硫氧還蛋白還原酶抑制劑抗結直腸癌的作用機制研究進展

華 揚，馬秀坤，張春澤，洪 洙，劉翔龍

結直腸癌是一種源于結直腸部位的惡性腫瘤，通常由息肉發(fā)展而來，息肉逐漸在結腸和直腸內(nèi)生長，最終發(fā)展成腫瘤[1]。早期結直腸癌并無明顯癥狀，直到進展期可出現(xiàn)部分癥狀，但此時的治療效果已不佳，預后較差。目前對于結直腸癌的發(fā)病機制尚不明確，治療上仍以化療、放療和外科手術為主，但部分患者在治療后仍然會出現(xiàn)復發(fā)和轉(zhuǎn)移的情況[2]。因此找尋更有效的治療方案一直是結直腸癌的研究重點。

體內(nèi)氧化還原穩(wěn)態(tài)是由各大分子化合物共同作用的結果，其中硫氧還蛋白系統(tǒng)發(fā)揮著重要的作用。硫氧還蛋白系統(tǒng)是一種高度保守的系統(tǒng)，包含3種協(xié)同的氧化還原蛋白，包括硫氧還蛋白（Trx）、硫氧還蛋白還原酶（TrxR）、硫氧還蛋白過氧化物酶（TPx）和煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（NADPH）。這個系統(tǒng)的中心元素是Trx，其活性中心是2 個半胱氨酸，能夠減少蛋白質(zhì)中的二硫化物鍵，該系統(tǒng)在調(diào)節(jié)細胞功能、維持細胞內(nèi)環(huán)境方面起關鍵作用[3-4]。

近些年研究發(fā)現(xiàn)，TrxR 在多種腫瘤中均呈高表達，其與腫瘤的惡性程度和生長速率呈明顯相關性，在腫瘤進展中發(fā)揮著重要的作用[5-6]。其靶向抑制劑也是抗結直腸癌治療的研究熱點。本文就TrxR 抑制劑抗結直腸癌的作用機制進行綜述。

1 TrxR 的結構和活性

TrxR 包括TrxR1、TrxR2 及TrxR3 共3 種類型，而在硫氧還蛋白系統(tǒng)中，TrxR 負責減少氧化形式的Trx[7]。TrxR 包含一個FAD 基團，NADPH 結合結構域、界面結構域和位于C 端的活性中心，其活性中心包含一個半胱氨酸和一個硒半胱氨酸（-Gly-Cys497-Sec498-Gly-）[8]，這一活性中心對該蛋白生理活性有重大的影響，是抗結直腸癌治療的重要潛在靶點。

2 TrxR 抑制劑

TrxR 一直是腫瘤潛在靶點的研究目標。目前研究發(fā)現(xiàn)，一些天然多酚類化合物可以抑制TrxR的酶活性，其中包括姜黃素、槲皮素和楊梅素等[8]，它們可與TrxR 的C 端共價修飾，不可逆地抑制TrxR 的活性，促進細胞的氧化應激過程。另外，許多合成化合物也可通過抑制TrxR 的生物活性來改變硫氧還蛋白系統(tǒng)的功能[9]，其中包括二硫咪唑衍生物、萘醌衍生物和邁克爾受體組的化合物，以及幾個以過渡金屬離子為中心原子的有機與無機絡合物。還有報道顯示，目前已出現(xiàn)多種以TrxR為基礎，包括與TrxR 在末端高親核性Sec 相同效果，模擬TrxR 底物的還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸等[10]。這類抑制劑均已經(jīng)開始臨床研究，包括：1）乙烷硒啉分散片是一種TrxR 抑制劑，在A549、Hela 及Tca8113 細胞中具有較高的抗腫瘤效果[11]；2）莫特沙芬釓是一種靶向TrxR 以及核糖核苷酸還原酶的藥物，可改善神經(jīng)功能惡化，并在非小細胞肺癌腦轉(zhuǎn)移的治療中起到較好的作用[12]。隨著人們對于TrxR 抑制劑的研究深入，已有多種TrxR抑制劑被開發(fā)，并可根據(jù)能力特性分為可逆和不可逆性抑制劑。

2.1 TrxR 可逆性抑制劑 可逆性抑制劑可以逆轉(zhuǎn)酶的抑制效果，但僅僅抑制了反應速率，并不對反應的發(fā)生造成影響。Trx 及還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸均是以TrxR 底部形態(tài)存在于疏氧還蛋白系統(tǒng)中，可與TrxR 底部競爭，從而抑制TrxR 功能[13]。原卟啉LX、表焙兒茶素、伊布硒啉均可與Trx 競爭，但這一類抑制劑均在最初較短時間內(nèi)進行。另一類非競爭性抑制劑，其表面存在分子結合位點，對于TrxR 生成和Trx 以及還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸相關的非競爭性抑制，進而喪失TrxR 催化活性[14]。

2.2 TrxR 非可逆性抑制劑 多數(shù)不可逆性TrxR抑制劑通常都能與半胱氨酸Cys 和Sec 殘基結合，后者主要起到催化效果。這一類抑制劑種類較多，可根據(jù)金屬配合物進行分類。與疏醇相比，TrxR 上C-末端的Sec 殘基結合金屬離子的效果更明顯，使其獲得金屬配合物的靶點更多。相關研究顯示，順鉑和卡鉑這一類對DNA 造成損傷的抗腫瘤藥物均可對TrxR 進行抑制[15]。

3 TrxR 與結直腸癌

有多項研究發(fā)現(xiàn)，TrxR 在細胞中可起到抗氧化和穩(wěn)定氧化還原的作用，且能夠促進細胞生長和凋亡，同時在硒代謝中也起到一定的效果[16-17]。而這一系列反應均與肺癌、宮頸癌、肝癌、胰腺癌及結直腸癌的進展存在密切的關系。在結直腸癌腫瘤細胞中可發(fā)現(xiàn)TrxR 系統(tǒng)明顯表達異常，例如TrxR1 在結直腸癌細胞中表達上調(diào)，并與結直腸癌患者不良預后和化療耐藥有關。越來越多的證據(jù)表明，TrxR1 參與了結直腸癌發(fā)生的多個步驟[18-19]。因此，TrxR 是結直腸癌抗腫瘤藥物開發(fā)的潛在靶點。TrxR 抑制劑在結直腸癌中發(fā)揮作用主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

3.1 TrxR 抑制劑在結直腸癌腫瘤細胞的增殖中發(fā)揮調(diào)控作用 細胞周期的失調(diào)是腫瘤細胞增殖的重要環(huán)節(jié)，TrxR 與細胞周期進程、代謝、凋亡及氧化還原系統(tǒng)存在密切的關系。TrxR 可以對Trx 的活化及表達實施調(diào)控，Trx 則可以還原核氧化還原因子，從而達到控制轉(zhuǎn)錄激活蛋白-1（AP-1）活性的目的，最終調(diào)控G1/S 的功能[20]；同時，其還可通過反義的形式發(fā)揮穩(wěn)定染色體端粒的作用，預防不利因子對端粒的影響，并促進G2/M 期內(nèi)的細胞增殖[21]。近期有研究顯示，乙烷硒啉可下調(diào)哺乳動物TrxR1 mRNA 的轉(zhuǎn)錄水平、蛋白表達和酶活性，顯著抑制低分化結腸癌細胞系RKO 的生長[22]，其機制是乙烷硒啉能顯著抑制與細胞分化相關的信號通路，其中包括Wnt/β-catenin 信號通路，導致其對RKO 細胞生長和TrxR1 活性有強烈的抑制作用。另外，有研究報道了2 種含苯并咪唑和2-硫氧嘧啶的復合物，能夠誘導TrxR 蛋白的強烈抑制和膜脂的氧化損傷，從而抑制小鼠結腸腫瘤原代培養(yǎng)細胞增殖和分化，有望成為結直腸癌化療的潛在藥物[23]。

除了結直腸癌，TrxR 抑制物在其他惡性腫瘤中也起關鍵性的影響[24]。例如，有研究用單羰基姜黃素的類似物TrxR 抑制劑處理大細胞肺癌細胞NCIH460，結果發(fā)現(xiàn)，TrxR 抑制劑可讓肺癌細胞的周期停滯在G2/M 期，其主要機制是通過P53 和P21 表達上調(diào)，而P53 在細胞周期調(diào)節(jié)中起關鍵作用[25]。范有壽等[26]研究發(fā)現(xiàn)，TrxR 抑制劑能夠激活荷瘤小鼠免疫功能，增強其機體抗氧化能力，提高JNK 信號通路蛋白磷酸化水平，從而抑制其胃癌進展。由此可知，TrxR抑制物在調(diào)控惡性腫瘤的增殖中發(fā)揮著重要的作用。

3.2 TrxR 抑制劑調(diào)控結直腸癌腫瘤細胞的凋亡過程 抑制體內(nèi)線粒體呼吸生成的活性氧簇，并降低活性氧簇是氧化還原的重要過程?；钚匝醮啬軌蚪閷盘栟D(zhuǎn)導，并起到增強氧化應激的效果，通過細胞凋亡的形式而發(fā)揮介導細胞死亡的效果。TrxR 抑制細胞凋亡主要是以誘導Trx 進而激活下游通道的形式。TrxR 抑制細胞凋亡則是通過清除活性氧簇，讓氧化還原的平衡穩(wěn)定以達到凋亡抑制的作用[27]。同時，Trx 還能夠?qū)Φ蛲鲂盘柈a(chǎn)生抑制，從而調(diào)節(jié)激酶，以達到介導凋亡的效果。凋亡信號調(diào)節(jié)激酶主要是以p38 以及JNK 途徑介導凋亡，可引起細胞色素C 生成，并活化天冬氨酸蛋白水解酶。

在結直腸癌中，甘草查爾酮A（Licochalcone A，LCA）可降低腸癌細胞HCT-116 內(nèi)TrxR1 的表達，增加ASK1 的表達，ASK1 可被活性氧（ROS）激活，進而通過調(diào)節(jié)下游信號通路誘導細胞凋亡[28]。此外，還有研究發(fā)現(xiàn)抑制TrxR1 可減弱Trx 的還原，Trx 的還原狀態(tài)可抑制ASK1 的表達，從而抑制細胞凋亡[29]。另外，毛萼素B(EriB)可共價修飾GSH，并通過靶向酶的Sec 殘基選擇性地抑制TrxR 的活性，從而促進ROS 水平升高，總GSH 和硫醇含量降低，最終通過強效的氧化應激介導腸癌細胞RKO 發(fā)生凋亡[30]，此研究為使用EriB 治療結直腸癌開辟新的治療指征。

3.3 TrxR 與結直腸癌腫瘤血管形成的關系 結直腸癌的生長、增殖、遷移和侵襲的核心是有充足的血液，而其增生及轉(zhuǎn)移則是通過數(shù)量眾多新生血管的血液運輸來達到目的。血管的產(chǎn)生涉及多方面復雜的體系，并且還需要很好地協(xié)調(diào)來制衡，而Trx 系統(tǒng)在這些過程中發(fā)揮著重要的作用。有研究將線粒體TrxR2 提出后，會引起缺氧誘導因子及血管內(nèi)皮生長因子的降低，從而抑制腫瘤細胞及其血管生成，同時加速血管的形成，改善血管內(nèi)皮生長因子的功能[31]。

4 結語

TrxR 包括TrxR1、TrxR2 及TrxR3，其抑制劑分為可逆和非可逆兩類。目前針對TrxR 抑制劑抗結直腸癌作用研究，主要是與其調(diào)控結直腸癌腫瘤細胞增殖和凋亡，以及抑制腫瘤新生血管等途徑有關。TrxR 抑制劑目前已部分應用于臨床，且與化療藥物的療效有關，此研究不僅為疾病臨床診斷及預后的預測提供依據(jù)，還能為輔助臨床治療和改善化療藥物提供參考，但目前仍需更多深入研究以探索TrxR 在結直腸癌中的具體作用機制，為發(fā)掘以TrxR 為靶點治療的藥物研究提供更多可能性。