细胞自噬在肿瘤治疗中的研究进展

宋园远，姜晓峰，梁红艳

(哈尔滨医科大学附属第四医院检验科，哈尔滨 150000)

自噬是细胞体内一种溶酶体依赖性分解代谢过程,细胞自身老化及受损的蛋白质或某些细胞器被包裹进入囊泡，并与溶酶体结合形成自噬溶酶体，降解其包裹的内容物，借以实现细胞本身的代谢需求或某些细胞器的更新。这一过程通常可以缓解细胞的损伤及营养压力。自噬作用除在正常细胞中的生理作用外，还在癌症等病理过程中发挥重要作用，近年来人们已经逐渐意识到自噬在癌症发生发展中具有复杂的作用。一方面，自噬作用可以清除自身老化蛋白质及受损细胞器来发挥细胞保护机制；另一方面，自噬减轻细胞生存压力这一特性被肿瘤细胞所捕获后，反而更加促进肿瘤细胞的生长与增殖[1]。但在临床上自噬诱导还是抑制可以杀伤肿瘤细胞这一复杂作用取决于癌症的种类及内环境的不同。靶向自噬通路治疗肿瘤的治疗剂的研发也为肿瘤治疗提供了另一个新的思路。现就细胞自噬在肿瘤治疗中的研究进展予以综述。

1 自 噬

1.1自噬的基本概念 自噬分为三种类型：微自噬，分子伴侣介导的自噬及巨自噬。微自噬是指通过溶酶体膜的内陷直接递送细胞溶质成分；而分子伴侣介导的自噬是溶酶体中可溶性胞质蛋白降解的选择性机制；巨自噬是细胞的一种保护机制，该过程中一些损坏的蛋白或细胞器被双层膜结构的自噬小泡包裹后，送入溶酶体中进行降解并得以循环利用[2]。自噬作用被发现以来就一直被视为细胞的关键保护机制，尤其在应对细胞增殖和营养缺乏的条件下起重要作用。基础自噬通过降解过量，受损和(或)老化的蛋白质和细胞器，在细胞稳态中发挥重要作用[3]，这种细胞内机制是高度保守的，其功能的强弱与人类许多疾病均有关，如肌病[4]、微生物感染[5]、癌症等[6]。

1.2自噬的分子调节通路

1.2.1哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin,mTOR)信号通路 在调节自噬的各种途径中，mTOR信号通路至关重要。研究已经确定了这一通路在调节细胞生长，蛋白质合成，新陈代谢和细胞死亡中的重要作用。mTOR是丝氨酸/苏氨酸激酶的一种，分子量为300 000，其位于磷脂酰肌醇-3-激酶/蛋白激酶 B途径的下游，它能与多种不同的蛋白质结合，并形成两种不同的复合物：mTOR1和mTOR2[7]。当细胞营养素和生长因子丰富时，mTOR1被激活并使关键的自噬相关蛋白磷酸化，导致自噬的抑制；相反，mTOR1受到抑制时，即在能量、氨基酸等营养物质缺乏期间发生，诱导自噬。mTOR信号通路的上游是磷脂酰肌醇-3-激酶途径，其显著调节细胞增殖，mTOR2在自噬中的作用尚不明确[8]。

mTOR1受AMP活化的蛋白激酶调节,通过降低细胞ATP水平或细胞应激来刺激AMP活化的蛋白激酶导致mTOR1的抑制，mTOR1抑制可以阻止Unc-51的位点特异性抑制磷酸化，如自噬激活激酶1,去磷酸化的自噬激活激酶1可以自由地与AMP活化的蛋白激酶相互作用，AMP活化的蛋白激酶负责在活化位点磷酸化自噬激活激酶1，导致自噬诱导。mTOR1和自噬激活激酶1的调节显示了AMP活化的蛋白激酶在自噬起始中起重要作用[9]。

1.2.2RAS(rat sarcoma)信号通路 RAS蛋白质家族由参与控制细胞生长和存活的鸟苷三磷酸酶组成。RAS信号转导通过两种主要细胞途径调节自噬。RAS的激活导致磷脂酰肌醇-3-激酶/蛋白激酶B通路的刺激增加，mTOR1上调，导致自噬的抑制[10]。相反，RAS激活也可通过降低促分裂原活化的蛋白激酶/胞外信号调节激酶(mitogen-activated protein kinase/extracellular regulated protein kinases,MAPK/ERK)途径的信号转导导致自噬增加[10]。现已证明，当MAPK/ERK信号通路受到刺激时，HT-29结肠癌细胞会诱导自噬的发生[11]。

1.2.3MAPK信号通路 MAPK/应激活化蛋白激酶信号通路与自噬的调节有关。MAPK是丝氨酸-苏氨酸激酶家族，其参与调节对生长因子受体信号转导的广泛细胞应答[12]。由MAPK激活的应激活化蛋白激酶信号转导导致关键转录因子激活，其反过来调节抗凋亡基因如B细胞淋巴瘤-2(B-cell lymphoma-2，Bcl-2)的表达。研究已显示Bcl-2与Beclin-1结合可导致自噬的抑制[13]。

2 自噬与肿瘤

近年来，自噬在癌症进展中的作用已被广泛关注和研究。由于癌症的类型、阶段、遗传背景不同，其对自噬作用的反应也不同[14]。利用自噬的背景依赖性作用已成为肿瘤学中一种有前景的治疗策略。

2.1自噬的肿瘤促进作用 自噬是细胞的一种应激反应和生存机制，因此其可能更有助于癌症细胞在各种应激下的存活。与正常细胞相比，自噬的上调使癌症细胞更能适应外界的一系列应激压力，有助于癌细胞增殖，从而增加肿瘤细胞的侵袭性和对治疗的抵抗性。研究发现在多种肿瘤细胞中自噬作用促进癌细胞的生长[15]。在血管化不良的肿瘤中，细胞经常出现缺氧和代谢应激。肿瘤内部的细胞在营养素和氧气缺乏的情况下，缺氧诱导因子1α增加，其促进自噬和血管生成。缺氧诱导因子1α依赖的Bcl-2/腺病毒E1B相互作用蛋白3表达对线粒体的选择性自噬是必需的，也称为线粒体自噬[16]。有缺陷的线粒体自噬与帕金森病有关，因为这种患者常会发生帕金森相关基因PINK1(PTEN-induced putative kinase protein 1)和帕金森病蛋白2的突变，而这两种基因对线粒体自噬诱导很重要。在遗传筛选中，帕金森病蛋白2也被鉴定为肿瘤抑制基因，表明线粒体自噬在癌症中具有一定的促进作用[17]。缺氧还可以通过缺氧诱导因子1α的独立作用来激活自噬，缺氧通过错误折叠蛋白的蓄积诱导内质网应激，在这些情况下，线粒体由于缺氧而不能参与氧化磷酸化。自噬作用允许细胞消耗部分内质网并减少线粒体数量，这种对缺氧的适应性反应可以防止内质网上的ATP消耗浪费，使细胞分解代谢产生ATP，并限制线粒体中活性氧类的产生[18]。Yang等[19]的研究也从反向证明了胰腺癌细胞的自噬水平升高,研究人员通过沉默自噬相关蛋白(autophagy-related protein,ATG)及使用氯喹抑制自体溶酶体降解来抑制自噬，引起体内活性氧类积累，DNA损伤和线粒体功能缺陷抑制胰腺肿瘤生长，结果显示，自噬抑制导致显著的肿瘤消退，动物实验也显示通过自噬抑制携带胰腺癌异种移植物的小鼠存活时间延长。针对多种人类恶性肿瘤发生突变的RAS基因，研究发现即使存在丰富的营养物质，在H-ras或K-ras活化突变的人类癌细胞系中也具有高基础自噬水平[20]。在这些细胞中，抑制基础自噬相关的蛋白会显著抑制细胞生长，表明自噬可维持肿瘤细胞存活。因此，抑制肿瘤中的自噬作用，如对Ras驱动的癌症，可能是一种有效的抗癌疗法。自噬对肿瘤细胞的促进作用也表现在对化疗药物的抗性增加。临床药物厄洛替尼是表皮生长因子受体突变的非小细胞肺癌中常用的酪氨酸激酶抑制剂，这种化疗药物会上调自噬，结果导致细胞对酪氨酸激酶抑制剂的耐药性增加[21]。

2.2自噬的肿瘤抑制作用 与自噬的潜在促进肿瘤增殖作用形成鲜明对比，自噬具有抑制肿瘤生长作用。Beclin-1作为自噬过程的关键基因，是自噬所需的Ⅲ型磷脂酰肌醇-3-激酶复合物一部分，在小鼠体内是一种单倍体不足的肿瘤抑制基因，研究发现在人类乳腺癌、卵巢癌中Beclin-1基因的缺失。此外，p53和第10号染色体缺失的磷酸酶及张力蛋白同源的基因均诱导自噬[22]。而Bcl-2直接与Beclin-1 相互作用以抑制自噬[23]。致癌基因可以抑制自噬，肿瘤抑制因子诱导自噬，而真正的自噬调节因子本身就是肿瘤抑制因子，表明自噬具有抗癌作用。临床上支持这一观点的是三氧化二砷应用于急性早幼粒细胞白血病的治疗，三氧化二砷已成为许多急性早幼粒细胞白血病患者的治疗手段，与全反式视黄酸联合治疗大大提高了疾病的治愈率,最初三氧化二砷的作用机制尚不清楚，目前已知三氧化二砷介导的细胞死亡部分是由于通过上调Beclin-1进而介导自噬发生。目前诱导自噬抑制肿瘤发展的机制尚不完全清楚，可能是由于自噬过程中基因的调节抑制了肿瘤细胞的增殖；也可能是由于细胞内坏死物质释放到周围组织中会引发炎症反应和慢性组织损伤，导致遗传不稳定，致癌DNA突变率更高，最终导致更恶性的基因表型，而自噬通过去除受损的细胞器和蛋白质，限制细胞生长及基因组不稳定性而起到肿瘤抑制作用；或者自噬可以杀死发育中的肿瘤细胞，Thorburn等[24]发现原代上皮细胞成为永生细胞时，涉及自噬和凋亡的细胞死亡途径被选择性地灭活，研究也发现在乳腺腺泡形成的模型中，凋亡和自噬参与去除上皮细胞以形成腔结构，表明自噬阻止了上皮肿瘤发展的早期步骤。也有学者认为，自噬可以通过限制坏死和慢性炎症来预防肿瘤发生，这与炎症性高迁移率族蛋白B1的释放有关[25]。总之，上述研究发现确立了自噬作为肿瘤抑制机制的作用。

2.3靶向自噬抗肿瘤研究 鉴于自噬作为肿瘤抑制因子和肿瘤启动子的双重作用，上调自噬及抑制自噬在不同类型的肿瘤中可作为治疗的潜在策略。从自噬体形成到溶酶体降解到细胞信号转导，在自噬过程的几乎所有步骤中都已经鉴定出可用于药物作用的靶标，目前部分药物的研发正在进行中。

通过遗传或药理学手段抑制自噬已被广泛证明可以使肿瘤细胞对抗癌治疗敏感，自噬的小分子抑制剂可能作为抗癌药物单独使用或组合使用。目前溶酶体抑制剂——抗疟药氯喹及其衍生物羟氯喹是已被证明可通过改变溶酶体pH，抑制自噬体降解，引起自噬体积聚来直接抑制自噬的两种药物，对膀胱癌、胰腺癌和黑色素瘤的临床前期研究表明，作为单一药物，氯喹和羟氯喹能够通过抑制自噬来抑制癌细胞的生长[26]。同样地，一些靶向自噬的小分子抑制剂也显示了抗肿瘤的潜力。ATG4B是一种半胱氨酸蛋白酶，其作用是裂解微管相关蛋白轻链3和其他ATG8衔接蛋白，这是自噬发生过程的后续脂质化、自噬体结合和成熟所必需的步骤。体外研究已证实ATG4B抑制剂具有阻断自噬并促进肿瘤细胞死亡的作用，高选择性的ATG4B蛋白酶活性抑制剂作为一种潜在的肿瘤治疗方法正在被逐步开发中[26]。Egan等[27]发现SBI-0206965作为一种新型的自噬启动激酶unc-51样自噬激活激酶1(unc-51 like autophagy activating kinase 1，ULK1)抑制剂，在小鼠肺癌肿瘤细胞及U87MG胶质母细胞瘤的营养饥饿阶段可促进细胞凋亡。另一种Bcl-2抑制剂ABT-737,在前列腺癌[28]、肝细胞癌[29]和小细胞肺癌中诱导肿瘤细胞的保护性自噬，抑制自噬有助于ABT-737治疗潜力的发掘[30]。此外，研究表明，部分药物可能通过抑制自噬介导的化学或放射抗性来增强化疗的效果[31]。目前部分药物的疗效评估实验正逐步从体外向体内实验过渡。

如上所述，对于癌症患者，标准治疗辅助自噬抑制剂疗法有望成为新的抗癌方案，但不适用于所有类型的癌症，某些肿瘤细胞系对自噬诱导而不是自噬抑制敏感，目前已经发现诱导自噬对多种肿瘤细胞系具有明显的抑制增殖作用。已经用于临床的多种化疗药物通过诱导自噬杀伤肿瘤细胞，Akar等[32]研究发现他莫昔芬等雌激素受体拮抗剂以雌二醇受体为药物靶点，能够诱导乳腺癌细胞MCF-7发生过度自噬，引起细胞过度死亡；Chiu等[33]研究发现抗癌药物替莫唑胺与达沙替尼的组合可杀伤胶质母细胞瘤，这两种药物均诱导自噬。作为精氨酸耗竭疗法研究较为成熟的ADI-PEG20在精氨基琥珀酸合成酶1缺陷的肿瘤治疗中正逐步进入临床试验阶段，其机制之一是通过降解体内精氨酸诱导自噬，靶向药ADI-PEG20用于肝癌的治疗也已进入了Ⅲ期临床试验；同样，组蛋白去乙酰化酶抑制剂显示自噬诱导潜力是其抗癌作用之一[34]，Turcotte等[35]研究发现STF-62247作为一种小分子激动剂，可以诱导细胞自噬并选择性杀死与自噬体积累相关的VHL(von Hippel-Lindau)缺陷性肾癌细胞，有望成为肾癌治疗的新型靶向药物。

3 小 结

自噬作为细胞内一种多通路参与调节的生物学过程，在肿瘤发生发展中的作用尚无清晰的定论。尽管目前临床肿瘤治疗的重点是将自噬抑制剂与化学治疗药物/细胞毒性药物联合使用，但仍应考虑自噬在不同类型肿瘤生长中的矛盾作用以及过度自噬是否会导致细胞死亡。目前尚不清楚自噬是作为肿瘤抑制因子起作用还是保护癌细胞免受抗癌治疗起作用。如果自噬诱导可以限制肿瘤细胞的增殖或导致肿瘤体积消退，那么激活自噬可能是一种有效的抗癌疗法。然而，如果自噬仅在癌症治疗中具有防御作用，针对自噬通路的部分靶向小分子抑制剂可能改善抗癌治疗的功效。因此，确定在不同类型肿瘤细胞中自噬途径相关分子的调节机制更有助于相关靶向药物的研发。自噬作用在肿瘤发展过程中的不断明确能够促成发现新的诊断及治疗靶点，并为肿瘤发病机制的研究提供新的思路。