线粒体自噬与肿瘤

陈燏

【关键词】 线粒体自噬；肿瘤

DOI：10.14163/j.cnki.11-5547/r.2016.36.094

巨自噬（以下指自噬）是一个高度保守地自我降解地过程， 这个过程通过细胞质的组分， 包括：细胞器、蛋白质聚集物以及病原体。它们都是被初始的吞噬泡膜俘获， 随后紧接着和自噬小体、溶酶体融合进行降解[1， 2]。

细胞的自我吞噬有相当多的降解形式， 它们对于细胞浆运载蛋白主要是非选择性的， 靶向地自噬行为也选择性地吞噬以及降解特异性的运载蛋白[3]。线粒体自噬是后者一个典型的例子， 它在自噬小体中参与选择性地靶向线粒体的降解过程， 主要是通过和关键性的衔接蛋白进行相互作用， 这些蛋白位于生长过程中的吞噬泡上外部的线粒体膜（OMM）以及运载过程中的LC3。这些衔接蛋白主要包括BNIP3、NIX和FUNDC1[4]。另外， 还有作用于线粒体上的靶向性E3泛素化连接酶。

对一些参与到将线粒体靶定到自噬体上的调控分子以及分子的衔接蛋白功能进行划分以后， 增长了对线粒体自噬如何激发以及执行其功能的生物学行为的认识。这些线粒体自噬的执行者中， 最主要的是Parkin1和Pink1， 还有BNIP3和NIX， 它们都在促进线粒体自噬的过程中发挥不同的作用， 并且它们的活性互不影响[5]。然而目前对线粒体自噬相关的特异性分子了解还是相当有限， 已经很明确另外的一些分子（比如说Mul1和FUNDC1）可能成为未来研究的热点。这里仅仅是初步地叙述一下线粒体自噬过程中的调控分子以及它们目前在肿瘤生成方面研究出来的作用。

1 Parkin和PINK1

PARK2（Parkin）和PARK6（PINK1）这两者基因产物最早是在人类的帕金森疾病中鉴定出来的， 随后科学家发现它们能够促进线粒体的自噬过程， 因此在帕金森疾病的病因学中阐述了线粒体功能的紊乱[6]。PARK2主要的片段是定位于人类染色体6区断臂2亚区5带到6带之间， 在乳腺癌、卵巢癌， 膀胱癌、肺癌以及其他肿瘤中高度缺失[7]。Parkin发挥抑制肿瘤生长功能， 在Parkin基因缺失的小鼠中， 如果给与辐射刺激， 小鼠极易生成淋巴瘤。Parkin的表达能够增强氧化代谢的过程限制了肿瘤抑制基因P53下游的Warburg效应。最有可能通过增强线粒体的整合， 这可能很好地解释了Parkin作为肿瘤抑制分子的机制[3， 7]。作为FBX4环状连接酶复合体的一个组分， 在肿瘤中Parkin通常也能够调节细胞周期蛋白D1， 细胞周期蛋白E和细胞周期蛋白激酶4表达水平， 这表明了除了在线粒体自噬过程中的作用， Parkin也能够通过抑制细胞周期蛋白的水平来发挥它的抑癌基因的功能[3]。

2 BNIP3和NIX

在应对缺氧的情况下， 线粒体自噬已经逐渐成为一个关键性的适应性应答， 正如细胞可以降低线粒体的数量不仅仅能限制活性氧簇的产生， 而且可以最大效率地利用可使用的氧气一样[11]。在细胞促进缺氧诱导的线粒体自噬的过程中， 有两个关鍵性的分子介质：BNIP3和NIX。这两个分子都是缺氧诱导因子（HIF）靶定的基因， 尽管说由于氧含量下降， BNIP3比NIX以更快的速度和更大的量产生， 但是BNIP3和NIX的mRNA表达量对2个HIF反式激活的结构域有不同的依赖性。BNIP3也在翻译水平上受到RB、NF-KB、FOXO3、癌基因Ras和p53的调控， 同时NIX受到p53的调节[8]。它们在BNIP3的表达表现出了明显不同的组织特异性， BNIP3主要表达在心脏、肝脏和肌肉中， 与此同时， NIX主要表达在造血组织中[9， 10]。相应的， NIX在血红细胞的生成、成熟过程中发挥关键性的作用， 它能够促成熟红细胞对线粒体的及时清除， BNIP3在骨骼肌和肝脏中参与调节线粒体的整合[8， 10]。

BNIP3与NIX也能与Rheb相互作用， Rheb是一个小的鸟苷三磷酸酶， 有效作用于mTOR的上游区域促进细胞生长。Rheb与BNIP3相互作用于BNIP3的跨膜区域， 与此同时Rheb只能与BNIP3二聚体在线粒体外膜起作用。相似地， Bcl-2和Bcl-XL与BNIP3绑定， Rheb绑定也需要BNIP3的30氨基端残基序列， 这表明Bcl-2与Bcl-XL也可能调节BNIP3-Rheb的相互作用， 这个实验也表明BNIP3被Rheb有效抑制可导致mTOR活性降低以及细胞生长减慢， 与BNIP3抑制肿瘤功能相符合[11， 12]。

BINP3和NIX都被认为可以正向调节人类乳腺导管原位癌， 在人类侵袭性乳腺导管癌中BNIP3的RNA以及蛋白质表达的缺失与癌细胞促增殖以及淋巴转移密切相关[13]。在其他癌症中包括血液恶性肿瘤、肺癌、胃癌、胰腺癌以及肝癌， BINP3表达的后生沉默作为肿瘤侵袭和侵袭的标志已经被报道出来[14， 15]。然而， 后生沉默不可能是人类乳腺癌BNIP3沉默的机制。有趣的是， Tumorscape（Broad研究所， 剑桥， 马萨诸塞州， 美国）表明BNIP3位于10q26.3位点上的7、14位的人类肿瘤具有重要的缺失， 包括在乳腺癌中改变胶质瘤BNIP3中的亚细胞结构， 并且在胶质瘤、乳腺癌以及前列腺癌中也有报道[16]。与此同时， 在4T07正位乳腺肿瘤中敲除BINP3可促进肿瘤生长和侵袭。肿瘤的抑制功能也归功于NIX， 尽管NIX与肿瘤的早期、晚期水平相关的重要性还未被区分。因此， 与Parkin相似， BNIP3与NIX似乎都起着抑制肿瘤的作用。

3 其他线粒体自噬调节器

线粒体解偶联因子可修复NIX无效红细胞中线粒体自噬的缺失， 表明选择性线粒体自噬可被一个特定的途径激活促进线粒体自噬灭活[17]。目前， 没有证据表明任何BNPI3或者NIX需要活化的Parkin促进线粒体自噬。相反， 有一个报道证明BNPI3或者NIX可促进二乙嗪招募至线粒体。除了Parkin参与调节线粒体自噬， 还有线粒体E3泛素连接酶复合物， 另一个新的线粒体自噬机制涉及缺氧诱导线粒体外膜上的FUNDC1蛋白与FUNDC1上通过一个保守的LIR序列上的LC3自噬的相互作用[18]。类似的自噬接头分子NBR1， 有酪氨酸残基位于FUNDDC1上较常见的色氨酸的LIR序上的关键一号位。这使得FUNDC1-LC1的相互作用受其致瘤基因SRC1激酶活性的负性调控从而使得Y18上的FUNDC1磷酸化[18]。相反， 通过对丝氨酸上17的ULK-1磷酸化， 紧邻Y18在FUNDdC1上LIR序列可促进FUNDC1与LC1的相互作用以及线粒体的更新。FUNDC1与NIX都可被缺氧诱导的microRNA抑制， 从而限制在缺氧条件下的线粒体自噬[19]。总之， 上述针对不同的压力进行协同调节的机制以及它们如何在癌症中调节的作用还需进一步研究。

4 小結

线粒体自噬是自噬过程中一种明显不同的形式， 它涉及到在自噬小体中线粒体的选择性降解。线粒体自噬中特异性的缺陷和人类肿瘤有着密切的关联， 比如说通过关键性调控分子Parkin和BNIP3的缺失。另外， 小鼠模型已经表明， 相比于普通的自噬过程抑制， 线粒体被抑制的同时小鼠能表现出明显不同的显型。靶定了线粒体自噬可能会更有可能选择性地抑制肿瘤往恶性方向进展。当临床联合其他药物或者应激的情况下， 可以利用肿瘤细胞对线粒体自噬的急性易感性这个优势。

参考文献

[1] Mizushima N， Komatsu M. Autophagy： renovation of cells and tissues. Cell， 2011， 147（4）：728-741.

[2] Mizushima N， Yoshimori T， Ohsumi Y. The role of Atg proteins in autophagosome formation. Cell and Developmental Biology， 2011， 27（27）：107-132.

[3] Gong Y， Zack TI， Morris LG， et al. Pan-cancer genetic analysis identifies PARK2 as a master regulator of G1/S cyclins. Nature Genetics， 2014， 46（6）：588-594.

[4] Tolkovsky AM. Mitophagy. Biochimica Et Biophysica Acta Molecular Cell Research， 2009， 1793（1793）：1508-1515.

[5] Narendra DP， Youle RJ. Targeting Mitochondrial Dysfunction： Role for PINK1 and Parkin in Mitochondrial Quality Control. Antioxidants & Redox Signaling， 2011， 14（10）：1929-1938.

[6] Hollville E， Carroll RG， Cullen SP， et al. Bcl-2 family proteins participate in mitochondrial quality control by regulating Parkin/PINK1-dependent mitophagy. Molecular cell， 2014， 55（3）：451-466.

[7] Fujiwara M， Marusawa H， Wang HQ， et al. Parkin as a tumor suppressor gene for hepatocellular carcinoma. Oncogene， 2008， 27（46）：6002-6011.

[8] Mammucari C， Milan G， Romanello V， et al. FoxO3 controls autophagy in skeletal muscle in vivo. Cell Metabolism， 2007， 6（6）：458-471.

[9] Diwan A， Koesters AG， Odley AM， et al. Unrestrained erythroblast development in Nix-/- mice reveals a mechanism for apoptotic modulation of erythropoiesis. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America， 2007， 104（16）：6794-6799.

[10] Glick D， Zhang W， Beaton M， et al. BNip3 Regulates Mitochondrial Function and Lipid Metabolism in the Liver. Molecular & Cellular Biology， 2012， 32（13）：2570-2584.

[11] Ray R， Chen G， Vande Velde C， et al. BNIP3 heterodimerizes with Bcl-2/Bcl-X（L） and induces cell death independent of a Bcl-2 homology 3 （BH3）domain at both mitochondrial and nonmitochondrial sites.J Biol Chem. 2000， 275（2）：1439-1448.

[12] Li Y， Wang Y， Kim E， et al. Bnip3 Mediates the Hypoxia-induced Inhibition on Mammalian Target of Rapamycin by Interacting with Rheb. Journal of Biological Chemistry， 2008， 282（49）：35803-35813.

[13] Sowter HM， Ferguson M， Pym C， et al. Expression of the cell death genes BNip3 and NIX in ductal carcinoma in situ of the breast； correlation of BNip3 levels with necrosis and grade. J Pathol. 2003 ， 201（4）：573-580.

[14] Sowter HM， Ratcliffe PJ， Watson P， et al. HIF-1-dependent regulation of hypoxic induction of the cell death factors BNIP3 and NIX in human tumors. Cancer Research， 2001， 61（18）：6669-6673.

[15] Koop EA， Van LT， van Wichen DF， et al. Expression of BNIP3 in invasive breast cancer： correlations with the hypoxic response and clinicopathological features. BMC Cancer， 2009， 9（1）：1-8.

[16] Beroukhim R， Mermel CH， Porter D， et al. The landscape of somatic copy-number alteration across human cancers. Nature， 2010， 463（7283）：899-905.

[17] Sandoval H， Thiagarajan P， Dasgupta SK， et al. Sandoval， H. et al. Essential role for Nix in autophagic maturation of red cells. Nature， 2008， 454（7201）：232-235.

[18] Liu L， Feng D， Chen G， et al. Mitochondrial outer-membrane protein FUNDC1 mediates hypoxia-induced mitophagy in mammalian cells. Nature Cell Biology， 2012， 14（2）：177-185.

[19] Li W， Zhang X， Zhuang H， et al. MicroRNA-137 is a novel hypoxia-responsive MicroRNA that inhibits mitophagy via regulation of two mitophagy receptors FUNDC1 and NIX. Journal of Biological Chemistry， 2014， 289（15）：10691-10701.