自噬在肿瘤放射增敏中的研究进展

宋洪美　何田丽　马建新蚌埠医学院附属连云港第二人民医院放射治疗科，江苏连云港　222000

自噬在肿瘤放射增敏中的研究进展

宋洪美何田丽马建新
蚌埠医学院附属连云港第二人民医院放射治疗科，江苏连云港222000

细胞自噬是进化上相对保守的过程，在细胞的生长、分化及维持内稳态等方面都扮演着重要角色。研究表明，细胞自噬与人类肿瘤的发生、发展密切相关，并有助于放射中的抗肿瘤作用。在肿瘤治疗中放射治疗是一个非常有效的治疗方法，然而，大部分肿瘤存在放疗抵抗。放疗受很多因素的影响，如肿瘤组织的乏氧程度、DNA损伤修复能力及肿瘤干细胞的存在等。本研究回顾自噬与放疗间的关系发现，以上三种因素很可能是放疗中自噬的潜在分子机制，并探讨了临床中这些关系和机制的治疗意义。

自噬；放疗敏感性；乏氧；DNA损伤；肿瘤干细胞

［Abstract］Autophagy is a relatively conservative process，which plays an important role in cell growth，differentiation and maintaining homeostasis.Studies have indicated that autophagy is closely related to the occurrence and development of human cancer，and contributes to the antineoplastic effects of radiation.Radiation is an important strategy in cancer treatment.However，many types of cancer show radioresistance.The effects of radiotherapy are affected by factors，including the degree of tumor tissue hypoxia，the ability to repair DNA damage，and the presence of cancer stem cells.This article reviews the relationships between autophagy and radiotherapy，find that the three factors in cancer radiation maybe the possible underlying molecular mechanisms of autophagy.The therapeutic implications of these relationships and mechanisms in clinical settings are also discussed.

［Key words］Autophagy；Radiosensitivity；Hypoxia；DNA damage；Cancerstemcells

细胞自噬是由应激诱导的高度保守的自我消化和细胞存活过程，它参与机体内环境稳态、发育以及多种生理、病理过程。在该过程中胞质中的蛋白质和紊乱的细胞器首先被双层膜结构包裹，形成自噬体。自噬体是一个双层膜的囊泡与细胞质隔离。随后溶酶体融入自噬体消化其内容物，提供一些代谢物，为大分子的合成提供能量来源，然而细胞的幸存和死亡取决于这一现象的严重程度和持续时间［1］。

1　自噬发生过程

自噬首先是由Ashford和Porter在1962年提出的，他们用电子显微镜观察到人细胞中存在“自己吃自己”的现象［2］。自噬分三种：巨自噬（macroautophagy），细胞通过双膜结构包裹细胞质中老化或损坏的细胞器和蛋白质，并与溶酶体结合将其降解；微自噬（microautophagy），是待降解物质直接被溶酶体吸收并降解的过程；分子伴侣介导的自噬（Chaperone-mediated autophagy，CMA），通过这种方式降解的蛋白质通常含有分子伴侣识别序列KFERQ，在细胞质中被分子伴侣蛋白HSC70识别，最终进入溶酶体被降解。而巨自噬（简称自噬）是细胞自噬的主要形式，也是本文中重点讨论的一种自噬。

自噬首先通过Unc-51-like激酶复合物ULKAtg13-FIP200激活［3-5］。Unc-51-like自噬激活激酶1（ULK1）被哺乳动物雷帕霉素靶蛋白（mTORC）和腺苷酸激活蛋白激酶（AMPK）直接磷酸化，分别引起其活性的下调和上调［6］。其次，PIK3C3-Beclin1-Vps15-Atg复合物与Beclin-1也是自噬体形成所必须的。两者结合相互作用，增强了PIK3C3活性，其产物IP3是自噬体形成的关键分子。除此之外，自噬相关基因（Autophagy-related gene，Atg）也是自噬发展过程中所必需的。双膜结构的延伸主要由 Atg3、Atg7、LC3和Atg5-Atg12-Atg16L复合体相互作用共同完成，任何一个蛋白缺陷都会导致自噬过程无法正常进行［7-10］。在肿瘤细胞中LC3有两种存在形式：LC3-Ⅰ和LC3-Ⅱ。LC3-Ⅱ与自噬体的膜密切相关，被认为是检测自噬的特异性标志［11］。因此，可以通过检测细胞内LC3-Ⅱ的含量，判断自噬的活性及其细胞状态。

2　自噬与肿瘤放疗

目前大量研究表明，在人类恶性肿瘤细胞中都存在自噬活性改变，足以说明自噬与肿瘤的发生、发展存在一定关系，且在肿瘤的不同阶段发挥不同的作用。

放射治疗是目前控制肿瘤生长的有效治疗方法，然而，现在很多肿瘤具有放疗抵抗［12］。因此，提高肿瘤的放疗敏感性引起了广大研究者的兴趣。研究表明，放疗可以诱发自噬，自噬可以清除放疗产生的受损细胞器及蛋白质从而形成一种放射耐受机制［13］。Kim等［14］在实验时发现，卡巴西平（carbamazepine，CBZ）可以诱导细胞自噬，自噬被诱导后增加了细胞对放射的抵抗从而起到保护细胞的作用。Wu等［15］研究显示，自噬增强口腔鳞状细胞癌放疗患者的抗癌作用。与此相反，一些研究有不同的发现，Chang等［16］与Kim等［17］在研究敲除骨桥蛋白基因和PTEN基因的肺癌细胞时发现，基因敲出后细胞自噬活性提高，细胞对放射敏感性显著提高。

综上所述，自噬是一把双刃剑。一方面是细胞保护作用，使放射中的肿瘤细胞具有放射抵抗作用；另一方面是细胞毒性作用，对放射中的细胞有放射增敏作用，加速肿瘤细胞的凋亡。放疗受很多因素的影响，如肿瘤组织的乏氧程度、DNA损伤修复能力及肿瘤干细胞的存在等。本文将从这三个方面讨论自噬在受放射肿瘤细胞中的增敏作用。

2.1自噬与乏氧

Thomlinson等［18］报道，在恶性实体肿瘤中PO2是完全不同的，即在恶性肿瘤中存在着一片氧含量不足的区域，而乏氧就是细胞暴露在氧含量比较低的条件下。在放疗过程中，乏氧的肿瘤细胞增加放疗抵抗，在乏氧条件下自噬起一个特别的作用［19］。Rouschop等［20］表明，自噬能增加乏氧肿瘤细胞和异种移植瘤的放射敏感性。Sun等［21］发现，自噬降低了乏氧引起的放疗抵抗。这些现象都与恶性肿瘤的放疗抵抗相关。然而，乏氧增加放疗抵抗的机制仍不清楚。

乏氧诱导因子1（hypoxi-inducible-factor 1，HIF l）由HIF 1α和HIF 1β两个亚单位构成。在常氧下HIF 1被迅速降解，而乏氧导致HIF 1的稳定和积累，其下游基因BNIP3表达的上调可以增加肿瘤细胞对乏氧的耐受，抵抗由于线粒体中活性氧簇（Reactive oxygen species，ROS）的积累引起的肿瘤细胞的死亡［22］。BNIP3通过BH3结构域阻断Beclin、Bcl-xl和 Bcl-2的抑制关系，促进Beclin-1介导的自噬［23］。此外，在乏氧的肿瘤细胞中，丝氨酸/苏氨酸激酶LKB1可以直接磷酸化AMPK，而经过活化的AMPK进而磷酸化TSC，从而抑制mTOR活性引发自噬，并独立于HIF1-BNIP3通路［24-25］。

HIF1参与肿瘤细胞的增值、凋亡、侵袭迁移和肿瘤血管的形成，同时也是细胞自噬的重要参与者，自噬通过一个复杂的蛋白质和基因调控的乏氧反应影响放射敏感性。至于哪一条通路在自噬中起主导作用尚不清楚，需要未来更深层次的研究。

2.2自噬与DNA损伤的修复

DNA是细胞中的生物辐射靶标［26］。放射产生各种DNA损伤，包括碱基损伤、单链断裂、双链断裂和DNA-DNA或DNA-蛋白交联［27］。高剂量的放射可以诱导DNA双链断裂，被认为是最关键的DNA损伤［28-30］。DNA修复是抵抗放射的主要原因。在检测到DNA损伤后，修复通路被激活，阻止细胞周期进程。细胞周期阻滞后使细胞有一个时间来评估DNA损伤的程度，并尝试对其进行修复。然而，大部分肿瘤细胞中细胞周期核对点严重紊乱，因此DNA损伤/修复机制可能不会在肿瘤细胞中有效运作［31-32］。

最近的研究表明，自噬与DNA修复有关，并能影响放射敏感性。Mo等［33］表明，Atg5的抑制加剧了在人鼻咽癌细胞中放射诱导的DNA损伤和凋亡。在另一项研究中，敲低Beclin1或紫外照射抵抗相关基因（UVRAG）可以提高辐射诱导的双链断裂，而Beclin1与UVRAG相互作用形成核心复合物诱导自噬［34］。He等［35］已证明，通过药物抑制自噬或siRNA干扰Beclin-1有助于减慢DNA双链的修复并有显著的放射增敏作用。

核酶聚（ADP-核糖）聚合酶-1（PARP-1）参与核内稳态的调节，它通过与DNA末端结合或与DNA修复蛋白相互作用参与DNA双链断裂和单链DNA断裂。几项研究证明，放射诱导的DNA损伤导致PAPR的激活和自噬的诱导［36-37］。多重机制联合PARP的激活促进自噬的诱导，在这些机制中，AMPK的活化尤其关键［38］。PAPP是AMPK的上游可以激活AMPK，在肿瘤细胞中AMPK是上调自噬的重要调节分子［39］。AMPK的激活调节TSC1/2的活化，最终mTOR的功能被抑制诱发自噬［40，41］。因此，PARP-1可能参与调控自噬通过LKB1-AMPK-mTOR信号通路。尽管许多研究已经表明了自噬和PAPR-1之间的关系，但仍需要进一步确定PARP-1抑制剂是否对自噬的调节有任何负面或正面影响。总之，自噬和DNA损伤之间的复杂的关系仍需更深层次的研究。

2.3自噬与干细胞

肿瘤干细胞是肿瘤组织中一小部分具有干细胞特性的细胞群，具有自我更新和多分化潜能。肿瘤干细胞比非肿瘤干癌细胞更能耐受放疗抵抗，因此是肿瘤复发和治疗失败的主要原因［42］。在脑胶质瘤细胞中CD133是肿瘤干细胞的标志物，而在接受过放射的脑胶质瘤细胞中CD133的表达水平急剧升高［43］。表明放射增加了脑胶质瘤中肿瘤干细胞的数量。而肿瘤干细胞能产生异质细胞群。这种抵抗应激的能力与正常干细胞的保护机制有关，包括低水平的ROS、改变细胞周期核对点、DNA修复机制等［44］。

肿瘤干细胞通过抑制自噬增加放疗敏感性主要与ROS增加和自噬促进分化的功能相关。Lomonaco等［45］表明，相比CD133阴性细胞，CD133阳性细胞表达更高水平的自噬相关蛋白，如Atg5、Atg12和LC3。自噬诱导显著增加CD133阳性的肿瘤干细胞的放疗抵抗。在肿瘤细胞中放射可诱导ROS积累，其导致DNA损伤和干性损伤，而自噬可以减少ROS积累和相关的DNA损伤而保留细胞干性。抑制自噬会增加ROS的积累，DNA损伤增强，这导致细胞干性损失。肿瘤间质细胞自噬增加了肿瘤细胞干性。通过肿瘤间质细胞自噬产生乳酸、酮体，增加乙酰辅酶A的转录表达诱导干细胞干性，这导致组蛋白乙酰化增加，并与“干性”相关，包括胚胎干细胞的基因表达［46］。自噬可以起重要的细胞重塑功能，调节发育。自噬相关基因的研究发现，自噬相关基因的缺失会导致发育缺陷［8］。这一结果表明自噬功能的分化。

总之，自噬在肿瘤干细胞中起保护作用，降低ROS水平，维持干细胞的干性。因此，肿瘤干细胞靶向细胞自噬抑制剂与肿瘤细胞放射治疗相结合是根除原发肿瘤和防止复发的一种有效方法。近年来，关于肿瘤干细胞的生物学特性研究在放射生物学和放射治疗学上具有重要的影响。最近的研究突出了探索干细胞易感性、重要性和必要性，目的在于将现在的治疗方法结合关键通路的中断来控制放疗抵抗。然而，需要进一步的研究来阐明肿瘤中肿瘤干细胞的作用来设计一个有效的和特异性的抗肿瘤干细胞治疗。

细胞自噬是一种普遍且十分重要的生物学现象，参与机体内环境稳态、发育以及多种生理、病理过程。自噬在肿瘤细胞中起着放射耐受与放射增敏双重作用，说明自噬在肿瘤的发生、发展等过程中发挥了重要作用。然而，自噬与肿瘤的这种复杂关系的具体机制仍然不清楚，还需要进一步研究。随着对自噬的深入研究，其有可能成为肿瘤治疗的新途径。

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Research progress of autophagy in radiosensitivity

SONG HongmeiHE TianliMA Jianxin
Department of Radiation Oncology，Lianyungang no.2 People′s Hospital Affiliated to Bengbu Medical College，Jiangsu Province，Lianyungang222000，China

R730.5

A

1674-4721（2016）08（b）-0057-05

2016-04-21本文编辑：程铭）

马建新（1968.9-），男，教授，蚌埠医学院附属连云港医院肿瘤放疗科主任；研究方向：肿瘤放射敏感性的个体化研究。