線粒體氧化應(yīng)激與腫瘤的研究進(jìn)展

韓曉丹，黃國(guó)錦,2(通信作者*)

（1.桂林醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院呼吸疾病實(shí)驗(yàn)室，廣西 桂林 541000；2. 桂林醫(yī)學(xué)院廣西肝損傷與修復(fù)分子醫(yī)學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 桂林 541000；）

0 引言

在正常的生理情況下，細(xì)胞主要依靠葡萄糖進(jìn)入細(xì)胞后通過(guò)有氧氧化和無(wú)氧酵解產(chǎn)生ATP 來(lái)供能[1,2]。有氧氧化是在有氧條件下葡萄糖分解并產(chǎn)生乙酰輔酶A，通過(guò)線粒體呼吸鏈反應(yīng)，產(chǎn)生大量ATP 達(dá)到供能目的，是細(xì)胞最主要的功能形式。而無(wú)氧氧化則是葡萄糖直接在無(wú)氧氣參與的情況下轉(zhuǎn)化為乳酸，僅釋放極少能量[3-5]。1956 年，Warburg 開(kāi)創(chuàng)性地發(fā)現(xiàn)癌細(xì)胞在有氧條件下仍進(jìn)行糖酵解，將葡萄糖發(fā)酵成為乳酸，而非完全氧化供能。這一發(fā)現(xiàn)使得人們開(kāi)始關(guān)注線粒體在腫瘤發(fā)生過(guò)程中的作用[6]。在癌細(xì)胞中，線粒體的生物學(xué)功能能夠使其在惡劣環(huán)境中適應(yīng)并生存。本文就線粒體氧化應(yīng)激與腫瘤發(fā)生之間的關(guān)系展開(kāi)綜述，進(jìn)一步了解腫瘤發(fā)生過(guò)程中線粒體生物學(xué)功能的發(fā)生機(jī)制。

1 線粒體氧化應(yīng)激與活性氧產(chǎn)生

線粒體是一種存在于大多數(shù)真核細(xì)胞中的半自主細(xì)胞器，是細(xì)胞產(chǎn)能的場(chǎng)所。此外，它能夠產(chǎn)生活性氧（reactive oxygen species , ROS）、氧化還原分子和代謝產(chǎn)物，調(diào)節(jié)細(xì)胞信號(hào)傳導(dǎo)和細(xì)胞死亡，以及生物合成代謝物。以上諸多功能使線粒體在正常生理環(huán)境下成為重要的細(xì)胞應(yīng)激傳感器，使細(xì)胞能夠適應(yīng)微環(huán)境生存。

活性氧多由體內(nèi)正常的生理代謝反應(yīng)產(chǎn)生，包括以自由基形式存在的超氧陰離子自由基（O2-·）和羥基自由基（OH·），以及以非自由基形式存在的中間代謝產(chǎn)物過(guò)氧化氫（H2O2）等[7]。線粒體是活性氧產(chǎn)生的重要場(chǎng)所，多達(dá)1%的線粒體O2消耗量用于生產(chǎn)超氧化物[8,9]。此外，線粒體中仍具有多種中和活性氧的抗氧化劑途徑，包括超氧化物歧化酶（Superoxide dismutase 2，SOD2）、谷胱甘肽、硫氧還蛋白和過(guò)氧化物酶。正常生理狀態(tài)下，活性氧通常保持在低濃度水平，并可通過(guò)信號(hào)傳導(dǎo)參與細(xì)胞調(diào)節(jié)，維持生命活動(dòng)。而在病理狀態(tài)下，其濃度的升高則會(huì)打破抗氧化保護(hù)機(jī)制的平衡，導(dǎo)致氧化應(yīng)激的發(fā)生從而引起細(xì)胞損傷與生理功能上的障礙。

2 線粒體氧化應(yīng)激與腫瘤發(fā)生

在早期研究中發(fā)現(xiàn)，癌細(xì)胞中具有高水平的活性氧存在?；钚匝跬ㄟ^(guò)線粒體電子傳遞鏈（electron transport chain，ETC）產(chǎn)生，在腫瘤發(fā)生過(guò)程中，由于癌基因信號(hào)、電子傳遞鏈突變以及低氧環(huán)境等因素的影響，都可因反應(yīng)加劇導(dǎo)致其產(chǎn)量增多。大量活性氧的產(chǎn)生將促進(jìn)蛋白質(zhì)、DNA 及脂質(zhì)大分子的氧化，使得基因組不穩(wěn)定，從而進(jìn)一步促進(jìn)轉(zhuǎn)化。因此作出假設(shè)，猜測(cè)活性氧升高可促進(jìn)腫瘤的發(fā)生，相應(yīng)的，抑制活性氧可能成為治療腫瘤的一種途徑[10]。但是在后續(xù)的研究中人們發(fā)現(xiàn)了其中更加復(fù)雜化的關(guān)系，活性氧可刺激信號(hào)傳導(dǎo)與增殖，同時(shí)使相應(yīng)的抗氧化劑途徑得到上調(diào)，阻止活性氧介導(dǎo)的細(xì)胞毒性，甚至有可能促進(jìn)腫瘤細(xì)胞的生存[11,12]。

2.1 線粒體氧化應(yīng)激調(diào)節(jié)信號(hào)通路

許多研究證明，活性氧可以通過(guò)引起可逆的轉(zhuǎn)錄后蛋白修飾來(lái)調(diào)控信號(hào)通路。具體來(lái)說(shuō)，過(guò)氧化氫可以氧化半胱氨酸殘基上的硫醇基團(tuán)(-SH)形成磺胺酸(-SOH)，后者與谷胱甘肽反應(yīng)后谷胱甘肽化(- SSG)，與鄰近的硫醇形成二硫鍵(-SS -)，或與酰胺形成磺基酰胺(- SN -)[13]。每一種修飾都可以改變靶蛋白的活性，從而改變其在信號(hào)通路中的功能。另外，活性氧也可以通過(guò)這種方式調(diào)控磷酸酶，因其具有反應(yīng)性半胱氨酸，可通過(guò)可逆性地氧化催化結(jié)構(gòu)域，磷酸酶似乎可以通過(guò)這種方式受到活性氧的調(diào)控，因?yàn)樗鼈兊拇呋Y(jié)構(gòu)域具有活性的半胱氨酸，可被可逆氧化抑制去磷酸化活性[14]。

抑癌基因PTEN(phosphatase and tensin homolog deleted on chromosome ten)是腫瘤抑制磷酸酶和張力蛋白同源物，具有脂質(zhì)和蛋白質(zhì)磷酸酶活性。同時(shí)，PTEN 有雙重特異性蛋白酪氨酸磷酸酶的作用，且可以?xún)?yōu)先催化磷酸肌醇底物的去磷酸化。磷脂酰肌醇-3,4,5- 三磷酸（phosphatidylinositol-3,4,5-bisphosphate,PIP3）是蛋白激酶B（protein kinase B,PKB/Akt）的有效激活劑，PTEN 可使磷脂酰肌醇-3,4,5-三磷酸（phosphatidylinositol-3,4,5-bisphosphate,PIP3）磷酸化，從而抑制了Akt 的活性。而在許多腫瘤細(xì)胞中，活性氧升高后，過(guò)氧化氫可通過(guò)氧化抑癌基因PTEN 活性位點(diǎn)上的半胱氨酸殘基使其失活，形成二硫鍵，從而阻止PTEN 抑制磷酸肌醇3-激酶（phosphatidylinositide 3-kinase，PI3K）通路。

磷酸肌醇3-激酶是一種普遍存在于胞內(nèi)的脂類(lèi)激酶，在細(xì)胞增殖、分化、凋亡等過(guò)程中起到重要的調(diào)節(jié)作用。磷酸肌醇3-激酶通路在許多癌癥中被過(guò)度激活，其激活可促進(jìn)細(xì)胞的存活與增殖，并增加細(xì)胞遷移性[15]。生長(zhǎng)因子結(jié)合并激活其受體后，激活的受體通過(guò)激活磷酸肌醇3-激酶的催化亞基p110，使磷酸肌醇（phosphoinositide，PI）磷酸化，最終激活A(yù)kt。Akt 的激活可通過(guò)調(diào)節(jié)磷酸肌醇3-激酶通路，促進(jìn)細(xì)胞增殖并抑制細(xì)胞凋亡。PTEN 的半胱氨酸殘基由于過(guò)氧化氫的氧化而失活，磷酸肌醇3-激酶信號(hào)通路即因失活的PTEN 而激活。激活的信號(hào)通路可通過(guò)使糖原合成的酶激酶-3β（glycogen synthase kinase-3β，GSK-3β）磷酸化導(dǎo)致其活性降低，促進(jìn)丙酮酸脫氫酶和α-酮戊二酸脫氫酶復(fù)合體的生成，使得活性氧生成增加，從而促進(jìn)腫瘤細(xì)胞的生存與增殖[16,17]。

細(xì)胞內(nèi)活性氧水平對(duì)磷酸肌醇3-激酶通路亦可以產(chǎn)生影響。有研究證實(shí)，活性氧可氧化PTEN 上的活性位點(diǎn)半胱氨酸，使其與另一種蛋白內(nèi)半胱氨酸形成二硫鍵，以此使得PTEN 失活、磷酸肌醇3-激酶通路的永久激活[18-20]。線粒體活性氧（mitochondrial reactive oxygen species, mROS）亦可抑制PTEN 并激活A(yù)kt。除此之外，活性氧還可抑制蛋白磷酸酶2A（protein phosphatase 2A，PP2A）和蛋白酪氨酸磷酸酶1B（proteintyrosinephosphatase 1B，PTP1B）等磷酸酶的活性[21,22]。 正常情況下，蛋白磷酸酶2A 與蛋白酪氨酸磷酸酶1B 可通過(guò)去磷酸化抑制Akt 活性，當(dāng)活性氧抑制了二者的去磷酸化活性，其對(duì)于Akt 的抑制則失效[23-25]，從而通過(guò)上調(diào)Akt 信號(hào)傳導(dǎo)，達(dá)到促進(jìn)腫瘤細(xì)胞的生長(zhǎng)與增殖的作用。

2.2 線粒體氧化應(yīng)激通過(guò)與腺苷酸活化蛋白激酶相互作用

在正常人體生理情況下，細(xì)胞不斷協(xié)調(diào)其新陳代謝，以滿足其能量需求并響應(yīng)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的使用。腺苷酸活化蛋白激酶（AMP-activated protein kinase, AMPK）是高度保守的絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶復(fù)合物，其作為一種代謝傳感器，聯(lián)接許多分解代謝和合成代謝信號(hào)通路，以維持適當(dāng)?shù)募?xì)胞內(nèi)三磷酸腺苷水平，幫助維持細(xì)胞能量穩(wěn)態(tài)[26,27]。腺苷酸活化蛋白激酶支持腫瘤發(fā)生與代謝氧化變化之間的緊密聯(lián)系，已有越來(lái)越多的研究表明腺苷酸活化蛋白激酶與線粒體之間存在相互影響和作用，這與癌癥的發(fā)展也有相關(guān)。已有研究提示抑制腺苷酸活化蛋白激酶激活可能促進(jìn)并維持癌癥的發(fā)生[28]，其磷酸化水平降低的腫瘤不良預(yù)后的可能性增加[29]，表明腺苷酸活化蛋白激酶活性降低可能會(huì)使腫瘤細(xì)胞更具侵略性。

最近有研究表明，腺苷酸活化蛋白激酶和線粒體活性氧之間可以互相調(diào)節(jié)[30]。一方面，線粒體活性氧可通過(guò)直接氧化或激活共濟(jì)失調(diào)毛細(xì)血管擴(kuò)張突變基因（ataxia telangiectasia-mutated gene, ATM）等來(lái)直接或間接激活腺苷酸活化蛋白激酶[31,32]。另一方面，腺苷酸活化蛋白激酶可以通過(guò)上調(diào)線粒體解偶聯(lián)蛋白2（Uncoupling protein 2,UCP2）表達(dá)或調(diào)節(jié)自噬來(lái)抑制線粒體活性氧生成[33-35]。因此，線粒體活性氧或許可通過(guò)與腺苷酸活化蛋白激酶的相互調(diào)節(jié)，在腫瘤發(fā)生發(fā)展的病理過(guò)程中起到一定的作用。

2.3 線粒體活性氧通過(guò)調(diào)節(jié)自噬影響腫瘤發(fā)生發(fā)展

在低氧、自噬、免疫和細(xì)胞分化等生理狀況下，活性氧可以作為促進(jìn)細(xì)胞適應(yīng)應(yīng)激的信號(hào)相關(guān)分子[36]，也可以作為線粒體自噬的有效誘導(dǎo)劑[37,38]。并且有研究發(fā)現(xiàn)，活性氧可通過(guò)信號(hào)通路誘導(dǎo)自噬[39]。

自噬是一種細(xì)胞內(nèi)溶酶體降解過(guò)程，可通過(guò)不斷清除與回收受損的蛋白質(zhì)及細(xì)胞器控制蛋白質(zhì)/細(xì)胞器質(zhì)量[39-41]。功能異常的線粒體通過(guò)自噬被清除并進(jìn)入再循環(huán)，稱(chēng)為線粒體自噬[42,43]。如果線粒體自噬被抑制，當(dāng)細(xì)胞內(nèi)總線粒體及受損線粒體數(shù)目增加，將會(huì)積累線粒體活性氧[44]。另外，饑餓誘導(dǎo)的自噬受線粒體活性氧的調(diào)節(jié)[40]。有研究發(fā)現(xiàn)，饑餓導(dǎo)致磷酸肌醇3-激酶活化，從而誘導(dǎo)線粒體活性氧，線粒體活性氧隨后氧化并滅活半胱氨酸蛋白酶Atg4（Autophagy Related 4）以促進(jìn)自噬[45,46]。因此，線粒體活性氧和線粒體自噬可以形成一個(gè)反饋回路，線粒體活性氧誘導(dǎo)線粒體自噬，再通過(guò)減少線粒體數(shù)量限制活性氧的進(jìn)一步產(chǎn)生。

雖然目前機(jī)制尚不明確，但在某些情況下，自噬可以導(dǎo)致自噬性細(xì)胞死亡。自噬性細(xì)胞死亡(Autophagic cell death)是非凋亡細(xì)胞死亡的主要方式之一，是由過(guò)氧化氫酶的選擇性降解導(dǎo)致過(guò)氧化氫的大量積累，隨后可能由于非特異性氧化損傷而導(dǎo)致細(xì)胞死亡[47]。而過(guò)氧化氫來(lái)源于線粒體，可通過(guò)增加線粒體活性氧直接誘導(dǎo)自噬性細(xì)胞死亡[48]。因此，線粒體活性氧在低水平的情況下，可通過(guò)誘導(dǎo)自噬在饑餓狀態(tài)下分配腫瘤細(xì)胞內(nèi)資源促進(jìn)腫瘤細(xì)胞存活，而在高水平的情況下，則可在無(wú)法生存時(shí)促進(jìn)自噬性細(xì)胞死亡。

3 線粒體氧化應(yīng)激與腫瘤的治療

活性氧參與許多細(xì)胞代謝和信號(hào)傳導(dǎo)過(guò)程[49]，并被認(rèn)為與疾病有關(guān)，特別是在致癌和衰老中[50,51]在正常的生理?xiàng)l件下，人體細(xì)胞內(nèi)的線粒體可產(chǎn)生活性氧，即線粒體活性氧。目前已有研究證實(shí)，致癌突變、線粒體突變均可促進(jìn)腫瘤細(xì)胞內(nèi)的線粒體活性氧生成。致癌基因如Ras、Akt 等可分別通過(guò)促進(jìn)線粒體代謝及抑制活性氧清除導(dǎo)致線粒體活性氧水平升高[52]，而一些抑癌基因如p53 則可通過(guò)抑制線粒體活性氧生成介導(dǎo)腫瘤抑制[47,53]。線粒體突變則可通過(guò)上調(diào)線粒體活性氧水平介導(dǎo)調(diào)控腫瘤細(xì)胞的增殖[54]，提高腫瘤在活體中的成瘤能力及轉(zhuǎn)移能力[55,56]。因此，活性氧可通過(guò)參與介導(dǎo)腫瘤細(xì)胞內(nèi)的信號(hào)通路、改變腫瘤細(xì)胞的新陳代謝以及參與調(diào)控缺氧誘導(dǎo)因子途徑等影響腫瘤的發(fā)生和轉(zhuǎn)移。而當(dāng)腫瘤細(xì)胞內(nèi)的線粒體活性氧水平降低至不足以通過(guò)激活上述途徑誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞生存、增殖及轉(zhuǎn)移時(shí)，可以抑制腫瘤的生長(zhǎng)。

如今已有許多研究表明，相較于正常細(xì)胞而言，腫瘤細(xì)胞無(wú)論是活性氧還是抗氧化水平均相對(duì)偏高，從而也更容易受到活性氧水平的影響。因此，靶向調(diào)控線粒體活性氧在腫瘤細(xì)胞中的水平，或許可以為腫瘤的治療提供新的策略。