劉興哲，車 楠綜述，玄延花審校

0 引 言

自噬(autopaghy)是捕獲和降解溶酶體中受損蛋白和細胞器的分解代謝過程[1-4]，能有效降解正常細胞代謝產物，是維持機體健康的基礎。營養(yǎng)缺乏、缺氧、DNA損傷和細胞毒作用等均可以誘導細胞自噬發(fā)生[2, 5-6]。誘導自噬可通過調整細胞內外的動態(tài)平衡而促進細胞存活，然而過度的自噬則嚴重影響胚胎分化誘導細胞程序性死亡[7-8]。因此，自噬的改變與臨床各種疾病如癌癥、神經退行性變、心臟疾病、肝和代謝紊亂、傳染病、炎癥和自身免疫性疾病等密切相關[1, 4, 8-11]。過去的十年中，自噬作為一種新的方法在疾病治療中受到了廣泛的關注。然而，目前尚未發(fā)現(xiàn)臨床可行的干預措施[8]。唯一在體內有效且在臨床試驗中安全的自噬抑制劑是氯喹及其衍生物羥氯喹(Hydroxychloroquine, HCQ)，它們通過阻斷自噬體融合和降解抑制自噬。涉及或HCQ的30多個I/II期癌癥臨床試驗提示自噬抑制劑與抗腫瘤活性有關[12-13]。因此，明確自噬如何調節(jié)細胞代謝為腫瘤生長提供營養(yǎng)物質是癌癥治療的關鍵點。

1 自噬的分類

根據(jù)自噬是否有目標的選擇降解對象，將自噬分為選擇性自噬和非選擇性自噬。選擇性自噬通過識別特定的靶點起作用，如受損的細胞器、蛋白質聚集物和細胞內的病原體[2]。選擇性自噬降解途徑包括線粒體自噬(mitophagy)、異體自噬(xenophagy)、核糖體自噬(ribophagy)和鐵自噬(ferritinophagy)，自噬通過選擇適當?shù)牡孜镌谔囟l件下將其降解并循環(huán)利用以維持體內平衡[1]。非選擇性自噬將部分細胞質隔離形成自噬體，并將其傳遞給溶酶體進行降解。

根據(jù)運輸?shù)饺苊阁w的細胞質成分和途徑不同，自噬可以分為大自噬、小自噬和分子伴侶介導的自噬。大自噬是最典型的過程，即通常所指的自噬[7]，在這個過程中，細胞質成分被稱為自噬體的雙膜囊泡吞噬，隨后與溶酶體融合形成自噬溶酶體，其特異性物質被降解或回收[5]。小自噬通過溶酶體膜內陷直接吞噬細胞質，如長壽蛋白。分子伴侶介導的自噬則利用暴露的氨基酸KFERQ樣基序回收可溶性蛋白，熱休克蛋白70識別該基序后繼而與溶酶體受體2A型溶酶體相關膜蛋白(lysosome-associated membrane proteins, LAMP-2A)結合而內化[10]。

2 自噬的過程及標志物

通過從酵母到哺乳動物的基因研究，目前已發(fā)現(xiàn)30多個自噬相關基因(autophagy associated gene, ATG)[7, 14-15]。近年來，ATG基因在調節(jié)細胞內運輸、內吞、胞吐、巨胞飲和外泌體產生中的作用越來越受到重視[16]。因此，明確自噬分子水平上的調控是十分重要的。自噬形成有五個關鍵階段:①吞噬泡形成或成核；②ATG5-ATG12耦聯(lián)、與ATG16L相互作用以及在自噬體上多重聚合；③微管相關蛋白1輕鏈3(microtubule-associated protein 1 light chain3, LC3)轉化并插入延伸的吞噬泡膜；④捕獲隨機或選擇性的降解目標；⑤自噬體與溶酶體融合，隨后被溶酶體酶降解[9]。

2.1吞噬泡形成在缺氧情況下，當腺苷酸活化蛋白激酶(Adenosine5’-monophosphate(AMP)-activated protein kinase, AMPK)激活時，抑制哺乳動物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin, mTOR)磷酸化從而誘導其失活，導致UNC-51樣激酶1/2(UNC-51-like kinase 1/2, ULK1/2)被激活。ULK1/2的激活促進了包括Beclin-1(也稱BECN1)和磷脂酰肌醇-3激酶(phosphatidylinositol 3-kinase, PI3K)在內的幾種自噬起始靶點的磷酸化[17]。這是吞噬泡形成初期的一個關鍵調控步驟[18]。

2.2ATG5與ATG12耦聯(lián)和LC3轉化ATG5與ATG12耦聯(lián)和LC3轉化兩個泛素化過程是自噬的關鍵[9]。ATG7(類泛素激活酶)和ATG10(類泛素結合酶)共同催化形成共價結合的ATG12-ATG5復合物。隨后ATG12-ATG5-ATG16L1復合物形成并直接與膜結合，促進自噬體形成[7]。LC3被認為是自噬過程中最重要的調控因子之一[19]。作為自噬體膜的結構成分，proLC3的C端被半胱氨酸蛋白酶ATG4B裂解，產生胞質異形體LC3-I[7]，隨后ATG7(類泛素激活酶)激活LC3-I并將其傳遞給ATG3(類泛素結合酶)，后者將LC3-I與磷脂酰乙醇胺結合，最終轉化為LC3-II，促進自噬體膜擴增[19]。因此，ATG4B是自噬途徑中必需的酶活性成分[18]。同樣，LC3-I和LC3-II轉化是評價自噬活性的重要指標[18, 20]。

2.3捕獲目標并降解自噬體膜形成時，可以選擇性地與蛋白質聚集體和細胞器相互作用[9]。LC3-II位于自噬體的內外膜，可以與p62等銜接蛋白相互作用，誘導自噬溶酶體被降解[5]。p62可以促進多泛素化蛋白聚集物的周轉，是調控溶酶體降解途徑的間接靶點，也是抑制自噬體和溶酶體融合的非特異性靶點[16, 18]。

2.4自噬發(fā)生的主要調控因子細胞自噬及其分子機制由一系列蛋白質控制。吞噬泡形成初期，AMPK通過抑制mTOR磷酸化從而激活ULK1/2。ULK1/2的激活可以促進多種自噬起始靶點的磷酸化。而mTOR通過PI3K/AKT通路被生長因子信號激活，并由AMPK和p53抑制[12]。當mTOR被激活時，自噬通過磷酸化mTOR影響ULK1/2，抑制下游自噬信號的級聯(lián)反應，相反，AMPK可以通過磷酸化TSC1/2抑制mTORC1信號進而刺激自噬[12]。抑癌因子受mTOR和AMPK的負調控，誘導自噬從而抑制癌變的起始階段，相反，mTOR、PI3K和AKT可激活原癌基因，抑制自噬從而增強癌細胞的形成[2]。

3 自噬與腫瘤的關系

癌癥是世界范圍內的主要死亡原因，其發(fā)病率不斷上升。雖然抗癌治療已經有了很大的進步，但它在治療腫瘤方面的療效仍然有限[2]。自噬在腫瘤發(fā)生和腫瘤化療過程中頻繁發(fā)生。一般而言，在化療過程中自噬對癌細胞起到保護作用，易導致腫瘤耐藥進而轉化為難治性癌癥[7]。在腫瘤發(fā)生發(fā)展的不同階段，自噬可能具有相反的作用，如作為腫瘤的抑制因子或啟動因子。許多外部刺激可能影響腫瘤自噬，如缺氧、腫瘤微環(huán)境酸化、營養(yǎng)缺乏、藥物治療或感染等[14]。此外，在癌癥中腫瘤抑制因子或致癌基因可以調節(jié)自噬通路。如p53，其狀態(tài)可以改變自噬在腫瘤進展中的作用[14]。

3.1自噬抑制腫瘤發(fā)生自噬最初被認為是一種抑癌機制。這一概念源于早期的報道，即重要的自噬基因BECN1在40%～75%的人類前列腺癌、乳腺癌和卵巢癌中以等位基因形式丟失[4, 14, 21]。在遺傳性乳腺癌的基因工程小鼠模型(genetically engineered mouse models, GEMMs)中，等位基因BECN1的缺失促進了p53的激活，降低了腫瘤的發(fā)生。但在人類癌癥中BECN1的缺失與乳腺癌1號基因(breast cancer 1, BRCA1)的缺失是不能分離的，這表明BECN1在大多數(shù)人類癌癥中不是腫瘤抑制因子。綜上所述，BECN1僅在癌癥小鼠模型中發(fā)揮抑癌作用[4, 14]。

基礎水平的自噬通過控制細胞中受損成分或蛋白質的降解抑制腫瘤的發(fā)生[2, 22]。GEMMs中自噬可通過抑制ROS、DNA損傷、組織損傷、炎癥和基因組不穩(wěn)定性等已知的腫瘤起始誘導因子，在腫瘤發(fā)生的早期發(fā)揮抑癌作用[1]。氧化應激情況下，自噬通過調節(jié)ROS阻止腫瘤的發(fā)生，而線粒體的損傷會導致過多的ROS產生，從而促進致癌過程[2, 22]。敲除ATG5和ATG7的小鼠中，可通過氧化應激和線粒體受損誘導自噬缺失的肝細胞形成肝癌[2]。在肺癌、乳腺癌、胰腺癌和黑色素瘤的GEMMs中，敲除自噬基因RAS或BRAF抑制了良性腫瘤的生長，但加快了晚期癌癥的生長[13]。當暴露于化學致癌物時，ATG4缺陷的小鼠對纖維肉瘤的易感性增加。其他研究表明，ATG3、ATG5、ATG9等自噬相關基因的缺失同樣與腫瘤發(fā)生相關[2]。這些結果提示自噬是抑制腫瘤發(fā)生的重要機制，自噬受損可能導致腫瘤發(fā)生。

3.2自噬促進腫瘤發(fā)展雖然在正常細胞和組織中基底細胞自噬的水平較低，但許多癌細胞系具有高水平的基底細胞自噬。自噬通過維持腫瘤細胞的基本代謝功能促進腫瘤生長、存活以及惡性腫瘤的發(fā)生[1]。此外，自噬通過增強應激耐受性和提供營養(yǎng)物質來滿足腫瘤細胞的代謝需求，甚至在不利環(huán)境條件下也能維持細胞存活，如饑餓或缺氧，這在腫瘤生長中極為常見[14]。研究證實，在腫瘤微環(huán)境中自噬在缺氧的腫瘤區(qū)域上調，抑制腫瘤誘導的炎癥，并促進腫瘤細胞存活。因此，無論是腫瘤細胞內促癌通路的激活，還是腫瘤微環(huán)境的應激，都會增加自噬的需求，從而促進腫瘤的生長和生存[22]。

3.2.1自噬促進腫瘤生長研究發(fā)現(xiàn)，RAS突變使自噬增加，增強了腫瘤的生長、存活以及惡化，并與一些癌癥的發(fā)展相關，包括肺癌、結腸癌和胰腺癌[2]。肺癌、胰腺導管腺癌、前列腺癌和黑色素瘤的GEMMs中，敲除ATG5或ATG7腫瘤進展緩慢。乳腺癌細胞中缺失Becn1以及膠質母細胞瘤中缺失ATG13或ULK1都得到了類似的結果[1]，所以抑制自噬或自噬基因可誘導腫瘤細胞死亡。

3.2.2自噬促進腫瘤細胞侵襲遷移ATG5或ATG7在小鼠體內缺失會導致慢性肝損傷、炎癥和良性肝腫瘤，這些良性肝腫瘤未能發(fā)展為癌[1, 22]。這表明即使特異性敲除自噬基因可以增加小鼠胰腺和肝臟腫瘤的發(fā)生，但自噬是腫瘤發(fā)展到惡性階段所必需的。特異性敲除自噬基因的GEMMs中，抑制自噬可以促進組織損傷和炎癥相關良性病變的形成，但許多侵襲性癌癥需要自噬才能生長、存活和惡化[1]。

3.2.3自噬影響腫瘤細胞表型研究發(fā)現(xiàn)，自噬可以通過影響腫瘤細胞表型調節(jié)細胞遷移和侵襲[2]。上皮間質轉化(epithelial mesenchymal transition, EMT)在腫瘤轉移中起重要作用。早期的研究表明，自噬與EMT是相互聯(lián)系的。在腫瘤轉移過程中EMT激活的癌細胞具有高水平的自噬，在多種應激條件下存活[2, 23]。

干細胞自噬與維持其分化和自我更新有關。研究發(fā)現(xiàn)，自噬通過維持干細胞干性、誘導復發(fā)和產生對抗癌藥物的耐藥性，調節(jié)癌癥干細胞的特性。而腫瘤細胞也可通過上調自噬增加其生長和侵襲性[2]。因此，自噬通過促進癌細胞增殖和腫瘤生長進而促進腫瘤的發(fā)展。

4 自噬與腫瘤微環(huán)境的相互作用

自噬不僅對細胞生存至關重要，而且對機體在微環(huán)境影響下的生存也至關重要[24]。腫瘤微環(huán)境由缺氧、細胞因子、炎癥等多種因素構成。腫瘤微環(huán)境不僅在腫瘤的發(fā)生、發(fā)展和轉移過程中起著關鍵作用，而且由于腫瘤細胞與其微環(huán)境周圍基質持續(xù)相互作用引起的耐藥性對腫瘤治療效果也有明顯影響[25]。近期研究表明，腫瘤細胞自噬與腫瘤微環(huán)境相互作用不僅可以降低細胞毒性，也可以調控癌癥進展[2]。

既往研究表明，缺氧條件下缺氧誘導因子-1(hypoxia inducible factor-1, HIF-1)等應激信號影響自噬通路，促進腫瘤細胞的適應和生存。自噬中特定的HIF-1靶點包括BNIP3和BNIP3L，它們是細胞死亡調節(jié)因子Bcl-2超家族的非典型成員，也參與誘導線粒體自噬[9]。此外，BNIP3也是HIF-1下游的腫瘤抑制因子，通過促進線粒體的完整性減少活性氧(reactive oxygen species, ROS)的產生，最終抑制HIF-1α的原癌活性[16]。值得注意的是，HIF-1也可以通過葡萄糖代謝間接地調節(jié)腫瘤細胞自噬。研究表明，HIF-1α可通過促腫瘤細胞自噬或者葡萄糖代謝滿足機體能量需求。當大量葡萄糖和氨基酸被剝奪時，HIF-1α通過誘導AMPK而抑制mTOR從而激活自噬為機體供能[2]。

相關研究證實自噬參與細胞因子的產生，進而誘導肝癌的發(fā)生和轉移[25]。炎性細胞因子在腫瘤微環(huán)境中高表達，參與并調控腫瘤的發(fā)生。研究表明，炎癥在癌細胞、巨噬細胞和其他免疫細胞中觸發(fā)高水平的ROS，這些細胞分泌趨化因子和細胞因子(白細胞介素-6、腫瘤壞死因子-α、白細胞介素-10和轉化生長因子-β)進入腫瘤微環(huán)境，參與調控癌癥進展[2]。

腫瘤微環(huán)境中，炎癥由其環(huán)境和癌旁細胞自噬引起。研究表明，炎癥干擾自噬能誘導腫瘤發(fā)生[2,26]。相反，自噬通過協(xié)調炎癥可以抑制腫瘤發(fā)生。如異體自噬直接清除外源性或內源性微生物避免急性炎癥，從而降低炎癥引起腫瘤的可能性。線粒體自噬阻止線粒體ROS和DNA的積累，避免當細胞暴露于DAMPs(損傷相關的分子模式)、ATP和其他致癌物質時過度激活炎癥從而避免腫瘤發(fā)生。在炎癥促進腫瘤發(fā)展過程中，炎癥小體NLRP3發(fā)揮重要作用，自噬也可以通過抑制NLRP3的形成抑制炎癥間接影響腫瘤發(fā)生[26]。

5 總 結

自噬在細胞器、蛋白質、細胞內運輸和新陳代謝中都發(fā)揮著重要的作用， 所以自噬在許多疾病中都有不同程度的調控。但自噬在調節(jié)癌細胞死亡或存活中的作用仍存在爭議。目前的研究表明，自噬可以有效地抑制早期腫瘤的形成，但在腫瘤晚期明顯促進了腫瘤的生長。因此，明確自噬在腫瘤中的調控作用及分子機制為癌癥的治療提供了新的方向與前景。