通过代谢应激管理通过自噬抑制肿瘤

摘要

正常细胞在代谢应激下的自噬激活

正常哺乳动物细胞的生存、生长和增殖需要存在来自其环境的生长因子信号，以及缺乏可能激活检查点或细胞死亡程序的压力信号。此外，营养物质和大多数情况下的氧气对维持细胞的正常生理功能至关重要，它们可以支持新陈代谢，同时抑制饥饿、损伤和检查点反应。^1–9这三种信号相互串扰，共同决定哺乳动物细胞的生存状态。^10,11哺乳动物进化出了复杂的器官和系统，这些器官和系统协同工作，提供了一个稳定的环境，各种生长因子、营养素和氧气的浓度在可控范围内波动。因此，构成哺乳动物的细胞只会经历有限和短暂的代谢应激，例如生长因子、营养素和氧气的次优浓度。此外，哺乳动物细胞对代谢应激具有复杂的适应性反应，激活特定的细胞过程以应对应激条件。胰岛素样生长因子I（IGF-I）-AKT-mTOR是协调这些细胞反应的一条中枢信号通路(米阿米利安的t吨目标第页阿帕霉素）途径。^10,11生长和维持因子激活PI3依赖性激酶1-AKT激酶级联，从而激活mTOR。营养或能量缺乏可向AMPK（AMP活化激酶）发出信号，AMPK对mTOR起负调节作用。反过来，mTOR重新调节细胞分解代谢和合成代谢过程的活动，以维持细胞生存、生长和增殖，从而适应新的条件。例如，在非应激条件下，mTOR抑制自噬，而剥夺抑制mTOR信号从而激活自噬。因此，自噬的分解代谢过程是代谢应激适应性反应的关键组成部分，代谢应激由mTOR和其他信号事件调节。^12–14

自噬是对代谢应激作出反应的复杂细胞过程的一部分，细胞内的成分，包括核糖体、内质网、线粒体、蛋白质聚集体和细胞质，通过自噬被吞噬并以溶酶体降解为目标。^12–14这一过程不仅可以有效地调动和回收细胞内部资源，还可以重组细胞新陈代谢，以实现能源消耗和生产之间的新平衡。细胞成分的自噬介导溶酶体降解过程也起着重要作用，可以防止受损蛋白质和细胞器的积累，特别是在应激期间。事实上，自噬最基本、最保守的功能是应对和缓解代谢应激，例如由生长因子、营养素和缺氧引起的代谢应激。^2,14,15

水岛小组通过产生表达GFP标记的自噬标记物MAP-LC3的转基因小鼠的工作，很好地证明了自噬在哺乳动物正常细胞适应代谢应激中的重要作用。他们能够证明，在饥饿条件下，大多数小鼠组织中都能快速诱导自噬。^16,17此外，缺乏必需自噬基因的突变小鼠第5天自噬有严重缺陷，无法在新生儿饥饿期存活。¹⁸这些第5天^−/−小鼠在出生后10小时内表现出严重的营养和能量不足，血浆和组织中的氨基酸浓度显著降低证明了这一点，并在24小时内死亡。¹⁸这提供了一个优雅的例子，说明在体内生理性营养剥夺期间维持细胞代谢对自噬起到保护作用。

肿瘤发生过程中的代谢应激

肿瘤发生是正常细胞通过基因突变和表观遗传修饰的积累逐步转化为癌细胞的过程。在这一过程中，特别是在实体瘤的发展过程中，细胞可能会经历严重和长期的代谢应激状态，这与正常细胞和组织通常经历的短暂和轻度事件有显著不同。例如，当肿瘤直径达到0.2–2毫米时，氧气、生长因子和营养物质，包括葡萄糖和其他小分子，如氨基酸，由于血管化不足，无法有效扩散到肿瘤中心的细胞。¹⁹同样，在大型、成熟的肿瘤中，血管系统也极为异常，并且会间歇性崩溃，从而产生代谢压力。²⁰因此，位于显微肿瘤中心和已建立肿瘤部分的细胞生活在代谢应激的微环境中，其特征是缺氧、低pH值和营养缺乏。我们发现，这些代谢应激的肿瘤区域是自噬定位的地方，也是支持肿瘤细胞生存的功能所在。^三,6,7,15

肿瘤中的代谢应激引发了许多重要而独特的细胞反应，这些反应极大地影响了肿瘤的进展，包括细胞凋亡或坏死导致的细胞死亡，^9,21细胞通过自噬存活，^三,6,7,15诱导低氧诱导因子和激活转录程序以促进血管生成和缓解应激。²²大量证据表明，新兴肿瘤与其独特微环境之间的复杂相互作用是肿瘤进展的重要阶段。^23,24

自噬促进代谢应激生存并抑制基因组损伤

自噬是缓解正常细胞代谢压力的关键程序，在45%至75%的人类前列腺癌、乳腺癌和卵巢癌中受到损害。²⁵事实上，小鼠的自噬缺陷是由于靶向性缺失贝克林1基因，促进肿瘤发生。^26,27随着代谢应激的发生，自噬缺陷对细胞存活和肿瘤发生具有重要影响。使用野生型永生化幼鼠肾上皮细胞贝克林1^+/+和等基因贝克林1^+/−老鼠和来自第5天^+/+和第5天^−/−我们证明，在体外和体内肿瘤中，自噬受损的永生化细胞对代谢应激更敏感。^7,15自噬缺陷患者体内外对代谢应激的敏感性相似贝克林1^+/−永生化小鼠乳腺上皮细胞（iMMEC）与野生型小鼠的乳腺上皮细胞进行比较。^三,28因此，与正常细胞一样，肿瘤细胞主要利用自噬途径作为一种生存机制，在代谢应激期间维持生存能力。

有趣的是，当注射到裸鼠体内时，尽管自噬缺陷的iBMK细胞和iMMEC更容易因代谢应激而凋亡或坏死而导致细胞死亡，但这些细胞的致瘤性却大大增加。^三,7,15通过对这些自噬受损的永生化细胞的进一步描述，我们解决了生存途径缺失如何促进肿瘤生长这一有趣的悖论。令人惊讶的是，与同基因野生型细胞相比，自噬受损细胞在代谢应激条件下表现出DNA损伤反应的上调，染色体不稳定率升高，加速非整倍体的进展。^三,7,15值得注意的是，代谢应激和染色体不稳定是实体瘤的特征，但其相互关系以前还不清楚。我们的研究结果表明，与肿瘤微环境中固有代谢应激相关的自噬缺陷可能是基因组损伤的一个原因，而基因组损伤能够促进肿瘤的发生。

基于这些结果，一个更清晰的图像浮现出来，可以解释自噬在抑制实体瘤进展中的作用(图1). 虽然自噬激活对于缓解新出现和进化的肿瘤细胞所经历的慢性和严重的代谢应激很重要，但自噬失活进一步加剧了代谢应激的破坏性影响。⁶后者破坏细胞内稳态，促进细胞死亡，同时提升基因组不稳定性。尽管有缺陷的自噬和对代谢应激敏感性的增强会促进细胞死亡，但由此产生的坏死，也许还有凋亡，会引发与细胞因子产生和肿瘤生长加速相关的炎症反应。¹⁵与创伤愈合反应类似，代谢应激下自噬缺陷肿瘤细胞的细胞死亡引起的慢性炎症可能提供了肿瘤进展的非细胞自主机制。⁶独立地，基因组不稳定性的增加通过增加突变率和获得有利于肿瘤以细胞自主方式生长的额外功能，加速肿瘤的进化、进展和侵袭。⁶

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图1

自噬通过多种机制在不同阶段抑制肿瘤的发生。自噬是一种细胞保护过程，对线粒体降解和质量控制、蛋白质质量控制以及细胞能量平衡至关重要。自噬功能在代谢应激条件下尤为重要。自噬缺陷可通过坏死或凋亡导致各种细胞损伤事件和细胞死亡，最终导致基因组不稳定和炎症，进而驱动肿瘤的细胞自主（通过基因组不稳定）和细胞非自主（通过坏死和炎症）进化。箭头表示提升，而T表示抑制。

研究自噬缺陷如何以细胞死亡增加和基因组不稳定的方式破坏细胞内环境的稳定是一个有趣的问题。我们想在这里讨论自噬功能的各个方面，以及它们的丢失如何导致细胞死亡和基因组不稳定。然而，我们应该记住，这些活动可能是高度相关的，并可能在促进癌症发展方面发挥协同作用。

自噬在维持细胞能量平衡中的作用

代谢应激（如缺氧和营养缺乏）通常会导致细胞内ATP水平降低，这是由AMP活化激酶的激活所指示的。如果细胞凋亡机制完好无损，营养剥夺会激活培养细胞的凋亡。^4,15然而，当抗凋亡Bcl-2的表达或促凋亡Bax和Bak的缺乏抑制凋亡时，营养剥夺会导致自噬激活，从而延长生存期。营养素的恢复可以恢复正常的细胞功能。⁶如果代谢压力持续存在，自噬进展不减，这可能最终导致细胞死亡。⁶这些细胞中自噬的失活大大加剧了这种营养缺乏引起的坏死和炎症。¹⁵有趣的是，提供细胞可渗透的代谢底物丙酮酸甲酯可以有效地逆转自噬失活的有害后果。⁴这有力地证明，自噬延长细胞存活和限制细胞死亡的一种机制主要是通过循环细胞内蛋白质和其他成分提供代谢底物来维持细胞能量平衡(图1).

自噬在线粒体质量控制和降解中的作用

线粒体是氧化磷酸化发生的细胞器。正常情况下，线粒体消耗葡萄糖代谢物和氧气，并产生细胞功能所需的大量ATP。氧化磷酸化的副产品是产生活性氧物种（ROS），活性氧物种可从线粒体（尤其是受损的线粒体）泄漏。长期接触ROS可导致细胞蛋白质、脂质和核酸的氧化损伤。²⁹线粒体也是凋亡性程序性细胞死亡的重要调节器。线粒体成分如细胞色素的流出c（c）线粒体膜间隙的SMAC触发效应器caspase激活和凋亡。³⁰因此，自噬缺陷导致的线粒体功能障碍可能在多方面促进肿瘤的发生。此外，ATP减少和ROS诱导也是坏死的主要原因，可促进细胞损伤和炎症，可能影响肿瘤的发生(图1).³¹

为了应对短暂的营养和氧气波动，线粒体功能和数量会相应调整，以适应环境变化。自噬可能在维持功能性线粒体库中起着关键作用，因为自噬会以较低的速率持续降解有缺陷的线粒体。³²在慢性代谢应激下，尤其是氨基酸缺乏，线粒体降解加快。自噬似乎是线粒体降解的唯一过程。^32–34自噬缺陷细胞和有机体表现出深刻的形态和功能变化，包括活性氧生成的增加。^18,33–37应激线粒体的积累可能导致代谢应激条件下自噬缺陷细胞中观察到的DNA损伤，这反过来会增加染色体的不稳定性。^三,7此外，如果不能通过线粒体和核糖体的自噬降解来适应细胞代谢机制，以实现能量消耗和生产之间的新平衡，可能会进一步破坏细胞的能量平衡。自噬在控制内质网和过氧化物酶体等其他细胞器的周转中的潜在作用也可能限制代谢应激条件下的氧化损伤。

自噬在蛋白质降解中的作用

细胞蛋白质可通过两条主要途径降解，即泛素依赖的蛋白酶体降解和自噬依赖的溶酶体降解。实验证据表明，这两种途径在功能上是相互关联的。小鼠某些组织中的一个重要表型第5天或atg7型基因断裂和缺陷自噬是泛素化蛋白的积累。^38,39至少有几种可能性可以解释为什么自噬缺乏会增加泛素化蛋白质的积累。首先，泛素化可能是靶向自噬降解的蛋白质的内在信号，因此，自噬缺陷导致这些泛素化蛋白质的积累。第二，自噬缺陷细胞中的自噬体结合蛋白可能会被泛素重新标记，以将其重新定位到蛋白酶体依赖的降解途径，以补偿有缺陷的溶酶体介导的蛋白质周转。第三，自噬导致受损蛋白质不能正常周转，导致其积累，可能拮抗蛋白酶体介导的蛋白质降解。无论如何，据预测，蛋白酶体依赖的蛋白质降解可能会在自噬缺陷细胞中受到影响，特别是在代谢应激下，如氨基酸缺乏，这需要通过自噬降解蛋白质。

自噬缺陷如何通过蛋白酶体途径特异性地改变依赖蛋白质周转的细胞功能尚不清楚。众所周知，泛素依赖性蛋白水解系统（UPS）的正常功能对正常细胞生长、细胞周期进展和细胞死亡至关重要。^40,41例如，细胞周期进程是由细胞周期素依赖性激酶（CDK）活性的周期性振荡驱动的，而周期性振荡大体上是由关键调控因子（如细胞周期素和CDK抑制剂）的泛素依赖性蛋白酶体降解引起的。在代谢应激下，自噬缺陷细胞中UPS的放松调节可能会间接导致细胞周期失控和基因组不稳定。另外，自噬缺陷和受损蛋白质的过度积累可激活细胞应激反应，包括未折叠蛋白反应（UPR）和类toll受体信号，这些信号对导致肿瘤进展的细胞功能具有深远影响。最后，受损或错误折叠的蛋白质的积累与毒性有关，这种在自噬缺陷细胞中“清除（蛋白质）垃圾”的失败本身可能是氧化应激的来源，导致DNA损伤和细胞死亡(图1).

独特的自噬肿瘤抑制模式限制了细胞的损伤和死亡，从而抑制了肿瘤的发生和发展，这给癌症治疗的靶向自噬带来了一个难题。在药理学或遗传学上阻断肿瘤细胞的自噬会导致肿瘤细胞死亡增加。^三,4,7,15因此，将自噬抑制剂与其他癌症化疗药物结合可以提高严重的细胞杀伤。然而，自噬抑制剂可能会增加存活癌细胞的基因组不稳定性，也可能会促进细胞非自主肿瘤进展，从而加速癌症复发。同样，魔鬼在于细节。通过仔细选择肿瘤类型、药物组合和方案，自噬抑制剂有可能提高现有化疗药物的疗效，从而大幅降低肿瘤负担，使存活细胞的癌症复发问题减少。鉴于有许多相关的自噬受损小鼠模型可用，我们很可能可以确定将自噬知识转化为癌症治疗实践的最佳方法。此外，基于自噬基因缺失的单等位基因缺失的高流行率（例如。，贝克林1)在人类肿瘤中，自噬状态显然可以作为某些肿瘤化疗方案的预后标志。最后，应考虑将促进自噬作为限制细胞损伤的手段，作为预防癌症的策略。

展望未来，确定促进肿瘤进展和神经元变性的自噬缺陷细胞中的关键细胞损伤事件也将至关重要。我们必须记住，自噬缺陷和由此产生的应激损伤效应在不同的细胞类型中可能不同，并且可能因生理环境而异。例如，来自自噬缺陷的压力在增殖的癌细胞中的表现可能与在有丝分裂后分化的神经元细胞中表现的差异很大。鉴定自噬用于管理代谢应激的机制对于确定自噬在肿瘤抑制以及限制神经元变性和衰老中的作用至关重要。

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