细胞自噬及其与支气管哮喘、肺癌关系的研究进展

黄兰，王宋平

(西南医科大学附属医院，四川泸州646000)

细胞自噬是先天性和适应性免疫机制的关键环节。细胞自噬及其调节蛋白可通过影响细胞的程序性死亡、增殖、炎症反应和先天免疫功能等过程对疾病的发生产生重要影响[1,2]。对细胞自噬与肺疾病的关系的研究结果显示，细胞自噬在不同肺疾病中发挥的作用不同[1]。本研究对细胞自噬及其与支气管哮喘(简称哮喘)、肺癌关系的研究进展进行综述。

1 细胞自噬的类型、步骤及其调控途径

1.1 细胞自噬类型及途径 细胞自噬主要分为三种类型，包括巨自噬、微自噬、分子伴侣介导的自噬，其中巨自噬研究最为广泛。巨自噬是指细胞质中老化或损伤的蛋白质或细胞器以小泡形式转运到溶酶体中被消化降解的过程[1]。细胞自噬最重要的标志是双膜自噬空泡(AV)或自噬体形成。自噬体的形成包括起始、延伸、成熟三个步骤，自噬体形成后环绕在受损细胞器(如内质网、网状线粒体等)或蛋白质周围，与溶酶体融合形成自噬溶酶体[1,2]。在哺乳动物中，胞质型LC3(即LC3-Ⅰ)转化为自噬体膜(即LC3-Ⅱ)是自噬体形成的关键调节步骤，LC3-Ⅰ/LC3-Ⅱ值是检测细胞自噬水平的重要指标[3]。

1.2 细胞自噬的调控途径

1.2.1 哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mTOR)通路 mTOR是一种在进化上保守的丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶，是细胞内的中心信号调节因子，受能量状态、氨基酸、生长因子、激素、氧化应激等多种因素调节。mTOR包括对雷帕霉素敏感的mTOR复合物1(mTORC1)和对雷帕霉素不敏感的mTOR复合物2(mTORC2)。mTORC1主要调节能量代谢、细胞凋亡、细胞生长、细胞自噬；mTORC2主要与细胞骨架重组和细胞存活相关[4]。细胞内的能量状态对mTORC1具有重要调控作用，当细胞饥饿时，ATP/AMP值降低，腺苷酸活化蛋白激酶(AMPK)被激活，激活的AMPK磷酸化激活结节性硬化症(TSC)1/2复合物。TSC2具有GTP酶活性，抑制小GTP酶Rheb。Rheb是激活mTORC1所必需的因子，故TSC2磷酸化激活后将抑制mTORC1，从而上调细胞自噬水平[4,5]。支链氨基酸如缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸的摄入水平通过GTPases和MAP4K3介导影响mTORC1活性，当细胞内亮氨酸浓度降低时，通过下调GTPases和MAP4K3的活性抑制mTORC1，导致细胞自噬被激活；细胞内亮氨酸浓度升高时，mTORC1激活从而细胞自噬被抑制[4,5]。Vps34也是mTORC1上游通路的重要调节因子，其自身缺失可抑制亮氨酸激活的mTORC1信号通路。生长因子信号主要通过胰岛素样生长因子/磷脂酰肌醇3激酶/蛋白酶B(IGF1-PI3K-Akt)通路调节mTORC1，该通路主要包括PTEN、PDK1Rheb、TSC2等因子。细胞内缺氧、内质网(ER)压力刺激、活性氧(ROS)等多种因素均能影响mTORC1信号通路[5,6]。

1.2.2 Bcl-2家族蛋白信号通路 研究证实，Bcl-2家族中的抗凋亡因子Bcl-2、Bcl-XL、Bcl-wl和Mcl-1可抑制细胞自噬；促凋亡因子Bad、Bik、Noxa等则诱导自噬。Bcl-2家族蛋白主要通过与Beclin1(Atg6同系物)相互作用调节自噬，Beclin1是一种重要的自噬蛋白和单倍体肿瘤抑癌因子，含有BH3(Bcl-2 homology3)、中央螺旋区(CCD)、进化保守区(ECD)三个结构域。Bcl-2与几种辅因子(Ambral、Bif-1、UVRAG等)相互作用激活脂质激酶vps34，从而诱导自噬[7]。Bcl-2和the Bcl-2同系物 Bcl-XL均含有BH3受体，能与Beclin1竞争性调节细胞自噬，抗凋亡蛋白如Bcl-2可通过BH3受体域作用而抑制Beclin1依赖的自噬。正常情况下，Beclin1被Bcl-2和the Bcl-2同系物Bcl-XL抑制。有研究显示，促凋亡BH3-only蛋白可竞争性破坏Beclin1与Bcl-2/Bcl-XL的相互作用，从而诱导自噬[7]。

2 细胞自噬与哮喘

哮喘是由多种细胞(如嗜酸性粒细胞、肥大细胞、中性粒细胞、T淋巴细胞、平滑肌细胞、气道上皮细胞等)和细胞组分参与的慢性气道炎症疾病。嗜酸性粒细胞被认为是哮喘的关键效应细胞，血嗜酸性粒细胞计数与哮喘严重程度相关，嗜酸性粒细胞在AHR、黏液过度分泌、气道重塑等方面均发挥重要作用[8]。哮喘是一种Th2细胞(主要分泌IL-4、IL-5、IL-10、IL-13等)途径占主导地位的免疫性疾病，该途径过度激活导致哮喘慢性气道炎症形成[9]。

近年来，大量研究表明哮喘患者细胞自噬水平明显升高。电镜观察发现，严重哮喘患者成纤维细胞和气道上皮细胞自噬体形成明显增加。有研究报道，嗜中性粒细胞自噬增加将通过损伤气道上皮激发气道上皮细胞(AECs)、外周血嗜酸性粒细胞(PBEs)发生炎症反应，加重哮喘程度[10]。Pham等[11]发现，与非严重哮喘患者和正常人相比，重度哮喘患者痰液中粒细胞、外周血细胞及嗜酸性粒细胞的自噬水平较高。Liu等[12]在小鼠重症哮喘模型中也发现了类似结果：与正常组及1% OVA激发哮喘组小鼠相比，2% OVA激发组小鼠肺组织微管相关蛋白1轻链3(LC3)表达明显增加，肺泡灌洗液(BALF)中嗜酸性粒细胞计数与细胞自噬蛋白LC3表达之间存在显著相关性，双重免疫荧光染色等检测结果表明，BALF和肺组织中嗜酸性粒细胞自噬体形成和LC3表达水平显著增加。此外，给予细胞自噬抑制剂6-氨基-3-甲基嘌呤(3-MA)处理或敲除自噬相关基因5(Atg5)后，肺组织及BALF中嗜酸性粒细胞自噬水平显著降低，肺组织炎症得到改善[12]。上述研究提示嗜酸性粒细胞自噬在严重哮喘病理过程中发挥重要作用，可能是哮喘慢性持续气道炎症的重要原因之一。但有研究发现，自噬诱导剂雷帕霉素可缓解哮喘小鼠的气道炎症[13]。目前细胞自噬在哮喘病理过程中发挥保护作用亦或损害作用仍存在争议。

多种细胞因子参与了细胞自噬的调节。研究发现，IL-5是重要的Th2细胞因子，可增加严重哮喘患者PBCs、PBEs的细胞自噬水平[12]；哮喘患者给予抗IL-5抗体治疗后肺匀浆中LC3Ⅱ水平显著降低[12]；IL-8可提高严重哮喘患者PBNs的自噬水平[11]。Dickinson等[14]建立哮喘小鼠模型发现，IL-13可激活AECs自噬，从而诱导大量黏液分泌，自噬对于依赖IL-13的黏液分泌是必不可少的。Dickinson等[15]发现，IL-13和IL-4升高伴随着自噬体水平增加，人气管上皮细胞给予IL-13或IL-4处理后自噬体形成增加；与之相反，Th1细胞因子IFN-α具有潜在的自噬诱导作用，而Th2细胞因子IL-13、IL-4有抑制自噬的作用[16]。我们推测，通过调控细胞因子从而影响细胞自噬过程可能成为哮喘治疗的靶点。自噬基因多态性与哮喘的发生密切相关。Jyothulaa等[17]对加拿大魁北克省家族哮喘的自噬基因遗传关联进行了临床队列研究，1 000多名家族性哮喘患者被纳入自噬基因(ULK1、SQSTM1、MAP1LC3B、Beclin1、ATG5)的研究，结果发现位于ATG5的单核基因多态性(SNP)rs12212740与哮喘相关，等位基因G频率为0.88，在哮喘患者后代中高表达；而在另一个非西班牙裔白人儿童哮喘队列研究中发现，ATG5 SNP与支气管舒张前FEV1有关而非哮喘。通过队列研究发现，ATG5 SNP rs12201458 和rs510432与哮喘相关；ATG5 rs510432的次要等位基因(G)与哮喘风险增加有关，而ATG5 rs12201458的次要等位基因(A)与哮喘风险降低有关[17,18]。ATG5基因变异包括功能性启动子变异，与儿童哮喘有关[18,19]。有研究认为，在成人哮喘病理变化过程中，ATG5和ATG7的遗传基因多态性可能导致嗜中性粒细胞气道炎症，而ATG5和ATG7基因多态性与哮喘易感性和严重性无关[20]。

3 细胞自噬与肺癌

研究发现，细胞自噬可能是缺氧状态下肿瘤细胞生存的机制，可能影响放化疗药物的疗效[21]。另一方面，过度的细胞自噬也可能与肿瘤细胞死亡相关[22]，增强自噬导致肿瘤自噬性死亡可能是某些药物发挥疗效的基础。调控细胞自噬有利于提高肺癌的治疗效果，延长患者生命[23]。

大多数肺癌患者在化疗数月内会出现铂类药物耐药，而顺铂耐药是非小细胞肺癌治疗成功的主要障碍。目前很多研究发现，顺铂耐药和铂类等药物疗效可能与细胞自噬相关[24]。Circu等[24]通过siRNA技术沉默ATG5基因从而抑制肺癌A549cisR细胞自噬后，细胞对顺铂的敏感性显著增强，疗效提高。Zhang等[25]报道，自噬抑制剂3-MA能显著降低顺氯氨铂(DDP)的半数抑制浓度(IC50)，且在肺癌A549细胞中可促进DDP诱导的细胞凋亡。在A549/DDP细胞中，生长停滞特异性转录因子5(GAS5)与3-MA具有相似的自噬抑制作用，从而增强非小细胞肺癌对顺铂的敏感性。Yao等[26]发现，3-MA可增加DDP的敏感性。当肺腺癌细胞暴露于顺铂时其细胞自噬水平升高，同时，与单用顺铂治疗相比，顺铂与自噬抑制剂羟氯喹(CQ)联用在抑制肺腺癌细胞生长方面更有效，也能增加顺铂诱导的细胞凋亡[27,28]。穿心莲内酯是一种天然的二萜类化合物，通过下调PTEN促进Akt/mTOR信号通路激活，顺铂联合穿心莲内酯可显著阻止体内耐药细胞的生长[28]。氯喹可通过抑制自噬增强力达霉素等药物的抗癌疗效[29]。上述研究均表明细胞自噬与肺癌密切相关，抑制自噬能降低铂类等药物耐药性，从而提高肺癌的治疗效果，调控细胞自噬可能成为抑制肺癌顺铂耐药的靶点。

放射治疗是肺癌的重要治疗方法，肿瘤细胞对辐射的抵抗一直是肺癌患者预后差的重要原因之一。有研究将人腺癌A549细胞分为空白组、放射线治疗组(放疗组)、雷帕霉素联合放射线治疗组(联合组)，在透射电子显微镜下观察各组自噬体形成情况发现，联合组自噬活性和Rad51、Ku70/80蛋白水平均显著高于放疗组，说明雷帕霉素激活自噬可增强肺癌细胞的放射敏感性，并且该过程可能与DNA修复相关[30]。然而很多研究结果与上述研究结果相反。Chen等[31]发现，细胞自噬可通过调节缺氧条件下ROS水平增强非小细胞肺癌的放射抗性；Chaachouay等[32]研究表明，在体外低氧条件下，AMPK非依赖性自噬促进人肺癌细胞的放射抗性。ROS/自噬/Nrf2通路介导的低剂量辐射可诱导人肺腺癌A549细胞的放射抵抗[33，34]；缺氧诱导的自噬通过c-Jun介导的Beclin1增加肺癌细胞辐射抗性[35，36]。由上可知，细胞自噬与肺癌放射治疗密切相关，但自噬的利弊仍存在争议，有待进一步研究。

综上所述，细胞自噬在哮喘及肺癌中发挥的作用并不相同，既可发挥保护作用，也可能加剧疾病的进展，同时对疾病疗效产生影响；其具体机制还需进一步研究。虽然目前细胞自噬与肺疾病的相关研究甚多，但是调节细胞自噬的药物研究较少，与自噬相关的治疗策略并未真正应用于临床。从自噬药物干预方面进行相关研究将为肺疾病的治疗提供新的策略。