GPX4 在癌細(xì)胞中作用的研究進(jìn)展

付翔 馬木燕

癌癥是具有轉(zhuǎn)移能力的惡性腫瘤,常規(guī)的治療手段難以根治［1］。藥物引起癌細(xì)胞凋亡是抗癌研究的重點(diǎn),但由于癌細(xì)胞通常會(huì)通過耐藥表型和增加生存促進(jìn)信號(hào)來抵抗細(xì)胞凋亡,使得凋亡對(duì)抗癌有局限作用［2］。因此,研究其他細(xì)胞死亡形式,可能是促進(jìn)癌細(xì)胞死亡的關(guān)鍵。鐵死亡(ferroptosis)是一種新的程序性細(xì)胞死亡方式［3］,其在神經(jīng)退行性疾病、腦卒中、癌癥中都有報(bào)道。其與鐵依賴的脂質(zhì)過氧化代謝有關(guān),其中谷胱甘肽過氧化物酶4(glutathione peroxidase 4,GPX4)是脂質(zhì)過氧化代謝的關(guān)鍵酶,GPX4 可與谷胱甘肽(GSH)共同作用清除體內(nèi)脂質(zhì)過氧化物,在調(diào)節(jié)脂質(zhì)過氧化平衡中扮演了重要角色。有研究者指出GPX4 本身就是一個(gè)致癌基因,并且通過抑制GPX4 活性誘導(dǎo)鐵死亡可以促進(jìn)癌細(xì)胞鐵死亡,在抗癌研究中有一定價(jià)值,但同時(shí)抑制GPX4 也會(huì)帶來潛在危害。圍繞這些爭論,希望此文可以為促進(jìn)癌細(xì)胞凋亡研究提供一些新的研究思路。

1 抑制GPX4 誘導(dǎo)的鐵死亡是影響癌細(xì)胞死亡的病理機(jī)制

鐵死亡是一種鐵依賴性脂質(zhì)活性氧(reactive oxygen species,ROS)堆積引起的細(xì)胞死亡的新形式。鐵死亡不同于其他類型的細(xì)胞死亡,其特征主要是線粒體積縮小和膜密度增加,而凋亡的細(xì)胞先是體積縮小,連接消失,與周圍的細(xì)胞脫離,然后是細(xì)胞質(zhì)密度增加［4］。鐵死亡誘導(dǎo)劑Erastin 和Ras 選擇性致死小分子3(RAS-selective lethal small molecule 3,RSL3)可以選擇性地殺死人包皮成纖維細(xì)胞(BJeJR),但不是以細(xì)胞凋亡的方式產(chǎn)生作用［5］。而凋亡抑制劑,如Z-VADFMK,Boc-D-FMK,卻不能挽救由Erastin 和RSL3 誘導(dǎo)的鐵死亡。相反,抗氧化劑、維生素E、丁基羥基甲苯(BHT)和鐵螯合劑卻可以在一定程度上挽救RSLs 誘導(dǎo)的細(xì)胞死亡。這些結(jié)果表明,鐵死亡是一種先天性的鐵依賴的非凋亡細(xì)胞死亡形式,其可能在對(duì)凋亡耐藥的癌細(xì)胞中有抗癌作用。

GPX4 是一種獨(dú)特的抗氧化酶,GPX4 可以將脂質(zhì)氫過氧化物還原為脂質(zhì)醇,防止體內(nèi)ROS 累積［6］。當(dāng)癌細(xì)胞中的GPX4 被藥物抑制時(shí),體內(nèi)由于失去了特異性清除脂質(zhì)過氧化物的抗氧化酶,脂質(zhì)過氧化物在癌細(xì)胞內(nèi)堆積引起癌細(xì)胞鐵死亡,同時(shí)GPX4 被抑制也會(huì)引起GSH 的失活,使得癌細(xì)胞更容易遭受氧化損傷。這些表明抑制GPX4 誘導(dǎo)鐵死亡可能是影響癌細(xì)胞凋亡的病理機(jī)制［7］。

另一方面,由于癌細(xì)胞易于浸潤周圍健康組織,并在身體其他部位轉(zhuǎn)移,使得常規(guī)的凋亡誘導(dǎo)劑難以清除轉(zhuǎn)移的癌細(xì)胞。其中,上皮細(xì)胞-間充質(zhì)轉(zhuǎn)化(epithelial-mesenchymal transition,EMT)是癌細(xì)胞轉(zhuǎn)移的關(guān)鍵［7］。EMT 是指上皮細(xì)胞通過特定程序轉(zhuǎn)化為具有間質(zhì)表型細(xì)胞的生物學(xué)過程［8］。癌細(xì)胞因?yàn)镋MT能夠轉(zhuǎn)移到遠(yuǎn)處,而EMT 需要質(zhì)膜重構(gòu)來增加流動(dòng)性,這與多不飽和脂肪酸磷脂(PUFA-PLs)生物合成水平的升高有關(guān),細(xì)胞中PUFA-PLs 水平升高則更容易受到過氧化反應(yīng),因此癌細(xì)胞對(duì)GPX4 缺失的鐵死亡更為敏感［9］。

2 GPX4 可能是一種致癌基因

GPX4 在許多癌癥中有高表達(dá),而其特異性功能尚未被完全發(fā)現(xiàn)［10］。一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn),GPX4 在人的泛癌組織中高表達(dá),并在不同類型的癌癥或泛癌患者中與總生存率(OS)和無病生存率(DFS)呈負(fù)相關(guān),表明GPX4 可能是一種致癌基因。此外,GPX4 的表達(dá)在表觀遺傳學(xué)水平上受到調(diào)控,如DNA 的甲基化和組蛋白的甲基化或乙?；?H3K27ac 和H3K4me3 富集于各種類型的腫瘤細(xì)胞的GPX4 上游［11］。最重要的是,GPX4 活性與癌癥的化療耐藥性呈正相關(guān)。這也意味著GPX4 與癌癥患者的預(yù)后不良可能有一定關(guān)系。

另一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn),通過對(duì)兩種具有兩種不同表型和基因型的乳腺癌細(xì)胞系進(jìn)行檢測,發(fā)現(xiàn)在鐵死亡誘導(dǎo)劑丁硫氨酸亞胺(BSO)和金絲霉素光動(dòng)力治療(PDT)耐藥的癌細(xì)胞中,GPX4 的表達(dá)高于非耐藥細(xì)胞［12］。同樣類似的一項(xiàng)研究表明,將GPX4 轉(zhuǎn)染到非表達(dá)GPX4 的乳腺癌細(xì)胞中,會(huì)導(dǎo)致對(duì)PDT 的抗性增加［13］。阿霉素(DOX)誘導(dǎo)的肉瘤癌細(xì)胞中GPX1 和GPX4 的表達(dá)促進(jìn)了對(duì)PDT 的耐藥性。此外,通過SLC7A11 提供胱氨酸來維持GSH 可以產(chǎn)生對(duì)格爾德霉素的耐藥性［14］。同時(shí),GXP4 可以介導(dǎo)激活轉(zhuǎn)錄因子3,促進(jìn)膠質(zhì)瘤細(xì)胞的生長［15］。

3 抑制GPX4 誘導(dǎo)鐵死亡可以幫助治療癌癥

不同組織的癌細(xì)胞對(duì)鐵死亡誘導(dǎo)劑都有一定的敏感性［16］。GPX4 抑制劑可以選擇性地靶向具有間充質(zhì)或其他耐藥特征的癌癥。具有這種特征的癌癥,通過休眠狀態(tài)避免傳統(tǒng)細(xì)胞凋亡治療,然后導(dǎo)致腫瘤復(fù)發(fā),而GPX4 對(duì)這種癌癥具有特異的選擇性［17］。GPX4 抑制劑是對(duì)這種持久性癌細(xì)胞最具選擇性致命的化合物之一。

已經(jīng)有研究者證實(shí)GPX4 抑制劑通過誘導(dǎo)鐵死亡可以幫助治療癌癥。一項(xiàng)報(bào)道稱,GPX4 對(duì)于高耐藥性的癌細(xì)胞有明顯依賴性,且在黑色素瘤異種移植模型中腫瘤復(fù)發(fā)也是十分關(guān)鍵,GPX4 的活性可能是導(dǎo)致腫瘤復(fù)發(fā)耐藥的關(guān)鍵［18］。同時(shí)在肺癌中,絲氨酸/蘇氨酸/酪氨酸激酶1 與GPX4 在非小細(xì)胞肺癌中均高表達(dá),過表達(dá)的絲氨酸/蘇氨酸/酪氨酸激酶1 可以抑制鐵死亡,通過敲低 GPX4 可以逆轉(zhuǎn)這種抑制作用［19］；而在肝癌中,癌癥和腫瘤基因圖譜(TCGA)數(shù)據(jù)庫結(jié)果顯示,與正常組織相比,肝癌組織中 GPX4 高表達(dá),且高表達(dá) GPX4 的癌癥患者預(yù)后差［20］；且在卵巢癌中,Kruppel 樣因子9(KLF9) 通過提高 SKOV3 細(xì)胞中ROS的含量導(dǎo)致 GPX4 的表達(dá)上升,細(xì)胞因此適應(yīng)了氧化應(yīng)激狀態(tài),在卵巢癌轉(zhuǎn)移的過程中可以更好的抵抗脫落凋亡［21］。

RSL3 是鐵死亡誘導(dǎo)劑,也是GPX4 抑制劑。RSL3通過與GPX4 共價(jià)結(jié)合進(jìn)而使GPX4 失活,打破細(xì)胞氧化還原平衡,導(dǎo)致脂質(zhì)過氧化增加,誘導(dǎo)鐵死亡［22］。由于癌細(xì)胞對(duì)氧化更敏感,RSL3 能夠更有效的誘導(dǎo)癌細(xì)胞鐵死亡,達(dá)到清除癌細(xì)胞的目的［23］。然而,GPX4抑制劑是否可應(yīng)用于臨床尚不清楚。GPX4 抑制劑RSL3 在體外增強(qiáng)順式藥物的抗癌作用。進(jìn)一步的研究表明,這種協(xié)同效應(yīng)是由順式調(diào)控的鐵蛋白吞噬引起的。這意味著可以利用鐵死亡的誘導(dǎo)劑來提高順式藥物對(duì)癌癥的抗癌作用［24］。

癌細(xì)胞可以進(jìn)化成高間充質(zhì)細(xì)胞或相關(guān)細(xì)胞進(jìn)入耐藥狀態(tài),對(duì)抗細(xì)胞凋亡,因此,可以有選擇地針對(duì)這種抗性腫瘤細(xì)胞誘導(dǎo)鐵死亡［25］。例如,體內(nèi)敲除GPX4 治療高間充質(zhì)耐藥黑色素瘤,在使用ferrostatin-1(一種鐵死亡抑制劑)后停止消退,且在達(dá)布拉非尼和曲美替尼治療停止后沒有復(fù)發(fā),而GPX4 野生型的異種移植物在兩種實(shí)驗(yàn)中都繼續(xù)生長。因此,通過抑制GPX4 誘導(dǎo)癌細(xì)胞鐵死亡會(huì)是針對(duì)耐藥性癌細(xì)胞的一個(gè)新思路。

4 抑制GPX4 存在潛在危害

GPX4 在癌癥的發(fā)生發(fā)展過程中扮演了重要角色,抑制GPX4 誘導(dǎo)癌細(xì)胞鐵死亡的同時(shí)也產(chǎn)生了其他危害,對(duì)其他生理過程中也可能會(huì)有重大影響。

由于GPX4 基因?qū)τ谛∈蟮呐咛グl(fā)育和一些成熟組織穩(wěn)態(tài)至關(guān)重要,GPX4 的缺失嚴(yán)重影響了正常小鼠的生長發(fā)育過程,人們對(duì)GPX4 抑制劑的潛在毒性感到擔(dān)憂［26］。同時(shí),GPX4 在生殖發(fā)育中也有關(guān)鍵作用。GPX4 在精子發(fā)生過程中具有雙重作用,其既是保護(hù)精子的重要的抗氧化酶,也是構(gòu)成精子線粒體外殼的結(jié)構(gòu)蛋白［27］。抑制GPX4 的活性會(huì)使得小鼠精子中段斷裂、線粒體腫脹以及運(yùn)動(dòng)能力顯著降低,喪失受孕能力［28］。

GPX4 引起神經(jīng)毒性由于氧化應(yīng)激誘導(dǎo)的細(xì)胞死亡似乎受到GPX4 的特異性調(diào)控,GPX4 敲低的小鼠更容易受到氧化損傷疾病的危害。例如,同樣缺乏GPX4的復(fù)合突變小鼠中,小鼠的動(dòng)脈粥樣硬化病變程度大大升高。在短暫性腦缺血模型中,黃芩素抑制可以保護(hù)神經(jīng)元細(xì)胞的缺血/再灌注損傷,而損傷的程度與GPX4 敲除小鼠相似［29］。GPX4 缺失的情況也更容易引起腦出血的損傷,GPX4 在保護(hù)腦出血的繼發(fā)性氧化損傷中有重要作用［30］。GPX4 缺陷的神經(jīng)元在體外可以被α-Toc 有效地保護(hù),這表明這種細(xì)胞死亡誘導(dǎo)途徑也發(fā)生在神經(jīng)元中。此外,神經(jīng)元特異性GPX4 敲除小鼠以預(yù)期的孟德爾比率出生,但在海馬的CA3 區(qū)域和皮層出現(xiàn)明顯的神經(jīng)退行性變,GPX4 的缺失在阿爾茲海默病,帕金森病等神經(jīng)退行性疾病中也有一定的影響［31］。因此,在抑制GPX4 活性的同時(shí),也會(huì)有潛在危害。

GPX4 是人體內(nèi)的一種關(guān)鍵蛋白,影響著生長發(fā)育和抗氧化,同時(shí)GPX4 調(diào)控的脂質(zhì)過氧化在鐵死亡中有重大作用。鐵死亡的提出影響了癌癥治療的發(fā)展,大量的體外實(shí)驗(yàn)和少數(shù)活體研究表明鐵死亡在抗癌領(lǐng)域的效果十分可觀。其中,研究GPX4 及其抑制劑在抗癌中的作用是新興的熱點(diǎn),但在抗癌過程中應(yīng)盡量減少由于GPX4 缺失而引起的機(jī)體損傷,GPX4 缺失帶來的機(jī)體損傷仍然是GPX4 抗癌研究的關(guān)鍵。因此,抑制GPX4 活性,引起腫瘤細(xì)胞鐵死亡是靶向一些最棘手癌癥的一個(gè)新研究方向,值得進(jìn)一步探索。