活性氧(ROS)：腫瘤進展的雙刃劍

陳俊宇,李俊瑋,梁　源,黃巧迪,楊穎穎,楚秀明,譚文溪,夏陽*

(1.吉林大學臨床醫學院，吉林 長春130021；2.吉林大學第二醫院)

?

活性氧(ROS)：腫瘤進展的雙刃劍

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2*

(1.吉林大學臨床醫學院，吉林 長春130021；2.吉林大學第二醫院)

一些致瘤因子可誘導細胞發生氧化應激，氧化應激是細胞內外產生活性氧(ROS)并誘導細胞毒作用的過程。生理狀態下，細胞通過抗氧化系統維持ROS平衡；氧化應激時，ROS破壞生物大分子造成細胞損傷，進而產生致癌作用，并作為第二信使參與調控凋亡信號。高濃度ROS則對腫瘤產生細胞毒作用并抑制增殖。

1　ROS

1.1ROS來源細胞中內源性ROS生成主要與線粒體和NADH氧化酶(NOX)家族有關。NOX主要存在于內質網膜或線粒體膜，催化O2與NADPH反應生成O2-。O2-被呼吸鏈復合體Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ以“電子漏”的形式釋放入線粒體基質，進而被超氧化物歧化酶2(SOD2)轉化為H2O2。O2-穿過電壓依賴性陰離子通道(VDAC)進入細胞質，自發或由SOD1轉化為H2O2[3]。另外，細胞色素P450、脂加氧酶(LOX)、環加氧酶(COX)和黃嘌呤氧化酶(XO)也可催化ROS生成[4]。藥物、化學污染物和放療則可誘導產生外源性ROS。

1.2ROS對細胞信號通路的調控ROS對腫瘤細胞信號通路的調控具有兩面性。一方面，ROS激活與增殖、存活、血管生成和轉移相關的信號通路，促進腫瘤的發生、發展和轉移。①胞外信號調節激酶1/2(ERK1/2)在細胞增殖中起重要作用，PTP1B通過磷酸化ERK1/2抑制細胞周期，而ROS使PTP1B失活從而促進細胞增殖[5]。②磷脂酰肌醇三激酶(PI3K)/Akt信號通路與細胞存活密切相關，PTEN可下調Akt并滅活PI3K，而H2O2則抑制PTEN而維持細胞存活[6]。③ROS通過調節轉化生長因子-β(TGF-β)、糖原合成激酶-3β(GSK3β)、NF-κB和RTK/Ras，調控上皮-間質轉化(EMT)過程，從而調控癌細胞轉移[7]。④ROS激活血管內皮生長因子(VEGF)，從而促進血管生成。

另一方面，高濃度ROS可誘導細胞凋亡、促進細胞衰老

和抑制細胞周期。ROS作用于氧化硫氧還蛋白(TRX1)上的半胱氨酸殘基，使其從凋亡信號調節激酶1(ASK1)上解離，進而激活P38/JNK信號通路，誘導細胞凋亡[8]。ROS還可抑制細胞周期依賴激酶(CDK)活性[9]，抑制細胞周期。

1.3ROS與氧化應激細胞內ROS可造成線粒體功能紊亂，導致ROS進一步蓄積，并引起蛋白質、脂質和DNA過度氧化。ROS攻擊蛋白質產生羰基衍生物，改變蛋白質的三級結構，使其部分或全部伸展，并易于形成蛋白-蛋白交聯，導致蛋白變性或酶活性喪失。ROS攻擊DNA中鳥嘌呤的第8位碳原子，生成8-羥基脫氧鳥嘌呤(8-OHdG)，8-OHdG導致DNA復制時發生堿基突變與錯配，使G突變為T，并導致G:C→T:A顛換，從而激活促癌基因或滅活抑癌基因，參與腫瘤發生。ROS催化脂質的氧化分解，并形成一系列代謝產物，如不飽和脂肪酸鏈、脂肪酸自由基、脂質-過氧化氫和脂類過氧化物等。自由基和脂質過氧化物的無限產生是ROS破壞細胞膜的重要原因[10]，脂質過氧化產物丙二醇可誘導DNA突變并產生致癌作用[11]。

2　ROS的致腫瘤作用

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

炎癥遷延不愈可能導致腫瘤發生?；|金屬蛋白酶-2(MMP-2)和MMP-9在過度延長的炎癥狀態下被激活，促進膠原溶解和腫瘤浸潤[12]。乳腺癌中浸潤的巨噬細胞釋放NADPH氧化酶導致ROS增多，引起成纖維細胞變形[13]。盡管巨噬細胞產生的負調控ROS(RROS)可降解NOX2，但強烈的炎癥信號卻通過抑制RROS釋放，升高ROS水平[14]。ROS還可誘導腫瘤環境中的炎細胞釋放VEGF和纖維母細胞生長因子[15]。

2.2ROS對細胞周期的影響細胞周期蛋白和CDK是兩類重要的細胞周期調節分子。細胞分裂周期-25磷酸酶(CDC-25)和CDK抑制物通過可逆性磷酸化作用調控細胞周期蛋白和CDK的活性。ROS升高可激活表皮細胞生長因子受體(EGFR)，增加細胞周期蛋白和CDK的轉錄和翻譯，從而影響細胞周期。

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

缺氧是許多腫瘤的特征，腫瘤的缺氧環境誘導ROS生成從而維持缺氧誘導因子-α(HIF-α)的穩定，HIF-α激活VEGF促進血管生成。脯氨酰羥化酶(PHDs)可降解HIF-α蛋白酶體，ROS通過抑制PHDs來穩定HIF-α[18]，進而激活VEGF。ROS影響腫瘤血流供應的另一機制是引起血管擴張，ROS激活血紅素氧合酶-1(HO-1)，誘導血管擴張劑CO或NO生成[19]。

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

3　ROS生成增加誘導細胞凋亡

ROS是一把雙刃劍，因其作用濃度、持續時間及作用細胞不同，產生不同的效果。低濃度ROS促進細胞分裂，中等濃度ROS導致細胞生長停滯，高濃度ROS則導致細胞凋亡或死亡[23]。

ROS失衡導致蛋白和脂質氧化后，線粒體通透性增加，電子傳遞鏈的偶聯效率改變，產生更多的自由基和細胞色素C，并激活凋亡蛋白酶和JNK，從而導致細胞凋亡，這一途徑可通過激活蛋白激酶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，可阻斷細胞凋亡，使其轉變為壞死[25]。

4　腫瘤細胞的ROS適應

為了抵抗ROS超載導致的細胞穩定性降低，細胞會利用氧化還原緩沖系統和抗氧化劑建立適應機制。兩種NADPH依賴的抗氧化劑GSH和TRX可抑制ROS的細胞毒作用，并降低ROS水平。ROS升高是腫瘤細胞快速增殖的主要原因，為了抑制ROS過度蓄積并維持微環境穩定，腫瘤細胞啟動多種抗氧化系統增加SOD、過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。如TSC2缺失可激活mTOR，導致ROS無限生成[27]。P53通過增加轉錄因子NF-E2相關因子2(Nrf2)的轉錄，抵御氧化應激[28]。

5　總結

ROS是腫瘤進展的雙刃劍，因濃度、作用時間以及細胞種類不同，對細胞信號通路產生不同影響。ROS在細胞增殖、凋亡以及壞死等過程中起主導作用，研究不同情況下ROS對腫瘤細胞的影響及機制，可為選擇更具特異性和靶向性的臨床治療策略提供依據。

[1]WeinbergF,ChandelNS.Reactiveoxygenspecies-dependentsignalingregulatescancer[J].CellMolLifeSci,2009,66(23):3663.

[2]GlasauerA,SenaLA,DieboldLP,etal.TargetingSOD1reducesexperimentalnon-small-celllungcancer[J].TheJournalofclinicalinvestigation,2014,124(1):117.

[3]MullerFL,LiuYH,VanRemmenH.ComplexIIIreleasessuperoxidetobothsidesoftheinnermitochondrialmembrane[J].JBiolChem,2004,279(47):49064.

[4]InoueM,SatoEF,NishikawaM,etal.Mitochondrialgenerationofreactiveoxygenspeciesanditsroleinaerobiclife[J].Currentmedicinalchemistry,2003,10(23):2495.

[5]StorzP.Reactiveoxygenspeciesintumorprogression[J].Frontiersinbioscience:ajournalandvirtuallibrary,2005,10:1881.

[6]LeeSR,YangKS,KwonJ,etal.ReversibleinactivationofthetumorsuppressorPTENbyH2O2[J].JBiolChem,2002,277(23):20336.

[7]HuberMA,KrautN,BeugH.Molecularrequirementsforepithelial-mesenchymaltransitionduringtumorprogression[J].Currentopinionincellbiology,2005,17(5):548.

[8]Saitoh1M,NishitohH,FujiiM,etal.Mammalianthioredoxinisadirectinhibitorofapoptosissignal-regulatingkinase(ASK):1p[J].EMBOJ,1998,17(9):2596.

[9]MazieroRRD.289theeffectsofmeiosisblockingbycdkinhibitorsontheactivityofmaturationpromotingfactor,erk1and2,andthedistributionofcytoplasmicorganellesininvitro-maturedbovineoocytes[M].Brazil:PauloStateUniversity,2015:233.

[10]YoungIS,McEnenyJ.Lipoproteinoxidationandatherosclerosis[J].BiochemSocT,2001,29:358.

[11]NiedernhoferLJ,DanielsJS,RouzerCA,etal.Malondialdehyde,aproductoflipidperoxidation,ismutagenicinhumancells[J].JBiolChem,2003,278(33):31426.

[12]GencerS,CebeciA,Irmak-YaziciogluMB.Matrixmetalloproteinasegeneexpressionsmightbeoxidativestresstargetsingastriccancercelllines[J].ChineseJCancerRes,2013,25(3):322.

[13]Rios-ArrabalS,Artacho-CordonF,LeonJ,etal.Involvementoffreeradicalsinbreastcancer[J].Springerplus,2013,2:404.

[14]NoubadeR,WongK,OtaN,etal.NRROSnegativelyregulatesreactiveoxygenspeciesduringhostdefenceandautoimmunity[J].Nature,2014,509(7499):235.

[15]BlanchetotC,BoonstraJ.TheROS-NOXconnectionincancerandangiogenesis[J].CritRevEukarGene,2008,18(1):35.

[16]FoleyCJ,Fanjul-FernandezM,BohmA,etal.Matrixmetalloprotease1adeficiencysuppressestumorgrowthandangiogenesis[J].Oncogene,2014,33(17):2264.

[17]KomatsuD,KatoM,NakayamaJ,etal.NADPHoxidase1playsacriticalmediatingroleinoncogenicRas-inducedvascularendothelialgrowthfactorexpression[J].Oncogene,2008,27(34):4724.

[18]BellEL,KlimovaTA,EisenbartJ,etal.TheQositeofthemitochondrialcomplexIIIisrequiredforthetransductionofhypoxicsignalingviareactiveoxygenspeciesproduction[J].JCellBiol,2007,177(6):1029.

[19]MilliganSA,OwensMW.Augmentationofcytokine-inducednitricoxidesynthesisbyhydrogenperoxide[J].AmJPhysiol,1996,271(1):L114.

[20]HurdTR,DeGennaroM,LehmannR.Redoxregulationofcellmigrationandadhesion[J].TrendsCellBiol,2012,22(2):107.

[21]CourtneidgeSA.Cellmigrationandinvasioninhumandisease:theTksadaptorproteins[J].BiochemSocT,2012,40:129.

[22]JrKD,WgSS.Structuralbiochemistryandactivationofmatrixmetalloproteases[J].CurrOpinCellBiol,1993,5(5):891.

[23]HolbrookNJ,IkeyamaS.Age-relateddeclineincellularresponsetooxidativestress:linkstogrowthfactorsignalingpathwayswithcommondefects[J].BiochemPharmacol,2002,64(5-6):999.

[24]SinghR,CzajaMJ.Regulationofhepatocyteapoptosisbyoxidativestress[J].JGastroenHepatol,2008,23(3):501.

[25]LeeYJ,GaloforoSS,SimJE,etal.Dominant-negativeJunN-terminalproteinkinase(JNK-1)inhibitsmetabolicoxidativestressduringglucosedeprivationinahumanbreastcarcinomacellline[J].FreeRadicalBioMed,2000,28(4):575.

[26]VaughnAE,DeshmukhM.Glucosemetabolisminhibitsapoptosisinneuronsandcancercellsbyredoxinactivationofcytochromec[J].NatCellBiol,2008,10(12):1477.

[27]LiBH,GordonGM,DuCH,etal.SpecificKillingofRbMutantCancerCellsbyInactivatingTSC2[J].CancerCel,2010,17(5):469.

[28]BudanovAV,SablinaAA,FeinsteinE,etal.Regenerationofperoxiredoxinsbyp53-regulatedsestrins,homologsofbacterialAhpD[J].Science,2004,304(5670):596.

吉林省重大科技攻關項目( 20140203013YY)

1007-4287(2016)09-1598-03

2015-12-22)