硫氧还蛋白与癌症

硫氧还蛋白与癌症：硫氧还蛋白在肿瘤氧化中的作用

摘要

硫氧还蛋白是一种小型氧化还原调节蛋白,在维持细胞氧化还原体内平衡和细胞存活扮演重要的角色，并且在许多癌症细胞中高度表达。肿瘤环境通常处在有氧应激或缺氧性应激中，两种应激条件下硫氧还蛋白表达都会上调。这些环境存在于肿瘤组织中是因为它们的异常血管网络导致不稳定的氧交换。因此,人类肿瘤的氧化作用模式很复杂,导致缺氧/ 再氧化循环。在致癌机制中,肿瘤细胞在应激细胞死亡中通常变得更加耐缺氧或氧化，大多数关于肿瘤氧化的研究都集中在这两种肿瘤细胞环境。然而,最近的研究表明,低氧循环的发生对肿瘤细胞生理活动的作用比单独的氧化应激或缺氧应激的作用大的多。已经知道硫氧还蛋白在这些细胞反应中扮有重要角色，一些研究也表明硫氧还蛋白是癌症研究进展中的突出贡献者。然而,仅有很少有研究调查在癌细胞中硫氧还蛋白在缺氧和缺氧循环响应条件下的调节。本文着重论述了硫氧还蛋白在各种类型的肿瘤氧化中的作用。

关键词：硫氧还蛋白;肿瘤;缺氧;氧化应激;预处理;缺氧循环

一、引文

氧化应激和缺氧应激的微环境都普遍存在于肿瘤。这些区域往往会产生高水平的抗氧化剂, 特别是硫氧还蛋白 (Trx)系统的成员,越来越多的证据表明,Trx系统在肿瘤的扩增和转移中发挥着重要的作用。本文将重点关注Trx系统在不同氧化水平的肿瘤组织中的参与和调节。

二、氧内稳态

氧体内平衡对好氧生物机体是非常重要的。然而, 在一个细胞中这种平衡会被氧气含量的升高或降低打破。因此,在控制细胞体内平衡中氧气对环境适应性是至关重要的。细胞利用不同的机制来适应升高或降低的细胞含氧量。

有氧生物不断通过几个氧化系统代谢氧气,例如NADPH氧化酶类,黄嘌呤/黄嘌呤氧化酶系统,线粒体呼吸链等。然而,在许多情况下, 氧失去一个电子形成大量的高度活性分子通常称为活性氧(ROS)。ROS包括自由基与未配对电子,比如超氧阴离子自由基、羟基自由基和氧化剂如过氧化氢(H2O2),所有的这些本质上是不稳定的,通常是高活性的。甚至在正常生理条件下细胞内也会产生活性氧分子。

ROS通过参与细胞信号转导和细胞的氧化还原调节扮演一些有益的角色。例如,过氧化氢和过氧化阴离子是活性转录因子的氧化还原调节者,在细胞内信号转导中一些细胞因子和生长因子、荷尔蒙和神经递质采用ROS作为二级信使。另一方面,ROS也可以在细胞造成重大的伤害,比如破坏DNA,脂类物质的氧化，氧化蛋白质中氨基酸分子。为保卫自身,细胞利用几个不同的抗氧化系统。抗氧化剂分子通过阻止或减少ROS氧化目标的氧化抵消ROS过度产生。因此,在正常生理条件下,有氧呼吸细胞的氧化还原(氧化还原)平衡是由ROS和抗氧化剂控调控的。

然而,在某些条件下ROS水平将大幅度增加,即发生所谓的氧化应激。

2.1 氧化应激反应

为了重建胞内氧化还原体内平衡，次细胞的氧化应激反应,诱导一些抗氧化系统的表达。抗氧化剂响应因子(ARE)是主要负责这一同步感应的调控因子,通常是启动子区域的基因诱导目标。转录因子通过ARE因子Nrf-2 (NF-E2 相关因子)来调控诱导这些基因。通过氧化应激,Nrf-2与巨噬细胞活化因子蛋白质在细胞核形成异二聚体,然后与ARE包含基因结合诱导应激反应。因此,许多抗氧化系统,包括硫氧还蛋白系统,通过同时上调nrf 2 /ARE途径以应对氧化应激。

图1 (a)Nrf-2/ARE途径原理为了应对氧化应激，ROS诱导Nrf-2核易位,然后与巨噬细胞活化因子形成异二聚体蛋白质。这个复杂的异二聚体与ARE因子交互作用诱导抗氧化目的基因的转录。(b)HIF-1/HRE 途径原理。常氧状态下HIF-1α在细胞质中迅速降解。在低氧环境中HIF-1α变得稳定,它移位到细胞核与HIF-1β形成二聚体，然后与HRE因子结合诱导靶基因的转录。

图1

2.2缺氧性应激反应

氧需求超过了供给,打破了细胞内的氧化还原体内平衡，称为缺氧条件。这些细胞对这种不利条件的防御机制不同于氧化应激。细胞主要是通过低介导的因子(HIFs)而不是激活Nrf-2 /ARE途径来适应缺氧的压力。这些HIFs结合到缺氧响应因子(HRE)的序列从而调节靶基因的表达。低氧诱导因子（HIF-1）是由两个子单元构成。当HIF-1α子单元处于一种氧依赖性的调控方式时，HIF-1β的子单元是变形的形式在细胞中表达(图1 b)。主要的目标基因上调应对低氧应激通过低氧诱导因子1 / HRE途径参与厌氧代谢、血管生成和造血作用。重要的

是,所有这些目标基因要确保细胞通过产生的微小的能量恢复氧气内稳态存活,或者细胞因持续缺乏能量而死亡。有趣的是,硫氧还蛋白系统似乎也在低氧反应扮演重要角色(参见硫氧还蛋白与缺氧)。

三、硫氧还原蛋白系统

在硫氧还蛋白系统是由氧化还原性活跃的蛋白质硫氧还蛋白(Trx)、硫氧还蛋白还原酶(TrxR)和NADPH组成的。这种抗氧化系统对正常的细胞功能是很重要的，我们观察到敲除小鼠Trx基因可导致小鼠胚胎死亡。Trx的系统在许多细胞功能中扮演着重要的角色,包括调控氧化还原转录因子,合成脱氧核苷酸,细胞生长因子和调节氧化应激。硫氧还蛋白是一种小分子(约12KDa)的泛表达蛋白质,这种蛋白质在所有物种中都是保守表达的。所有Trxs有氧化还原活性部位的氨基酸序列半胱氨酸-甘胺酸脯氨酸-半胱氨酸（Cys-Gly-Pro-Cys）,它可以减少在蛋白质和多肽的二硫键化合物。降低Trx催化作用，降低活性氧在细胞内外氧化许多蛋白质的半胱氨酸并且在这一过程中Trx本身变得具有氧化性。Trx会因TrxR消耗NADPH而减少(图2)。TrxR是目前已知的唯一的Trx电子供体。

图2 硫氧还蛋白(Trx)氧化还原系统的作用机制。在氧化细胞蛋白质中减少Trx催化还原的二硫化物(s-s),如过氧化物氧化还原蛋白(Prx)。在这个过程中,Trx通过减少硫氧还蛋白还原酶(TrxR)消耗NADPH而被氧化。

图2

三种亚型并都包含有保守的活性部位的Trx已确定在哺乳动物细胞存在。他们是Trx1（一种细胞质蛋白质）;Trx2（一种线粒体蛋白）;SpTrx（主要在精细胞中表达）。哺乳动物细胞也含有三种亚型的TrxRs。他们是胞质蛋白TrxR1,线粒体蛋白TrxR2和睾丸特定硫氧还蛋白谷胱甘肽还原酶(TGR)。哺乳动物的TrxRs 可以大量催化分解小分子基质来增强它调控Trxs的作用。这些基质包括抗坏血酸,脂质氢过氧化物,α-硫辛酸和过氧化氢。Trx-1系统包括Trx1和TrxR1。除非另有说明,本文中的Trx和TrxR均指的是胞质Trx1和胞质TrxR1。