錳超氧化物歧化酶在腫瘤發(fā)生發(fā)展過(guò)程中的研究進(jìn)展

顧琦晟 綜述 李繼坤 審校

在腫瘤的發(fā)生發(fā)展過(guò)程中，活性氧(Reactive oxygen species，ROS)的作用受到了極大關(guān)注。由于基因突變、代謝異常變化和腫瘤微環(huán)境的改變等，腫瘤細(xì)胞的ROS水平普遍明顯升高，從而影響氧化應(yīng)激信號(hào)通路，并進(jìn)一步造成DNA和蛋白質(zhì)的損傷。超氧化物歧化酶(Superoxide dismutases，SODs)是生物體中最普遍的一類(lèi)抗氧化酶，用于專(zhuān)一清除超氧陰離子自由基(O2-)，其中錳超氧化物歧化酶(Manganese superoxide dismutase，MnSOD)被認(rèn)為是哺乳動(dòng)物最重要的SOD[1]。早期研究認(rèn)為MnSOD的下調(diào)誘導(dǎo)腫瘤發(fā)生發(fā)展，但后續(xù)相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)MnSOD的表達(dá)水平在多種惡性腫瘤中反而升高。MnSOD在不同惡性腫瘤的發(fā)生發(fā)展階段中發(fā)揮不同作用。揭示其調(diào)節(jié)機(jī)制，能夠加深對(duì)腫瘤發(fā)生發(fā)展與氧化應(yīng)激的認(rèn)識(shí)，為逆轉(zhuǎn)腫瘤耐藥、提高放化療效果提供新線(xiàn)索。

1 MnSOD的基因結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和生物學(xué)特性

人MnSOD基因是核編碼基因，位于染色體6q25.3，包含5個(gè)外顯子和4個(gè)內(nèi)含子。其5′端啟動(dòng)子區(qū)由富GC序列取代了常見(jiàn)的TATA盒或CAAT盒，主要的轉(zhuǎn)錄因子Sp1(Specificity protein 1)和AP-2(Activating protein 2)的結(jié)合位點(diǎn)即位于此。Sp1結(jié)合于啟動(dòng)子激活MnSOD的轉(zhuǎn)錄，而AP-2通過(guò)與Sp1競(jìng)爭(zhēng)結(jié)合位點(diǎn)或與Sp1形成復(fù)合體以抑制MnSOD的轉(zhuǎn)錄。此外，上游啟動(dòng)子區(qū)也有AP-1、HIF-1α、p53、C/EBP、Nrf2、FoxO3a等轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合位點(diǎn)，共同對(duì)MnSOD的表達(dá)進(jìn)行調(diào)控[2]。

SODs共有三種亞型：Cu/Zn-SOD位于細(xì)胞質(zhì)和線(xiàn)粒體膜間隙；MnSOD位于線(xiàn)粒體基質(zhì)中；EC-SOD位于細(xì)胞外。O2-主要來(lái)源于線(xiàn)粒體電子傳遞鏈的泄露，而O2-難以穿膜，蓄積易造成線(xiàn)粒體DNA的損傷。MnSOD通過(guò)快速將線(xiàn)粒體基質(zhì)中的O2-催化為過(guò)氧化氫(H2O2)，隨后H2O2跨膜彌散降低濃度并被過(guò)氧化氫酶(Catalase，CAT)和谷胱甘肽過(guò)氧化物酶(Glutathione peroxidase，GPx)進(jìn)一步催化為水分子，從而保護(hù)線(xiàn)粒體DNA免于ROS的氧化損傷。有報(bào)道稱(chēng)MnSOD的敲除對(duì)新生小鼠有致死作用，而Cu/Zn-SOD的過(guò)表達(dá)不能逆轉(zhuǎn)MnSOD敲除小鼠的死亡，提示MnSOD對(duì)生物體有著不可或缺的重要作用[3]。

2 MnSOD在不同腫瘤細(xì)胞內(nèi)的表達(dá)水平和功能

由于MnSOD清除線(xiàn)粒體基質(zhì)內(nèi)O2-、保護(hù)線(xiàn)粒體DNA的功能明確，早期研究認(rèn)為MnSOD是一類(lèi)腫瘤抑制分子。MnSOD在乳腺癌、胰腺癌等腫瘤組織中的活性和表達(dá)水平比正常組織更低，而在離體實(shí)驗(yàn)和動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)過(guò)表達(dá)MnSOD可有效減緩腫瘤細(xì)胞的生長(zhǎng)[4-5]。此外，適量水平的ROS與細(xì)胞周期相關(guān)，MnSOD的下調(diào)表達(dá)會(huì)誘使線(xiàn)粒體釋放更多O2-以維持細(xì)胞周期進(jìn)程，進(jìn)而造成線(xiàn)粒體DNA、蛋白質(zhì)、膜脂質(zhì)等生物大分子的損害或誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡[6]。

但也有研究發(fā)現(xiàn)，MnSOD在結(jié)直腸癌、鼻咽癌等腫瘤組織中表達(dá)水平升高，并提示MnSOD與腫瘤的高侵襲性和耐藥性密切相關(guān)[7-8]。研究表明，抗氧化酶的高表達(dá)是腫瘤在發(fā)展過(guò)程中生存適應(yīng)的結(jié)果[9]。高M(jìn)nSOD表達(dá)能夠在高代謝的腫瘤微環(huán)境下和轉(zhuǎn)移過(guò)程中與胞外基質(zhì)解離的狀態(tài)下保護(hù)腫瘤細(xì)胞線(xiàn)粒體，通過(guò)催化生成高濃度的H2O2刺激氧化還原信號(hào)通路，進(jìn)一步促進(jìn)血管生成和細(xì)胞遷移等加速腫瘤的生長(zhǎng)侵襲[10]。因此，MnSOD的表達(dá)水平差異與腫瘤的細(xì)胞類(lèi)型相關(guān)。MnSOD的低表達(dá)往往誘導(dǎo)腫瘤發(fā)生，而高表達(dá)通常伴隨著腫瘤生存和侵襲能力的增加。

3 MnSOD在腫瘤中表達(dá)和酶活性的調(diào)控機(jī)制

與常見(jiàn)的癌基因和抑癌基因不同，MnSOD基因在腫瘤中很少有突變或擴(kuò)增，其表達(dá)水平的變化原因主要是適應(yīng)性變化，與轉(zhuǎn)錄調(diào)控、轉(zhuǎn)錄后調(diào)控和翻譯后調(diào)控相關(guān)。

3.1 轉(zhuǎn)錄調(diào)控

MnSOD的主要轉(zhuǎn)錄因子Sp1和AP-2分別是最重要的激活和抑制因子。兩者相互競(jìng)爭(zhēng)性抑制，維持MnSOD的穩(wěn)定轉(zhuǎn)錄。腫瘤細(xì)胞中Sp1和AP-2的相對(duì)豐度與MnSOD的表達(dá)水平密切相關(guān)，其它轉(zhuǎn)錄因子能夠通過(guò)與Sp1或AP-2相互作用，改變Sp1和AP-2的相對(duì)豐度，從而影響MnSOD的轉(zhuǎn)錄水平。一項(xiàng)侵襲性乳腺癌的研究發(fā)現(xiàn)，DDB2蛋白導(dǎo)致Sp1低表達(dá)，并作為MnSOD的負(fù)調(diào)節(jié)因子影響腫瘤的生長(zhǎng)[11]。另外，其它轉(zhuǎn)錄因子也能夠通過(guò)各自獨(dú)有的信號(hào)通路影響MnSOD的轉(zhuǎn)錄水平。

3.1.1 原癌基因和抑癌基因相關(guān)調(diào)控 原癌基因和抑癌基因的表達(dá)能夠影響MnSOD轉(zhuǎn)錄。c-myc是一類(lèi)經(jīng)典的原癌基因，舌鱗癌研究中發(fā)現(xiàn)c-myc蛋白可與MnSOD基因的啟動(dòng)子直接結(jié)合，上調(diào)MnSOD的轉(zhuǎn)錄并提高腫瘤細(xì)胞的侵襲遷移能力[12]。在乳腺癌的發(fā)生階段，原癌基因Ras的激活能夠明顯下調(diào)MnSOD的轉(zhuǎn)錄，升高胞內(nèi)氧自由基水平進(jìn)而誘導(dǎo)細(xì)胞代謝重編程，轉(zhuǎn)為糖酵解模式[13]。

MnSOD基因的5′端啟動(dòng)子區(qū)已確認(rèn)有p53的結(jié)合位點(diǎn)。促癌劑TPA能夠驅(qū)動(dòng)p53轉(zhuǎn)位至線(xiàn)粒體內(nèi)，直接與MnSOD結(jié)合并抑制其活性，促使線(xiàn)粒體氧自由基超載并啟動(dòng)細(xì)胞凋亡[14]。另外p53還能夠通過(guò)與其他轉(zhuǎn)錄因子的間接作用調(diào)節(jié)MnSOD轉(zhuǎn)錄。Dhar等利用皮膚癌模型，發(fā)現(xiàn)DMBA和TPA誘導(dǎo)p53激活后，通過(guò)抑制Sp1與MnSOD結(jié)合下調(diào)MnSOD轉(zhuǎn)錄；而病變進(jìn)展為鱗癌時(shí)，p53水平下調(diào)，通過(guò)NF-κB通路促進(jìn)MnSOD轉(zhuǎn)錄水平恢復(fù)甚至升高，提示高水平p53抑制MnSOD轉(zhuǎn)錄，而低水平p53促進(jìn)MnSOD的轉(zhuǎn)錄[15]。

3.1.2 氧化應(yīng)激相關(guān)調(diào)控 在腫瘤進(jìn)展的過(guò)程中，MnSOD的表達(dá)上調(diào)主要與氧化應(yīng)激相關(guān)通路有關(guān)。腫瘤微環(huán)境中的生長(zhǎng)因子、細(xì)胞因子等胞外信號(hào)刺激和胞內(nèi)高水平ROS激活的胞內(nèi)信號(hào)刺激是最主要的初始信號(hào)來(lái)源，同時(shí)這些信號(hào)的抑制也可下調(diào)腫瘤細(xì)胞中MnSOD的表達(dá)。其中研究最深入的是NF-κB通路、Keap1/Nrf2/ARE通路和FoxO3a相關(guān)通路。

NF-κB是一個(gè)經(jīng)典的應(yīng)激相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子，能夠在各種細(xì)胞因子、輻射、微環(huán)境改變等刺激下被激活。NF-κB已被證實(shí)可通過(guò)與MnSOD內(nèi)含子中的增強(qiáng)子區(qū)域直接結(jié)合，募集Sp1結(jié)合MnSOD啟動(dòng)子，并與組蛋白的高乙酰化密切相關(guān)[16]。Kamarajugadda等發(fā)現(xiàn)NF-κB能夠通過(guò)刺激MnSOD高表達(dá)并減少葡萄糖氧化代謝，避免過(guò)度ROS的產(chǎn)生，從而抵抗腫瘤細(xì)胞的失巢凋亡，促進(jìn)腫瘤遠(yuǎn)處轉(zhuǎn)移[17]。

Nrf2是細(xì)胞抗氧化反應(yīng)防御機(jī)制中一個(gè)重要的轉(zhuǎn)錄因子，與細(xì)胞骨架相關(guān)蛋白Keap1解離后轉(zhuǎn)位入細(xì)胞核，和抗氧化反應(yīng)元件(Antioxidant response element，ARE)相互作用，調(diào)節(jié)抗氧化酶的表達(dá)。Hart等在乳腺癌研究中發(fā)現(xiàn)，Nrf2的上調(diào)表達(dá)能夠驅(qū)動(dòng)MnSOD的過(guò)表達(dá)，使線(xiàn)粒體內(nèi)H2O2水平顯著升高并激活A(yù)MPK途徑，導(dǎo)致腫瘤細(xì)胞代謝重編程[18]；Carlisi等發(fā)現(xiàn)Nrf2的下調(diào)表達(dá)能夠抑制MnSOD表達(dá)，提升胞內(nèi)ROS水平，減弱腫瘤細(xì)胞的耐藥性[19]。

FoxO3a是叉頭框蛋白家族的一員，具有特征性的Fox結(jié)構(gòu)域，可與MnSOD上游啟動(dòng)子結(jié)合，調(diào)控MnSOD表達(dá)。PI3K/Akt通路能夠通過(guò)磷酸化FoxO3a，誘導(dǎo)其核排斥，從而下調(diào)MnSOD轉(zhuǎn)錄，上調(diào)胞內(nèi)ROS水平[20]。此外，F(xiàn)oxO3a也可與去乙?；嚓P(guān)酶Sirtuin相互作用，去乙酰化后的FoxO3a加強(qiáng)與MnSOD的結(jié)合并上調(diào)轉(zhuǎn)錄，促進(jìn)腫瘤細(xì)胞生存[21]。

3.1.3 表觀遺傳相關(guān)調(diào)控 幾乎所有人類(lèi)腫瘤均存在表觀遺傳上的異常，其改變主要包括DNA甲基化和組蛋白修飾，可改變DNA結(jié)構(gòu)功能、影響基因轉(zhuǎn)錄。一項(xiàng)非小細(xì)胞肺癌的研究發(fā)現(xiàn)，MnSOD的CpG島被甲基化導(dǎo)致基因沉默，產(chǎn)生假性缺氧的微環(huán)境并刺激缺氧誘導(dǎo)因子(HIF-1α)過(guò)表達(dá)，改變腫瘤細(xì)胞代謝狀態(tài)[22]。Hitchler等發(fā)現(xiàn)，MnSOD調(diào)節(jié)元件的組蛋白乙?；图谆揎椧种芐p1和NF-κB與MnSOD啟動(dòng)子的結(jié)合，從而下調(diào)表達(dá)[23]。腫瘤發(fā)生早期MnSOD表觀遺傳調(diào)控紊亂導(dǎo)致轉(zhuǎn)錄下調(diào)，而在腫瘤發(fā)展過(guò)程中，TET蛋白家族和SIRT、HDAC蛋白家族能夠通過(guò)去甲基化、去乙酰化逆轉(zhuǎn)表觀遺傳紊亂，恢復(fù)MnSOD水平以加強(qiáng)腫瘤微環(huán)境下細(xì)胞的生存能力[24]。

3.2 轉(zhuǎn)錄后調(diào)控

MnSOD的mRNA受到各類(lèi)轉(zhuǎn)錄后調(diào)控的作用，近年來(lái)腫瘤細(xì)胞中miRNA調(diào)節(jié)MnSOD mRNA表達(dá)的研究較為豐富。MiR-21經(jīng)p53刺激上調(diào)后可下調(diào)MnSOD mRNA表達(dá)并降低肝癌細(xì)胞的耐藥性[25]；MiR-509-5p在乳腺癌中的下調(diào)使MnSOD表達(dá)下調(diào)并加強(qiáng)腫瘤細(xì)胞的增殖、遷移能力[26]。相關(guān)報(bào)道較多，但大多主要指出miRNA與MnSOD表達(dá)水平的相關(guān)性，其內(nèi)在機(jī)制除了對(duì)MnSOD mRNA轉(zhuǎn)錄后調(diào)節(jié)之外，更多地在于和上述癌基因、抑癌基因和氧化應(yīng)激相關(guān)通路的中樞分子等的mRNA相互作用，在MnSOD上游進(jìn)行調(diào)控，而明確證實(shí)miRNA與MnSOD mRNA直接結(jié)合進(jìn)行轉(zhuǎn)錄后調(diào)節(jié)的仍然較少。房靜遠(yuǎn)等發(fā)現(xiàn)LncRNA Gclnc1通過(guò)調(diào)控MnSOD導(dǎo)致胃癌發(fā)生，提示LncRNA對(duì)于MnSOD的轉(zhuǎn)錄后調(diào)控具有重要作用，具有廣闊的研究空間[27]。

3.3 翻譯后調(diào)控

在MnSOD與腫瘤的相關(guān)研究中，主要通過(guò)衡量MnSOD的表達(dá)水平確定其功能高低，然而MnSOD可通過(guò)翻譯后修飾進(jìn)一步在蛋白質(zhì)水平進(jìn)行酶活性調(diào)節(jié)。此外，MnSOD蛋白的多態(tài)性也會(huì)對(duì)其酶活性造成影響。因此在特定的環(huán)境下，MnSOD的高表達(dá)并不一定意味著MnSOD的酶活性升高，MnSOD蛋白活性的調(diào)節(jié)同樣不容忽視[28]。

3.3.1 翻譯后修飾 與絕大多數(shù)蛋白類(lèi)似，MnSOD蛋白能夠在特定環(huán)境下被各種基團(tuán)修飾，通過(guò)磷酸化、乙?；?、泛素化等方式調(diào)節(jié)酶活性。Jin等對(duì)細(xì)胞給予低劑量電離輻射后發(fā)現(xiàn)，細(xì)胞周期蛋白依賴(lài)性激酶CDK4可直接磷酸化MnSOD的Ser106，并增強(qiáng)酶活性以應(yīng)對(duì)環(huán)境的生存壓力[29]。Torrensmas等在結(jié)腸癌研究中發(fā)現(xiàn)，沉默SIRT3使MnSOD乙酰化，能夠降低酶活性并增加ROS產(chǎn)生，促進(jìn)細(xì)胞凋亡[30]。此外，還有泛素化、氧化、硝化等修飾方式，但尚未在腫瘤中有深入研究。通過(guò)基團(tuán)修飾快速調(diào)節(jié)MnSOD酶活性，可能與調(diào)節(jié)胞內(nèi)ROS水平、進(jìn)而調(diào)節(jié)MnSOD相關(guān)氧化還原信號(hào)通路、轉(zhuǎn)換MnSOD在腫瘤發(fā)生發(fā)展中的功能有密切關(guān)系，亟待更進(jìn)一步的研究探討。

3.3.2 蛋白質(zhì)多態(tài)性 非同義的單核苷酸多態(tài)性會(huì)導(dǎo)致蛋白質(zhì)序列的改變，進(jìn)而影響蛋白質(zhì)功能。由于SNP和人種密切相關(guān)，許多研究將MnSOD的多態(tài)性和不同人種人群對(duì)化療、放療的耐藥性相聯(lián)系，其中最廣泛的、最受人關(guān)注的是Val16Ala異構(gòu)體。早期研究發(fā)現(xiàn)Val16Ala異構(gòu)的MnSOD更難轉(zhuǎn)位進(jìn)入線(xiàn)粒體，且容易造成蛋白質(zhì)錯(cuò)誤折疊[31]。有多項(xiàng)薈萃分析對(duì)此進(jìn)行了報(bào)道，結(jié)果表明Ala等位基因增加了前列腺癌等腫瘤的患病風(fēng)險(xiǎn)[32]，但也有乳腺癌相關(guān)薈萃分析稱(chēng)Ala等位基因與患病率和生存率無(wú)關(guān)[33]。MnSOD多態(tài)性在不同腫瘤類(lèi)型間作用不同的原因仍有待探索。

4 小結(jié)與展望

現(xiàn)在主要的抗腫瘤方法中除手術(shù)外，仍以放、化療為主。兩者的主要?dú)绞骄钦T導(dǎo)腫瘤細(xì)胞產(chǎn)生大量的ROS，引起細(xì)胞凋亡或壞死。腫瘤細(xì)胞能夠通過(guò)調(diào)控MnSOD表達(dá)，適應(yīng)新的高ROS微環(huán)境，使放化療的殺傷力下降，因此MnSOD被認(rèn)為是腫瘤細(xì)胞抵抗放化療的一個(gè)核心因素，也是一個(gè)極具潛力的腫瘤治療靶點(diǎn)。通過(guò)不同水平的刺激或抑制等手段影響MnSOD表達(dá)水平，打破腫瘤細(xì)胞線(xiàn)粒體內(nèi)ROS穩(wěn)態(tài)，使O2-和H2O2等不同ROS組分的水平超出細(xì)胞清除能力范圍，進(jìn)而通過(guò)caspase途徑或線(xiàn)粒體途徑誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞凋亡。相信隨著CRISPR/Cas9、單細(xì)胞測(cè)序等新技術(shù)的發(fā)展，可以進(jìn)一步闡明MnSOD在腫瘤細(xì)胞中功能轉(zhuǎn)換的機(jī)制，大幅促進(jìn)腫瘤的線(xiàn)粒體靶向治療、抗耐藥、抗耐輻射等方面的臨床轉(zhuǎn)化研究，為廣大腫瘤患者帶來(lái)福音。