自噬与恶性肿瘤代谢的研究进展

刘嘉欣，潘 瑶，任亮欣，李丰玲

（滨州医学院烟台附属医院妇科，山东 烟台 264100）

2020 年全球有近2000 万新发恶性肿瘤病例，死于恶性肿瘤的患者近1000 万，在目前100 多个国家中恶性肿瘤是人口的第一或第二大死因，以及是23个国家人口的第三或第四大死因，全球恶性肿瘤负担在持续增长[1]。恶性肿瘤可导致巨大的疾病负担，其作为全球的主要死因之一，严重阻碍人类的生活质量和寿命的延长。自噬广泛存在于真核细胞中，其在进化上高度保守，是细胞内溶酶体对自身结构的吞噬降解过程，借此实现细胞的新陈代谢，参与和调节机体的各项生理和病理过程[2-3]。人体可以通过自噬这个关键环节保护细胞免受一些应激因素的影响。在某些类型的癌症中，自噬对支持肿瘤生长非常重要。自噬可以促进肿瘤细胞的生长和存活，其关键机制是支持细胞新陈代谢的能力，因此抑制自噬作为恶性肿瘤的一种新的治疗方法正在积极地进行临床试验。

1 自噬概述

对肿瘤细胞而言，自噬是其降解过程的一种。在肿瘤细胞发育的关键时期，其中很重要的是平衡能量来源和应对营养胁迫。自噬可通过巨噬、微自噬或分子伴侣自噬的形式发生，其中巨噬最为常见。自噬是一个完整的细胞自噬过程，其在各种触发条件下被激活，自噬小体在形成后经历成熟、伸展和扩张阶段，最终与溶酶体融合形成自噬溶酶体。为了维持细胞内环境的稳定，自噬对受损的细胞器或错误折叠的蛋白质进行裂解，从而为细胞提供能量。自噬可以清除错误折叠或聚集的蛋白质，清除一些受损的特定细胞器（线粒体、内质网和过氧化物等），除此之外还在清除细胞内的病原体等方面发挥着重要的作用[4]。自噬不仅可以消除细胞内的聚集体和受损细胞器，还可以促进细胞衰老和细胞表面抗原呈递，防止基因组不稳定及坏死，使其在预防癌症、自身免疫性疾病、心肌病、糖尿病、肝病和一些感染等疾病中发挥着关键作用。自噬不仅可以清除和降解一些受损的细胞器和大分子物质，还可以参与细胞成分的基本转化，使细胞自我更新、营养物质循环利用，从而为细胞提供营养和能量，维持细胞的动态平衡[5-7]。近年来大量的研究表明，自噬异常与多种恶性肿瘤的发生有关[8-9]。

2 自噬与恶性肿瘤

从生理上讲，在应激和衰老过程中自噬可以通过清除受损的蛋白质和细胞器，在调节机体发育、与适应性免疫系统合作、维持能量平衡及维持蛋白质和细胞器质量控制方面发挥关键作用[10-11]。在一些代谢性、神经退行性、传染性疾病中，若自噬功能失调将导致异常和受损的蛋白质、细胞器的聚集以及细胞内聚集物的形成，从而阻止自噬与感染性病原体的斗争并降低其消除病原体的能力[12-13]。在恶性肿瘤中，自噬可以在肿瘤发展的不同背景和阶段发挥中性、肿瘤抑制或促进肿瘤的作用，这取决于营养物质的可获得性、微环境压力、致病条件和免疫系统的存在[14-15]。自噬在癌症转移中的作用是复杂而非单一的。有报道表明，自噬有促进恶性肿瘤转移的作用，同时也有抑制恶性肿瘤转移的作用。在恶性肿瘤转移的过程中，阶段特异性可能会影响细胞对自噬的反应[16]。在恶性肿瘤转移的早期，自噬可通过抑制肿瘤的坏死、炎性细胞的侵袭、减轻癌基因诱导的衰老等发挥抑制肿瘤细胞转移的作用。这些过程可能有助于减少肿瘤细胞从原发部位向其他部位的侵袭和扩散。在恶性肿瘤转移的晚期，自噬更加倾向通过促进上皮间质转化分离的转移细胞在远处的存活和定植，并通过诱导在新环境中无法与上皮间质转化建立联系的转移细胞进入休眠而作为转移的加速器。

2.1 自噬的促转移作用

恶性肿瘤细胞中代谢和氧化应激的不断增加与不利的环境应激是恶性肿瘤细胞转移的主要障碍。研究显示，自噬缺陷的KRAS 驱动的肺癌细胞可表现出氧化应激、线粒体能量稳态受损和结构性活跃的DNA损伤反应等，这些反应由P53 进一步介导并引发恶性肿瘤细胞的凋亡，表明自噬可能通过维持线粒体功能、清除诱导细胞死亡的风险因素等发挥重要作用，从而进一步促进肿瘤的进展[17-18]。自噬也可能通过刺激线粒体β 氧化而促进细胞内三磷酸腺苷的产生，从而促进肝癌细胞在低氧条件下存活。不能在外来微环境中形成牢固的上皮间质转化接触的播散性肿瘤细胞可能会转化进入休眠状态，这可能增加肿瘤细胞在未来的存活年限，或未来不会发展成继发性肿瘤，同时保持在适当条件下能够发生转移的能力[19]。另有研究报道，肿瘤抑制因子再生障碍性贫血RAS 同源成员I（ARHI）可以诱导自噬并且提高体内休眠肿瘤细胞的存活率，第一次指出了自噬与调节恶性肿瘤细胞休眠之间存在的关联[20]。因此，不能顺利地与上皮间质转化建立相互作用的部分播散的恶性肿瘤细胞可能会启动自噬，从而使恶性肿瘤细胞进入休眠状态，进一步促进恶性肿瘤细胞的存活。

2.2 自噬的抗转移作用

由于细胞缺氧和代谢性应激反应的发生，肿瘤内部发生坏死的几率增加，这使得以巨噬细胞为主的炎症细胞渗入肿瘤部位，为恶性肿瘤的转移创造和提供了一个有利的微环境[21]。在一些代谢应激和低氧条件下，自噬有助于恶性肿瘤细胞的存活，从而有效减少了肿瘤坏死和相关免疫细胞的渗透和转移[22]。ATG5 是自噬的关键调节因子，与良性痣相比，在原发性黑色素瘤中ATG5 的表达下调，这种表达的下调伴随着基础自噬的降低和LC3 的表达。在对100 多名原发黑色素瘤患者的随访追踪中发现，中低水平表达ATG5 的肿瘤患者无进展生存率是降低的。从机制上讲，可能通过减少ATG5 的表达来实现阻止恶性肿瘤基因诱导的衰老，促进细胞增殖，这对早期皮肤黑色素瘤的研究有一定的帮助[23]。PI3K/Akt/mTOR 通路作为一条重要的信号通路，对自噬起负向调节作用，促进肿瘤进展。最近的研究表明，前列腺癌中有30% ～50% 的PI3K/Akt/mTOR 信号可出现上调，其发生通常与PTEN（一种抑癌基因）的缺失有关。据报道，PI3K/Akt/mTOR 信号通路的分子变化与肿瘤分期和分级的升高以及复发的风险有关[24]。恶性肿瘤转移风险的增加与PTEN 在原发肿瘤中的突变和缺失有关，早期靶向PTEN 可能会防止恶性肿瘤细胞的转移。从机制上讲，抑制PI3K/Akt/mTOR 途径、增加自噬通量对促进恶性肿瘤细胞的凋亡有一定的正向调节作用。

3 自噬与细胞凋亡

自噬可以通过去除细胞中受损的细胞器和大分子物质来促进细胞存活，并维持细胞的动态平衡。然而，自噬也可以通过与细胞凋亡的联系来促进细胞死亡。自噬和细胞凋亡之间有很强的联系，自噬和细胞凋亡往往相互作用，自噬可以促进或抑制细胞凋亡，而细胞凋亡也可以促进或抑制自噬[25-26]。自噬和细胞凋亡之间动态平衡的破坏可能是恶性肿瘤发生的重要原因之一。然而，自噬和细胞凋亡在不同类型恶性肿瘤发生中的作用仍存在争议。

3.1 自噬与细胞凋亡的机制

自噬过程的机制是由一系列蛋白质控制的。哺乳动物雷帕霉素靶蛋白（mTOR）与细胞增殖、应激和癌症进展有关。复合物mTORC1 和mTORC2 共同组成mTOR，每个复合物都表现出不同的功能和定位[27-28]。在自噬相关蛋白（ATG）的磷酸化中，活化的mTORC1起关键作用，进一步导致自噬的抑制。当在一些压力条件下（如饥饿和细胞器损伤等）抑制mTORC1 时，自噬增强。mTORC1 受AMP 活化蛋白激酶（AMPK）的调节，抑制mTORC1 和增加AMPK 会诱导自噬过程[29]。然而，mTORC1 在自噬中的作用尚不清楚。细胞凋亡有3 个主要途径，分别是死亡受体途径、线粒体损伤途径和内质网应激启动途径。外源性途径是死亡受体，主要通过Fas/FasL、肿瘤坏死因子受体1（TNFR1）和相关死亡结构域或肿瘤坏死因子相关的凋亡诱导配体受体（TRAILR）结合，依赖于切割的特定蛋白的激活或失活会导致细胞凋亡的形态和生化特征的改变，包括磷脂酰丝氨酸暴露、质膜起泡和DNA 片段化，从而诱导细胞凋亡[30-31]。

3.2 自噬与细胞凋亡在肿瘤发生中的作用

自噬在同一细胞内以支持生存和支持死亡的两种方式发挥作用。当细胞处于氧化应激、内质网应激、营养应激和能量应激等应激状态时，自噬可以促进正常细胞在营养饥饿过程中的存活。自噬可以通过去除受损的细胞器来维持细胞的动态平衡，也可以通过降解细胞中的大分子物质来为细胞的生存提供营养。自噬抑制细胞凋亡的另一个重要机制是它可以吞噬受损的线粒体。当线粒体受损时，会释放各种死亡信号，导致线粒体内的跨膜电位消失，引起细胞死亡。自噬还可以通过选择性地减少细胞中促凋亡蛋白的丰度来减少细胞凋亡。自噬和细胞凋亡相互作用，或促进或抑制，其在肿瘤发生中的作用机制仍在探索中。一些学者认为自噬可以通过促进细胞凋亡来减少肿瘤的发生：当自噬被抑制时，细胞凋亡减少，导致细胞异常生长和肿瘤发生[32-33]。另一些学者认为自噬和细胞凋亡是相互抑制的：大量的细胞分子往往通过抑制自噬而促进细胞凋亡，从而减少肿瘤的发生[34-35]。然而，更多的学者倾向于认为自噬在肿瘤中起着双刃剑的作用。一方面，自噬通过促进细胞凋亡来抑制肿瘤的发生。另一方面，自噬在肿瘤发生后通过自身的分解代谢能力为肿瘤细胞的生长提供能量和物质支持。不仅如此，自噬水平的提高也会导致癌细胞对抗肿瘤药物，产生抗药性。毫无疑问，自噬在恶性肿瘤的发病机制中起着重要作用。已有研究发现，许多与肿瘤发病相关的蛋白分子通过调节自噬和细胞凋亡来影响肿瘤的发生，其中大部分是通过自噬蛋白BECLIN-1、凋亡蛋白家族Bcl2 或两者之间的相互作用来影响肿瘤的发生。细胞凋亡家族中的P53 与自噬蛋白家族中的ATG5、ATG7 和Beclin-1 之间的相互作用也是调节自噬、细胞凋亡和肿瘤发生之间相互作用的重要连接点。因此，P53 与自噬、BECLIN-1 和Bcl2 之间的联系可能成为未来肿瘤治疗的靶点之一。

4 自噬与血红素加氧酶-1（HO-1）

HO-1 是一种32kDa 的热休克蛋白，首次被鉴定为降解血红素的关键限速酶[36]。HO-1 在血红素降解中发挥主要作用，同时在抗氧化应激和抗炎功能中也起到了重要作用[37-38]。氧化应激和炎症与肿瘤的发生有关，因此HO-1 在肿瘤中的作用引起了人们的关注。HO-1 在多种恶性肿瘤组织中呈高表达，如口腔癌、结肠癌和胰腺癌，并与肿瘤的临床分期和不良预后相关[39-41]。最近，多项研究表明HO-1 在妇科恶性肿瘤中表达增高，并通过调节细胞自噬作用促进恶性肿瘤的发生、发展。新的证据表明，诱导HO-1 的表达与增强细胞自噬在一定反应中起协同作用，因为这两种事件都被认为是氧化应激反应的一部分。这种关系的本质有相关证据支持，但仍需进一步研究。可促进氧化应激和线粒体功能障碍的细胞毒性物质可能是在自噬激活和HO-1 诱导的共同重叠刺激下产生的。遗传学研究表明，HO-1 可以通过增强线粒体吞噬和线粒体质量控制来调节线粒体稳态，从而提供部分保护作用。HO-1 可上调肝细胞的自噬功能，从而避免小鼠在败血症期间发生肝细胞死亡和肝损伤。HO-1 和自噬在肝细胞代谢过程发挥协同作用，以应对败血症并抑制肝细胞死亡。HO-1 活性的药理学抑制或HO-1的敲除阻止了该模型中自噬和相关信号的诱导，并导致肝细胞损伤、凋亡和死亡的增加[42]。最近的研究表明，病毒介导的HO-1 过表达可以直接在肝脏和分离的肝细胞中诱导自噬，并可防止肝毒素暴露[43]。其他报道将HO-1 依赖性自噬激活与肝脏缺血预处理、I/R损伤和移植相关I/R 损伤的保护联系起来[44]。HO-1依赖性自噬信号在LPS 激活的巨噬细胞中发挥抗炎作用，其中HO-1 和自噬协同抑制促炎细胞因子的产生。有趣的是，p38 MAPK 抑制剂SB202190 在内皮细胞中激活自噬并诱导HO-1 产生，且这一途径可被自噬抑制剂巴菲霉素A1 逆转[45]。

5 小结

自噬作为一种细胞生存途径，在恶性肿瘤中起着重要的作用，可以通过代谢应激防止生物能量衰竭，维持蛋白质和细胞器的质量与数量，并参与肿瘤发生的方方面面，包括肿瘤的发生、发展和恶性状态的维持。恶性肿瘤细胞不断分裂，它们也承受着新陈代谢的压力。随着恶性肿瘤细胞的生长、扩散和形成实体肿瘤或充斥着异常细胞，它们总是面临着日益严重的缺氧和营养匮乏的问题，这可能会促进它们的死亡，阻止其生长、扩散和发展，而自噬对于在这些压力下维持肿瘤的形成是必不可少的。自噬在控制肿瘤微环境、早期抑制肿瘤、晚期促进肿瘤以及观察治疗反应等方面也起着关键作用。自噬具有双重作用，表现在恶性肿瘤的促进和抑制中。到目前为止，许多数据支持自噬在恶性肿瘤中的动态作用，它既可以是肿瘤早期的一种抑制因子，也可以作为一种促癌因子为以后的肿瘤维持和治疗耐药发挥作用。在恶性肿瘤发生的早期阶段，自噬有助于正常细胞的生理代谢，为应激反应提供生物物质和能量，并作为一种动态机制，清除受损的蛋白质和细胞器以达到防止肿瘤发生的目的。若肿瘤进展到晚期，并受到血管生成受限、营养缺乏和缺氧等环境压力的影响，自噬作为一种动态的降解和再循环系统，对已经存在的恶性肿瘤起到一种促进作用，并且可以通过促进转移来增强肿瘤的侵袭性。因此，调节自噬可以作为恶性肿瘤有效的干预策略，通过预防肿瘤的发展、限制肿瘤的进展、提高癌症的治疗效率来预防和治疗癌症。也许在未来的某一天，自噬可以成为治疗恶性肿瘤的重要靶点。自噬与细胞凋亡之间的相互作用是一个非常微妙的过程，只有更深入地研究这一机制，才能在未来的抗癌药物研究中获得更大的成功机会。