自噬与肿瘤的关系及抗肿瘤药物

摘 要：自噬是将细胞内受损、变性或衰老的蛋白质以及细胞器运输到溶酶体进行消化降解的过程.正常生理情况下，细胞自噬利于细胞保持自稳状态；在发生应激时，细胞自噬防止有毒或致癌的损伤蛋白质和细胞器的累积，抑制细胞癌变；然而肿瘤一旦形成，细胞自噬为癌细胞提供更丰富的营养，促进肿瘤生长.因此，在肿瘤发生发展的过程中，细胞自噬的作用具有两面性.对于细胞自噬和肿瘤发生之间的关系有待深入的研究，这将会有助于人类更好地认识并最终攻克肿瘤。

关键词：肿瘤，自噬，抗肿瘤药物

Abstract： Autophagy is the major intracellular degradation system by which cytoplasmic materials （denatured protein， damaged organelles） are delivered to and degraded in the lysosome to maintain homeostasis. Once carcinogenesis rising up， autophagy would be also employed by cancer cells. Autophagy plays an important role in cancer cells– both in protecting against cancer as well as potentially contributing to the growth of cancer. However， autophagy can also contribute to cancer by promoting survival of tumor cells that have been starved. The relationship between autophagy and tumorigenesis need to be further researched， which will help humanity better understand and ultimately overcome the cancers.

Keywords： Tumor， Autophagy， Anti-tumor drug

1 细胞自噬的概念

1.1 自噬的基本概念

传统的细胞死亡方式分类包括细胞坏死和细胞凋亡2种，后者又称为程序性细胞死亡，而新近的研究发现，除坏死和凋亡之外还存在其他细胞死亡方式，例如自噬[1] 。

细胞自噬是真核生物中进化保守的对细胞内物质进行周转的重要过程。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（动物）或液泡（酵母和植物）中进行降解并得以循环利用。细胞自噬最早由Ashford和Ponen于1962年用电子显微镜在人的肝细胞中观察到，是细胞中初级溶酶体处理内源性底物的重要过程，同时参与维持蛋白代谢平衡及细胞内环境的稳定，其在清除废物、结构重建以及细胞生长发育中起重要作用[2]。自噬存在于真核细胞的病理生理过程中，近年随着对自噬研究的不断深入，其在肿瘤中的作用日渐引起广泛关注。目前研究表明自噬功能异常在肿瘤发生、发展中均扮演重要角色[3] 。在生物进化中，细胞自噬是一种保守的过程，从酵母到植物细胞再到哺乳动物，都存在这样的过程，并且其中的很多调节因子在多个生物种中都能找到其同源体[4]。

1.2 与自噬相关的重要细胞器——溶酶体

损坏的蛋白或细胞器在体内降解主要有泛素-蛋自酶体途径（UPS）和溶酶体途径（细胞自噬）。UPS和自噬在降解过程、机制、亚细胞定位、降解底物、系统活性等方面均有区别，细胞自噬是UPS受损时的代偿途径，细胞自噬可以在UPS抑制时激活；细胞自噬的长期抑制可导致UPS功能受损，但UPS不能代偿细胞自噬被抑制的功能[5] 。本文主要讨论溶酶体途径。

自噬是细胞对持续性内外刺激的非损伤性应答反应，以维持细胞结构、代谢和功能的平衡。根据底物进入溶酶体途径的不同，可将自噬分为巨自噬、微自噬和分子伴侣介导的自噬等三类[9]。巨自噬和微自噬过程都产生自噬体，但是，巨自噬形成的自噬体较大。分子伴侣介导的自噬无自噬体形成[6] 。虽然广义上的自噬包括巨自噬（巨自噬又分为依赖Atg5和Atg7的传统途径及依赖Rab-9的非传统途径两种[7] ）、微自噬和分子伴侣介导的自噬三种类型，通常所说的自噬即指巨自噬，也是目前研究最多的 [8] 。以巨自噬为例，细胞自噬相关基因主要是指一系列的Atg基因，包括在细胞自噬调节中与自噬小体形成相关的基因，影响溶酶体清除自噬小体的基因，细胞自噬调节所必需的基因，自噬小体隔离、运动、成熟相关的基因，以及调节细胞自噬和其他细胞活动的基因等[9]。

1.3 自噬发生的过程

自噬体发生过程可分为：自噬体的诱导，形成，运输及裂解。[10]其中自噬体的形成依赖于两个泛素样结合系统—Atg12 /Atg5和Atg7 /Atg8系统。[11]并可将自噬过程大致划分为四个主要阶段：a. 分隔膜的形成：在应激或饥饿状态下，内质网膜凹陷形成杯状的双层结构分隔膜，开始在待降解物周围包绕形成自噬体萌芽。b. 自噬体的形成：分隔膜继续延伸，将待降解物完全包绕并与细胞质隔离形成自噬体。c. 自噬体的运输与融合：自噬体形成以后，会将包裹物运输至溶酶体，再与溶酶体相融合形成自噬溶酶体。d. 自噬体的裂解：自噬溶酶体形成后，待降解物先经囊泡酸化，当pH达到所需值后最终被溶酶体中多种蛋自酶降解，其降解产生的小分子物质在细胞内可以被再循环利用。[12]

2.自噬的功能

2.1 自噬的基本功能

细胞白噬的生理功能主要包括四个方面：a. 白噬是细胞对代谢应激和环境变化的适应性反应。代谢应激是营养缺乏、缺氧、生长因子损耗等因素导致的，因能量供应不足而引起的应激反应，此时机体动员自身储备，增加能量和营养供应，同时一些细胞因供能不足或为保护机体可能发生坏死、凋亡等。自噬作用的降解产物氨基酸、核苷酸、游离脂肪酸等可进人物质能量循环，满足应激条件下细胞和有机体代谢的需求。例如自噬可以在细胞处于缺血缺氧等饥饿状态时从分解产物中获得能量。大量研究表明增强的自噬促进了细胞在缺血缺氧等饥饿状态下的存活。[13]b. 自噬作为细胞保持稳态的管家机制，有处理废物的功能。它可去除丧失功能的细胞器、大分子以及细胞质内成分，防止异常蛋白质累积，并可去除细胞内病原体，由此对蛋白质和细胞器进行质量控制。这对于对抗衰老、癌变、神经退行性病变、感染等有重要的意义。c. 自噬可能通过处置受损的线粒体和过氧化物酶体而抑制活性氧簇（ROS）的产生，减少DNA损伤和染色体不稳定性，因此，可能具有细胞保护作用。d. 自噬作为程序性细胞死亡的一种，可在细胞无法继续维持自身生存时诱导细胞主动性死亡。[14]

自噬桥接了先天和适应性免疫系统，自噬功能障碍与炎症，感染、神经退行性病变和癌症等均有关联。[2]

2.2 自噬与肿瘤

近期的研究发现，自噬作用在肿瘤的形成中起着重要作用[15]。 正常生理情况下，细胞自噬利于细胞保持自稳状态；在发生应激时，细胞自噬通过：a. 限制染色体不稳定性，从而减少致癌突变的积累；b. 限制氧化应激；3.减少瘤内坏死及炎症等途径来达到防止有毒或致癌的损伤蛋白质和细胞器物质积累的目的[16]，从而抑制细胞癌变（最近报道的自噬和衰老之间的联系提供了一个额外的自噬的肿瘤抑制作用的基础[17]）。自噬介导的肿瘤抑制功能可以清除受损的已氧化细胞器，从而防止因积累有毒的氧自由基而导致的基因组不稳定。[18]然而，肿瘤一旦形成，细胞自噬为癌细胞提供更丰富的营养，促进肿瘤生长，尤其在当肿瘤内还没有形成足够的血管为其扩增提供营养时，肿瘤细胞可以通过自噬来克服营养缺乏和低氧的环境得以生存。同时，自噬为线粒体的分隔可防止促凋亡因子，如细胞色素和凋亡诱导因子的扩散。此外，自噬可以清除电离辐射时受损的大分子或细胞器（如线粒体），保护肿瘤细胞免受电离辐射的作用，从而逃避凋亡而存活下来。当化疗、放疗后，肿瘤细胞会产生大量的破损细胞器、损坏的蛋白质等有害成分，此时提高自噬活性可及时清除这些有害物质，并提供应急的底物和能量为修复受损的DNA赢得时间和条件。[19]因此，在肿瘤的发生发展过程中，细胞自噬的作用具有两面性，自噬初期可以作为肿瘤发生的一种抑制因素；肿瘤一旦形成细胞自噬可促进肿瘤生长。[20]目前为止，由于我们仍无法根治肿瘤，许多挑战拭待解决。最重要的是，应该澄清自噬的双重角色，并且应该根据肿瘤的细胞类型，发展的不同阶段及肿瘤生存的不同微环境来决定我们采取的应对方式。[21]

3.自噬与肿瘤

3.1 自噬与肿瘤发生发展密切相关

据报道，鼠的肝癌发生与发展过程中伴随着自噬现象进行性减少，癌前病变期肝细胞自噬活动降低到正常细胞的50%，在肝癌细胞中自噬更是降到正常时的20%。在肿瘤晚期，实体瘤内部细胞营养缺乏情况下自噬很可能被激活，维持肿瘤细胞生存。根据自噬与肿瘤基因的关系可将肿瘤基因分为三类。第一类是自噬执行基因，表现为肿瘤抑制功能，Beclin1就是这类的典型。第二类是参与自噬调节的基因，通过促进细胞死亡来抑制肿瘤。第三类是癌基因和抑癌基因，它们在细胞自噬途径中协同作用、相互抵制，癌基因和抑癌基因的突变可能导致肿瘤发生。这一类基因包括mTOR，p53等。[22]

3.2 自噬的参与者

目前调节自噬的分子中起关键作用的是mTOR复合体和Beclinl复合体及p53基因。自噬是一个动态过程，包括一系列的步骤，这都是由Atg蛋白控制的。迄今为止，在酵母中已发现30多种Atg，而且很多都与哺乳动物同源。

3.2.1 mTOR mTOR作为A tg蛋白上游调节分子被广泛研究。早期研究发现mTOR激酶抑制剂一一雷帕霉素可以诱导自噬的发生，作为生长因子、营养和能量的感受器，[23]它的激活与蛋白合成、细胞生长和自噬抑制有关，提示mTOR在自噬调控中发挥重要作用。[24]目前mTOR激酶复合体可根据对雷帕霉素的敏感性分为：对雷帕霉素敏感的mTORCl和不敏感的mTORC2。mTORC 1主要调节细胞生长、能量代谢和自噬，而mTORC2则主要参与细胞骨架的重组和细胞存活。[25]

3.2.2 Beclin1复合体 Beclin1复合体是由Bcl-2， Beclinl（ Beclinl基因也称BECN1和UVRAG和Vps34基因组成。1998年Liang等在致死性Sinbis病毒性脑炎的大鼠中发现一种相对分子质量为60 000的蛋白质，与bcl-2基因产物相互作用能抑制Sinbis病毒的复制，减少中枢神经系统的凋亡，并可能在宿主的抗病毒防御上起作用，他们将编码这种蛋白质的基因命名为Beclinl[26]）。Beclin1不依赖caspase的裂解酶通过Bec1-C片段压制激活自噬并促进细胞凋亡，Bcl-2/Bcl-XL通过特殊的交互抑制作用充当抗自噬和抗凋亡的双重角色。[27] 在研究酵母时发现：Beclinl复合体在自噬形成的早期阶段发挥重要作用，其主要通过两种方式来对自噬进行调控：（1）Bcl-2， UVRAG、死亡相关蛋白激酶DAPK（death-associated protein kinase，DAPK）和CDK分别发挥对该复合体的抑制与活化作用，从而达到对自噬的调节；（2） Vps34产生的PI3P可促进自噬相关蛋白Atg结合到膜上，形成前自噬结构，促进自噬。[28]

3.2.3 p53 p53对自噬的调控具有双向性。一方面，细胞核内的p53通过激活自噬相关基因的转录而诱导自噬；另一方面，胞质中的p53对自噬则起抑制作用，后者的具体作用尚待研究。[29]

4 自噬途径抗肿瘤药物概况

目前，针对自噬开发抗肿瘤药物正日益受到关注。通过对自噬机制的深入研究，可能会帮助人们发现新的肿瘤治疗潜在靶点。目前针对自噬主要有以下几种药物开发策略：a. mTOR激酶抑制剂；b. 酪氨酸激酶抑制剂；c. Bcl-2抑制剂；d. 肿瘤新生血管生成抑制剂；e. 雌激素受体拮抗剂；f. 组蛋白去乙酰化酶抑制剂；7＼g. 法尼基转移酶抑制剂[30]。其中最常见的为mTOR激酶抑制剂，自噬可以抵消化疗及放疗对肿瘤的抑制作用，因此，如果抑制自噬作用将会提高抗肿瘤药物的疗效，这类自噬抑制剂包括Lys05，3-MA（3-甲基腺嘌呤，是磷脂酰肌醇3激酶的抑制剂，可特异性阻断自噬中自噬体的形成，被广泛用作自噬的抑制剂。）， CQ （氯喹）和 BA（巴伐洛霉素A1）等。[31]其中Lys05是二聚体的氯喹，相比氢化氯喹，可以更多地沉积在溶酶体中来阻断自噬，在活体内外多种人类癌症细胞系中均能更有效地产生抗肿瘤作用。[32]

5 自噬抗肿瘤面对的问题

5.1 自噬与凋亡

目前研究发现，自噬与凋亡之间的关系大致为3种：a. 自噬为凋亡所需，b. 自噬抑制凋亡保护细胞，c. 自噬与凋亡共同促进细胞死亡[33]。凋亡和自噬是参与维持机体正常的生理平衡和内环境稳定重要机制，与正常生长发育以及肿瘤等多种疾病发展过程都有着密切的联系。对于肿瘤的治疗，传统的方法是诱导肿瘤细胞凋亡，然而，肿瘤细胞中凋亡抗性的出现成为肿瘤治疗的主要障碍。自噬作为另外一种细胞程序性死亡方式与凋亡一样有着复杂的分子机制和调控机制，它们之问存在密切的联系，并且存在许多相同的调节蛋白，因果关系尚需要深入解析。[34]

5.2 自噬与抗肿瘤药物的关系

自噬是一种生理机制，它在抗肿瘤药物作用于肿瘤细胞的过程中也会发生。抗肿瘤药物引起肿瘤细胞发生自噬与药物的种类、肿瘤细胞的类型、药物的浓度、药物作用细胞的时间等因素有关。由于自噬的特点，药物诱导肿瘤细胞产生自噬后会出现两种不同的结果：一种是保护细胞防止周围环境带来的损害；另一种是启动细胞主动性的II型细胞死亡程序，目前，对于这两种不同结果的产生还没有发现特定的规律[34 ]。抗肿瘤药物在引起肿瘤细胞产生自噬的同时可能还会导致凋亡。抗肿瘤药物与自噬的相关因素，以及自噬与凋亡之间的密切联系都有待于进一步研究。能够找到靶向于自噬分子机制的抗肿瘤药物对于肿瘤的分子治疗具有重要的意义。如何使抗肿瘤药物能诱导肿瘤细胞产生自噬，继而引起细胞死亡？如何来消除自噬对肿瘤细胞的保护作用？如果这些问题被解决，那么药物诱导肿瘤细胞的自噬对于肿瘤的治疗将能起到一个积极的作用[35] 。

6 发展与展望

自噬在肿瘤治疗中起的作用可成为一个新的手段，但是，由于癌症作为一个系统性疾病的复杂性，肿瘤细胞的命运不是由任何单一信号路径决定的，[36]大量的自噬互联通路在系统层面需要进一步澄清；另一方面，从治疗的角度看，掌握自噬是否有必要、时机及如何利用自噬用于对抗肿瘤细胞仍具有挑战性。[37]也因此自噬治疗肿瘤进入临床还需要进一步探索和努力。[38]

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