SOD1抑制劑與癌癥

陳長(zhǎng)鳳，　譚　俊，　邵　雷，　陳代杰*

1.上海師范大學(xué)生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，上海 200234； 2.中國(guó)醫(yī)藥工業(yè)研究總院上海醫(yī)藥工業(yè)研究院創(chuàng)新藥物與制藥工藝國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200040

SOD1抑制劑與癌癥

陳長(zhǎng)鳳1,2，譚俊2，邵雷2，陳代杰2*

1.上海師范大學(xué)生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，上海 200234； 2.中國(guó)醫(yī)藥工業(yè)研究總院上海醫(yī)藥工業(yè)研究院創(chuàng)新藥物與制藥工藝國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200040

摘要：超氧化物歧化酶(Superoxide Dismutase，SOD)是一種廣泛存在于細(xì)胞內(nèi)的清除超氧陰離子自由基的金屬酶，SOD特別是SOD1對(duì)于維持細(xì)胞的正常生命活動(dòng)起著重要的作用。SOD1具有抗氧化，防衰老，防止細(xì)胞核內(nèi)DNA損傷、調(diào)節(jié)氧和葡萄糖的信號(hào)傳遞等維持正常細(xì)胞活性的重要生理功能。但是，癌細(xì)胞內(nèi)SOD1的高表達(dá)，由于其能夠有效地清除胞內(nèi)超氧陰離子自由基而促進(jìn)癌細(xì)胞的生長(zhǎng)繁殖。本文對(duì)有關(guān)SOD1抑制劑與癌癥的研究進(jìn)展做一簡(jiǎn)要綜述。

關(guān)鍵詞：超氧化物； SOD1； 抑制劑； 癌癥

1938年，Keilin和Mann首次發(fā)現(xiàn)一種帶有銅離子的血銅蛋白[1]。1969年，F(xiàn)ridovich和McCord在牛血紅細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)其具有催化超氧陰離子發(fā)生歧化反應(yīng)的蛋白，并命名為超氧化物歧化酶[2]。在哺乳動(dòng)物中含有三類SOD：SOD1(Cu/ZnSOD)、SOD2(MnSOD)、胞外SOD3(Cu/ZnSOD)。SOD1是SOD細(xì)胞內(nèi)的主要形式，約占到細(xì)胞內(nèi)SOD總蛋白的80%[3]。SOD1主要存在于真核細(xì)胞的細(xì)胞漿中，后來(lái)在線粒體膜間隙和細(xì)胞核內(nèi)也發(fā)現(xiàn)SOD1[4]。SOD2主要存在于真核生物的線粒體中，SOD2在線粒體基質(zhì)中保護(hù)線粒體基質(zhì)、線粒體DNA和DNA聚合酶免受氧損傷及失活[5]。SOD3則是分泌到細(xì)胞外不同組織中，SOD3主要存在于動(dòng)物的肺、腎臟、動(dòng)物脂肪組織中，保護(hù)組織免受氧的損傷作用。

SOD1不僅具有抗氧化、防衰老、抗炎癥的功能[6]，還具有調(diào)節(jié)細(xì)胞、保護(hù)基因組DNA穩(wěn)定的作用。SOD1催化產(chǎn)物H2O2作為第二信使調(diào)節(jié)細(xì)胞的分裂、生長(zhǎng)及代謝進(jìn)程。Reddi[7]通過釀酒酵母模型研究發(fā)現(xiàn)，SOD1接受來(lái)自氧和葡萄糖的信號(hào)而抑制呼吸作用，對(duì)細(xì)胞代謝進(jìn)行調(diào)節(jié)。核內(nèi)SOD1對(duì)維持基因組DNA的穩(wěn)定性也起重要的作用，Tsang[8]研究顯示SOD1作為核內(nèi)轉(zhuǎn)錄因子，具有調(diào)節(jié)和抵抗氧化壓力的作用。SOD1突變導(dǎo)致變異蛋白的構(gòu)象不穩(wěn)定而引起肌肉萎縮側(cè)鎖骨硬化癥(Amyotrophic lateral sclerosis, ALS)[9]。在SOD1變異相關(guān)的ALS疾病中，SOD的許多結(jié)構(gòu)部位的變異都可能引起SOD1構(gòu)象不穩(wěn)定而引起SOD1蛋白聚集沉淀導(dǎo)致病變[3]。Philbert[10]在研究SOD1與ALS疾病的發(fā)生機(jī)制時(shí)發(fā)現(xiàn)：其中A4V, G37R, G85R, G93A等氨基酸的突變，會(huì)導(dǎo)致蛋白中的銅離子缺失，為此更易導(dǎo)致ALS疾病的發(fā)生。

最近的研究也發(fā)現(xiàn)，SOD1的高表達(dá)能促進(jìn)癌細(xì)胞的生長(zhǎng)和繁殖，因此，人們?cè)噲D開發(fā)SOD1抑制劑作為抗腫瘤藥物。本文予以簡(jiǎn)要綜述。

1SOD1與腫瘤發(fā)生關(guān)系

正常細(xì)胞內(nèi)的自由基具有誘癌、促癌及致癌作用，氧化平衡和氧化壓力會(huì)導(dǎo)致癌基因發(fā)生癌變，且由于SOD具有清除自由基的作用，而通常被認(rèn)為具有抑制癌癥的發(fā)生。但是，Elchuri 等[11]對(duì)SOD1敲除小鼠研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，盡管細(xì)胞內(nèi)產(chǎn)生被認(rèn)為可導(dǎo)致腫瘤發(fā)生的大量的自由基、DNA損傷，但是僅導(dǎo)致老年小鼠的肝癌發(fā)生。這就提示我們，SOD1可能與腫瘤發(fā)生密切相關(guān)。

Weinberg[12]最近的研究發(fā)現(xiàn)，在癌細(xì)胞內(nèi)的活性氧簇(ROS)濃度比較高，其引起的氧化應(yīng)激反應(yīng)上調(diào)抗氧化系統(tǒng)，這與在肺癌、乳腺癌中的SOD1高表達(dá)相一致[13]。Finley[14]發(fā)現(xiàn)，在乳房癌細(xì)胞內(nèi)的線粒體乙酰化酶3(SIRT3)活性下調(diào)87%，ROS濃度上升，SOD1過量表達(dá)，而良性乳腺細(xì)胞株MCF10A中的SOD1表達(dá)量降低。Glasauer[13]體外實(shí)驗(yàn)顯示，敲除SOD1基因或者抑制其活性可以抑制非小細(xì)胞肺癌(NSCLCs)的生長(zhǎng)，說明SOD1與多種癌癥的發(fā)生有重要關(guān)系。

2SOD1抑制劑與癌癥

2.1SOD1抑制劑LCS-1與癌癥

LCS-1(lung cancer screen-1)是一種4,5-二氯-2-(3-甲苯基)噠嗪-3-酮化合物，其衍生物L(fēng)CS-1.28[4,5-二溴-2-(3-甲苯基)噠嗪-3-酮]，以及LCS-1.34 [4,5-二氯-2-(2,4-二氯苯基)噠嗪-3-酮]，都可以抑制肺腺癌細(xì)胞的生長(zhǎng)。LCS-1在肝的微粒細(xì)胞內(nèi)穩(wěn)定性研究顯示，其半衰期為6.6 min[15]。與傳統(tǒng)的激酶抑制劑不同，LCS-1可以選擇性抑制幾乎所有的肺腺癌細(xì)胞。

Somwar等[16]通過蛋白質(zhì)組學(xué)和基因表達(dá)方法證明，在肺腺癌細(xì)胞內(nèi)SOD1是小分子抑制劑LCS-1的靶標(biāo)。通過siRNAs結(jié)合SOD1基因后，細(xì)胞內(nèi)的SOD1含量顯著降低，導(dǎo)致對(duì)LCS-1敏感的肺腺癌細(xì)胞株的生長(zhǎng)被抑制。相反，SOD1的過量表達(dá)使得敏感的肺腺癌細(xì)胞對(duì)LCS-1不敏感。SOD1與突變蛋白EGFR(表皮生長(zhǎng)因子受體)/KRAS(鼠類肉瘤病毒癌基因)這些變異蛋白一樣，都有能夠促進(jìn)細(xì)胞生長(zhǎng)的作用。這一發(fā)現(xiàn)，為L(zhǎng)CS-1類化合物作為SOD1抑制劑治療肺癌提供了可能性。

通過蛋白質(zhì)組學(xué)及基因表達(dá)兩種方法可以證明，LCS-1與SOD1結(jié)合，但不能與SOD2、SOD3結(jié)合。有關(guān)LCS-1是如何抑制SOD1活性導(dǎo)致細(xì)胞死亡，及LCS-1是否也作用于線粒體膜間隙SOD1還不清楚。最近有報(bào)道稱，LCS-1作用于乳腺癌細(xì)胞后會(huì)引起線粒體相關(guān)碎片增加，及線粒體基質(zhì)膨大等形態(tài)學(xué)的巨大變化，而正常的MCF10A沒有發(fā)生變化。可能是對(duì)由SIRT3降低引起的SOD2活性降低的癌細(xì)胞，在當(dāng)LCS-1作用于SOD1后，導(dǎo)致線粒體過度氧損傷，線粒體網(wǎng)絡(luò)崩潰引起細(xì)胞死亡[17]。

2.2SOD1抑制劑ATN-224與癌癥

抑制劑四硫鉬酸二膽堿(ATN-224)是一種穩(wěn)定性好的銅離子螯合劑，可以和SOD1結(jié)合，特異性螯合去除SOD1活性中心的銅離子，導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)的超氧化物水平上升。在惡性腦腫瘤模型中，銅離子的缺失會(huì)明顯的抑制腫瘤的大小及血管的生成，降低血管生成因子的分泌，抑制腫瘤細(xì)胞的生長(zhǎng)及降低微血管密度[18]。ATN-224具有通過抑制血管生成，抑制腫瘤細(xì)胞增殖導(dǎo)致細(xì)胞死亡的作用[19]。Glasauer等[13]研究SOD1抑制劑導(dǎo)致癌細(xì)胞死亡的機(jī)制顯示，ATN-224可以徹底阻止A549細(xì)胞株的生長(zhǎng)，且具有選擇性，對(duì)正常的支氣管表皮細(xì)胞并不產(chǎn)生傷害。ATN-224作用于細(xì)胞后導(dǎo)致SOD1和GPX酶等抗氧化酶活性顯著降低，細(xì)胞內(nèi)O2-、H2O2的濃度升高，激活p38激酶及降低抗凋零因子MCL1引起細(xì)胞的凋亡；ATN-224與SOD1結(jié)合后，導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)的H2O2的積累，激活p38絲裂原活化蛋白激酶導(dǎo)致MCL1的下調(diào)引起細(xì)胞死亡。這種死亡也有MCL1的下調(diào)引起由BIM/PUMA-介導(dǎo)的細(xì)胞程序性死亡，其中MCL1在NSCLCs(非小肺腺癌細(xì)胞)中是上調(diào)的。

SOD1抑制劑ATN-224的臨床實(shí)驗(yàn)顯示，ATN-224具有降低SOD1活性及抗腫瘤的作用[20]，Ι期臨床的18個(gè)病人，其為預(yù)期壽命大于12周的惡性腫瘤晚期患者；用檢測(cè)患者血清中血漿銅藍(lán)蛋白濃度的方法，監(jiān)測(cè)血清中銅離子濃度的變化。臨床實(shí)驗(yàn)確定給藥劑量為300 mg/d，一天給藥兩次，給藥21天之內(nèi)，可以導(dǎo)致80%的患者的血清中血漿銅藍(lán)蛋白明顯降低；受試患者伴有貧血、嗜中性白血球減少癥、血小板減少及疲勞等可以接受的藥物毒性。實(shí)驗(yàn)患者中，超過90%的患者血細(xì)胞中的SOD1活性顯著下降。患者給予ATN-224治療72周期后，其中有2個(gè)患者放棄臨床試驗(yàn)，3個(gè)患者血清中銅離子去除沒有達(dá)到要求濃度(血漿銅藍(lán)蛋白5～15 mg/d)，2個(gè)患者的病情穩(wěn)定了6個(gè)月，其中有一個(gè)惡性子宮內(nèi)膜腺癌病情穩(wěn)定了2.5年。Ⅱ期臨床試驗(yàn)主要用于前列腺癌癥，也達(dá)到了一定的預(yù)期效果。ATN-224可以作為單一的抗癌藥或和其他藥聯(lián)合用于肺癌治療[13]。

2.3SOD1抑制劑雌性激素衍生物與癌癥

2-甲氧雌甾二醇(2-ME)是一種特定的雌性激素衍生物，能選擇性殺死白血病細(xì)胞而不殺死正常的淋巴細(xì)胞[21]。實(shí)驗(yàn)顯示，只有在2-碳修飾的雌性激素衍生物才與SOD1相互作用引起核小體DNA斷裂，導(dǎo)致p53的積累誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡[21]。p53是一種腫瘤抑制因子也是重要的轉(zhuǎn)錄因子[22]，在外源因子的刺激下，細(xì)胞內(nèi)p53積累導(dǎo)致細(xì)胞生長(zhǎng)阻滯及細(xì)胞凋亡。

Huang[21]通過微陣列芯片、磷光影像分析儀及RT-PCR分析顯示，2-ME作用于癌細(xì)胞后，SOD1的mRNA的含量及表達(dá)量上升，SOD1是2-ME作用靶標(biāo)，這與實(shí)驗(yàn)過量表達(dá)SOD1，降低了2-ME誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡的敏感性相一致。體外細(xì)胞實(shí)驗(yàn)顯示，2-ME誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡主要是通過抑制SOD1。從而導(dǎo)致O2-自由基介導(dǎo)的線粒體膜損傷釋放出細(xì)胞色素C，也可以通過自由基對(duì)DNA的損傷導(dǎo)致p53積累，誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡。雖然活性氧引起的細(xì)胞凋亡在不同類型細(xì)胞內(nèi)表現(xiàn)出差異，但是2-ME會(huì)影響癌細(xì)胞抵抗氧自由基的能力，可作為癌癥治療的新策略。

然而，也有研究表明，2-ME通過提高人的白血病HL-60細(xì)胞內(nèi)的超氧陰離子濃度，來(lái)達(dá)到抑制腫瘤細(xì)胞的生長(zhǎng)，而并非通過抑制SOD的活性，來(lái)達(dá)到抑制腫瘤的生長(zhǎng)[23]。

3展望

很長(zhǎng)時(shí)期以來(lái)，人們一直認(rèn)為SOD2是腫瘤抑制因子[24]。最近的研究發(fā)現(xiàn)，SOD2在不同的腫瘤細(xì)胞內(nèi)其表達(dá)量和活性具有階段性，且與腫瘤類型有關(guān)[25]。SOD3表達(dá)量降低會(huì)產(chǎn)生原癌基因效應(yīng)，在肺癌和乳腺癌中檢測(cè)到SOD3表達(dá)量降低[26,27]。例如，在胰腺導(dǎo)管腫瘤細(xì)胞(PDA)中，SOD3表達(dá)量降低直接與不良預(yù)后相關(guān)[28]。PDA細(xì)胞中SOD3過表達(dá)會(huì)抑制癌細(xì)胞生長(zhǎng)及惡化。研究顯示SOD3過表達(dá)會(huì)引起PDA細(xì)胞中低氧誘導(dǎo)因子(HIF)-1α的積累,能夠抑制血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子(VEGF)的缺氧誘導(dǎo)[29]。因?yàn)镾OD3是分泌到細(xì)胞外，因此很可能是通過腫瘤細(xì)胞的微環(huán)境調(diào)節(jié)而導(dǎo)致癌癥，這就解釋了為什么下調(diào)SOD3能促進(jìn)腫瘤惡化[3]。

因此，到目前為止，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)一些以SOD為靶標(biāo)并對(duì)SOD起抑制作用的化合物，它們具有抗腫瘤的功效。這些化合物主要以SOD1為靶標(biāo)，以SOD2和SOD3為靶標(biāo)的發(fā)現(xiàn)及研究相對(duì)較少。以SOD1作為靶標(biāo)的化合物有望應(yīng)用于腫瘤治療，隨著研究的深入，目前化合物ATN-224已進(jìn)入臨床Ι期、Ⅱ期實(shí)驗(yàn)，SOD1抑制劑有望發(fā)展成為新的腫瘤藥物。

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Superoxide dismutase 1 inhibitors and cancer

CHEN Chang-feng1,2, TAN Jun2, SHAO Lei2, CHEN Dai-jie2

1. College of Life and Environmental Science, Shanghai Normal University, Shanghai 200234, China;2. State Key Laboratory of New Drug and Pharmaceutical Process, Shanghai Institute of Pharmaceutical Industry,China State Institute of Pharmaceutical Industry, Shanghai 200040, China

AbstractSuperoxide dismutase catalyzes the disproportionation of superoxide to molecular oxygen and peroxide which is widely existed in cells. SOD especially SOD1 is very important for maintaining normal activity of cell. Studies showed that SOD1 played an important role in terms of antioxidant function, anti-aging function, the prevention of DNA damage, signal transmission regulation of oxygen and glucose etc. However, high expression of SOD1 can promote the growth and propagation of cancer cells because of the superoxide being cleaned up by this enzyme. This paper briefly reviewed recent research progress of SOD1 inhibitors in the treatment of cancer.

Key wordssuperoxide; SOD1; inhibitor; cancer

doi:10.3969/j.issn.1001-6678.2016.02.010

基金項(xiàng)目：國(guó)家“重大新藥創(chuàng)制”科技重大專項(xiàng)(No.2013ZX09301302, No.2014ZX09507009-025)；國(guó)家自然科學(xué)基金(No.81573329)。

作者簡(jiǎn)介：陳長(zhǎng)鳳(1991～)，女，在讀碩士研究生，研究方向：微生物藥物。 *通訊作者：陳代杰，男，研究員。E-mail：hccb001@163.com。