活性氧(ROS)：腫瘤進(jìn)展的雙刃劍

陳俊宇,李俊瑋,梁　源,黃巧迪,楊穎穎,楚秀明,譚文溪,夏陽(yáng)*

(1.吉林大學(xué)臨床醫(yī)學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春130021；2.吉林大學(xué)第二醫(yī)院)

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活性氧(ROS)：腫瘤進(jìn)展的雙刃劍

陳俊宇1,李俊瑋1,梁源1,黃巧迪1,楊穎穎1,楚秀明2,譚文溪2,夏陽(yáng)2*

(1.吉林大學(xué)臨床醫(yī)學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春130021；2.吉林大學(xué)第二醫(yī)院)

一些致瘤因子可誘導(dǎo)細(xì)胞發(fā)生氧化應(yīng)激，氧化應(yīng)激是細(xì)胞內(nèi)外產(chǎn)生活性氧(ROS)并誘導(dǎo)細(xì)胞毒作用的過(guò)程。生理狀態(tài)下，細(xì)胞通過(guò)抗氧化系統(tǒng)維持ROS平衡；氧化應(yīng)激時(shí)，ROS破壞生物大分子造成細(xì)胞損傷，進(jìn)而產(chǎn)生致癌作用，并作為第二信使參與調(diào)控凋亡信號(hào)。高濃度ROS則對(duì)腫瘤產(chǎn)生細(xì)胞毒作用并抑制增殖。

1　ROS

1.1ROS來(lái)源細(xì)胞中內(nèi)源性ROS生成主要與線粒體和NADH氧化酶(NOX)家族有關(guān)。NOX主要存在于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜或線粒體膜，催化O2與NADPH反應(yīng)生成O2-。O2-被呼吸鏈復(fù)合體Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ以“電子漏”的形式釋放入線粒體基質(zhì)，進(jìn)而被超氧化物歧化酶2(SOD2)轉(zhuǎn)化為H2O2。O2-穿過(guò)電壓依賴性陰離子通道(VDAC)進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)，自發(fā)或由SOD1轉(zhuǎn)化為H2O2[3]。另外，細(xì)胞色素P450、脂加氧酶(LOX)、環(huán)加氧酶(COX)和黃嘌呤氧化酶(XO)也可催化ROS生成[4]。藥物、化學(xué)污染物和放療則可誘導(dǎo)產(chǎn)生外源性ROS。

1.2ROS對(duì)細(xì)胞信號(hào)通路的調(diào)控ROS對(duì)腫瘤細(xì)胞信號(hào)通路的調(diào)控具有兩面性。一方面，ROS激活與增殖、存活、血管生成和轉(zhuǎn)移相關(guān)的信號(hào)通路，促進(jìn)腫瘤的發(fā)生、發(fā)展和轉(zhuǎn)移。①胞外信號(hào)調(diào)節(jié)激酶1/2(ERK1/2)在細(xì)胞增殖中起重要作用，PTP1B通過(guò)磷酸化ERK1/2抑制細(xì)胞周期，而ROS使PTP1B失活從而促進(jìn)細(xì)胞增殖[5]。②磷脂酰肌醇三激酶(PI3K)/Akt信號(hào)通路與細(xì)胞存活密切相關(guān)，PTEN可下調(diào)Akt并滅活PI3K，而H2O2則抑制PTEN而維持細(xì)胞存活[6]。③ROS通過(guò)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子-β(TGF-β)、糖原合成激酶-3β(GSK3β)、NF-κB和RTK/Ras，調(diào)控上皮-間質(zhì)轉(zhuǎn)化(EMT)過(guò)程，從而調(diào)控癌細(xì)胞轉(zhuǎn)移[7]。④ROS激活血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子(VEGF)，從而促進(jìn)血管生成。

另一方面，高濃度ROS可誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡、促進(jìn)細(xì)胞衰老

和抑制細(xì)胞周期。ROS作用于氧化硫氧還蛋白(TRX1)上的半胱氨酸殘基，使其從凋亡信號(hào)調(diào)節(jié)激酶1(ASK1)上解離，進(jìn)而激活P38/JNK信號(hào)通路，誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡[8]。ROS還可抑制細(xì)胞周期依賴激酶(CDK)活性[9]，抑制細(xì)胞周期。

1.3ROS與氧化應(yīng)激細(xì)胞內(nèi)ROS可造成線粒體功能紊亂，導(dǎo)致ROS進(jìn)一步蓄積，并引起蛋白質(zhì)、脂質(zhì)和DNA過(guò)度氧化。ROS攻擊蛋白質(zhì)產(chǎn)生羰基衍生物，改變蛋白質(zhì)的三級(jí)結(jié)構(gòu)，使其部分或全部伸展，并易于形成蛋白-蛋白交聯(lián)，導(dǎo)致蛋白變性或酶活性喪失。ROS攻擊DNA中鳥(niǎo)嘌呤的第8位碳原子，生成8-羥基脫氧鳥(niǎo)嘌呤(8-OHdG)，8-OHdG導(dǎo)致DNA復(fù)制時(shí)發(fā)生堿基突變與錯(cuò)配，使G突變?yōu)門，并導(dǎo)致G:C→T:A顛換，從而激活促癌基因或滅活抑癌基因，參與腫瘤發(fā)生。ROS催化脂質(zhì)的氧化分解，并形成一系列代謝產(chǎn)物，如不飽和脂肪酸鏈、脂肪酸自由基、脂質(zhì)-過(guò)氧化氫和脂類過(guò)氧化物等。自由基和脂質(zhì)過(guò)氧化物的無(wú)限產(chǎn)生是ROS破壞細(xì)胞膜的重要原因[10]，脂質(zhì)過(guò)氧化產(chǎn)物丙二醇可誘導(dǎo)DNA突變并產(chǎn)生致癌作用[11]。

2　ROS的致腫瘤作用

2.1ROS與炎癥組織損傷、細(xì)胞死亡及病原感染可引發(fā)炎癥反應(yīng)。急性期炎癥使肥大細(xì)胞和白細(xì)胞發(fā)生“呼吸爆發(fā)”以抵抗外來(lái)物質(zhì)。慢性期時(shí)炎細(xì)胞釋放可溶性分子(細(xì)胞因子、趨化因子、ROS、基質(zhì)蛋白酶和VEGF)，趨使更多的炎細(xì)胞到達(dá)受損部位，炎細(xì)胞激活后釋放ROS，參與炎癥反應(yīng)。

炎癥遷延不愈可能導(dǎo)致腫瘤發(fā)生。基質(zhì)金屬蛋白酶-2(MMP-2)和MMP-9在過(guò)度延長(zhǎng)的炎癥狀態(tài)下被激活，促進(jìn)膠原溶解和腫瘤浸潤(rùn)[12]。乳腺癌中浸潤(rùn)的巨噬細(xì)胞釋放NADPH氧化酶導(dǎo)致ROS增多，引起成纖維細(xì)胞變形[13]。盡管巨噬細(xì)胞產(chǎn)生的負(fù)調(diào)控ROS(RROS)可降解NOX2，但強(qiáng)烈的炎癥信號(hào)卻通過(guò)抑制RROS釋放，升高ROS水平[14]。ROS還可誘導(dǎo)腫瘤環(huán)境中的炎細(xì)胞釋放VEGF和纖維母細(xì)胞生長(zhǎng)因子[15]。

2.2ROS對(duì)細(xì)胞周期的影響細(xì)胞周期蛋白和CDK是兩類重要的細(xì)胞周期調(diào)節(jié)分子。細(xì)胞分裂周期-25磷酸酶(CDC-25)和CDK抑制物通過(guò)可逆性磷酸化作用調(diào)控細(xì)胞周期蛋白和CDK的活性。ROS升高可激活表皮細(xì)胞生長(zhǎng)因子受體(EGFR)，增加細(xì)胞周期蛋白和CDK的轉(zhuǎn)錄和翻譯，從而影響細(xì)胞周期。

2.3ROS誘導(dǎo)血管生成血管再生包括內(nèi)皮細(xì)胞遷移、增殖和管腔形成，H2O2參與內(nèi)皮細(xì)胞的遷移和增殖，并介導(dǎo)淋巴細(xì)胞激活的管腔化。ROS可增加腫瘤微環(huán)境中的MMP-1，參與腫瘤新血管生成[16]。NOX1是血管生成的高效激活劑，可上調(diào)腫瘤中的VEGF，過(guò)氧化氫酶則抑制NOX1誘導(dǎo)的VEGF生成[17]。

缺氧是許多腫瘤的特征，腫瘤的缺氧環(huán)境誘導(dǎo)ROS生成從而維持缺氧誘導(dǎo)因子-α(HIF-α)的穩(wěn)定，HIF-α激活VEGF促進(jìn)血管生成。脯氨酰羥化酶(PHDs)可降解HIF-α蛋白酶體，ROS通過(guò)抑制PHDs來(lái)穩(wěn)定HIF-α[18]，進(jìn)而激活VEGF。ROS影響腫瘤血流供應(yīng)的另一機(jī)制是引起血管擴(kuò)張，ROS激活血紅素氧合酶-1(HO-1)，誘導(dǎo)血管擴(kuò)張劑CO或NO生成[19]。

2.4ROS與腫瘤細(xì)胞侵襲和轉(zhuǎn)移腫瘤細(xì)胞的侵襲和轉(zhuǎn)移需一系列細(xì)胞內(nèi)適應(yīng)和細(xì)胞外重塑，包括細(xì)胞骨架破壞、EMT、細(xì)胞黏附減少、遷移增加、組織屏障和細(xì)胞外基質(zhì)退化。ROS可激活MAPK家族的多條通路從而激活受體酪氨酸激酶(RPTKs)，生長(zhǎng)因子與相應(yīng)的RPTKs結(jié)合從而促進(jìn)腫瘤轉(zhuǎn)移[20]。ROS有助于維持細(xì)胞骨架動(dòng)力，參與腫瘤細(xì)胞偽足形成，利于腫瘤的侵襲和轉(zhuǎn)移[21]。另外，ROS上調(diào)MMPs表達(dá)，參與膜降解，并使原發(fā)腫瘤細(xì)胞與細(xì)胞外基質(zhì)分離[22]。ROS水平升高引發(fā)的細(xì)胞自噬增加與腫瘤轉(zhuǎn)移密切相關(guān)，ROS還可激活整合素，誘導(dǎo)粘著斑激酶(FAK)磷酸化，促進(jìn)腫瘤細(xì)胞在轉(zhuǎn)移處粘附。

3　ROS生成增加誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡

ROS是一把雙刃劍，因其作用濃度、持續(xù)時(shí)間及作用細(xì)胞不同，產(chǎn)生不同的效果。低濃度ROS促進(jìn)細(xì)胞分裂，中等濃度ROS導(dǎo)致細(xì)胞生長(zhǎng)停滯，高濃度ROS則導(dǎo)致細(xì)胞凋亡或死亡[23]。

ROS失衡導(dǎo)致蛋白和脂質(zhì)氧化后，線粒體通透性增加，電子傳遞鏈的偶聯(lián)效率改變，產(chǎn)生更多的自由基和細(xì)胞色素C，并激活凋亡蛋白酶和JNK，從而導(dǎo)致細(xì)胞凋亡，這一途徑可通過(guò)激活蛋白激酶C和ERK而阻斷[24]。ROS大量蓄積、ATP減少和線粒體膜電位改變時(shí)，可阻斷細(xì)胞凋亡，使其轉(zhuǎn)變?yōu)閴乃繹25]。

4　腫瘤細(xì)胞的ROS適應(yīng)

為了抵抗ROS超載導(dǎo)致的細(xì)胞穩(wěn)定性降低，細(xì)胞會(huì)利用氧化還原緩沖系統(tǒng)和抗氧化劑建立適應(yīng)機(jī)制。兩種NADPH依賴的抗氧化劑GSH和TRX可抑制ROS的細(xì)胞毒作用，并降低ROS水平。ROS升高是腫瘤細(xì)胞快速增殖的主要原因，為了抑制ROS過(guò)度蓄積并維持微環(huán)境穩(wěn)定，腫瘤細(xì)胞啟動(dòng)多種抗氧化系統(tǒng)增加SOD、過(guò)氧化氫酶和氧化酵素等抗氧化劑的生成[26]。另外，腫瘤抑制物缺失可干擾氧化還原狀態(tài)。如TSC2缺失可激活mTOR，導(dǎo)致ROS無(wú)限生成[27]。P53通過(guò)增加轉(zhuǎn)錄因子NF-E2相關(guān)因子2(Nrf2)的轉(zhuǎn)錄，抵御氧化應(yīng)激[28]。

5　總結(jié)

ROS是腫瘤進(jìn)展的雙刃劍，因濃度、作用時(shí)間以及細(xì)胞種類不同，對(duì)細(xì)胞信號(hào)通路產(chǎn)生不同影響。ROS在細(xì)胞增殖、凋亡以及壞死等過(guò)程中起主導(dǎo)作用，研究不同情況下ROS對(duì)腫瘤細(xì)胞的影響及機(jī)制，可為選擇更具特異性和靶向性的臨床治療策略提供依據(jù)。

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