三种内源性抗氧化体系与非小细胞肺癌的关系

来源:用户上传      作者:李秋妍 王浩丞 彭瑶 穆晓芳 张春晶 于海涛

　　 【摘要】 解偶联蛋白（uncoupling protein，UCP）、硫氧还蛋白（thioredoxin，Trx）、谷氧还蛋白（glutaredoxin，Grx），是体内三种抗氧化体系，这三种抗氧化体系在机体内发挥着重要的作用。越来越多的证据表明，Trx、Grx、UCP与肺癌、肝癌、胰腺癌等众多癌症的发生发展密切相关。本综述将讨论三种内源性抗氧化体系（UCP、Trx、Grx）与非小细胞肺癌的关系。
　　 【关键词】 非小细胞肺癌 UCP Trx Grx
　　 [Abstract] Uncoupling protein （UCP）， thioredoxin （Trx）， glutaredoxin （Grx）， three antioxidant systems in vivo， these three antioxidant systems in the body play an important role. There is increasing evidence that Trx， Grx and UCP are closely related to the development of many cancers such as lung cancer， liver cancer， and pancreatic cancer. This review will discuss the relationship between three endogenous antioxidant systems （UCP， Trx， Grx） and non-small cell lung cancer.
　　 目前，肺癌已经成为发病率和死亡率增长最快的恶性肿瘤之一，严重危害了人类的生命健康。近年来，肺癌的发病率和死亡率明显增高，其中约80%为非小细胞肺癌（non-small cell lung cancer，NSCLC），由于肺癌发病隐蔽，大约70%的NSCLC患者在诊断时已进展至晚期，从而错过了最佳的治疗时期。而且，肺癌患者治疗预后较差，存活率低，所以研究出灵敏度高，特异性强的肺癌诊断方法，有效的诊断早期肺癌，降低肺癌的死亡率，是现阶段我国癌症防治领域的一项重要课题。
　　1 解偶联蛋白（uncoupling protein，UCP）体系
　　1.1 UCP的功能 UCP属于线粒体内膜中存在的线粒体载体蛋白家族。UCP的生理功能包括降低线粒体膜电位并将代谢能量消散为热量。其中UCP1首先在棕色脂肪组织中被鉴定，其次是它的四个同源物：UCP2的表达无处不在[1]，UCP3单独存在于骨骼肌和心脏中[2]，UCP4和脑线粒体载体蛋白-1（BMCP1）或UCP5主要表达于中枢神经系统[3-4]。广泛表达的UCP已被证明在许多恶性肿瘤中高表达。这些癌症中UCP2高表达的一个机制是由于氧化应激，UCP2升高又降低了氧化应激，这为这些癌症提供了生长优势。然而，新的研究表明，UCP2可能与癌基因和肿瘤抑制基因相互作用，为UCP2如何促进癌症发展提供了潜在的新机制[5]。
　　1.2 UCP与非小细胞肺癌的发生发展 UCP在肿瘤发生和癌症生长中的作用近来一直是许多研究人员关注的焦点。例如UCP1已被证明在前列腺癌中表达并与转移表型有关。已确定UCP2诱导Warburg效应并促进乳腺癌肿瘤生长。最近在皮肤癌研究表明，UCP3增加脂质氧化，但通过抑制Akt限制肿瘤发生。另外，已报道UCP3在胃肠腺癌和肾细胞癌中表达增加[5-6]。
　　 通过调查一系列手术治疗的非小细胞肺癌病例中UCP1和UCP3的表達，表明UCP1和UCP3在非小细胞肺癌的大量亚群中过度表达，并且它们的表达与葡萄糖吸收的增加，糖酵解速率增加和厌氧葡萄糖使用相一致[7]。UCP是否是诱导癌症Warburg效应的关键因素，或者是否干扰这些蛋白质的功能在肺癌中具有治疗作用需要进一步研究。研究发现UCP的表达可能与肺癌患者的总体生存率相关，通过操纵已知影响PRMT1和UCP2的表达，研究其对人非小细胞肺癌细胞系A549、Calu-3和H1299的影响。结果发现UCP2和PRMT1的联合过表达增加人肺癌细胞的细胞活力和增殖，UCP2和PRMT1高mRNA表达水平的肺癌患者的总体生存概率明显降低[8]。UCP2的表达还与肺癌细胞化疗耐药性有关，具有较低UCP2蛋白表达的肺癌细胞（AS2、H157和CL1-5）通常更耐化学性。在临床研究中发现，晚期肺癌患者癌细胞中UCP2的低表达预示着对顺铂化疗的反应较差，无进展生存期和整体生存期较差[9]。研究结果表明，低UCP2蛋白表达的细胞（AS2、H157和CL1-5）表现出较高的化疗耐药性，细胞中UCP2表达的水平决定了细胞对由抗癌药物诱导的氧化应激的反应[10]。UCP2可预测接受顺铂化疗的晚期肺癌患者的反应和生存。UCP2的下调，归因于缺氧诱导因子1（HIF-1）介导的转录因子过氧化物酶体增殖物激活受体γ（PPARγ）的抑制，参与NSCLC的抗药性，并预测了接受常规化疗的患者存活率较低。UCP2抑制诱导活性氧物质的产生和ABC转运蛋白ABCG2的上调，其通过促进药物外排导致化学抗性。UCP2下调也改变了代谢率，如葡萄糖摄取增加和氧消耗减少所示。UCP2是缺氧触发的NSCLC化学耐药的关键介质，可能成为临床治疗化疗难治性NSCLC的潜在靶点[9]。需要进行一项大型前瞻性临床研究来验证UCP2在肺癌发展过程中的作用。
　　1.3 UCP与活性氧（ROS） 线粒体是细胞ROS的主要来源。UCP位于线粒体基质内膜，能够减少线粒体内膜电位并催化细胞凋亡质子重新进入基质，从而减少ROS的产生。UCP2是UCP家族5个已知成员之一，其表达在肺和其他类型的人体组织中无处不在。UCP2是线粒体ROS的主要负调节因子。在氧化应激下，癌细胞中高UCP2表达可增强线粒体解偶联和减少ROS产生，从而提供促癌细胞生存优势[11]。Cordani等[12]近期报道显示，p53突变的肺癌、皮肤癌等患者可采取促氧化发生的药物开展治疗的策略，研究指出，促氧化发生的药物可通过抑制AMPK/UCP2途径而促进肿瘤细胞氧化应激水平增高，从而发挥抑制肿瘤恶化的作用。因此，对于UCP的进一步研究对于潜在靶向癌症诊疗至关重要。 　　2 硫氧还蛋白（Trx）体系
　　2.1 Trx及其功能 Trx系统由硫氧还蛋白还原酶（TrxR）、Trx和NADPH组成，在调节细胞氧化还原动态平衡中发挥重要作用。Trx是一种二硫化物氧化还原酶，硫氧还蛋白通过基于二硫键还原成两个半胱氨酸巯基，促进其他蛋白质的还原，从而恢复蛋白质的正常功能。Trx可以通过增强生长因子的活性来刺激生长，并且可以刺激多种肿瘤细胞系的生长。它与侵袭性肿瘤生长、对标准治疗的耐药性和患者生存率下降有关，并且是有效的癌症药物靶标。
　　Trx是一种小分子蛋白质，分子量约为12 kD。其广泛存在于原核及真核生物中。Trx通过诱导一些转录因子从细胞质转移到细胞核来调节它们的活性，如核因子-κB（NF-κB）和激活蛋白-1（AP-1）。Trx系统促进肿瘤发展，促进肿瘤细胞的生长和增殖，避免抗生长信号和凋亡，维持血管生成等。Trx可以抑制肿瘤细胞凋亡。在哺乳动物细胞中，存在两种Trx同种型，称为硫氧还蛋白1（Trx1）和硫氧还蛋白2（Trx2），Trx1和Trx2分别主要位于细胞质和线粒体中。Trx1作为一种抗氧化蛋白被各种氧化应激诱导。在哺乳动物细胞中，Trx1还参与ROS水平的调节并因此参与细胞凋亡。Trx1与包括炎症性疾病、心力衰竭、癌症等在内的许多疾病的发病相关联。Trx1在调节癌细胞生长中起重要作用。研究表明，Trx在多种肿瘤组织中高表达，与肿瘤的发生、发展密切相关。TrxR酶是Trx系统中的重要组成成分，TrxR在包括NSCLC在内的多种不同肿瘤中表达，并且这些蛋白质的表达在缺氧条件下升高[13]。据报道，与周围正常组织相比，位于细胞质中的TrxR1在许多恶性肿瘤组织中过表达，包括肺癌、乳腺癌、前列腺癌、结直肠癌、神经系统肿瘤等[14]。TrxR酶与Trxs一起具有许多功能，包括抗氧化防御、细胞命运控制，并且在调节多个细胞过程中起着关键作用。
　　2.2 Trx与非小细胞肺癌的发生发展 来自实验室研究和临床观察的累积证据表明：Trx系统参与了癌症的发展[15]。Onodera等[16]研究发现Trx和TrxR在非小细胞肺癌中广泛高表达。根据癌症的阶段，Trx系统可以在癌症的发展和增殖中具有双向功能。在早期阶段，系统的直接抗氧化功能及其对其他抗氧化酶的支持有助于通过防御由外源物质引起的氧化应激，来预防正常细胞向恶性肿瘤转变或防御致癌物质。然而，一旦健康细胞启动肿瘤表型后，TrxR/Trx水平升高可能促进肿瘤发展和转移，因为它们具有促进生长、抗凋亡和促进血管生成的功能。因此，Trx系统在肿瘤组织中相对于非癌性组织过度表达。高水平的TrxR/Trx对维持肿瘤表型和转移至关重要。据报道许多临床抗癌药物以不同的效力抑制TrxR[16-17]。
　　 Trx系统通过直接中和ROS，在抗氧化防御中发挥重要作用。Trx系统的抗氧化功能有利于癌细胞的存活，因为与正常细胞相比，癌细胞通常具有更高水平的ROS。这种高ROS含量也使得癌细胞比非恶性细胞更敏感，这为ROS介导的癌症治疗奠定了基础[18]。许多癌症治疗方法，如化疗药物或物理辐射，都与ROS产生有关。高水平的Trx/TrxR也有助于抵抗这种抗癌治疗，并且靶向TrxR/Trx抑制已被证明可以提高治疗效能。综合起来，癌细胞中高水平的Trx系统有助于保护氧化应激和ROS介导的癌症治疗。TrxR/Trx蛋白的过表达对维持肿瘤表型和支持肿瘤生长和转移至关重要。因此，Trx系统是癌症治疗的有希望的药物靶标。事实上，一些制药公司积极参与TrxR/Trx抑制剂的开发，并且许多抑制剂已获得专利[19]。但目前没有特异性靶向TrxR/Trx临床抗癌药物。
　　2.3 关于TrxR/Trx抑制剂 Trx和TrxR被认为是肿瘤诊断的生物标志物[20]。许多癌症治疗方法，如化疗药物或辐射，都与ROS的产生有关。硫氧还蛋白系统可直接清除ROS并间接将电子供应给其他抗氧化酶，如过氧化物毒素和甲硫氨酸亚砜还原酶。更高水平的Trx/TrxR也有助于抵抗这种抗癌治疗。由于TrxR是唯一已知的将Trx保持在还原状态的酶，靶向TrxR抑制是治疗癌症的有希望的策略。
　　 硫属元素特别是硫、硒和碲是氧化还原活性元素，并且通常具有多种氧化态。硫属元素的氧化还原特性赋予含有它们的分子与TrxR酶相互作用，既可以作为抑制剂也可以作为底物。其中一个突出的例子是哺乳动物TrxR酶对二硫化物化合物DTNB的还原，它已被用作经典的测定TrxR活性的方法。金诺芬抑制TrxR的活性，TrxR是Trx系统的酶，其对维持细胞内氧化还原状态很重要。特别是在癌症中，TrxR抑制导致细胞氧化应激的增加并诱导细胞凋亡。TrxR过度表达与乳腺癌、卵巢癌和肺癌患者的侵袭性肿瘤进展和较差的存活率相关[21]。Ethaselen（BBSKE）是一种含有硒的选择性TrxR抑制剂，已被证明可直接抑制TrxR活性，诱导ROS并促进癌细胞凋亡[22]。研究发现，亚硒酸钠和BBSKE协同抑制NSCLC细胞增殖，诱导A549细胞凋亡、坏死和自噬[23]。在小鼠异种移植模型中，Ethaselen也显示出高效抑制肿瘤大小作用。Ethaselen目前正处于治疗TrxR高表达晚期非小细胞肺癌的Ⅰ期临床试验中。
　　 在生理条件下，TrxR/Trx表达受到严格调控。然而，恶性细胞需要更高水平的硫氧还蛋白系统来应对ROS应激的升高并维持DNA的快速合成。因此，与正常细胞相比，癌细胞更容易受到TrxR/Trx抑制。因此，TrxR/Trx酶是潜在的有希望的癌症治疗目标。
　　3 谷氧还蛋白（glutaredoxin，Grx）体系
　　3.1 Grx的功能 Grx是氧化还原蛋白，属于硫氧还蛋白家族并且无处不表达。它参与DNA合成，细胞凋亡，细胞内氧化应激和硫醇氧化还原防御，调节受体和转录因子如AP-1、NF-κB、p53等。谷氧还蛋白系统由NADPH、谷胱甘肽还原酶（GR）、谷胱甘肽（GSH）和Grx组成。谷氧还蛋白系统以同工酶形式存在，其中，谷氧还蛋白1（Grx1）主要位于细胞质，谷氧还蛋白2（Grx2）主要定位于线粒体。Grx催化蛋白质中的二硫键的还原和蛋白质硫醇與GSH之间的混合二硫键。Grx是一种小型的谷胱甘肽依赖性蛋白质，维持细胞蛋白质中半胱氨酸的还原状态，并且主要参与催化谷胱甘肽混合二硫化物的还原并产生作为副产物的谷胱甘肽二硫化物[24]。除了参与谷胱甘肽的氧化还原转化之外，当Trx限制时，Grx也可以作为许多细胞蛋白质的氢供体，包括核糖核苷酸还原酶、谷胱甘肽过氧化物酶和甲硫氨酸亚砜还原酶。 　　3.2 Grx與非小细胞肺癌的关系 谷氧还蛋白系统对于肺癌的生长和分化至关重要，Fernandes等[25]通过免疫组织化学方法检测了42例NSCLC患者的石蜡包埋切片中的Grx1和Grx2等表达，结果显示：Grx1与Grx2在肺腺癌组织中高表达，与腺癌的分化程度显著相关，并且Grx1和Grx2与增殖呈明显的负相关。
　　3.3 有关Grx抑制剂 迄今为止，只有少数Grx抑制剂已被报道。镉是最常用的Grx抑制剂之一。早期检测镉对Grx活性的影响表明，在H9和Jurkat细胞中，100 μmol/L的抑制作用几乎完全被抑制。硒代谷胱甘肽（GS-Se-SG）和硒代胱氨酸均为人类Grx1的底物，在过去的几年中，硒进一步发展成为癌症治疗中的潜在治疗剂，硒化合物会产生ROS并引起氧化应激，这反过来可能导致细胞损伤。谷氧还蛋白系统是细胞中的一种重要抗氧化防御系统，通过还原巯基来维持细胞内的氧化还原平衡，从而防止氧化应激。用亚硒酸盐处理肺癌细胞系H-157 48 h，提取mRNA和蛋白质。两者的蛋白质水平，以及蛋白质活性和mRNA水平与未处理的对照组相比，处理后的Grx1和Grx2随时间增加[26]。非金属抑制剂也有报道，100 μmol/L L-DOPA处理导致多巴胺能神经元模型中约60%的Grx活性抑制;分析显示L-DOPA的醌代谢物负责酶抑制。真菌毒素Sporidesmin在1 mmol/L浓度下将Grx1活性抑制到对照活性的约15%，然而，抑制仅发生在不存在GSH的情况下。顺铂主要代谢产物GSH-铂络合物抑制人类Grx的IC50为350 μmol/L。过氧亚硝酸盐在浓度高于200 μmol/L时对Grx活性有很好的抑制作用。迈克尔受体亚甲基奎宁环酮（MQ），APR-246的活性形式，通过与酶中的巯基反应而成为Trx1和Grx1的有效直接抑制剂。APR-246/MQ对Trx1和Grx1的抑制是可逆的，并且抑制效率取决于谷胱甘肽的存在，APR-246通过突变型p53的再激活和细胞巯基依赖性氧化还原系统的抑制诱导肿瘤细胞死亡，为癌症治疗提供了一种新的策略[27]。目前，仍缺乏有效的Grx抑制剂U，所以研制出有效的Grx抑制剂来对抗癌症是十分必要的。
　　 ROS被认为在肿瘤的发生、发展中起着多重作用，引发从增殖到细胞凋亡的细胞反应。在癌症发生过程中，癌细胞的ROS水平增加，ROS可引起DNA损伤和诱变，可作为第二信使刺激增殖并抑制细胞凋亡，赋予癌细胞生长优势。UCP、Trx和Grx这三种抗氧化体系在肿瘤诊疗中发挥着重要的作用[14，28]，本文重点讨论了这三种内源性抗氧化体系与非小细胞肺癌的关系，以期为肿瘤诊疗提供新思路。
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　　（收稿日期：2019-05-24） （本文編辑：张爽）
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