引用本文： 孫雨晴, 韓鋒鋒. 自噬相關分子機制在肺癌中的作用. 中國呼吸與危重監護雜志, 2018, 17(3): 319-322. doi: 10.7507/1671-6205.201704023 復制
版權信息： ?四川大學華西醫院華西期刊社《中國呼吸與危重監護雜志》版權所有，未經授權不得轉載、改編
肺癌是世界上最常見的惡性腫瘤之一，是腫瘤相關性死亡的主要原因，其中約 85% 是非小細胞肺癌（non-small cell lung cancer，NSCLC）。盡管在治療上，包括手術、放療和化療及分子生物治療等方面取得了顯著的進步，但是肺癌患者的預后仍然很差，5 年生存率低于 15%[1]。在真核生物細胞中，自噬針對營養缺乏及其他的代謝應激做出積極的應答從而保持高度保守的自我消化過程，自噬調節異常與人類許多疾病有關，其中包括癌癥[2]。目前研究發現，自噬相關分子表達及自噬相關通路與肺癌預后及治療密切相關，但自噬是否有益于肺癌患者的預后及療效存在爭議，有研究發現自噬抑制腫瘤的進展，而其他研究則表示自噬促進腫瘤的生長。以自噬為導向的臨床實驗在分子機制上取得了某些進展，抑制或促進自噬可能有助于提高肺癌的治療療效[3]。
1 自噬與癌癥的關系
1.1 自噬的定義
自噬是自噬相關蛋白復合物形成的雙層膜吞噬泡從而隔離細胞內容物的一種機制，該吞噬泡被稱之為自噬小體，細胞內容物（包括受損或多余的蛋白質、器官、脂類等）被自噬小體攝取，運送到溶酶體進行降解。自噬受體 p62 可結合細胞內容物和自噬小體膜成分 LC3II 加速降解。自噬小體的降解產物包括糖類，核糖體，氨基酸和脂肪酸，可被重新釋放到細胞質中參與細胞的新陳代謝[4-5]。
自噬是細胞自我消化的過程，是一種程序性死亡。缺乏營養時，細胞為了產生能量、延長壽命，會降解亞細胞內容物及新陳代謝前體細胞；自噬也可以降解受損或衰老的器官、錯誤折疊或受損的蛋白質維持細胞的生存[6]。圖 1 展示了主要的自噬相關基因和信號通路。
圖1
主要的自噬相關基因和信號通路
1.2 自噬和癌癥
自噬對抵抗癌癥起著最佳的免疫監視作用，某些腫瘤蛋白抑制自噬，某些腫瘤抑制蛋白促進自噬[4]。然而，在癌細胞中，自噬是應對細胞內應激和環境壓力而產生的一種保護機制，因此有助于腫瘤的進展[4]。因此，正常細胞中，自噬的作用是維持細胞的穩態，若自噬活動未能清除受損的蛋白質或者器官，則會促進腫瘤的發生，并且促進腫瘤的進展，自噬在腫瘤的形成過程中是一把雙刃劍[7]。
2 自噬相關基因/信號通路在肺癌預后中的作用
2.1 Beclin 1 和 p62 在肺癌中的表達及不同臨床意義
Beclin 1（BECN1）是酵母中 apg6/vps30 的同源物，第一個被發現存在于自噬和癌癥之間的關聯中[8]，是重要的自噬標記物和調節者。Beclin1 和 LC3I（可轉換成 LC3II）結合，與 P62/SQSTM1（p62）相互作用。P62 是自噬被抑制的結果，它與不良的預后密切相關[9]。
Wang 等[10]的實驗結果顯示，beclin1 低表達/p62 高表達與 NSCLC 患者的低生存率存在明顯的關系（P<0.001），而 beclin1 高表達/p62 低表達的肺癌患者有著更長的生存時間。Beclin1 和 p62 是 NSCLC 患者總體生存率的獨立危險因素。
Schl?fli 等[9]研究發現，LC3 和 p62 之間有著明顯的關系，LC3 高表達水平和低度腫瘤侵襲性有關，而 p62 高表達水平與侵襲性腫瘤活動之間有著明顯的關系。高表達 LC3/高表達 p62 的 NSCLC 患者有著更高的總體生存率；胞質和胞核中 p62 低表達和更高的總體生存率密切相關。而且，胞質 p62 和胞核 p62 同時低表達是總體生存率的獨立預后因素[9]。
2.2 表達野生型/突變型 KRAS 的 NSCLC 細胞代謝和自噬的關系
KRAS 是 NSCLC 中最常見的突變型癌基因，影響第 12 位密碼子，其中以甘氨酸在 12 位密碼子上被取代（G12C）最常見[11]。這些突變導致不可控的細胞生長、增殖和存活[11]。KRAS 信號高度復雜和多變，很多下游影響因子參與其中，包括激活 PI3K/AKT/mTOR 信號通路，是 NSCLC 患者的不良預測因素[11]。
Caiola 等[11]的研究發現，谷氨酰胺的代謝和自噬活動的直接聯系主要是通過谷氨酰胺脫氨基產生氨，而且 KRAS-G12C 細胞的生長和增殖依賴于谷氨酸鹽。使用 PI3K/mTOR 抑制劑和 PI3K 抑制劑（BEZ235 和 BKM120）后，突變型-KRAS（KRAS-G12C）細胞中谷氨酸鹽和谷氨酰胺代謝通路被干擾，導致氨的釋放明顯減少，而在野生型-KRAS（KRAS-WT）細胞中，氨的水平無明顯的改變；KRAS-WT 細胞中 LC3II 蛋白水平增加，而在 KRAS-G12C 細胞中，LC3II 蛋白水平卻沒有明顯的變化，這說明 PI3K/mTOR 抑制劑僅在 KRAS-WT 中激活氨-誘導的自噬，很可能是為了維持能量的平衡。而在 KRAS-G12C 細胞中，氨并沒有誘導自噬產生，這是因為谷氨酰胺代謝受損所致。
2.3 p53 的靶向基因 Siva 抑制 NSCLC 細胞中的自噬作用
Siva 是 p53 依賴性凋亡必不可少的 p53 靶向基因[12]，盡管在某些機制中，Siva 亦可通過抑制 p53 促進細胞的增殖[12]。Van Nostrand 等[12]的研究發現，在 NSCLC 細胞中，Siva 確實促進細胞增殖、轉移，并且降低了 NSCLC 患者的總體生存率，但是和 p53 的作用無關。抑制 Siva 能觸發自噬流的增加（即 LC3II 增加），自噬活動的增加可以降低細胞的增殖和轉移。該研究表明，Siva 通常情況下是抑制自噬的，可能的機制是通過直接負調控上游信號通路抑制自噬。mTOR 可促進腫瘤的發生，Siva 通過影響有絲分裂信號通路促進 mTOR 的活動，從而降低肺癌細胞的代謝[12]。
2.4 Derlin-1 和 p62 在內質網應激狀態下相互作用
Derlin-1 是一種多功能蛋白質，調節內質網（ER）錯誤折疊蛋白質的清除，在某些腫瘤中高度表達[13-14]，如肺癌、乳腺癌、結腸癌等。Xu 等[15]的實驗結果發現 Derlin-1 可能是一個潛在的致癌因子。Derlin-1 在 NSCLC 細胞中的表達高于 SCLC，這與腫瘤的分期和淋巴結轉移有關。在肺癌細胞 ER 應激狀態下，Derlin1 的表達增加；Derlin1 下調并沒有影響 beclin1 和 LC3II 的表達，但是卻破壞了 p62 的降解，導致自噬流的阻滯；而且，實驗過程中還發現 Derlin-1 和 p62 相互作用，但是潛在的機制仍需探索。Derlin-1 在肺癌進展過程中發揮的作用也需要進一步探索。
3 自噬在肺癌相關治療中的進展
3.1 缺氧誘導的自噬提高 NSCLC 細胞對化療的抗藥性
Lee 等[16]的研究結果顯示，和正常組織相比，NSCLC 細胞在缺氧的環境下，LC3I 轉換到 LC3II 的水平大量增加，而 p62 的水平明顯下降，說明缺氧環境誘導自噬產生；對缺氧和正常氧環境中的肺癌細胞同時使用化療藥物，發現缺氧環境中的肺癌細胞生存率高于正常氧組，說明缺氧誘導的自噬提高了癌細胞對化療的抗藥性。
3.2 klotho 表達水平的下降通過調節細胞自噬促進肺癌細胞的抗藥性
klotho 最初是作為抗衰老基因被發現，現在被確認為腫瘤的抑制因子[17]。Chen 等[17]的研究發現，在耐藥的肺癌細胞中，klotho 的表達水平明顯下降，而 klotho 表達的下調明顯促進肺癌細胞的生長；相反，klotho 的高表達可抑制抗藥肺癌細胞的增殖。而且，在抑制耐藥的肺癌細胞增殖方面，鉑類化合物通過時間依賴性和劑量依賴性機制與 klotho 高表達起著協同作用。在抗藥肺癌細胞中，beclin1 和 LC3II 的水平明顯增加，表明細胞自噬活動的增加。伴隨著細胞自噬水平的增加，klotho 表達水平明顯降低，說明 klotho 高表達可以抑制耐藥癌細胞的自噬水平，這些現象可能有助于逆轉肺癌細胞對藥物的抵抗性。
3.3 Stathmin1 通過提高自噬水平增加 NSCLC 細胞對射線的抵抗
人癌基因 18（Op18）/Stathmin（STMN）是胞質中高度保守的小分子磷蛋白（18 kDa～19 kDa），在很多腫瘤細胞中高表達[18]。Nie 等[19]發現 STMN1 在 NSCLC 組織中的表達明顯高于非腫瘤組織，并與肺癌的不良分化和 TNM 分期相關，而且 STMN1 高表達的 NSCLC 患者的預后非常差；相反，STMN1 的下調和肺癌細胞的增殖及侵襲性的減弱呈正相關。研究還發現，STMN1 高表達是 NSCLC 患者不良預后的獨立預測因子[19]。Zhang 等[20]通過研究發現，STMN1 蛋白的低表達是通過上調 PI3K/mTOR 信號通路的活動，抑制射線誘導的自噬，提高 NSCLC 細胞對 X 射線的敏感性。因此，STMN1 有可能是 NSCLC 治療潛在的治療靶點。
3.4 自噬在肺癌相關治療中的其他進展
Mimulone（MML）是從毛泡桐中提取出的黃酮類物質之一[21]，An 等[1]首次發現 MML 在肺癌細胞中發揮保護作用。使用 MML 的癌細胞中可發現 LC3 的聚集，LC3I 和 LC3II 的表達水平增加，p53 水平降低，p-mTOR 水平降低，而 p-AMPK 水平提高，說明 MML 通過 p53 調節 AMPK/mTOR 信號通路誘導自噬的產生，并最終促進細胞凋亡。因此，在野生型 p53 肺癌細胞中，自噬有助于 MML 發揮保護肺癌細胞的作用。
Chakradeo 等[22]研究發現，野生型 p53 肺癌細胞射線治療后，誘導產生的自噬（P62 降解減少）發揮細胞保護作用；在功能性 p53 存在的前提下，抑制自噬可以提高肺癌細胞對射線的敏感性。
另外，在肺癌細胞中，miR-17-5p 直接與 BECN1 的 3’-UTR 區域結合，通過改變 beclin1 的表達從而在自噬中發揮作用。Chatterjee 等[23]發現在對紫杉醇耐藥的肺癌細胞中，miR-17-5p 高表達可促進 beclin1 的表達下降，抑制自噬作用，從而增加癌細胞對紫杉醇的敏感性，誘導細胞凋亡，提高療效。
4 結語
自噬是一種保護蛋白質更新和內穩態的主要機制[24]，可分為巨自噬、微自噬、分子伴侶介導的自噬，研究最多的類型是巨自噬，其分子機制已被廣為認知[25]。自噬通過某些方式作用于肺癌治療：一方面，mTOR 抑制劑等化合物激發生物應答，該方式被認為是新型的并且有前景的治療方法；另一方面，大量研究表明自噬與抵抗反應有關。甚至，在對非 DNA 損傷劑的應答中，也可以發現自噬的產生，綜上可見，自噬在肺癌治療中廣泛存在，但其作用呈現雙面性主要取決于自噬相關機制及治療藥物的使用[26]。關于微自噬、分子伴侶介導的自噬在肺癌中的機制及作用沒有太多研究，值得我們深入探索，為肺癌治療提供新靶向。
肺癌是世界上最常見的惡性腫瘤之一，是腫瘤相關性死亡的主要原因，其中約 85% 是非小細胞肺癌（non-small cell lung cancer，NSCLC）。盡管在治療上，包括手術、放療和化療及分子生物治療等方面取得了顯著的進步，但是肺癌患者的預后仍然很差，5 年生存率低于 15%[1]。在真核生物細胞中，自噬針對營養缺乏及其他的代謝應激做出積極的應答從而保持高度保守的自我消化過程，自噬調節異常與人類許多疾病有關，其中包括癌癥[2]。目前研究發現，自噬相關分子表達及自噬相關通路與肺癌預后及治療密切相關，但自噬是否有益于肺癌患者的預后及療效存在爭議，有研究發現自噬抑制腫瘤的進展，而其他研究則表示自噬促進腫瘤的生長。以自噬為導向的臨床實驗在分子機制上取得了某些進展，抑制或促進自噬可能有助于提高肺癌的治療療效[3]。
1 自噬與癌癥的關系
1.1 自噬的定義
自噬是自噬相關蛋白復合物形成的雙層膜吞噬泡從而隔離細胞內容物的一種機制，該吞噬泡被稱之為自噬小體，細胞內容物（包括受損或多余的蛋白質、器官、脂類等）被自噬小體攝取，運送到溶酶體進行降解。自噬受體 p62 可結合細胞內容物和自噬小體膜成分 LC3II 加速降解。自噬小體的降解產物包括糖類，核糖體，氨基酸和脂肪酸，可被重新釋放到細胞質中參與細胞的新陳代謝[4-5]。
自噬是細胞自我消化的過程，是一種程序性死亡。缺乏營養時，細胞為了產生能量、延長壽命，會降解亞細胞內容物及新陳代謝前體細胞；自噬也可以降解受損或衰老的器官、錯誤折疊或受損的蛋白質維持細胞的生存[6]。圖 1 展示了主要的自噬相關基因和信號通路。
圖1
主要的自噬相關基因和信號通路
1.2 自噬和癌癥
自噬對抵抗癌癥起著最佳的免疫監視作用，某些腫瘤蛋白抑制自噬，某些腫瘤抑制蛋白促進自噬[4]。然而，在癌細胞中，自噬是應對細胞內應激和環境壓力而產生的一種保護機制，因此有助于腫瘤的進展[4]。因此，正常細胞中，自噬的作用是維持細胞的穩態，若自噬活動未能清除受損的蛋白質或者器官，則會促進腫瘤的發生，并且促進腫瘤的進展，自噬在腫瘤的形成過程中是一把雙刃劍[7]。
2 自噬相關基因/信號通路在肺癌預后中的作用
2.1 Beclin 1 和 p62 在肺癌中的表達及不同臨床意義
Beclin 1（BECN1）是酵母中 apg6/vps30 的同源物，第一個被發現存在于自噬和癌癥之間的關聯中[8]，是重要的自噬標記物和調節者。Beclin1 和 LC3I（可轉換成 LC3II）結合，與 P62/SQSTM1（p62）相互作用。P62 是自噬被抑制的結果，它與不良的預后密切相關[9]。
Wang 等[10]的實驗結果顯示，beclin1 低表達/p62 高表達與 NSCLC 患者的低生存率存在明顯的關系（P<0.001），而 beclin1 高表達/p62 低表達的肺癌患者有著更長的生存時間。Beclin1 和 p62 是 NSCLC 患者總體生存率的獨立危險因素。
Schl?fli 等[9]研究發現，LC3 和 p62 之間有著明顯的關系，LC3 高表達水平和低度腫瘤侵襲性有關，而 p62 高表達水平與侵襲性腫瘤活動之間有著明顯的關系。高表達 LC3/高表達 p62 的 NSCLC 患者有著更高的總體生存率；胞質和胞核中 p62 低表達和更高的總體生存率密切相關。而且，胞質 p62 和胞核 p62 同時低表達是總體生存率的獨立預后因素[9]。
2.2 表達野生型/突變型 KRAS 的 NSCLC 細胞代謝和自噬的關系
KRAS 是 NSCLC 中最常見的突變型癌基因，影響第 12 位密碼子，其中以甘氨酸在 12 位密碼子上被取代（G12C）最常見[11]。這些突變導致不可控的細胞生長、增殖和存活[11]。KRAS 信號高度復雜和多變，很多下游影響因子參與其中，包括激活 PI3K/AKT/mTOR 信號通路，是 NSCLC 患者的不良預測因素[11]。
Caiola 等[11]的研究發現，谷氨酰胺的代謝和自噬活動的直接聯系主要是通過谷氨酰胺脫氨基產生氨，而且 KRAS-G12C 細胞的生長和增殖依賴于谷氨酸鹽。使用 PI3K/mTOR 抑制劑和 PI3K 抑制劑（BEZ235 和 BKM120）后，突變型-KRAS（KRAS-G12C）細胞中谷氨酸鹽和谷氨酰胺代謝通路被干擾，導致氨的釋放明顯減少，而在野生型-KRAS（KRAS-WT）細胞中，氨的水平無明顯的改變；KRAS-WT 細胞中 LC3II 蛋白水平增加，而在 KRAS-G12C 細胞中，LC3II 蛋白水平卻沒有明顯的變化，這說明 PI3K/mTOR 抑制劑僅在 KRAS-WT 中激活氨-誘導的自噬，很可能是為了維持能量的平衡。而在 KRAS-G12C 細胞中，氨并沒有誘導自噬產生，這是因為谷氨酰胺代謝受損所致。
2.3 p53 的靶向基因 Siva 抑制 NSCLC 細胞中的自噬作用
Siva 是 p53 依賴性凋亡必不可少的 p53 靶向基因[12]，盡管在某些機制中，Siva 亦可通過抑制 p53 促進細胞的增殖[12]。Van Nostrand 等[12]的研究發現，在 NSCLC 細胞中，Siva 確實促進細胞增殖、轉移，并且降低了 NSCLC 患者的總體生存率，但是和 p53 的作用無關。抑制 Siva 能觸發自噬流的增加（即 LC3II 增加），自噬活動的增加可以降低細胞的增殖和轉移。該研究表明，Siva 通常情況下是抑制自噬的，可能的機制是通過直接負調控上游信號通路抑制自噬。mTOR 可促進腫瘤的發生，Siva 通過影響有絲分裂信號通路促進 mTOR 的活動，從而降低肺癌細胞的代謝[12]。
2.4 Derlin-1 和 p62 在內質網應激狀態下相互作用
Derlin-1 是一種多功能蛋白質，調節內質網（ER）錯誤折疊蛋白質的清除，在某些腫瘤中高度表達[13-14]，如肺癌、乳腺癌、結腸癌等。Xu 等[15]的實驗結果發現 Derlin-1 可能是一個潛在的致癌因子。Derlin-1 在 NSCLC 細胞中的表達高于 SCLC，這與腫瘤的分期和淋巴結轉移有關。在肺癌細胞 ER 應激狀態下，Derlin1 的表達增加；Derlin1 下調并沒有影響 beclin1 和 LC3II 的表達，但是卻破壞了 p62 的降解，導致自噬流的阻滯；而且，實驗過程中還發現 Derlin-1 和 p62 相互作用，但是潛在的機制仍需探索。Derlin-1 在肺癌進展過程中發揮的作用也需要進一步探索。
3 自噬在肺癌相關治療中的進展
3.1 缺氧誘導的自噬提高 NSCLC 細胞對化療的抗藥性
Lee 等[16]的研究結果顯示，和正常組織相比，NSCLC 細胞在缺氧的環境下，LC3I 轉換到 LC3II 的水平大量增加，而 p62 的水平明顯下降，說明缺氧環境誘導自噬產生；對缺氧和正常氧環境中的肺癌細胞同時使用化療藥物，發現缺氧環境中的肺癌細胞生存率高于正常氧組，說明缺氧誘導的自噬提高了癌細胞對化療的抗藥性。
3.2 klotho 表達水平的下降通過調節細胞自噬促進肺癌細胞的抗藥性
klotho 最初是作為抗衰老基因被發現，現在被確認為腫瘤的抑制因子[17]。Chen 等[17]的研究發現，在耐藥的肺癌細胞中，klotho 的表達水平明顯下降，而 klotho 表達的下調明顯促進肺癌細胞的生長；相反，klotho 的高表達可抑制抗藥肺癌細胞的增殖。而且，在抑制耐藥的肺癌細胞增殖方面，鉑類化合物通過時間依賴性和劑量依賴性機制與 klotho 高表達起著協同作用。在抗藥肺癌細胞中，beclin1 和 LC3II 的水平明顯增加，表明細胞自噬活動的增加。伴隨著細胞自噬水平的增加，klotho 表達水平明顯降低，說明 klotho 高表達可以抑制耐藥癌細胞的自噬水平，這些現象可能有助于逆轉肺癌細胞對藥物的抵抗性。
3.3 Stathmin1 通過提高自噬水平增加 NSCLC 細胞對射線的抵抗
人癌基因 18（Op18）/Stathmin（STMN）是胞質中高度保守的小分子磷蛋白（18 kDa～19 kDa），在很多腫瘤細胞中高表達[18]。Nie 等[19]發現 STMN1 在 NSCLC 組織中的表達明顯高于非腫瘤組織，并與肺癌的不良分化和 TNM 分期相關，而且 STMN1 高表達的 NSCLC 患者的預后非常差；相反，STMN1 的下調和肺癌細胞的增殖及侵襲性的減弱呈正相關。研究還發現，STMN1 高表達是 NSCLC 患者不良預后的獨立預測因子[19]。Zhang 等[20]通過研究發現，STMN1 蛋白的低表達是通過上調 PI3K/mTOR 信號通路的活動，抑制射線誘導的自噬，提高 NSCLC 細胞對 X 射線的敏感性。因此，STMN1 有可能是 NSCLC 治療潛在的治療靶點。
3.4 自噬在肺癌相關治療中的其他進展
Mimulone（MML）是從毛泡桐中提取出的黃酮類物質之一[21]，An 等[1]首次發現 MML 在肺癌細胞中發揮保護作用。使用 MML 的癌細胞中可發現 LC3 的聚集，LC3I 和 LC3II 的表達水平增加，p53 水平降低，p-mTOR 水平降低，而 p-AMPK 水平提高，說明 MML 通過 p53 調節 AMPK/mTOR 信號通路誘導自噬的產生，并最終促進細胞凋亡。因此，在野生型 p53 肺癌細胞中，自噬有助于 MML 發揮保護肺癌細胞的作用。
Chakradeo 等[22]研究發現，野生型 p53 肺癌細胞射線治療后，誘導產生的自噬（P62 降解減少）發揮細胞保護作用；在功能性 p53 存在的前提下，抑制自噬可以提高肺癌細胞對射線的敏感性。
另外，在肺癌細胞中，miR-17-5p 直接與 BECN1 的 3’-UTR 區域結合，通過改變 beclin1 的表達從而在自噬中發揮作用。Chatterjee 等[23]發現在對紫杉醇耐藥的肺癌細胞中，miR-17-5p 高表達可促進 beclin1 的表達下降，抑制自噬作用，從而增加癌細胞對紫杉醇的敏感性，誘導細胞凋亡，提高療效。
4 結語
自噬是一種保護蛋白質更新和內穩態的主要機制[24]，可分為巨自噬、微自噬、分子伴侶介導的自噬，研究最多的類型是巨自噬，其分子機制已被廣為認知[25]。自噬通過某些方式作用于肺癌治療：一方面，mTOR 抑制劑等化合物激發生物應答，該方式被認為是新型的并且有前景的治療方法；另一方面，大量研究表明自噬與抵抗反應有關。甚至，在對非 DNA 損傷劑的應答中，也可以發現自噬的產生，綜上可見，自噬在肺癌治療中廣泛存在，但其作用呈現雙面性主要取決于自噬相關機制及治療藥物的使用[26]。關于微自噬、分子伴侶介導的自噬在肺癌中的機制及作用沒有太多研究，值得我們深入探索，為肺癌治療提供新靶向。
