自噬对衰老的调节及其在肿瘤发生发展中作用的研究进展

唐 珍，王含彦，易 芳，郭冬梅，罗 蓉

（1.川北医学院生物化学教研室，四川 南充 637000；2.成都医学院 体温与炎症四川省高校重点实验室，四川 成都 610083）

自噬又称细胞的自体溶解，是细胞将受损、变性或衰老的蛋白及细胞器运输到溶酶体进行消化降解的过程。自噬具有保守性，不同物种、不同细胞类型间 （包括肿瘤细胞）自噬普遍被保留下来。通常细胞保持很低的基础水平的自噬活性以维持自稳。自噬具有可诱导性及迅速性，自噬的可诱导性表现在2个方面；自噬相关蛋白的快速合成和自噬体的快速大量形成。泛素－蛋白酶体途径主要清除短寿命蛋白，自噬则降解长寿命蛋白及细胞器［1－2］。机体衰老又称老化，以机体功能下降及生理紊乱为综合表现。机体衰老与细胞衰老密切相关，细胞衰老是指细胞生理功能的衰减。衰老在在组织细胞水平上表现为DNA、蛋白质、脂类及细胞器等的损伤和有害物质积累［3］。自噬通过降解受损蛋白及细胞器等结构调节衰老。细胞衰老参与调控多种衰老相关疾病，如肿瘤、纤维化疾病和心血管疾病等。自噬过强，细胞内容物大量被消化则导致细胞死亡；自噬过弱则不能及时清除细胞内异常蛋白和受损细胞器，会导致基因损伤及肿瘤发生，自噬调控肿瘤生长［4］。衰老和肿瘤是目前国内外医学研究的热点，自噬通过多种途径调控着衰老及肿瘤的发生发展。本文作者就自噬与衰老的关系及自噬在肿瘤发生发展中的调控机制做一综述，为进一步探讨通过调控自噬活性来开发药物、治疗疾病提供指导。

1 自噬的生理功能、过程及分子信号通路

1.1 自噬的生理功能

自噬按底物进入溶酶体的途径可分为3类：①分子伴侣 介 导 的 自 噬 （chaperon－mediated autophagy，CMA）。CMA只降解蛋白，具有KFERQ序列的蛋白由分子伴侣热休克蛋白70（HSP70）识别，后被转运到溶酶体腔中，被溶酶体酶消化。②微自噬：直接通过溶酶体膜的突出、隔膜或内陷吞噬细胞质。③巨自噬：是通常所指的自噬 。巨自噬受自噬相关基因调控，以形成吞噬泡为特征。巨自噬可降解细胞器、蛋白质和rRNA等［5］。自噬的生理功能主要有3个方面：①对细胞外环境变化的适应。如细胞应对代谢应激采取的一种措施，当能量供应不足时，自噬降解的产物如氨基酸等可进入物质能量循环；②处理废物。自噬可处理细胞中的代谢废物，如丧失功能的细胞器、生物大分子，防止错误折叠或损伤蛋白累积，这一过程对延缓衰老和阻止肿瘤发生有重要意义；③自噬可诱导细胞程序性死亡、先天性免疫、发育和细胞分化［6－8］。最近研究［9］表明：自噬还有促细胞器合成功能，中心粒随体的纤毛病变蛋白－发 育 不 良 综 合 征 1 （oral－facial－digital syndrome 1 ，OFD1）蛋白，如通过自噬降解，则促进原发性纤毛的合成。OFD1蛋白在血清饥饿时会通过自噬快速降解，在自噬相关基因Atg5和Atg3缺陷的小鼠胚胎成纤维细胞中，OFD1聚集在中心粒随体中，则导致原发性纤毛形成的又少又短。

1.2 自噬过程及信号通路

1.2.1 自噬启动 经典自噬诱导途径由饥饿刺激信号诱导，该途径主要通过哺乳动物帕雷霉素靶蛋白 （mammalian target of rapamycin，mTOR）与Atg1激酶复合物共同实现。自噬的起始由Atg1激酶复合体诱导，此复合体受mTOR的负性调节。胰岛素样生长因子 （insulin－1ike growth factor，IGF）信号可激活mTOR从而抑制自噬。若细胞处于饥饿状态，则抑制mTOR，自噬被激活［10－11］。p53为抑癌基因，可通过调节mTOR途径而激活或抑制自噬。在细胞核中，p53可通过激活mTOR上游一些调节因子而激活自噬，而在胞质中p53抑制自噬［12－13］。

1.2.2 自噬体的形成 通过核化、延伸和完成形成自噬体。通过核化形成具有隔离膜结构的自噬前体。自噬前体延长，包裹功能障碍细胞器或异常折叠的蛋白，隔离膜的边缘逐渐融合，形成内含细胞质成分的自噬体。延伸阶段需要2种进化保守的泛素样结合系统：Atg12－Atg5偶联物和Atg8－磷脂酰乙醇胺 （phosphatidylethanolamine，PE）复合体系统。哺乳动物中自噬相关蛋白LC3与Atg8同源，LC3是哺乳动物自噬体标志物。Atg12－Atg5偶联物，具刚性，表面区域由进化保守的氨基酸组成，表面结合Atg3，Atg3是促进LC3脂质化的一种必需酶。突变表面保守氨基酸，可阻止自噬体形成［14］。磷脂酰肌醇－激酶（phosphatidyli－nositol－3－kinase，PI3K）复合物调控自噬前体形成。PI3K复合物包含蛋白：PI3K的催化亚单位（Vps15）、Atg14、Vps34及Atg6（哺乳动物中同源物为：B细胞淋巴瘤蛋白质2－相互作用蛋白质B－cell lymphoma－2－interacting protein－1，Beclin 1）。Beclin－1是自噬的一个关键正调控因子。在HIV－1感染过程中，HIV－1的Nef蛋白通过与beclin－1蛋白上的一段18个氨基酸残基序列互作抑制自噬，这一序列与细胞渗透性肽融合成的短肽可有效诱导细胞系发生自噬［15］。组蛋白H4乙酰化对于自噬结果的影响研究［16］表明：细胞核中的一个信号链亦充当了一种自噬分子开关，决定了细胞的生死，H4乙酰化降低，会导致自噬相关基因表达减少，如果H4乙酰化修饰被阻断，自噬细胞就会死亡。

1.2.3 自噬体的降解再利用 自噬体与溶酶体融合，形成自噬溶酶体，自噬体内膜及其中包裹的物质被降解，产物回胞质后再利用，而残渣或排出胞外或滞留胞浆。

2 衰老与自噬

随着年龄的增长，细胞适应外界环境和自身防御反应的能力降低，细胞内自噬作用减弱，损伤的细胞结构及大量氧自由基等活性氧化合物不能被有效清除，细胞稳态发生变化，细胞老化加速。

2.1 抑制自噬引起的衰老

①抑制自噬可引起与衰老有关的病理反应，如甘油三酯堆积、线粒体功能紊乱、肌肉退化和心脏功能失调等。②在衰老组织中自噬相关蛋白 （如Atg蛋白）及Sirtuin1的表达降低，自噬作用也降低。敲除小鼠Atg蛋白对小鼠是致命的；线虫Atgl、Atg7、Atg8和Beclin 1基因突变，会引起线虫寿命缩短。③衰老伴随炎症，调控炎症的信号通路亦调节自噬。衰老的细胞通过分泌衰老相关组分 （如IL－6和IL－8）参与组织局部炎症反应。衰老相关组分大多与IL－17A有关联。而IL－17A能通过活化stat3信号途径抑制细胞自噬。阻断IL－17A能显著恢复纤维化组织中受损的自噬活性。多种Toll样受体 （Toll－1ike receptor，TLR）的配体诱发炎症，同时可诱导自噬。而自噬可抑制TLR信号通路及炎症，自噬缺陷及自噬相关蛋白变异与炎症性疾病的发生关系密切。研究［17］显示：自噬相关蛋白及自噬在哺乳动物抵抗病毒、细菌感染中发挥重要作用。在模式生物中发现一些Atg基因在衰老个体表达下调，而通过基因工程手段修复缺陷基因的表达则延长寿命。

2.2 提高自噬能延缓衰老

在阿尔茨海默病和帕金森病等疾病的动物模型中，利用药物增强细胞自噬可改善病症，减缓疾病进程。抑制线虫胰岛素样生长因子 （IGF）信号通路可提高自噬，延长线虫寿命［18］。控制食物摄入 （热量限制）可提高自噬，延长寿命，老龄大鼠饮食通过限制可增强其自噬，延长生存时间，这可能与饮食限制降低血浆必需氨基酸浓度、诱导肝细胞自噬程度增强有关［19］。研究［20］表明：在鼠早衰症模型中存在基础自噬增强现象，导致糖代谢和脂代谢改变。在这类病例中，长期激活自噬途径会导致神经退化或减弱。因此较好的方法是在生命晚期通过修复自噬缺陷，保持合适的细胞自噬活性。对冠心病引起的心肌缺血－再灌注损伤的研究［21］发现：缺氧或缺血时间短，心肌损伤程度低，细胞自噬活性较低，此种情况下增加自噬可保护心肌细胞，其机制可能与自噬促进细胞内异常蛋白和受损细胞器及时清除抑制细胞凋亡有关；缺氧或缺血时间延长，心肌损伤严重，自噬活性强，自噬促进自噬性细胞死亡，此种情况下抑制自噬可增加心肌存活、限制梗塞面积。

3 自噬与肿瘤

自噬是肿瘤细胞维持生存的一种机制，但自噬抑制肿瘤的早期发展：①在肿瘤发生的早期，自噬可抑制肿瘤发生。通过自噬可清除细胞内异常蛋白和功能受损的细胞器，抑制应激反应，降低基因损伤从而抑制肿瘤发生。在肿瘤发展过程中，自噬帮助肿瘤细胞在营养缺乏和低氧状况下存活。②自噬提高肿瘤细胞在不利环境中对应激的耐受能力，维持其生存。化疗或放疗后，肿瘤细胞内会产生大量有害成分如异常蛋白和功能受损的细胞器，此时自噬可及时清除这些物质，并提供肿瘤细胞生存的应急原料及能量，在一定程度上，自噬可降低肿瘤治疗效果，所以抑制自噬可增强抗癌药物的有效性。对高危神经母细胞瘤研究［22］表明：组蛋白去乙酰化酶10（HDAC10）是神经母细胞瘤抵抗化疗的关键，在正常情况下，神经母细胞瘤在化疗试剂阿霉素的作用下，会启动自噬程序，降低肿瘤治疗效果。抑制HDAC10活性联合阿霉素处理细胞，则因为抑制细胞自噬，而使癌细胞重新恢复了对抗癌药物的敏感性。

3.1 自噬抑制肿瘤

3.1.1 自噬抑制基因损伤 自噬功能缺陷则细胞中聚集损伤线粒体，导致活性氧自由基 （ROS）产生增加，ROS可导致DNA突变，基因损伤。基因损伤会导致肿瘤发生。研究［23］显示：自噬可以通过对变性蛋白或受损细胞器进行降解以减少ROS产生。在自噬缺陷细胞中，应用抗氧化治疗，可减少ROS引起的基因损伤，降低癌变发生率。因此自噬通过基因保护而抑制肿瘤发生。

3.1.2 自噬抑制坏死或引发自噬性死亡 ①自噬缺陷肿瘤细胞在应激持续存在时因无法维持自身生存而死亡，死亡引发炎症反应，炎症反应又进一步促进肿瘤发展。自噬可提高肿瘤细胞应激的适应力，抑制坏死、减少炎症反应，从而抑制肿瘤进一步发展。②自噬可诱导肿瘤细胞发生自噬性死亡，自噬性死亡是抑制肿瘤发生的又一可能机制。在持续应激状态及不断进展的自噬作用下，细胞会因过度消耗而死亡［24］。如黑色素瘤的抗凋亡能力是黑色素瘤治疗的一个主要障碍。在对黑色素瘤的研究［25］发现：细胞核内孤儿受体TR3通过线粒体外膜蛋白 （Tom40和Tom70通道蛋白）进入到线粒体内膜，再通过通透性转换孔复合物引起线粒体膜电位下降，引发自噬。自噬导致黑色素瘤不可逆的细胞死亡。通过TR3激活一条线粒体信号通路，诱导自噬性细胞死亡的新机制，可为黑色素瘤治疗提供了一种潜在的新策略。

3.2 自噬促进肿瘤

①自噬可协助肿瘤细胞应对代谢压力：在持续应激下，肿瘤细胞通过提高自噬维持代谢平衡，尤其在血供缺乏的肿瘤区，自噬可协助肿瘤细胞应对代谢压力［26］。60%的肾透明细胞癌中瞬时受体电位离子通道蛋白3（transient receptor potential melastatin 3，TRPM3）会增高，增高的TRPM3可激活自噬，生成癌细胞所需营养物，从而促进肾透明细胞癌生长，因此通过TRPM3网络调控自噬和肾癌生长，有望成为治疗肾癌的新靶点［27］。②自噬协助肿瘤转移：在肿瘤细胞转移过程中，自噬协助肿瘤细胞逃避凋亡。肿瘤转移过程中，肿瘤上皮细胞与细胞外基质分离后，自噬被激活，提示自噬在肿瘤转移中起保护作用。

3.3 自噬与肿瘤治疗

自噬对肿瘤细胞的影响是双重的，药物诱导提高肿瘤细胞自噬后会产生相反的2种结果，因此在肿瘤治疗中对自噬的应用有2种不同的思路：①药物激活肿瘤细胞自噬，可保护肿瘤细胞，降低周围环境对其造成的不利影响，如降低肿瘤细胞对化疗药物的敏感性。因此可抑制自噬、提高肿瘤治疗效果。用肿瘤坏死因子相关凋亡诱导配体（factor－related apoptosis inducing ligand，TRAIL）处理人宫颈癌细胞，诱导其凋亡，处理后癌细胞自噬增强，而自噬延缓线粒体外膜的通透化 （mitochondrial outer membrane permeabilization，MOMP），因此癌细胞能够逃过凋亡，重新获得分裂的能力。研究［28］显示：自噬通过降低p53正向凋 亡 调 节 因 子 （P53up－regulate modulator of apoptosis，PUMA）的mRNA水平，使PUMA在细胞中处于低水平，从而控制MOMP，影响凋亡。②药物诱导肿瘤细胞自噬上调，肿瘤细胞启动Ⅱ型程序性死亡。因此可激活自噬，诱导肿瘤细胞自噬性死亡。对于不同类型肿瘤及肿瘤发展的不同阶段，自噬发挥的作用不同。自噬既可抑制肿瘤，又可促进肿瘤，因此以自噬为靶点的肿瘤治疗需根据情况选择自噬诱导剂或抑制剂。

4 自噬和衰老与肿瘤

4.1 肿瘤与衰老

恶性肿瘤为进行性衰老相关性疾病，细胞衰老与恶性肿瘤密切相关。对胆管癌的研究［29］发现：5－氟尿嘧啶（5－FU）联合丝裂霉素 （MMC）可引起胆管癌细胞自噬变化，进而抑制癌细胞增殖及衰老，促进癌细胞凋亡，自噬改变可能是胆管癌细胞逃避化疗药物环境从而逃避凋亡的有效机制。所以自噬、衰老与癌症的关系极为复杂。致癌基因活化后可通过多种途径诱发细胞衰老，细胞衰老触发自噬，自噬又调节衰老相关性疾病恶性肿瘤。自噬是联系细胞衰老与癌症的一个重要纽带。

细胞衰老对于肿瘤恶化具有双向调控作用。①细胞衰老抑制肿瘤恶化：细胞衰老是抵抗细胞向肿瘤细胞转化以及肿瘤细胞恶化的一个关键机制。肿瘤在恶化过程中，大量致癌基因活化，加剧DNA损伤，诱发衰老，衰老抑制肿瘤细胞的复制与侵袭。②细胞衰老促进肿瘤恶化：这可能与衰老相关性分泌表型所加重的炎症有关。衰老调控肿瘤恶化的作用，关键在于细胞衰老是否 “适度”。适度的细胞衰老可能造成癌细胞衰老、死亡与清除，而过度的持续的细胞衰老，可能造成慢性炎症，从而加速肿瘤恶化。

4.2 自噬和衰老与癌症

细胞自噬是一个动态的多基因参与调控的过程。自噬活性高低决定了自噬在衰老及疾病发生发展中的作用。对于衰老、癌症与自噬的机制及相关性研究，有助于为衰老相关性疾病癌症的防治提供新的思路。适度有效的自噬能够清除致病原，维持细胞活性，保持机体稳态。受损的自噬导致细胞生存能力降低，不能及时清除的细胞内错误折叠蛋白加重细胞内质网应激反应，加重炎症进程，抑制细胞衰老，引发肿瘤。过度活化的自噬，导致自噬相关的细胞死亡，诱导大量实质细胞非正常死亡，破坏组织结构，导致器官功能丧失，促进细胞过度衰老，促进肿瘤进程。因此充分了解细胞自噬活性，诱导适度自噬以延缓衰老或治疗癌症具有潜在的临床意义及药物开发意义。

自噬可以在压力条件下帮助细胞生存，因此癌细胞自噬活性低则在化疗时更易被杀死。但最新研究［30］表明：癌细胞死亡率的高低不仅依赖于细胞的自噬水平，还取决于抗癌药物的作用机制，用2种可使细胞进行程序性死亡的药物处理自噬活性不同的癌细胞，结果显示自噬活性不同的细胞对不同药物敏感。这与特定癌细胞本身含有的Fas相关磷酸酯酶 （FAP－1）蛋白有关，该蛋白能降低细胞对药物的敏感；而自噬可降解FAP－1蛋白，从而使细胞对药物更为敏感，自噬的这种作用只对含有FAP－1蛋白的细胞有效。因此特定抗癌药物对癌细胞的作用效果，与细胞内自噬水平及抗癌药物的作用机制有关，而体内肿瘤细胞的自噬活性差异很大，情况亦更为复杂。

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