活性氧(ROS)：肿瘤进展的双刃剑

陈俊宇,李俊玮,梁　源,黄巧迪,杨颖颖,楚秀明,谭文溪,夏阳*

(1.吉林大学临床医学院，吉林 长春130021；2.吉林大学第二医院)



活性氧(ROS)：肿瘤进展的双刃剑

陈俊宇1,李俊玮1,梁源1,黄巧迪1,杨颖颖1,楚秀明2,谭文溪2,夏阳2*

(1.吉林大学临床医学院，吉林 长春130021；2.吉林大学第二医院)

一些致瘤因子可诱导细胞发生氧化应激，氧化应激是细胞内外产生活性氧(ROS)并诱导细胞毒作用的过程。生理状态下，细胞通过抗氧化系统维持ROS平衡；氧化应激时，ROS破坏生物大分子造成细胞损伤，进而产生致癌作用，并作为第二信使参与调控凋亡信号。高浓度ROS则对肿瘤产生细胞毒作用并抑制增殖。

1　ROS

1.1ROS来源细胞中内源性ROS生成主要与线粒体和NADH氧化酶(NOX)家族有关。NOX主要存在于内质网膜或线粒体膜，催化O2与NADPH反应生成O2-。O2-被呼吸链复合体Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ以“电子漏”的形式释放入线粒体基质，进而被超氧化物歧化酶2(SOD2)转化为H2O2。O2-穿过电压依赖性阴离子通道(VDAC)进入细胞质，自发或由SOD1转化为H2O2[3]。另外，细胞色素P450、脂加氧酶(LOX)、环加氧酶(COX)和黄嘌呤氧化酶(XO)也可催化ROS生成[4]。药物、化学污染物和放疗则可诱导产生外源性ROS。

1.2ROS对细胞信号通路的调控ROS对肿瘤细胞信号通路的调控具有两面性。一方面，ROS激活与增殖、存活、血管生成和转移相关的信号通路，促进肿瘤的发生、发展和转移。①胞外信号调节激酶1/2(ERK1/2)在细胞增殖中起重要作用，PTP1B通过磷酸化ERK1/2抑制细胞周期，而ROS使PTP1B失活从而促进细胞增殖[5]。②磷脂酰肌醇三激酶(PI3K)/Akt信号通路与细胞存活密切相关，PTEN可下调Akt并灭活PI3K，而H2O2则抑制PTEN而维持细胞存活[6]。③ROS通过调节转化生长因子-β(TGF-β)、糖原合成激酶-3β(GSK3β)、NF-κB和RTK/Ras，调控上皮-间质转化(EMT)过程，从而调控癌细胞转移[7]。④ROS激活血管内皮生长因子(VEGF)，从而促进血管生成。

另一方面，高浓度ROS可诱导细胞凋亡、促进细胞衰老

和抑制细胞周期。ROS作用于氧化硫氧还蛋白(TRX1)上的半胱氨酸残基，使其从凋亡信号调节激酶1(ASK1)上解离，进而激活P38/JNK信号通路，诱导细胞凋亡[8]。ROS还可抑制细胞周期依赖激酶(CDK)活性[9]，抑制细胞周期。

1.3ROS与氧化应激细胞内ROS可造成线粒体功能紊乱，导致ROS进一步蓄积，并引起蛋白质、脂质和DNA过度氧化。ROS攻击蛋白质产生羰基衍生物，改变蛋白质的三级结构，使其部分或全部伸展，并易于形成蛋白-蛋白交联，导致蛋白变性或酶活性丧失。ROS攻击DNA中鸟嘌呤的第8位碳原子，生成8-羟基脱氧鸟嘌呤(8-OHdG)，8-OHdG导致DNA复制时发生碱基突变与错配，使G突变为T，并导致G:C→T:A颠换，从而激活促癌基因或灭活抑癌基因，参与肿瘤发生。ROS催化脂质的氧化分解，并形成一系列代谢产物，如不饱和脂肪酸链、脂肪酸自由基、脂质-过氧化氢和脂类过氧化物等。自由基和脂质过氧化物的无限产生是ROS破坏细胞膜的重要原因[10]，脂质过氧化产物丙二醇可诱导DNA突变并产生致癌作用[11]。

2　ROS的致肿瘤作用

2.1ROS与炎症组织损伤、细胞死亡及病原感染可引发炎症反应。急性期炎症使肥大细胞和白细胞发生“呼吸爆发”以抵抗外来物质。慢性期时炎细胞释放可溶性分子(细胞因子、趋化因子、ROS、基质蛋白酶和VEGF)，趋使更多的炎细胞到达受损部位，炎细胞激活后释放ROS，参与炎症反应。

炎症迁延不愈可能导致肿瘤发生。基质金属蛋白酶-2(MMP-2)和MMP-9在过度延长的炎症状态下被激活，促进胶原溶解和肿瘤浸润[12]。乳腺癌中浸润的巨噬细胞释放NADPH氧化酶导致ROS增多，引起成纤维细胞变形[13]。尽管巨噬细胞产生的负调控ROS(RROS)可降解NOX2，但强烈的炎症信号却通过抑制RROS释放，升高ROS水平[14]。ROS还可诱导肿瘤环境中的炎细胞释放VEGF和纤维母细胞生长因子[15]。

2.2ROS对细胞周期的影响细胞周期蛋白和CDK是两类重要的细胞周期调节分子。细胞分裂周期-25磷酸酶(CDC-25)和CDK抑制物通过可逆性磷酸化作用调控细胞周期蛋白和CDK的活性。ROS升高可激活表皮细胞生长因子受体(EGFR)，增加细胞周期蛋白和CDK的转录和翻译，从而影响细胞周期。

2.3ROS诱导血管生成血管再生包括内皮细胞迁移、增殖和管腔形成，H2O2参与内皮细胞的迁移和增殖，并介导淋巴细胞激活的管腔化。ROS可增加肿瘤微环境中的MMP-1，参与肿瘤新血管生成[16]。NOX1是血管生成的高效激活剂，可上调肿瘤中的VEGF，过氧化氢酶则抑制NOX1诱导的VEGF生成[17]。

缺氧是许多肿瘤的特征，肿瘤的缺氧环境诱导ROS生成从而维持缺氧诱导因子-α(HIF-α)的稳定，HIF-α激活VEGF促进血管生成。脯氨酰羟化酶(PHDs)可降解HIF-α蛋白酶体，ROS通过抑制PHDs来稳定HIF-α[18]，进而激活VEGF。ROS影响肿瘤血流供应的另一机制是引起血管扩张，ROS激活血红素氧合酶-1(HO-1)，诱导血管扩张剂CO或NO生成[19]。

2.4ROS与肿瘤细胞侵袭和转移肿瘤细胞的侵袭和转移需一系列细胞内适应和细胞外重塑，包括细胞骨架破坏、EMT、细胞黏附减少、迁移增加、组织屏障和细胞外基质退化。ROS可激活MAPK家族的多条通路从而激活受体酪氨酸激酶(RPTKs)，生长因子与相应的RPTKs结合从而促进肿瘤转移[20]。ROS有助于维持细胞骨架动力，参与肿瘤细胞伪足形成，利于肿瘤的侵袭和转移[21]。另外，ROS上调MMPs表达，参与膜降解，并使原发肿瘤细胞与细胞外基质分离[22]。ROS水平升高引发的细胞自噬增加与肿瘤转移密切相关，ROS还可激活整合素，诱导粘着斑激酶(FAK)磷酸化，促进肿瘤细胞在转移处粘附。

3　ROS生成增加诱导细胞凋亡

ROS是一把双刃剑，因其作用浓度、持续时间及作用细胞不同，产生不同的效果。低浓度ROS促进细胞分裂，中等浓度ROS导致细胞生长停滞，高浓度ROS则导致细胞凋亡或死亡[23]。

ROS失衡导致蛋白和脂质氧化后，线粒体通透性增加，电子传递链的偶联效率改变，产生更多的自由基和细胞色素C，并激活凋亡蛋白酶和JNK，从而导致细胞凋亡，这一途径可通过激活蛋白激酶C和ERK而阻断[24]。ROS大量蓄积、ATP减少和线粒体膜电位改变时，可阻断细胞凋亡，使其转变为坏死[25]。

4　肿瘤细胞的ROS适应

为了抵抗ROS超载导致的细胞稳定性降低，细胞会利用氧化还原缓冲系统和抗氧化剂建立适应机制。两种NADPH依赖的抗氧化剂GSH和TRX可抑制ROS的细胞毒作用，并降低ROS水平。ROS升高是肿瘤细胞快速增殖的主要原因，为了抑制ROS过度蓄积并维持微环境稳定，肿瘤细胞启动多种抗氧化系统增加SOD、过氧化氢酶和氧化酵素等抗氧化剂的生成[26]。另外，肿瘤抑制物缺失可干扰氧化还原状态。如TSC2缺失可激活mTOR，导致ROS无限生成[27]。P53通过增加转录因子NF-E2相关因子2(Nrf2)的转录，抵御氧化应激[28]。

5　总结

ROS是肿瘤进展的双刃剑，因浓度、作用时间以及细胞种类不同，对细胞信号通路产生不同影响。ROS在细胞增殖、凋亡以及坏死等过程中起主导作用，研究不同情况下ROS对肿瘤细胞的影响及机制，可为选择更具特异性和靶向性的临床治疗策略提供依据。

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吉林省重大科技攻关项目( 20140203013YY)

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