综述 |Mol. Cell：癌细胞重塑中的自噬及其质量控制
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编译：微科盟-三金，编辑：微科盟Emma、江舜尧。
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导读作为两个高度保守的细胞降解系统之一，自噬在调节蛋白质、脂质和细胞器的质控和细胞稳态中发挥着关键作用。这种进化上保守的途径挑选出细胞内底物，随后封装在双膜囊泡内并递送至溶酶体进行降解。多种癌症破坏了自噬的正常调节，并劫持了其降解蛋白质组、重新编程代谢和适应环境挑战的能力，使自噬-溶酶体系统成为抗癌干预的主要目标。本文中我们讨论了自噬在肿瘤进展中的作用，包括自噬调节的癌症特异性机制以及肿瘤和宿主自噬在代谢调节、免疫逃避和恶性肿瘤中的贡献。我们还进一步讨论了用于系统分析自噬体-溶酶体组成和内容的新兴蛋白质组学方法。总之，这些方法正在揭示自噬的新特征和功能，从而产生针对癌症中的这一途径的更有效的策略。
论文ID
原名：Autophagy in cancer cell remodeling and quality control译名：癌细胞重塑中的自噬及其质量控制期刊：Molecular CellIF：19.328发表时间：2022.04通讯作者：Rushika M. Perera
通讯作者单位：加州大学旧金山分校海伦·迪勒家庭综合癌症中心
主要内容
巨自噬（Macroautophagy；以下简称自噬）是一种高度保守的细胞分解代谢过程，几乎是所有细胞中都进行的活动，并且在营养缺乏、细胞器损伤和异常蛋白质积累等压力条件下进一步增加。芽殖酵母中的研究首先定义了自噬所需的核心基因网络。随后在哺乳动物中证明这些蛋白中的大多数是保守的。自噬过程是一个多步骤的途径，涉及多种蛋白质复合物、辅助蛋白和膜，它们协同产生双膜囊泡，包裹细胞内底物（称为“底物”）并将其输送到溶酶体进行降解。在自然条件下，自噬用于降解受损的细胞成分并回收营养物质以维持细胞的代谢和能量状态。自噬的这些关键特征对癌细胞特别有利，例如那些在Ras和Braf癌基因中具有激活突变的癌细胞的功能，它们显示出升高的自噬水平以维持代谢稳态、蛋白质组重塑和适应环境压力。因此，对自噬途径中每个步骤的详细分子机制理解对于制定调节疾病背景下自噬途径活性的有效策略是必要的。癌症基因工程小鼠(GEM)模型的开发有助于揭示自噬在肿瘤细胞以及肿瘤微环境中的宿主器官和自噬在细胞中促进肿瘤生长方面的关键作用。最近有研究也证明了肿瘤细胞自噬在促进逃避免疫细胞检测方面的重要作用。此外，自噬体(AP)和溶酶体分离的改进与基于质谱的蛋白质组学分析技术相结合，揭示了在不同营养、环境和疾病状态下自噬底物选择的特异性。总之，这些研究突出了自噬如何与恶性疾病的多个方面相互作用。
在本篇综述中，我们讨论了自噬在癌细胞与正常细胞中的作用相比之下如何不同，从而在肿瘤茁壮成长的极具挑战性的前提下实现蛋白质质控和代谢重编程。最后，我们讨论了肿瘤自噬在免疫逃避和宿主自噬在调节肿瘤生长中作用的最新进展。
1.自噬是一个多步骤的过程
哺乳动物的自噬过程可以细分为几个步骤，包括吞噬泡的形成和延伸、成熟及其与溶酶体的融合（图1）。由ULK家族激酶、ATG13、ATG101和粘着斑激酶相互作用蛋白200 kDa (FIP200)组成的组成型相关Unc-51样激酶(ULK)复合物的激活是触发自噬级联反应的起始事件。一旦被激活，ULK1激酶会激活由脂质激酶VPS34、Beclin1、VPS15、ATG14L和p150组成的第二种复合物，从而刺激VPS34激酶活性并在内质网膜(ER)上生成3-磷酸磷脂酰肌醇(PI3P)以及 ER-高尔基体位点。
正在生长的AP膜的伸长由两个平行的泛素(Ub)样结合系统介导，这些结合系统用于将ATG8家族成员(LC3s/GABARAP)连接到脂质磷脂酰乙醇胺(PE)。首先，ATG7和ATG10作为E1和E2样酶促进ATG12与ATG5的缀合产生ATG5-ATG12复合物。该复合物随后与ATG16L1非共价结合形成ATG5-ATG12-ATG16L复合物，该复合物对LC3和GABARAP家族成员显示E3连接酶活性。LC3本身首先被半胱氨酸蛋白酶ATG4修饰以产生其可溶形式(LC3-I)，随后通过ATG5-ATG12-ATG16L复合物与PE结合。
LC3的脂化形式(LC3-II)是不断增长的AP的关键组成部分，并作为自噬底物受体的停靠位点，将自噬底物输送到AP（图1）。这些底物受体，包括隔离体1 (sequestosome 1；p62/SQSTM1)和BRCA1邻近蛋白(neighbor of BRCA1；NBR1)都具有LC3相互作用区(LIR)，可促进与LC3的结合，而Ub结合域的存在能够同时识别泛素化的底物蛋白和用于自噬捕获和溶酶体降解的细胞器。自噬受体(ARs)可以是可溶性或膜结合蛋白，并具有消除特定细胞成分的选择性。例如，与ER膜结合的ARs，包括FAM134B和RTN3，促进响应内质网应激或从内质网应激中恢复的内质网重塑。此外，ARs相互异二聚化的能力也可能提供额外的底物选择性。
ATG9相关的囊泡作为吞噬泡形成的种子，而ATG9最近被描述为一种参与吞噬泡扩张的磷脂爬行酶。最近证明来自供体细胞器的直接脂质转移同样是由ATG2介导的，ATG2可能以单向方式将脂质从供体膜（最有可能是ER）向生长的AP输送。在AP生成和成熟部位产生的磷脂对于确保AP的有效生长很重要。新合成的脂质可以直接整合到不断增长的AP中。此外，产生自噬膜的脂质需求，特别是在触发数百个自噬囊泡生物发生的压力条件下，可能需要改变细胞脂质合成和分解代谢速率以提供支持AP生长所需的脂质含量。脂质产生并运输到不断扩大的吞噬泡以及这个过程与细胞的代谢状态相结合的机制仍然是未知的。
一旦AP膜被密封，成熟的囊泡必须与溶酶体对接并融合，将底物进行降解。该步骤受AP和溶酶体上存在的可溶性N-乙基马来酰亚胺敏感附着蛋白受体 (SNARE)、Rab GTP酶以及同型融合和蛋白质分选(HOPS)复合物的调节，该复合物被认为介导溶酶体-AP束缚，而SNARE蛋白介导融合。驻留的溶酶体水解酶降解进入的底物材料，这些底物材料通过专用的溶酶体膜转运蛋白和通道流出而被储存或回收。自噬-溶酶体过程共同确保了多种细胞内物质的传递、降解和回收，并且该途径有助于维持细胞健康。
有研究认为，ATG8蛋白可以掺入额外的单膜囊泡中，包括吞噬体、大胞浆体、内体和内囊泡，最终与溶酶体融合。这些囊泡的形成独立于ULK1起始机制，但需要在典型自噬过程中发挥作用的Ub样ATG5和ATG7缀合机制。通过LC3相关吞噬作用(LAP)途径产生的LC3阳性吞噬体能够吞噬细胞外真菌和细菌病原体或凋亡小体。LC3还被招募到大胞浆体并在嵌入过程中运输囊泡，这涉及吞噬活细胞过程。ATG8的其他非规范功能包括其参与LC3相关内吞作用(LANDO)和掺入细胞外囊泡(EVs)，在称为LC3依赖性EV装载和分泌(LDELS)的过程中介导RNA结合蛋白和小非编码RNA的胞吞和胞吐作用。LC3很可能在这些囊泡载体完全形成后被整合。因此，与典型的AP形成不同，LC3不太可能有助于 LAP、LANDO和LDELS相关结构的生物发生。相反，这些载体上的LC3可能会募集能够转运到溶酶体并与溶酶体融合或有效分泌的蛋白。探索在癌症背景下介导非经典自噬相关过程的生理相关性和分子机制的研究可能会发现可以与经典自噬相结合的其他漏洞。
2.正常细胞和癌细胞自噬的调节
响应急性营养应激的自噬激活主要由AMP活化蛋白激酶(AMPK)和雷帕霉素复合物1(mTORC1)蛋白激酶的机制靶标介导。活化的mTORC1通过关键自噬调节因子ULK1和ATG13的磷酸化在抑制自噬中起关键作用。在生长因子或营养缺乏的情况下，mTORC1失活导致自噬的启动。此外，在由葡萄糖阻断或线粒体功能障碍引起的能量匮乏（低ATP）条件下，AMPK被激活并通过ULK1、III型PI3K Vps34和Beclin1的磷酸化促进AP的形成和延伸。AMPK还通过负调节mTORC1帮助自噬启动。
除了激酶依赖性自噬启动的急性调节外，由主转录因子（TFE3、TFE3和 MITF）的microphthalmia/转录因子E (MiT/TFE) 家族成员介导的转录激活能够上调自噬和溶酶体基因表达。MiT/TFE因子也受到mTORC1磷酸化的负调控，导致其细胞质滞留，从而在mTORC1活跃的条件下限制自噬和溶酶体基因的表达。然而表现出增加的自噬和溶酶体生物合成的癌细胞通常在mTORC1活性也很高的条件下表现出相同的模式，这表明必须有旁路机制来维持促生长和质控程序的同时激活。可以通过MiT/TFE因子、AMPK活性、MiT/TFE基因的扩增、突变或易位的上调和组成性核定位来实现激活或丧失mTORC1依赖性MiT/TFE磷酸化的上游调节因子，例如卵泡素和结节性硬化症（TSC）。这些条件中的每一种都会导致MiT/TFE因子的过度激活和自噬和溶酶体生物合成的增加，进而驱动肿瘤发生。
除了它们在营养缺乏诱导的自噬中的典型作用外，MiT/TFE因子已被证明对广泛的细胞应激源有反应。这些包括非整倍体、DNA损伤、线粒体应激和ER应激，这些都是与肿瘤发生相关的条件。例如，由于未折叠或错误折叠蛋白的积累导致ER稳态改变触发未折叠蛋白反应(UPR)，从而恢复稳态。TFEB和TFE3响应ER应激而被激活，并以PERK依赖性和mTORC1非依赖性方式转移到细胞核中。由TFEB/TFE3活性诱导的ER应激靶点包括自噬和溶酶体基因以及ER稳态的关键调节因子，包括ATF4转录因子。因此，MiT/TFE激活诱导的ER应激有助于恢复细胞稳态，并可能作为一种额外的安全机制来确保高度增殖癌细胞中的ER功能。同样，线粒体损伤后线粒体自噬的诱导被证明是TFEB依赖性的。线粒体应激诱导依赖性TFEB的PINK/Parkin和非依赖性mTORC1激活。同时由于自噬缺陷，所有MiT/TFE家族成员的消耗导致受损的线粒体无法消除。在严峻的细胞和微环境条件下，仍无法确定更广泛的应激诱导的MiT/TFE因子激活是否有助于癌细胞的细胞适应和生长。此外，对由MiT/TFE因子调节的更广泛的转录程序分析可能会揭示与自噬和溶酶体诱导相结合的互补途径，从而为这些因子如何支持不同癌症类型在不同阶段的生长提供重要的见解。
3.自噬在癌症中的作用:从小鼠模型中得到的经验
在正常细胞中，基础水平的自噬通过去除有毒或受损的蛋白和细胞器、抑制活性氧(ROS)、DNA损伤、组织损伤和炎症来维持体内平衡。因此，自噬有助于防止可能促进癌变的慢性细胞损伤的累积。同样，自噬基因如ATG5、ATG7和FIP200的遗传抑制与肿瘤起始突变的激活相结合会导致GEM癌症模型中的癌前病变增加。在易受慢性损伤和炎症影响的组织中，例如肝脏，单独缺失Atg5或Atg7会导致自发性良性肝细胞瘤。发展中的病变保持良性表明自噬是肿瘤发展为恶性状态所必需的。对胰腺癌GEM模型的研究表明，在没有引发致癌突变的情况下，胰腺上皮细胞内的自噬抑制不会导致良性病变的生长。这表明自噬抑制后的良性肿瘤生长可能只发生在大多数组织中肿瘤细胞内存在额外致癌损伤的情况下。
与早期疾病相比，晚期疾病模型中肿瘤细胞自噬的遗传或药理学抑制会导致肿瘤生长的显著阻滞。包括黑色素瘤、乳腺、肺、脑、前列腺和胰腺的GEM模型。这些研究中的大多数都包含Atg5或Atg7的肿瘤特异性缺失。鉴于非经典自噬途径（例如，上述LAP、LANDO和LDELS）也依赖于这些关键的ATG蛋白，癌症模型的进一步研究可能有助于确定经典与非经典功能对肿瘤生长的相对贡献。然而，多种癌症的生长、存活和恶性进展都受益于并依赖于功能性自噬。再加上人类癌症中必需的自噬基因突变的频率很低，该途径在人类肿瘤中可能发挥促进作用。
4.定义自噬依赖的底物
4.1 ARs和目标的选择
自噬的功能与降解目标底物的特性密切相关。它还依赖于触发通路激活的上游刺激，这反过来又可以定义底物选择性。例如，饥饿诱导的自噬可能会捕获直接恢复营养平衡的不同底物，并且可能在底物特异性、功能和调节方面与基础自噬不同。同样，与基础自噬相关的AP与应激诱导的自噬相关的AP之间的分子和生化差异可能存在，但仍不明确（图2）。
也许对细胞成分靶向降解研究最好的机制涉及一类称为选择性自噬受体分子的参与。这些受体通过同时与LC3蛋白结合，将其结合的底物与生长的AP膜连接起来。最近在识别越来越多的自噬底物受体方面取得的进展突出了自噬如何控制多种复杂底物的调节周转，包括蛋白、聚体、细胞器和病原体。例如，ARs介导线粒体（线粒体自噬）、ER（ER-自噬）、糖原（自噬）、脂（自噬）、过氧化物酶体（pexophagy）以及其他几种细胞内和致病性大分子的靶向降解。
基于它们是否通过依赖Ub或独立于Ub的机制识别底物，存在两种不同类别的ARs。例如，包含Ub相互作用基序(UIM)的ARs利用它们的UIM和LIR在AP内分别与泛素化底物和LC3结合。相比之下，一些ARs，如膜结合的ER吞噬受体不包含UIMs，而是直接与LC3结合。同样，不同的ARs以不依赖Ub的方式识别脂质、糖和铁储存蛋白铁蛋白。
其中一些ARs在癌症方面发挥着特别重要的作用。例如，核受体共激活因子 4(NCOA4)是自噬介导的不依赖Ub的铁蛋白降解适配器，这一过程称为铁蛋白吞噬。研究人员通过将胰腺导管腺癌(PDA)细胞的AP分离与基于质谱的蛋白质组学相结合发现NCOA4富含AP。NCOA4还直接与铁蛋白重链1(FTH1)亚基结合，并且对于将铁蛋白递送至AP及其随后在溶酶体中的降解是必需的。因此，缺乏NCOA4的细胞不能降解铁蛋白，进而导致细胞内生物可利用铁减少。NCOA4本身通过E3 Ub连接酶HERC2的翻译后修饰进行调节，当不再需要铁蛋白吞噬时，它在铁充足的条件下将其作为蛋白质体降解的目标。因此，在铁蛋白吞噬的背景下发现和调节NCOA4揭示了一种自噬依赖性维持细胞铁供应的机制。PDA细胞中相对较高水平的NCOA4和铁蛋白吞噬进一步表明癌细胞可能对铁的储存或利用有更高的要求。
其他形式的选择性自噬，例如线粒体自噬同样有助于癌细胞的代谢和细胞器健康。例如，在几种癌症中检测到ER吞噬受体FAM134B和SEC62的异常表达。额外的机制研究将有助于确定ER吞噬在癌症进展中的作用，以及这种选择性形式的自噬依赖性ER重塑的诱导是否与ER稳态、压力适应或环境的改变有关。其他形式的选择性自噬与信号复合物的调节、粘着斑的转换、抗原呈递机制的下调以及癌细胞对缺氧的反应有关。
4.2 自噬体含量分析
AP底物和相关蛋白的开发鉴定方法一直是几十年来研究的重点。目前的方法首先是建立使用密度梯度分级分离的AP纯化方法。随后的研究将亚细胞分离与二维电泳和液相色谱串联质谱(LC-MS/MS)相结合，以识别和量化胞内底物蛋白和AP膜相关蛋白。这些研究确定了几种富含AP组分的蛋白，这些蛋白预计在底物识别、膜脂修饰和建立AP形状方面具有功能性作用。底物主要来源于细胞质，代表了多种蛋白。其中有一个结果是AP相关蛋白对给定上游刺激的相对特异性。例如，对从暴露于氨基酸(AA)饥饿或雷帕霉素（一种模拟AA饥饿的mTORC1抑制剂）处理的细胞中分离出的AP进行蛋白质组学分析只发现了一小部分常见靶标，其中绝大多数是每种情况所独有的。同样，全细胞蛋白质组学分析显示刺激特异性自噬底物清除响应于急性AA饥饿处理与雷帕霉素处理。这些结果表明，看似相似的条件可能会引发显著不同的结果，要么是由于通路激活和持续时间的定性差异，要么是由于与细胞中平行运输路线的整合。
有几项研究揭示了与自噬诱导或抑制相关的更广泛的蛋白质组学变化。使用SILAC和质谱分析具有自噬能力和缺陷的成纤维细胞中的蛋白半衰期产生了两个重要发现：（1）自噬主要负责蛋白质组重要部分的更新和（2）存在自噬目标选择的明显偏差。对AA饥饿后蛋白丰度变化的时间依赖性分析也揭示了某些细胞蛋白自噬降解的偏好。例如，饥饿诱导的自噬早期阶段降解的第一个群体是细胞质蛋白，而在之后的时间点靶向细胞器衍生的蛋白和蛋白复合物。因此，除了底物偏好外，细胞蛋白的靶向和降解似乎在饥饿条件下以时间依赖性、有序的方式发生。这些研究有助于对自噬的感知从大量非选择性过程普遍转变为在底物偏好和时间方面具有高度选择性捕获和清除的过程。
通过自噬靶向消除细胞蛋白在癌症生长和压力适应中发挥着越来越重要的作用。例如，自噬功能与缺陷Ras转化细胞的蛋白质组学分析表明，饥饿诱导降解的蛋白选择性靶向与先天免疫反应和干扰素反应相关的蛋白。在饥饿时特异性消除肿瘤衍生的炎症介质，这一过程的优势可能是破坏细胞过早死亡并在营养限制条件下维持细胞活力。相比之下，参与囊泡运输或一般应激反应途径的蛋白对饥饿时的自噬降解具有抗性，从而确保这些保护性途径的有效激活。在基础或饥饿诱导的条件下，剪接体和核糖体的成分在很大程度上也受到保护，免受自噬介导的降解。利用全细胞蛋白质组学测量蛋白质翻译和降解率的研究也表明，核糖体亚基不会因饥饿而发生显著的自噬更新。然而，某些疾病状态可能仍会触发自噬依赖性核糖体转换以响应营养压力，未来跨细胞类型和条件的研究可能有助于阐明自噬在核糖体转换中的潜在作用。
如何确定选定蛋白底物的特异性仍然是当前研究的一个热点领域。同样，在基础条件下或饥饿后保护特定类别的蛋白免受自噬捕获的机制是该领域的一个重要问题。泛素化或其他蛋白质修饰、总体丰度的差异、特定相互作用伴侣的存在和细胞位置可能会影响不同细胞类型在基础和应激诱导条件下对选定蛋白亚群的识别或靶向（图3）。
最近使用工程酶（如过氧化物酶（工程抗坏血酸过氧化物酶2 [APEX2]）、生物素连接酶(BioID)或TurboID）与LC3或ARs结合邻近标记(PL)的方法还可以实现高通量AP含量分析到非经典自噬相关过程（框1）。有研究人员利用与APEX结合的LC3发现了一种非经典的LC3相关途径，该途径调节RNA结合蛋白和小型非编码RNA进入EV，随后分泌（称为LDELS）。鉴于EV在细胞间通讯中的作用不断扩大，这项研究为自噬机制如何调节分泌分子的选择提供了重要的见解。另一组研究人员通过将PL与选择的ARs（NBR1、OPTN、p62、NDP52、TOLLIP和TAX1BP1）、细胞器富集技术和定量蛋白质组学相结合，绘制了基础和应激诱导条件下的自噬降解组。结果表明，大多数已识别的交互器在至少2个邻近诱饵之间共享。一个值得注意的例外是Toll相互作用蛋白(TOLLIP)，它显示出最不同的相互作用组，可能是由于其在内吞运输和内体调节中的功能，可能优先于作为ARs发挥作用。分析其他参数，例如受体表达水平和组织类型、受体本身之间的潜在相互作用以及特定受体可能或多或少活跃的疾病状态，可能有助于阐明ARs在控制细胞健康和恶性细胞体内的平衡。
4.3 溶酶体含量分析
溶酶体是一种存在于几乎所有真核细胞中的膜结合细胞器，是细胞中的多种运输途径，也是自噬的终点。溶酶体内容物的分析是在各种细胞状态下检测自噬靶向底物的AP分析的一种强大且互补的方法。使用密度梯度超速离心或磁分离装载铁葡聚糖的溶酶体分离完整的溶酶体，然后进行基于质谱的蛋白质组学分析揭示了溶酶体的重要特征及其腔内的底物。这些研究在各种哺乳动物组织和细胞类型中进行，产生了表征溶酶体组成和含量的有价值的蛋白质组学数据集。通过这些方法发现的溶酶体蛋白库包括水解酶、负责催化底物和运输消化产物、维持溶酶体腔pH值和膜结构完整性的整合和外周膜蛋白。这些方法的固有缺点包括由于存在具有重叠密度分布的其他细胞器，特别是线粒体而缺乏纯度。此外，铁葡聚糖或相关颗粒吸收率的差异可能会影响溶酶体分离效率，从而使跨细胞类型或条件的比较变得困难。为了克服其中的一些挑战，最初使用抗V-ATPase亚基的抗体来免疫分离溶酶体。鉴于V-ATPase在所有细胞溶酶体中普遍存在，这种策略允许独立于它们的密度或吸收外部颗粒的能力来分离溶酶体。随后开发的溶酶体膜相关标签结合了与高亲和力（FLAG、HA和生物素）缀合的溶酶体跨膜蛋白，允许从设计用于表达标签的细胞中快速有效地分离完整的溶酶体。这种方法有助于证明mTORC1通过与Rag GTPase的相互作用定位于溶酶体表面，提供溶酶体腔的代谢谱，揭示胆固醇稳态和溶酶体在损伤后清除的机制，并提供非癌症与癌症溶酶体含量的比较分析。
虽然溶酶体在所有细胞中都具有保守的降解作用，但细胞内、细胞群或不同细胞类型之间的溶酶体组成和含量的异质性可能超出了对营养应激的反应。例如，非PDA与PDA衍生溶酶体的比较揭示了Ferlin家族蛋白在调节癌症溶酶体膜完整性中的新作用。对七种不同细胞系（HEK293T、HeLa、HuH-7、SH-SY5Y、MEF和NIH3T3）的溶酶体蛋白质组学分析，同样确定了膜相关蛋白和腔内蛋白的显著异质性，包括人类和小鼠特异性的存在的溶酶体相关蛋白。研究溶酶体异质性也揭示了基于细胞内细胞器位置和转化诱导的溶酶体脂质组成变化的溶酶体pH值的差异。为了评估单溶酶体特性，研究人员开发的一种单溶酶体质谱(SLMS)平台，该平台集成了溶酶体膜片和质谱，能够同时进行代谢和电生理分析。
未来的研究中，来自体内组织或暴露于不同条件（缺氧、营养缺乏和微环境压力）的健康和患病细胞的溶酶体分析可能会揭示溶酶体在细胞转化、癌症进展和转移的背景下的独特特征和功能。单溶酶体分析可能突出溶酶体进化、降解能力和寿命的重要特征，这些特征可能影响细胞状态、增殖能力和整体健康水平。
5.自噬在癌症进展中的作用
5.1 自噬维持肿瘤细胞的代谢稳态
自噬通过促进多种细胞底物降解的能力赋予癌细胞代谢可塑性。因此，各种癌症模型的研究表明，自噬和溶酶体介导的降解是促进癌细胞代谢的核苷酸、氨基酸和脂质的关键来源（图3A-3C）。Ras转化细胞和致癌Ras驱动的肿瘤上调自噬，并依靠这一途径帮助维持具有挑战性的微环境中的新陈代谢。使用体外和体内Ras驱动的癌症模型的研究表明，自噬抑制会导致线粒体代谢缺陷，包括呼吸速率、能量电荷和可用代谢中间体的降低。同样，通过用溶酶体抑制剂氯喹处理PDA细胞系来抑制自噬导致线粒体呼吸功能障碍。
自噬通过选择性去除、重塑和修复几乎所有细胞器来维持细胞器质控的固有功能，在癌细胞中对于维持代谢适应性、高蛋白合成率和营养物质循环特别重要。Kras突变肿瘤需要功能性线粒体进行葡萄糖和谷氨酰胺代谢以支持肿瘤生长。线粒体网络的维持取决于从头生物发生、裂变和先前存在的线粒体的融合以及线粒体自噬之间的平衡。线粒体自噬会响应各种刺激而激活，包括缺氧、营养缺失、DNA损伤、炎症和线粒体膜去极化。线粒体自噬缺陷会导致功能失调的线粒体积累，进而影响营养和能量稳态、细胞命运和分化、信号传导和细胞死亡易感性，这些活动在癌细胞中尤其重要。例如，在Kras驱动的非小细胞肺癌(NSCLC)的GEM模型中，Atg7的基因失活会导致形态改变的线粒体积累，这可能是由于通过线粒体自噬清除缺陷造成的。最终在该模型中形成的肿瘤类似于一种罕见的良性肿瘤，嗜酸细胞瘤，其特征是积累了增大的、有缺陷的线粒体和脂质代谢缺陷。在PDA的GEM模型中删除线粒体自噬受体NIX（也称为BNIP3L）的研究也支持这一结果。NIX的缺失导致肿瘤细胞代谢的改变延缓了肿瘤的生长并延长了荷瘤小鼠的生存期。然而，这些小鼠最终还是死于恶性疾病，这表明维持线粒体健康的替代途径可能会补偿NIX的损失。这些研究强调了自噬通过对代谢物水平和细胞器活性的联合调节在控制细胞代谢中的重要作用。
5.2 自噬促进多种癌症的免疫逃避
自噬在塑造先天和适应性免疫系统方面都发挥着关键作用。最近有研究揭示了自噬在保护癌细胞免受免疫介导的消除方面的新兴作用（图3D和3E）。
例如，最近显示PDA中MHC I类(MHC-I)的下调部分是通过自噬依赖性机制介导的。MHC-I的捕获和靶向溶酶体依赖于AR NBR1。因此，抑制自噬、NBR1 或溶酶体足以恢复总MHC-I水平、细胞表面定位并在人和小鼠PDA模型中引发有效的抗肿瘤免疫反应。一项独立研究表明，抑制颗粒蛋白前体产生了类似通过抑制自噬和溶酶体活性恢复PDA细胞中MHC-I的表达的结果。这些研究描述了自噬溶酶体系统在调节免疫识别和杀死癌细胞所必需的关键细胞表面蛋白中的重要作用。同时，MHC-I的自噬依赖性调节似乎没有转化为其他上皮细胞表面标志物或MHC-II，这表明对MHC-I的特异性可能通过识别异常的翻译后修饰发生在PDA细胞中。在LKB1缺陷型肿瘤中也注意到MHC-I的自噬依赖性失调，并且抑制ULK1足以恢复抗原呈递。自噬是否更广泛地重塑细胞表面蛋白质组仍有待完全确定，全细胞表面蛋白质组学可能有助于揭示其定位和运输受自噬影响的全部蛋白质组。
对不同癌细胞类型自噬的遗传或药理学抑制也显示出使它们对免疫介导的杀伤敏感。自噬缺陷肿瘤中炎性细胞因子（包括CCL5、CXCL5和CCL10）的上调似乎介导了有效的抗肿瘤免疫反应，这表明肿瘤内在的自噬抑制增强了免疫细胞对肿瘤的可见性（图3E）。在一组不同的癌细胞系中进行的无偏全基因组CRISPR筛选进一步表明敲除核心自噬基因可以作为对TNF-α依赖性T细胞介导的杀伤的敏化剂。总之，这些研究强调了肿瘤内在自噬在阻断抗原呈递和免疫介导的肿瘤靶向方面的前所未知的作用。
5.3 宿主自噬支持肿瘤生长
除了专注于肿瘤细胞自噬抑制影响的研究外，最近的几项研究结果还表明自噬在局部肿瘤微环境和远处器官中的肿瘤细胞外在作用可以对整体肿瘤生长产生深远影响。例如，星状细胞利用自噬产生丙氨酸库，由PDA细胞分泌并随后输入，以促进其线粒体代谢。因此，星状细胞中的自噬抑制会损害肿瘤细胞的代谢和生长。星状细胞中的自噬抑制也促进了它们的停滞，并限制了它们在PDA的情况下产生和分泌细胞外基质(ECM)的能力。这些研究强调了肿瘤微环境细胞在以自噬依赖性方式促进肿瘤生长方面的关键支持作用。
GEM模型的开发可以在成年小鼠中长期或急性抑制宿主自噬，结合使用自噬活性肿瘤细胞的移植研究，进一步揭示了宿主组织自噬在支持肿瘤生长中的基本功能。例如，显性失活Atg4b突变体在成年小鼠中的诱导表达有效地阻断了宿主的自噬，导致移植的具有自噬能力的PDA细胞生长延迟。同时，成年小鼠中Atg7的急性、全身性缺失比肿瘤细胞本身的自噬抑制更大程度地阻止了同种异体移植的Kras驱动的NSCLC细胞的生长。重点是肿瘤消退发生在全身自噬抑制引起的不良反应发生之前。
后续研究测试了更广泛的癌症类型（黑色素瘤、尿路上皮癌和NSCLC）在移植到全身性Atg7或Atg5缺失的宿主小鼠后的易感性，发现肿瘤生长依赖于宿主衍生的精氨酸（图4C）。宿主组织中的自噬抑制导致精氨酸降解酶精氨酸酶1(ARG1)的分泌增加，从而导致循环精氨酸减少。因此，最容易受到宿主自噬抑制的肿瘤对应于那些依赖宿主衍生的精氨酸生长的肿瘤（精氨酸营养缺陷型），因为它们缺乏关键的精氨酸生物合成酶的表达，包括精氨琥珀酸裂解酶 (ASS1) 和鸟氨酸转氨甲酰酶。该研究表明，宿主自噬通过维持循环精氨酸水平来支持精氨酸营养缺陷型肿瘤的生长。与此一致，在黑腹果蝇中通过化学或遗传方法进行的系统性自噬抑制同样阻止了RAS驱动的肿瘤的生长及其侵袭能力。有趣的是将这些肿瘤移植到自噬能力强的宿主中足以恢复肿瘤的生长。而对宿主自噬抑制不敏感的肿瘤是否具有维持代谢稳态的独特适应性机制仍不清楚。
驻留在肿瘤微环境中的免疫细胞表现出自噬依赖性，也可能有助于肿瘤生长。例如，通过缺失Atg5或Atg7对T细胞自噬的遗传抑制导致T细胞代谢的改变，转化为记忆效应细胞，并最终增强体内肿瘤排斥反应（图4D）。同样，在荷瘤小鼠中，宿主对Atg7或Atg5的抑制促进了抗肿瘤T细胞反应。在Atg7-null宿主小鼠上生长的肿瘤显示干扰素γ (IFN-γ) 途径基因及MHC-I和抗原呈递的表达增加（图4E）。这些研究共同强调了自噬在改变肿瘤以绕过免疫细胞检测方面的关键功能。因此，肿瘤细胞、免疫细胞或宿主细胞和组织内的自噬抑制似乎始终促进免疫细胞浸润和抗肿瘤免疫反应（图4F）。
总之，这些发现突出了肿瘤细胞内在和宿主自噬在促进肿瘤生长方面的关键贡献，并表明可能有一个全身性自噬抑制的治疗机遇。未来的研究侧重于自噬抑制对肿瘤微环境或远处组织内不同宿主细胞类型的影响，可能有助于确定自噬在肿瘤生长和维持以及转移扩散和定植过程中更广泛的作用。
图4 宿主自噬促进肿瘤生长的作用
(A-F)肿瘤微环境和远处组织细胞内的自噬会影响肿瘤生长。例如，靠近肿瘤细胞的星状细胞利用自噬产生丙氨酸库，该丙氨酸库由癌细胞分泌并导入(A)。微环境中的其他细胞类型，包括癌症相关成纤维细胞(CAF)、内皮细胞和脂肪细胞也可以提供促进癌症生长的营养，但自噬是否调节这种交换尚不清楚。星状细胞中的自噬抑制（“关闭”）促进其静止并减少细胞外基质(ECM)的沉积(B)。同样，肝脏中的自噬有助于维持精氨酸营养缺陷型肿瘤所必需的循环精氨酸(C)。因此，抑制肝脏中的自噬导致精氨酸酶1(ARG1)的分泌增加，从而减少循环精氨酸并抑制肿瘤生长。全身性宿主自噬抑制（“关闭”）促进细胞毒性T淋巴细胞(CTL)激活(D)。近期的研究表明，肝脏自噬通过减少CTL的激活、减少干扰素-γ和干扰素基因刺激物(STING)激活(E)来促进肿瘤免疫耐受。总体而言，全身性自噬抑制会促进免疫细胞对肿瘤浸润的增加（F）。
结论和未来方向
靶向自噬机制或溶酶体仍然是一种有前景的方法，可以对抗越来越多依赖于该途径进行压力适应和生长的肿瘤。目前阻断自噬的策略包括靶向由ULK1/2、VPS34和ATG4B介导的自噬起始和延长的早期阶段。或者羟氯喹等药物靶向溶酶体并阻止后期底物清除。这些策略的共同点是能够破坏自噬在很多细胞损伤保护方面的作用，例如细胞受损或有毒大分子的积累、损害细胞器健康、导致促进肿瘤细胞增殖所必需的关键代谢底物耗尽和暴露肿瘤等方面。细胞进入免疫系统溶酶体抑制的一个优点是能够同时禁用多种清除途径，包括非经典自噬途径，这可能能够更有效地防止对营养获取和回收的替代途径的补偿性诱导。
为了使这些干预措施发挥最大作用，需要继续研究自噬在肿瘤进展中的作用。例如，在建立针对原发性疾病和转移性疾病的有效治疗干预措施时，有必要进一步了解与原发性肿瘤相关的转移性病变中的自噬和溶酶体依赖性。近期的研究表明，相对于转移较少的细胞，高度转移性膀胱癌细胞对溶酶体抑制更敏感；TFEB、溶酶体生物发生和胞吐作用的上调与肺癌转移有关。这些研究表明，自噬-溶酶体抑制在抑制原发性和转移性肿瘤生长方面同样有效。然而，这在癌症中可能并不普遍。因此，有必要对癌症类型进行深入研究，以充分了解自噬依赖性以及遗传与药理学途径抑制对原发性与转移性肿瘤生长的影响。
同样，进一步的研究侧重于ARs在癌症中的作用，重点研究领域包括它们如何与底物接触以及底物选择特异性的潜在机制。虽然Ub仍然是ARs参与的主要媒介，但额外的翻译后修饰是否提供额外的特异性仍有待完全确定。
虽然癌症的焦点一直是以抑制自噬作为一种治疗干预，但一种可能的替代策略是利用自噬途径的内在降解能力来选择性地消除致癌蛋白。在这个方向上的早期研究已经发现了基于自噬和溶酶体的降解剂，未来的研究有望确定它们临床在治疗中的适用性。
https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/35452618/
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