【論腫道麻】抗氧化劑與活性氧在腫瘤中的複雜相互作用

編譯：湯潔；審校：張軍，繆長虹

活性氧（ROS）在組織內穩態、細胞信號傳導、分化和存活中發揮重要作用。2020年，Isaac S. Harris等人在《Trends in Cell Biology》雜誌上發表了題為《The Complex Interplay between Antioxidants and ROS in Cancer》的綜述，介紹了ROS的類型及其在促癌和抗腫瘤中的作用，並討論了對腫瘤發生過程中內源性和外源性抗氧化劑的最新進展，以及轉錄因子NFE2相關因子2（NRF2）異常激活抗氧化程序對腫瘤發生和轉移的影響。現介紹如下：

背景

ROS是指包含並參與活性氧電子轉移的分子，在組織內穩態中發揮重要作用，調節信號傳導、分化、促進細胞損傷和死亡，其水平受細胞抗氧化防禦系統的嚴格調控。雖然ROS通常聚在一起，但ROS是一類不同的分子，對細胞過程的影響複雜，既有促癌作用，也有抗腫瘤作用。活性氧的不同形式、來源和主要目標見圖1。

圖1：活性氧種類（ROS）

超氧化物

作為由分子氧與線粒體電子傳遞鏈複合體I/III經電子轉移反應得到的一類物質，超氧陰離子（O2-）活性中等。在超氧化物歧化酶或不涉及酶作用的情況下，其很容易被歧化成過氧化氫（H2O2）。由於其帶有負電荷，因此無法經膜擴散。此外，某些類型的細胞（如中性粒細胞）也能夠通過NADPH氧化酶產生大量的胞外O2-。在細胞中，它能夠直接作用於鐵-硫（Fe-S）簇進而釋放出Fe。此外，O2-還可與一氧化氮（NO）反應生成過氧亞硝酸鹽（ONOO-）。而ONOO-與蛋白質反應能夠導致胺基酸的氧化或硝化，引起DNA雙鏈斷裂，誘發脂質發生過氧化反應。

過氧化氫

作為機體O2-的代謝產物，儘管H2O2同樣具有中等活性。作為內質網（ER）中氧化蛋白質摺疊過程中的一種代謝產物，H2O2也可由Ero1產生，可經膜擴散，是蛋白質氧化反應的主要活性氧參與者。低水平（1-10 nM）的H2O2在氧化氧化還原信號中起重要作用，而高水平（100 nM）會引起氧化應激。

過氧自由基

由於O2-和H2O2均為中等活性，因此大多數源於ROS的細胞損傷均是由其代謝產物所引起。其中，氫過氧自由基（OH·）由H2O2生成，是所有ROS中活性最強的代謝產物，在芬頓反應中能與鐵離子（Fe2+）反應生成OH·。此外，O2-還可通過將Fe3+還原為Fe2+來促進OH·的形成。

脂質過氧化物

由於含有碳碳雙鍵（不飽和鍵），多不飽和脂肪酸（PUFA）含有對脂質過氧化反應極為敏感的活性氫原子，對胞內脂質雙層的完整性非常重要。OH·能引發脂質過氧化，導致脂質自由基和脂質過氧化自由基形成，與PUFA在增殖反應中反應生成過氧化脂質。過度的脂質過氧化與鐵依賴的細胞死亡形式之間存在密切相關相，即所謂的「鐵死亡」。

活性氧的促腫瘤作用

ROS通過氧化核酸鹼基來誘導DNA損傷。修復這些改變的鹼基會導致突變。輻射是最廣為人知的活性氧來源之一，也是腫瘤發生發展的一大誘因。ROS還可通過影響蛋白質功能來改變細胞過程（見圖2）。ROS的作用與蛋白質氧化程度密切相關。溫和的氧化反應過程能夠促進細胞信號傳遞，通常是可逆的，允許蛋白質活性和信號網絡快速變化。過度氧化會導致末端氧化（磺酸）和蛋白質功能完全喪失。雖然不可逆的半胱氨酸修飾對蛋白質功能有害，但可逆的修飾可以在應激期間起保護作用。由於蛋白質修飾能夠通過激活抗氧化劑（KEAP1）或代謝（GAPDH、PKM2）程序來促進ROS代謝，因此能夠在適應氧化應激中發揮關鍵性作用。此外其他可逆的修飾也可內源性發生，包括結合作用和穀胱甘肽基化，既可保護蛋白質免受末端氧化，又可改變它們的功能以促進新陳代謝重連。

圖2：氧化蛋白修飾

內源性抗氧化劑

抗氧化劑是指一類能夠參與ROS清除過程的酶或輔助因子（見圖3）。其中最豐富的內源性抗氧化劑是代謝輔因子穀胱甘肽（GSH）。作為三肽，GSH通過兩步過程合成。第一步，穀氨酸-半胱氨酸連接酶催化亞基（GCLC）催化穀氨酸和半胱氨酸發生縮合反應；第二步，穀胱甘肽合成酶（GSS）與甘氨酸結合形成三肽。雖然半胱氨酸在大多數情況下是這一途徑的限速代謝物，但穀氨酸和甘氨酸也可限制穀胱甘肽的合成。穀胱甘肽是穀胱甘肽S轉移酶（GST）和穀胱甘肽過氧化物酶（GPX）清除活性氧的輔助因子。GST和GPX酶由多個家族和異構體組成，並且尚不清楚每種酶的確切靶標。除了依賴於GSH的抗氧化系統外，硫氧還蛋白（SRX+TXN）抗氧化網絡還能再生出一類對H2O2具有高催化活性的過氧化物氧化還蛋白酶（PRDX）。與豐度較高的GSH代謝物不同，TXN是一種小蛋白抗氧化劑，含量較低。TXN體系可還原PRDX的二硫鍵，而SRX則可以對PRDX（其被過氧化為亞磺酸）進行還原。不同但高度同源的PRDX和TXN蛋白定位於線粒體或細胞質，但每個亞細胞系統的相對重要性以及它們之間的串擾尚不清楚。氧化型GSH和TXN均由還原酶以NADPH為電子供體再生。無論是正常組織還是惡性組織中，這些途徑都是互補的。氧化損害能夠起到促進GSH和TXN系統中酶表達過程，表明它們之間在緩解氧化應激方面可能存在協同作用。

內源性抗氧化劑在腫瘤中的作用很大程度上取決於腫瘤發生的階段。抗氧化劑通過阻止ROS誘導的DNA氧化和隨後的DNA損傷，在預防腫瘤發生方面發揮著重要作用。抗氧化系統參與致癌物的解毒，因此其在阻止ROS誘導的腫瘤發生中的直接作用尚不清楚。相比之下，抗氧化蛋白在腫瘤進展中能夠發揮極為重要的作用。

圖3：抗氧化劑類型

內源性抗氧化劑對腫瘤發生的預防作用

通過對ROS的清除，抗氧化劑可在預防機體損傷或癌變方面發揮一定的作用。GPX在多種模型中已被證實防止致癌物和ROS誘導的腫瘤發生。其中，在小鼠結腸癌模型中，抑制GPX3能夠有效抑制腫瘤發生。SOD2表達降低的小鼠均存在更高的DNA損傷和腫瘤發病率。同樣，TXN體系的作用也與上述物質相類似。PRDX1的丟失會導致DNA損傷積累和老年小鼠腫瘤發病率的增加。PRDX1作為PTEN的還原劑抑制腫瘤細胞生長。而PRDX6的缺失則會加速HPV8誘導的皮膚癌發生。GSH和TXN可共同起到腫瘤預防作用，而氧化DNA的積累足以促進小鼠腫瘤發生。在沒有任何致癌因素的情況下，恢復DNA中8-氧代脫氧鳥嘌呤的OGG1的丟失能導致小鼠出現自發性肺癌。因此可以看出，內源性抗氧化劑在腫瘤預防中能夠發揮重要作用。

內源性抗氧化劑對腫瘤進展的支持作用

GPX能夠在腫瘤進展過程中有效清除ROS的產生，尤其GPX4可通過抑制脂質過氧化和鐵死亡而發揮其重要作用。細胞的鐵死亡過程涉及多個子過程，包括使用抗氧化劑輔助因子泛醌（CoQ10）的GSH非依賴性途徑。經歷上皮-間充質轉化（EMT）的耐藥腫瘤細胞對鐵死亡更為敏感。TXN體系的組成部分，如TXN和TXNRD1，能夠促進腫瘤生長。PRDX1和PRDX4在惡性腫瘤組織中的表達升高，有助於腫瘤的生存，PRDX6過表達還會加速惡性腫瘤進展。超氧化物代謝產物同樣在腫瘤進展中起重要作用，通過銅螯合劑抑制SOD1可以阻止肺腫瘤的發生；靶向TXN或SOD1抗氧化系統會損害O2-暴露後肺癌細胞的存活。因此，內源性抗氧化計劃將為支持腫瘤的進展和生存能力提供重要的支撐。

外源性抗氧化劑

動物研究常使用外源性抗氧化劑來治療腫瘤，並分析胞內ROS物質在各種腫瘤過程中的因果作用。其中使用最為廣泛的外源性抗氧化劑為N-乙醯半胱氨酸（NAC）。接受NAC處理的試驗組個體能夠通過防止DNA氧化和隨後的突變事件來抑制由p53缺失導致的淋巴瘤和肺癌的生長。此外，NAC還能起到擾亂HIF1a穩態以及幹擾肝細胞異種移植瘤的作用。最近涉及NAC的研究表明，其在一定程度上也會促進腫瘤的發生。通過補充外源性NAC能夠促進包括黑色素瘤和肺癌在內的多種基因工程小鼠腫瘤模型的發生、進展和轉移。然而補充NAC對細胞氧化還原狀態的影響的確切機制尚不清楚。雖然NAC在某些情況下可以促進穀胱甘肽的合成，但其抗氧化功能的主要實現途徑是產生硫化氫和蛋白質過硫化。重要的是，蛋白質過硫化物可以被還原以再生未修飾的硫醇。

一方面，抗氧化劑在體內的代謝過程中自身會發生氧化反應，另一方面，抗氧化劑具有非依賴效應，均使得探究其確切功能變得十分複雜。作為常見的抗氧化劑，維生素C（或抗壞血酸）可通過飲食攝入並吸收。最近的研究表明，維生素C會自動氧化成脫氫抗壞血酸（DHA），從而增加細胞內的氧化應激。此外，維生素C還可以通過促進TET2的活性而祈禱負向調節造血幹細胞（HSC）的功能的作用。如前所述，NAC可以產生H2S，影響代謝和信號通路。綜上所述，在使用外源性抗氧化劑以分析和解釋細胞內活性氧對腫瘤生物學的影響時必須持謹慎態度。

活性氧解毒在腫瘤中的異常激活

在多種腫瘤類型中，抗氧化轉錄因子NRF2的異常激活是細胞抗氧化程序促腫瘤作用最有利證據。NRF2的水平受到其與KEAP1的關聯限制，KEAP1以NRF2為靶標進行蛋白酶體降解。在細胞暴露於氧化或電應激後，KEAP1上的半胱氨酸殘基被修飾，導致NRF2泛素化和NRF2積聚受損。NRF2促進抗氧化系統中許多基因的轉錄。NRF2的積累在腫瘤中很常見，表明抗氧化防禦的增強在腫瘤形成過程發揮作用。NRF2在不同類型腫瘤中積聚的機制各不相同，NRF2和KEAP1的突變破壞了NRF2的正常降解。肺癌患者體內存在NRF2外顯子跳躍導致KEAP1結合域缺失的情況，同時癌基因驅動的轉錄可以增加NRF2表達的水平。啟動子甲基化、p62介導的螯合作用以及富馬酸和甲基乙醛修飾導致的KEAP1失活同樣會導致NRF2的積累。

目前，研究人員已針對NRF2在腫瘤發生特定階段的作用進行了詳細分析（見圖4）。NRF2與癌基因驅動的肺癌的發生和發展以及p62驅動的胰腺腫瘤的發生和發展之間存在密切相關性。此外，KAEP1缺失增加了由KrasG12D/p53缺失或PTEN缺失和Myc驅動的肝腫瘤負荷驅動的肺腫瘤模型中的腫瘤負擔。NRF2的激活與ROS水平的降低和DNA氧化損傷以及代謝過程的激活之間存在一定的相關性。相關研究已經證實，NRF2在抗氧化防禦和增殖過程方面涉及多個代謝途徑，其中包括PPP和絲氨酸的生物合成，因此其在腫瘤進展的某些階段可能在抗氧化過程中起主導作用。此外，NRF2的激活會導致系統性半胱氨酸發生廣泛變化，這表明NRF2對新陳代謝的影響可能並不局限於直接的轉錄靶標。

圖4：NRF2在不同癌變階段的複雜作用

「論腫道麻」點評

ROS對腫瘤轉移的影響複雜，且存在一定的矛盾。研究證明，在很多情況下ROS均能促進腫瘤轉移。相反，細胞從細胞外基質（ECM）中分離會導致氧化應激，從而限制循環中的生存，抗氧化劑具有保護和促進轉移的作用。NRF2對轉移的影響具有高度背景依賴性，並且其可能會受到組織類型、NRF2劑量以及ROS依賴和獨立效應的影響。在相同的組織和遺傳環境中，KEAP1功能喪失所產生的影響及影響程度也可能依賴於環境。未來還需要進一步的工作來了解特定的LEAP1突變或NRF2激活程度對腫瘤的生長和進展是否存在不同的影響。

綜上所述，摒棄ROS和抗氧化劑對腫瘤生物學影響的「一刀切」觀點，將有助於調和這些分子在不同研究中似乎相互矛盾的許多影響。本研究的觀點也與最近的相關研究相一致，即存在具有不同功能的活性氧池。NADPH氧化酶衍生的ROS可促進腫瘤細胞增殖，而TIGAR缺失引起的ROS則作用相反。NADPH氧化酶產生細胞外O2-，而TIGAR通過支持PPP來保護細胞內免受ROS的傷害。此外，未來在針對抗氧化劑機制解釋以及全身基因敲除進行的研究中，需要考慮抗氧化劑程序在微環境中的作用。研究已證實，這些細胞群的功能既依賴於抗氧化程序，也依賴於活性氧的產生。與此同時，要明白ROS在細胞中的有益或有害作用並不一定相互排斥。隨著基因篩選技術以及基因組技術等分析方法的進步，人們對對活性氧和抗氧化途徑的複雜性的理解一定會逐步加深。

編譯：湯潔

審校：張軍，繆長虹

原始文獻：Harris IS, DeNicola GM. The Complex Interplay between Antioxidants and ROS in Cancer. Trends Cell Biol. 2020 Jun;30(6):440-451.

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