自噬在结直肠癌中的作用研究进展

柴琳琳， 袁玮， 胥传海

(盐城市第一人民医院病理科，江苏 盐城 224001)

结直肠癌是一种常见恶性肿瘤，居女性恶性肿瘤的第2位，男性恶性肿瘤的第3位，约占全世界每年新诊断癌症的10%[1]。研究表明，结直肠癌好发于发达国家，然而随着发展中国家的持续进步及饮食结构的改变，预计到2030年全球结直肠癌新增病例达220万，死亡人数达110万[2-4]。结直肠癌发生源自多种内在和外在因素，其中包括TP53、KRAS等基因突变，家族史的易感等位基因的积累，常年的慢性炎症等[5-6]。结直肠癌的传统治疗方式是手术、化疗、放疗以及靶向治疗。虽然早期检测手段和手术水平的进步使得局部和区域化结直肠癌患者的5年生存率提高至90%和71%，但是发生转移的结直肠癌患者的5年存活率仅为14%左右[7]。更令人担忧的是25%的结直肠癌在诊断时已经显示肿瘤转移，并且50%接受治疗的患者最终也发生转移[8]。这些统计结果表明传统的标准治疗方案需要补充新的治疗方式，开发新的治疗靶点。目前，结直肠癌靶点研究主要集中于血管内皮生长因子(VEGF)信号通路、Notch信号通路、Wnt信号通路以及自噬信号通路等[9]。

自噬又称“自食”，最早在1962年由Ashford和Porter发现，它是在进化中高度保守且普遍存在的一种生理的细胞过程[10]。自噬目的是降解和消除错误折叠的蛋白质和受损的细胞器，而当细胞处于应激环境时，例如营养饥饿、氧化应激、缺氧或感染，自噬将保护细胞。在营养饥饿期间，自噬分解DNA/RNA、碳水化合物、蛋白质和三酰甘油，并产生基础营养物质为细胞供能。自噬可以捕获入侵的病原体并将它们递送到溶酶体降解，也可通过选择性隔离和清除受损的线粒体来减少活性氧损伤[11-12]。近年来研究表明，自噬与癌症启动和治疗都有联系[13-14]。事实上，一些研究表明自噬是多种癌基因和抑癌基因的调节器[15-16]，而其他研究表明自噬既涉及促进肿瘤的发生，也涉及癌症的发展和抑制[17-19]。本文综述自噬在结直肠癌中的功能研究进展。

1 自噬简介

根据转运到溶酶体的细胞内成分不同，自噬途径可分为以下3类：巨自噬(macroautophagy)、微自噬(microautophagy)与分子伴侣介导的自噬(chaperone-mediated autophagy)。本文自噬指的是巨自噬。

自噬的发生是一个精准调控的多层次动态连续发展的过程。迄今为止发现，自噬全过程受到超过36个自噬相关基因(autophagy related genes，ATGs)及相应蛋白严格调控[20]，根据其发展过程主要分5个阶段:起始阶段(诱导阶段)、自噬小体成核、自噬小体形成(延伸)、溶酶体融合(完成)、最终降解。哺乳动物的雷帕霉素靶点(mTOR)与细胞增殖、应激和癌症进展有关，是自噬的关键因子。自噬激活激酶(ULK)复合体由ULK1/ULK2、ATG13/101、黏着斑激酶家族相互作用蛋白(FAK-family interacting protein of 200 kDa，FIP200)组成，该复合体的形成及活化启动自噬的发生。mTOR复合物抑制ULK复合物的形成，实际上会阻止自噬。各种刺激(如缺氧、饥饿)会抑制mTOR，从而激活ULK复合物。ULK复合物是自噬中具有丝氨酸/苏氨酸激酶活性的核心蛋白。当mTOR被抑制时，ULK复合物被去磷酸化，因此被激活。激活的ULK复合物定位在吞噬细胞上，并激活Ⅲ级胞内磷脂酰肌醇激酶(PI3K)复合体。Ⅲ级PI3K复合体包含了HVPS34、BECLIN-1、P150和ATG14等。ATG12与泛素E1连接酶ATG7、泛素E2连接酶ATG10和ATG5偶联，然后以ATG12-ATG5的连接物与ATG16L1共价结合为新的复合物进而扩张自噬体膜。而ATG8家族蛋白中的微管相关蛋白轻链 3(microtubule associated protein-light chain 3，LC3)将与磷脂酰乙醇胺(PE)结合转变为LC3-Ⅱ，LC3-Ⅱ位于自噬体的内膜和外膜中，使其能够结合降解的底物。自噬相关基因信号通路见图1。成熟的自噬体可以与溶酶体融合形成自噬溶酶体，通过自噬选择性地去除蛋白质和受损的细胞器，参与自噬体的形成[21]。

图1 自噬相关基因信号通路示意图

2 自噬对结直肠癌的调控

肿瘤发生源于细胞增殖和细胞死亡之间的不平衡。当自噬被阻断时，细胞增殖和细胞死亡之间的平衡被破坏，这种破坏可能代表着肿瘤发生过程的早期步骤[22-23]。为了应对压力，细胞可以采用多种最终决定细胞死亡或存活的机制。在这些机制中，自噬最初被认为是一种抑制恶性转化的机制。癌细胞的增殖需要源源不断的资源来维持细胞内的能量和营养水平。在营养或能量有限的情况下，自噬通过降解细胞内的成分来维持癌细胞的存活。近年来，对自噬与肿瘤的关系研究日益增多，因此产生了众多假说。目前较为公认的是自噬在癌症发生过程中有着相互矛盾的双重作用，这一矛盾可能与肿瘤发生的时期相关，但引起癌症自噬的确切机制尚未完全确定。首先，自噬是正常细胞中的监视系统，它能够清除细胞器以及积聚的蛋白质，减少DNA损伤，清除异常线粒体减少活性氧损伤等，并将产生的基础物质重新循环利用，从而可以应激保护细胞免遭恶性转化。然而，自噬也能够为肿瘤的生长代谢提供关键营养物质，并通过抑制细胞的凋亡与耐药性从而支持肿瘤形成[24-25]。

2.1 自噬对结直肠癌发生的抑制作用

引发结直肠癌的因素很多，其中炎症或其他因素引起的肠上皮细胞反复损伤和再生可导致其恶变，最终形成肿瘤。在一项研究中发现，Atg7缺失的小鼠中炎性因子的表达使其更容易患实验性结肠炎，并伴有结肠细胞因子表达增加和全身细菌侵袭[26]。而ATG5和ATG16L1介导的上皮细胞自噬有助于清除上皮细胞中的细菌，增强抗菌防御，从而降低炎症反应，进而抑制肿瘤的发生。当巨噬细胞中缺乏ATG16L1会损害有丝分裂吞噬功能，从而活性氧的产生增加，导致小鼠结肠炎的发生[27]。从免疫学的角度来看，当恶性细胞通过改变其抗原性能或通过抑制抗肿瘤免疫应答从而逃避免疫系统的控制时，癌症会快速发展。TP53突变体的积累，或抗凋亡BCL-2蛋白的过度表达抑制自噬，直接或者间接导致癌细胞中基因组的不稳定，最终形成恶性细胞免疫逃逸[28]。除了通过炎症应激以及免疫应答，自噬相关基因也直接参与肿瘤的发生。TP53作为一个重要的抑癌基因能够通过调节细胞凋亡、细胞周期等发挥抑癌作用。同时P53蛋白也可以通过抑制mTOR的活性，增强自噬，抑制结直肠癌的发展。通常来说TP53基因突变后丧失抑癌作用，可促进细胞向恶性转化。然而一项研究中发现，当TP53基因突变后也能激活自噬，从而促进结直肠癌细胞的凋亡[29]，这一研究暗示了自噬的激活并不完全由单个基因表达的改变而发生变化。而当缺乏自噬相关蛋白LC3B、ATG5和BECLIN1的表达时，往往结直肠癌患者预后不良[30]。在具有高度微卫星不稳定性的结直肠癌中，27%的癌症患者至少包含ATG2B、ATG5、ATG9B和ATG12基因中一个突变，且其蛋白表达降低与结直肠癌和胃癌相关[31-33]。紫外线抵抗相关基因(UV radition resistance associated gene，UVRAG)是紫外线耐受相关基因，编码一种肿瘤抑制蛋白，通过与BECLIN1相互作用诱导自噬，在结直肠癌中，具有微卫星不稳定性的UVRAG移码突变会导致肿瘤发生、上皮间充质转化和转移[34-35]。

2.2 自噬对结直肠癌发生的促进作用

在营养物质或能量匮乏的条件下，自噬通过降解细胞内的成分来维持癌细胞的存活从而促进肿瘤的发生。例如，在肿瘤细胞快速增殖期，细胞对氨基酸、氧气和生长因子减少有明显的反应。在代谢应激条件下，癌基因Ras被激活并诱导自噬[36]，Ras诱导的自噬通过提供能量和营养来源及延长细胞存活帮助癌细胞适应应激的微环境[37]。在人类结直肠癌样本的分析表明，实体肿瘤中的肿瘤干细胞或肿瘤启动细胞(TICs)通常处于缺氧状态，缺氧增加了TICs的自我更新能力。一项研究发现，稳定敲除ATG5抑制自噬的发生，体内肿瘤启动和生长显著减少[38]。结直肠癌患者有很高的KRAS基因突变率，而KRAS的突变通过ERK信号通路促进自噬，从而为结直肠癌细胞提供营养保障[39]。除了营养支持，部分自噬相关蛋白的高表达也暗示了预后不良。研究发现，结直肠癌中LC3或BECLIN1高表达，而高水平的LC3或BECLIN1阳性细胞与转移和预后不良有关[40-41]。结直肠癌组织中，ATG10蛋白高表达与肿瘤淋巴结转移和侵袭有关，此外，ATG10的高表达也与生存不良相关，表明ATG10可能是结直肠癌潜在的预后标志物[42]。在一篇Meta分析报告中，BECLIN1的过度表达与结直肠癌患者的不良预后和转移有关[43]。肿瘤的耐药性是化疗成功与否的关键因素，众多研究表明自噬能够通过增加机体对化疗药物的耐药性间接促进癌症的发展。在体外降低ATG7的表达能够引起结直肠癌细胞的特异性凋亡，并增强化疗药物杀死结直肠癌细胞的效果[44]。阿帕替尼是一种新型的酪氨酸激酶抑制剂，研究表明阿帕替尼能够通过内质网应激诱导结直肠癌细胞的凋亡，抑制自噬能够降低结肠癌细胞耐药性并提升阿帕替尼的抗肿瘤效果[45]。以上结果表明自噬对肿瘤的发生起到促进作用。

3 总结

一般来说，非选择性自噬用于营养胁迫，而选择性自噬用于细胞维持。然而，在结直肠癌肿瘤生长的背景下，这些角色可能会改变。自噬的复杂过程涉及多个基因和蛋白质。关于结直肠癌中最重要的研究主要集中在LC3、BECLIN1、ATG5及ATG7等分子上，这些研究产生了相互矛盾的结果，既有促进作用，也有抑制作用，而这种“矛”与“盾”的确切机制尚未研究透彻。根据现有研究我们有必要确定自噬的双重作用如何调节结直肠癌的发生发展，并确定是什么信号和分子机制使得自噬在一种情况下起促进作用，而在另一种情况下起抑制作用。尽管目前针对自噬已开发部分临床药物，但仍然需要进一步的研究来更好地了解结直肠癌和自噬之间的关系，并开发出对治疗和预后有潜在益处的药物。