GPX4 在癌細胞中作用的研究進展

付翔 馬木燕

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

1 抑制GPX4 誘導的鐵死亡是影響癌細胞死亡的病理機制

鐵死亡是一種鐵依賴性脂質活性氧(reactive oxygen species,ROS)堆積引起的細胞死亡的新形式。鐵死亡不同于其他類型的細胞死亡,其特征主要是線粒體積縮小和膜密度增加,而凋亡的細胞先是體積縮小,連接消失,與周圍的細胞脫離,然后是細胞質密度增加［4］。鐵死亡誘導劑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胞(BJeJR),但不是以細胞凋亡的方式產生作用［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 誘導的細胞死亡。這些結果表明,鐵死亡是一種先天性的鐵依賴的非凋亡細胞死亡形式,其可能在對凋亡耐藥的癌細胞中有抗癌作用。

GPX4 是一種獨特的抗氧化酶,GPX4 可以將脂質氫過氧化物還原為脂質醇,防止體內ROS 累積［6］。當癌細胞中的GPX4 被藥物抑制時,體內由于失去了特異性清除脂質過氧化物的抗氧化酶,脂質過氧化物在癌細胞內堆積引起癌細胞鐵死亡,同時GPX4 被抑制也會引起GSH 的失活,使得癌細胞更容易遭受氧化損傷。這些表明抑制GPX4 誘導鐵死亡可能是影響癌細胞凋亡的病理機制［7］。

另一方面,由于癌細胞易于浸潤周圍健康組織,并在身體其他部位轉移,使得常規的凋亡誘導劑難以清除轉移的癌細胞。其中,上皮細胞-間充質轉化(epithelial-mesenchymal transition,EMT)是癌細胞轉移的關鍵［7］。EMT 是指上皮細胞通過特定程序轉化為具有間質表型細胞的生物學過程［8］。癌細胞因為EMT能夠轉移到遠處,而EMT 需要質膜重構來增加流動性,這與多不飽和脂肪酸磷脂(PUFA-PLs)生物合成水平的升高有關,細胞中PUFA-PLs 水平升高則更容易受到過氧化反應,因此癌細胞對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,而其特異性功能尚未被完全發現［10］。一項研究發現,GPX4 在人的泛癌組織中高表達,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)呈負相關,表明GPX4 可能是一種致癌基因。此外,GPX4 的表達在表觀遺傳學水平上受到調控,如DNA 的甲基化和組蛋白的甲基化或乙酰化,H3K27ac 和H3K4me3 富集于各種類型的腫瘤細胞的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。這也意味著GPX4 與癌癥患者的預后不良可能有一定關系。

另一項研究發現,通過對兩種具有兩種不同表型和基因型的乳腺癌細胞系進行檢測,發現在鐵死亡誘導劑丁硫氨酸亞胺(BSO)和金絲霉素光動力治療(PDT)耐藥的癌細胞中,GPX4 的表達高于非耐藥細胞［12］。同樣類似的一項研究表明,將GPX4 轉染到非表達GPX4 的乳腺癌細胞中,會導致對PDT 的抗性增加［13］。阿霉素(DOX)誘導的肉瘤癌細胞中GPX1 和GPX4 的表達促進了對PDT 的耐藥性。此外,通過SLC7A11 提供胱氨酸來維持GSH 可以產生對格爾德霉素的耐藥性［14］。同時,GXP4 可以介導激活轉錄因子3,促進膠質瘤細胞的生長［15］。

3 抑制GPX4 誘導鐵死亡可以幫助治療癌癥

不同組織的癌細胞對鐵死亡誘導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,通過休眠狀態避免傳統細胞凋亡治療,然后導致腫瘤復發,而GPX4 對這種癌癥具有特異的選擇性［17］。GPX4 抑制劑是對這種持久性癌細胞最具選擇性致命的化合物之一。

已經有研究者證實GPX4 抑制劑通過誘導鐵死亡可以幫助治療癌癥。一項報道稱,GPX4 對于高耐藥性的癌細胞有明顯依賴性,且在黑色素瘤異種移植模型中腫瘤復發也是十分關鍵,GPX4 的活性可能是導致腫瘤復發耐藥的關鍵［18］。同時在肺癌中,絲氨酸/蘇氨酸/酪氨酸激酶1 與GPX4 在非小細胞肺癌中均高表達,過表達的絲氨酸/蘇氨酸/酪氨酸激酶1 可以抑制鐵死亡,通過敲低 GPX4 可以逆轉這種抑制作用［19］；而在肝癌中,癌癥和腫瘤基因圖譜(TCGA)數據庫結果顯示,與正常組織相比,肝癌組織中 GPX4 高表達,且高表達 GPX4 的癌癥患者預后差［20］；且在卵巢癌中,Kruppel 樣因子9(KLF9) 通過提高 SKOV3 細胞中ROS的含量導致 GPX4 的表達上升,細胞因此適應了氧化應激狀態,在卵巢癌轉移的過程中可以更好的抵抗脫落凋亡［21］。

RSL3 是鐵死亡誘導劑,也是GPX4 抑制劑。RSL3通過與GPX4 共價結合進而使GPX4 失活,打破細胞氧化還原平衡,導致脂質過氧化增加,誘導鐵死亡［22］。由于癌細胞對氧化更敏感,RSL3 能夠更有效的誘導癌細胞鐵死亡,達到清除癌細胞的目的［23］。然而,GPX4抑制劑是否可應用于臨床尚不清楚。GPX4 抑制劑RSL3 在體外增強順式藥物的抗癌作用。進一步的研究表明,這種協同效應是由順式調控的鐵蛋白吞噬引起的。這意味著可以利用鐵死亡的誘導劑來提高順式藥物對癌癥的抗癌作用［24］。

癌細胞可以進化成高間充質細胞或相關細胞進入耐藥狀態,對抗細胞凋亡,因此,可以有選擇地針對這種抗性腫瘤細胞誘導鐵死亡［25］。例如,體內敲除GPX4 治療高間充質耐藥黑色素瘤,在使用ferrostatin-1(一種鐵死亡抑制劑)后停止消退,且在達布拉非尼和曲美替尼治療停止后沒有復發,而GPX4 野生型的異種移植物在兩種實驗中都繼續生長。因此,通過抑制GPX4 誘導癌細胞鐵死亡會是針對耐藥性癌細胞的一個新思路。

4 抑制GPX4 存在潛在危害

GPX4 在癌癥的發生發展過程中扮演了重要角色,抑制GPX4 誘導癌細胞鐵死亡的同時也產生了其他危害,對其他生理過程中也可能會有重大影響。

由于GPX4 基因對于小鼠的胚胎發育和一些成熟組織穩態至關重要,GPX4 的缺失嚴重影響了正常小鼠的生長發育過程,人們對GPX4 抑制劑的潛在毒性感到擔憂［26］。同時,GPX4 在生殖發育中也有關鍵作用。GPX4 在精子發生過程中具有雙重作用,其既是保護精子的重要的抗氧化酶,也是構成精子線粒體外殼的結構蛋白［27］。抑制GPX4 的活性會使得小鼠精子中段斷裂、線粒體腫脹以及運動能力顯著降低,喪失受孕能力［28］。

GPX4 引起神經毒性由于氧化應激誘導的細胞死亡似乎受到GPX4 的特異性調控,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的復合突變小鼠中,小鼠的動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神經元細胞的缺血/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 在保護腦出血的繼發性氧化損傷中有重要作用［30］。GPX4 缺陷的神經元在體外可以被α-Toc 有效地保護,這表明這種細胞死亡誘導途徑也發生在神經元中。此外,神經元特異性GPX4 敲除小鼠以預期的孟德爾比率出生,但在海馬的CA3 區域和皮層出現明顯的神經退行性變,GPX4 的缺失在阿爾茲海默病,帕金森病等神經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,也會有潛在危害。

GPX4 是人體內的一種關鍵蛋白,影響著生長發育和抗氧化,同時GPX4 調控的脂質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展,大量的體外實驗和少數活體研究表明鐵死亡在抗癌領域的效果十分可觀。其中,研究GPX4 及其抑制劑在抗癌中的作用是新興的熱點,但在抗癌過程中應盡量減少由于GPX4 缺失而引起的機體損傷,GPX4 缺失帶來的機體損傷仍然是GPX4 抗癌研究的關鍵。因此,抑制GPX4 活性,引起腫瘤細胞鐵死亡是靶向一些最棘手癌癥的一個新研究方向,值得進一步探索。