线粒体自噬与消化系肿瘤发生发展关系的研究进展

辛辰，笪俊，王忠琼

(1西南医科大学临床医学院，四川泸州646000；2 西南医科大学附属医院)

线粒体自噬与消化系肿瘤发生发展关系的研究进展

辛辰1，笪俊2，王忠琼2

(1西南医科大学临床医学院，四川泸州646000；2 西南医科大学附属医院)

线粒体自噬是一个高度选择性的细胞器自噬过程，对于维持线粒体质量和数量平衡、细胞功能稳定、机体内稳态至关重要。一方面线粒体促发凋亡信号，诱导细胞进入程序性死亡途径；另一方面通过线粒体自噬，有利于细胞存活。肿瘤细胞依赖自噬途径将受损、衰老线粒体降解消化并回收利用，线粒体自噬对于肿瘤细胞增殖、存活有正向作用。线粒体自噬可发生在多种肿瘤中，包括胃癌、结肠癌、肝癌、胆管癌、胰腺癌等。

消化系肿瘤；线粒体；线粒体自噬

线粒体是细胞内呈长椭圆形、高度折叠的双层膜结构细胞器，其是真核细胞有氧呼吸的主要场所，通过氧化磷酸化的方式为细胞提供能量。此外，线粒体还参与了细胞内钙稳态调控、ROS产生、细胞增殖凋亡及自噬等胞内信号转导过程[1]。然而，当线粒体受损时，其双层膜结构中的通透性转换孔 (MPTP)过度开放,线粒体膜电位降低,促凋亡信号激活 ,诱导细胞进入线粒体依赖的程序性细胞死亡途径，同时线粒体内的Bcl-2家族具有双向调节凋亡的作用[2]。有研究[3]表明损伤的线粒体可通过自噬途径被细胞选择性清除，即线粒体自噬。其是一种特有的自噬形式，通过自噬溶酶体选择性地清除受损、折叠、多余的线粒体，从而维持线粒体质量和数量的平衡，以及细胞生存。近年来越来越多的研究表明[4,5]，线粒体自噬与诸多疾病相关，如神经退行性疾病、免疫相关性疾病、肿瘤等。现就线粒体自噬与消化系肿瘤发生发展的关系作一综述。

1 线粒体自噬概述

细胞自噬是真核生物中非常保守的一类物质降解方式,其依赖于溶酶体，对衰老、受损、折叠、聚集的蛋白质和细胞器进行分解代谢和回收利用。自噬通常分为3类：巨自噬、微自噬和伴侣介导的自噬。自噬的演变可分为以下几步：自噬体的起始形成，双层膜结构的扩展、延伸、包裹各种胞内组分(如线粒体、核糖体、内质网、高尔基体等)、自噬溶酶复合体形成并降解胞内物质、新的溶酶体产生。其中，有大约 18 个核心基因编码的蛋白质参与调控上述过程，分别是Atg1/ULK1复合体、Atg9 的囊泡和 Atg2-Atg18 复合体、PI3K激酶复合体、两套类泛素化体系(Atg8/LC3、Atg4、Atg3、Atg7复合体系和Atg12、Atg7、Atg5、Atg10、Atg16复合体系)。细胞自噬是一种自我保护机制，有利于细胞生存，免受代谢、免疫、炎症、肿瘤等不良因素的刺激损害，维持机体内稳态平衡。有研究[6]显示对肿瘤细胞而言，自噬不仅可以抑制肿瘤的发生，同时还可促进肿瘤细胞增殖，使其免受各种刺激损伤，如乏氧、营养缺乏、光照和化疗等。

线粒体自噬是自噬的一种特殊形式，对于维持线粒体的平衡十分重要。泛素化连接酶Pink1在正常的线粒体中被PARL水解，线粒体膜电位下降，Pink1稳定并募集激活E3泛素化连接酶Parkin，后者可泛素化线粒体膜蛋白，以p62、LC3连接自噬体和线粒体，并通过Mfn2的泛素化来抑制线粒体融合[7]。缺氧条件下，NIX和BNIP3介导线粒体自噬的产生，并以同源二聚体的形式与LC3-Ⅱ直接连接。与此同时二聚体解离Beclin1和Bcl-2；缺氧还可阻断Src激酶磷酸化FUNDC1,使FUNDC1与LC3-Ⅱ相连[8]。E3连接酶RNF185还可泛素化BNIP3，通过p62和LC3将线粒体和自噬体相连[11]。线粒体自噬来源于线粒体分裂，其中多种蛋白质均参与到线粒体自噬中，如E3泛素化连接酶Parkin可靶向定位于受损线粒体外膜蛋白，从而启动后续线粒体自噬过程；线粒体外膜上的固有蛋白，包括VDAC1、Mfn1、Mfn2和Miro，在磷酸化的Parkin作用下分别泛素化后进一步促进线粒体分裂，加速其自噬进程[9]。线粒体自噬还与多种疾病相关[10]，线粒体自噬相关基因Parkin和Pink在帕金森病患者的神经元中发生突变，线粒体自噬无法正常进行，受损伤的线粒体逐渐增多，最终导致神经退行性改变；自噬相关基因Atg5缺失小鼠，心脏内受损及功能异常的线粒体增多，最终导致心功能不全。有研究推测，受损的线粒体如不及时清除会导致细胞内ROS堆积，进一步损伤核DNA或mtDNA，可能导致基因突变，肿瘤形成，同时肿瘤微环境中间质细胞的自噬或线粒体自噬缺失，可导致细胞分泌过多乳酸和酮体，这些代谢物质有助于肿瘤细胞增殖。在诸多肿瘤中线粒体自噬相关蛋白表达异常，Parkin在恶性胶质瘤、乳腺癌、卵巢癌、大肠癌、肝细胞癌和胰腺癌中表达均下调，因此推测其可能是抑癌基因；Pink的mRNA水平与肾上腺皮质癌的生存期有关。与正常组织相比，胰腺癌组织中BNIP3表达下调。BNIP3和线粒体自噬可能通过调控细胞内ROS以防止肿瘤发生，而一旦肿瘤发生，BNIP3的表达即减少，ROS堆积，DNA受损，肿瘤不断恶化[11]。

2 线粒体自噬与消化系肿瘤的发生发展

肿瘤细胞中常出现自噬抑制，其导致肿瘤细胞对抗增殖信号不敏感、凋亡减少、增殖异常、新生血管疯长，以及肿瘤细胞转移引起组织浸润、逃避免疫监控[12]。当外界的有害因素，如乏氧、营养缺失、化疗、放疗等发生于肿瘤细胞时，线粒体膜电位首先受到攻击，表现为膜电位的降低和膜通透性增加，促发一系列的凋亡信号，以及抗凋亡途径的抑制，二者共同导致肿瘤细胞增殖抑制、凋亡激活、细胞死亡增加，但与此同时细胞自噬发生激活，尤其是对受损线粒体的自噬激活，消化分解后降低了细胞内过多积累的ROS、维持正常线粒体功能，从而减轻了氧化应激对肿瘤细胞产生的危害。

2.1 线粒体自噬与胃癌的发生发展 Zhu 等[13]构建了PI3KⅢ(Ⅲ类磷酸肌醇3激酶)-RNAi(小干扰RNA)-GFP(绿色荧光蛋白)-AD(重组复制腺病毒)转染的SGC7901胃癌细胞模型，发现用5-FU和Ⅲ型PI3K信号转导抑制剂联合治疗后，SGC7901细胞增殖明显减少，线粒体膜电位显著降低，自噬标志物表达水平明显下调。其中，PI3KⅢ-RNAi-GFP-AD通过抑制自噬，使癌细胞无法完成对损伤、破坏、衰老线粒体的自噬消化，进一步诱导细胞凋亡，从而增强了胃癌细胞对化疗药物的敏感性。

2.2 线粒体自噬与结肠癌的发生发展 短链脂肪酸(SCFAs)有抑制结肠癌细胞增殖和诱导凋亡的作用。其诱导自噬的发生与降低的mTOR活性和增强的AMP激酶活性相关，其中的中心事件即为线粒体功能障碍。癌细胞将受损、聚集、缺陷的线粒体进行自噬消化降解，继而避免凋亡因子的释放来阻止凋亡的发生，从而阻碍凋亡级联的活化。自噬便作为了延缓线粒体介导的凋亡细胞死亡的适应性策略。Kim等[14]研究烟碱在人结肠癌细胞中活化自噬，自噬激活保护肿瘤细胞免于TRAIL诱导的线粒体膜电位和肿瘤细胞死亡的功能障碍。该过程通过下调死亡受体蛋白DR4和DR5以及预防线粒体膜去极化，诱导TRAIL介导的凋亡中线粒体自噬。Tylichova等[15]使用短链和n-3多不饱和脂肪酸作用于人结肠癌细胞，证明自噬对肿瘤细胞的保护作用，使其免受药物，如丁酸钠(NaBt)诱导细胞分化或激活涉及线粒体的程序性细胞死亡途径的影响，将受损、折叠、聚集的线粒体进行消化分解重吸收利用。通过自噬途径支持肿瘤细胞的存活。此外，Lai等[16]研究发现缺氧通过HCT116细胞中的翻译调节诱导细胞自噬，该过程中，高度保守的溶酶体糖蛋白PSAP和LAMP2翻译上调所诱导的溶酶体自噬和12种线粒体特异性核糖体蛋白(MRPL36，MRPL12，MRP63，MRPL41，MRPS7，MRPS34，MRPS16，MRPL43，MRPL34，MRPS12，MRPL38和MRPS26)的翻译抑制而引起的线粒体自噬，共同诱导了自噬激活，有助于结肠癌细胞的存活。

2.3 线粒体自噬与肝癌的发生发展 有研究使用不同浓度的木犀草素来处理HepG2肝癌细胞，分别观察细胞自噬形成、线粒体膜电位和活性氧浓度变化以及Bcl-2 mRNA和蛋白表达，发现肝癌细胞在经过木犀草素(具有抗氧化、抗炎、抗肿瘤、抗病毒的天然中药材化合物)处理后，HepG2细胞的线粒体自噬激活，认为其自噬过程的产生与Bcl-2靶点的表达下调密切相关。许荣等构建了细胞转染 HMGB1siRNA的模型，并将其放置于1%O+5%CO+94%N三气培养箱中培养，发现高迁移率蛋白B1(HMGB1)的表达会调控细胞线粒体的生物合成，从而增强细胞的能量代谢，使细胞在不良环境中(如缺氧)仍能继续增殖，而其中调控作用的实现与线粒体自噬的发生密切相关。Sun等[17]认为肝癌肿瘤形成前期，由于缺氧、营养缺乏、应激等不良刺激，线粒体膜电位下降，功能受损，细胞内ROS增加，自噬缺陷的肝脏库弗氏细胞会通过增加mtROS-NF-kB-IL1a / b依赖性炎症和纤维化来促进肝癌发生。这也说明了线粒体的状态变化，会引起该细胞器的自噬及肿瘤细胞的进一步改变。Ke等利用Tetrandrine(粉防己碱，中药材提取物)抗肿瘤的作用，探讨线粒体、自噬、肿瘤三者之间的关系。实验发现低浓度Tetrandrine处理的肝癌细胞中，线粒体膜电位降低(ΔΨm↓)，线粒体外膜通透性增高，细胞内ROS累积，其通过调节Ras / Raf / ERK信号通路调节下游AP-1结合基因表达，从而诱导其自噬的发生；其他研究如穿心莲内酯可诱导人肝癌细胞Huh-7，Bel-7402和QGY-7703发生自噬细胞死亡，发挥抗肿瘤作用。这种自噬细胞死亡机制是由于亲环蛋白D介导的线粒体通透性转换孔(MPTP)的开放，导致线粒体跨膜电位的破坏和活性氧的升高，从而诱导自噬发生。此实验进一步验证了上述结论。Geng等[18]研究发现IS有诱导肝癌细胞凋亡作用，其为诱导线粒体和溶酶体功能障碍所致。IS治疗后，肝癌细胞中促凋亡蛋白(如Bid，Bax，Bad和Bak)和抗凋亡蛋白Bcl-2和Bcl-XL平衡失调，Bax/Bcl-2蛋白表达比例的上调促进线粒体膜的透化，包括细胞内受损线粒体积累，线粒体膜电位的降低和ROS的产生并积聚，最终促使细胞凋亡发生。而在此过程中，IS降低了mTOR(Ser2448)，Akt(Thr308)，ULK1(Ser757)，p70S6K(Ser371，Thr389)和4EBP1(Thr37 / 46)的磷酸化水平，诱发了自噬的发生，自噬体的出现进一步发挥对受损、聚集、功能障碍的线粒体和溶酶体的消化和分解，使上述凋亡步骤受限，以及抑制了溶酶体内组织蛋白酶和其他水解酶的释放，使得早期的自噬积累对肝癌细胞产生了保护作用。同时Chen等[19]构建含有VP3(鸡贫血病毒的促凋亡因子凋亡蛋白)、IL-18(干扰素-γ诱导因子)和HN基因(新陈疫病毒的血凝素神经氨酸酶蛋白)的重组DNA疫苗，通过体内和体外的线粒体途径抑制肝癌细胞增殖和诱导自噬，证明上述结论。

2.4 线粒体自噬与胆管癌的发生发展 Zhang等[20]发现ABT737联合顺铂可促进LC3Ⅰ向LC3Ⅱ转化，激活自噬，同时可以促进线粒体和p62、LC3、酸性细胞器的相互作用并降低线粒体标志蛋白Tom20蛋白水平，诱导线粒体自噬发生。同时抑制线粒体自噬关键蛋白p62后可抑制线粒体自噬，同时降低联合用药对胆管癌细胞生存率的抑制作用。因此胆管癌可能通过调控自噬(包括线粒体自噬)来抑制顺铂杀伤作用。过度线粒体自噬可能是联合用药杀伤胆管癌细胞的机制之一。

2.5 线粒体自噬与胰腺癌的发生发展 Li等[21]发现，硼替佐米可明显改变人胰腺癌细胞中线粒体膜电位，促使线粒体功能受损，内部ROS浓度升高，其自噬相关蛋白(如LC3B)表达增加；同时给予自噬抑制后，LC3B表达减少，且线粒体凋亡相关蛋白的表达明显增加。表明外部因素干扰人胰腺癌细胞后，诱导线粒体自噬的发生，细胞凋亡减轻。Lumican是胰腺星状细胞(PSC)和胰腺导管腺癌细胞(PDAC)过表达的细胞外基质蛋白聚糖，驱动了肿瘤特异性微环境的形成。而化疗药物吉西他滨对癌细胞的作用机制是由于损伤线粒体功能、细胞内ROS积累和细胞色素C的释放，激活线粒体依赖的细胞凋亡途径。其中，化疗诱导的对线粒体本身的自噬消化阻碍了该过程的进展。有研究发现细胞外基质蛋白聚糖通过刺激EGFR二聚化和内化，导致EGFR激酶活性下降及其下游激活蛋白激酶B(PKB)/ Akt、C(PKC)和HIF-1α的减弱，从而抑制LKB1的活化、降低AMP与ATP比例、抑制AMPK磷酸化，对上述线粒体自噬过程的阻碍，使得线粒体依赖的细胞凋亡增加，发挥抗癌作用。Kang 等[22]研究发现晚期糖基化产物特异性受体(AGER/RAGE)有助于胰腺肿瘤的发生。AGER介导的自噬促进白细胞介素6诱导的信号转导和转录激活因子3(pSTAT3)的磷酸化和pSTAT3的线粒体定位。增强的线粒体pSTAT3增加可用ATP库并促进细胞增殖，再一次从线粒体途径与肿瘤关系角度阐明二者之间的关系。线粒体解偶联蛋白2(UCP2)可以促进质子向线粒体基质的流入来缓解氧化应激，从而减少呼吸链和线粒体超氧化物产生的电子泄漏[23]。研究发现UCP2抑制可以引发GAPDH的ROS依赖性核移位，自噬体的形成和LC3-Ⅱ的表达，提高细胞的自噬活性，从而导致细胞内ROS产生减少，发挥肿瘤细胞的保护作用。西沙姜(SSHE)的提取物对胰腺癌细胞(包括Panc-1细胞)具有明显的生长抑制和细胞死亡诱导活性，Akimoto等[24]研究发现西沙姜提取物可抑制细胞周期进程，从而诱导人胰腺癌细胞系，包括Panc-1细胞的死亡。形态学上表现为细胞局灶膜破裂，核收缩，核周空间和电子致密线粒体的局灶性肿胀，同时显著增加了LC3-Ⅱ与LC3-Ⅰ比例，降低了SQSTM1/p62蛋白，增强了Panc-1细胞中细胞质的空泡化。SSHE激活AMPK并抑制mTOR。从而激活细胞自噬。其中发现西沙姜作用后的胰腺癌细胞，线粒体膜电位下降、通透性降低、胞内ROS累积，最终导致细胞的自噬性死亡。

总之，线粒体自噬与各种疾病，如癌症、肿瘤、神经退行性疾病、脑损伤、免疫性疾病、肌肉疾病等相关。线粒体是细胞各种代谢、存活、死亡的关键调控器。线粒体受损，细胞内ROS浓度升高，ATP产生紊乱，进一步引起线粒体DNA损伤，功能障碍。而线粒体自噬可以吞噬消化降解异常线粒体，来减弱细胞内的高水平ROS，降低细胞癌变风险，抑制细胞凋亡、坏死。本文对线粒体自噬与几种常见的消化系肿瘤的关系作了简单综述，但其中确切的分子机制仍不十分明确，仍需进一步研究和证明，相信随着线粒体自噬研究的不断深入，其在肿瘤发展过程中的作用和机制将会被进一步揭示。

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四川医科大学科技战略合作项目(2015LZCYD-S01)。

王忠琼(E-mail:yqwzqyk@163.com)

207-07-10)