活性氧与肿瘤

活性氧与肿瘤孙国贵 【摘要】活性氧(reactive oxygen species,ROS)是近年来基础医学和生命科学领 域研究的热点.大量研究发现,ROS不仅参与细胞凋亡、坏死，还可参与细胞间信号 转导，影响基因的表达，从而促进细胞的增殖分化，导致细胞凋亡减少或增殖过度而易 引发肿瘤.因此，通过探讨ROS在肿瘤发生、发展及治疗中的作用，将为肿瘤防治打 开新的视野.【期刊名称】癌变畸变突变 【年(卷)，期】2011(023)001 【总页数】3页(P78-80) 【关键词】活性氧;肿瘤;氧化应激 【作者】孙国贵【作者单位】河北医科大学第四医院放疗科，河北，石家庄,050011【正文语种】中文【中图分类】R730.54 自由基是指在1个轨道上具有1个不成对电子的原子或原子团。一般通过分子或 离子的均裂获得：即A：BtA + B。活性氧(reactive oxygen species , ROS)是 类由氧形成、并在分子组成上含有氧且化学性质比氧自身活泼的氧原子或原子团; 主要是含氧自由基和易于形成自由基的过氧化物，如超氧自由基(O.-2)、过氧化氢 (H2O2)、羟自由基(OH)等。ROS主要由分子氧经线粒体内膜(inner mitochondrial membrane , IMM)呼吸链复合体 I(NADH/biquinone oxidoreductase)及复合体 B(ubiquinol/cytochrome c oxidoreductase)传递产 生1。在正常的生理情况下，约有2%的氧消耗在线粒体，用于生成ROS2。除 线粒体外，其它内源性产生途径还有一氧化氮合成酶(NOS)，细胞色素P450(Cyto P450) , NADPH 氧化酶(NOX),脂加氧酶(LOX)，环加氧酶(COX), 黄嘌呤氧化酶(XO)等3;而外源性ROS产生途径主要包括电离辐射、金属离子、 佛波醇酯类、氯化合物及细菌感染等。生理状态下，机体多种抗氧化酶(SOD、GPx、GST、CAT等)不断清除细胞内产生 的ROS及自由基。ROS在不断产生及清除中保持氧化-还原系统稳定，并在人体 整个生理过程中发挥重要作用4。然而，这种动态平衡一旦受到破坏导致ROS过 剩(ROS产生增多或抗氧化酶减少)，将引起各种氧化应激(oxidative stress )的发生， 对细胞造成伤害，严重时会导致细胞死亡。研究表明，抗氧化应激系统缺陷是肿瘤 细胞的共性，增加的氧化应激通过改变细胞内氧化还原状态、氧化修饰关键氨基酸 残基来攻击细胞的DNA、脂质及蛋白质而引发一系列病理过程，包括各种心血管 疾病，神经退行性疾病，衰老及肿瘤的发生等150余种疾病4 - 5。2.1 ROS 与 nDNA肿瘤形成需要经历启动(initiation)、促进(promotion)及进展(progression个阶 段。目前研究证明，ROS参与了肿瘤形成的3个阶段6 , ROS诱导核 DNA(nuclear DNA, nDNA)氧化性损伤与肿瘤的发生密不可分7。ROS通过诱 导nDNA单链或双链的断裂或交联引起嘌呤、嘧啶及脱氧核糖发生nDNA突变。 羟自由基(OH)是极强的氧化剂，可以氧化脱氧核糖核苷酸、磷酸基骨架、嘌呤碱 基及嘧啶碱基等nDNA的全部组成部分，进而形成许多DNA突变产物。人类8- 羟基鸟嘌呤糖苷酶(8-OHG)是OH在机体形成的DNA碱基损伤最为普遍的形式， 并且导致A:T-G:C的颠换8，这种永久修饰基因的产生是DNA突变和肿瘤发 生的基础。Ras原癌基因及肺癌、肝癌组织中的抑癌基因都被发现有A：T-G:C 的颠换6。这暗示ROS通过介导原癌基因的激活或抑癌基因的失活而诱发nDNA 的突变来参与肿瘤活化的初始阶段。此外，NO-、ONOO -则能作用于nDNA 碱基从而导致其单链断裂9，进一步引起nDNA突变。据估计，哺乳动物细胞每 天遭受OH及其它ROS自由基大约1.5x105次氧化攻击10,而这些氧化修饰性 攻击可能是引发nDNA突变的关键因素。经反复作用，nDNA修复功能出现异常， 从而产生具有形成肿瘤潜力的细胞(initiation)。ROS诱导的持续性氧化损伤能够 进一步扩大这些启动细胞的克隆性选择，并且逐渐形成为具有新特征的细胞亚群 (promotion)。最后，细胞凋亡减少，基因组不稳定性及异型性增加，进展为突变 细胞，导致肿瘤发生(progression)11-122.2 ROS 与 mtDNA线粒体DNA(mitochondria DNA , mtDNA)具有编码呼吸链氧化磷酸化复合体中 13条多肽链的基因及线粒体蛋白质合成所需要的22个tRNA、2个rRNA的基因。 mtDNA突变可影响氧化磷酸化的过程，引起一系列病理变化而诱发肿瘤13。目 前，虽然肿瘤细胞内mtDNA突变的位点、程度及机制尚不清楚，但大部分肿瘤 组织，如肺癌、乳腺癌、肝癌、胃癌、肾癌、膀胱癌、淋巴瘤等都发现了 mtDNA 突变13 -14。mtDNA含有的MTATP6基因突变可能参与了肿瘤活化，并且抑 制肿瘤细胞凋亡15。Wang等16发现，肿瘤细胞内mtDNA表达水平增高，可 能是对肿瘤细胞能量需求增多适应性反应的结果，促使肿瘤细胞凋亡减少，并与致 癌有关。与nDNA相比，mtDNA由于缺乏蛋白质保护和抗氧化酶损伤修复系统3，更容易受到ROS的损伤作用而发生突变，其突变率是nDNA的1020倍， 而抗氧化酶则可减少细胞突变的发生。mtDNA突变又能够增加ROS的产生，进 步加剧mtDNA的突变效应，使突变量积累(mtDNA的错配、插入、缺失及框 移等)而加速核染色体畸变17,从而增加肿瘤发生的风险。由于编码mtDNA复 制、转录所需的大部分酶均由nDNA调控，因此由ROS介导的氧化损伤所致的线 粒体基因组不稳定(mitochondrial genome instability，mtGI)18以及 mtDNA 损伤片段通过不良插入整合nDNA有可能带来核基因组不稳定，两者可能共同参 与了多阶段致癌过程12。Shay等19进一步研究发现，mtDNA上几段不相连 的基因(12SrRNA、COXI、ND4L/ND4)中的一部分相连而成的片段整合入HeLa TG细胞，而整合位点在myc基因附近；这更加提示，mtDNA、nDNA两者共同 作用在多阶段致癌过程中可能发挥了主导作用。2.3 ROS与脂质生物膜磷脂中的多不饱和脂肪酸(PUFA)因含多个双键而化学性质活泼，容易受到 ROS的攻击而发生脂类氧化反应。经过自由基连锁反应(引发作用、扩增作用、终 止作用)20,形成一系列脂质中间产物及终产物，如脂氧自由基(LO)、脂过氧自 由基(LOO)、氢过氧化脂(LOOH)、丙二醛(MDA)及4-羟基烯醛(HNE)等。MDA 能够进一步作用于DNA碱基G、A、C而各自形成M1G、M1A及M1C引起基 因突变20-21。HNE则可通过调控下游信号转导分子(JNK、PKC、c-jun、c- myc、c-myb、AP-1及NF-kB)而引起细胞功能改变22。2.4 ROS与蛋白质ROS不仅能氧化蛋白质主链，而且还能氧化侧链氨基酸残基，尤其对赖氨酸、精 氨酸、组氨酸、脯氨酸及苏氨酸更为敏感23。ROS攻击蛋白质后形成羰基衍生 物，因此蛋白质羰基已成为判断ROS介导蛋白质氧化和氧化应激的定量指标20。 蛋白质羰基能够改变其三级结构，导致蛋白质部分或全部伸展，尤其易于形成蛋白 质-蛋白质之间的潜在有害交联物24。ONOO-能引起半胱氨酸、酪氨酸、蛋氨 酸及色氨酸的难逆性亚硝基化。酪氨酸亚硝基化能够进一步抑制其磷酸化及腺苷化 25,从而引起重要的蛋白质功能障碍。严重的氧化应激亦可诱导二硫键介导的蛋 白交联、蛋白质过氧化物、脂质过氧化物及糖基化产物之间加合物的形成，并且能 够进一步抑制20 S、26 S多催化活性蛋白酶26,其生物学功能必然发生巨大变 化。ROS诱导肿瘤形成，存在一定的剂量-效应关系。目前研究认为：急性、高浓度的 ROS损伤DNA、蛋白质及脂质，引起细胞凋亡、坏死5,23,27 - 28;中等浓度 的ROS引起细胞周期暂时性或永久性阻滞，并可能诱导细胞分化27;慢性、低 水平的ROS促进细胞有丝分裂与细胞增殖，并且增加基因组不稳定性而诱导肿瘤 的发生及进展5,23,27 - 28。Lau等29研究发现，通过亚硝酸盐作用产生高浓 度的ROS，诱导大鼠肺上皮细胞(LEC)凋亡，并且这种作用能被谷胱甘肽(GSH 阻断；而亚硝酸盐作用产生的慢性、低浓度的ROS则诱导LEC恶性肿瘤的形成 30。对于正常细胞，由于高浓度的ROS能够损伤DNA、脂质及蛋白质，这些氧化应 激的累积效应则可能诱发癌变7,20 - 21,24,27；低浓度的平衡状态的ROS则对 维持正常细胞的生理功能具有重要作用3。然而对于肿瘤细胞，高浓度的ROS则 可引起细胞凋亡、坏死；慢性、较低水平的ROS则促进肿瘤细胞克隆性增生 5,23,27 - 28。Szatrowski等24,31 - 32研究发现，肿瘤细胞比正常细胞产生 较多的ROS。这可能提示：缓慢增加的ROS可能促进了肿瘤的发生发展。虽然ROS对肿瘤的形成和发展起重要作用，但同时ROS亦具有抗肿瘤作用，高 浓度的ROS诱导肿瘤细胞氧化损伤，引起其凋亡或坏死。许多研究表明，肿瘤细 胞自身能够诱导氧化应激，其ROS水平高于正常细胞内的ROS水平，并且对于 氧化应激反应更为敏感；而其谷胱甘肽过氧化物酶(GPx)、超氧化物歧化酶(SOD) 含量较正常细胞低24,27,31 - 32。这说明，肿瘤细胞本身高浓度的ROS、肿瘤 细胞对ROS的易感性和其抗氧化损伤防御系统缺陷这3个因素，决定了细胞内同 样浓度ROS的作用下，肿瘤细胞首先发生凋亡而正常细胞则能耐受。化学及放射治疗主要通过产生高浓度的ROS引起细胞凋亡。高浓度的ROS通过 调节线粒体内膜的腺嘌呤核苷酸转位蛋白(ANT)分子构象而诱导线粒体膜通透性 (MPT糜运孔开放，并且进一步降低线粒体跨膜电位(Apm),活化细胞色素c，凋 亡酶激活因子(APAF-1),caspase-8、9、10 , caspase-3. 6、7而诱导细胞凋亡 24。Sen等33研究发现，伊立替康(CPT)通过增加细胞内ROS的水平降低线粒 体跨膜电位(Apm)而引起细胞凋亡。进一步研究显示，CPT通过产生ROS诱导开 放非选择型和L- Ca2 +型电压门控通路，引起肌浆网Ca2 +- ATP酶功能失调而 增加胞浆中游离Ca2 +,游离Ca2 +的大量增加则能够促进线粒体氧化磷酸化 (oxidative phosphorylation , OXHPOS)解耦连而导致细胞凋亡34。卡铂(CBP) 通过诱导ROS激活膜死亡受体Fas(APO-1)通路而促进细胞凋亡35。放射辐射中 产生的H2O2引起pm下降，诱导活化细胞色素c释放，Caspase活化，最终 导致细胞凋亡，并且随H2O2浓度从pmol/L到mmol/L级分别诱导细胞凋亡和 坏死；而过氧化氢酶(CAT)则能抑制H2O2引起的细胞凋亡36。抗氧化酶(SOD、GPx、GST、CAT等)可保护DNA免受ROS损害，从根本上避 免基因突变的发生。由于抗氧化酶能够减少ROS产生，因此Salganik等认为抗 氧化酶应避免用于同步放化疗24,37。然而许多证据表明，ROS并非是放化疗杀 伤癌细胞的唯一因素，而抗氧化酶能够增加放化疗效果并且降低其副作用，具有放 射增敏作用24。ROS既可致癌又可通过细胞毒作用而引起肿瘤细胞凋亡甚至坏死。不同含量及种 类的ROS对细胞的作用不同，如何利用抗氧化酶(MnSOD等)、抗肿瘤药物、放 疗剂量来调节ROS产生的水平、种类，以提高对肿瘤细胞的杀伤同时减少对正常 组织损伤，是抗肿瘤治疗研究的目标；进一步阐明ROS的分子信号机制，对探索 肿瘤基因治疗新理论具有重大的意义。1Fleury C , Mignotte B. Mitochondrial reactive oxygen species in cell deathsignalingJ. Biochimie , 2002, 8 4(2/3): 1 31 - 141.2 Chance B, Sies H, Boveris A. Hydroperoxide metabolism in mammalian orgnsJ. Physiological Reviews, 1979, 5 9(3): 5 27 - 605.3 Inoue M , Sato EF , Nishikawa M , et al. Mitochondrial generation of reactive oxygen species and its role in aerobic lifeJ. Curr Med Chem , 2003, 1 0(23): 2 495 - 2505.4 Winterbourn CC. Reconciling the chemistry and biology of reactive oxygen speciesJ. Nat Chem Biol , 2008, 4 (5): 2 78 - 286.5 Nishikawa M. Reactive oxygen species in tumor metastasisJ. Cancer Lett, 2008, 2 66(1) : 53 - 59.6 Panayiotidis M. Reactive oxygen species (ROS) in multistage carcinogenesisJ. Cancer Lett , 2008, 2 66(1): 3 - 5.7 Dreher D , Junod AF. Role of oxygen free radicals in cancer developmentJ. Eur J Cancer, 1996, 3 2A(1): 3 0 - 38.8 Haghdoost S , Czene S , Naslund I , et al. Extracellular 8-oxo-dG as a sensitive parameter for oxidative stress in vivo and in vitroJ. Free Radic Res , 2005, 3 9(2): 1 53 - 162.9 Tsuzuki T , Nakatsu Y , Nakabeppu Y.Significance of error avoiding mechanisms for oxidative DNA damage in carcinogenesisJ.Cancer Sci , 2007, 9 8(4):465-470.10 Beckman KB , Ames BN. Oxidative decay of DNAJ. J Biol Chem , 1997, 2 72 (32): 1 9633 - 19636.11 Marnett LJ. Oxyradicals and DNA damageJ. Carcinogenesis , 2000, 2 1(3): 361-370.12 Cooke MS. Oxidative DNA damage : mechanisms , mutation , and13 Penta JS , Johnson FM, Wachsman JT , et al. Mitochondrial DNA in human malignancyJ. Mutat Res , 2001, 4 88(2): 1 19 - 133.14 Kim GJ , Chandrasekaran K , Morgan WF. Mitochondrial dysfunction , persistently elevated levels of reactive oxygen species and radiation- induced genomic instability : a reviewJ. Mutagenesis , 2006, 2 1(6) : 361 -367.15 Shidara Y , Yamagata K , Kanamori T , et al. Positive contribution of pathogenic mutations in the mitochondrial genome to the promotion of cancer by prevention from apoptosis J. Cancer Res , 2005, 65(5): 1655 - 1663.16 Wang J , Silva JP , Gustafsson CM , et al. Increased in vivo apoptosis in cells lacking mitochondrial DNA gene expression J. Proc Natl Acad Sic USA , 2001, 9 8(7): 4 038 - 4043.17 Singh KK. Mitochondrial dysfunction is a common phenotype in aging and cancerJ. Ann NY Acad Sci , 2004, 1 019: 2 60 - 264.18 Binachi NO , Bianchi MS , Richard SM. Mitochondrial genome instability in human cancersJ. Mutat Res , 2001, 4 88(l): 9 - 23.19 Shay JW. New evidence for the insertion of mitochondrial DNA into the human genome : significance for cancer and agingJ. Mutat Res , 1992, 275(3/4/5/6): 2 27 - 235.20 Trachootham D , Lu W , Ogasawara MA , et al. Redox regulation of cell survivalJ. 2 008, 10(8): 1 343 - 1374.21 Marnett LJ. Lipid peroxidation-DNA damage by malondialdehydeJ.22 Leonarduzzi G , Arkan MC , Basaga H , et al. Lipid oxidation products in cell signalingJ. Free Radic Biol Med , 2000, 2 8(9): 1 370 - 1378.23 Valko M , Rhodes CJ , Moncol J , et al. Free radicals, metals and antioxidants in oxidative stress-induced cancerJ. Chem Biol Interact , 2006, 160 (1): 1 - 40.24 Orrenius S , Gogvadze V , Zhivotovsky B. Mitochondrial oxidative stress : implications for cell deathJ. Annu Rev Pharmacol Toxicol , 2007, 4 7: 1 43 - 183.25 Radi R , Peluffo G , Alvarez MN , et al. Unraveling peroxynitrite formation in biological systemsJ. Free Radic Biol Med , 2001, 30(5): 463 - 488.26 Poppek D , Grune T. Proteasomal defense of oxidative protein modificationsJ. Antioxid Redox Signal , 2006, 8 (1): 1 73 - 184.27 Lau AT , Wang Y , Chiu JF. Reactive oxygen species : current knowledge and applications in cancer research and therapeuticJ. J Cell Biochem , 2008, 1 04 (2): 6 57 - 667.28 Finkel T , Holbrook NJ. Oxidants , oxidative stress and the boilogy of ageingJ. Nature , 2000, 4 08 (6809): 2 39 - 247.29 Lau AT , He QY , Chiu JF. A proteome analysis of the arsenite response in cultured lung cells: Evidence for in vitro oxidative stress-induced apoptosisJ. Biochem J , 2004, 3 82(Suppl 2): 6 41 - 650.30 Lau AT , Chiu JF. Proteomic and biochemical analyses of in vitro carcinogen- induced lung cell transformation : Synergism between arsenicand benzoapyreneJ. Proteomics , 2006, 6 (5): 1 619 - 1630.31 Szatrowski TP. Production of large amounts of hydrogen peroxide by human tumor cellsJ. Cancer Res , 1991, 5 1(3): 7 94 - 798.32 Schumacker PT. Reactive oxygen species in cancer cells : Live by the sword , die by the swordJ. cancer cell , 2006, 10(3): 1 75 - 6.33 Sen N , Das BB , Ganguly A , et al. Camptothecin induced mitochondrial dysfunction leading to programmed cell death in unicellular hemoflagellate Leishmania donovaniJ. Cell Death Differ , 2004, 11(8): 924 -936.34 Sen N , Das BB , Ganguly A , et al. Camptothecin-induced imbal ance in intracellular cation homeostasis regulates programmed cell death in unicellular hemoflagellate Leishmania donovaniJ. J Biol Chem , 2004, 279(50): 5 2366-52375.35 Huang HL , Fang LW , Lu SP , et al. DNA-damaging reagents induce apoptosis through reactive oxygen species-dependent Fas aggregationJ. Oncogene , 2003, 2 2(50): 8 168 - 8177.36 S imon HU. Role of reactive oxygen species(ROS) in apoptosis inductionJ. Apoptosis , 2000, 5 (5): 4 15 - 418.37 Salganik RI. The benefits and hazards of antioxidants : Controlling apoptosis and other protective mechanisms in cancer patients and the human populationJ. J Am Coll Nutr, 2001, 2 0(Suppl 5): 4 64 - 472.