原文始发于微信公众号(药时代):自噬诺奖一周年 | 靶向自噬的肿瘤药物研发前景浅析
撰文 |紫薯
2017年10月1日
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1963 年,比利时科学家 Christian de Duve 首次提出自噬(Autophagy)的概念 。当时,包 括 Duve 在内的科学家首次观察到细胞能破坏自身成分,用膜将这些成分包裹,形成袋状囊泡并转移给溶酶体(lysosome)进行降解回收。但之后自噬机制研究一直没有突破。溶酶体的研究倒是进展迅速。
1974 年,Christian de Duve 因发现溶酶体而分享诺贝尔生理学或医学奖。
1997 年,日本科学家大隅良典 (Yoshinori Ohsumi) 首次在酵母细胞中克隆出第一个自噬相关的基因,ATG13 [1]。随后,大隅良典研究了数千种变异酵母细胞,鉴别出了15 个对自噬至关重要的基因 (迄今科学家总共发现了至少 30 个 ATGs [2])。基本阐明了自噬的大致过程和机制。
2016 年 10 月 3 日,大隅良典因发现细胞自噬机制获诺贝尔生理学或医学奖 [3]。
自噬获诺奖能够加速其临床开发利用吗,特别是在抗癌方面的应用?
抗癌相关自噬发现年表 [4]。
Timeline of the major discoveries that led to targeting of autophagy in cancer
自噬机制简介
目前普遍认为,自噬是一种应激和防御机制。
细胞通过形成自噬体,装载待处理的废物,与溶酶体结合,降解,消化受损,变性,衰老,甚至相对正常的细胞、细胞器、蛋白、核酸等,为细胞重建,再生和修复提供必须原 料,从而实现细胞的再循环利用 [2]。
自噬既是胞内的垃圾处理厂,同时也是废物回收站。
自噬小体的形成与保守的 ATG 基因直接相关。其过程可以分成几个步骤:
自噬体的起始、核化、延伸、成熟、融合、降解等 [4]。
General autophagy pathways
在起始阶段,自噬体接受生成信号并传送至隔离膜产生部位,并在此募集自噬体生成关键 起始前及随后的起始复合物。随后经过核化-隔离膜的生成,膜的延伸和闭合。进而,自噬体形成后与溶酶体融合,由溶酶体释放酸性水解酶来降解自噬体装载的待处理物品,最 后回收利用降解后的氨基酸,脂肪酸,核酸等基本重建单位 [2]。
自噬的主要生理功能因而包括:营养和能量平衡;消除受损或多余的细胞器;清除易于变异的蛋白聚合体,病原体等等。
自噬体的形成受多种信号调控,最主要的是核心调控分子mTORC1,感受营养缺乏,或能量不足的相关信号。
可以在自噬多个不同的时段促进或抑制自噬作用的进程 [4]。
Interventions that target autophagy
自噬与凋亡的关系
自噬是细胞内的“自食”,“self-eating”,凋亡是“自杀”,“self-killing”。
二者共用诸多相同的应激因素(如营养缺乏,缺氧等)和调节蛋白(如 Bcl-2,PI3K, AKT,P53 等)。但诱发阈值不同,转换和协调的详细机制尚不明确。但一般来说,自噬发生,完成的时间早于凋亡,是先有一个“自食其力”,挽救细胞死亡的过程。假如胁迫信号能够及时去除,自噬很快就可以停止,而许多细胞凋亡的过程也能够逆转。
过多的自噬有时会引起细胞死亡,曾经叫做 II 型程序化死亡,但最终与传统的程序化死亡也没有实质的差别,现在这个叫法也不流行了。
假如将细胞凋亡直接相关的基因敲除,如 Bax-/- /Bak-/- , APAF-1 -/- 等,细胞能够在没有营养的培养液中,通过自噬存活达几星期到几个月之久,而正常的细胞饥饿几天就要凋亡了。
这从另一方面说明了二者的紧密联系。也使人联想到肿瘤细胞在饥饿的时候也许可以通过自噬维持生存。
自噬和凋亡都是靠模式动物起家,发家和成为诺家的。细胞凋亡最初用的是秀丽线虫,以 及后来的酵母和果蝇。自噬则主要是酵母。
当然,就连二者的研究人员很多时候也是同一帮人。15-20 年前,最热的生物学研究莫过于细胞凋亡,凋亡高峰过后,许多人又顺路赶上10 年前自噬的大潮。
癌症发生与自噬的关系
一般认为,自噬能够预防早期癌症的发生。正常生理条件下或者应激时,细胞自噬通过吞食,消化变异,老化的细胞,细胞器,错误折叠的蛋白等,有利于细胞保持自稳状态,预 防癌变细胞的产生。 失去这些保护措施会增加癌变机会 [4,5]。
但是一旦癌症已经发生,活跃的自噬作用则能够促进肿瘤细胞的生长 [4,5]。特别是肿瘤细胞的生长需要消耗大量的资源,应对不利的生长环境时,经常需要通过自噬来提供更丰富,或多渠道的营养。
因此,在肿瘤发生发展的过程中,细胞自噬具有多面性。(包括可能很多时候是中性)。
自噬的关键基因 ATGs 在癌症发生过程中极少会发生突变。最早有报道 ATG6 缺失经常与肿瘤发生相关,仔细分析发现是因为相邻的BRCA1的突变才是癌变的主要驱动因素。这也许间接说明 ATGs 不是强的抑癌基因。
许多自噬相关的抑制剂在临床前的试验中证实有一定的抗肿瘤作用 [4]。
Examples of drugs targeting autophagy/lysosome in cancer
靶向自噬的抗癌临床试验
Chloroquine(CQ, 氯喹) 和 HCQ 是仅有的进入临床研究的靶向自噬化合物 [4]。其作用机理在于引起溶酶体的去酸化,使得自噬小体不能与溶酶体融合,无法完成装载物的降 解。CQ引起溶酶体酸化的更详细机理尚不清楚。迄今已经开始的CQ或HCQ的抗肿瘤临 床试验超过 50 个,基本都是学术界的PI主导开展的。
初步的临床试验结果表明,CQ 或 HCQ 的安全耐受良好,特别是没有发现神经退行相关 的副作用 (在小鼠中敲出某些 ATG 基因会发生)。HCQ 作为 CQ 的代谢物之一,在峰值浓度的毒性比 CQ 更低。所以我们看到更多 HCQ 的组合临床试验。总体疗效的报道是正面 的。但多数临床试验的患者入组人数较少,试验结果有待进一步验证。也有不少试验并没有观察到有效的疗效 [4,5,6]。
根据历史经验,由学术界主导赞助的成功的临床试验成例子不多,印象中只有 Keytruda 最近获批的基于 MMR (mismatch repair) 广谱抗癌适应症是真正学术界 PI 主导成功的。 估计制药公司可能不会有太多兴趣去开发 CQ 或 HCQ 的抗肿瘤用途。CQ 最初于 1934 年 被发现。二战的需求促进了其开发,1947 年获批进入临床应用,治疗疟疾。但很快就出 现大规模的耐药性。现在多数地方已经弃用 CQ 用于疟疾。如果 CQ 能够成功开发成抗肿瘤药物,它必定是最便宜的抗癌药之一。在发展中国家,它每个剂量售价才 4 美分。美国 售价 5.3 美元 [7]。
当然,CQ 类抑制剂选择性也不高,它还可以在高浓度时破坏 DNA,抑制血管生成等。 即使有抗肿瘤效果,也不一定是完全通过抑制自噬起作用。更何况,CQ 的靶点在溶酶体,溶酶体除了与自噬直接相关,还有许多其它功能,抑制溶酶体的活性也不等同于抑制自噬。
除了 CQ,我们还有更有效的替代物,lys05。或者更具选择性的早期的自噬靶点抑制剂可以尝试,如靶向 VPS34,ULK1,ATG4B 等 [4]。
Open clinical trials targeting autophagy-dependent cancers
促进自噬治疗癌症?
主流的观点认为抑制自噬可以促进癌细胞的死亡。大部分的临床试验也依此设计的。但也 有部分科学家认为抑制自噬治疗癌症不是一个好主意,代表人物如 Kroemer,认为抑制自噬会损伤具抗癌作用的 T 细胞的功能。背后的机理是说肿瘤细胞死亡过程中的自噬是具 免疫原性细胞死亡所必需的,是免疫系统有效识别凋亡的癌细胞所需要的 [8,9]。
更进一步,Kroemer 利用热量限制模拟 (Caloric restriction mimetics),可以有效的促进自噬,和改善抗癌免疫监视能力。二者是否是强因果关系,不是非常明确。反对的研究也有 报道。
自噬标志物
靶向自噬也要精准。最近的研究表明,自噬依赖 (autophagy addiction or autophagy dependence)的肿瘤细胞对自噬抑制更敏感 [4]。较新的临床试验开始检测自噬信号与有效治疗的联系。这个也许对自噬成功抗癌的应用至关重要。这也是个性化抗癌新时代的趋 势。
只是,现在还没有特别可靠的自噬标志物 [4,5]。
小结
自噬对癌症的影响具有明显的两面性 (two-faced role),是一把双刃剑。一刀切 (one size fits all)的方法可能行不通。
自噬干扰单用效果非常有限。联用策略包括,先用一下自噬的抑制剂组合,组合对象可以 是化疗, 放疗,靶向疗法,有效果最好。不行,再用一下激活剂与免疫疗法的组合,有作用最好,无效的话,that’s it for autophagy。
自噬的促进剂,现成的小分子药物就有 (如 Bcl-2 的抑制剂,mTOR 的抑制剂等),是否能 够通过自噬起作用,尚待进一步临床验证。等不急的也有替代办法,禁食,锻炼就能很好的促进自噬作用 [10]。
运动,锻炼有困难的,有人也给出了替代方案,服用保健品,如海藻糖也可以促进自噬 [11]。?!?
总之,自噬的抗癌应用前景: 水很浑,一锅粥。自噬的抗癌前景任重道远,还要再沉淀一 段时间才清楚。期望诺奖效应能够促进自噬干扰的临床应用。
(理解不到的地方,恳请指正。)
参考文献:
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Analyses of APG13 gene involved in autophagy in yeast, Saccharomyces cerevisiae. Funakoshi, T., Matsuura, A., Noda, T. & Ohsumi, Y. Gene. 1997, 192, 207–213.
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Digesting the expanding mechanisms of autophagy. Ktistakis NT, Tooze SA. Trends Cell Biol. 2016, 26: 624–635.
-
The Nobel Assembly. The Nobel Assembly at Karolinska Institutet has today decided to award the 2016 Nobel Prize in Physiology or Medicine to Yoshinori Ohsumi https://www.nobelprize.org/nobel_prizes/medicine/laureates/2016/press.html (2016).
-
Targeting autophagy in cancer. Levy JMM, Towers CG, Thorburn A. Nat Rev Cancer. 2017, Sep;17(9):528-542. doi: 10.1038/nrc.2017.53. Review.
-
Recent insights into the function of autophagy in cancer. Amaravadi, R., Kimmelman, A. C. & White, E. Genes Dev. 2016, 30, 1913–1930.
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Therapeutic Targeting of Autophagy. Towers CG, Thorburn A. EBioMedicine. 2016 Dec;14:15-23. Review.
-
https://en.wikipedia.org/wiki/Chloroquine.
-
Autophagy-dependent anticancer immune responses induced by chemotherapeutic agents in mice. Michaud M, et. al. Science. 2011. Dec 16;334(6062):1573-7.
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Autophagy and cellular immune responses. Ma, Y., Galluzzi, L., Zitvogel, L. & Kroemer, G.. Immunity. 2013, 39, 211–227.
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Exercise-induced BCL2-regulated autophagy is required for muscle glucose homeostasis. He, C. et al. Nature, 2012, 481, 511–515.
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Trehalose inhibits solute carrier 2A (SLC2A) proteins to induce autophagy and prevent hepatic steatosis. DeBosch, B. J. et al. 2016, Sci. Signal. Feb 23;9(416).
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