【論腫道麻】抗氧化劑與活性氧在腫瘤中的復(fù)雜相互作用

菌心說(shuō) 2021-10-13

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編譯：湯潔；審校：張軍，繆長(zhǎng)虹

活性氧（ROS）在組織內(nèi)穩(wěn)態(tài)、細(xì)胞信號(hào)傳導(dǎo)、分化和存活中發(fā)揮重要作用。2020年，Isaac S. Harris等人在《Trends in Cell Biology》雜志上發(fā)表了題為《The Complex Interplay between Antioxidants and ROS in Cancer》的綜述，介紹了ROS的類(lèi)型及其在促癌和抗腫瘤中的作用，并討論了對(duì)腫瘤發(fā)生過(guò)程中內(nèi)源性和外源性抗氧化劑的最新進(jìn)展，以及轉(zhuǎn)錄因子NFE2相關(guān)因子2（NRF2）異常激活抗氧化程序?qū)δ[瘤發(fā)生和轉(zhuǎn)移的影響?，F(xiàn)介紹如下：

背景

ROS是指包含并參與活性氧電子轉(zhuǎn)移的分子，在組織內(nèi)穩(wěn)態(tài)中發(fā)揮重要作用，調(diào)節(jié)信號(hào)傳導(dǎo)、分化、促進(jìn)細(xì)胞損傷和死亡，其水平受細(xì)胞抗氧化防御系統(tǒng)的嚴(yán)格調(diào)控。雖然ROS通常聚在一起，但ROS是一類(lèi)不同的分子，對(duì)細(xì)胞過(guò)程的影響復(fù)雜，既有促癌作用，也有抗腫瘤作用?；钚匝醯牟煌问健?lái)源和主要目標(biāo)見(jiàn)圖1。

圖1：活性氧種類(lèi)（ROS）

超氧化物

作為由分子氧與線粒體電子傳遞鏈復(fù)合體I/III經(jīng)電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)得到的一類(lèi)物質(zhì)，超氧陰離子（O2-）活性中等。在超氧化物歧化酶或不涉及酶作用的情況下，其很容易被歧化成過(guò)氧化氫（H2O2）。由于其帶有負(fù)電荷，因此無(wú)法經(jīng)膜擴(kuò)散。此外，某些類(lèi)型的細(xì)胞（如中性粒細(xì)胞）也能夠通過(guò)NADPH氧化酶產(chǎn)生大量的胞外O2-。在細(xì)胞中，它能夠直接作用于鐵-硫（Fe-S）簇進(jìn)而釋放出Fe。此外，O2-還可與一氧化氮（NO）反應(yīng)生成過(guò)氧亞硝酸鹽（ONOO-）。而ONOO-與蛋白質(zhì)反應(yīng)能夠?qū)е掳被岬难趸蛳趸?，引起DNA雙鏈斷裂，誘發(fā)脂質(zhì)發(fā)生過(guò)氧化反應(yīng)。

過(guò)氧化氫

作為機(jī)體O2-的代謝產(chǎn)物，盡管H2O2同樣具有中等活性。作為內(nèi)質(zhì)網(wǎng)（ER）中氧化蛋白質(zhì)折疊過(guò)程中的一種代謝產(chǎn)物，H2O2也可由Ero1產(chǎn)生，可經(jīng)膜擴(kuò)散，是蛋白質(zhì)氧化反應(yīng)的主要活性氧參與者。低水平（1-10 nM）的H2O2在氧化氧化還原信號(hào)中起重要作用，而高水平（100 nM）會(huì)引起氧化應(yīng)激。

過(guò)氧自由基

由于O2-和H2O2均為中等活性，因此大多數(shù)源于ROS的細(xì)胞損傷均是由其代謝產(chǎn)物所引起。其中，氫過(guò)氧自由基（OH·）由H2O2生成，是所有ROS中活性最強(qiáng)的代謝產(chǎn)物，在芬頓反應(yīng)中能與鐵離子（Fe2+）反應(yīng)生成OH·。此外，O2-還可通過(guò)將Fe3+還原為Fe2+來(lái)促進(jìn)OH·的形成。

脂質(zhì)過(guò)氧化物

由于含有碳碳雙鍵（不飽和鍵），多不飽和脂肪酸（PUFA）含有對(duì)脂質(zhì)過(guò)氧化反應(yīng)極為敏感的活性氫原子，對(duì)胞內(nèi)脂質(zhì)雙層的完整性非常重要。OH·能引發(fā)脂質(zhì)過(guò)氧化，導(dǎo)致脂質(zhì)自由基和脂質(zhì)過(guò)氧化自由基形成，與PUFA在增殖反應(yīng)中反應(yīng)生成過(guò)氧化脂質(zhì)。過(guò)度的脂質(zhì)過(guò)氧化與鐵依賴(lài)的細(xì)胞死亡形式之間存在密切相關(guān)相，即所謂的“鐵死亡”。

活性氧的促腫瘤作用

ROS通過(guò)氧化核酸堿基來(lái)誘導(dǎo)DNA損傷。修復(fù)這些改變的堿基會(huì)導(dǎo)致突變。輻射是最廣為人知的活性氧來(lái)源之一，也是腫瘤發(fā)生發(fā)展的一大誘因。ROS還可通過(guò)影響蛋白質(zhì)功能來(lái)改變細(xì)胞過(guò)程（見(jiàn)圖2）。ROS的作用與蛋白質(zhì)氧化程度密切相關(guān)。溫和的氧化反應(yīng)過(guò)程能夠促進(jìn)細(xì)胞信號(hào)傳遞，通常是可逆的，允許蛋白質(zhì)活性和信號(hào)網(wǎng)絡(luò)快速變化。過(guò)度氧化會(huì)導(dǎo)致末端氧化（磺酸）和蛋白質(zhì)功能完全喪失。雖然不可逆的半胱氨酸修飾對(duì)蛋白質(zhì)功能有害，但可逆的修飾可以在應(yīng)激期間起保護(hù)作用。由于蛋白質(zhì)修飾能夠通過(guò)激活抗氧化劑（KEAP1）或代謝（GAPDH、PKM2）程序來(lái)促進(jìn)ROS代謝，因此能夠在適應(yīng)氧化應(yīng)激中發(fā)揮關(guān)鍵性作用。此外其他可逆的修飾也可內(nèi)源性發(fā)生，包括結(jié)合作用和谷胱甘肽基化，既可保護(hù)蛋白質(zhì)免受末端氧化，又可改變它們的功能以促進(jìn)新陳代謝重連。

圖2：氧化蛋白修飾

內(nèi)源性抗氧化劑

抗氧化劑是指一類(lèi)能夠參與ROS清除過(guò)程的酶或輔助因子（見(jiàn)圖3）。其中最豐富的內(nèi)源性抗氧化劑是代謝輔因子谷胱甘肽（GSH）。作為三肽，GSH通過(guò)兩步過(guò)程合成。第一步，谷氨酸-半胱氨酸連接酶催化亞基（GCLC）催化谷氨酸和半胱氨酸發(fā)生縮合反應(yīng)；第二步，谷胱甘肽合成酶（GSS）與甘氨酸結(jié)合形成三肽。雖然半胱氨酸在大多數(shù)情況下是這一途徑的限速代謝物，但谷氨酸和甘氨酸也可限制谷胱甘肽的合成。谷胱甘肽是谷胱甘肽S轉(zhuǎn)移酶（GST）和谷胱甘肽過(guò)氧化物酶（GPX）清除活性氧的輔助因子。GST和GPX酶由多個(gè)家族和異構(gòu)體組成，并且尚不清楚每種酶的確切靶標(biāo)。除了依賴(lài)于GSH的抗氧化系統(tǒng)外，硫氧還蛋白（SRX+TXN）抗氧化網(wǎng)絡(luò)還能再生出一類(lèi)對(duì)H2O2具有高催化活性的過(guò)氧化物氧化還蛋白酶（PRDX）。與豐度較高的GSH代謝物不同，TXN是一種小蛋白抗氧化劑，含量較低。TXN體系可還原PRDX的二硫鍵，而SRX則可以對(duì)PRDX（其被過(guò)氧化為亞磺酸）進(jìn)行還原。不同但高度同源的PRDX和TXN蛋白定位于線粒體或細(xì)胞質(zhì)，但每個(gè)亞細(xì)胞系統(tǒng)的相對(duì)重要性以及它們之間的串?dāng)_尚不清楚。氧化型GSH和TXN均由還原酶以NADPH為電子供體再生。無(wú)論是正常組織還是惡性組織中，這些途徑都是互補(bǔ)的。氧化損害能夠起到促進(jìn)GSH和TXN系統(tǒng)中酶表達(dá)過(guò)程，表明它們之間在緩解氧化應(yīng)激方面可能存在協(xié)同作用。

內(nèi)源性抗氧化劑在腫瘤中的作用很大程度上取決于腫瘤發(fā)生的階段?？寡趸瘎┩ㄟ^(guò)阻止ROS誘導(dǎo)的DNA氧化和隨后的DNA損傷，在預(yù)防腫瘤發(fā)生方面發(fā)揮著重要作用?？寡趸到y(tǒng)參與致癌物的解毒，因此其在阻止ROS誘導(dǎo)的腫瘤發(fā)生中的直接作用尚不清楚。相比之下，抗氧化蛋白在腫瘤進(jìn)展中能夠發(fā)揮極為重要的作用。

圖3：抗氧化劑類(lèi)型

內(nèi)源性抗氧化劑對(duì)腫瘤發(fā)生的預(yù)防作用

通過(guò)對(duì)ROS的清除，抗氧化劑可在預(yù)防機(jī)體損傷或癌變方面發(fā)揮一定的作用。GPX在多種模型中已被證實(shí)防止致癌物和ROS誘導(dǎo)的腫瘤發(fā)生。其中，在小鼠結(jié)腸癌模型中，抑制GPX3能夠有效抑制腫瘤發(fā)生。SOD2表達(dá)降低的小鼠均存在更高的DNA損傷和腫瘤發(fā)病率。同樣，TXN體系的作用也與上述物質(zhì)相類(lèi)似。PRDX1的丟失會(huì)導(dǎo)致DNA損傷積累和老年小鼠腫瘤發(fā)病率的增加。PRDX1作為PTEN的還原劑抑制腫瘤細(xì)胞生長(zhǎng)。而PRDX6的缺失則會(huì)加速HPV8誘導(dǎo)的皮膚癌發(fā)生。GSH和TXN可共同起到腫瘤預(yù)防作用，而氧化DNA的積累足以促進(jìn)小鼠腫瘤發(fā)生。在沒(méi)有任何致癌因素的情況下，恢復(fù)DNA中8-氧代脫氧鳥(niǎo)嘌呤的OGG1的丟失能導(dǎo)致小鼠出現(xiàn)自發(fā)性肺癌。因此可以看出，內(nèi)源性抗氧化劑在腫瘤預(yù)防中能夠發(fā)揮重要作用。

內(nèi)源性抗氧化劑對(duì)腫瘤進(jìn)展的支持作用

GPX能夠在腫瘤進(jìn)展過(guò)程中有效清除ROS的產(chǎn)生，尤其GPX4可通過(guò)抑制脂質(zhì)過(guò)氧化和鐵死亡而發(fā)揮其重要作用。細(xì)胞的鐵死亡過(guò)程涉及多個(gè)子過(guò)程，包括使用抗氧化劑輔助因子泛醌（CoQ10）的GSH非依賴(lài)性途徑。經(jīng)歷上皮-間充質(zhì)轉(zhuǎn)化（EMT）的耐藥腫瘤細(xì)胞對(duì)鐵死亡更為敏感。TXN體系的組成部分，如TXN和TXNRD1，能夠促進(jìn)腫瘤生長(zhǎng)。PRDX1和PRDX4在惡性腫瘤組織中的表達(dá)升高，有助于腫瘤的生存，PRDX6過(guò)表達(dá)還會(huì)加速惡性腫瘤進(jìn)展。超氧化物代謝產(chǎn)物同樣在腫瘤進(jìn)展中起重要作用，通過(guò)銅螯合劑抑制SOD1可以阻止肺腫瘤的發(fā)生；靶向TXN或SOD1抗氧化系統(tǒng)會(huì)損害O2-暴露后肺癌細(xì)胞的存活。因此，內(nèi)源性抗氧化計(jì)劃將為支持腫瘤的進(jìn)展和生存能力提供重要的支撐。

外源性抗氧化劑

動(dòng)物研究常使用外源性抗氧化劑來(lái)治療腫瘤，并分析胞內(nèi)ROS物質(zhì)在各種腫瘤過(guò)程中的因果作用。其中使用最為廣泛的外源性抗氧化劑為N-乙酰半胱氨酸（NAC）。接受NAC處理的試驗(yàn)組個(gè)體能夠通過(guò)防止DNA氧化和隨后的突變事件來(lái)抑制由p53缺失導(dǎo)致的淋巴瘤和肺癌的生長(zhǎng)。此外，NAC還能起到擾亂HIF1a穩(wěn)態(tài)以及干擾肝細(xì)胞異種移植瘤的作用。最近涉及NAC的研究表明，其在一定程度上也會(huì)促進(jìn)腫瘤的發(fā)生。通過(guò)補(bǔ)充外源性NAC能夠促進(jìn)包括黑色素瘤和肺癌在內(nèi)的多種基因工程小鼠腫瘤模型的發(fā)生、進(jìn)展和轉(zhuǎn)移。然而補(bǔ)充N(xiāo)AC對(duì)細(xì)胞氧化還原狀態(tài)的影響的確切機(jī)制尚不清楚。雖然NAC在某些情況下可以促進(jìn)谷胱甘肽的合成，但其抗氧化功能的主要實(shí)現(xiàn)途徑是產(chǎn)生硫化氫和蛋白質(zhì)過(guò)硫化。重要的是，蛋白質(zhì)過(guò)硫化物可以被還原以再生未修飾的硫醇。

一方面，抗氧化劑在體內(nèi)的代謝過(guò)程中自身會(huì)發(fā)生氧化反應(yīng)，另一方面，抗氧化劑具有非依賴(lài)效應(yīng)，均使得探究其確切功能變得十分復(fù)雜。作為常見(jiàn)的抗氧化劑，維生素C（或抗壞血酸）可通過(guò)飲食攝入并吸收。最近的研究表明，維生素C會(huì)自動(dòng)氧化成脫氫抗壞血酸（DHA），從而增加細(xì)胞內(nèi)的氧化應(yīng)激。此外，維生素C還可以通過(guò)促進(jìn)TET2的活性而祈禱負(fù)向調(diào)節(jié)造血干細(xì)胞（HSC）的功能的作用。如前所述，NAC可以產(chǎn)生H2S，影響代謝和信號(hào)通路。綜上所述，在使用外源性抗氧化劑以分析和解釋細(xì)胞內(nèi)活性氧對(duì)腫瘤生物學(xué)的影響時(shí)必須持謹(jǐn)慎態(tài)度。

活性氧解毒在腫瘤中的異常激活

在多種腫瘤類(lèi)型中，抗氧化轉(zhuǎn)錄因子NRF2的異常激活是細(xì)胞抗氧化程序促腫瘤作用最有利證據(jù)。NRF2的水平受到其與KEAP1的關(guān)聯(lián)限制，KEAP1以NRF2為靶標(biāo)進(jìn)行蛋白酶體降解。在細(xì)胞暴露于氧化或電應(yīng)激后，KEAP1上的半胱氨酸殘基被修飾，導(dǎo)致NRF2泛素化和NRF2積聚受損。NRF2促進(jìn)抗氧化系統(tǒng)中許多基因的轉(zhuǎn)錄。NRF2的積累在腫瘤中很常見(jiàn)，表明抗氧化防御的增強(qiáng)在腫瘤形成過(guò)程發(fā)揮作用。NRF2在不同類(lèi)型腫瘤中積聚的機(jī)制各不相同，NRF2和KEAP1的突變破壞了NRF2的正常降解。肺癌患者體內(nèi)存在NRF2外顯子跳躍導(dǎo)致KEAP1結(jié)合域缺失的情況，同時(shí)癌基因驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)錄可以增加NRF2表達(dá)的水平。啟動(dòng)子甲基化、p62介導(dǎo)的螯合作用以及富馬酸和甲基乙醛修飾導(dǎo)致的KEAP1失活同樣會(huì)導(dǎo)致NRF2的積累。

目前，研究人員已針對(duì)NRF2在腫瘤發(fā)生特定階段的作用進(jìn)行了詳細(xì)分析（見(jiàn)圖4）。NRF2與癌基因驅(qū)動(dòng)的肺癌的發(fā)生和發(fā)展以及p62驅(qū)動(dòng)的胰腺腫瘤的發(fā)生和發(fā)展之間存在密切相關(guān)性。此外，KAEP1缺失增加了由KrasG12D/p53缺失或PTEN缺失和Myc驅(qū)動(dòng)的肝腫瘤負(fù)荷驅(qū)動(dòng)的肺腫瘤模型中的腫瘤負(fù)擔(dān)。NRF2的激活與ROS水平的降低和DNA氧化損傷以及代謝過(guò)程的激活之間存在一定的相關(guān)性。相關(guān)研究已經(jīng)證實(shí)，NRF2在抗氧化防御和增殖過(guò)程方面涉及多個(gè)代謝途徑，其中包括PPP和絲氨酸的生物合成，因此其在腫瘤進(jìn)展的某些階段可能在抗氧化過(guò)程中起主導(dǎo)作用。此外，NRF2的激活會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)性半胱氨酸發(fā)生廣泛變化，這表明NRF2對(duì)新陳代謝的影響可能并不局限于直接的轉(zhuǎn)錄靶標(biāo)。

圖4：NRF2在不同癌變階段的復(fù)雜作用

“論腫道麻”點(diǎn)評(píng)

ROS對(duì)腫瘤轉(zhuǎn)移的影響復(fù)雜，且存在一定的矛盾。研究證明，在很多情況下ROS均能促進(jìn)腫瘤轉(zhuǎn)移。相反，細(xì)胞從細(xì)胞外基質(zhì)（ECM）中分離會(huì)導(dǎo)致氧化應(yīng)激，從而限制循環(huán)中的生存，抗氧化劑具有保護(hù)和促進(jìn)轉(zhuǎn)移的作用。NRF2對(duì)轉(zhuǎn)移的影響具有高度背景依賴(lài)性，并且其可能會(huì)受到組織類(lèi)型、NRF2劑量以及ROS依賴(lài)和獨(dú)立效應(yīng)的影響。在相同的組織和遺傳環(huán)境中，KEAP1功能喪失所產(chǎn)生的影響及影響程度也可能依賴(lài)于環(huán)境。未來(lái)還需要進(jìn)一步的工作來(lái)了解特定的LEAP1突變或NRF2激活程度對(duì)腫瘤的生長(zhǎng)和進(jìn)展是否存在不同的影響。

綜上所述，摒棄ROS和抗氧化劑對(duì)腫瘤生物學(xué)影響的“一刀切”觀點(diǎn)，將有助于調(diào)和這些分子在不同研究中似乎相互矛盾的許多影響。本研究的觀點(diǎn)也與最近的相關(guān)研究相一致，即存在具有不同功能的活性氧池。NADPH氧化酶衍生的ROS可促進(jìn)腫瘤細(xì)胞增殖，而TIGAR缺失引起的ROS則作用相反。NADPH氧化酶產(chǎn)生細(xì)胞外O2-，而TIGAR通過(guò)支持PPP來(lái)保護(hù)細(xì)胞內(nèi)免受ROS的傷害。此外，未來(lái)在針對(duì)抗氧化劑機(jī)制解釋以及全身基因敲除進(jìn)行的研究中，需要考慮抗氧化劑程序在微環(huán)境中的作用。研究已證實(shí)，這些細(xì)胞群的功能既依賴(lài)于抗氧化程序，也依賴(lài)于活性氧的產(chǎn)生。與此同時(shí)，要明白R(shí)OS在細(xì)胞中的有益或有害作用并不一定相互排斥。隨著基因篩選技術(shù)以及基因組技術(shù)等分析方法的進(jìn)步，人們對(duì)對(duì)活性氧和抗氧化途徑的復(fù)雜性的理解一定會(huì)逐步加深。

編譯：湯潔

審校：張軍，繆長(zhǎng)虹

原始文獻(xiàn)：Harris IS, DeNicola GM. The Complex Interplay between Antioxidants and ROS in Cancer. Trends Cell Biol. 2020 Jun;30(6):440-451.

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