在探讨如何利用自噬与凋亡的作用关系，促进对肿瘤的抑制，使抗癌治疗更加有效。虽然目前已经取得了一些进展，然而，自噬与凋亡间相互作用的确切机制仍不十分清楚。此外，自噬与凋亡的关系与肿瘤细胞的类型及所处的环境密切相关，然而这种关联性及规律性仍有待于研究发现。但可以确定的是，如何利用好自噬与凋亡之间的关系，促进肿瘤细胞死亡，达到理想的抗癌效果仍将是今后研究的重点。

[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

国家自然科学基金资助课题(8132010801,81271111)

唐琪(1986-)，女，黑龙江省讷河市人，在读医学硕士，主要从事纳米材料载药或载基因治疗方面的研究。

孙宏晨，教授，主任医师，博士研究生导师(Tel：0431-88796010，E-mail：hcsun@mail.jlu.edu.cn)

R730.23

A