Abstrakt

Autofagia, której rolą jest degradacja zbędnych lub uszkodzonych elementów komórek, jest niezwykle istotna w wielu ludzkich chorobach, zwłaszcza nowotworach. Proces ten wpływa różnorako na etapy inicjacji i progresji nowotworu, co jest spowodowane nakładaniem się ścieżek sygnałowych autofagii i kancerogenezy. Jednak, ze względu na złożoność raka jako choroby układowej, o losie komórki nowotworowej nie decyduje jedna ścieżka sygnałowa. Przewlekłe zahamowanie autofagii promuje nowotworzenie, wskutek niestabilności genomu, wadliwego wzrostu komórek, a także w wyniku stresu komórkowego. Jednak zwiększona indukcja autofagii może się stać mechanizmem pozwalającym na przetrwanie komórek guza w stanie niedotlenienia, kwasicy lub pod wpływem chemioterapii. Dlatego też w rozwoju nowotworu, proces autofagii należy rozpatrywać dwukierunkowo. Określenie molekularnych mechanizmów leżących u podstaw procesu autofagii i jej roli w nowotworzeniu jest podstawowym elementem strategii przeciwnowotworowej. Głównym celem nowoczesnej onkologii, który ostatecznie powinien doprowadzić do powstania spersonalizowanego leczenia pacjentów, jest możliwość przewidywania odpowiedzi konkretnego typu nowotworu na zastosowany lek. Wyniki badań in vitro i in vivo, przedstawiają ogrom relacji zachodzących między zmianami w genomie, a odpowiedzią na zastosowaną terapię. Informacje te wskazują na mechanizm i tym samym punkt docelowego działania leków. Celem artykułu jest omówienie molekularnego podłoża autofagii i roli tego procesu w terapii nowotworów, co może ułatwić zrozumienie relacji autofagia-rak i wskazać kierunek projektowania nowych leków o aktywności przeciwnowotworowej.

Wstęp

Termin autofagia pochodzi z języka greckiego, w którym oznacza: auto (samo), phagy (zjadanie). Odnosi się do bardzo konserwatywnego, starego filogenetycznie procesu, służącego degradacji uszkodzonych organelli, elementów cytoplazmy oraz białek o długim okresie półtrwania. Proces ten zachodzi z udziałem lizosomów, a jego występowanie zaobserwowano w komórkach wszystkich organizmów eukariotycznych [39,44,73].

Celem autofagii jest utrzymywanie homeostazy w komórce, zapewniając równowagę między wytwarzaniem a  degradacją elementów komórkowych. Jednak proces ten może również doprowadzać do całkowitej destrukcji komórki. W związku z tym autofagia jest określana mianem programowanej śmierci komórki typu II [57]. Ten typ śmierci komórki charakteryzuje się częściową kondensacją chromatyny, degradacją elementów subkomórkowych, takich jak na przykład: polirybosomów, retikulum endoplazmatycznego czy aparatu Golgiego. Jest to proces niezależny od kaspaz, przebiegający z podwyższoną aktywnością enzymów lizosomanych. Za regulację autofagii odpowiedzialne są geny atg (autophagy-related genes), których produktami są białka Atg, zaangażowane w poszczególne etapy autofagii. Do tej pory w komórkach drożdży zidentyfikowano 34 różne białka należące do tej grupy (Atg1-Atg34), a w komórkach wyższych eukariontów odpowiadające im 34 ortologi [47,75].

Dowiedziono, że autofagia bierze udział w procesach fizjologicznych, takich jak na przykład: biosynteza neuromelaniny, dojrzewanie erytrocytów, a także wewnątrzkomórkowa biogeneza surfaktantu na powierzchni pneumocytów. Wykazano również udział autofagii w regulacji długości życia organizmów. Przy występowaniu mutacji w genie Atg5, który jest odpowiedzialny za uruchomienie autofagii, dochodzi do śmierci mysich noworodków zaraz po ich urodzeniu [45]. Rola autofagii w procesach fizjologicznych to jednak przede wszystkim utrzymanie homeostazy wewnątrz organizmu [27].

Za indukcję autofagii mogą być odpowiedzialne różne czynniki, m.in.: brak pożywienia, niedotlenienie, cytokiny, hormony, uszkodzenie struktury DNA [44]. Przewlekłe zahamowanie autofagii doprowadza do nowotworzenia, wskutek niestabilności genomu, wadliwego wzrostu komórek, również w wyniku stresu komórkowego. Jednak zwiększona indukcja autofagii może się stać mechanizmem pozwalającym na przetrwanie komórkom guza w stanie niedotlenienia, kwasicy lub pod wpływem chemioterapii. Dlatego też w rozwoju nowotworu, proces autofagii należy rozpatrywać dwukierunkowo [38].

Mechanizm autofagii

W  ciągu wielu lat, wraz z  rozwojem technik biologii molekularnej, doszło do lepszego zrozumienia tak skomplikowanego procesu, jakim jest autofagia. Jako model badawczy mechanizmu autofagii wykorzystano komórki drożdży Saccharomyces cerevisiae.

W procesie autofagii wyróżniamy: autofagię zależną od chaperonów (chaperone-mediated autophagy, CMA), autofagię swoistą (m.in. lipofagię, mitofagię, peksofagię, rybofagię) oraz mikroautofagię i makroautofagię [50]. Klasyfikację przeprowadzono na podstawie wielkości eliminowanych substratów oraz skali ich degradacji. Podczas CMA trawieniu ulegają pojedyncze białka oraz peptydy, które znajdują się w cytoplazmie. W procesie mikroautofagii eliminacji ulegają związki rozproszone w cytoplazmie, małe organelle, fragmenty jądra komórkowego. Proces makroautofagii polega na degradacji kompleksów białkowych, białkowo-lipidowych znajdujących się w cytoplazmie, a także organelli oraz struktur błoniastych [47]. Makroautofagia charakteryzuje się powstawaniem w cytoplazmie autofagosomów, będących strukturami o podwójnej błonie, której pochodzenie nie jest w pełni udowodnione, choć sugeruje się, że jej źródłem mogą być błony retikulum endoplazmatycznego, aparatu Golgiego bądź zewnętrzna błona mitochondrium [71]. Zwyczajowo przyjęło się nazywać makroautofagię mianem autofagii [20,73]. Proces ten można podzielić na cztery etapy, w których istotną funkcję pełnią białka Atg [6,10] (ryc. 1). Ze względu na pełnione funkcje zostały sklasyfikowane w sześć grup. Pierwsza grupa to kompleks kinazy ULK1 (ULK – mAtg13 – FIP200 – Atg101), którego najważniejszą składową jest mAtg13, będący nośnikiem sygnału do rozpoczęcia autofagii. Drugą grupę stanowi Atg9, białko transportujące składniki lipidowe niezbędne do budowy podwójnej błony izolującej, czyli fagoforu. Trzecią tworzy kompleks kinazy PI3 klasy III, składający się z Vps34 – Bekliny 1 – Vps15 – mAtg14 i pełniący rolę w formowaniu fagoforu. Czwartą grupą jest kompleks PI3K – Atg2 – Atg18, któ- rego zadaniem jest recyrkulacja Atg9 w obrębie struktur preautofagosomalnych (PAS), co jest niezbędne do wydłużania jeszcze niedojrzałej błony fagoforu. Piątą grupę reprezentuje kompleks Atg12 – Atg5 – Atg16L, będący podstawą do tworzenia multimetrów wymaganych do zakrzywienia błony tworzącego się fagoforu. Ostatnią grupą są białka Atg8, które przez połączenie z fosfatydyloetanoloaminą (phosphatidiethanoloamine, PE) prowadzą do powstania autofagosomu [52,58,68].

Aktywacja procesu autofagii rozpoczyna się od formowania fagoforu oraz jego stopniowego rozszerzania, w celu utworzenia autofagosomu. Za inicjację tego etapu jest odpowiedzialny kompleks, w skład którego wchodzą: kinaza 3-fosfatydyloinozytolu klasy III (PI3K-III) (ortolog drożdżowy-Vps34), Beklina 1 oraz kinaza serynowa p150. W ten etap autofagii jest zaangażowane także białko błonowe Atg9, znajdujące się w strukturze preautofagosomalnej (PAS) oraz Atg2, z którym oddziałuje i dzięki temu może formować błonę izolującą [75].

Powstawanie autofagosomu zależy od dwóch ubikwitynopodobnych kompleksów białek: Atg12-Atg5 oraz LC3–II-fostatydyloetanoloamina (LC3-II-PE). Kompleksy te są sprzężone ze sobą i powstanie struktury autofagosomu wymaga prawidłowego działania ich obu [10].

Pierwszy z  kompleksów wymaga obecności czterech białek: Atg5, 7, 10, 12. Atg12 jest białkiem zbudowanym z 186 aminokwasów, w którym glicyna na C-końcu zostaje aktywowana przez Atg7. Białko to pełni rolę podobną do enzymu E1, zaangażowanego w ubikwitynację. Białka Atg12 i Atg7 zostają połączone ze sobą nietrwale, a następnie Atg12 przenoszone zostaje na Atg10, będące odpowiednikiem enzymu ubikwitynującego E2, i sprzężone z Atg5. Rezultatem sprzęgania jest powstanie kompleksu Atg12-Atg5, w którym białka są połączone za pomocą wiązania izopeptydowego. Wiązanie to powstaje przez połączenie glicyny w C-końcowym odcinku Atg12 z lizyną 149 w Atg5 [75,77]. W następnym etapie kompleks Atg12-Atg5 zostaje związany z  białkiem Atg16, dochodzi do multimeryzacji i  powstania tetrameru, który jest niezbędny do rozpoczęcia formowania autofagosomu przez wydłużenie błony izolującej. We wszystkich komórkach eukariotycznych, w tym w komórkach ssaków czy drożdży, powstanie kompleksu odbywa się w ten sam sposób, jednak w pierwszym przypadku jego masa wynosi 350 kDa, natomiast w komórkach ssaków kompleks ten jest nazywany Atg16L, a jego masa wynosi 800 kDa [16,53]. Tylko niewielka część kompleksu jest związana z błoną, natomiast przeważnie jest umiejscowiony w cytoplazmie. Gdy dochodzi do utworzenia dojrzałego autofagosomu, następuje dysocjacja kompleksu Atg16L, co sprawia, że nie może on stanowić markera procesu autofagii [77].

Drugim ubikwitynopodobnym kompleksem, niezbędnym do powstania autofagosomu jest LC3-II-PE. LC3, łańcuch lekki białka związanego z mikrotubulami, jest ssaczym ortologiem drożdżowego białka Atg8. Białko LC3, znajdujące się w cytosolu, jest syntetyzowane jako prekursor pro-LC3, który w wyniku cięcia proteolitycznego przez Atg4 ulega przemianie do postaci LC3-I. W następstwie działania Atg7 i Atg3, pełniących funkcję enzymów ubikwitynopodobnych (odpowiednio E1 i E2) oraz odwracalnego połączenia LC3-I z grupą aminową fosfatydyloetanoloaminy (PE), powstaje dojrzała postać LC3-II wbudowywana do błony izolującej autofagosomu. Obecność LC3-II-PE po obu stronach błony autofagosomu jest niezbędna dla postępu procesu autofagii [50,53,60,77]. Stężenie LC3-II, które koreluje z liczbą powstających autofagosomów, jest wiarygodnym markerem procesu autofagii i można go zmierzyć za pomocą techniki immunoblotingu [54].

Dotąd odkryto jeszcze dwa ssacze ortologi drożdżowego białka Atg8, zaangażowane w proces rozwoju autofagosomów. Są to: białko typu A związane z receptorem kwasu gamma-aminomasłowego (gamma-aminobutyric acid recepto-associated domain, GABARAP) oraz białko uczestniczące w transporcie białek wewnątrz aparatu Golgiego o masie 16 kDa (Golgi-associated ATPase enhancer of 16 kDa, GATE-16) [69].

Podczas dojrzewania autofagosom łączy się z lizosomem, w rezultacie czego powstaje autofagolizosom. Do prawidłowego przebiegu tego etapu autofagii niezbędna jest obecność białek: związanych z błoną lizosomu (LAMP- -2a), monomerycznych GTPaz (Rab22 i Rab24), białka receptorowego SNARE (soluble NSF-attachment protein receptor) oraz białka fuzji NSF (N-ethylmaleimide-sensitive fusion). W tym etapie ważną rolę odgrywają także białka cytoszkieletu [74]. Końcowym etapem autofagii jest degradacja elementów cytoplazmy oraz organelli komórkowych. Na tym etapie zawartość autofagolizosomu ulega trawieniu przez enzymy lizosomalne. W rezultacie powstają tzw. ciałka resztkowe, za ich lizę są odpowiedzialne białka Atg15 i Atg22 [78].

Regulacja procesu autofagii

Regulatorem autofagii jest kompleks białek Beklina 1/ PI3K-III. Kompleks ten jest zaangażowany w formowanie autofagosomów, inicjację procesu autofagii. Kompleks Beklina 1/PI3K-III umiejscowiony jest w  przestrzeni trans aparatu Golgiego i dostarcza trifosforanu fosfatydyloinozytolu z aparatu do błon izolujących [51,62].

Powstawanie autofagosomu odbywa się za pośrednictwem aktywacji kinazy 3-fosfatydyloinozytolu. U ssaków odkryto trzy kompleksy, w skład których wchodzi PI3K, mianowicie: klasa I, II i III. W procesie autofagii biorą udział kompleksy klasy I i III. Pierwszy z nich jest składnikiem błony komórkowej i uczestniczy w szlaku transdukcji sygnału, prowadząc do aktywacji kinazy TOR. Pełni rolę inhibitora autofagii, natomiast kompleks PI3K klasy III jest aktywatorem tego procesu, bierze udział w proliferacji komórek oraz przemieszczaniu wewnątrzkomórkowych elementów cytoszkieletu [11,47,73]. W komórkach drożdży odpowiednikiem PI3K jest Vps34. Białko to tworzy dwa kompleksy: kompleks I składający się z: Vps34, Vps15, Atg6/Vps30, Atg14 oraz kompleks II zawierający: Vps34, Vps15, Atg6/Vps30 i Vps38. Pierwszy z  nich jest odpowiednikiem ssaczego kompleksu klasy III [28]. Aktywacja PI3K-I zwiększa wytwarzanie fosfatydyloinozytolotrifosforanu (PIP3), co doprowadza do przemieszczania się kinaz białkowych zależnych od fosfatydyloinozytolu (PDK) oraz kinazy Akt do błony komórkowej. Przez PDK 1 i 2 aktywowana zostaje kinaza Akt, odpowiedzialna za fosforylację kompleksu białek zaangażowanych w regulację podziałów komórkowych, hamartyny i tuberyny. Hamuje w ten sposób aktywność tychże kompleksów, w związku z czym jest głównym inhibitorem szlaku sygnałowego mTOR (mammalian target of rapamycin) [28,56]. Zaobserwowano, że ciągła aktywacja ścieżki sygnalizacyjnej PI3K jest odpowiedzialna za zwiększone wytwarzanie białek, proliferację komórek nowotworowych i hamowanie autofagii przez mTOR [62].

Drugim elementem wchodzącym w  skład kompleksu aktywującego proces autofagii jest Beklina 1 (ryc. 2). Jest to białko o masie cząsteczkowej 60 kDa, składające się z około 450 aminokwasów. Zidentyfikowano dotąd trzy domeny tego białka: na N-końcu – domena BH-3-only (114-123 aminokwasy), centralna super-helisa (CCD, aminokwasy 144-269) oraz na C-końcu – ewolucyjnie zachowana domena (ECD, aminokwasy 244-337). Elementem struktury jest także krótka sekwencja aminokwasów bogata w leucynę, tzw. sygnał eksportu jądrowego (nuclear export signal, NES), odpowiedzialna za indukcję autofagii w cytosolu. ECD jest niezbędna w pośredniczeniu Bekliny 1 w programowanej śmierci komórki typu II oraz w zahamowaniu nowotworzenia przez to białko. Mutacje we fragmencie NES mogą natomiast powodować zaburzenia indukcji autofagii wywoływanej przez niedobór składników odżywczych [6,32,73].

Beklina 1 za pośrednictwem domeny BH-3 oddziałuje z  białkiem antyapoptotycznym Bcl-2. Z  domeną CCD wiążą się produkty genu związanego z opornością na promieniowanie ultrafioletowe (UVRAG), będące promotorem mechanizmu autofagii. PI3K-III oddziałuje natomiast z dwiema domenami: CCD i ECD [32,41]. Beklina 1 bierze udział w rozwoju zarodka, reguluje długość życia komórki oraz decyduje o jej śmiertelności. Odnotowano jej udział w zapobieganiu chorobom neurodegeneracyjnym: chorobie Alzheimera, Huntingtona i Parkinsona. Zaobserwowano obniżone stężenie Bekliny 1 u pacjentów z nadmiernym odkładaniem patologicznych białek (amyloidu β, huntingtyny i białka tau) w neuronach oraz ich niewystarczającą eliminacją. Beklina 1 wykazuje również działanie kardioprotekcyjne, indukując autofagię w czasie reperfuzji. Podczas niedokrwienia mięśnia sercowego autofagia odgrywa rolę ochronną, ale udowodniono, że w przypadku mutacji w genie Beklina 1 dochodzi do osłabienia reperfuzji. Ponadto Beklina 1 uczestniczy w  odpowiedzi immunologicznej, w  razie zakażeń wirusowych (kolokalizacja w jądrowych centrach replikacyjnych wirusa) i bakteryjnych (stymulacja TLR) [15,48]. Odgrywa znaczącą rolę w supresji nowotworów, indukując proces autofagii oraz zapobiegając proliferacji komórek nowotworowych [40,41,66,67]. Beklina 1 oddziałuje z PI3K-III oraz p150, a także z Ambra1 (activating molecule in beclin 1 regulated autophagy) oraz z czynnikiem oddziaływującym z Bax (Bif-1) (Bax-interacting factor 1) [24].

W  regulację autofagii jest zaangażowane także ssacze białko docelowe rapamycyny, mTOR. Jest to kinaza serynowo-treoninowa, tworząca w komórkach ssaków dwa kompleksy białkowe odpowiedzialne za regulację procesów komórkowych. Pierwszy z nich mTORC1, składa się z kinazy mTOR oraz białek Raptor i mLST8/GbL. Kompleks ten jest zaangażowany w kontrolę transkrypcji, translacji i autofagii, będąc jej negatywnym regulatorem. mTORC2 składa się z kinazy mTOR oraz białek Rictor, mLST8/GbL i jest odpowiedzialny za regulację funkcji cytoszkieletu komórki przez oddziaływanie m.in. z F-aktyną czy paksyliną. mTORC1 charakteryzuje się dużą wrażliwością na rapamycynę, będącą swoistym inhibitorem mTOR, natomiast drugi z kompleksów, mTORC2, jest mniej wrażliwy na rapamycynę [28,56]. Działanie rapamycyny polega na defosforylacji Atg1 (ULK1), wskutek czego następuje zahamowanie aktywności mTOR oraz aktywacja autofagii. Aktywność mTORC1 zależy od dostępności substancji odżywczych [13].

Ważnym regulatorem autofagii jest białko p53, czynnik transkrypcyjny pełniący funkcję supresora transformacji nowotworowej. Jeśli dochodzi do mutacji genu TP53 częściej obserwuje się występowanie nowotworów [65]. p53 wiążąc się do swoistych sekwencji DNA, reguluje ekspresję genów białek zaangażowanych w regulację przebiegu cyklu komórkowego, metabolizm oraz indukcję apoptozy. W ponad połowie przypadków ludzkich nowotworów obserwuje się inaktywację białka p53 w wyniku nadmiernej degradacji proteosomalnej, mutacji genu lub wzmożonego wytwarzania jego inhibitorów. Białko p53 bierze również udział w regulacji autofagii, a jego rola w tym procesie zależy od umiejscowienia białka w komórce. W indukcji autofagii jest zaangażowana frakcja jądrowa p53, co wiąże się z jego funkcją regulatorową transkrypcji genów kodujących białka AMPK, DAPK-1, DRAM, białka proapoptotyczne z rodziny Bcl2 (Bad, Bax, BNIP3, PUMA) oraz sestryny [60]. DRAM w odpowiedzi na działanie czynników uszkadzających DNA, bierze bezpośredni udział w indukcji autofagii niezależnej od kompleksu mTOR. Sestryna 1 i 2, indukowana w wyniku uszkodzeń DNA bądź stresu oksydacyjnego, bierze udział w autofagii przez białka AMPK [73]. Frakcja cytoplazmatyczna p53 przez aktywację mTORC1, niezależnie od roli tego białka jako czynnika transkrypcyjnego, powoduje zahamowanie autofagii. Potwierdzają to badania przeprowadzone przez Tasdemir i wsp. na komórkach raka jelita grubego z  inaktywowanym p53 (HCT116), charakteryzujących się podwyższonym podstawowym poziomem autofagii. W  wyniku wprowadzenia genu typu dzikiego białka p53 i przywrócenia syntezy p53, poziom autofagii obniżył się. Regulacja autofagii z udziałem białka p53 może zatem zachodzić dwukierunkowo. W warunkach fizjologicznych białko to jest negatywnym regulatorem tego procesu. Natomiast pod wpływem działania czynników onkogennych, dochodzi do aktywacji autofagii [23,56,65].

Autofagia a proces nowotworzenia

Informacje zawarte w  dostępnym piśmiennictwie nie określają jednoznacznie roli autofagii w nowotworzeniu. Jednak prace wielu autorów przedstawiają ten proces jako mechanizm zapobiegający rozwojowi nowotworu [70]. Pierwsze połączenie między nowotworzeniem i autofagią stanowi gen Beklina 1 (BECN1). Zmniejszoną ekspresję Bekliny 1 zaobserwowano w komórkach raka piersi MCF7 w  porównaniu z  prawidłowymi komórkami gruczołu piersiowego [37]. W modelu badawczym myszy mutacja z monoalleliczną delecją BECN1 zwiększyła częstość spontanicznych nowotworów złośliwych (białaczki, chłoniaki, nowotwory wątroby i płuc) w porównaniu z ich typami dzikimi. Ponadto zaobserwowano, że delecja alleli Bekliny 1 indukuje letalność embrionów. Wykazano, że obniżenie ekspresji tego genu jest powiązane z gorszą prognozą u pacjentów z nowotworami złośliwymi, a także ze skróceniem czasu całkowitego przeżycia u pacjentów z rakiem jelita grubego i rakiem przełyku. Zwiększona ekspresja BECN1 zmniejsza zarówno proliferację komórek nowotworowych, jak i potencjał nowotworzenia in vivo. Dowiedziono również, że nadekspresja tego genu sprzyja lepszemu rokowaniu u pacjentów z glejakami o wysokim stopniu złośliwości oraz u pacjentów z nowotworami wątroby [33,36,63,78]. Z badań tych wynika, że utrata genu BECN1 promuje proces nowotworzenia, natomiast jego nadekspresja hamuje ten proces.

W  komórkach nowotworowych znaleziono również mutacje w innych genach zaangażowanych w proces autofagii. Mutacje w genie UVRAG, kodującym białko oddziałujące z  Bekliną 1, występowały w  komórkach nowotworów jelita grubego i żołądka [8]. Stwierdzono również częste delecje genu MAP1-LC3 w rakach piersi, jajników, stercza i  wątroby [42]. Wykazano, że inaktywacja Atg4 zwiększa podatność myszy na rozwój fibrosarkomy [62]. Ponadto autofagia jest regulowana negatywnie przez szlak PI3K-Akt-mTOR, którego wzrost aktywności jest częstym wynikiem mutacji obserwowanych w komórkach nowotworowych. Dowiedziono również, że zahamowanie autofagii może doprowadzić do zwiększonego nowotworzenia przez nadmierną kumulacją reaktywnych form tlenu [49].

Należy zwrócić uwagę, że autofagia może być również odpowiedzialna za promocję nowotworzenia. Główną rolę odgrywa wówczas brak składników odżywczych oraz hipoksja. Czynnik indukujący autofagię w warunkach hipoksji, HIF-1α, jest odpowiedzialny za indukcję transkrypcji genu białka BNIP3. Białko to wiąże się z  białkami antyapoptotycznymi Bcl-2, Bcl-XL , które oddziałują z Bekliną 1, regulując autofagię. W wyniku konkurencji BNIP3 o wiązanie z Bcl-2 i Bcl-XL, dochodzi do osłabienia ich interakcji, a odłączona Beklina 1 indukuje autofagię [29].

W terapii przeciwnowotworowej autofagia może działać jak „obosieczny miecz” i stymulować wzrost komórek nowotworowych oraz ich przeżycie w wyniku działania chemioterapeutyków [52]. Dlatego też poszukuje się leków hamujących ten proces. Obecnie jedną z substancji będącą w fazie badań klinicznych w terapii przeciwnowotworowej wykazującą zdolność hamowania autofagii jest chlorokina i jej analog, hydrochlorokina. Punktem uchwytu dla tej grupy związków jest lizosom, w  którym wykazują aktywność przez zahamowanie degradacji białek w obrębie autofagolizosomu [36]. Ponadto autofagia może promować nowotworzenie przez modulację metastazy komórek nowotworowych [42].

Wykazano, że autofagia hamuje rozwój procesu nowotworzenia, zwłaszcza we wczesnej fazie inicjacji, natomiast zahamowanie autofagii przez hamowanie ekspresji określonych genów (np. Bekliny 1) może promować rozwój nowotworu. Ponadto ostatnie badania wskazują na indukcję autofagii w komórkach nowotworowych w wyniku stosowania chemioterapii i radioterapii [62,76]. W przypadku mutacji genów promotorowych, proces ten może rekompensować deficyt apoptozy, co jest korzystne w  leczeniu chorych na nowotwory. Autofagia może odgrywać główną rolę w terapii przeciwnowotworowej przez usuwanie uszkodzonych, zawierających mutacje komórek oraz ograniczanie wielkości guza [72].

Zatrzymanie rozwoju procesu nowotworowego przez indukcję śmierci komórek nowotworowych jest najistotniejszym celem z punktu widzenia chemioterapii, a różnorodność czynników regulujących programowaną śmierć komórki wzbudza duże zainteresowanie wśród onkologów [14]. Głównym celem nowoczesnej onkologii, który ostatecznie powinien doprowadzić do powstania spersonalizowanego leczenia pacjentów, jest możliwość przewidywania odpowiedzi konkretnego typu nowotworu na zastosowany lek. Przeprowadzone na szeroką skalę badania w kierunku oceny wpływu związków o wysokim potencjale przeciwnowotworowym na panel genetycznie różnorodnych linii komórek nowotworowych, przedstawiają ogrom relacji zachodzących między zmianami w  genomie, a odpowiedzią na zastosowaną terapię [9,55]. Informacje te wskazują na mechanizm i tym samym punkt docelowego działania leków. Obecnie poszukuje się coraz skuteczniejszych związków, działających selektywnie na komórki nowotworowe i niewpływających na komórki prawidłowe organizmu. Wykorzystanie w terapii chorób nowotworowych ścieżek sygnałowych zaangażowanych w proces autofagii przedstawiono w tabeli 1.

Podsumowanie

Określenie molekularnych mechanizmów leżących u podstaw procesu autofagii i jej roli w nowotworzeniu jest najważniejszym elementem strategii przeciwnowotworowej. Zbadanie tych mechanizmów jest istotne dla zrozumienia jak główne modulatory ścieżki autofagii wpływają na inicjację i progresję tego procesu, a ponadto podkreślają znaczenie celowania w ścieżkę sygnałową autofagii. Podkreślenia wymaga ponownie podwójna rola autofagii w przeżyciu bądź śmierci komórki nowotworowej. Jak wykazały wyniki badań prowadzonych w międzynarodowych ośrodkach badawczych, zahamowanie autofagii może wzmocnić efektywność działania stosowanych obecnie leków przeciwnowotworowych w indukowanej chemioterapią aktywacji ścieżek sygnałowych autofagii. Jednak promowanie autofagii może indukować śmierć, a więc eliminację komórki nowotworowej i  ograniczenie wielkości guza. Dlatego też obie strategie mają ogromne znaczenie dla toczących się badań klinicznych i mogą dostarczyć wartościowych informacji dotyczących tego, czy i jak celowanie w ścieżkę sygnałową autofagii ma znaczenie w leczeniu chorych na nowotwory, również w zależności od typu nowotworu i stopnia jego zaawansowania.

Przypisy

• 1. Alinari L., Yu B., Christian B.A., Yan F., Shin J., Lapalombella R.,Hertlein E., Lustberg M.E., Quinion C., Zhang X., Lozanski G., MuthusamyN., Prætorius-Ibba M., O’Connor O.A., Goldenberg D.M.,Byrd J.C., Blum K.A., Baiocchi R.A.: Combination anti-CD74 (milatuzumab)and anti-CD20 (rituximab) monoclonal antibody therapyhas in vitro and in vivo activity in mantle cell lymphoma. Blood,2011; 117: 4530-4541
  Google Scholar
• 2. Amaravadi R.K., Winkler J.D.: Lys05: a new lysosomal autophagyinhibitor. Autophagy, 2012; 8: 1383-1384
  Google Scholar
• 3. Anbalagan S., Pires I.M., Blick C., Hill M.A., Ferguson D.J., Chan D.A.,Hammond E.M.: Radiosensitization of renal cell carcinoma in vitrothrough the induction of autophagy. Radiother. Oncol., 2012; 103: 388-393
  Google Scholar
• 4. Banerji V., Gibson S.B.: Targeting metabolism and autophagy inthe context of haematologic malignancies. Int. J. Cell Biol., 2012;2012: 595976
  Google Scholar
• 5. Bellot G., Garcia-Medina R., Gounon P., Chiche J., Roux D.,Pouysségur J., Mazure N.M.: Hypoxia-induced autophagy is mediatedthrough hypoxia-inducible factor induction of BNIP3 andBNIP3L via their BH3 domains. Mol. Cell. Biol., 2009; 29: 2570-2581
  Google Scholar
• 6. Boya P., Kroemer G.: Beclin 1: a BH3-only protein that fails toinduce apoptosis. Oncogene, 2009; 28: 2125-2127
  Google Scholar
• 7. Cao Y., Klionsky D.J.: Physiological functions of Atg6/Beclin 1:a unique autophagy-related protein. Cell Res., 2007; 17: 839-849
  Google Scholar
• 8. Carew J.S., Kelly K.R., Nawrocki S.T.: Autophagy as a target for cancertherapy: new developments. Cancer Manag. Res., 2012; 4: 357-365
  Google Scholar
• 9. Corona G., Rizzolio F., Giordano A., Toffoli G.: Pharmaco-metabolomics:an emerging “omics” tool for the personalization of anticancertreatments and identification of new valuable therapeutictargets. J. Cell. Physiol., 2012; 227: 2827-2831
  Google Scholar
• 10. Czaja J.M.: Functions of autophagy in hepatic and pancreaticphysiology and disease. Gastroenterology, 2011; 140: 1895-1908
  Google Scholar
• 11. Chen N., Debnath J.: Autophagy and tumorigenesis. FEBS Lett.,2010; 584: 1427-1435
  Google Scholar
• 12. Dai Z.J., Gao J., Kang H.F., Ma Y.G., Ma X.B., Lu W.F., Lin S., MaH.B., Wang X.J., Wu W.Y.: Targeted inhibition of mammalian targetof rapamycin (mTOR) enhances radiosensitivity in pancreatic carcinomacells. Drug Des. Devel. Ther., 2013; 7: 149-159
  Google Scholar
• 13. Decuypere J.P., Bultynck G., Parys J.B.: A dual role for Ca2+ inautophagy regulation. Cell Calcium, 2011; 50: 242-250
  Google Scholar
• 14. Erenpreisa J., Huna A., Salmina K., Jackson T.R., Cragg M.S.:Macroautophagy-aided elimination of chromatin: sorting of waste,sorting of fate? Autophagy, 2012; 8: 1877-1881
  Google Scholar
• 15. Fu L.L., Cheng Y., Liu B.: Beclin-1: Autophagic regulator and therapeutictarget in cancer. Int. J. Biochem. Cell Biol., 2013; 45: 921-924
  Google Scholar
• 16. Fujita N., Matsunaga K., Noda T., Yoshimori T.: Molecular mechanismof autophagosome formation in mammalian cells. TanpakushitsuKakusan Koso, 2008; 53 (Suppl. 16): 2106-2110
  Google Scholar
• 17. Gammoh N., Marks P.A., Jiang X.: Curbing autophagy and histonedeacetylases to kill cancer cells. Autophagy, 2012; 8: 1521-1522
  Google Scholar
• 18. García-Mauriño S., Alcaide A., Domínguez C.: Pharmacologicalcontrol of autophagy: therapeutic perspectives in inflammatorybowel disease and colorectal cancer. Curr. Pharm. Des., 2012; 18:3853-3873
  Google Scholar
• 19. Giannopoulou E., Antonacopoulou A., Matsouka P., KalofonosH.P.: Autophagy: novel action of panitumumab in colon cancer. AnticancerRes., 2009; 29: 5077-5082
  Google Scholar
• 20. Giansanti V., Torriglia A., Scovassi A.I.: Conversation betweenapoptosis and autophagy: “Is it your turn or mine?”. Apoptosis,2011; 16: 321-333
  Google Scholar
• 21. Guo X.L., Li D., Sun K., Wang J., Liu Y., Song J.R., Zhao Q.D., ZhangS.S., Deng W.J., Zhao X., Wu M.C., Wei L.X.: Inhibition of autophagyenhances anticancer effects of bevacizumab in hepatocarcinoma. J.Mol. Med., 2013; 91: 473-483
  Google Scholar
• 22. Harrison S.J., Bishton M., Bates S.E., Grant S., Piekarz R.L., JohnstoneR.W., Dai Y., Lee B., Araujo M.E., Prince H.M.: A focus on thepreclinical development and clinical status of the histone deacetylaseinhibitor, romidepsin (depsipeptide, Istodax®) Epigenomics,2012; 4: 571-589
  Google Scholar
• 23. Hay N., Sonenberg N.: Upstream and downstream of mTOR.Genes Dev., 2004; 18: 1926-1945
  Google Scholar
• 24. Jaeger P.A., Wyss-Coray T.: Beclin 1 complex in autophagy andAlzheimer disease. Arch. Neurol., 2010; 67: 1181-1184
  Google Scholar
• 25. Jain K., Paranandi K.S., Sridharan S., Basu A.: Autophagy in breastcancer and its implications for therapy. Am. J. Cancer Res., 2013; 3:251-265
  Google Scholar
• 26. Jia L., Gopinathan G., Sukumar J.T., Gribben J.G.: Blocking autophagyprevents bortezomib-induced NF-κB activation by reducingI-κBα degradation in lymphoma cells. PLoS One, 2012; 7: 32584
  Google Scholar
• 27. Jia W., Pua H.H., Li Q.J., He Y.W.: Autophagy regulates endoplasmicreticulum homeostasis and calcium mobilization in T lymphocytes.J. Immunol., 2011; 186: 1564-1574
  Google Scholar
• 28. Kang R., Zeh H.J., Lotze M.T., Tang D.: The Beclin 1 network regulatesautophagy and apoptosis. Cell Death Differ., 2011; 18: 571-580
  Google Scholar
• 29. Kimmelman A.C.: The dynamic nature of autophagy in cancer.Genes Dev., 2011; 25: 1999-2010
  Google Scholar
• 30. Knizhnik A.V., Roos W.P., Nikolova T., Quiros S., TomaszowskiK.H., Christmann M., Kaina B.: Survival and death strategies in gliomacells: autophagy, senescence and apoptosis triggered by a singletype of temozolomide-induced DNA damage. PLoS One, 2013;8: e55665
  Google Scholar
• 31. Kohli L., Kaza N., Coric T., Byer S.J., Brossier N.M., Klocke B.J.,Bjornsti M.A., Carroll S.L., Roth K.A.: 4-hydroxytamoxifen inducesautophagic death through K-Ras degradation. Cancer Res., 2013;73: 4395-4405
  Google Scholar
• 32. Kost A., Kasprowska D., Labuzek K., Wiaderkiewicz R., GabryelB.: Autophagy in brain ischemia. Postępy Hig. Med. Dośw., 2011;65: 524-533
  Google Scholar
• 33. Koukourakis M.I., Giatromanolaki A., Sivridis E., PitiakoudisM., Gatter K.C., Harris A.L.: Beclin 1 over – and underexpression incolorectal cancer: distinct patterns relate to prognosis and tumourhypoxia. Br. J. Cancer, 2010; 103: 1209-1214
  Google Scholar
• 34. Kuroda J., Shimura Y., Yamamoto-Sugitani M., Sasaki N., TaniwakiM.: Multifaceted mechanisms for cell survival and drug targetingin chronic myelogenous leukemia. Curr. Cancer Drug Targets,2013; 13: 69-79
  Google Scholar
• 35. Lachenmayer A., Toffanin S., Cabellos L., Alsinet C., Hoshida Y.,Villanueva A., Minguez B., Tsai H.W., Ward S.C., Thung S., FriedmanS.L., Llovet J.M.: Combination therapy for hepatocellular carcinoma:additive preclinical efficacy of the HDAC inhibitor panobinostat withsorafenib. J. Hepatol., 2012; 56: 1343-1350
  Google Scholar
• 36. Lee S.J., Kim H.P., Jin Y., Choi A.M., Ryter S.W.: Beclin 1 deficiencyis associated with increased hypoxia-induced angiogenesis. Autophagy,2011; 7: 829-839
  Google Scholar
• 37. Lefranc F., Facchini V., Kiss R.: Proautophagic drugs: a novel meansto combat apoptosis-resistant cancers, with a special emphasison glioblastomas. Oncologist, 2007; 12: 1395-1403
  Google Scholar
• 38. Levine B., Kroemer G.: Autophagy in aging, disease and death:the true identity of a cell death impostor. Cell Death Differ., 2009;16: 1-2
  Google Scholar
• 39. Levine B., Mizushima N., Virgin H.W.: Autophagy in immunityand inflammation. Nature, 2011; 469: 323-335
  Google Scholar
• 40. Levine B., Sinha S., Kroemer G.: Bcl-2 family members: dual regulatorsof apoptosis and autophagy. Autophagy, 2008; 4: 600-606
  Google Scholar
• 41. Li Z., Chen B., Wu Y., Jin F., Xia Y., Liu X.: Genetic and epigeneticsilencing of the beclin 1 gene in sporadic breast tumors. BMCCancer, 2010; 10: 98
  Google Scholar
• 42. Liang C., Feng P., Ku B., Dotan I.,Canaani D., Oh B.H., Jung J.U.:Autophagic and tumour suppressor activity of a novel Beclin1-bindingprotein UVRAG. Nat. Cell Biol., 2006; 8: 688-699
  Google Scholar
• 43. Lin C.I., Whang E.E., Lorch J.H., Ruan D.T.: Autophagic activationpotentiates the antiproliferative effects of tyrosine kinase inhibitorsin medullary thyroid cancer. Surgery, 2012; 152: 1142-1149
  Google Scholar
• 44. Liu B., Cheng Y., Liu Q., Bao J.K., Yang J.M.: Autophagic pathwaysas new targets for cancer drug development. Acta Pharmacol. Sin.,2010; 31: 1154-1164
  Google Scholar
• 45. Lockshin R.A., Zakeri Z.: Apoptosis, autophagy, and more. Int. J.Biochem. Cell Biol., 2004; 36: 2405-2419
  Google Scholar
• 46. Mancias J.D., Kimmelman A.C.: Targeting autophagy addictionin cancer. Oncotarget, 2011; 2: 1302-1306
  Google Scholar
• 47. Martyniszyn L., Orłowski P., Krzyżowska M., Niemiałtowski M.G.:Autofagia w zakażeniach wirusowych i bakteryjnych: molekularnaruletka. Postępy Biol. Kom., 2008; 35: 351-368
  Google Scholar
• 48. Martyniszyn L., Szulc L., Boratyńska A., Niemiałtowski M.G.:Beclin 1 is involved in regulation of apoptosis and autophagy duringreplication of ectromelia virus in permissive L929 cells. Arch.Immunol. Ther. Exp., 2011; 59: 463-471
  Google Scholar
• 49. Maycotte P., Thorburn A.: Autophagy and cancer therapy. CancerBiol. Ther., 2011; 11: 127-137
  Google Scholar
• 50. Mehrpour M., Esclatine A., Beau I., Codogno P.: Autophagy inhealth and disease. 1. Regulation and significance of autophagy: anoverview. Am. J. Physiol. Cell Physiol., 2010; 298: C776-C785
  Google Scholar
• 51. Mizushima N.: Autophagy: process and function. Genes Dev.,2007; 21: 2861-2873
  Google Scholar
• 52. Mizushima N., Levine B.: Autophagy in mammalian developmentand differentiation. Nat. Cell Biol., 2010; 12: 823-830
  Google Scholar
• 53. Mizushima N., Ohsumi Y., Yoshimori T.: Autophagosome formationin mammalian cells. Cell Struct. Funct., 2002; 27: 421-429
  Google Scholar
• 54. Morselli E., Galluzzi L., Kepp O., Criollo A., Maiuri M.C., TavernarakisN., Madeo F., Kroemer G.: Autophagy mediates pharmacologicallifespan extension by spermidine and resveratrol. Aging,2009; 1: 961-970
  Google Scholar
• 55. Notte A., Leclere L., Michiels C.: Autophagy as a mediator ofchemotherapy-induced cell death in cancer. Biochem. Pharmacol.,2011; 82: 427-434
  Google Scholar
• 56. Perycz M., Świech Ł., Malik A., Jaworski J.: mTOR w fizjologiii patologii układu nerwowego. Postępy Biol. Kom., 2007; 34: 511-525
  Google Scholar
• 57. Qu X., Zou Z., Sun Q., Luby-Phelps K., Cheng P., Hogan R.N., GilpinC., Levine B.: Autophagy gene-dependent clearance of apoptotic cellsduring embryonic development. Cell, 2007; 128: 931-946
  Google Scholar
• 58. Reggiori F., Shintani T., Nair U., Klionsky D.J.: Atg9 cycles betweenmitochondria and the pre-autophagosomal structure inyeasts. Autophagy, 2005; 1: 101-109
  Google Scholar
• 59. Rikiishi H.: Autophagic action of new targeting agents in headand neck oncology. Cancer Biol. Ther., 2012; 13: 978-991
  Google Scholar
• 60. Rosenfeldt M.T., Ryan K.M.: The multiple roles of autophagy incancer. Carcinogenesis, 2011; 32: 955-963
  Google Scholar
• 61. Rosich L., Xargay-Torrent S., López-Guerra M., Campo E., ColomerD., Roué G.: Counteracting autophagy overcomes resistanceto everolimus in mantle cell lymphoma. Clin. Cancer Res., 2012;18: 5278-5289
  Google Scholar
• 62. Roy S., Debnath J.: Autophagy and tumorigenesis. Semin. Immunopathol.,2010; 32: 383-396
  Google Scholar
• 63. Rubinsztein D.C., Gestwicki J.E., Murphy L.O., Klionsky D.J.: Potentialtherapeutic applications of autophagy. Nat. Rev. Drug Discov.,2007; 6: 304-312
  Google Scholar
• 64. Schwartz-Roberts J.L., Shajahan A.N., Cook K.L., Wärri A., AbuAsabM., Clarke R.: GX15-070 (obatoclax) induces apoptosis and inhibitscathepsin D – and L-mediated autophagosomal lysis in antiestrogen-resistantbreast cancer cells. Mol. Cancer Ther., 2013; 12: 448-459
  Google Scholar
• 65. Sridharan S., Basu A.: S6 kinase 2 promotes breast cancer cellsurvival via Akt. Cancer Res., 2011; 71: 2590-2599
  Google Scholar
• 66. Subauste C.S.: Autophagy as an antimicrobial strategy. ExpertRev. Anti Infect. Ther., 2009; 7: 743-752
  Google Scholar
• 67. Sun Q., Fan W., Zhong Q.: Regulation of Beclin 1 in autophagy.Autophagy, 2009; 5: 713-716
  Google Scholar
• 68. Suzuki K., Kubota Y., Sekito T., Ohsumi Y.: Hierarchy of Atg proteinsin pre-autophagosomal structure organization. Genes Cells,2007; 12: 209-218
  Google Scholar
• 69. Tanida I., Ueno T., Kominami E.: LC3 and autophagy. MethodsMol. Biol., 2008; 445: 77-88
  Google Scholar
• 70. Tasdemir E., Chiara Maiuri M., Morselli E., Criollo A., D’Amelio M.,Djavaheri-Mergny M., Cecconi F., Tavernarakis N., Kroemer G.: A dualrole of p53 in the control of autophagy. Autophagy, 2008; 4: 810-814
  Google Scholar
• 71. Tooze S.A., Yoshimori T.: The origin of the autophagosomalmembrane. Nat. Cell Biol., 2010: 12: 831-835
  Google Scholar
• 72. Turcotte S., Giaccia A.J.: Targeting cancer cells through autophagyfor anticancer therapy. Curr. Opin. Cell Biol., 2010; 22: 246-251
  Google Scholar
• 73. Wang C., Wang Y., McNutt M.A., Zhu W.G.: Autophagy processis associated with anti-neoplastic function. Acta Biochim. Biophys.Sin., 2011; 43: 425-432
  Google Scholar
• 74. Weidberg H., Shpilka T., Shvets E., Elazar Z.: Mammalian Atg8s:one is simply not enough. Autophagy, 2010; 6: 808-809
  Google Scholar
• 75. Weidberg H., Shvets E., Elazar Z.: Biogenesis and cargo selectivityof autophagosomes. Annu. Rev. Biochem., 2011; 80: 125-156
  Google Scholar
• 76. Wu W.K., Coffelt S.B., Cho C.H., Wang X.J., Lee C.W., Chan F.K.,Yu J., Sung J.J.: The autophagic paradox in cancer therapy. Oncogene,2012; 31: 939-953
  Google Scholar
• 77. Yang Y.P., Liang Z.Q., Gu Z.L., Qin Z.H.: Molecular mechanism andregulation of autophagy. Acta Pharmacol. Sin., 2005; 26: 1421-1434
  Google Scholar
• 78. Yang Z., Klionsky D.J.: Mammalian autophagy: core molecularmachinery and signaling regulation. Curr. Opin. Cell Biol., 2010;22: 124-131
  Google Scholar
• 79. Zang Y., Thomas S.M., Chan E.T., Kirk C.J., Freilino M.L., DeLanceyH.M., Grandis J.R., Li C., Johnson D.E.: The next generation proteasomeinhibitors carfilzomib and oprozomib activate prosurvivalautophagy via induction of the unfolded protein response and ATF4.Autophagy, 2012; 8: 1873-1874
  Google Scholar
• 80. Zhu K., Dunner K.Jr., McConkey D.J.: Proteasome inhibitors activateautophagy as a cytoprotective response in human prostatecancer cells. Oncogene, 2010; 29: 451-462
  Google Scholar
• 81. Zhu X., Wu L., Qiao H., Han T., Chen S., Liu X., Jiang R., Wei Y.,Feng D., Zhang Y., Ma Y., Zhang S., Zhang J.: Autophagy stimulatesapoptosis in HER2-overexpressing breast cancers treated by lapatinib.J. Cell. Biochem., 2013; 114: 2643-2653
  Google Scholar

Pełna treść artykułu