自噬的調(diào)控及其對腫瘤的作用

陽麗君(綜述)，鄭志竑(審校)

(福建醫(yī)科大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院生物化學(xué)與分子生物學(xué)系，福州350004)

自噬是細(xì)胞利用溶酶體降解自身受損細(xì)胞器和大分子物質(zhì)的過程，細(xì)胞內(nèi)多數(shù)長半衰期蛋白質(zhì)可通過自噬途徑降解，從而維持細(xì)胞內(nèi)穩(wěn)定。在這個過程中，首先由前自噬體結(jié)構(gòu)(pre-autophagosomal structure，PAS)形成具有雙層膜結(jié)構(gòu)的自噬泡，該膜不斷延伸并包裹部分細(xì)胞質(zhì)和待降解的蛋白質(zhì)、細(xì)胞器從而形成自噬體。隨著自噬泡外膜與溶酶體膜的融合，內(nèi)膜及其包裹物質(zhì)進(jìn)入溶酶體腔降解，其降解產(chǎn)物釋放到細(xì)胞質(zhì)中供生物合成和代謝，維持細(xì)胞穩(wěn)態(tài)。根據(jù)細(xì)胞內(nèi)底物運(yùn)送到溶酶體腔方式的不同，哺乳動物細(xì)胞自噬可分為三種主要方式:巨自噬、微自噬和分子伴侶介導(dǎo)的自噬［1］。自噬廣泛存在于真核細(xì)胞的病理和生理過程中，是真核細(xì)胞特有的生命現(xiàn)象。

1 自噬的分子機(jī)制

自噬過程可分為誘導(dǎo)階段、起始階段、延長階段和成熟降解階段。目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)30多種自噬相關(guān)基因(autophagy associated gene，Atg)的產(chǎn)物參與協(xié)調(diào)自噬體的形成，在自噬的不同階段發(fā)揮不同的作用。

Atg1/ULK1(在酵母中命名為Atg1，其哺乳動物同源蛋白命名為ULK1)主要參與自噬的誘導(dǎo)階段，對于自噬體成核和延伸至關(guān)重要［2］，其活性受哺乳動物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin，mTOR)的調(diào)控。mTOR是一種非典型的絲/蘇氨酸激酶，是能量與營養(yǎng)狀態(tài)的感受器。根據(jù)對雷帕霉素的敏感性，目前mTOR激酶復(fù)合體可分為對雷帕霉素敏感的 mTORC1(mTOR、GβL和 raptor)和不敏感的mTORC2(mTOR、mLST8、rictor、SIN1 和 protor)。在營養(yǎng)豐富的條件下，mTORC1(Raptor與 Atg1/ULK1相互作用)與Atg1/ULK1結(jié)合而直接抑制自噬的下游信號，也可以引起Atg13的高磷酸化。Atg13在高磷酸化狀態(tài)下，與Atg1的親和力下降，使Atg1激酶活性降低，抑制自噬的下游信號［3］。

Atg6/Beclin1(在酵母中命名為Atg6，其哺乳動物同源蛋白命名為Beclin1)主要參與自噬的起始階段。Ⅲ型磷脂酰肌醇3激酶(classⅢ phosphatidylinositol 3-kinase，ⅢPI3K)的催化亞基Vps34與Atg6/Beclin1的保守結(jié)構(gòu)域(ECD)結(jié)合，催化質(zhì)膜的磷脂酰肌醇生成磷脂酰肌醇三磷酸，磷脂酰肌醇三磷酸募集含有其結(jié)合域的分子到細(xì)胞內(nèi)膜，并促進(jìn)自噬相關(guān)蛋白 Atg21、Atg24 等結(jié)合到膜上，形成 PAS［4-5］。

自噬體膜的延長階段需要兩個泛素樣蛋白結(jié)合系統(tǒng)的參與。一個是定位于自噬體外膜的泛素樣蛋白質(zhì)系統(tǒng)，Atg12分別在Atg7和Atg10兩種酶作用下連接到Atg5形成復(fù)合體，Atg5進(jìn)一步與Atg16的螺旋-螺旋區(qū)非共價結(jié)合形成 Atg12-Atg5-Atg16復(fù)合體，而Atg16依靠自身的卷曲螺旋結(jié)構(gòu)發(fā)生同源寡聚作用，在形成更大的復(fù)合物后結(jié)合到PAS上參與PAS的延伸［6］;另一個是內(nèi)外膜都有定位的泛素樣蛋白質(zhì)系統(tǒng)，Atg8/LC3(在酵母中命名為Atg8，其哺乳動物同源蛋白命名為LC3)分別在Atg7和Atg3兩種酶作用下共價連接到磷脂酰乙醇胺(phosphatidyl ethanolamine，PE)上形成復(fù)合體 LC3-Ⅱ-PE，LC3-Ⅱ-PE 再結(jié)合到膜上參與PAS的延伸［7］。

最后，自噬體通過與溶酶體融合而形成成熟的自噬體，即自噬溶酶體。在自噬溶酶體內(nèi)，自噬體內(nèi)膜及其包裹物在溶酶體內(nèi)被降解，隨后降解產(chǎn)物釋放到細(xì)胞質(zhì)中以供生物合成和代謝，這些降解產(chǎn)物包括氨基酸、脂類、核苷酸和碳水化合物等［8］。

2 自噬的信號調(diào)控

近年來，自噬的信號調(diào)控機(jī)制的研究取得了很大的進(jìn)展。自噬根據(jù)信號調(diào)控主要可分為依賴mTOR的自噬和不依賴mTOR的自噬。

mTOR作為能量與營養(yǎng)狀態(tài)的感受器，在自噬過程中發(fā)揮門控作用，其活性是自噬體形成及成熟的關(guān)鍵。在哺乳動物細(xì)胞內(nèi)，調(diào)節(jié)mTOR活性的信號通路主要有兩條，分別是PI3K/蛋白激酶B(PI3K/PKB)信號通路和腺苷酸活化蛋白激酶(5'AMP-activated protein kinase，AMPK)信號通路。PI3K/PKB信號通路是調(diào)節(jié)mTOR活性的主要信號通路。PI3K目前被分為三類——ⅠPI3K、ⅡPI3K、ⅢPI3K，這三類PI3K均參與自噬的調(diào)節(jié)。ⅠPI3K是自噬的負(fù)調(diào)節(jié)分子，其產(chǎn)生的PIP2和PIP3可結(jié)合PKB和它的活化分子磷酸肌醇依賴性蛋白激酶1，活化的PKB不僅可以直接磷酸化mTOR，還可以通過結(jié)節(jié)性硬化復(fù)合物(tuberous sclerosis complex，TSC)激活下游分子mTOR［9］。TSC是 mTOR 活性的負(fù)調(diào)控因子，TSC2與TSC1形成的TSC復(fù)合物具有GTP酶激活蛋白活性，它能夠促使Rheb蛋白由活化形式轉(zhuǎn)變?yōu)榉腔罨问?，抑制mTOR活性。生長因子包括胰島素和胰島素樣生長因子與其受體結(jié)合，可經(jīng)ⅠPI3K/PKB信號通路激活 mTOR，進(jìn)而抑制自噬［10］。腫瘤抑制基因PTEN是ⅠPI3K活性的負(fù)向調(diào)節(jié)分子，它使PIP3去磷酸化，從而解除ⅠPI3K/PKB途徑對自噬的抑制［11］。此外，ⅢPI3K也參與調(diào)節(jié)自噬，它的催化亞基Vps34與Atg6/Beclin1結(jié)合促進(jìn)自噬體的形成［3-4］。研究結(jié)果顯示自噬抑制劑3-甲基腺嘌呤(3-MA)是通過抑制ⅢPI3K(Vps34)的活性而抑制自噬［12］。

AMPK信號通路是調(diào)節(jié)mTOR活性的另一條信號通路，AMPK是細(xì)胞內(nèi)重要的能量感受器，其上游分子蘇氨酸蛋白激酶1可磷酸化激活A(yù)MPK相關(guān)激酶家族蛋白，它的活性受胞內(nèi)AMP/ATP比值的調(diào)控，AMPK在胞內(nèi)AMP/ATP比值升高時活化，活化的AMPK可以介導(dǎo)TSC2的磷酸化而抑制mTOR的活性，從而誘導(dǎo)自噬［13-14］。胞核腫瘤抑制基因p53的激活可以促進(jìn)AMPK激活進(jìn)而抑制mTOR活性來誘導(dǎo)自噬，p53作為核轉(zhuǎn)錄因子還能夠轉(zhuǎn)錄激活許多自噬相關(guān)基因，從而誘導(dǎo)自噬［15-16］。

細(xì)胞內(nèi)還存在一些不依賴mTOR信號通路的自噬。在線粒體中，谷氨酰胺脫氨作用產(chǎn)生的氨，可以通過自分泌或旁分泌作用誘導(dǎo)自噬［17］。胰高血糖素是一種促進(jìn)分解代謝的激素，在肝臟中，它可以誘導(dǎo)自噬［8］。環(huán)磷腺苷酸在間質(zhì)干細(xì)胞也能誘導(dǎo)自噬［18］。

3 自噬在腫瘤中的“雙刃劍”作用

自噬在腫瘤中的作用極其復(fù)雜，研究結(jié)果顯示，在大多數(shù)腫瘤中，盡管癌變前細(xì)胞自噬能力各不相同，但在癌變之后其自噬能力均減弱，說明自噬具有抑制腫瘤發(fā)生的作用。Won等［19］對168例鱗狀細(xì)胞癌患者及94例肺腺癌患者研究中發(fā)現(xiàn)癌組織中Beclin1的表達(dá)下調(diào)，由此得出自噬能力的減弱與腫瘤的發(fā)生相關(guān)。自噬缺陷的腫瘤細(xì)胞在應(yīng)激條件下其基因組通常表現(xiàn)出很高程度的損傷，自噬具有維持基因組穩(wěn)定性的功能。在應(yīng)激條件下，細(xì)胞依賴于自噬將受損的DNA和蛋白質(zhì)清除來維持其穩(wěn)態(tài)，自噬能力的減弱會造成損傷的積累，最終造成腫瘤的發(fā)生［20］。

盡管研究表明多數(shù)腫瘤細(xì)胞的自噬活性都降低，但是仍然有一些腫瘤細(xì)胞保持了較高的自噬活性。這種現(xiàn)象可以在實體瘤的核心和血液供應(yīng)比較差的腫瘤細(xì)胞觀察到，腫瘤細(xì)胞可以在營養(yǎng)缺乏和缺氧的微環(huán)境中存活，在惡劣環(huán)境中的生存起到了一定的保護(hù)作用［21-22］。另外，有代謝壓力及瀕臨死亡的細(xì)胞通過釋放促炎因子如損傷相關(guān)分子模式分子誘導(dǎo)自噬，利于其在惡劣的腫瘤微環(huán)境中存活［23］。腫瘤化療、放療后自噬活性增強(qiáng)，表明自噬可能通過去除受損的細(xì)胞器，保護(hù)癌細(xì)胞免于抗癌治療，使細(xì)胞逃避凋亡，繼續(xù)存活［24］。

4 結(jié)語

自噬是真核細(xì)胞中一種普遍而又重要的生命現(xiàn)象，廣泛參與多種生理和病理過程。但自噬究竟是抑制腫瘤還是促進(jìn)腫瘤生長，還未有明確定論，許多學(xué)者都暫認(rèn)為自噬具有“雙刃劍”效應(yīng)。隨著對自噬與腫瘤形成、生長及其與多種抗癌治療反應(yīng)之間關(guān)系的不斷深入研究，將來有望通過誘導(dǎo)自噬或者抑制自噬達(dá)到治療腫瘤的目的。

［1］Yang Z，Klionsky DJ.Mammalian autophagy:core molecular machinery and signaling regulation［J］.Curr Opin Cell Biol，2010，22(2):124-131.

［2］Mixushima N.The role of the Atg1/ULK1 complex in autophagy regulation［J］.Curr Opin Cell Biol，2010，22(2):132-139.

［3］Chang Y，Neufeld T.An Atg1/Atg13 complex with multiple roles in TOR-mediated autophagy regulation［J］.Mol Biol Cell，2009，20(7):2004-2014.

［4］Noda T，matsunaqa K，Taquchi-Atarshi N，et al.Regulation of membrane biogenesis in autophagy via PI3P dynamics［J］.Semin Cell Dev Biol，2010，21(7):671-676.

［5］Fuderburk SF，Wang QJ，Yue Z.The Beclin1-VPS34 complex-at the crossroads of autophagy and beyond［J］.Trend Cell Biol，2010，20(6):355-362.

［6］Fujioka Y，Noda NN，Nakatogawa H，et al.Dimeric coiled-coil structure of saccharomyces cerevisiae atg16 and its functional significance in autophagy［J］.J Biol Chem，2010，285(2):1508-1515.

［7］Yamaquchi M，Noda NN，Nakatogawa H，et al.Autophagy-related protein 8(Atg8)family interacting motif in Atg3 mediates the Atg3-Atg8 interaction and is crucial for the cytoplasm-to-vacuole targeting pathway［J］.J Biol Chem，2010，285(38):29599-29607.

［8］Rabinowitz J，White E.Autophagy and Metabolism［J］.Science，2010，330(6009):1344-1348.

［9］Narayanan S，F(xiàn)lores A，Wang F，et al.Akt signals through the mammalian target of rapamycin，mTOR，pathway to regulate central nervous system myelination［J］.J Neurosci，2009，29(21):6860-6870.

［10］Rozengurt E，Sinnett-Smith J，Kisfalvi K.Crosstalk between insulin/IGF-1 and GPCR signaling systems:A novel target for the antidiabetic drug metformin in pancreatic cancer［J］.Clin Cancer Res，2010，16(9):2505-2511.

［11］Steelman L，Chappell W，Abrams S，et al.Roles of the Raf/MEK/ERK and PI3K/PTEN/Akt/mTOR pathways in controlling growth and sensitivity to therapy-implications for cancer and aging［J］.Aging(Albany NY)，2011，3(3):192-222.

［12］Wu Y，Tan H，Shui G，et al.Dual role of 3-methyladenine in modulation of autophagy via different temporal patterns of inhibition on classⅠ and Ⅲphosphoinositide 3-kinase［J］.J Biol Chem，2010，285(14):10850-10861.

［13］ShackelfordD，Shaw R.The LKB1-AMPK pathway:metabolism and growth control in tumor suppression［J］.Nat Rev Cancer，2009，9(8):563-575.

［14］Wolff NC，Veqa-Rubin-de-Celis S，Xie XJ，et al.Cell-type-dependent regulation of mTORC1 by REDD1 and the tumor suppressors TSC1/TSC2 and LKB1 in response to hypoxia［J］.Mol Cell Bio，2011，31(9):1870-1884.

［15］Zaikowicz A，Rusin M.The activation of the p53 pathway by the AMP mimetic AICAR is reduced by inhibitors of the ATM or mTOR kinases［J］.Mech Ageing Dev，2011，132(11/12):543-551.

［16］Muiuri MC，Galluzzi L，Morselli E，et al.Autophagy regulation by p53［J］.Curr Opin Cell Biol，2010，22(2):181-185.

［17］Eng CH，Abraham RT.Glutaminolysis yields a metabolic by-product that stimulates autophagy［J］.Autophagy，2010，6(7):968-970.

［18］Ugland H，Naderi S，Brech A，et al.cAMP induces autophagy via a novel pathway involving ERK，cyclin E and Beclin 1［J］.Autophagy，2011，7(10):1199-1211.

［19］Won KY，Kim GY，Lim SJ，et al.Decreased Beclin-1 expression is correlated with the growth of the primary tumor in patients with squamous cell carcinoma and adenocarcinoma of the lung［J］.Hum Pathol，2012，43(1):62-68.

［20］Jin S，White E.Tumor suppression by autophagy through the management of metabolic stress［J］.Autophagy，2008，4(5):563-566.

［21］Kroemer G，Mari?o G，Levine B.Autophagy and the integrated stress response［J］.Mol Cell，2010，40(2):280-293.

［22］Mathew R，White E.Autophagy in tumorigenesis and energy metabolism:friend by day，foe by night［J］.Curr Opin Genet Dev，2011，21(1):113-119.

［23］Tang D，Kang R，Livesey K，et al.Endogenous HMGB1 regulates autophagy［J］.J Cell Biol，2010，190(5):881-892.

［24］Amaravadi R，Lippincott-Schwartz J，Yin X，et al.Principles and current strategies for targeting autophagy for cancer treatment［J］.Clin Cancer Res，2011，17(4):654-666.