自噬在结直肠癌中的研究进展

戴星辰，王芳，高玉婧，吴晓婷

(1.宁夏医科大学总医院消化内科，银川 750004； 2.宁夏医科大学 a.临床医学院，b.基础医学院生物化学与分子生物学系，银川 750004)

结直肠癌约占全球每年确诊的癌症和癌症相关死亡人数的10%，且女性发病率和病死率较男性低约25%[1]。据2018年中国国家癌症中心报告显示，虽然我国结直肠癌的发病率低于世界平均水平，但由于人口众多，我国结直肠癌新发病例和相关死亡病例仍居世界前列[2]。随着人民生活水平的提高、生活方式西化趋势，儿童结直肠癌患者也显著增加，给患者家庭及社会均造成沉重的经济负担[3]。除泛素蛋白酶体系统外，自噬是真核细胞中另一个主要的蛋白质降解途径。与蛋白酶体局限于降解单个泛素化蛋白的功能不同，自噬是机体大规模降解部分细胞质(包括完整的细胞器、蛋白质、脂质和糖原等)的主要方式。然而，自噬并非一种简单的分解代谢过程，还包括生物合成及能量产生的过程。自噬包括大自噬、微自噬和分子伴侣介导的自噬。虽然自噬的类型存在差异，但均有一个共同特征，即最终目的均是将细胞内“货车蛋白”(cargo)运送至溶酶体腔内[4-5]。大自噬在细胞内普遍存在，因此通常所称的自噬即为大自噬。现就自噬在结直肠癌中的研究进展予以综述。

1 自噬的形成过程

自噬是一种在应激条件下产生的细胞内降解过程，常见的应激包括细胞器损伤、异常蛋白质的存在以及营养缺乏等。在应激条件下，细胞质中损伤的细胞器、异常折叠的蛋白质、病毒和细菌等周围可形成吞噬泡或隔离膜，将其隔离为一个双层膜结构的自噬小体；自噬小体形成后，将其包裹的内容物协同运送至溶酶体附近，小体外膜与溶酶体融合形成自噬溶酶体，其内容物再被溶酶体的相关水解酶降解；自噬溶酶体内的降解产物可在细胞内循环利用，以满足细胞的代谢需求[6]。自噬的这种“自我消化后循环利用”过程通过细胞骨架微管网络系统实现，其中微管相关蛋白1轻链3(microtubule associated protein 1 light chain 3，LC3)-Ⅰ可与磷脂酰乙醇胺偶联，并加工形成LC3-Ⅱ，因此研究人员可通过蛋白免疫印迹法检测LC3-Ⅱ和(或)LC3-Ⅱ/LC3-Ⅰ的比值，判断自噬流水平，评价自噬活跃程度[7]。

2 自噬调节在结直肠癌发生中的作用

肿瘤的发生是多种应激条件下产生的渐进式突变及变异，其中涉及基因、表观遗传学以及周边微环境的变化，且逐渐不受体内机制的调节和控制，最终形成肿瘤细胞。而自噬在肿瘤发生中起重要作用，这种作用不仅体现在对肿瘤发生的抑制作用，还包括对肿瘤发生的促进作用[8]。

2.1自噬对结直肠癌的抑制作用 自噬可通过抑制炎症反应、维持基因组稳定性、促进细胞衰老等机制抑制肿瘤的发生，并在肿瘤生长过程中起重要作用[9]。炎性肠病包括溃疡性结肠炎和克罗恩病，其长期存在可增加患者罹患结直肠癌的风险[10]。因此，抑制炎症反应有助于结直肠癌的早期预防与控制。Kökten等[11]发现，抑制髓样细胞触发受体1可恢复正常细胞受损的自噬活性，减轻小鼠结肠炎的严重程度。与肠道炎症相关基因及受体的发现，为结肠炎与结直肠癌的相关研究提供了理论依据。

自噬发生于细胞质中，但其在维持基因组稳定中也发挥关键作用。自噬可通过线粒体自噬和抗氧化防御等过程调节活性氧类(reactive oxygen specie，ROS)的产生或通过选择性降解核成分和修复DNA双链断裂(DNA double-strand break，DSB)来维持基因组的稳定性[12]。Liu等[13]研究发现，brahma相关基因1作为一个与自噬相关的关键调控因子，可通过自噬依赖的氧化应激作用减轻结肠炎症、减少肿瘤的发生，主要表现为brahma相关基因1缺陷的肠上皮细胞的自噬存在缺陷，导致ROS水平升高，影响肠道屏障完整性。DJ-1是一种帕金森病蛋白7基因编码的高度保守的同源二聚体蛋白，最初被克隆为与H-Ras协同转化小鼠胚胎NIH/3T3细胞的癌基因[14]。Zhou等[15]发现，DJ-1缺失可导致线粒体功能障碍和ROS积聚，进而抑制结直肠癌细胞生长。亮氨酸拉链EF-hand结构域跨膜蛋白1是一种线粒体内膜蛋白，在包括结直肠癌在内的多种肿瘤中高表达[16]。Che等[17]研究表明，沉默亮氨酸拉链EF-hand结构域跨膜蛋白1可通过触发ROS介导的AMP活化的蛋白激酶/哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin，mTOR)信号通路，诱导结直肠癌细胞自噬，从而阻断结直肠癌的进展。以上研究表明，抗氧化相关防御机制可通过调节ROS影响自噬，从而抑制结直肠癌的发生和进展。

Wang等[18]发现一种新的核自噬底物，即沉默信息调节因子1，沉默信息调节因子1缺失可促进机体衰老过程中免疫系统抵抗力降低，因此选择性针对衰老过程中核自噬底物的降解可能成为一种抑制衰老和衰老相关疾病的新途径。此外，与选择性降解核成分有关的EB病毒BamHIF片段也可选择性诱导并改善自噬过程中核膜的囊泡运输作用，在核裂解发生时，其可将核内成分运输至胞质并及时清除，这一发现为聚集性相关疾病的治疗提供了依据[19]。

共济失调毛细血管扩张突变基因是DNA损伤修复反应的重要组成部分，由细胞核中的DSB激活[20]。Seiwert等[21]研究表明，DSB以共济失调毛细血管扩张突变基因和p53依赖的方式触发有利于生存的自噬，这种自噬可被蛋白激酶B(protein kinase B，PKB/Akt)2信号抑制，因此Akt2可抑制结直肠癌细胞DSB引发的促生存自噬。泛素特异蛋白酶14是电离辐射反应中环指蛋白168表达及其相关泛素信号的关键负调控因子[22]。Sharma等[23]发现，泛素特异蛋白酶14的DSB修复功能依赖于人第10号染色体缺失的磷酸酶及张力蛋白同源基因(phosphatase and tension homologue deleted on chromsome ten gene，PTEN)缺陷的晚期肿瘤组织中Akt的激活，泛素特异蛋白酶14抑制或敲低均可恢复PTEN与自噬缺陷细胞中非同源性末端连接核心复合物的组装以及DSB修复信号。Wang等[24]发现，选择性自噬可调节DSB修复过程中的染色质泛素化，自噬受体和底物p62/SQSTM1(sequestosome 1)可抑制DSB诱导的组蛋白和染色质泛素化，在吸引关键修复因子到断裂相应位点过程中起关键作用。

癌基因诱导的细胞衰老(oncogene-induced cellular senescence，OIS)是一个高度动态的复杂过程，涉及多种不同的效应机制。OIS在致癌信号异常激活时被触发，可抑制细胞的增殖，相关癌基因诱导的衰老也可促进肿瘤的发生和发展[25]。此外，原癌基因(如Ras、Akt和细胞周期蛋白E)的激活以及抑癌基因(如PTEN1)的失活也可诱导OIS[26-27]。但自噬与OIS发生过程的相关性目前仍不清楚。研究证实，完整的自噬对衰老相关分泌表型有积极影响，自噬的激活可促进细胞衰老[28]。有研究表明，mTOR作为自噬启动的内在抑制剂，对衰老相关分泌表型具有积极的控制作用[29]。Su等[30]发现，阻断经典的蛋白(包括多囊肾病基因1、肌营养不良蛋白关联糖蛋白、磷脂酶D1和磷脂酰肌醇-4-激酶2β等)分泌途径，可减少白细胞介素(interleukin，IL)-6和IL-8的分泌，并导致衰老相关分泌表型诱导的衰老细胞中的IL-6、IL-8积聚，干扰蛋白激酶D1介导的经典蛋白分泌通路则可影响Ras相应OIS的建立，同时可诱导衰老的成纤维细胞和肿瘤细胞凋亡。

2.2自噬对结直肠癌的促进作用 提高细胞的自噬水平可有效抑制早期肿瘤的发生和生长，但在多数情况下，肿瘤细胞表现出较正常细胞更强的自噬依赖性，因此一定基础水平的自噬对于正常的组织动态平衡非常重要，可促进肿瘤细胞的存活和生长[31]。而自噬在促进肿瘤细胞存活和增殖方面主要表现为可增强肿瘤细胞对内外界的应激能力以及提高自身代谢水平两方面的效应。

肿瘤细胞面临的应激压力主要包括葡萄糖、氨基酸等营养物质的缺乏以及缺氧、饥饿和内质网应激等[32]。营养物质缺乏一方面可抑制肿瘤细胞生长，另一方面也可通过p27调控mTOR活性而激活自噬[33]。mTOR是一种可感知细胞代谢水平的感受器，氨基酸(如谷氨酰胺)及生长因子等均可增强mTOR复合物1活性[34-35]。肿瘤细胞氨基酸水平降低，可解除其对Ras/Raf1/胞外信号调节激酶的抑制，从而激活自噬[36-37]。肿瘤细胞葡萄糖水平降低，可导致AMP/ATP比值升高，从而激活AMP活化的蛋白激酶感受器，进而激活自噬[38]。Ge等[39]发现，在人类结直肠癌细胞(SW480细胞和HCT116细胞)中敲除Livin基因可消除饥饿诱导的自噬。表明在饥饿或营养缺乏等情况下，结直肠癌细胞与自噬密切相关。营养物质缺乏等可通过一系列途径激活自噬，导致细胞内破损的细胞器和大分子营养物质被降解，从而被细胞循环利用，以满足肿瘤细胞的生长需求。

此外，低氧及ROS水平升高也可激活自噬，并通过自噬分解、合成，为肿瘤细胞的生长提供必要的生物成分。低氧可通过两种途径激活自噬：①上调缺氧诱导因子-1α(hypoxia-inducible factor-1α，HIF-1α)表达，HIF-1α可使B细胞淋巴瘤/白血病-2(B-cell lymphoma/leukaemia，Bcl-2)/腺病毒E1B 19 kDa结合蛋白3和Bcl-2/腺病毒E1B 19 kDa结合蛋白3样蛋白的表达增加，从而激活自噬[40-41]。②低氧可导致细胞微环境pH值降低，酸化微环境可上调磷脂酰肌醇-3-激酶/Akt/mTOR信号通路的表达，从而激活自噬[42-43]。饥饿可导致c-Jun氨基端激酶激活，从而使Bcl-2磷酸化，导致Bcl-2-Beclin-1复合物发生解离，最终诱导自噬发生，该过程亦有ROS参与[44-45]。Myc等原癌基因过表达可增加内质网应激压力，产生过量或错误折叠的蛋白[46]。这些过量或错误折叠的蛋白不利于肿瘤细胞的生长，而自噬可有效清除这些蛋白，促进肿瘤细胞存活。Che等[47]发现，结直肠癌细胞中缺氧介导的自噬受miR-20a/自噬相关蛋白5/FIP200(分子量为200 000的黏着斑激酶家族相互作用蛋白)信号通路的调控，而在结直肠癌的发生过程中，miR-20a介导的自噬缺陷可能在缺氧诱导的自噬中起重要作用。Deng等[48]研究表明，锚蛋白重复结构域蛋白37对低氧环境下自噬激活和结直肠癌细胞的适应性均非常重要。以上研究为缺氧诱导结直肠癌自噬的机制提供了理论支持，值得研究者进一步探索。

肿瘤细胞大多通过糖酵解途径获得能量，即使在有氧或营养充足的条件下也是如此。线粒体自噬和分子伴侣介导的自噬均可帮助肿瘤细胞由有氧氧化转向糖酵解途径获取能量[49-50]。K-Ras作为Ras的一种异构体，在肺癌、结直肠癌、胰腺癌等肿瘤细胞中均有表达[51]。K-Ras持续表达是原发性和转移性结直肠癌细胞生存所必需，且K-Ras可通过激活转化生长因子-β信号通路促进肿瘤的侵袭和转移[52]。K-Ras激活可导致细胞代谢水平升高，肿瘤细胞为了应对这种高代谢需求，需要更多营养物质和能量的合成。自噬缺失可导致三羧酸循环相关中间产物的水平显著降低，从而使K-Ras突变细胞的增殖能力及活力均显著减弱[53]。因此，自噬的存在可满足K-Ras突变细胞代谢和营养的需求，有助于结直肠癌细胞的存活。V-Raf鼠肉瘤病毒致癌基因同源物B1基因突变常见于黑素瘤、甲状腺癌和结直肠腺癌等，V-Raf鼠肉瘤病毒致癌基因同源物B1基因过表达可导致黑色素瘤细胞中的线粒体合成速度显著降低，从而促进细胞有氧氧化向糖酵解途径转变[53-54]。钙调磷酸酶调节因子1-1L在氧化应激时表达上调，可导致AMP/ATP比值升高，从而通过AMP活化的蛋白激酶途径抑制mTOR通路，增加线粒体自噬，同时还可促进细胞能量代谢向糖酵解途径转化[55]。

此外，自噬还可降低机体的免疫反应，导致细胞因子合成、分泌减少，促进肿瘤细胞的存活。Yamamoto等[56]发现，自噬可通过降解主要组织相容性复合体Ⅰ促进胰腺癌细胞免疫逃逸，从而使肿瘤细胞存活。Maisonneuve等[57]发现，NOD样受体可促进自噬激活、调节髓系细胞的免疫抑制活性，帮助结直肠癌细胞成功逃避免疫系统的攻击。目前关于自噬通过抑制免疫促进结直肠癌发生与发展的研究较少，仍需未来进一步研究。

总之，自噬在肿瘤的发生中具有双重作用。在结直肠癌发生的早期，自噬常通过抑制炎症反应、维持基因组稳定性、促进细胞衰老等机制保护正常细胞的稳定和生长，并抑制正常细胞向肿瘤细胞转变；在结直肠癌发生的晚期，肿瘤已经初步形成，初始肿瘤细胞需要克服周边微环境营养不足等影响而不断生长，最后转化为成熟肿瘤细胞。因此，研究者可借助自噬对肿瘤细胞的双重作用、针对结直肠癌不同的生长阶段，通过相关药物或基因水平的调控靶向作用于结直肠癌，达到抑制肿瘤生长的目的。

3 自噬在结直肠癌新辅助联合化疗中的作用

化疗是中晚期和转移性结直肠癌患者的主要治疗方法，而5-氟尿嘧啶等氟尿嘧啶类是姑息性和新辅助联合化疗的重要组成部分。但人群耐药性的产生，给结直肠癌患者的治疗带来较大困难[58]。结直肠癌患者常伴随细胞周期和糖代谢异常、氧化应激、线粒体活性增强以及上皮-间充质转化等，这些因素均可促进5-氟尿嘧啶耐药性的产生，导致肿瘤细胞在凋亡与自噬中的作用中趋于平衡，并顺利存活[59]。除FOLFOX方案(5-氟尿嘧啶+亚叶酸钙+奥沙利铂)[60]外，研究人员还尝试利用5-氟尿嘧啶联合其他非传统化疗药物(或物质)方案克服5-氟尿嘧啶耐药性带来的治疗局限。非传统化疗药物(或物质)主要包括传统中药及其衍生物、降糖药、抗生素以及肿瘤治疗场等。

6-姜烯酚是一种从生姜中提取的中药成分，具有一定的抗肿瘤作用[61]。Woz＇niak等[62]发现，在人结肠癌细胞(SW480细胞)中，与应用单一化疗药物治疗相比，6-姜烯酚联合传统化疗药物的疗效显著升高，主要表现为Beclin-1、自噬相关蛋白7等自噬相关蛋白及Bcl-2、Bcl-2相关X蛋白、胱天蛋白酶3等凋亡相关蛋白表达均显著上调，表明姜烯酚可能参与自噬激活及凋亡相关通路，进而发挥抗肿瘤效应，但具体作用机制目前尚未明确。

二甲双胍是一种传统降糖药物，近年来其非降糖作用越来越受到研究者关注。人前梯度蛋白2是近年发现的一种与结直肠癌发生有关的因子，可促进肿瘤的发展和转移，且其高表达几乎完全局限于恶性肿瘤[63]。Martisova等[64]发现，二甲双胍联合5-氟尿嘧啶和奥沙利铂可诱导ROS产生，同时导致结直肠癌保护性自噬作用减弱，但在人前梯度蛋白2敲除的SW480细胞中这种作用显著增强，这为结直肠癌的治疗提供了新思路。

克拉霉素是一种大环内酯类抗生素，临床主要用于革兰阳性菌引起的相关疾病的治疗。hERG1(human ether-a-go-go-related gene 1)基因是一种电压门控钾离子通道，其编码的hERG1钾通道能够在包括结直肠癌在内的多种肿瘤细胞中选择性表达，并与肿瘤的侵袭力和化疗敏感性密切相关[65]。Petroni等[66]发现，克拉霉素可增强体内、外试验中5-氟尿嘧啶对HCT116细胞的毒性，且伴随胱天蛋白酶3水平和胞外信号调节激酶1/2磷酸化水平降低，其主要通过削弱hERG1与磷脂酰肌醇-3-激酶之间的相互作用影响磷脂酰肌醇-3-激酶/Akt通路，从而调节结肠癌细胞的自噬水平，增强其化疗敏感性。

肿瘤治疗场是一种低强度、中频、交变电场，可通过非侵入性传感器阵列在肿瘤解剖区域周围局部传递[67]。Lee等[68]发现，肿瘤治疗场联合5-氟尿嘧啶治疗可导致体外实验和小鼠体内实验中自噬小体显著增加、LC3表达显著上调，与单一化疗药物治疗相比，肿瘤治疗场联合化疗药物治疗可加速结直肠癌细胞凋亡。因此，5-氟尿嘧啶与其他药物(或物质)联合的新辅助化疗方案，可在一定程度上消除自噬为肿瘤细胞提供的保护及营养作用。

4 小 结

自噬是正常细胞重要的生理功能之一，其广泛存在于包括结直肠癌在内的多肿瘤细胞，并通过一系列生理作用影响结直肠癌细胞的生长。自噬在结直肠癌的发生发展中具有双重作用，但其具体作用机制目前仍未明确。结直肠癌的发生涉及基因、表观遗传学以及周边微环境的变化等，而自噬在其中起重要作用。因此，未来深入研究自噬在结直肠癌中的具体靶点及作用机制，可以为结直肠癌患者的治疗提供更多选择。