PRDXs家族在結(jié)直腸癌中作用機制的研究進展①

丁婷婷 張 紅 馮繼紅 馬 虎

(遵義醫(yī)科大學附屬醫(yī)院腫瘤醫(yī)院腫瘤科，遵義 563003)

結(jié)直腸癌(colorectal cancer，CRC)是最常見的惡性腫瘤之一，其在美國占腫瘤高死亡率的第3位，且我國CRC的發(fā)病率和死亡率呈逐年上升趨勢[1]。近年來，隨著早期篩查的實施和腸鏡檢查的普及，歐美國家CRC患者總體死亡率有所下降，青年患者的發(fā)病率和死亡率均升高，引起了研究人員的重視，目前仍有諸多爭論[2]。CRC的發(fā)生發(fā)展是一個多因素、多階段、多步驟的綜合生物學過程，從最初的腺瘤發(fā)展到晚期的腫瘤再到轉(zhuǎn)移擴散，病程可長達數(shù)年或數(shù)十年，其發(fā)生機制主要涉及上皮-間質(zhì)轉(zhuǎn)化(epithelial-mesenchymal transition，EMT)、腫瘤細胞抗凋亡、增殖侵襲及血管生成等。結(jié)直腸腫瘤細胞侵襲和轉(zhuǎn)移主要受腫瘤轉(zhuǎn)移基因與腫瘤轉(zhuǎn)移抑制基因、腫瘤血管生成、細胞外基質(zhì)降解、細胞黏附、腫瘤微環(huán)境等因素影響。但調(diào)控CRC轉(zhuǎn)移的分子機制尚未明確，這一過程涉及多個原癌基因和抑癌基因的突變或激活以及Wnt、JAK-STAT、mTOR、MAPK等多種信號通路參與。

在CRC發(fā)生發(fā)展過程中，腫瘤細胞無限增殖、細胞新陳代謝加快且線粒體內(nèi)產(chǎn)生的活性氧(reactive oxygen species，ROS)不斷增加。ROS可改變細胞的氧化還原狀態(tài)，并使特定蛋白酶及可溶性因子等功能發(fā)生改變從而導致基因組損傷及遺傳性不穩(wěn)定，直接影響細胞核內(nèi)的基因表達，進而誘導正常細胞的癌變和腫瘤的惡性進展[3]。細胞在正常新陳代謝活動中可產(chǎn)生一定量的ROS，低濃度的ROS可影響一系列信號轉(zhuǎn)導途徑繼而激活相應轉(zhuǎn)錄因子，有利于細胞的增殖與分化，但隨著ROS的不斷積聚，最終超出細胞的自我修復能力，細胞的抗氧化防御系統(tǒng)遭到破壞，可導致細胞蛋白、DNA、脂質(zhì)以及細胞其他組成部分的直接損傷[4]。因此，為了保護自身免受氧化應激損傷，CRC細胞需要一些抗氧化激酶或氧化還原劑維持細胞內(nèi)環(huán)境的氧化還原穩(wěn)態(tài)。過氧化物氧化還原酶(peroxiredoxins，PRDXs)正是一類對抗ROS、維持體內(nèi)穩(wěn)態(tài)的抗氧化還原蛋白超家族，既能消除體內(nèi)代謝產(chǎn)生的過氧化物和超氧化物從而預防腫瘤的發(fā)生，同時又可通過清除腫瘤細胞內(nèi)的ROS使其免受損傷，促進腫瘤的發(fā)生發(fā)展及侵襲轉(zhuǎn)移等。

1 PRDXs

PRDXs是生物體內(nèi)重要的過氧化物還原酶之一，也是包含6個成員的一類小分子蛋白家族，其大小均在22～27 kD之間，在細胞中均有不同程度的表達。PRDXs蛋白在N末端含有一個保守的半胱氨酸(Cys)，在C末端還包含一個額外的保守Cys[5]。依據(jù)其Cys殘基位置的不同可將其分為 3個亞型：①典型的 2-Cys，包括PRDX1、PRDX2、PRDX3、PRDX4；②非典型的2-Cys過氧化物酶，PRDX5；③1-Cys過氧化物酶，PRDX6。PRDXs存在于多種細胞內(nèi)亞單位，其中，PRDX1、PRDX2、PRDX6定位于細胞質(zhì)，PRDX3 定位于線粒體，PRDX4 定位于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和小胞體，PRDX5定位于線粒體和過氧化物酶體。PRDXs功能廣泛，可與氧硫還原蛋白協(xié)同作用，有效地清除代謝產(chǎn)生的過氧化物[6]。PRDXs在清除ROS的過程中，自身也被氧化，隨后可通過合成新的蛋白質(zhì)或在氧硫還原蛋白及其他氧化還原劑的作用下再次恢復功能，且不同的PRDXs亞型發(fā)揮的生物學功能不同。其中PRDX1～5 主要以硫氧還原蛋白(thioredoxin，TRX)為還原劑，PRDX6以谷胱甘肽、硫辛酸、二硫蘇糖醇等為還原劑，且PRDX6是一種雙功能蛋白，具有谷胱甘肽過氧化物酶和磷脂酶A2活性[7]。最新研究結(jié)果顯示，隨著細胞內(nèi)氧化應激程度的改變，PRDXs的功能也在過氧化物酶和分子伴隨物之間相互轉(zhuǎn)化，除了抗氧化產(chǎn)物外還可以分子伴隨物的形式與關鍵蛋白結(jié)合，充分發(fā)揮關鍵蛋白作用從而保護腫瘤細胞。ROS是腫瘤進展的雙向調(diào)節(jié)器，因濃度、作用時間及細胞種類不同，可對腫瘤細胞信號通路產(chǎn)生不同影響，而PRDXs家族作為對抗ROS的一類超蛋白家族，也具有促腫瘤和抑腫瘤的作用。因此研究PRDXs-ROS信號軸對腫瘤細胞的影響及機制，可為選擇更具特異性和靶向性的臨床治療策略提供依據(jù)。

2 PRDXs與CRC

2.1PRDX1與CRC PRDX1是PRDXs家族中具有多種功能且較為關鍵的一種蛋白。其主要功能為：①抗氧化功能：PRDX1 可清除體內(nèi)的ROS，與多種激酶相互作用，防止氧化應激導致的細胞凋亡，可通過抑制 ASK1/p38MAPK 和 ASK1/JNK 等多種信號通路的激活來抑制細胞凋亡(圖1)[8]；②分子伴侶功能：PRDX1可作為分子伴侶介導其他蛋白質(zhì)的正確裝配，將Cys 過氧化，從過氧化物酶結(jié)構上轉(zhuǎn)化為酶的分子伴侶來調(diào)控基因表達，在細胞核中，PRDX1 與核調(diào)節(jié)因子如 NF-κB、c-Myc和AR等結(jié)合，發(fā)揮對腫瘤的促進或抑制作用[9]。PRDX1已被用于癌癥研究，在口腔鱗狀細胞癌、甲狀腺癌和肺癌中均可檢測到PRDX1過表達[10-12]。Rho等[13]首次研究發(fā)現(xiàn)PRDX1在人結(jié)腸癌組織中上調(diào)，其表達與CRC的增殖分化、侵襲轉(zhuǎn)移密切相關，并在CRC中發(fā)揮雙向調(diào)節(jié)作用。

Chu等[14]研究PRDX1在CRC中對炎癥反應的影響時發(fā)現(xiàn)，PRDX1在CRC細胞株SW480中表達上調(diào)，其敲除增加了ROS、NO和ONOO的生成，SW480細胞中PRDX1的消耗可促進NF-κB/p65的核轉(zhuǎn)位，并增加促炎細胞因子和趨化因子(TNF-α、IL-1β、IL-6、IL-8和CXCL1)的產(chǎn)生。因此推測PRDX1可能通過NF-κB/p65信號通路抑制炎癥過程(圖1)，也為PRXD1在CRC中的抗炎機制提供新的見解，并揭示PRDX1可能是檢測炎癥相關CRC進展的生物標志物。此外，PRDX1還影響CRC細胞增殖、遷移與侵襲，沉默PRDX1可降低CRC細胞增殖、集落形成、遷移及侵襲能力[15]。PRDX1下調(diào)后p-p38/p38表達下降，而p-JNK/JNK和p-ERK/ERK表達無顯著差異，故推測PRDX1的下調(diào)可能與p38MAPK信號通路有關。前期研究表明，PRDX1過表達可增強TGF-β1誘導的EMT，而EMT被認為是腫瘤侵襲和轉(zhuǎn)移的關鍵。綜上，可初步得出PRDX1在CRC的發(fā)生發(fā)展中發(fā)揮重要生物學功能，且PRDX1可能是CRC潛在的治療靶點，同時也為CRC的診斷和療效評估提供一種新的有效方法。但仍需進一步研究闡明PRDX1在CRC發(fā)生發(fā)展中的作用和機制，進而確認其作為CRC治療靶點的潛力。

圖1 細胞質(zhì)PRDX1和PRDX2介導氧化應激誘導凋亡的信號通路Fig.1 Cytoplasmic PRDX1 and PRDX2 mediate oxidative stress-induced apoptosis signaling pathwaysNote: PRDX1 and PRDX2 inhibit H2O2,reduce intracellular ROS,and induce cell death.Different types of kinases and enzymes,such as ASK1,AKT,p66 Shc,and GSTpi/JNK,are involved in this process.

2.2PRDX2與CRC PRDX2是PRDXs家族成員中氧化還原能力最強的成員，分子量約為22 kD，廣泛參與細胞的增殖、分化、凋亡及信號轉(zhuǎn)導等諸多生物學過程。PRDX2是典型的 2-Cys過氧化物還原酶，與腫瘤的關系最為密切，研究發(fā)現(xiàn)PRDX2在結(jié)腸癌組織中的表達量高于癌旁組織，且敲減 PRDX2可抑制結(jié)腸癌細胞生長[16]。此外，PRDX2在轉(zhuǎn)錄因子氧化還原中充當H2O2信號受體和傳遞因子，與轉(zhuǎn)錄因子STAT3形成氧化還原中繼站，其中氧化分子由PRDX2流向STAT3，且氧化還原中繼站產(chǎn)生具有減弱轉(zhuǎn)錄活性的二硫鍵連接的STAT3寡聚體(圖1)。細胞因子誘導的STAT3信號傳導伴有PRDX2和STAT3氧化，并受PRDX2調(diào)節(jié)[17,18]。PRDX2還可抑制腫瘤細胞的免疫反應，通過清除低水平的ROS調(diào)節(jié)腫瘤的抗凋亡作用，為將來研究PRDX2在腫瘤中的作用機制提供生物學證據(jù)。

PRDX2是影響腫瘤發(fā)生發(fā)展相關的重要指標，其在腫瘤治療中的作用應該受到更多關注。5-FU是最廣泛使用的抗CRC藥物之一，可通過增加ROS的細胞內(nèi)濃度誘導CRC細胞凋亡。PRDX2可通過清除患者體內(nèi)的ROS增加患者對5-FU的抵抗，因此抑制PRDX2可用作誘導腫瘤細胞凋亡和改善CRC患者存活的治療策略。Xu等[19]研究結(jié)果表明抑制PRDX2表達可通過PI3K/AKT信號通路來促進5-FU誘導的CRC細胞凋亡。在PRDX2影響CRC增殖及凋亡的分子機制研究中發(fā)現(xiàn)，RNA干擾抑制PRDX2的表達可通過增加內(nèi)源性ROS的產(chǎn)生、負調(diào)控Wnt/β-catenin信號通路實現(xiàn)，從而介導CRC細胞凋亡、抑制其增殖并抑制體內(nèi)移植瘤生長(圖1)。PRDX2在CRC轉(zhuǎn)移機制中的作用主要表現(xiàn)為PRDX2過表達可導致CRC細胞形態(tài)改變，并通過抑制TGF-β1誘導的EMT來有效抑制CRC細胞遷移。此外，PRDX2負調(diào)控 CRC細胞中的EMT標志物、EMT相關轉(zhuǎn)錄因子及轉(zhuǎn)移相關因子MMP2和MMP9表達[20]。這些結(jié)果為PRDX2在調(diào)節(jié)EMT參與的CRC細胞遷移和轉(zhuǎn)移的作用中提供了新的證據(jù)，并提示PRDX2可能是CRC的調(diào)節(jié)因子之一。

2.3PRDX3與CRC PRDX3是過氧化物酶的亞型，主要功能是降解ROS，主要存在于線粒體，含有線粒體定位序列，占線粒體基質(zhì)的5%，并以線粒體Trx2作為其過氧化物酶活性的電子供體，已知PRDX3可消除90%的線粒體H2O2，并在線粒體氧化還原及調(diào)節(jié)線粒體H2O2的生理水平中起關鍵作用。PRDX3是C-myc、miR-383和miR-23b的靶基因，是線粒體穩(wěn)態(tài)和腫瘤轉(zhuǎn)化的必需分子之一。PRDX3的過表達可保護細胞免受氧化應激，而敲除PRDX3后，細胞內(nèi)ROS水平和氧化應激明顯增加[21]。PRDX3通過自由基生成系統(tǒng)保護自由基敏感酶免受氧化損傷，與MAP3K13協(xié)同作用，調(diào)節(jié)細胞質(zhì)中NF-κB的活化，并參與調(diào)節(jié)細胞增殖、分化和抗氧化功能[22]。Song等[23]在研究PRDX3在CRC中的作用時發(fā)現(xiàn)FOXM1誘導的PRDX3可維持線粒體功能，且線粒體通過FOXM1/PRDX3傳導途徑維持結(jié)腸癌細胞存活。因此認為FOXM1、PRDX3和CD133是抑制CRC中癌癥干細胞的潛在治療靶點。

2.4PRDX4、PRDX5、PRDX6與CRC PRDX4的Cys殘基首先被氧化成亞磺酸，與另一個PRDX分子形成分子間二硫鍵，通過Trx-Trx還原酶系統(tǒng)增強活性而逆轉(zhuǎn)[24]。PRDX4通過減少H2O2在巰基依賴性催化循環(huán)中減少氧化應激，并通過調(diào)節(jié)IκB-α磷酸化參與細胞質(zhì)中關鍵促炎轉(zhuǎn)錄因子NF-κB的調(diào)節(jié)[25]。其在肺癌、白血病、膠質(zhì)母細胞瘤、口腔鱗狀細胞癌、心血管疾病、肝病和結(jié)腸、直腸癌中表現(xiàn)出促腫瘤作用。PRDX4在CRC組織中的表達高于癌旁組織，表達強度與CRC浸潤深度和淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移相關，研究發(fā)現(xiàn)PRDX4高表達的患者生存期較短[26]。

PRDX5是一種硫醇過氧化物酶，通過降低Trx-Trx系統(tǒng)提供的還原等價物來對抗氧化應激的保護作用，參與細胞內(nèi)氧化還原信號，其降低H2O2的速度是游離Cys的105倍。PRDX5基因定位于染色體11q13.1，在暴露于脂多糖(LPS)和IFN-γ的原代巨噬細胞中時表達明顯增加。在LPS/TLR途徑的下游，p38和c-Jun N-末端激酶(JNK)在PRDX5的調(diào)節(jié)中發(fā)揮重要作用[27]。近期數(shù)據(jù)顯示，在各種PRDX家族成員中，PRDX5是蘇丹乳腺癌患者腫瘤樣本中唯一顯著下調(diào)的過氧化氧化還原酶[28]。

PRDX6具有谷胱甘肽過氧化物酶和iPLA2活性。參與細胞氧化還原調(diào)節(jié)的PRDX6可以清除H2O2、短鏈有機物、脂肪酸和磷脂氫過氧化物，并在調(diào)節(jié)磷脂轉(zhuǎn)換及防止機體氧化損傷中起作用。PRDX6優(yōu)選磷脂酰膽堿作為底物，特別是花生四烯酸(AA)或sn-2位的棕櫚酸，鑒于AA在磷脂代謝和細胞信號傳導中的重要作用，PRDX6釋放AA的能力顯得尤為重要[29]。目前研究證實PRDX6在肺癌、卵巢癌、肝癌和胃癌中發(fā)揮促腫瘤作用。近期研究表明PRDX6通過氨基甲酸酯誘導的肺腫瘤模型中的JAK2/STAT3信號通路促進腫瘤侵襲和轉(zhuǎn)移[30]；調(diào)節(jié)Upar、Est-1、MMP-9、RhoC和TIMP-2的分子表達可促進乳腺癌的侵襲和轉(zhuǎn)移。

3 總結(jié)與展望

PRDXs在人類各部位腫瘤中的表達和功能仍存在爭議，需進一步研究以揭示其在癌癥進展和轉(zhuǎn)移中的潛在作用。目前PRDX1和PRDX2在CRC的研究中相對較多也較深入，PRDX3～6在CRC的研究中相對較少，但在其他腫瘤中的研究較多，尤其是肺癌。由此可見，PRDX3～6在CRC中的作用及分子機制研究將為CRC研究者提供新的思路和靈感，而其在其他腫瘤中作用機制可為CRC的研究提供證據(jù)和參考。PRDXs在癌癥中具有多種功能，當PRDXs作為抗氧化酶而不是伴侶蛋白時，其在放療抵抗及化療耐藥中起重要作用。目前基于PRDXs的抗癌研究主要集中于抗氧化活性，雖然基于PRDXs的抗癌藥物在體內(nèi)外的臨床前試驗結(jié)果都較為樂觀，但從實驗室到臨床試驗仍有很長的路要走。

此外，仍有一些重要的科學問題需要解決，其中之一是PRDXs的脫靶效應。當存在其他PRDX和/或ROS非依賴性酪氨酸激酶時，針對PRDXs的藥物是否足以控制最終的抗癌作用？如果答案是肯定的，那么潛在的機制是什么？只有這些問題得到充分探索，針對PRDXs的治療能否用于CRC腫瘤的臨床應用才能得到證實。值得注意的是，PRDXs家族對氧化應激非常敏感，且其分子伴侶活性在氧化應激條件下增強。此外，PRDX1、PRDX2及PRDX3經(jīng)常與其他PRDX和/或氧化還原調(diào)節(jié)蛋白如Trx合作抑制H2O2誘導的細胞凋亡?？傊琍RDXs在CRC中起的作用復雜，既可阻礙正常細胞因ROS導致DNA等損傷而向惡性轉(zhuǎn)化，起腫瘤抑制作用；也可抑制已轉(zhuǎn)化的腫瘤細胞內(nèi)大量ROS誘導的凋亡，促進腫瘤細胞存活，對腫瘤起支持與保護作用。PRDXs基因的反義核酸或siRNA可用作化療或放療增敏劑，提示其在CRC腫瘤治療中可能的應用前景。