刘兴哲，车 楠综述，玄延花审校

0 引 言

自噬(autopaghy)是捕获和降解溶酶体中受损蛋白和细胞器的分解代谢过程[1-4]，能有效降解正常细胞代谢产物，是维持机体健康的基础。营养缺乏、缺氧、DNA损伤和细胞毒作用等均可以诱导细胞自噬发生[2, 5-6]。诱导自噬可通过调整细胞内外的动态平衡而促进细胞存活，然而过度的自噬则严重影响胚胎分化诱导细胞程序性死亡[7-8]。因此，自噬的改变与临床各种疾病如癌症、神经退行性变、心脏疾病、肝和代谢紊乱、传染病、炎症和自身免疫性疾病等密切相关[1, 4, 8-11]。过去的十年中，自噬作为一种新的方法在疾病治疗中受到了广泛的关注。然而，目前尚未发现临床可行的干预措施[8]。唯一在体内有效且在临床试验中安全的自噬抑制剂是氯喹及其衍生物羟氯喹(Hydroxychloroquine, HCQ)，它们通过阻断自噬体融合和降解抑制自噬。涉及或HCQ的30多个I/II期癌症临床试验提示自噬抑制剂与抗肿瘤活性有关[12-13]。因此，明确自噬如何调节细胞代谢为肿瘤生长提供营养物质是癌症治疗的关键点。

1 自噬的分类

根据自噬是否有目标的选择降解对象，将自噬分为选择性自噬和非选择性自噬。选择性自噬通过识别特定的靶点起作用，如受损的细胞器、蛋白质聚集物和细胞内的病原体[2]。选择性自噬降解途径包括线粒体自噬(mitophagy)、异体自噬(xenophagy)、核糖体自噬(ribophagy)和铁自噬(ferritinophagy)，自噬通过选择适当的底物在特定条件下将其降解并循环利用以维持体内平衡[1]。非选择性自噬将部分细胞质隔离形成自噬体，并将其传递给溶酶体进行降解。

根据运输到溶酶体的细胞质成分和途径不同，自噬可以分为大自噬、小自噬和分子伴侣介导的自噬。大自噬是最典型的过程，即通常所指的自噬[7]，在这个过程中，细胞质成分被称为自噬体的双膜囊泡吞噬，随后与溶酶体融合形成自噬溶酶体，其特异性物质被降解或回收[5]。小自噬通过溶酶体膜内陷直接吞噬细胞质，如长寿蛋白。分子伴侣介导的自噬则利用暴露的氨基酸KFERQ样基序回收可溶性蛋白，热休克蛋白70识别该基序后继而与溶酶体受体2A型溶酶体相关膜蛋白(lysosome-associated membrane proteins, LAMP-2A)结合而内化[10]。

2 自噬的过程及标志物

通过从酵母到哺乳动物的基因研究，目前已发现30多个自噬相关基因(autophagy associated gene, ATG)[7, 14-15]。近年来，ATG基因在调节细胞内运输、内吞、胞吐、巨胞饮和外泌体产生中的作用越来越受到重视[16]。因此，明确自噬分子水平上的调控是十分重要的。自噬形成有五个关键阶段:①吞噬泡形成或成核；②ATG5-ATG12耦联、与ATG16L相互作用以及在自噬体上多重聚合；③微管相关蛋白1轻链3(microtubule-associated protein 1 light chain3, LC3)转化并插入延伸的吞噬泡膜；④捕获随机或选择性的降解目标；⑤自噬体与溶酶体融合，随后被溶酶体酶降解[9]。

2.1吞噬泡形成在缺氧情况下，当腺苷酸活化蛋白激酶(Adenosine5’-monophosphate(AMP)-activated protein kinase, AMPK)激活时，抑制哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin, mTOR)磷酸化从而诱导其失活，导致UNC-51样激酶1/2(UNC-51-like kinase 1/2, ULK1/2)被激活。ULK1/2的激活促进了包括Beclin-1(也称BECN1)和磷脂酰肌醇-3激酶(phosphatidylinositol 3-kinase, PI3K)在内的几种自噬起始靶点的磷酸化[17]。这是吞噬泡形成初期的一个关键调控步骤[18]。

2.2ATG5与ATG12耦联和LC3转化ATG5与ATG12耦联和LC3转化两个泛素化过程是自噬的关键[9]。ATG7(类泛素激活酶)和ATG10(类泛素结合酶)共同催化形成共价结合的ATG12-ATG5复合物。随后ATG12-ATG5-ATG16L1复合物形成并直接与膜结合，促进自噬体形成[7]。LC3被认为是自噬过程中最重要的调控因子之一[19]。作为自噬体膜的结构成分，proLC3的C端被半胱氨酸蛋白酶ATG4B裂解，产生胞质异形体LC3-I[7]，随后ATG7(类泛素激活酶)激活LC3-I并将其传递给ATG3(类泛素结合酶)，后者将LC3-I与磷脂酰乙醇胺结合，最终转化为LC3-II，促进自噬体膜扩增[19]。因此，ATG4B是自噬途径中必需的酶活性成分[18]。同样，LC3-I和LC3-II转化是评价自噬活性的重要指标[18, 20]。

2.3捕获目标并降解自噬体膜形成时，可以选择性地与蛋白质聚集体和细胞器相互作用[9]。LC3-II位于自噬体的内外膜，可以与p62等衔接蛋白相互作用，诱导自噬溶酶体被降解[5]。p62可以促进多泛素化蛋白聚集物的周转，是调控溶酶体降解途径的间接靶点，也是抑制自噬体和溶酶体融合的非特异性靶点[16, 18]。

2.4自噬发生的主要调控因子细胞自噬及其分子机制由一系列蛋白质控制。吞噬泡形成初期，AMPK通过抑制mTOR磷酸化从而激活ULK1/2。ULK1/2的激活可以促进多种自噬起始靶点的磷酸化。而mTOR通过PI3K/AKT通路被生长因子信号激活，并由AMPK和p53抑制[12]。当mTOR被激活时，自噬通过磷酸化mTOR影响ULK1/2，抑制下游自噬信号的级联反应，相反，AMPK可以通过磷酸化TSC1/2抑制mTORC1信号进而刺激自噬[12]。抑癌因子受mTOR和AMPK的负调控，诱导自噬从而抑制癌变的起始阶段，相反，mTOR、PI3K和AKT可激活原癌基因，抑制自噬从而增强癌细胞的形成[2]。

3 自噬与肿瘤的关系

癌症是世界范围内的主要死亡原因，其发病率不断上升。虽然抗癌治疗已经有了很大的进步，但它在治疗肿瘤方面的疗效仍然有限[2]。自噬在肿瘤发生和肿瘤化疗过程中频繁发生。一般而言，在化疗过程中自噬对癌细胞起到保护作用，易导致肿瘤耐药进而转化为难治性癌症[7]。在肿瘤发生发展的不同阶段，自噬可能具有相反的作用，如作为肿瘤的抑制因子或启动因子。许多外部刺激可能影响肿瘤自噬，如缺氧、肿瘤微环境酸化、营养缺乏、药物治疗或感染等[14]。此外，在癌症中肿瘤抑制因子或致癌基因可以调节自噬通路。如p53，其状态可以改变自噬在肿瘤进展中的作用[14]。

3.1自噬抑制肿瘤发生自噬最初被认为是一种抑癌机制。这一概念源于早期的报道，即重要的自噬基因BECN1在40%～75%的人类前列腺癌、乳腺癌和卵巢癌中以等位基因形式丢失[4, 14, 21]。在遗传性乳腺癌的基因工程小鼠模型(genetically engineered mouse models, GEMMs)中，等位基因BECN1的缺失促进了p53的激活，降低了肿瘤的发生。但在人类癌症中BECN1的缺失与乳腺癌1号基因(breast cancer 1, BRCA1)的缺失是不能分离的，这表明BECN1在大多数人类癌症中不是肿瘤抑制因子。综上所述，BECN1仅在癌症小鼠模型中发挥抑癌作用[4, 14]。

基础水平的自噬通过控制细胞中受损成分或蛋白质的降解抑制肿瘤的发生[2, 22]。GEMMs中自噬可通过抑制ROS、DNA损伤、组织损伤、炎症和基因组不稳定性等已知的肿瘤起始诱导因子，在肿瘤发生的早期发挥抑癌作用[1]。氧化应激情况下，自噬通过调节ROS阻止肿瘤的发生，而线粒体的损伤会导致过多的ROS产生，从而促进致癌过程[2, 22]。敲除ATG5和ATG7的小鼠中，可通过氧化应激和线粒体受损诱导自噬缺失的肝细胞形成肝癌[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抑制了良性肿瘤的生长，但加快了晚期癌症的生长[13]。当暴露于化学致癌物时，ATG4缺陷的小鼠对纤维肉瘤的易感性增加。其他研究表明，ATG3、ATG5、ATG9等自噬相关基因的缺失同样与肿瘤发生相关[2]。这些结果提示自噬是抑制肿瘤发生的重要机制，自噬受损可能导致肿瘤发生。

3.2自噬促进肿瘤发展虽然在正常细胞和组织中基底细胞自噬的水平较低，但许多癌细胞系具有高水平的基底细胞自噬。自噬通过维持肿瘤细胞的基本代谢功能促进肿瘤生长、存活以及恶性肿瘤的发生[1]。此外，自噬通过增强应激耐受性和提供营养物质来满足肿瘤细胞的代谢需求，甚至在不利环境条件下也能维持细胞存活，如饥饿或缺氧，这在肿瘤生长中极为常见[14]。研究证实，在肿瘤微环境中自噬在缺氧的肿瘤区域上调，抑制肿瘤诱导的炎症，并促进肿瘤细胞存活。因此，无论是肿瘤细胞内促癌通路的激活，还是肿瘤微环境的应激，都会增加自噬的需求，从而促进肿瘤的生长和生存[22]。

3.2.1自噬促进肿瘤生长研究发现，RAS突变使自噬增加，增强了肿瘤的生长、存活以及恶化，并与一些癌症的发展相关，包括肺癌、结肠癌和胰腺癌[2]。肺癌、胰腺导管腺癌、前列腺癌和黑色素瘤的GEMMs中，敲除ATG5或ATG7肿瘤进展缓慢。乳腺癌细胞中缺失Becn1以及胶质母细胞瘤中缺失ATG13或ULK1都得到了类似的结果[1]，所以抑制自噬或自噬基因可诱导肿瘤细胞死亡。

3.2.2自噬促进肿瘤细胞侵袭迁移ATG5或ATG7在小鼠体内缺失会导致慢性肝损伤、炎症和良性肝肿瘤，这些良性肝肿瘤未能发展为癌[1, 22]。这表明即使特异性敲除自噬基因可以增加小鼠胰腺和肝脏肿瘤的发生，但自噬是肿瘤发展到恶性阶段所必需的。特异性敲除自噬基因的GEMMs中，抑制自噬可以促进组织损伤和炎症相关良性病变的形成，但许多侵袭性癌症需要自噬才能生长、存活和恶化[1]。

3.2.3自噬影响肿瘤细胞表型研究发现，自噬可以通过影响肿瘤细胞表型调节细胞迁移和侵袭[2]。上皮间质转化(epithelial mesenchymal transition, EMT)在肿瘤转移中起重要作用。早期的研究表明，自噬与EMT是相互联系的。在肿瘤转移过程中EMT激活的癌细胞具有高水平的自噬，在多种应激条件下存活[2, 23]。

干细胞自噬与维持其分化和自我更新有关。研究发现，自噬通过维持干细胞干性、诱导复发和产生对抗癌药物的耐药性，调节癌症干细胞的特性。而肿瘤细胞也可通过上调自噬增加其生长和侵袭性[2]。因此，自噬通过促进癌细胞增殖和肿瘤生长进而促进肿瘤的发展。

4 自噬与肿瘤微环境的相互作用

自噬不仅对细胞生存至关重要，而且对机体在微环境影响下的生存也至关重要[24]。肿瘤微环境由缺氧、细胞因子、炎症等多种因素构成。肿瘤微环境不仅在肿瘤的发生、发展和转移过程中起着关键作用，而且由于肿瘤细胞与其微环境周围基质持续相互作用引起的耐药性对肿瘤治疗效果也有明显影响[25]。近期研究表明，肿瘤细胞自噬与肿瘤微环境相互作用不仅可以降低细胞毒性，也可以调控癌症进展[2]。

既往研究表明，缺氧条件下缺氧诱导因子-1(hypoxia inducible factor-1, HIF-1)等应激信号影响自噬通路，促进肿瘤细胞的适应和生存。自噬中特定的HIF-1靶点包括BNIP3和BNIP3L，它们是细胞死亡调节因子Bcl-2超家族的非典型成员，也参与诱导线粒体自噬[9]。此外，BNIP3也是HIF-1下游的肿瘤抑制因子，通过促进线粒体的完整性减少活性氧(reactive oxygen species, ROS)的产生，最终抑制HIF-1α的原癌活性[16]。值得注意的是，HIF-1也可以通过葡萄糖代谢间接地调节肿瘤细胞自噬。研究表明，HIF-1α可通过促肿瘤细胞自噬或者葡萄糖代谢满足机体能量需求。当大量葡萄糖和氨基酸被剥夺时，HIF-1α通过诱导AMPK而抑制mTOR从而激活自噬为机体供能[2]。

相关研究证实自噬参与细胞因子的产生，进而诱导肝癌的发生和转移[25]。炎性细胞因子在肿瘤微环境中高表达，参与并调控肿瘤的发生。研究表明，炎症在癌细胞、巨噬细胞和其他免疫细胞中触发高水平的ROS，这些细胞分泌趋化因子和细胞因子(白细胞介素-6、肿瘤坏死因子-α、白细胞介素-10和转化生长因子-β)进入肿瘤微环境，参与调控癌症进展[2]。

肿瘤微环境中，炎症由其环境和癌旁细胞自噬引起。研究表明，炎症干扰自噬能诱导肿瘤发生[2,26]。相反，自噬通过协调炎症可以抑制肿瘤发生。如异体自噬直接清除外源性或内源性微生物避免急性炎症，从而降低炎症引起肿瘤的可能性。线粒体自噬阻止线粒体ROS和DNA的积累，避免当细胞暴露于DAMPs(损伤相关的分子模式)、ATP和其他致癌物质时过度激活炎症从而避免肿瘤发生。在炎症促进肿瘤发展过程中，炎症小体NLRP3发挥重要作用，自噬也可以通过抑制NLRP3的形成抑制炎症间接影响肿瘤发生[26]。

5 总 结

自噬在细胞器、蛋白质、细胞内运输和新陈代谢中都发挥着重要的作用， 所以自噬在许多疾病中都有不同程度的调控。但自噬在调节癌细胞死亡或存活中的作用仍存在争议。目前的研究表明，自噬可以有效地抑制早期肿瘤的形成，但在肿瘤晚期明显促进了肿瘤的生长。因此，明确自噬在肿瘤中的调控作用及分子机制为癌症的治疗提供了新的方向与前景。