低氧和自噬与肿瘤的发生发展

陈冠辉　侯劲松

中山大学光华口腔医学院·附属口腔医院口腔颌面外科；广东省口腔医学重点实验室　广州 510055

低氧和自噬与肿瘤的发生发展

陈冠辉侯劲松

中山大学光华口腔医学院·附属口腔医院口腔颌面外科；广东省口腔医学重点实验室广州 510055

自噬作为真核生物的一种应激调控机制，既可以促进肿瘤的发生发展，又可以抑制肿瘤的增殖。在肿瘤局部低氧的微环境下，低氧诱导因子-1α、哺乳动物雷帕霉素靶蛋白信号转导通路抑制、内质网应激均可促进自噬的发生。在肿瘤快速地发生发展过程中，肿瘤的糖代谢功能增强、活性氧族增多、窖蛋白1下调以及上皮间质转化的激活均诱导了自噬的发生并促进肿瘤的局部浸润、侵袭转移和耐药，因此，抑制自噬可能为肿瘤治疗提供一种新的策略。

低氧；自噬；肿瘤

This study was supported by National Natural Science Foundation of Guangdong Province（10151008901000025），Science and Technology Project of Guangdong Province（013B021800059） and Guangzhou Municipal Bureau of Science and Technology Cooperation in Foreign Science and Technology Special Fund（2012J5100008）.

［Abstract］Autophagy is a stress regulatory mechanism that generally exists in eukaryotic cells. This process promotes tumor development and inhibits tumor proliferation. Autophagy is activated by increasing hypoxia inducible factor-1α level，suppressing the mammalian target of the rapamycin signal pathway，and inducing endoplasmic reticulum stress in the tumor hypoxia microenvironment. Autophagy is stimulated through enhancement of glucose metabolism，increase in reactive oxygen species level，downregulation of caveolin 1 expression，and activation of epithelial-mesenchymal transition in tumor during rapid cell proliferation and invasion. Autophagy promotes tumor invasion，metastasis，and drug resistance. Therefore，novel strategies for inhibiting autophagy may serve as promising therapeutic approach for tumor treatment.

［Key words］hypoxia；autophagy；tumor

细胞通过自噬既可以抵御病原体的入侵，又可保护细胞免受细胞内毒物的损伤。实体瘤在增殖过程中往往形成局部低氧的微环境，本文着重就低氧介导自噬以及自噬在肿瘤发生发展中的相关性研究进展作一综述。

1　自噬

自噬是在真核生物细胞中对细胞内部受损的细胞器、错误折叠的蛋白质和侵入的病原体进行降解，利用降解产物为细胞的再生和修复提供新的原料，实现细胞的循环再利用的一种连续的生物学过程。自噬包括一下四个不同的阶段。1）自噬囊泡的形成及延伸：单层的细胞内膜包裹损伤的细胞器和侵入的病原体，形成有核的囊泡结构并逐渐延伸；2）自噬小体的形成：自噬囊泡不断延伸并融合形成直径大约为1 μm的双层细胞膜结构的自噬小体；3）自噬溶酶体的形成：自噬小体与溶酶体融合，形成自噬溶酶体；4）降解和再利用：被包裹的内容物在溶酶体内发生降解，产生能量。自噬可分为巨自噬、微自噬及分子伴侣介导的自噬［1］，本文所指的自噬为巨自噬。

自噬在肿瘤中扮演着双重角色。Wang等［2］发现，采用3-甲基腺嘌呤（3-methyladenine，3-MA）抑制雷帕霉素（Rapamycin）增强口腔鳞状细胞癌细胞的自噬活性，可调控细胞的增殖、迁移和侵袭能力。Weng等［3］还发现在沉默Beclin-1基因后，自噬标志性蛋白磷脂酰乙醇胺-微管相关蛋白1轻链3（microtubule-associated protein 1 light chain 3，LC3）的表达明显降低，自噬被抑制，导致口腔舌鳞状细胞癌细胞的增殖、侵袭和转移能力明显增强，促进舌鳞状细胞癌的进展。尽管在多种肿瘤中发现了Beclin-1基因的缺失或Beclin-1蛋白的表达下降，但Beclin-1蛋白相关的抑癌机制仍不十分清楚。在肿瘤的快速增殖阶段，肿瘤局部形成低氧、低血以及酸性的微环境。自噬可保护低氧环境下的肿瘤细胞不被细胞毒性T细胞（cytotoxic T lymphocyte，CTL）杀伤，其机制是通过P62的降解及信号转导子和转录激活子（signal transduction and activator of transcription，STAT）3磷酸化而起作用的［4］。

2　低氧与自噬

2.1低氧诱导因子-1与自噬

低氧诱导因子（hypoxia inducible factor，HIF）-1是一种含两个亚基的异源二聚体转录因子，包括HIF-1α和HIF-1β。B细胞淋巴瘤2/腺病毒E1B 19×103相互结合蛋白（B cell lymphoma 2/ adenovirus E1B 19×103interacting protein，BNIP）3是受HIF-1直接调控的细胞死亡相关蛋白，为B细胞淋巴瘤（B cell lymphoma，BCL）2家族中只含BH3结构域亚家族成员。编码BNIP3靶基因的启动子区域包括两个低氧反应元件（hypoxia response element，HRE）位点，即HRE1和HRE2。在肿瘤局部低氧环境下，HIF-1α与HRE2位点结合，诱导BNIP3蛋白表达，致Beclin-1-BCL2复合物解离并释放出Beclin-1因子，通过ClassⅢ/磷脂酰肌醇-3-激酶（phosphatidylinositol-3-kinase，PI3K）信号转导通路激活自噬［5］；因此，临床上使用ClassⅢ/ PI3K抑制剂，例如奥特曼宁、3-MA和LY294002均可抑制自噬；而ClassⅠ/PI3K则是自噬的负性调节分子，其磷酸化后结合蛋白激酶B （protein kinase B，PKB）及其活化分子磷脂酰肌醇依赖性蛋白激酶1，抑制自噬的发生［6］。Zhang等［7］通过研究发现在小鼠胚胎成纤维细胞（mouse embryonic fibroblast，MEF）中，敲除Hif-1α基因可特异性地阻断Beclin-1的表达，进而抑制自噬。

2.2哺乳动物雷帕霉素靶蛋白信号转导通路与自噬

雷帕霉素靶蛋白（target of Rapamycin，TOR）是最初发现于啤酒酵母突变株内的一种非常保守的丝氨酸-苏氨酸激酶（serine-threonine kinase，STK）。在哺乳动物中也存在着一种结构和功能高度保守的TOR，被称为哺乳动物雷帕霉素靶蛋白（mammalian target of Rapamycin，mTOR）。mTOR是细胞在适应生理条件下和环境压力过程中调控生长和自噬平衡的关键性组分［8］，其调控主要受STK11-腺苷酸激酶（adenosine monophosphate kinase，AMPK）-mTOR信号转导通路和PI3K-PKB-mTOR信号转导通路调节。mTOR存在着两种不同的复合体，即mTORC1和mTORC2。在低氧条件下，PKB蛋白活性下调，自噬相关基因（autophagy-related gene，ATG）表达减弱，mTOR信号转导通路的信号转导被抑制，促进自噬发生。

Degtyarev等［9］通过试验证实，肿瘤抑制基因第10号染色体缺失的磷酸酶和张力蛋白同源基因（phosphatase and tensin homology deleted on chromosome ten，PTEN）可抑制PKB蛋白的活性，促进自噬的发生。另外在低氧条件下，细胞内往往伴有AMP/腺苷三磷酸（adenosine triphosphate，ATP）的比例上升，从而激活AMPK，接着AMPK再被STK11［也称肝激酶B1（liver kinase B1，LKB1）］磷酸化而增强活性，活化的AMPK可以通过磷酸化激活结节性硬化症复合物（tuberous sclerosis complex，TSC）2，提高TSC1/TSC2复合物的活性，进而负调控mTORC1表达，促进自噬的发生［10］。

2.3内质网应激与自噬

在低氧条件下，未折叠及错误折叠的蛋白质可引起内质网应激，应阻止大量错误折叠的蛋白质激活未折叠蛋白质反应（unfolded protein response，UPR）。UPR分别受蛋白激酶R样内质网激酶（protein kinase R-like endoplasmic reticulum kinase，PERK）、内质网核信号分子1和激活转录因子（activating transcription factor，ATF）6这三个内质网应激感受器调控。Rzymski等［11］发现：错误折叠的蛋白质在内质网中累积激活PERK，磷酸化真核生物起始因子2α（eukaryotic translation initiation factor 2α，elF2α）；在低氧情况下，通过ATF4激活LC3的转录诱导，LC3在自噬体膜中的丰度最高，被公认为监测自噬体形成和自噬活性的标志物。再有，UPR的激活诱导ULK1（UNC51-like kinase 1）蛋白的表达，ULK1是ULK家族的第一个成员，是自噬mTOR信号转导通路下游的第一个靶蛋白质并对其有负反馈调节的作用，进而促进自噬的发生［12］。

3　自噬促进肿瘤的发生发展

3.1肿瘤糖代谢与自噬

在肿瘤快速的发生发展中，因局部的微环境发生改变，肿瘤细胞的能量需求和合成代谢被重新编程，为满足对能量代谢的需要，肿瘤细胞出现了由线粒体氧化磷酸化到对糖代谢产能依赖增强的现象，即瓦伯格效应［13］。大鼠肉瘤病毒（rat sarcoma，Ras）致癌基因是第一种被阐述于自噬促进肿瘤细胞糖酵解的基因，在含有Ras基因的MEF以及人的乳腺癌细胞中，自噬被抑制后，其糖酵解功能减弱，细胞增殖缓慢［14］。同时在低氧的微环境条件下，HIF-1蛋白介导了溶质载体蛋白（solute carrier，SLC）2A1和SLC2A3的表达，最终导致了葡萄糖转运蛋白（glucose transporter，GLUT）表达上调，促进葡萄糖分解，ATP上升，肿瘤细胞持续增殖［15］。临床上使用GLUT抑制剂根皮蛋白可抑制已糖激酶的活性，从而削减肿瘤细胞糖代谢作用［16］；但在低氧环境下，肿瘤细胞持续的糖代谢产生了大量的乳酸终产物，细胞内pH严重下降，此时 HIF-1诱导发生了单羧酸转运蛋白4以及碳酸酐酶9和12的表达，通过调节pH，改善肿瘤细胞局部酸性微环境，维持肿瘤细胞的生长［17］。

3.2活性氧族与自噬

活性氧族（reactive oxygen species，ROS）是较常态氧反应性更高的含氧化合物的总称，产生于机体的代谢过程中，可以氧化多种细胞组分，调节细胞的分化、增殖和程序性死亡，但高水平的ROS对细胞却有损伤作用［18］。在低氧环境下，ROS与UPR的激活有关，通过线粒体电子传递链将电子从还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸和黄素腺嘌呤二核苷酸（flavin adenine dinucleotide，FAD）H2传递至分子氧，产生高水平的活性氧［19］。癌变细胞的ROS可以促进核DNA的突变和细胞分裂，使肿瘤细胞获得选择性增生；但是过高的ROS对肿瘤细胞有直接的杀死作用。几乎所有的肿瘤细胞内超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD）的活性都明显低于健康细胞，而SOD是清除ROS的主要酶，可导致肿瘤细胞清除ROS的能力低下；而某些抗肿瘤药，如醌类抗肿瘤药，可产生多种ROS，从而达到抑制肿瘤的目的［20］。低氧和ROS都可以介导自噬的发生。自噬作为在不利肿瘤微环境下的一种保护机制，可通过清除被ROS损伤的细胞器或蛋白质，降低ROS的水平，保护肿瘤细胞，促进肿瘤细胞增殖［21］。Morimoto等［22］发现，在SOD发生突变的转基因小鼠体内，ROS水平明显增高，mTOR信号转导受到抑制，介导自噬的发生，进而导致ROS水平下降，避免肿瘤细胞受损。

3.3窖蛋白1与自噬

细胞膜是细胞生命活动的主要结构，胞质膜向内凹陷呈Ω形的大小为20～100 nm直径的小窝，被称微囊。窖蛋白（caveolin，CAV）曾被称为小窝蛋白，是微囊上的一种特殊的支架蛋白质，其家族成员包括CAV1～3。其中，CAV1是一种多功能蛋白质，对细胞的转化以及肿瘤的发生和转移有着重要的作用［23］。CAV1在肿瘤发生的早期，抑制肿瘤的生长；但在肿瘤生长的后期阶段，却能促进肿瘤的生长。在癌细胞与间质细胞共培养系统中，CAV1在低氧下被间质细胞内的溶酶体所降解，LC3、ATG16L和BNIP等自噬标志物高表达，提示CAV1的下调可能诱导自噬的发生［24］。在敲除CAV1基因的HCT116结直肠癌细胞中，肿瘤细胞的糖摄取减少和ATP值下降，刺激AMPK信号转导通路的信号转导，引发自噬，促进肿瘤细胞的生存，提示CAV1可以负调控自噬［25］。

胃癌细胞在低氧环境下，其HIF-1α表达上升导致CAV1表达下调，刺激表皮生长因子受体活化其下游的STAT3，无翅型小鼠乳房肿瘤病毒整合位点家族（wingless-type mice mammary tumour virus integration site family，WNT）信号转导通路被激活促进自噬的发生，促进肿瘤细胞的生存和增殖［26］。目前，CAV1负调控自噬的具体分子机制仍不清楚，在肺上皮细胞中，CAV1激活ATG12-ATG5复合物，进而抑制自噬的发生，这就为解释CAV1如何调控自噬提供了新的思路［27］。

3.4上皮间质转化与自噬

上皮间质转化（epithelial-mesenchymal transition，EMT）是指上皮细胞失去极性，细胞间黏附物质丧失，进而获得间质样细胞表型的过程，与肿瘤的局部浸润、侵袭转移和耐药密切相关。在低氧的微环境下，肿瘤生长因子（tumor growth factor，TGF）β通过STK复合体磷酸化Smad，并与HIF-1共同作用诱导EMT的发生，促进肿瘤的迁移［28］。

再有，HIF-1与扭曲（twist）1基因启动子结合并促进其表达，接着与抗程序性细胞死亡蛋白BCL2形成复合物一道诱导EMT的发生［29］。在乳腺癌表达EMT的标志蛋白Snail2中，自噬蛋白ATG5表达，在敲低Beclin-1基因抑制自噬后，具有间质样型的肿瘤细胞对CTL敏感性增强，这提示着EMT 可能激活自噬机制使得肿瘤细胞逃避免疫监视［30］。那么，EMT 是如何调控自噬呢？基因芯片结果显示，在EMT标志物Snail基因表达的转录水平上，大部分自噬相关基因并未受到调节，但是Beclin-1（ATG6）表达在Snail以及Snail-6SA的调控中明显上调，激活了自噬的发生［31］；因此，EMT调控自噬这一新的机制可以为肿瘤细胞逃避免疫系统监视问题提供新的解决思路。

4　结语

综上所述，自噬作为真核生物的一种应激调控机制，既可以促进肿瘤的发展，又可以抑制肿瘤的增殖。在低氧介导下，自噬更多的是以一种保护性机制存在。低氧激活了包括HIF-1α在内的许多信号转导通路的信号转导引起自噬，但肿瘤细胞是如何感知低氧环境以及这些信号通路是如何被激活的，仍不清楚。

因低氧介导的自噬促进了肿瘤细胞的耐药性，因此可考虑通过自噬抑制剂抑制自噬，增加肿瘤细胞对抗肿瘤药的敏感性，如氯喹、羟化氯喹已用于临床试验，但目前自噬导致耐药的直接分子机制仍不十分清楚［32］。同时，自噬在肿瘤中的作用也受肿瘤分期、组织分型和致瘤基因突变类型等因素的影响。随着对自噬机制的深入研究，期望可以通过调控细胞自噬水平，抑制肿瘤细胞的发生发展，为临床相关疾病的诊断及治疗提供理论依据。

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（本文采编王晴）

Hypoxia and autophagy and their correlation with tumorigenesis and development

Chen Guanhui，Hou Jinsong. （Dept. of Oral and Maxillofacial Surgery，Guanghua School of Stomatology，Hospital of Stomatology，Sun Yat-sen University；Guangdong Provincial Key Laboratory of Stomatology，Guangzhou 510055，China）

R 739.8

A

10.7518/gjkq.2016.05.020

2015-11-19；［修回日期］2016-03-26

广东省自然科学基金（10151008901000025）；广东省科技计划项目（2013B021800059）；广州市科信局对外科技合作计划项目（2012J5100008）

陈冠辉，硕士，Email：8792645172@qq.com

侯劲松，主任医师，博士，Email：houjsgz@yahoo.com.cn