硫氧还蛋白与癌症.docx

硫氧还蛋白与癌症.docx

《硫氧还蛋白与癌症.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《硫氧还蛋白与癌症.docx（12页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

硫氧还蛋白与癌症

硫氧还蛋白与癌症：

硫氧还蛋白在肿瘤氧化中的作用

摘要

硫氧还蛋白是一种小型氧化复原调节蛋白,在维持细胞氧化复原体平衡和细胞存活扮演重要的角色，并且在许多癌症细胞中高度表达。

肿瘤环境通常处在有氧应激或缺氧性应激中，两种应激条件下硫氧还蛋白表达都会上调。

这些环境存在于肿瘤组织中是因为它们的异常血管网络导致不稳定的氧交换。

因此,人类肿瘤的氧化作用模式很复杂,导致缺氧/再氧化循环。

在致癌机制中,肿瘤细胞在应激细胞死亡常变得更加耐缺氧或氧化，大多数关于肿瘤氧化的研究都集中在这两种肿瘤细胞环境。

然而,最近的研究明确,低氧循环的发生对肿瘤细胞生理活动的作用比单独的氧化应激或缺氧应激的作用大的多。

已经知道硫氧还蛋白在这些细胞反响中扮有重要角色，一些研究也明确硫氧还蛋白是癌症研究进展中的突出贡献者。

然而,仅有很少有研究调查在癌细胞中硫氧还蛋白在缺氧和缺氧循环响应条件下的调节。

本文着重论述了硫氧还蛋白在各种类型的肿瘤氧化中的作用。

关键词：

硫氧还蛋白;肿瘤;缺氧;氧化应激;预处理;缺氧循环

一、引文

氧化应激和缺氧应激的微环境都普遍存在于肿瘤。

这些区域往往会产生高水平的抗氧化剂,特别是硫氧还蛋白（Trx）系统的成员,越来越多的证据明确,Trx系统在肿瘤的扩增和转移中发挥着重要的作用。

本文将重点关注Trx系统在不同氧化水平的肿瘤组织中的参与和调节。

二、氧稳态

氧体平衡对好氧生物机体是非常重要的。

然而,在一个细胞中这种平衡会被氧气含量的升高或降低打破。

因此,在控制细胞体平衡中氧气对环境适应性是至关重要的。

细胞利用不同的机制来适应升高或降低的细胞含氧量。

有氧生物不断通过几个氧化系统代谢氧气,例如NADPH氧化酶类,黄嘌呤/黄嘌呤氧化酶系统,线粒体呼吸链等。

然而,在许多情况下,氧失去一个电子形成大量的高度活性分子通常称为活性氧（ROS）。

ROS包括自由基与未配对电子,比如超氧阴离子自由基、羟基自由基和氧化剂如过氧化氢（H2O2）,所有的这些本质上是不稳定的,通常是高活性的。

甚至在正常生理条件下细胞也会产生活性氧分子。

ROS通过参与细胞信号转导和细胞的氧化复原调节扮演一些有益的角色。

例如,过氧化氢和过氧化阴离子是活性转录因子的氧化复原调节者,在细胞信号转导中一些细胞因子和生长因子、荷尔蒙和神经递质采用ROS作为二级信使。

另一方面,ROS也可以在细胞造成重大的伤害,比如破坏DNA,脂类物质的氧化，氧化蛋白质中氨基酸分子。

为保卫自身,细胞利用几个不同的抗氧化系统。

抗氧化剂分子通过阻止或减少ROS氧化目标的氧化抵消ROS过度产生。

因此,在正常生理条件下,有氧呼吸细胞的氧化复原（氧化复原）平衡是由ROS和抗氧化剂控调控的。

然而,在某些条件下ROS水平将大幅度增加,即发生所谓的氧化应激。

2.1氧化应激反响

为了重建胞氧化复原体平衡，次细胞的氧化应激反响,诱导一些抗氧化系统的表达。

抗氧化剂响应因子（ARE）是主要负责这一同步感应的调控因子,通常是启动子区域的基因诱导目标。

转录因子通过ARE因子Nrf-2（NF-E2相关因子）来调控诱导这些基因。

通过氧化应激,Nrf-2与巨噬细胞活化因子蛋白质在细胞核形成异二聚体,然后与ARE包含基因结合诱导应激反响。

因此,许多抗氧化系统,包括硫氧还蛋白系统,通过同时上调nrf2/ARE途径以应对氧化应激。

图1（a）Nrf-2/ARE途径原理为了应对氧化应激，ROS诱导Nrf-2核易位,然后与巨噬细胞活化因子形成异二聚体蛋白质。

这个复杂的异二聚体与ARE因子交互作用诱导抗氧化目的基因的转录。

（b）HIF-1/HRE途径原理。

常氧状态下HIF-1α在细胞质中迅速降解。

在低氧环境中HIF-1α变得稳定,它移位到细胞核与HIF-1β形成二聚体，然后与HRE因子结合诱导靶基因的转录。

图1

氧需求超过了供给,打破了细胞的氧化复原体平衡，称为缺氧条件。

这些细胞对这种不利条件的防御机制不同于氧化应激。

细胞主要是通过低介导的因子（HIFs）而不是激活Nrf-2/ARE途径来适应缺氧的压力。

这些HIFs结合到缺氧响应因子（HRE）的序列从而调节靶基因的表达。

低氧诱导因子〔HIF-1〕是由两个子单元构成。

当HIF-1α子单元处于一种氧依赖性的调控方式时，HIF-1β的子单元是变形的形式在细胞中表达（图1b）。

主要的目标基因上调应对低氧应激通过低氧诱导因子1/HRE途径参与厌氧代谢、血管生成和造血作用。

重要的是,所有这些目标基因要确保细胞通过产生的微小的能量恢复氧气稳态存活,或者细胞因持续缺乏能量而死亡。

有趣的是,硫氧还蛋白系统似乎也在低氧反响扮演重要角色（参见硫氧还蛋白与缺氧）。

三、硫氧复原蛋白系统

在硫氧还蛋白系统是由氧化复原性活跃的蛋白质硫氧还蛋白（Trx）、硫氧还蛋白复原酶（TrxR）和NADPH组成的。

这种抗氧化系统对正常的细胞功能是很重要的，我们观察到敲除小鼠Trx基因可导致小鼠胚胎死亡。

Trx的系统在许多细胞功能中扮演着重要的角色,包括调控氧化复原转录因子,合成脱氧核苷酸,细胞生长因子和调节氧化应激。

硫氧还蛋白是一种小分子（约12KDa）的泛表达蛋白质,这种蛋白质在所有物种中都是保守表达的。

所有Trxs有氧化复原活性部位的氨基酸序列半胱氨酸-甘胺酸脯氨酸-半胱氨酸〔Cys-Gly-Pro-Cys〕,它可以减少在蛋白质和多肽的二硫键化合物。

降低Trx催化作用，降低活性氧在细胞外氧化许多蛋白质的半胱氨酸并且在这一过程中Trx本身变得具有氧化性。

Trx会因TrxR消耗NADPH而减少（图2）。

TrxR是目前的唯一的Trx电子供体。

图2硫氧还蛋白（Trx）氧化复原系统的作用机制。

在氧化细胞蛋白质中减少Trx催化复原的二硫化物（s-s）,如过氧化物氧化复原蛋白（Prx）。

在这个过程中,Trx通过减少硫氧还蛋白复原酶（TrxR）消耗NADPH而被氧化。

图2

三种亚型并都包含有保守的活性部位的Trx已确定在哺乳动物细胞存在。

他们是Trx1〔一种细胞质蛋白质〕;Trx2〔一种线粒体蛋白〕;SpTrx〔主要在精细胞中表达〕。

哺乳动物细胞也含有三种亚型的TrxRs。

他们是胞质蛋白TrxR1,线粒体蛋白TrxR2和睾丸特定硫氧还蛋白谷胱甘肽复原酶（TGR）。

哺乳动物的TrxRs可以大量催化分解小分子基质来增强它调控Trxs的作用。

这些基质包括抗坏血酸,脂质氢过氧化物,α-硫辛酸和过氧化氢。

Trx-1系统包括Trx1和TrxR1。

除非另有说明,本文中的Trx和TrxR均指的是胞质Trx1和胞质TrxR1。

硫氧还蛋白可以通过直接淬火单线态氧和去除羟基自由基或者间接通过减少氧化ROS靶蛋白来发挥其抗氧化功能。

然而,Trx大多通过抗氧化蛋白（Prx）,也称为硫氧还蛋白氧化物酶来完成其抗氧化功能。

Prx使用SH组作为当量直接复原的过氧化物,如过氧化氢和不同烷基氢过氧化物。

氧化的Prx可以通过Trx回到其原本状态（图2）。

Trx可以存在于细胞外环境、细胞质和细胞核中。

然而,Trx在每一个不同的环境具有明显不同的作用。

细胞外Trx衍生趋化因子具有活性,可以在细胞质Trx调节细胞的氧化复原平衡和某些蛋白质的活性。

在细胞核中,Trx已被证实与许多转录因子相关,从而调节基因的表达。

因此,Trx负责维持调控许多依赖硫醇氧化复原状态水平的重要细胞生理过程。

四、硫氧还蛋白和转录因子

转录因子是通过改变基因表达谱来调节细胞功能的蛋白质。

从而细胞可以调整他们的转录组来适应正常的生理和病理生理状态下氧气水平的改变。

一些转录因子通过Trx氧化复原的规如此而激活,动作电位,以此来调节他们的DNA粘粘活性。

尽管其他转录因子使用Ref-1（氧化复原因子-1）作为中间物，但硫氧还蛋白可以直接减少一些转录因子。

在这些转录因子中一个特定的半胱氨酸残基（s）被Ref-1降解,导致DNA的粘粘活性增强。

为了促进Ref-1催化这种按其需要进展降解的方式,它是由Trx催化的。

转录因子依赖Trx/Ref-1的交互作用促进许多基因的激活,促进细胞在应对不利条件包括氧化应激和缺氧条件下保持活力。

除了作为一个主要的氧化复原信号因子,Ref-1也是一个DNA修复酶。

它参与根底的切除修复（BER）途径。

BER途径是负责修复DNA的缺嘌呤/缺嘧啶（AP）位点,这是活性氧损伤主要的终极产物。

因此,Trx在保护细胞免受通过Ref-1刺激的氧化应激反响有一些重要的功能。

有种依赖于Trx/Ref-1交互作用的转录因子是激活蛋白-1（AP-1）。

AP-1不是一个单一的转录因子,而是由各种不同的人类或者异源二聚体之间形成的碱性亮氨酸拉链（bZIP）的家族蛋白质。

二聚复合物主要是由Jun二聚体和Jun-Fos异源二聚体.尽管Jun家族和Fos家族都包含多个成员,AP-1转录因子仍广泛参与多个生理功能。

例如,AP-1调节相关细胞生长基因的表达以应对外部刺激。

DNA链的AP-1基因一种半胱氨酸残基的氧化复原状态调控，这种残基在DNA结合域的两种蛋白质结合成二聚物。

Trx通过Ref-1间接降解这些半胱氨酸,从而增加了DNA链上AP-1结合位点的活性（图3）。

这样,Trx也促进了细胞生长。

图3硫氧还蛋白（Trx）和转录因子的氧化复原信号。

Trx在细胞质通过调控氧化复原ASK-1和去除活性氧抑制Iκβ降解来负调节细胞凋亡。

在氧化条件下,Trx转移到细胞核,通过降解其半胱氨酸残基增大DNA链上NF-κβ基因结合位点活性。

Trx也能增大DNA链上其他转录因子的活性,如AP-1和HIF-1（低氧诱导因）,间接地通过中间物Ref-1。

红线显示一个抑制效应。

S-S=氧化形式。

SH=缩减形式。

图3

HIF-1α是另一个重要的通过Ref-1受Trx调控的转录因子，它控制着缺氧应激反响基因的表达。

HIF-1中的HIF-1α亚基的单个半胱氨酸残的氧化复原修复对于HIF-1与CBP/p300共同激活剂间的直接相互作用是非常必要的,这会通过低氧反响元素（HRE）增加目的基因的表达。

Trx,通过Ref-1,是间接作用于这一修复过程（图3）。

Trx也可以在没有Ref-1的情况下直接作用于一些转录因子。

例如,Trx可以通过激活核转录因子（NF）-κB影响细胞凋亡，核转录因子（NF）-κB调节抗细胞死亡基因的表达。

在细胞质中,ROS介导抑制剂IκB的降解来激活NF-κB细胞核转导。

Trx是一种抗氧化剂并在细胞质去除活性氧,从而抑制IκB的降解。

然而,为了应对NF-κB活化刺激，Trx从细胞质转移到细胞核,在细胞核Trx会激活DNA链上的NF-κB基因（图3）。

Trx直接催化降解NF-κB的一个半胱氨酸并允许NF-κB依赖基因的表达。

此外,Trx通过与ASK-1〔细胞凋亡信号调控激酶-1〕相关联直接跟细胞凋亡通路相互作用,ASK-1是MAPKKK家族的一员。

降低Trx与ASK-1在氧化复原依赖的方式下的生理作用,并抑制其活性。

当Trx被ROS氧化后它与ASK-1解离来,然后被激活以引导凋亡信号转导（图3）。

这种ROS诱导凋亡是对氧化应激的一种防御机制。

五、硫氧还蛋白和氧化应激

当Trx氧化应激时,在某种程度上,减少细胞蛋白质和降低活性氧的水平抗氧化防御的一局部。

在应对氧化应激时，Trx也会转移到细胞核,它能通过氧化复原修复发挥转录因子的调控功能。

通过调节一些转录因子的活性Trx可以影响很多重要的细胞功能以应对氧化应激,包括DNA修复,细胞生长与增殖和细胞凋亡。

已经证实,Trx基因的表达受氧化应激诱导,这种诱导现象主要由Trx启动子中Nrf2与ARE元素相连结来调节。

TrxR和Prx启动子也包含ARE元素，它是负责在应对氧化应激时的诱导表达。

值得注意的是,在处于复原态的Trx可以增强Nrf2与ARE的连结,从而激活它。

此外,Ref-1在应对氧化应激反响时表达上调。

因此氧化应激会导致Trx水平的升高,进而激活转录因子诱导更高水平的Trx和其他抗氧化剂。

众所周知的是,癌症细胞与正常细胞相比处于氧化应激