癌症起源和治疗中的细胞死亡
文章信息
2020年5月28日，美国芝加哥大学病理系的Andreas Strasser和David L. Vaux教授课题组在Molecular Cell杂志上发表了题为“Cell Death in the Origin and Treatment of Cancer”的综述报道，在综述中作者详细描述了抑制细胞死亡的突变或其他缺陷会使细胞积累，阻止DNA受损细胞的清除，并增加恶性细胞对化疗的抵抗力。对该机制的了解使得通过直接激活细胞死亡机制、与常规化疗和靶向药物协同作用来开发杀死癌细胞的药物成为可能，从而改善癌症患者的预后。
DOI:10.1016/j.molcel.2020.05.014
摘要
细胞死亡，或更准确地讲，细胞自杀是对人类健康至关重要的过程。在我们的一生中，每秒将会产生超过一百万个细胞。当生物体生长停止后，为了平衡细胞分裂，必须有相似数量的细胞去除，这就需要通过激活已经进化的分子机制来实现，从而使细胞可以自我破坏。其中第一个线索来自研究与癌症相关的基因，特别是BCL-2的基因。随后的研究表明，抑制细胞死亡的突变或其他缺陷使细胞得以聚集，阻止DNA受损的细胞去除，并增加了恶性细胞对化学疗法的抵抗力。对这种机制的了解使药物开发成为可能，可以通过直接激活细胞死亡机制，并与常规化学疗法及靶向药物协同作用来杀死癌细胞，从而为癌症患者带来更好的治疗效果。
主要内容
细胞理论最早建立于18世纪，它假定所有生物都是由细胞组成的，并且所有细胞都源于细胞本身。从那时起，就已经说明只有多细胞生物才能患上癌症，并且只有在癌细胞分裂的速率大于它们死亡的速率时，癌症才能扩散。令人惊讶的是，当细胞死亡时，无论是正常细胞还是癌细胞，很少会因为它们被其他细胞损伤或杀死而死亡。相反，大多数细胞之所以死亡，是因为它们激活了进化的程序性细胞死亡机制。
在癌症中观察到细胞死亡已有很长时间，但最初是在肿瘤增大的低氧区域观察到坏死的情况。长期以来，细胞死亡也与癌症治疗有关，因为放疗和化学疗法可以导致恶性细胞死亡，但这同时是以导致许多正常细胞死亡为代价。
Kerr等提出使用术语“细胞凋亡”来指由于生理自杀过程而不是由于某些灾难性事件（例如，冷冻或燃烧）而死亡的细胞，后者经历了形态学上不同的坏死过程。他们还研究了癌症背景下的细胞凋亡和坏死，指出长期以来人们一直认为细胞死亡是恶性肿瘤的特征。他们写道：“在迅速生长的肿瘤中，凋亡小体和有丝分裂体均会很多，两者的平衡决定了扩大的比例。” 他们发现放射线会增加鳞状细胞癌的细胞凋亡率，而卵巢切除术会增加大鼠乳癌的细胞凋亡率，从而预见诱导凋亡的方法可以用来治疗癌症。最初，很少有研究人员注意到他们的工作，但是在80年代后期，情况发生了变化。当前对细胞死亡的巨大兴趣归因于其分子机制的阐明，人们认识到凋亡是后生动物生命的基本组成部分，而且细胞经历凋亡的方式从蠕虫到哺乳动物都是保守的。此外，细胞无法杀死自己的特点与人类癌症的发展直接相关，并且可以增强其对治疗的抵抗力。
细胞死亡的失败如何促进癌症？
尽管单独阻止细胞死亡的突变不足以使正常细胞完全恶变，但是当这种突变传递给细胞后代时，它们可以促进肿瘤形成。一般情况下，检测到其DNA不可修复的细胞会杀死自己。例如，通过激活肿瘤抑制因子p53，可以直接转录激活凋亡诱导因子Puma和Noxa。因此，不能自我杀死的细胞，例如那些过度表达凋亡抑制因子BCL-2或p53缺陷的细胞，可能会进一步累积遗传损伤，从而促进肿瘤转化。p53的功能丧失突变不仅会阻止其诱导细胞凋亡，而且还会影响其他肿瘤抑制功能，包括其激活DNA修复途径的能力，并导致细胞周期停滞和细胞衰老。如果“不能杀死自己”的细胞接受另一种促进异常细胞增殖的突变（例如，导致c-MYC过表达的染色体易位），那么综合作用将是引起新生恶性细胞克隆的快速生长。这就解释了在淋巴瘤发生过程中细胞凋亡缺陷（例如由于BCL-2过表达）和细胞增殖失调（例如由于c-MYC过表达）的有效协同作用。
随着肿瘤的发展，遗传不稳定会增加恶性细胞之间的多样性。当用化学疗法或放射线治疗选择的恶性细胞碰巧具有触发其固有细胞死亡机制的较高阈值时，自然选择过程可以促进对治疗抵抗力的出现。
细胞自杀的机制
对细胞用于杀死自身的分子机制的阐明为恶性肿瘤的起源、正常和恶性细胞对治疗的敏感性、以及对治疗的抵抗性发展提供了新的见解。更为重要的是，这些发现确定了新的抗癌治疗目标。
BAX / BAK依赖性细胞死亡
人们最全面了解的细胞自杀过程特征为“内源”，“线粒体”，“ 受BCL-2调节”或“ BAX/Bcl-2- BAK-依赖性的凋亡机制（图1）。在此途径中，BAX和/或BAK的激活使这些凋亡效应分子能够进入线粒体外膜（MOMP [线粒体外膜渗透]）。这会导致细胞色素c释放到细胞质中，并与APAF-1结合并触发凋亡小体的形成。该凋亡小体首先激活caspase-9，进而激活一系列蛋白水解效应caspase。MOMP还有助于从线粒体释放其他凋亡因子，例如SMAC/DIABLO和HTRA2。这些因子通过抑制E3泛素连接酶X连锁的凋亡蛋白抑制剂（XIAP）来促进凋亡，该抑制剂可以抑制caspase-3（凋亡的关键效应因子）。
BAX和BAK的触发受到抗凋亡BCL-2家族成员的抑制，包括BCL-2、 BCL-XL、MCL-1、 BCL-W 、以及A1/BFL-1。当这些抗凋亡蛋白与仅含BH3区域蛋白（BOPs,即促凋亡的BIM，BID，PUMA，NOXA，BMF，BAD，BLK和HRK）结合时，就会启动凋亡，从而阻止它们控制BAX和BAK。通过对多种转录和转录后过程响应和应激刺激，可以诱导BH3蛋白的表达和/或活性。例如，PUMA和NOXA对于DNA损伤诱导的细胞凋亡至关重要，它们的基因是肿瘤抑制因子p53的直接转录靶标。对于经历多种应激（例如内质网（ER）应激，细胞因子剥夺和糖皮质激素治疗）的细胞，其凋亡反应需要BIM。BIM的诱导可以通过miRNA mir-17-92进行调控。
细胞无法杀死自己的最有力证据来自在多种癌症中发现了编码细胞凋亡调节因子的基因中的反复突变。这包括p53的突变，p53是凋亡的上游启动子，也参与其他肿瘤抑制过程，在约50％的癌症中与t14：18染色体易位相关，导致BCL-2在滤泡性淋巴瘤的过表达。在慢性淋巴细胞性白血病中，由于microRNA miR-15/16的缺失导致BCL-2的高表达，以及在10%-15%的癌症中体细胞获得的包含抗凋亡MCL-1或BCL-XL基因的基因组区域的体细胞扩增。除了依赖BAX / BAK的细胞凋亡途径外，还有其他几种细胞死亡机制，但迄今为止，将它们牵连到癌症的发展或恶性细胞对抗癌治疗剂的反应的证据不足。
死亡受体触发的细胞死亡
可以通过不受BCL-2抑制并且不需要BAX或BAK的机制诱导哺乳动物细胞进行caspase依赖性凋亡。此通路可以由某些肿瘤坏死因子（TNF）受体家族成员（所谓的死亡受体）激活，例如TNFR1，FAS和TNF相关的凋亡诱导配体（TRAIL）受体，它们在连接后会通过与FAS相关的死亡域（FADD）激活caspase-8传递信号 。在所谓的1型细胞（主要是淋巴细胞）中，活跃的caspase-8 可以引起效应caspase特别是caspase-3和-7的充分活化，从而在缺乏BAX和BAK的情况下有效杀死细胞。在2型细胞（例如肝细胞和胰岛β细胞）中，细胞杀伤需要通过caspase-8介导的仅含BH3区域蛋白BID水解激活来实现信号放大，然后该信号参与BAX / BAK介导的凋亡途径。由FAS诱导的细胞凋亡缺陷（主要是FAS自身基因的突变）引起的自身免疫性淋巴增生综合症（ALPS）的患者更易患B淋巴恶性肿瘤。这表明死亡受体触发的凋亡途径具有肿瘤抑制作用。
坏死
Degterev等人发现，除了激活caspase依赖性凋亡外，TNF还可以通过不依赖caspase的机制（称为坏死）使细胞死亡。他们之所以选择这个术语，是因为垂死细胞的形态类似于坏死细胞而不是凋亡细胞，但是与经历坏死的细胞不同，坏死性细胞不会被杀死而是在杀死自己。当死亡受体，Toll样受体（TLR）或Z-DNA结合蛋白1（ZBP1）诱导的caspase-8激活被抑制（例如，由于遗传损失或药物介导的caspase-8抑制作用 ），可以促进TNFR1和其他受体的促生存信号转导的cIAP1 / 2 ∗ E2泛素连接酶也遗传丢失或被药物抑制，此时细胞将会发生坏死。这种细胞杀伤作用是由激酶RIPK1和RIPK3所介导，它们激活了MLKL，后者可以在质膜上打孔（图2）。RIPK1是坏死的关键诱导剂，通常被caspase-8介导的蛋白水解作用中和。坏死可能起到拮抗部分携带caspase-8抑制剂的病毒的作用，例如病毒Fas相关的死亡结构域如白介素1β（IL-1β）-转换酶抑制蛋白（vFLIP）。
配体（TNF或FAS配体）刺激所谓的死亡受体（具有细胞内死亡域的肿瘤坏死因子受体（TNFR）家族成员，例如TNFR1或FAS）通常会诱导核因子κB（NF- κB）通过前者的细胞增殖和存活激活，或通过FADD衔接子蛋白介导的caspase-8激活后者的凋亡，然后激活效应蛋白酶（caspase-3和caspase-7）。死亡受体激活的凋亡途径还可以通过蛋白水解激活仅仅含BH3区域蛋白BID参与BAX / BAK依赖的凋亡途径（图1）。当caspase-8被阻断（例如，被病毒抑制剂，例如vFLIP抑制）并且凋亡蛋白（IAPs）抑制剂被抑制时，通过RIPK1和RIPK3激活坏死性细胞死亡，从而导致膜孔形成蛋白MLKL的激活。
细胞焦亡
细胞焦亡是一种胞内细菌激活的程序化死亡形式，如沙门氏菌。该形式受caspase-1或caspase-11调控，其中caspase-1可通过一系列适配器在炎症小体中激活，据报道caspase-11可被细胞内脂多糖直接激活。这些caspase激活质膜孔蛋白gasdermin D和效应caspase（caspase-3和caspase-7）进而诱导细胞死亡。
CTL诱导的靶细胞杀伤
细胞毒性T淋巴细胞（Cytotoxic T lymphocytes，CTLs）和自然杀伤细胞（natural killer，NK）能够杀死其它细胞（如被感染的细胞）从而保护宿主。CTL和NK细胞有时也可以杀死恶性细胞。虽然这种细胞杀伤并不是细胞死亡的自主机制，但它已经演变成宿主自身细胞死亡的适应性过程。CTL和NK细胞可通过颗粒依赖性途径杀死肿瘤细胞，它们利用穿孔素辅助粒酶蛋白酶家族进入靶细胞的胞质。目前CTL介导杀伤的肿瘤药物多涉及“检查点抑制剂”，这些药物可阻断会限制T细胞活性的信号，或者通过注射大量源自基因工程改造患者的T细胞进而靶向恶性细胞（称作嵌合抗原受体[CAR]T细胞疗法）。
自噬
自噬是一种当营养缺乏时，通过回收利用细胞内大分子甚至整个细胞器（例如损伤的线粒体）进而保持存活的进程。该进程可标记靶向大分子或器官并吞入囊泡，随后与溶酶体融合降解，为饥饿细胞提供代谢物和能量。尽管自噬通常能够促进细胞（包括肿瘤细胞）存活，但它还可通过自我消化杀死自身。
无论哪种细胞死亡机制减弱，导致细胞无法杀死自身都会促进肿瘤发展，这是最初的六种“肿瘤标志”之一。了解凋亡细胞死亡的分子机制为肿瘤治疗和增强现有疗法功效提供了新途径。
诱导细胞死亡作为癌症治疗方法
传统化疗和放射疗法
经验上发现的大多数癌症疗法，包括烷化剂，抗代谢物，拓扑异构酶抑制剂，抗微管生物碱和放射线，都是通过阻止DNA合成，破坏DNA或抑制DNA复制来发挥作用。如果癌细胞暴露于药物足够浓度及足够长的时间，即使没有被彻底杀死，它也将无法复制其DNA并分裂。不幸的是，这些治疗对正常细胞，特别是那些正在迅速增殖的细胞，如骨髓或肠中的祖细胞，具有相同的直接毒性作用。结果，常规化学疗法和放射线通常具有狭窄的治疗指数，并且具有严重的剂量限制性的毒副作用。因此，在许多类型的癌症中，不能以足以根除所有恶性细胞并治愈患者的剂量给予这些药物。
在过去的30年中，化学疗法和放射疗法可以导致某些肿瘤细胞死亡，即使剂量不足以直接杀死它们。相反，一些细胞通过凋亡作为应激反应来响应药物引起的变化。诸如DNA损伤反应和内质网应激反应等应激反应可以触发细胞凋亡。例如，通过增加促凋亡的BH3蛋白的转录和转录后过程（图3）。因此，促进存活的BCL-2蛋白（例如，BCL-2本身）的过表达，BAX和BAK的联合损失或仅BH3的蛋白质（尤其是PUMA，BIM或NOXA）的损失会导致恶性以及产生对多种抗癌药具有抗性的非转化细胞，包括常规化疗药（例如糖皮质激素，环磷酰胺和紫杉烯）以及致癌激酶的靶向抑制剂（例如伊马替尼，可抑制慢性粒细胞性白血病[CML]中的BCR-ABL） ）。
许多癌细胞带有缺陷，例如p53中的突变，这些缺陷会损害BH3蛋白的表达，而BH3蛋白对于响应抗癌药启动细胞凋亡至关重要。不幸的是，不仅是恶性细胞，而且一些正常细胞，特别是肠上皮细胞和某些造血细胞亚群及其祖细胞，也会因细胞毒性抗癌药引起的应激而发生凋亡。这至少部分是造成癌症患者在化学疗法和放射疗法期间对正常组织（例如，粘膜层和造血系统）的损害的原因。确实，这些疗法发挥作用的关键机制是杀死正常和恶性的分裂细胞。这就是为什么它们在组织（例如骨髓）中发挥最佳作用的原因，这些组织具有一群不分裂的，静止的干细胞，这些细胞对治疗有抵抗力，随后可以动员并增殖以恢复。寻找一种在癌症治疗期间特异性抑制健康组织凋亡的方法将至关重要， 这可以使患者接受更高强度的治疗，从而获得更大的缓解机会。
BAX和BAK的直接激活可诱导癌细胞凋亡
考虑到大多数细胞（包括癌细胞）都具有细胞自杀机制，因此可以直接激活它们的疗法将提供一种新颖的治疗策略。失去了应激诱导的凋亡途径上游激活剂的恶性细胞，例如p53或促凋亡的仅BH3蛋白，或过表达的凋亡抑制剂，例如BCL-2，将对较低剂量的化学疗法或放射线产生抵抗力 。为了克服这种抗药性的机制，模仿促凋亡的BH3蛋白的小分子化合物（BH3模拟物，与抗凋亡的BCL-2家族成员结合）似乎是治疗癌症的理想选择 。
但是，由于BCL-2家族成员控制的细胞凋亡涉及蛋白质-蛋白质相互作用，因此BCL-2及其促存活的相似物被认为是不可吸收的。面对挑战，雅培的一个团队开发了一种基于NMR的小分子筛选方法，该方法导致了ABT-737的生产，然后产生了口服活性变体ABT-263 / navitoclax，这两种化合物均靶向BCL-2，BCL-XL 和BCL-W。随后，开发了专门针对BCL-2（ABT-199 / venetoclax）或其他家族成员的新一代药物，例如BCL-XL或MCL-1。
靶向BCL-XL，BCL-2和BCL-W的Navitoclax / ABT-263已进入临床试验，但进展缓慢，因为血小板的靶向杀伤（血小板减少症）依赖于BCL-XL存活 。Venetoclax / ABT-199对BCL-2具有特异性，可避免BCL-XL抑制引起的血小板减少。Venetoclax已被批准用于治疗慢性淋巴细胞性白血病（CLL），即使在多轮化疗后再次发作的情况下，Venetoclax也会产生异常快速的反应。Venetoclax与其他药物（例如Bruton酪氨酸激酶（BTK）抑制剂或抗CD20抗体）合用时，正在进行CLL和套细胞淋巴瘤的进一步试验。Venetoclax也显示出有望治疗某些形式的多发性骨髓瘤以及急性髓细胞性白血病（AML）。
使用可诱导基因缺失的遗传实验表明，许多癌细胞，包括c-MYC或BCR-ABL驱动的前B / B淋巴瘤，AML和由多种癌基因驱动的多发性骨髓瘤，都严重依赖抗凋亡MCL-1 维持他们的扩增。因此，已经开发了几种MCL-1特异性BH3模拟物，并且三种此类药物已进入临床试验。鉴于可诱导的MCL-1遗传丧失会导致心脏，肝脏，肠道和神经系统严重受损（有时是致命的），因此找到这些化合物的治疗窗口将是一项关键挑战。MCL-1抑制剂（可能还有BCL-XL抑制剂）与抗肿瘤特异性抗原（例如突变表皮生长因子受体（EGFR））的抗体偶联，可能会使这些化合物优先递送至恶性细胞，从而使它们均有效 并且可以让人接受。
死亡受体诱导的细胞凋亡作为一种抗癌疗法
遗传实验表明，TNFR家族死亡受体诱导的细胞凋亡的必需介质的丢失或抑制不能提供针对放射或化学治疗药物的保护作用。尽管如此，鉴于某些药物可以增加死亡受体的表达并使恶性细胞对其配体（例如TRAIL和FAS配体）敏感，因此死亡受体诱导的细胞杀伤可能有助于体内对化学治疗剂的整体反应。然而，可以想象，该过程也可能导致有害杀死健康细胞。尽管已显示TRAIL受体DR3和DR4的激动剂（即TRAIL本身或受体激活抗体）可杀死培养和体内的某些癌细胞，但这些试剂的临床试验尚未取得实质性进展。也许这样的药物能够通过激活两种凋亡途径，与BH3模拟药物协同杀死癌细胞。
非凋亡程序性细胞死亡途径在肿瘤发展和抗癌治疗中的作用
自噬在癌症中的作用仍在争论中。发现自噬基因BECLIN的基因在许多乳腺癌中被删除，这提出了以下假设：细胞无法自噬自杀可能会促进其恶性转化。但是，由于BECN1基因座与众所周知的乳腺癌基因BRAC1紧密相连，因此看来BECN1突变在人类癌症中并未独立增加，并且BECLIN并非肿瘤抑制因子。迄今为止，很少有证据表明自噬是哺乳动物细胞杀死自身或与自噬基因突变相关的机制与癌症的一种机制。相反，一些研究表明自噬可以促进肿瘤的生长。例如，通过在缺乏营养的情况下帮助恶性细胞适应新陈代谢。
坏死在肿瘤发展中的作用以及恶性细胞对抗癌药的反应目前也引起争议。有报道表明，肿瘤微环境中的细胞坏死性增生（而不是新生赘生性细胞的坏死性增生）通过调节针对恶性细胞的宿主免疫应答而促进胰腺癌和肝癌的发展和进展。然而，这些发现一直受到挑战，并且先前的研究未发现坏死在肿瘤发生中的作用。
炎症可能涉及焦细胞凋亡，被认为是多种癌症（包括肝癌，结肠癌和胃癌）中肿瘤转化的有效驱动器。然而，对于焦细胞凋亡在肿瘤发生中的作用以及癌细胞对化学疗法的反应，还知之甚少。据我们所知，迄今尚未在整个癌症基因组研究中鉴定出gasdermin D，其为细胞凋亡的重要介体，它是抗癌治疗中的肿瘤抑制因子或耐药因子。但是，已经显示gasderminE（也可以穿透质膜的加德敏D的亲属）被用化学治疗药物治疗的肿瘤细胞中的效应caspases激活。这将正在死亡的肿瘤细胞的形态从凋亡转变为焦亡。
铁死亡是一种由氧自由基介导的细胞死亡形式。它依赖于Fe离子的存在，并且是由SLC7A11和SLC3A2组成的反转运蛋白的阻滞所诱导，该转运蛋白与胞内谷氨酸交换胞外胱氨酸。尽管这无疑是可以导致细胞死亡的过程，但仍未解决因受铁死亡而杀伤的细胞是否通过为此目的而进化出生理机制杀死自己，还是由于某种持续进行的新陈代谢和代谢所需要的重要过程而使细胞耐受。
免疫疗法，免疫检查点抑制剂和CAR T细胞疗法
CTL和NK细胞在杀死病毒感染的细胞中起关键作用，也可以自发地或通过使用免疫检查点抑制剂（例如阻断CTLA4，PD1或其配体PD-L1的抗体）来触发这种活性以杀死癌细胞。CTL和NK细胞通过穿孔素，成孔蛋白和某些颗粒酶的作用以及FAS配体诱导的FAS介导的细胞凋亡杀死靶细胞。据报道，穿孔素加粒酶介导的细胞杀伤涉及靶细胞中胱天蛋白酶的活化，但非凋亡过程也可能起作用。值得注意的是，据报道CTL诱导的肿瘤细胞杀伤部分是由颗粒酶B驱动的Gasdermin E激活介导的，这表明这种杀伤可能是“焦亡类似”。值得注意的是，已证明癌症中GasderminE的水平与更有利的治疗反应相关。
结论
在过去约30年中，细胞死亡研究已经走了很长一段路，除了揭示基本生物学过程的机制外，它还导致了针对癌症和其他疾病（例如某些自身免疫性病理学或传染病）的新疗法， 其可能还受益于通过BH3模拟药物杀死病原细胞（即产生自体抗体的浆细胞或感染的细胞）。
尽管发现了很多，但仍在继续研究BAX / BAK依赖的细胞死亡机制，以确定它们如何在线粒体外膜上形成孔或通道以及如何通过抗凋亡BCL成员调节其激活的更详细的信息。关于其他程序性细胞死亡机制，例如坏死，焦亡和铁死亡，尤其是这些过程在癌症的发展或治疗中的作用，还有许多尚待研究。
在临床上，BCL-2特异性抑制剂Venetoclax为基础研究在确定治疗癌症的新靶标方面的重要性提供了出色的案例研究。Venetoclax的研究正在以惊人的速度继续进行，已计划或正在进行近200项注册的临床试验。这些将揭示哪些恶性肿瘤对venetoclax敏感，如何对其进行最佳治疗，耐药性如何发展，以及与哪些药物可以最好地组合。一些CLL患者在接受 venetoclax治疗后残留疾病阴性降至最低，而停止这种治疗后仍无疾病的报道，这是非常令人鼓舞的。BCL-2 / BCL-XL / BCL-W抑制剂navitoclax仅在计划或正在进行的10个临床试验中提及，大概是由于其对血小板的剂量限制作用。较新开发的MCL-1抑制剂的试验正在进行中，计划或正在进行18个注册试验。希望这些努力建立在多年的细胞死亡基础研究基础之上，将为癌症患者带来实质性的改善。