自噬与肿瘤代谢

摘要

介绍

大自噬（以下简称自噬）是一种分解代谢过程，细胞内成分（货物）被包裹在双层膜囊泡中，称为自噬体，其最终与溶酶体融合，在溶酶体中内容物被降解并再循环到细胞溶质中(莱文和克林斯基，2004年). 除了大分子自噬之外，还有另外两种类型的自噬，即微自噬和伴侣介导的自吞噬，这两种自噬在如何将特定的货物输送到溶酶体方面存在差异，是一些优秀评论的主题(贝哈拉诺和库尔沃，2010年;Kon和Cuervo，2010年;Mijaljica等人，2011年).

虽然最初认为自噬只是细胞死亡的一种机制，但现在通过多次体内实验已经认识到，自噬是一种主要的反应性生存机制，尽管在某些情况下它可能导致细胞死亡(Debnath等人，2005年;Levy和Thorburn，2011年;怀特，2016). 自噬促进细胞和哺乳动物在应激时期的生存，特别是营养缺乏引起的代谢应激(图1). 虽然大多数组织的基础自噬水平较低，但它受到应激状态的显著刺激——研究最深入的是饥饿，这受到mTOR和AMP激酶途径的严格调控(Kim和Guan，2015年;Mihaylova和Shaw，2011年;Neufeld，2010年).

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图1

自噬过程导致货物的降解，除其他功能外，货物的降解有助于维持细胞器质量控制（例如线粒体通过有丝分裂），并产生多种底物来促进细胞新陈代谢。这有助于在诸如缺氧、氧化还原应激、营养限制和各种抗癌治疗等应激源期间促进肿瘤的增殖和存活。蓝色双层膜囊泡-自噬体；红色小泡-溶酶体；蓝色阴影的椭圆形结构-细胞核；自噬体中的货物（线粒体为黄色，蛋白质聚集体为黑色和红色，其他货物通常以绿色和紫色表示）。

通过多个小组的开创性工作，我们对自噬机制及其如何通过与溶酶体融合而在自噬体形成中发挥作用有了重要的了解，并最终导致自噬物的降解和分解产物的再循环。事实上，这已经是多篇优秀评论的主题(Feng等人，2014年;Klinsky和Codogno，2013年;Ktistakis和Tooze，2016年). 这个过程是由一系列由自噬相关基因（ATG）编码的蛋白质指导和执行的，目前有30多个ATG基因参与这个过程的各个方面(Klonsky等人，2011年;水岛，2007年). 这一过程始于各种来源的细胞膜形成自噬体。在这个过程中，细胞溶质、细胞器和蛋白质被困在形成的自噬体中。最初，自噬被认为是一种非选择性的降解过程，其中大量细胞质以及细胞质中的蛋白质和细胞器通过接近形成自噬体而被隔离。最近的研究表明，货物具有显著的选择性，并且有多种选择性自噬途径以降解的特定货物命名（例如线粒体-有丝分裂；铁蛋白-铁蛋白吞噬；ER-网织吞噬；细菌-仇外吞噬）(Khaminets等人，2016年;Mancias和Kimmelman，2016年). 货物被与货物结合的特定受体蛋白识别，然后通常与插入自噬体膜的ATG8蛋白相互作用。自噬体一旦形成，就会与溶酶体融合，在溶酶体中货物通过溶酶体酶降解，产生的降解产物被再循环到胞浆中，用作代谢和生物合成途径中的底物。

自噬与癌症

鉴于其在组织内稳态中的重要作用，自噬的失调与多种疾病状态如癌症和神经退行性疾病有关也就不足为奇了。自噬在癌症中的作用引起了人们的特别关注，在过去几年中，这一领域的工作已经大大扩展（回顾于(阿马拉瓦迪等人，2016年;Galluzzi等人，2015年;郭和怀特，2017;Liu和Debnath，2016年;怀特，2015年)). 自噬在癌症中有着复杂的作用，其功能可能取决于生物学因素，如肿瘤类型、驱动癌基因和肿瘤抑制基因群，以及用于研究其功能的模型系统等技术方面(阿马拉瓦迪等人，2016年;Nyfeler和Eng，2016年). 最初，自噬被认为具有抑制肿瘤的作用。这是基于两条主要的证据。首先，许多癌基因的激活突变（如PIK3CA）或肿瘤抑制基因的失活（如PTEN）将被预测为抑制自噬。其次，在某些小鼠模型中，自噬基因的缺失可能导致肿瘤的发生。这种表型的最初鉴定是在Beclin1（ATG6同源）杂合小鼠中，这些小鼠由此发展出各种肿瘤(Qu等人，2003年;Yue等人，2003年). 值得注意的一个重要方面是，在这种情况下，自噬只是部分减弱，因为Beclin1的功能拷贝在小鼠中是完整的。相反，当ATG5在整个小鼠中以镶嵌方式被完全删除，从而完全抑制了缺失细胞中的自噬时，结果则不同(Takamura等人，2011年). 有趣的是，唯一发生任何肿瘤性变化的组织是肝脏，这表明基于组织类型存在显著的敏感性。此外，形成的病变是良性肝肿瘤，这表明自噬是发展为恶性肿瘤所必需的，并解释了为什么自噬减少但完整的Beclin1杂合小鼠可以发展成恶性肿瘤。当Atg7缺失以肝脏为靶点时，也获得了类似的结果(Inami等人，2011年). 完整自噬发展到恶性状态的需要可能解释了人类癌症中典型自噬基因明显缺乏突变的原因。Beclin1最初被鉴定为一个单倍体抑癌基因，因为多个乳腺和卵巢肿瘤表现出一个等位基因缺失(Liang等人，1999年)，尽管最近有迹象表明这些是乘客缺失，因为其与BRCA1肿瘤抑制因子接近(Laddha等人，2014年).

与抑制肿瘤发生的作用相反，自噬在多种癌症类型中具有关键的促肿瘤生成作用。初步研究表明，肿瘤低氧区的自噬增强，这一过程可以在营养和缺氧等多种应激源下促进肿瘤细胞存活(Degenhardt等人，2006年). 这些发现已经被扩展到表明，在许多情况下，自噬可以在治疗（化疗、放疗和靶向药物）的压力下促进生存，从而提高治疗耐药性(阿马拉瓦迪等人，2011年;Rebecca和Amaravadi，2016年;Thorburn等人，2014年). 除治疗耐药性外，自噬在肿瘤维持中也起着关键作用。许多肿瘤类型表现出基础自噬升高，即使在营养充足的情况下也可以以细胞自主的方式观察到(Kimmelman，2011年;怀特，2015年). 事实上，遗传或药理学上抑制自噬可以减缓各种模型系统中的肿瘤生长。癌症的基因工程小鼠模型（GEMMs）具有特别丰富的信息，有助于确定自噬在多种癌症（包括胰腺癌）中的关键作用(Rosenfeldt等人，2013年;Yang和Kimmelman，2014年)，肺癌(Guo等人，2013年;Karsli-Uzunbas等人，2014年;Rao等人，2014年;Strohecker等人，2013年;Strohecker和White，2014年)，前列腺癌(桑塔纳姆等人，2016年)、黑色素瘤(谢等人，2015)、胶质母细胞瘤(Gammoh等人，2016年)和乳腺癌(霍等人，2013;Wei等人，2011年). 此外，在果蝇等模型生物中也证明了非细胞自主自噬在肿瘤生长中的作用(Katherder等人，2017年). 这项工作定义了自噬在肿瘤维持中的重要细胞自主和非自主作用。虽然自噬在促进肿瘤生长中的作用可能是多方面的，但其关键功能之一，也是本综述的主题，是其对肿瘤代谢的贡献。

代谢与癌症

众所周知，癌症改变了新陈代谢，以帮助满足具有无限制增殖潜能的细胞的需要(巴甫洛娃和汤普森，2016年;Vander Heiden和DeBerardinis，2017年). 这包括向合成代谢的重大转变，以生物合成支持增殖所需的构建块。研究表明，肿瘤细胞可以使用多种燃料来实现这些目标。事实上，研究表明，一些肿瘤增加了有氧糖酵解（Warburg效应）(Vander Heiden等人，2009年). 此外，线粒体代谢已被证明对各种肿瘤类型中的ATP生成、氧化还原平衡以及其他关键代谢产物的生物合成至关重要(温伯格和钱德尔，2015年). 由于代谢的这些变化，有潜在的治疗靶向性，临床前研究已通过多种靶点支持这种方法。其中一些努力正在进入人类患者的早期临床试验(Kishton和Rathmell，2015年;罗斯和克里奇洛，2014;Vander Heiden，2011年). 这种方法的两个主要问题是癌细胞的代谢可塑性，允许快速代谢重组作为一种补偿反应，以及靶向快速增殖的“正常”细胞中的基本代谢途径的潜在毒性，这些细胞也可能依赖这些途径来生长和生存。然而，在癌症治疗中靶向代谢途径的研究已有很长的历史，抗代谢产物仍然是多种癌症成功治疗的主要组成部分。

自噬与癌症代谢

考虑到可以通过自噬降解的多种底物，自噬几乎可以为中心碳代谢的所有方面提供燃料，这并不奇怪(郭和怀特，2017;拉比诺维茨和怀特，2010年) (图1). 例如，碳水化合物降解为糖可以促进糖酵解；蛋白质转化为氨基酸可以促进TCA循环；DNA转化为核苷可以促进糖酵解；脂质转化为脂肪酸可以为TCA循环提供燃料。鉴于自噬可以进入多种代谢途径，它可以为正常细胞和肿瘤细胞提供巨大的代谢可塑性。这与生长中的肿瘤面临的多种代谢压力尤其相关，从缺氧到营养限制，甚至是来自治疗本身的压力。

早期研究表明，自噬在癌症中的重要性暗示了其在支持肿瘤代谢中的潜在作用。Debnath和同事证明自噬对Ras转化很重要，这部分是由于其糖酵解能力的维持(Lock等人，2011年). 在多瘤中间T抗原（PMyT）驱动的乳腺癌中，自噬在糖酵解中的作用类似(Wei等人，2011年). 自噬在维持糖酵解中的重要性也在血液系统恶性肿瘤（包括慢性粒细胞白血病）中得到证实(Karvela等人，2016年). 在相关方面，我们的实验室证明自噬在Ras-driven肿瘤的生长中很重要(郭等，2011;Yang等人，2011年). 然而，在我们使用的系统中，线粒体代谢的维持在自噬丧失的情况下显著受损。事实上，在两种胰腺癌细胞中，无论是通过溶酶体抑制剂氯喹（CQ）的药物抑制还是通过对重要自噬基因进行RNAi的基因抑制自噬，氧化磷酸化都显著降低。与此相一致的是，通过添加线粒体燃料来源，如丙酮酸，这些细胞的生长可以得到部分挽救。以类似的方式，氧化磷酸化和各种TCA循环代谢物在自噬不全、Hras转化的永生化小鼠肾细胞中减少。自噬对通过有丝分裂维持线粒体质量控制也至关重要，自噬缺陷的转化细胞积累了大量缺陷线粒体。自噬通过MiT/TFE转录因子的控制维持胰腺癌中氨基酸库的作用也得到了证实(Perera等人，2015年). 同样，在霍奇金淋巴瘤中，自噬对线粒体功能也很重要(Birkenmeier等人，2016年).

一系列使用GEMMs治疗癌症的研究确定了自噬在肿瘤进展和维持中的作用，包括其在各种肿瘤类型的代谢中的作用（在(阿马拉瓦迪等人，2016年)). 在克拉斯驱动型肺癌（GEMM）中，Atg7的缺失将癌症的命运转移到称为嗜酸细胞瘤的良性肿瘤中，与自噬完整的肿瘤相比，显著降低了肿瘤负担(郭等，2013). 这些嗜酸细胞瘤显示有缺陷线粒体的堆积，正如之前在Hras转化的自噬缺陷细胞中所显示的那样。Atg7的缺失也降低了肿瘤负担，并改变了肿瘤组织学，肿瘤抑制基因p53被删除。然而，这些肿瘤具有有趣的代谢表型。除了缺陷线粒体的积累外，这些肿瘤还积累了大量的中性脂质，尤其是胆固醇酯。来源于这些肿瘤的细胞对饥饿更敏感，在饥饿期间维持了脂质水平，这表明它们不能有效地用作燃料来源。一系列实验表明，主要缺陷是脂肪酸氧化（FAO）问题。事实上，FAO抑制剂对自噬无效肿瘤细胞的生长具有深远的影响。总之，这些数据强烈暗示了自噬在脂质稳态中的作用。

这些在肺癌中的发现被扩展到突变的Braf-driven模型，在该模型中，自噬的丧失再次显著损害了肿瘤的发展(Strohecker等人，2013年). 像Kras驱动的模型一样，自噬缺陷也增加了缺陷线粒体的积累，并向良性嗜酸细胞瘤组织学转变。无论p53状态如何，肿瘤的生长和发展都受到抑制。来源于Kras和Braf模型的细胞系对饥饿敏感，并且在基础和饥饿条件下，自噬能力不足的肿瘤细胞的耗氧量（OCR）受损。OCR和生长缺陷都可以通过添加外源性谷氨酰胺而得到彻底修复，这表明自噬可能在产生代谢燃料来源方面发挥关键作用。有趣的是，肿瘤的基因型可能在决定自噬的代谢贡献中发挥作用，因为自噬损失的Braf驱动的肺癌没有表现出与Kras驱动的模型中相同的脂质积聚缺陷。

在Kras驱动的胰腺癌GEMMs中，自噬被Atg5或Atg7缺失抑制，肿瘤的发展被自噬丢失显著减弱(Rosenfeldt等人，2013年;Yang等人，2014年). 当p53缺失被工程化到模型中时，自噬抑制在p53 LOH的情况下延迟了肿瘤的进展，类似于人类的情况(阿马拉瓦迪和德伯纳，2014年;Yang等人，2014年). 当p53纯合子丢失发生在胚胎发育过程中，同时删除两个拷贝时（这是一种特殊小鼠模型的局限性），自噬丢失具有促进肿瘤发生的反常效应(Rosenfeldt等人，2013年). 从这些模型中获得的细胞系对通过遗传或药理学方法产生的急性自噬抑制敏感，与用羟基氯喹治疗的患者来源的异种移植模型一样，无论p53状态如何。与之前的研究一致，GEMMs衍生细胞中的自噬抑制显著降低OCR，表明其在线粒体代谢中起作用。

最近一项利用Kras-driven肺癌GEMM细胞系衍生的细胞系进行的研究（有无ATG7）和复杂的代谢追踪研究试图确定自噬对肿瘤细胞的关键代谢贡献(郭等，2016). 用重同位素标记细胞，使其饱和，使用标记营养素的混合物持续数天，以最大限度地标记细胞内的大分子。然后，他们开发了一种方法，使用无标记培养基进行追踪，并结合短暂的饥饿期，以确定通过大分子自噬降解产生的代谢物。这项工作提出了几项关键意见。首先，除了在完全营养条件下葡萄糖摄取和乳酸生成的微小增加外，正如之前的一些研究所看到的，自噬损失主要影响营养素缺乏条件下的代谢通量。在进食和饥饿状态下，自噬支持的关键途径之一是氧化还原平衡，但仅恢复这一点对细胞在饥饿状态下的存活并不重要。与在这些模型中显示自噬在维持氧化磷酸化方面的重要性的工作一致，自噬对于维持饥饿期间的能量电荷至关重要。事实上，在饥饿期间，自噬无效细胞的总核苷酸库显著减少，而核苷的组合实际上可以在饥饿期间挽救这些细胞的存活。作者提出，饥饿的自噬缺陷细胞中的能量危机会导致核苷酸降解，从而限制AMP的积累，这是一种无效的逃避机制。因此，肿瘤细胞自噬的一个关键功能是在饥饿期间防止这种致命的核苷酸耗竭。

虽然上述研究主要集中在自噬对肿瘤细胞自身代谢的直接作用上，但一些研究也表明，自噬以非自主方式对肿瘤生长有重要影响，在许多情况下，这与对肿瘤细胞和宿主代谢的影响有关(Endo等人，2017年;Karsli-Uzunbas等人，2014年;Katheder等人，2017年;Sousa等人，2016年). 使用三苯氧胺诱导的cre重组酶，Atg7在成年小鼠全身被系统性删除(Karsli-Uzunbas等人，2014年). 有趣的是，与小鼠断奶后立即死亡的胚胎缺失相比，这些小鼠能够存活数月而不会自噬。自噬对小鼠在禁食、维持脂肪和糖原储存以及禁食期间的肌肉质量方面至关重要。事实上，禁食的Atg7-null成年小鼠死于低血糖。即使在喂食状态下，自噬的丧失也会导致白色脂肪组织的大量耗竭，这表明当自噬受到抑制时，脂质代谢可能会发生系统性改变。

作者继续将该模型与双重组酶系统（Kras和p53 FRT等位基因）结合使用，以测试急性全身自噬抑制（类似于全身施用的强效自噬抑制剂）对肺肿瘤生长的影响。使用腺病毒Flpase诱导肿瘤，当肿瘤完全形成时，使用三苯氧胺去除全身的Atg7。肺部肿瘤在大小、肿瘤负担和肿瘤细胞死亡方面显示出深刻的治疗效果，自噬在整个小鼠中都被严重消除。这些效应比之前的研究更加强大，之前的研究仅在肿瘤中删除了Atg7。对此有多种解释——完全形成的肿瘤（而不是肿瘤发展过程中）中缺失的急性性质可能会缩短适应时间；自噬的系统消融可能诱导抗肿瘤作用。有缺陷的宿主自噬可能会调节免疫系统以抑制肿瘤生长，或者如作者所示，全身代谢的改变可能会起作用。为了支持系统代谢的概念，最近的一项研究表明，热量限制与小鼠异种移植物生长的肿瘤细胞的自噬损失相配合(Lashinger等人，2016年). 因此，我们很容易推测，自噬缺陷引起的系统代谢变化可能与肿瘤细胞自身自噬的需要相配合，以维持能量平衡和核苷酸库。

最近研究胰腺癌可能的代谢串扰的其他工作也强调了肿瘤细胞非自主自噬在这些肿瘤的代谢支持中的重要性(Sousa等人，2016年). 胰腺癌具有高度促结缔组织增生性，这会导致缺氧和营养不良的微环境。基质中的关键细胞类型之一是一种特殊类型的成纤维细胞，称为胰腺星状细胞。这项工作表明星状细胞分泌支持胰腺癌线粒体代谢的代谢物。通过一系列代谢组学研究，确定星状细胞快速分泌非必需氨基酸丙氨酸，然后被胰腺癌细胞摄取。丙氨酸碳为PDAC的TCA循环提供燃料，并允许葡萄糖用于其他合成代谢过程，如丝氨酸/甘氨酸生物合成。在研究星状细胞如何产生分泌的丙氨酸的过程中，发现丙氨酸的分泌是自噬依赖性的。抑制星状细胞自噬抑制丙氨酸分泌，条件培养基不再影响胰腺癌代谢。分泌的丙氨酸能够在营养有限的培养基中支持细胞增殖，从而重现肿瘤的微环境。尽管自噬缺失并不影响星状细胞本身的生长或存活，但从自噬受损的星状细胞收集的条件培养基中，这种活性消失了。通过一系列联合移植研究表明，胰腺癌细胞与星状细胞联合注射可以改善肿瘤的摄取和生长。重要的是，通过RNAi抑制星状细胞室中的自噬，可以消除这种效应。因此，这项研究表明胰腺癌和星状细胞之间存在自噬依赖性代谢串扰，支持胰腺癌代谢并促进肿瘤生长。与这项工作一致，Endo等人最近发现胰腺星状细胞中的自噬抑制降低了移植模型中的肿瘤生长(Endo等人，2017年). 虽然这项工作没有关注代谢串扰，而是关注自噬在星状细胞激活中的作用，但它证实了基质细胞和肿瘤细胞自噬对胰腺癌生长的重要性。星状细胞活化是否与丙氨酸分泌有关，尚需进一步研究。此外，虽然还不清楚这种类型的自噬依赖性代谢串扰是否会扩展到其他肿瘤类型，先前的研究表明，与来自非癌组织的细胞相比，肺癌相关的成纤维细胞的基础自噬能力增强，从而增加了其他肿瘤类型可能具有类似代谢表型的可能性(Chaudhri等人，2013年). 最后，前列腺癌的研究表明，自噬适配器p62在肿瘤基质的代谢串扰中起着重要作用(Valencia等人，2014年).

结论/观点

大量证据表明自噬在各种癌症代谢中的重要性。最近的研究有助于更准确地定义自噬的代谢作用，以及自噬如何影响这一复杂过程的促肿瘤活性。有趣的是，自噬参与新陈代谢的范围超出了癌细胞本身，因为它似乎在肿瘤和间质细胞之间的代谢串扰中发挥作用，例如胰腺癌。自噬货物的多样性允许快速生产所需的代谢燃料源，这些燃料源可以供给几乎所有的中枢碳代谢途径以及其他途径。考虑到肿瘤细胞承受的巨大压力，这为应对肿瘤不断变化的代谢需求提供了一个蓄水池。这包括细胞内应激，如在无限制增殖和ROS生成增加期间维持能量稳态和核苷酸库的需要。除这些内在压力外，肿瘤细胞还面临着由肿瘤微环境中恶劣条件产生的代谢压力。这包括缺氧、低pH值和由于血管功能失调导致的营养供应减少。自噬为细胞提供了适应一系列压力的能力，使肿瘤能够继续增殖和存活。

事实上，鉴于自噬在肿瘤细胞生长中的上述作用，针对自噬的努力已经在进行中(阿马拉瓦迪等人，2016年;Rebecca和Amaravedi，2016年). 虽然这些药物中的大多数并不是针对抑制新陈代谢而设计的，但它们可能对肿瘤产生这种影响(图2). 第一系列试验使用了抗疟和风湿病药物，如羟基氯喹（HCQ），作为多种癌症组织学治疗方案的一部分，有几项试验的结果喜忧参半(Rebecca和Amaravedi，2016年). HCQ不是一种特异性自噬抑制剂，通过阻止其酸化作用于溶酶体水平，从而阻断自噬的最后一步，即溶酶体中货物的降解(Piao和Amaravadi，2016年). 因此，除了阻断自噬外，它还影响其他溶酶体过程。在肿瘤代谢领域，HCQ可能会抑制大胞饮作用，而大胞饮与自噬一起聚集在溶酶体。有趣的是，在Ras-driven癌症中，大胞饮作用也被证明对肿瘤细胞的生长至关重要，至少部分是通过降解外部蛋白提供替代代谢燃料来源(Commisso等人，2013年). 因此，HCQ可能通过这两个过程（自噬和微接种）以及潜在的其他途径对肿瘤细胞代谢产生影响(Maes等人，2016年). HCQ的一个重要限制是其效力，因为要完全抑制自噬并影响肿瘤细胞的生长，需要高微摩尔水平。而患者可以达到微摩尔水平(Munster等人，2002年;Tett等人，1993年)而自噬水平似乎可以在患者中调节，这不太可能是一个完整的阻滞，也不是在所有患者中都能看到(Boone等人，2015年;Wolpin等人，2014年). 然而，当用于某些癌症类型的某些治疗组合时，似乎有活性(Boone等人，2015年). 更有效和选择性更强的自噬抑制剂处于不同的发展阶段(Lebovitz等人，2015年;Wang等人，2016年).

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图2

肿瘤细胞中的自噬抑制可破坏肿瘤代谢，导致多种代谢后果，包括线粒体代谢受损、氧化还原失衡、核苷酸库耗竭和能量电荷减少。在某些情况下，这可能导致肿瘤生长障碍和肿瘤细胞死亡。同样，系统性自噬抑制可能通过上述肿瘤细胞自主效应及其对肿瘤微环境、宿主代谢和肿瘤与基质细胞之间代谢串扰电路的破坏的影响而具有抗肿瘤作用。这些损伤也可能导致肿瘤生长中断。

未来的试验可能设计为利用肿瘤代谢中自噬作用的治疗组合。化疗和放疗等治疗可诱导氧化还原应激，自噬的代谢作用有助于改善活性氧的有害细胞效应，并提供底物以帮助氧化还原平衡。因此，抑制自噬并结合其他治疗扰动可能会破坏这些代谢代偿，并在某些情况下提供治疗效用(图2). 这还包括使用细胞代谢抑制剂的自噬抑制来防止代偿反应。虽然HCQ可能通过靶向其他溶酶体过程提供额外的益处，但更有效的自噬抑制剂将允许以更严格的方式测试这些临床概念。

致谢

脚注

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