劉倩倩 張磊 曾慧慧

北京大學(xué)醫(yī)學(xué)部藥學(xué)院，北京100191

硫氧還蛋白還原酶與肺癌的研究進(jìn)展

劉倩倩 張磊 曾慧慧#

北京大學(xué)醫(yī)學(xué)部藥學(xué)院，北京100191

硫氧還蛋白系統(tǒng)是一類很重要的氧化還原系統(tǒng)，由硫氧還蛋白（thioredoxin，Trx）、硫氧還蛋白還原酶（thioredoxin reducase，TrxR）和NADPH組成。它在機(jī)體中發(fā)揮著重要的生理功能，包括機(jī)體氧化還原調(diào)節(jié)和抗氧化防御、細(xì)胞生長和凋亡調(diào)節(jié)、器官發(fā)育調(diào)控等多種功能。大量研究表明，Trx系統(tǒng)的Trx和TrxR在肺癌、胰腺癌、肝癌等多種惡性腫瘤中高表達(dá)，可能參與了腫瘤的發(fā)展進(jìn)程。本文綜述了肺癌和Trx系統(tǒng)的各自特點(diǎn)以及相互間的聯(lián)系。

硫氧還蛋白；硫氧還蛋白還原酶；肺癌；氧化應(yīng)激

肺癌是全球最常見的惡性腫瘤之一，約80%的肺癌患者是非小細(xì)胞肺癌（non-small cell lung cancer，NSCLC）。近50年來，世界上很多國家和地區(qū)肺癌的發(fā)病率與病死率均呈急速上升趨勢。據(jù)美國癌癥協(xié)會(huì)的研究報(bào)道，肺癌是美國死亡率最高的癌癥類型[1]。根據(jù)2014年中國腫瘤登記中心發(fā)布的數(shù)據(jù)，2010年，我國肺癌發(fā)病率為35.23/ 10萬，位列惡性腫瘤之首（男性首位，女性第二位）。同期，肺癌病死率為27.93/10萬，占惡性腫瘤死因的24.87%[2]。肺癌由于其高發(fā)病率和高病死率的特點(diǎn)而倍受關(guān)注。

另外鑒于肺癌發(fā)病隱蔽，多數(shù)患者就診時(shí)已到晚期而缺乏有效的治療措施，且5年生存率極低（僅為15%），故我國現(xiàn)階段腫瘤防治領(lǐng)域亟待解決的一個(gè)課題就是開發(fā)更為靈敏可靠、特異性或針對性更強(qiáng)的肺癌診療新方法。TrxR是一種體內(nèi)抗氧化防御和還原狀態(tài)調(diào)控中發(fā)揮著舉足輕重作用的蛋白酶，而各種危險(xiǎn)因素引起的氧化應(yīng)激損傷乃至氧化還原狀態(tài)失衡被普遍認(rèn)為是肺癌發(fā)病過程中的樞紐性環(huán)節(jié)，據(jù)此推斷TrxR可能是一種潛在的肺癌生物標(biāo)志物及藥物治療靶點(diǎn)。

1 TrxR及其功能

Trx系統(tǒng)是一類在人體內(nèi)廣泛存在，由Trx、TrxR和NADPH組成的氧化還原系統(tǒng)。其中，TrxR是一種NADPH依賴的包含F(xiàn)AD結(jié)構(gòu)域的二聚體硒酶，它通過催化NADPH，將二硫鍵形式的Trx氧化態(tài)還原成巰基形式的還原態(tài)，以保持Trx的還原性。該系統(tǒng)在機(jī)體中發(fā)揮著重要的生理功能，包括機(jī)體氧化還原調(diào)節(jié)和抗氧化防御、細(xì)胞生長和凋亡調(diào)節(jié)、器官發(fā)育調(diào)控等多種功能。

哺乳動(dòng)物中的TrxR有三種亞型：TrxR1（胞質(zhì)）、TrxR2（線粒體）和TrxR3（睪丸）[3]。在人體內(nèi)，它們分別被三種不同的基因（TNXRD1、TNXRD2和TNXRD3）編碼[4]。從功能上看，TrxR3通過影響結(jié)構(gòu)蛋白中二硫鍵的形成參與精子的成熟，而TrxR1和TrxR2對于清除胞質(zhì)和線粒體內(nèi)過量的自由基，保護(hù)細(xì)胞免受氧化應(yīng)激損傷具有重要意義?，F(xiàn)研究并提及的TrxR主要是指TrxR1。從結(jié)構(gòu)上看，三種亞型的硫氧還蛋白還原酶C-末端的氨基酸序列都是Cys-Sec-Cys-Gly，其中Sec是硒半胱氨酸殘基，是該酶的氧化還原活性中心。結(jié)構(gòu)研究顯示該部位暴露在酶表面容易被親近，與細(xì)菌型TrxR相比，哺乳類的TrxR有更廣泛的底物類型，除了硫氧還蛋白，像氧化性谷胱甘肽、硫辛酸、硒、細(xì)胞色素C、莫特沙芬、四氧嘧啶等也是該酶的底物[4-5]。因此TrxR在氧化還原調(diào)節(jié)和抗氧化防御方面起著極為重要的作用。

分裂和代謝活躍的細(xì)胞產(chǎn)生自由基和活性氧簇（ROS），當(dāng)ROS水平超出細(xì)胞抗氧化能力，就會(huì)造成氧化應(yīng)激，從而對DNA、蛋白質(zhì)和脂類等造成氧化損傷[6-7]。有研究發(fā)現(xiàn)，為了抵抗紫外線輻射產(chǎn)生的自由基損害，TrxR在人角質(zhì)層細(xì)胞和黑色素細(xì)胞表面高表達(dá)[8]。TrxR通過清除體內(nèi)多余的ROS對抗氧化損傷，抑制細(xì)胞惡性增生，降低癌變風(fēng)險(xiǎn)[9]。然而，TrxR對抗氧化應(yīng)激損傷的作用對人體健康來說卻是一把“雙刃劍”。它既可以發(fā)揮氧化還原調(diào)節(jié)作用維持正常細(xì)胞內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)態(tài)，也可能為惡變細(xì)胞的生長提供庇護(hù)。Trx和TrxR在肺癌、肝癌、乳腺癌等多種人原發(fā)性惡性腫瘤中都有過表達(dá)[10]，可能參與了腫瘤的形成和發(fā)展。由于腫瘤細(xì)胞增殖迅速，細(xì)胞內(nèi)往往呈低氧環(huán)境并產(chǎn)生大量的活性氧簇，在這種情況下，過表達(dá)及活性高的TrxR不僅能促進(jìn)癌細(xì)胞的生長，而且削弱了基于氧化應(yīng)激機(jī)制的化療藥物的療效，提高了癌細(xì)胞對趨化因子和生長因子的敏感性，導(dǎo)致耐藥，同時(shí)還與腫瘤中新生血管的形成和遠(yuǎn)處轉(zhuǎn)移有密切關(guān)系。TrxR對于腫瘤表現(xiàn)出的雙面性，可能取決于腫瘤發(fā)展階段和組織特點(diǎn)。在分子機(jī)制上[11]，Trx系統(tǒng)通過介導(dǎo)NF-κB、AP-1、p53等在內(nèi)的多種轉(zhuǎn)錄因子的表達(dá)，而參與細(xì)胞內(nèi)的信號(hào)傳導(dǎo)調(diào)控。另外，Trx的過表達(dá)還可以激活核苷酸還原酶(RR)、缺氧誘導(dǎo)因子1（HIF-1）、血管內(nèi)皮生長因子（VEGF），抑制凋亡信號(hào)調(diào)節(jié)激酶1（ASK-1）[12]，從而促進(jìn)細(xì)胞增殖，抑制細(xì)胞凋亡并且加速血管生成，使細(xì)胞發(fā)生惡性轉(zhuǎn)化。鑒于此，TrxR尤其是TrxR1被視作是一種較有前景的腫瘤生物標(biāo)志物和藥物治療靶點(diǎn)。

2 Trx系統(tǒng)與肺癌的發(fā)生發(fā)展

2.1 TrxR與肺癌的發(fā)生

Soini等[13]研究發(fā)現(xiàn)Trx和TrxR在非小細(xì)胞肺癌中廣泛高表達(dá)。細(xì)胞核而非細(xì)胞質(zhì)內(nèi)的Trx-TrxR表達(dá)和凋亡的抑制程度有關(guān)，還原型Trx從胞質(zhì)轉(zhuǎn)移到細(xì)胞核，調(diào)節(jié)Ref-1并激活轉(zhuǎn)錄因子造成細(xì)胞凋亡障礙，且酶的表達(dá)量越高，凋亡抑制越明顯[6,13-14]。研究還發(fā)現(xiàn)低級(jí)別高分化腫瘤比較高級(jí)別低分化腫瘤有更高的Trx-TrxR表達(dá)[13]，提示Trx-TrxR的表達(dá)和腫瘤高分化程度相關(guān)，且其低表達(dá)逐漸喪失對低分化腫瘤的氧化還原調(diào)節(jié)作用，導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)氧化應(yīng)激水平升高，進(jìn)一步造成腫瘤細(xì)胞基因不穩(wěn)。所以，低分化腫瘤往往有更高的細(xì)胞凋亡。Wang等[15]發(fā)現(xiàn)相對于谷胱甘肽還原酶、過氧化氫酶等其他抗氧化酶，抗腫瘤藥物環(huán)磷酰胺優(yōu)先選擇性抑制TrxR，并發(fā)現(xiàn)其對Lew is肺腺癌細(xì)胞增殖的抑制和TrxR活性部位受到抑制有關(guān)，提示高表達(dá)的TrxR可以促進(jìn)腫瘤細(xì)胞增殖。

2.2 TrxR與肺癌的轉(zhuǎn)移

Welsh等[12]研究發(fā)現(xiàn)Trx-1可以增加VEGF的分泌并促進(jìn)腫瘤血管生成，從而有利于腫瘤的轉(zhuǎn)移。Yoo等[16]采用RNA干擾技術(shù)發(fā)現(xiàn)TrxR1基因敲除小鼠可以反轉(zhuǎn)惡性腫瘤表型并降低小鼠肺癌細(xì)胞的生長和轉(zhuǎn)移，提示TrxR可能參與了肺癌的發(fā)展和轉(zhuǎn)移。Hellfritsch等[17]也研究發(fā)現(xiàn)TrxR-2缺乏導(dǎo)致線粒體氧化還原環(huán)境失衡，最終造成HIF-1α信號(hào)通路受損，VEGF表達(dá)降低，并最終影響到腫瘤細(xì)胞的生長和血管生成。這些研究都表明腫瘤細(xì)胞過表達(dá)的Trx或TrxR參與了腫瘤血管的生成和轉(zhuǎn)移，有望作為腫瘤的治療靶點(diǎn)進(jìn)行深入研究。

2.3 TrxR抑制劑與肺癌的治療

綜上所述，由于TrxR參與了肺癌的發(fā)生發(fā)展與轉(zhuǎn)移。因此，針對TrxR為靶點(diǎn)的抑制劑研究一度甚囂塵上。其中，姜黃素類似物[18]、黃酮類[19]、有機(jī)碲類[20]和鉑類化合物等多有文獻(xiàn)報(bào)道，研究其是作用于TrxR并治療肺癌的TrxR抑制劑。研究表明，黃酮類（楊梅酮和槲皮素）[19]和乙烷硒啉[21]等化合物結(jié)合TrxR的C-端活性部位使其失活，細(xì)胞內(nèi)高水平ROS導(dǎo)致氧化應(yīng)激的出現(xiàn)，通過影響細(xì)胞凋亡通路導(dǎo)致肺癌細(xì)胞死亡。

大量研究表明，Trx/TrxR可以對抗癌藥產(chǎn)生耐藥。Trx-1高表達(dá)的肝癌細(xì)胞對順鉑敏感性降低，對阿霉素或絲裂霉素的敏感性并沒有變化[22]。Trx-1m iRNA和Trx-1表達(dá)量高達(dá)4～6倍的膀胱癌和前列腺癌細(xì)胞，對順鉑也有耐藥表現(xiàn)[23]。Trx-1高表達(dá)也出現(xiàn)在對順鉑耐藥的胃癌和結(jié)直腸癌細(xì)胞中[24]?？梢酝ㄟ^Trx-1反義表達(dá)質(zhì)粒降低Trx-1水平轉(zhuǎn)變腫瘤細(xì)胞對順鉑的耐藥，同時(shí)也能提高腫瘤細(xì)胞對阿霉素、絲裂霉素、H2O2等的敏感性。這些都表明Trx系統(tǒng)可能是抗癌藥物產(chǎn)生耐藥性必要但不充分的因素。

除了單一用藥，近期多有研究抗腫瘤藥物兩兩聯(lián)合應(yīng)用，一是協(xié)同放大抗腫瘤，二是彌補(bǔ)單一給藥耐藥性出現(xiàn)。硒代胱氨酸-金諾芬通過聯(lián)合用藥靶向抑制TrxR，造成細(xì)胞內(nèi)ROS蓄積、DNA損傷、ERK和ART通路失活，最終導(dǎo)致肺癌細(xì)胞凋亡[25]。其他聯(lián)用，乙烷硒啉-順鉑聯(lián)用除了可以彌補(bǔ)肺癌細(xì)胞對順鉑耐藥的不足[26]，還和乙烷硒啉-亞硒酸聯(lián)用相似[27]，兩用抗腫瘤作用較單一作用都更明顯。它們也是通過對TrxR的抑制，造成細(xì)胞內(nèi)Trx系統(tǒng)氧化還原狀態(tài)失衡，腫瘤細(xì)胞凋亡，最終起到抗腫瘤作用。

3 小結(jié)

近年來，肺癌發(fā)病率居高不下。診斷發(fā)現(xiàn)時(shí)患者大多已屬中晚期且預(yù)后差，已成為嚴(yán)重威脅人類健康的社會(huì)問題。越來越多的研究表明，TrxR參與了肺癌的發(fā)生、發(fā)展和轉(zhuǎn)移，并且靶向TrxR抗腫瘤抑制劑的研究也間接證明了TrxR與肺癌的密切關(guān)系。這些都提示TrxR有望作為肺癌早期診斷和治療預(yù)后的潛在標(biāo)志物和靶點(diǎn)。

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R734.2

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10.11877/j.issn.1672-1535.2015.13.06.05

#通信作者（corresponding author），e-mail：zenghh@bjmu.edu.cn

2015-05-12）