血紅素加氧酶-1在腫瘤中的表達(dá)及生物學(xué)功能

譚啟杏，韋長元，宋倫

1.廣西醫(yī)科大學(xué)附屬腫瘤醫(yī)院 乳腺外科，廣西 南寧 530021；2.軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院 基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)研究所應(yīng)激醫(yī)學(xué)研究室，北京 100850

血紅素加氧酶-1（heme oxygenase-1，HO-1)是一種廣泛存在于哺乳動(dòng)物體內(nèi)的抗氧化防御酶，是降解游離血紅素重要的限速酶，可將血紅素分解產(chǎn)生膽綠素、一氧化碳（CO）、亞鐵離子（Fe2+），所分解產(chǎn)生的這3 種代謝終產(chǎn)物具有抗炎、抗細(xì)胞凋亡和保護(hù)細(xì)胞等特性。在各種應(yīng)激條件下，HO-1可出現(xiàn)表達(dá)上調(diào)，抵御各種刺激因素和病理過程的傷害，起到保護(hù)器官、組織和細(xì)胞的作用。近年來許多研究都證實(shí)，HO-1在多種常見的人體惡性腫瘤組織中都出現(xiàn)異常高表達(dá)，如乳腺癌、肺癌、肝癌、胰腺癌、結(jié)直腸癌、前列腺癌等。HO-1及其代謝終產(chǎn)物對細(xì)胞的保護(hù)作用與腫瘤細(xì)胞增殖、侵襲、轉(zhuǎn)移等生物學(xué)行為密切相關(guān)，參與腫瘤的形成和發(fā)展，同時(shí)也是腫瘤產(chǎn)生對放化療等治療抵抗的重要因素。研究表明，使用HO-1 抑制劑鋅原卟啉抑制HO-1 的表達(dá)可以導(dǎo)致腫瘤細(xì)胞對化療和放療更敏感。HO-1 對于腫瘤細(xì)胞的作用復(fù)雜，需要進(jìn)一步研究闡明。

1 血紅素加氧酶家族

血紅素加氧酶是具有多種功能的微粒體酶，現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)其具有3 種單體類型，分別被命名為HO-1、HO-2 和HO-3。這3 種酶主要分布的組織、發(fā)揮的生物學(xué)功能各異。HO-1 又被稱為熱激蛋白32（HSP32)，是相對分子質(zhì)量為32 000的單體，屬于誘導(dǎo)型酶，其表達(dá)具有組織及種屬依賴性，主要分布于心、肝、脾、腎、骨髓等組織細(xì)胞內(nèi)，除了在肝、脾內(nèi)表達(dá)水平較高外，通常在大部分組織中低表達(dá)，在重金屬、紫外線照射、缺氧等應(yīng)激條件，及H2O2、NO、炎癥細(xì)胞因子（TNF-α、IL-1β、IL-6、TGF-β、IL-8等）、前列腺素（PG）、血紅素及其衍生物等生物化學(xué)因子的刺激誘導(dǎo)下均可表達(dá)上調(diào)，在維持細(xì)胞穩(wěn)態(tài)、降低氧化損傷、減輕炎性反應(yīng)、抑制細(xì)胞凋亡和調(diào)節(jié)細(xì)胞增殖等方面發(fā)揮重要作用[2-3]。HO-2 和HO-3 在多種組織細(xì)胞中呈構(gòu)成型表達(dá)。HO-2主要分布于大腦、視網(wǎng)膜和睪丸等器官組織，參與血紅蛋白的降解[4]。HO-3 主要分布于脾臟、肝臟等組織，具有較低的酶活性，其功能尚未明確，目前有研究認(rèn)為它可能參與調(diào)控血紅素基因的表達(dá)，具有促進(jìn)血紅素和HO 結(jié)合的功能[5]。

2 HO-1在腫瘤組織中的表達(dá)及調(diào)控

近年研究表明，HO-1 與腫瘤的發(fā)生、發(fā)展密切相關(guān)。與周圍正常組織相比，HO-1在大多數(shù)腫瘤組織中表達(dá)增強(qiáng)，包括前列腺癌[6]、乳腺癌[7]、胃癌[8]、肺癌[9]、結(jié)腸癌[10]、胰腺癌[11]、腎癌[12]、膠質(zhì)細(xì)胞瘤[13]、慢性髓細(xì)胞性白血病[14]等。相關(guān)臨床研究表明，HO-1的表達(dá)與腫瘤分化程度、分期及預(yù)后密切相關(guān)[15-19]。腫瘤分化程度越低，HO-1 的表達(dá)越高，提示HO-1表達(dá)高者，腫瘤惡性度相對較高，預(yù)后欠佳。大部分實(shí)體腫瘤中HO-1 的陽性表達(dá)與腫瘤浸潤程度、淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移呈正相關(guān)，表明HO-1 在腫瘤浸潤轉(zhuǎn)移過程中扮演重要角色，其高表達(dá)有利于腫瘤細(xì)胞的增殖、轉(zhuǎn)移等。提示其可作為新的標(biāo)志物以及評估腫瘤進(jìn)展程度的客觀指標(biāo)。研究還發(fā)現(xiàn)，HO-1在腫瘤細(xì)胞的表達(dá)可隨著化療、放療等被強(qiáng)烈誘導(dǎo)，可能是腫瘤細(xì)胞獲得性抵抗的重要機(jī)制[20-21]。雖然HO-1在腫瘤組織中表達(dá)增加，但關(guān)于它在腫瘤組織中的確切定位仍然要進(jìn)一步研究，HO-1可能在腫瘤細(xì)胞和血管周圍的巨噬細(xì)胞中有選擇性地表達(dá)，不排除組織來源不同的差異。HO-1 的表達(dá)受多種轉(zhuǎn)錄因子的調(diào)控，各類刺激因子可激活上游信號激酶，如絲裂素活化蛋白激酶（MAPK）、蛋白激酶A（PKA）、蛋白激酶c（PKC）和磷脂酰肌醇3-激酶（P13K），然后促使Nrf-2、AP-1、NF-κB等轉(zhuǎn)錄因子和DNA啟動(dòng)子的相應(yīng)結(jié)合位點(diǎn)結(jié)合，使其轉(zhuǎn)錄活性增強(qiáng)，誘導(dǎo)HO-1 高表達(dá)[22]。目前研究認(rèn)為Nrf2（nuclea factor erythroid-2-related factor 2）是調(diào)控HO-1 表達(dá)的主要轉(zhuǎn)錄因子，它的轉(zhuǎn)錄活性與氧化應(yīng)激的誘導(dǎo)密切相關(guān)[23]。在正常細(xì)胞中，Nrf2 的活性被Keap1 蛋白（Kelch-like erythroid-derived cap-n-collar homology-associated protein 1）所抑制。Keap1蛋白主要分布于細(xì)胞質(zhì)中，能夠與Nrf2 蛋白結(jié)合，形成Keap1-Nrf2復(fù)合物，進(jìn)而被泛素蛋白酶體降解，使Nrf2蛋白維持在較低水平，導(dǎo)致Nrf2 不能進(jìn)入細(xì)胞核發(fā)揮其轉(zhuǎn)錄活性。在氧化應(yīng)激條件下，Keap1-Nrf2 復(fù)合物被破壞，Nrf2 可進(jìn)入細(xì)胞核，并與抗氧化反應(yīng)元件（ARE）結(jié)合，從而啟動(dòng)包括HO-1 在內(nèi)的多種抗氧化保護(hù)性基因的表達(dá)，進(jìn)而保護(hù)細(xì)胞免受氧化應(yīng)激的損傷[24]。在一些腫瘤細(xì)胞中，Nrf2 基因發(fā)生突變使活性增強(qiáng)，或Keap1失活突變或構(gòu)象發(fā)生改變，都可導(dǎo)致Nrf2轉(zhuǎn)錄活性增強(qiáng)，從而促進(jìn)腫瘤細(xì)胞增殖、轉(zhuǎn)移[25-26]。也有報(bào)道認(rèn)為其他轉(zhuǎn)錄因子如STAT3、AP-1、HIF-1、ATF2 和PI3K/Akt 等信號通路參與HO-1的表達(dá)調(diào)控[27-32]。HO-1的調(diào)控機(jī)制及其信號通路目前尚未完全闡明，還需要進(jìn)一步研究。

3 HO-1與細(xì)胞凋亡

抗凋亡能力增強(qiáng)是腫瘤持續(xù)增殖的重要機(jī)制之一。研究表明，HO-1具有保護(hù)細(xì)胞、抗細(xì)胞凋亡的雙重作用，并因此被稱為“保護(hù)性基因”。HO-1抗凋亡的確切機(jī)制目前尚未闡明，但有較多的證據(jù)表明，其主要與調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)活性氧（ROS）的濃度有關(guān)。Poss 等學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，與野生型細(xì)胞相比，HO-1 缺失的細(xì)胞中ROS 含量大幅上調(diào)[33]，而中、高濃度的ROS 能通過細(xì)胞氧化應(yīng)激反應(yīng)誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡，因此HO-1 缺失的細(xì)胞防御氧化應(yīng)激的能力顯著下降。ROS是細(xì)胞線粒體在有氧代謝過程產(chǎn)生的電子排泄物，包括氧離子、過氧化物和含氧自由基等。這些粒子相當(dāng)微小，由于存在未配對的自由電子，而十分活躍。過高的ROS 水平會(huì)對細(xì)胞和基因結(jié)構(gòu)造成損壞。一般情況下，大部分ROS可被過氧化物歧化酶、過氧化氫酶、谷胱甘肽還原酶等抗氧化酶清除[34]，這過程需要HO-1 等酶的輔助。因此，這些抗氧化酶的穩(wěn)定表達(dá)及激活能有效清除ROS 對細(xì)胞DNA 的損傷，減少基因突變，被認(rèn)為是抑制腫瘤發(fā)生的重要機(jī)制[23]。另有研究認(rèn)為，HO-1通過上調(diào)Bcl-2、下調(diào)Bax 蛋白，進(jìn)而抑制caspase 誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡[35]。HO-1 保護(hù)細(xì)胞的作用機(jī)制與其分解產(chǎn)物CO、膽綠素、亞鐵離子等密切相關(guān)。研究表明，CO 可以抑制ROS 的形成，并通過抑制細(xì)胞色素C 及caspase 蛋白的激活來抑制細(xì)胞凋亡信號通路的激活[36]。而膽綠素亦具有強(qiáng)大的抗氧化能力，可起到保護(hù)細(xì)胞的效應(yīng)。Nuhn 等學(xué)者將膽綠素添加到胰腺癌細(xì)胞的培養(yǎng)基中，發(fā)現(xiàn)其能顯著促進(jìn)腫瘤細(xì)胞的生存[37]。此外，亞鐵離子也對細(xì)胞起到保護(hù)作用，因?yàn)殍F蛋白有細(xì)胞保護(hù)的效應(yīng)，而亞鐵離子恰恰又是鐵蛋白生成不可缺少的原料。最近有一些研究認(rèn)為，HO-1可介導(dǎo)細(xì)胞自噬的產(chǎn)生，降解并清除衰老、損傷的細(xì)胞器，維持細(xì)胞穩(wěn)態(tài)，可能是其保護(hù)細(xì)胞、抑制凋亡的重要機(jī)制之一[38]。因此，HO-1 的抗凋亡、保護(hù)細(xì)胞作用在腫瘤發(fā)生發(fā)展的不同階段可能扮演不同的角色：在腫瘤形成之前，HO-1可通過清除ROS對細(xì)胞的損傷，減少基因突變來抑制腫瘤的發(fā)生；而在腫瘤形成后，HO-1 使腫瘤細(xì)胞對凋亡的抵抗力增強(qiáng)，可促進(jìn)腫瘤發(fā)展。因此，闡明HO-1 與腫瘤細(xì)胞凋亡的相關(guān)性，及其在腫瘤發(fā)生發(fā)展的不同階段所起的作用，對于發(fā)展有針對性的治療策略，預(yù)防和治療腫瘤極為重要。

4 HO-1與腫瘤增殖、轉(zhuǎn)移

研究表明，HO-1在增殖性較強(qiáng)的癌組織中表達(dá)常常上調(diào)，且與周圍正常組織相比，大部分腫瘤組織中都能檢測到HO-1 高表達(dá)。大量證據(jù)表明，在大部分腫瘤中，HO-1可促進(jìn)腫瘤增殖。Was等[39]在黑色素瘤細(xì)胞中采用細(xì)胞轉(zhuǎn)染技術(shù)增加HO-1 的表達(dá)，發(fā)現(xiàn)其明顯促進(jìn)黑色素瘤細(xì)胞的增殖，并在動(dòng)物體內(nèi)實(shí)驗(yàn)中得到驗(yàn)證。另有研究者將肝癌、肺癌、胰腺癌、前列腺癌、腎細(xì)胞癌等惡性腫瘤細(xì)胞敲除HO-1后，可觀察到腫瘤細(xì)胞的增殖能力減弱，動(dòng)物實(shí)驗(yàn)顯示瘤體的生長受到抑制，說明HO-1 在這些腫瘤中能促進(jìn)腫瘤增殖[40-42]。在乳腺癌中，HO-1的作用有較大爭議，一些研究認(rèn)為其有抑制細(xì)胞增殖的作用[43]，而也有研究發(fā)現(xiàn)HO-1同樣可促進(jìn)乳腺癌細(xì)胞的增殖分化[44]。HO-1 促進(jìn)腫瘤細(xì)胞增殖的分子機(jī)制目前仍不清楚，有研究認(rèn)為可能與下調(diào)p21 的表達(dá)有關(guān)[45]。作為細(xì)胞周期調(diào)控蛋白，p21在調(diào)節(jié)細(xì)胞周期、抑制腫瘤增殖等生物學(xué)過程中發(fā)揮重要作用，是抑癌基因p53 發(fā)揮抗腫瘤作用的重要下游因子。HO-1 的活化可能抑制了p21 在多種腫瘤組織中的表達(dá)，從而促進(jìn)腫瘤細(xì)胞增殖。除了參與腫瘤細(xì)胞增殖的調(diào)控外，HO-1 還被認(rèn)為與腫瘤的浸潤、轉(zhuǎn)移惡性生物學(xué)行為密切相關(guān)。我們知道，腫瘤的浸潤、轉(zhuǎn)移是一個(gè)涉及多步驟的高度復(fù)雜過程，包括腫瘤細(xì)胞自身黏附能力減弱、腫瘤新生血管生成、腫瘤微環(huán)境發(fā)生改變等，參與調(diào)控某一步驟過程都可能影響腫瘤的浸潤、轉(zhuǎn)移。實(shí)驗(yàn)研究表明，HO-1可上調(diào)血管內(nèi)皮生長因子（VEGF）的表達(dá)[46]，而VEGF 被認(rèn)為是最重要的血管生成誘導(dǎo)物。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)也證實(shí)，HO-1 通過提高大鼠腫瘤新生血管的生長加速了胰腺癌、黑素細(xì)胞瘤、肺癌的生長[39,42,47]；通過特異性小干擾RNA（siRNA）或HO-1 抑制劑抑制HO-1 表達(dá)后，肺癌致癌活性下降，同時(shí)伴隨VECF蛋白表達(dá)水平降低[47]。此外，HO-1 亦可增強(qiáng)腫瘤的侵襲、轉(zhuǎn)移能力。在肺癌細(xì)胞中抑制了HO-1 表達(dá)后，基質(zhì)金屬蛋白酶MMP2 和MMP9 的表達(dá)出現(xiàn)明顯下調(diào)，并伴隨著細(xì)胞侵襲性的降低[48]?；|(zhì)金屬蛋白酶（MMP）是參與破壞細(xì)胞外基質(zhì)最重要的蛋白水解酶，尤其是MMP2、MMP9，它們的表達(dá)產(chǎn)物除了可以酶解細(xì)胞間基質(zhì)成分，還能酶解基底膜的主要成分Ⅳ型膠原[49]，極大地促進(jìn)了腫瘤細(xì)胞的侵襲轉(zhuǎn)移。同樣地，在胃癌細(xì)胞中也發(fā)現(xiàn)，當(dāng)HO-1 過表達(dá)時(shí)，MMP9 的表達(dá)明顯上調(diào)[8]。然而，令人奇怪的是，研究人員發(fā)現(xiàn)，在HO-1陽性表達(dá)的胃癌組織中，淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移率卻較低[8]，這提示在體內(nèi)腫瘤的轉(zhuǎn)移是一個(gè)多因素影響的復(fù)雜過程，并非單個(gè)因子可起到?jīng)Q定性的作用，可能涉及復(fù)雜的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。進(jìn)一步深入探討HO-1在腫瘤發(fā)生、侵襲和轉(zhuǎn)移過程中的作用，并可能通過降低HO-1 表達(dá)水平，進(jìn)而抑制腫瘤細(xì)胞的增殖、轉(zhuǎn)移，為臨床尋找有效的治療方案提供新思路。

5 HO-1與腫瘤耐藥

腫瘤細(xì)胞對化療藥物敏感性降低，甚至出現(xiàn)多藥耐藥，是臨床中腫瘤治療失敗的重要原因。多種實(shí)體腫瘤細(xì)胞中均可見HO-1 的高表達(dá)，而尤為引人注目的是相關(guān)癌細(xì)胞在缺氧條件下和放化療后HO-1 表達(dá)明顯增加。越來越多的實(shí)驗(yàn)證據(jù)顯示，HO-1 的過量表達(dá)可能是腫瘤細(xì)胞適應(yīng)較惡劣生長條件和產(chǎn)生放化療抗性的主要原因之一。在對肝癌、肺癌、膀胱癌、結(jié)腸癌、神經(jīng)細(xì)胞瘤等多種常見腫瘤的實(shí)驗(yàn)研究中均觀察到，抑制HO-1 的表達(dá)可顯著增加腫瘤細(xì)胞對化療藥物的敏感性[50-54]。HO-1參與影響腫瘤耐藥的機(jī)制來自多方面。一些研究發(fā)現(xiàn)，HO-1 的過表達(dá)常常伴隨多藥耐藥（MDR）蛋白及多藥耐藥相關(guān)蛋白（Mrp）的表達(dá)升高，從而降低癌細(xì)胞對化療的敏感性[55]。許多抗腫瘤藥物，包括鉑類、阿霉素等，都可誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞產(chǎn)生大量的ROS，從而殺傷癌細(xì)胞，與此同時(shí)誘導(dǎo)產(chǎn)生的HO-1起到清除ROS 的作用，亦被認(rèn)為是細(xì)胞獲得性耐藥的重要原因[56]。此外，如前所述，HO-1 可激活多種抗凋亡信號通路，也是腫瘤細(xì)胞耐藥的重要機(jī)制之一。由于HO-1 對化療藥物的拮抗作用，一些學(xué)者在體外實(shí)驗(yàn)應(yīng)用HO-1 抑制劑鋅原卟啉（zinc protoporphyrin，ZnPP）聯(lián)合化療藥物作用于腫瘤細(xì)胞，觀察腫瘤細(xì)胞對化療藥物的反應(yīng)變化，結(jié)果發(fā)現(xiàn)腫瘤細(xì)胞對化療藥物敏感性顯著增加，相同的藥物濃度下細(xì)胞凋亡明顯增加[7,57]。這為HO-1抑制劑作為化療增敏劑應(yīng)用于臨床治療提供了理論依據(jù)。

6 結(jié)語

綜上所述，HO-1 與腫瘤關(guān)系密切，除了在腫瘤組織中高表達(dá)外，其還能在重金屬、過氧化氫、缺氧、放化療等氧化應(yīng)激反應(yīng)中進(jìn)一步誘導(dǎo)上調(diào)。HO-1及其代謝終產(chǎn)物對細(xì)胞的保護(hù)作用與腫瘤細(xì)胞增殖、侵襲、轉(zhuǎn)移等生物學(xué)行為密切相關(guān),同時(shí)也是腫瘤對放化療產(chǎn)生抵抗的重要因素，但具體的作用機(jī)制尚未完全闡明，且HO-1 在不同腫瘤中的作用不完全一致。因此，我們除了進(jìn)一步深入探索HO-1在腫瘤中的作用機(jī)制，還需要對不同類型腫瘤中HO-1的變化對于腫瘤發(fā)生發(fā)展的影響進(jìn)行研究，為HO-1作為潛在的抗腫瘤治療靶點(diǎn)提供依據(jù)。

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