硫氧還蛋白還原酶與肺癌的研究進展

劉倩倩 張磊 曾慧慧

北京大學醫(yī)學部藥學院，北京100191

硫氧還蛋白還原酶與肺癌的研究進展

劉倩倩 張磊 曾慧慧#

北京大學醫(yī)學部藥學院，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。它在機體中發(fā)揮著重要的生理功能，包括機體氧化還原調節(jié)和抗氧化防御、細胞生長和凋亡調節(jié)、器官發(fā)育調控等多種功能。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，可能參與了腫瘤的發(fā)展進程。本文綜述了肺癌和Trx系統(tǒng)的各自特點以及相互間的聯(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。據美國癌癥協(xié)會的研究報道，肺癌是美國死亡率最高的癌癥類型[1]。根據2014年中國腫瘤登記中心發(fā)布的數據，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而倍受關注。

另外鑒于肺癌發(fā)病隱蔽，多數患者就診時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%），故我國現階段腫瘤防治領域亟待解決的一個課題就是開發(fā)更為靈敏可靠、特異性或針對性更強的肺癌診療新方法。TrxR是一種體內抗氧化防御和還原狀態(tài)調控中發(fā)揮著舉足輕重作用的蛋白酶，而各種危險因素引起的氧化應激損傷乃至氧化還原狀態(tài)失衡被普遍認為是肺癌發(fā)病過程中的樞紐性環(huán)節(jié)，據此推斷TrxR可能是一種潛在的肺癌生物標志物及藥物治療靶點。

1 TrxR及其功能

Trx系統(tǒng)是一類在人體內廣泛存在，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FAD結構域的二聚體硒酶，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)在機體中發(fā)揮著重要的生理功能，包括機體氧化還原調節(jié)和抗氧化防御、細胞生長和凋亡調節(jié)、器官發(fā)育調控等多種功能。

哺乳動物中的TrxR有三種亞型：TrxR1（胞質）、TrxR2（線粒體）和TrxR3（睪丸）[3]。在人體內，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通過影響結構蛋白中二硫鍵的形成參與精子的成熟，而TrxR1和TrxR2對于清除胞質和線粒體內過量的自由基，保護細胞免受氧化應激損傷具有重要意義。現研究并提及的TrxR主要是指TrxR1。從結構上看，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。結構研究顯示該部位暴露在酶表面容易被親近，與細菌型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胞產生自由基和活性氧簇（ROS），當ROS水平超出細胞抗氧化能力，就會造成氧化應激，從而對DNA、蛋白質和脂類等造成氧化損傷[6-7]。有研究發(fā)現，為了抵抗紫外線輻射產生的自由基損害，TrxR在人角質層細胞和黑色素細胞表面高表達[8]。TrxR通過清除體內多余的ROS對抗氧化損傷，抑制細胞惡性增生，降低癌變風險[9]。然而，TrxR對抗氧化應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)揮氧化還原調節(jié)作用維持正常細胞內環(huán)境的穩(wěn)態(tài)，也可能為惡變細胞的生長提供庇護。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[10]，可能參與了腫瘤的形成和發(fā)展。由于腫瘤細胞增殖迅速，細胞內往往呈低氧環(huán)境并產生大量的活性氧簇，在這種情況下，過表達及活性高的TrxR不僅能促進癌細胞的生長，而且削弱了基于氧化應激機制的化療藥物的療效，提高了癌細胞對趨化因子和生長因子的敏感性，導致耐藥，同時還與腫瘤中新生血管的形成和遠處轉移有密切關系。TrxR對于腫瘤表現出的雙面性，可能取決于腫瘤發(fā)展階段和組織特點。在分子機制上[11]，Trx系統(tǒng)通過介導NF-κB、AP-1、p53等在內的多種轉錄因子的表達，而參與細胞內的信號傳導調控。另外，Trx的過表達還可以激活核苷酸還原酶(RR)、缺氧誘導因子1（HIF-1）、血管內皮生長因子（VEGF），抑制凋亡信號調節(jié)激酶1（ASK-1）[12]，從而促進細胞增殖，抑制細胞凋亡并且加速血管生成，使細胞發(fā)生惡性轉化。鑒于此，TrxR尤其是TrxR1被視作是一種較有前景的腫瘤生物標志物和藥物治療靶點。

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Trx和TrxR在非小細胞肺癌中廣泛高表達。細胞核而非細胞質內的Trx-TrxR表達和凋亡的抑制程度有關，還原型Trx從胞質轉移到細胞核，調節(jié)Ref-1并激活轉錄因子造成細胞凋亡障礙，且酶的表達量越高，凋亡抑制越明顯[6,13-14]。研究還發(fā)現低級別高分化腫瘤比較高級別低分化腫瘤有更高的Trx-TrxR表達[13]，提示Trx-TrxR的表達和腫瘤高分化程度相關，且其低表達逐漸喪失對低分化腫瘤的氧化還原調節(jié)作用，導致細胞內氧化應激水平升高，進一步造成腫瘤細胞基因不穩(wěn)。所以，低分化腫瘤往往有更高的細胞凋亡。Wang等[15]發(fā)現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)現其對Lew is肺腺癌細胞增殖的抑制和TrxR活性部位受到抑制有關，提示高表達的TrxR可以促進腫瘤細胞增殖。

2.2 TrxR與肺癌的轉移

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

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)展與轉移。因此，針對TrxR為靶點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]、有機碲類[20]和鉑類化合物等多有文獻報道，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]等化合物結合TrxR的C-端活性部位使其失活，細胞內高水平ROS導致氧化應激的出現，通過影響細胞凋亡通路導致肺癌細胞死亡。

大量研究表明，Trx/TrxR可以對抗癌藥產生耐藥。Trx-1高表達的肝癌細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表達量高達4～6倍的膀胱癌和前列腺癌細胞，對順鉑也有耐藥表現[23]。Trx-1高表達也出現在對順鉑耐藥的胃癌和結直腸癌細胞中[24]?？梢酝ㄟ^Trx-1反義表達質粒降低Trx-1水平轉變腫瘤細胞對順鉑的耐藥，同時也能提高腫瘤細胞對阿霉素、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)合應用，一是協(xié)同放大抗腫瘤，二是彌補單一給藥耐藥性出現。硒代胱氨酸-金諾芬通過聯(lián)合用藥靶向抑制TrxR，造成細胞內ROS蓄積、DNA損傷、ERK和ART通路失活，最終導致肺癌細胞凋亡[25]。其他聯(lián)用，乙烷硒啉-順鉑聯(lián)用除了可以彌補肺癌細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，造成細胞內Trx系統(tǒng)氧化還原狀態(tài)失衡，腫瘤細胞凋亡，最終起到抗腫瘤作用。

3 小結

近年來，肺癌發(fā)病率居高不下。診斷發(fā)現時患者大多已屬中晚期且預后差，已成為嚴重威脅人類健康的社會問題。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與肺癌的密切關系。這些都提示TrxR有望作為肺癌早期診斷和治療預后的潛在標志物和靶點。

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R734.2

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10.11877/j.issn.1672-1535.2015.13.06.05

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2015-05-12）