SOD1抑制剂与癌症

陈长凤，　谭　俊，　邵　雷，　陈代杰*

1.上海师范大学生命与环境科学学院，上海 200234； 2.中国医药工业研究总院上海医药工业研究院创新药物与制药工艺国家重点实验室，上海 200040

SOD1抑制剂与癌症

陈长凤1,2，谭俊2，邵雷2，陈代杰2*

1.上海师范大学生命与环境科学学院，上海 200234； 2.中国医药工业研究总院上海医药工业研究院创新药物与制药工艺国家重点实验室，上海 200040

摘要：超氧化物歧化酶(Superoxide Dismutase，SOD)是一种广泛存在于细胞内的清除超氧阴离子自由基的金属酶，SOD特别是SOD1对于维持细胞的正常生命活动起着重要的作用。SOD1具有抗氧化，防衰老，防止细胞核内DNA损伤、调节氧和葡萄糖的信号传递等维持正常细胞活性的重要生理功能。但是，癌细胞内SOD1的高表达，由于其能够有效地清除胞内超氧阴离子自由基而促进癌细胞的生长繁殖。本文对有关SOD1抑制剂与癌症的研究进展做一简要综述。

关键词：超氧化物； SOD1； 抑制剂； 癌症

1938年，Keilin和Mann首次发现一种带有铜离子的血铜蛋白[1]。1969年，Fridovich和McCord在牛血红细胞中发现其具有催化超氧阴离子发生歧化反应的蛋白，并命名为超氧化物歧化酶[2]。在哺乳动物中含有三类SOD：SOD1(Cu/ZnSOD)、SOD2(MnSOD)、胞外SOD3(Cu/ZnSOD)。SOD1是SOD细胞内的主要形式，约占到细胞内SOD总蛋白的80%[3]。SOD1主要存在于真核细胞的细胞浆中，后来在线粒体膜间隙和细胞核内也发现SOD1[4]。SOD2主要存在于真核生物的线粒体中，SOD2在线粒体基质中保护线粒体基质、线粒体DNA和DNA聚合酶免受氧损伤及失活[5]。SOD3则是分泌到细胞外不同组织中，SOD3主要存在于动物的肺、肾脏、动物脂肪组织中，保护组织免受氧的损伤作用。

SOD1不仅具有抗氧化、防衰老、抗炎症的功能[6]，还具有调节细胞、保护基因组DNA稳定的作用。SOD1催化产物H2O2作为第二信使调节细胞的分裂、生长及代谢进程。Reddi[7]通过酿酒酵母模型研究发现，SOD1接受来自氧和葡萄糖的信号而抑制呼吸作用，对细胞代谢进行调节。核内SOD1对维持基因组DNA的稳定性也起重要的作用，Tsang[8]研究显示SOD1作为核内转录因子，具有调节和抵抗氧化压力的作用。SOD1突变导致变异蛋白的构象不稳定而引起肌肉萎缩侧锁骨硬化症(Amyotrophic lateral sclerosis, ALS)[9]。在SOD1变异相关的ALS疾病中，SOD的许多结构部位的变异都可能引起SOD1构象不稳定而引起SOD1蛋白聚集沉淀导致病变[3]。Philbert[10]在研究SOD1与ALS疾病的发生机制时发现：其中A4V, G37R, G85R, G93A等氨基酸的突变，会导致蛋白中的铜离子缺失，为此更易导致ALS疾病的发生。

最近的研究也发现，SOD1的高表达能促进癌细胞的生长和繁殖，因此，人们试图开发SOD1抑制剂作为抗肿瘤药物。本文予以简要综述。

1SOD1与肿瘤发生关系

正常细胞内的自由基具有诱癌、促癌及致癌作用，氧化平衡和氧化压力会导致癌基因发生癌变，且由于SOD具有清除自由基的作用，而通常被认为具有抑制癌症的发生。但是，Elchuri 等[11]对SOD1敲除小鼠研究时发现，尽管细胞内产生被认为可导致肿瘤发生的大量的自由基、DNA损伤，但是仅导致老年小鼠的肝癌发生。这就提示我们，SOD1可能与肿瘤发生密切相关。

Weinberg[12]最近的研究发现，在癌细胞内的活性氧簇(ROS)浓度比较高，其引起的氧化应激反应上调抗氧化系统，这与在肺癌、乳腺癌中的SOD1高表达相一致[13]。Finley[14]发现，在乳房癌细胞内的线粒体乙酰化酶3(SIRT3)活性下调87%，ROS浓度上升，SOD1过量表达，而良性乳腺细胞株MCF10A中的SOD1表达量降低。Glasauer[13]体外实验显示，敲除SOD1基因或者抑制其活性可以抑制非小细胞肺癌(NSCLCs)的生长，说明SOD1与多种癌症的发生有重要关系。

2SOD1抑制剂与癌症

2.1SOD1抑制剂LCS-1与癌症

LCS-1(lung cancer screen-1)是一种4,5-二氯-2-(3-甲苯基)哒嗪-3-酮化合物，其衍生物LCS-1.28[4,5-二溴-2-(3-甲苯基)哒嗪-3-酮]，以及LCS-1.34 [4,5-二氯-2-(2,4-二氯苯基)哒嗪-3-酮]，都可以抑制肺腺癌细胞的生长。LCS-1在肝的微粒细胞内稳定性研究显示，其半衰期为6.6 min[15]。与传统的激酶抑制剂不同，LCS-1可以选择性抑制几乎所有的肺腺癌细胞。

Somwar等[16]通过蛋白质组学和基因表达方法证明，在肺腺癌细胞内SOD1是小分子抑制剂LCS-1的靶标。通过siRNAs结合SOD1基因后，细胞内的SOD1含量显著降低，导致对LCS-1敏感的肺腺癌细胞株的生长被抑制。相反，SOD1的过量表达使得敏感的肺腺癌细胞对LCS-1不敏感。SOD1与突变蛋白EGFR(表皮生长因子受体)/KRAS(鼠类肉瘤病毒癌基因)这些变异蛋白一样，都有能够促进细胞生长的作用。这一发现，为LCS-1类化合物作为SOD1抑制剂治疗肺癌提供了可能性。

通过蛋白质组学及基因表达两种方法可以证明，LCS-1与SOD1结合，但不能与SOD2、SOD3结合。有关LCS-1是如何抑制SOD1活性导致细胞死亡，及LCS-1是否也作用于线粒体膜间隙SOD1还不清楚。最近有报道称，LCS-1作用于乳腺癌细胞后会引起线粒体相关碎片增加，及线粒体基质膨大等形态学的巨大变化，而正常的MCF10A没有发生变化。可能是对由SIRT3降低引起的SOD2活性降低的癌细胞，在当LCS-1作用于SOD1后，导致线粒体过度氧损伤，线粒体网络崩溃引起细胞死亡[17]。

2.2SOD1抑制剂ATN-224与癌症

抑制剂四硫钼酸二胆碱(ATN-224)是一种稳定性好的铜离子螯合剂，可以和SOD1结合，特异性螯合去除SOD1活性中心的铜离子，导致细胞内的超氧化物水平上升。在恶性脑肿瘤模型中，铜离子的缺失会明显的抑制肿瘤的大小及血管的生成，降低血管生成因子的分泌，抑制肿瘤细胞的生长及降低微血管密度[18]。ATN-224具有通过抑制血管生成，抑制肿瘤细胞增殖导致细胞死亡的作用[19]。Glasauer等[13]研究SOD1抑制剂导致癌细胞死亡的机制显示，ATN-224可以彻底阻止A549细胞株的生长，且具有选择性，对正常的支气管表皮细胞并不产生伤害。ATN-224作用于细胞后导致SOD1和GPX酶等抗氧化酶活性显著降低，细胞内O2-、H2O2的浓度升高，激活p38激酶及降低抗凋零因子MCL1引起细胞的凋亡；ATN-224与SOD1结合后，导致细胞内的H2O2的积累，激活p38丝裂原活化蛋白激酶导致MCL1的下调引起细胞死亡。这种死亡也有MCL1的下调引起由BIM/PUMA-介导的细胞程序性死亡，其中MCL1在NSCLCs(非小肺腺癌细胞)中是上调的。

SOD1抑制剂ATN-224的临床实验显示，ATN-224具有降低SOD1活性及抗肿瘤的作用[20]，Ι期临床的18个病人，其为预期寿命大于12周的恶性肿瘤晚期患者；用检测患者血清中血浆铜蓝蛋白浓度的方法，监测血清中铜离子浓度的变化。临床实验确定给药剂量为300 mg/d，一天给药两次，给药21天之内，可以导致80%的患者的血清中血浆铜蓝蛋白明显降低；受试患者伴有贫血、嗜中性白血球减少症、血小板减少及疲劳等可以接受的药物毒性。实验患者中，超过90%的患者血细胞中的SOD1活性显著下降。患者给予ATN-224治疗72周期后，其中有2个患者放弃临床试验，3个患者血清中铜离子去除没有达到要求浓度(血浆铜蓝蛋白5～15 mg/d)，2个患者的病情稳定了6个月，其中有一个恶性子宫内膜腺癌病情稳定了2.5年。Ⅱ期临床试验主要用于前列腺癌症，也达到了一定的预期效果。ATN-224可以作为单一的抗癌药或和其他药联合用于肺癌治疗[13]。

2.3SOD1抑制剂雌性激素衍生物与癌症

2-甲氧雌甾二醇(2-ME)是一种特定的雌性激素衍生物，能选择性杀死白血病细胞而不杀死正常的淋巴细胞[21]。实验显示，只有在2-碳修饰的雌性激素衍生物才与SOD1相互作用引起核小体DNA断裂，导致p53的积累诱导细胞凋亡[21]。p53是一种肿瘤抑制因子也是重要的转录因子[22]，在外源因子的刺激下，细胞内p53积累导致细胞生长阻滞及细胞凋亡。

Huang[21]通过微阵列芯片、磷光影像分析仪及RT-PCR分析显示，2-ME作用于癌细胞后，SOD1的mRNA的含量及表达量上升，SOD1是2-ME作用靶标，这与实验过量表达SOD1，降低了2-ME诱导细胞凋亡的敏感性相一致。体外细胞实验显示，2-ME诱导细胞凋亡主要是通过抑制SOD1。从而导致O2-自由基介导的线粒体膜损伤释放出细胞色素C，也可以通过自由基对DNA的损伤导致p53积累，诱导细胞凋亡。虽然活性氧引起的细胞凋亡在不同类型细胞内表现出差异，但是2-ME会影响癌细胞抵抗氧自由基的能力，可作为癌症治疗的新策略。

然而，也有研究表明，2-ME通过提高人的白血病HL-60细胞内的超氧阴离子浓度，来达到抑制肿瘤细胞的生长，而并非通过抑制SOD的活性，来达到抑制肿瘤的生长[23]。

3展望

很长时期以来，人们一直认为SOD2是肿瘤抑制因子[24]。最近的研究发现，SOD2在不同的肿瘤细胞内其表达量和活性具有阶段性，且与肿瘤类型有关[25]。SOD3表达量降低会产生原癌基因效应，在肺癌和乳腺癌中检测到SOD3表达量降低[26,27]。例如，在胰腺导管肿瘤细胞(PDA)中，SOD3表达量降低直接与不良预后相关[28]。PDA细胞中SOD3过表达会抑制癌细胞生长及恶化。研究显示SOD3过表达会引起PDA细胞中低氧诱导因子(HIF)-1α的积累,能够抑制血管内皮生长因子(VEGF)的缺氧诱导[29]。因为SOD3是分泌到细胞外，因此很可能是通过肿瘤细胞的微环境调节而导致癌症，这就解释了为什么下调SOD3能促进肿瘤恶化[3]。

因此，到目前为止，已经发现一些以SOD为靶标并对SOD起抑制作用的化合物，它们具有抗肿瘤的功效。这些化合物主要以SOD1为靶标，以SOD2和SOD3为靶标的发现及研究相对较少。以SOD1作为靶标的化合物有望应用于肿瘤治疗，随着研究的深入，目前化合物ATN-224已进入临床Ι期、Ⅱ期实验，SOD1抑制剂有望发展成为新的肿瘤药物。

参考文献

[1]Mann T, KeilinD. Haemocuprein and hepatocuprein, copper-protein compounds of blood and liver in mammals, Proc Roy Soc Ser B-Biol Sci, 1938, 126(844):303-315.

[2]McCord JM, Fridovich I. Superoxide dismutase an enzymic function for erythrocuprein (hemocuprein). J Biol Chem, 1969, 244(22): 6049-6055.

[3]Che M, Wang R, LI X,etal. Expanding roles of superoxide dismutases in cell regulation and cancer. Drug Discov Today, 2015.

[4]Sturtz LA, Diekert K, Jensen LT,etal. A fraction of yeast Cu, Zn-superoxide dismutase and its metallochaperone, CCS, localize to the intermembrane space of mitochondria:a physiological role for SOD1 in guarding against mitochondrial oxidative damage. J Biol Chem, 2001, 276(41):38084-38089.

[5]Perry JJP, Shin DS, Getzoff ED,etal. The structural biochemistry of the superoxide dismutases. BBA-Proteins Proteom, 2010, 1804(2): 245-262.

[6]王岁楼,张平之,张欣等. 酵母SOD形成的生理学研究[J]. 工业微生物, 1997, 27(3):22-25.

[7]Reddi AR, Culotta VC. SOD1 integrates signals from oxygen and glucose to repress respiration. Cell, 2013, 152(1-2): 224-235.

[8]Tsang CK, Liu Y, Thomas J,etal. Superoxide dismutase1 acts as a nuclear transcription factor to regulate oxidative stress resistance. Nat Commun, 2014, Mar 19;5:3446.

[9]Mitchell JD, Borasio GD. Amyotrophic lateral sclerosis. Lancet, 2007, 369(9578): 2031-2041.

[10]Pratt AJ, Shin DS, Merz GE,etal. Aggregation propensities of superoxide dismutase G93 hotspot mutants mirror ALS clinical phenotypes. Pnatl Acad Sci USA, 2014, 111(43): E4568-4576.

[11]Elchuri S,Oberley TD, Qi W,etal. CuZnSOD deficiency leads to persistent and widespread oxidative damage and hepatocarcinogenesis later in life. Oncogene, 2005, 24(3): 367-380.

[12]Weinberg F, Hamanaka R, Wheaton WW,etal. Mitochondrial metabolism and ROS generation are essential for Kras-mediated tumorigenicity.Proc Natl Acad Sci USA, 2010, 107(19):8788-8793.

[13]Glasauer A, Sena LA, Diebold LP,etal. Targeting SOD1 reduces experimental non-small-cell lung cancer. J Clin Invest, 2014, 124(1): 117-128.

[14]Finley LW, Carracedo A, Lee J,etal. SIRT3 opposes reprogramming of cancer cell metabolism through HIF1α destabilization.Cancer Cell, 2011,19(3):416-428.

[15]Somwar R, Shum D, Djaballah H,etal. Identication and preliminary characterization of novel small molecules that inhibit growth of human lung adenocarcinoma cells. J Biomol Screen, 2009,14(12):1176-1184.

[16]Somwar R, Erdjument-Bromage H, Larsson E,etal. Superoxide dismutase 1 (SOD1) is a target for asmall molecule identified in a screen for inhibitors of the growth of lung adenocarcinoma cell lines.Proc Natl Acad Sci USA, 2011, 108(39): 16375-16380.

[17]Papa L, Hahn M, Marsh EL,etal. SOD2 to SOD1 switch in breast cancer. J Biol Chem, 2014, 289(9):5412-5416.

[18]Brem SS, Zagzag D,Tsanaclis AM,etal. Inhibition of angiogenesis and tumor growth in the brain. Suppression of endothelial cell turnover by penicillamine and the depletion of copper, an angiogenic cofactor. Am J Pathol, 1990, 137(5):1121-1142.

[19]Juarez JC, Manuia M, Burnett ME,etal. Superoxide dismutase 1 (SOD1) is essential for H2O2-mediated oxidation and inactivation of phosphatases in growth factor signaling. Proc Natl Acad Sci USA, 2008,105(20):7147-7152.

[20]Lowndes SA, Adams A, Timms A,etal. PhaseI study of copper-binding agent ATN-224 in patients with advanced solid tumors.Clin Cancer Res, 2008, 14(22):7526-7534.

[21]Huang P, Feng L, Oldham EA,etal.S uperoxide dismutase as a target for the selective killing of cancercells.Nature, 2000,407(6802):390-395.

[22]Aylon Y, Oren M. Living with p53, dying of p53. Cell, 2007, 130(4): 597-600.

[23]Kachadourian R, Liochev SI, Cabelli DE,etal. 2-Methoxyestradiol does not inhibit superoxide dismutase.ArchBio chemBio phys, 2001,392:349-353.

[24]Oberley LW, Buettner GR.Role of superoxide dismutase in cancer:a review. Cancer Res, 1979,39(4):1141-1149.

[25]Hempel N, Carrico PM, Melendez JA. Manganese superoxidedismutase(Sod2) and redox-control of signaling events that drive metastasis.Anticancer Agents Med Chem, 2011, 11:191-201.

[26]Teoh-Fitzgerald ML, Fitzgerald MP, Jensen TJ,etal. Genetic and epigenetic inactivation of extracellular superoxide dismutase promotes an invasive phenotype in human lung cancer by disrupting ECM homeostasis.Mol Cancer Res, 2012,10(1): 40-51.

[27]Teoh-Fitzgerald ML, Fitzgerald MP, Zhong W,etal. Epigenetic reprogramming governs EcSOD expression during human mammary epithelial cell differentiation,tumorigenesis and metastasis.Oncogene, 2014,33(3):358-368.

[28]O’Leary BR, Fath MA, Bellizzi AM,etal. Loss of SOD3(EcSOD) expression promotes an aggressive phenotype in human pancreatic ductal adenocarcinoma.Clin Cancer Res, 2015, 21(7):1741-1751.

[29]Sibenaller ZA, Welsh JL, Du C,etal. Extracellular superoxide dismutase suppresses hypoxia-inducible factor-1α in pancreatic cancer. Free Radic Biol Med, 2014,69:357-366.

Superoxide dismutase 1 inhibitors and cancer

CHEN Chang-feng1,2, TAN Jun2, SHAO Lei2, CHEN Dai-jie2

1. College of Life and Environmental Science, Shanghai Normal University, Shanghai 200234, China;2. State Key Laboratory of New Drug and Pharmaceutical Process, Shanghai Institute of Pharmaceutical Industry,China State Institute of Pharmaceutical Industry, Shanghai 200040, China

AbstractSuperoxide dismutase catalyzes the disproportionation of superoxide to molecular oxygen and peroxide which is widely existed in cells. SOD especially SOD1 is very important for maintaining normal activity of cell. Studies showed that SOD1 played an important role in terms of antioxidant function, anti-aging function, the prevention of DNA damage, signal transmission regulation of oxygen and glucose etc. However, high expression of SOD1 can promote the growth and propagation of cancer cells because of the superoxide being cleaned up by this enzyme. This paper briefly reviewed recent research progress of SOD1 inhibitors in the treatment of cancer.

Key wordssuperoxide; SOD1; inhibitor; cancer

doi:10.3969/j.issn.1001-6678.2016.02.010

基金项目：国家“重大新药创制”科技重大专项(No.2013ZX09301302, No.2014ZX09507009-025)；国家自然科学基金(No.81573329)。

作者简介：陈长凤(1991～)，女，在读硕士研究生，研究方向：微生物药物。 *通讯作者：陈代杰，男，研究员。E-mail：hccb001@163.com。