PRDXs家族在结直肠癌中作用机制的研究进展①

丁婷婷 张 红 冯继红 马 虎

(遵义医科大学附属医院肿瘤医院肿瘤科，遵义 563003)

结直肠癌(colorectal cancer，CRC)是最常见的恶性肿瘤之一，其在美国占肿瘤高死亡率的第3位，且我国CRC的发病率和死亡率呈逐年上升趋势[1]。近年来，随着早期筛查的实施和肠镜检查的普及，欧美国家CRC患者总体死亡率有所下降，青年患者的发病率和死亡率均升高，引起了研究人员的重视，目前仍有诸多争论[2]。CRC的发生发展是一个多因素、多阶段、多步骤的综合生物学过程，从最初的腺瘤发展到晚期的肿瘤再到转移扩散，病程可长达数年或数十年，其发生机制主要涉及上皮-间质转化(epithelial-mesenchymal transition，EMT)、肿瘤细胞抗凋亡、增殖侵袭及血管生成等。结直肠肿瘤细胞侵袭和转移主要受肿瘤转移基因与肿瘤转移抑制基因、肿瘤血管生成、细胞外基质降解、细胞黏附、肿瘤微环境等因素影响。但调控CRC转移的分子机制尚未明确，这一过程涉及多个原癌基因和抑癌基因的突变或激活以及Wnt、JAK-STAT、mTOR、MAPK等多种信号通路参与。

在CRC发生发展过程中，肿瘤细胞无限增殖、细胞新陈代谢加快且线粒体内产生的活性氧(reactive oxygen species，ROS)不断增加。ROS可改变细胞的氧化还原状态，并使特定蛋白酶及可溶性因子等功能发生改变从而导致基因组损伤及遗传性不稳定，直接影响细胞核内的基因表达，进而诱导正常细胞的癌变和肿瘤的恶性进展[3]。细胞在正常新陈代谢活动中可产生一定量的ROS，低浓度的ROS可影响一系列信号转导途径继而激活相应转录因子，有利于细胞的增殖与分化，但随着ROS的不断积聚，最终超出细胞的自我修复能力，细胞的抗氧化防御系统遭到破坏，可导致细胞蛋白、DNA、脂质以及细胞其他组成部分的直接损伤[4]。因此，为了保护自身免受氧化应激损伤，CRC细胞需要一些抗氧化激酶或氧化还原剂维持细胞内环境的氧化还原稳态。过氧化物氧化还原酶(peroxiredoxins，PRDXs)正是一类对抗ROS、维持体内稳态的抗氧化还原蛋白超家族，既能消除体内代谢产生的过氧化物和超氧化物从而预防肿瘤的发生，同时又可通过清除肿瘤细胞内的ROS使其免受损伤，促进肿瘤的发生发展及侵袭转移等。

1 PRDXs

PRDXs是生物体内重要的过氧化物还原酶之一，也是包含6个成员的一类小分子蛋白家族，其大小均在22～27 kD之间，在细胞中均有不同程度的表达。PRDXs蛋白在N末端含有一个保守的半胱氨酸(Cys)，在C末端还包含一个额外的保守Cys[5]。依据其Cys残基位置的不同可将其分为 3个亚型：①典型的 2-Cys，包括PRDX1、PRDX2、PRDX3、PRDX4；②非典型的2-Cys过氧化物酶，PRDX5；③1-Cys过氧化物酶，PRDX6。PRDXs存在于多种细胞内亚单位，其中，PRDX1、PRDX2、PRDX6定位于细胞质，PRDX3 定位于线粒体，PRDX4 定位于内质网和小胞体，PRDX5定位于线粒体和过氧化物酶体。PRDXs功能广泛，可与氧硫还原蛋白协同作用，有效地清除代谢产生的过氧化物[6]。PRDXs在清除ROS的过程中，自身也被氧化，随后可通过合成新的蛋白质或在氧硫还原蛋白及其他氧化还原剂的作用下再次恢复功能，且不同的PRDXs亚型发挥的生物学功能不同。其中PRDX1～5 主要以硫氧还原蛋白(thioredoxin，TRX)为还原剂，PRDX6以谷胱甘肽、硫辛酸、二硫苏糖醇等为还原剂，且PRDX6是一种双功能蛋白，具有谷胱甘肽过氧化物酶和磷脂酶A2活性[7]。最新研究结果显示，随着细胞内氧化应激程度的改变，PRDXs的功能也在过氧化物酶和分子伴随物之间相互转化，除了抗氧化产物外还可以分子伴随物的形式与关键蛋白结合，充分发挥关键蛋白作用从而保护肿瘤细胞。ROS是肿瘤进展的双向调节器，因浓度、作用时间及细胞种类不同，可对肿瘤细胞信号通路产生不同影响，而PRDXs家族作为对抗ROS的一类超蛋白家族，也具有促肿瘤和抑肿瘤的作用。因此研究PRDXs-ROS信号轴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。

2 PRDXs与CRC

2.1PRDX1与CRC PRDX1是PRDXs家族中具有多种功能且较为关键的一种蛋白。其主要功能为：①抗氧化功能：PRDX1 可清除体内的ROS，与多种激酶相互作用，防止氧化应激导致的细胞凋亡，可通过抑制 ASK1/p38MAPK 和 ASK1/JNK 等多种信号通路的激活来抑制细胞凋亡(图1)[8]；②分子伴侣功能：PRDX1可作为分子伴侣介导其他蛋白质的正确装配，将Cys 过氧化，从过氧化物酶结构上转化为酶的分子伴侣来调控基因表达，在细胞核中，PRDX1 与核调节因子如 NF-κB、c-Myc和AR等结合，发挥对肿瘤的促进或抑制作用[9]。PRDX1已被用于癌症研究，在口腔鳞状细胞癌、甲状腺癌和肺癌中均可检测到PRDX1过表达[10-12]。Rho等[13]首次研究发现PRDX1在人结肠癌组织中上调，其表达与CRC的增殖分化、侵袭转移密切相关，并在CRC中发挥双向调节作用。

Chu等[14]研究PRDX1在CRC中对炎症反应的影响时发现，PRDX1在CRC细胞株SW480中表达上调，其敲除增加了ROS、NO和ONOO的生成，SW480细胞中PRDX1的消耗可促进NF-κB/p65的核转位，并增加促炎细胞因子和趋化因子(TNF-α、IL-1β、IL-6、IL-8和CXCL1)的产生。因此推测PRDX1可能通过NF-κB/p65信号通路抑制炎症过程(图1)，也为PRXD1在CRC中的抗炎机制提供新的见解，并揭示PRDX1可能是检测炎症相关CRC进展的生物标志物。此外，PRDX1还影响CRC细胞增殖、迁移与侵袭，沉默PRDX1可降低CRC细胞增殖、集落形成、迁移及侵袭能力[15]。PRDX1下调后p-p38/p38表达下降，而p-JNK/JNK和p-ERK/ERK表达无显著差异，故推测PRDX1的下调可能与p38MAPK信号通路有关。前期研究表明，PRDX1过表达可增强TGF-β1诱导的EMT，而EMT被认为是肿瘤侵袭和转移的关键。综上，可初步得出PRDX1在CRC的发生发展中发挥重要生物学功能，且PRDX1可能是CRC潜在的治疗靶点，同时也为CRC的诊断和疗效评估提供一种新的有效方法。但仍需进一步研究阐明PRDX1在CRC发生发展中的作用和机制，进而确认其作为CRC治疗靶点的潜力。

图1 细胞质PRDX1和PRDX2介导氧化应激诱导凋亡的信号通路Fig.1 Cytoplasmic PRDX1 and PRDX2 mediate oxidative stress-induced apoptosis signaling pathwaysNote: PRDX1 and PRDX2 inhibit H2O2,reduce intracellular ROS,and induce cell death.Different types of kinases and enzymes,such as ASK1,AKT,p66 Shc,and GSTpi/JNK,are involved in this process.

2.2PRDX2与CRC PRDX2是PRDXs家族成员中氧化还原能力最强的成员，分子量约为22 kD，广泛参与细胞的增殖、分化、凋亡及信号转导等诸多生物学过程。PRDX2是典型的 2-Cys过氧化物还原酶，与肿瘤的关系最为密切，研究发现PRDX2在结肠癌组织中的表达量高于癌旁组织，且敲减 PRDX2可抑制结肠癌细胞生长[16]。此外，PRDX2在转录因子氧化还原中充当H2O2信号受体和传递因子，与转录因子STAT3形成氧化还原中继站，其中氧化分子由PRDX2流向STAT3，且氧化还原中继站产生具有减弱转录活性的二硫键连接的STAT3寡聚体(图1)。细胞因子诱导的STAT3信号传导伴有PRDX2和STAT3氧化，并受PRDX2调节[17,18]。PRDX2还可抑制肿瘤细胞的免疫反应，通过清除低水平的ROS调节肿瘤的抗凋亡作用，为将来研究PRDX2在肿瘤中的作用机制提供生物学证据。

PRDX2是影响肿瘤发生发展相关的重要指标，其在肿瘤治疗中的作用应该受到更多关注。5-FU是最广泛使用的抗CRC药物之一，可通过增加ROS的细胞内浓度诱导CRC细胞凋亡。PRDX2可通过清除患者体内的ROS增加患者对5-FU的抵抗，因此抑制PRDX2可用作诱导肿瘤细胞凋亡和改善CRC患者存活的治疗策略。Xu等[19]研究结果表明抑制PRDX2表达可通过PI3K/AKT信号通路来促进5-FU诱导的CRC细胞凋亡。在PRDX2影响CRC增殖及凋亡的分子机制研究中发现，RNA干扰抑制PRDX2的表达可通过增加内源性ROS的产生、负调控Wnt/β-catenin信号通路实现，从而介导CRC细胞凋亡、抑制其增殖并抑制体内移植瘤生长(图1)。PRDX2在CRC转移机制中的作用主要表现为PRDX2过表达可导致CRC细胞形态改变，并通过抑制TGF-β1诱导的EMT来有效抑制CRC细胞迁移。此外，PRDX2负调控 CRC细胞中的EMT标志物、EMT相关转录因子及转移相关因子MMP2和MMP9表达[20]。这些结果为PRDX2在调节EMT参与的CRC细胞迁移和转移的作用中提供了新的证据，并提示PRDX2可能是CRC的调节因子之一。

2.3PRDX3与CRC PRDX3是过氧化物酶的亚型，主要功能是降解ROS，主要存在于线粒体，含有线粒体定位序列，占线粒体基质的5%，并以线粒体Trx2作为其过氧化物酶活性的电子供体，已知PRDX3可消除90%的线粒体H2O2，并在线粒体氧化还原及调节线粒体H2O2的生理水平中起关键作用。PRDX3是C-myc、miR-383和miR-23b的靶基因，是线粒体稳态和肿瘤转化的必需分子之一。PRDX3的过表达可保护细胞免受氧化应激，而敲除PRDX3后，细胞内ROS水平和氧化应激明显增加[21]。PRDX3通过自由基生成系统保护自由基敏感酶免受氧化损伤，与MAP3K13协同作用，调节细胞质中NF-κB的活化，并参与调节细胞增殖、分化和抗氧化功能[22]。Song等[23]在研究PRDX3在CRC中的作用时发现FOXM1诱导的PRDX3可维持线粒体功能，且线粒体通过FOXM1/PRDX3传导途径维持结肠癌细胞存活。因此认为FOXM1、PRDX3和CD133是抑制CRC中癌症干细胞的潜在治疗靶点。

2.4PRDX4、PRDX5、PRDX6与CRC PRDX4的Cys残基首先被氧化成亚磺酸，与另一个PRDX分子形成分子间二硫键，通过Trx-Trx还原酶系统增强活性而逆转[24]。PRDX4通过减少H2O2在巯基依赖性催化循环中减少氧化应激，并通过调节IκB-α磷酸化参与细胞质中关键促炎转录因子NF-κB的调节[25]。其在肺癌、白血病、胶质母细胞瘤、口腔鳞状细胞癌、心血管疾病、肝病和结肠、直肠癌中表现出促肿瘤作用。PRDX4在CRC组织中的表达高于癌旁组织，表达强度与CRC浸润深度和淋巴结转移相关，研究发现PRDX4高表达的患者生存期较短[26]。

PRDX5是一种硫醇过氧化物酶，通过降低Trx-Trx系统提供的还原等价物来对抗氧化应激的保护作用，参与细胞内氧化还原信号，其降低H2O2的速度是游离Cys的105倍。PRDX5基因定位于染色体11q13.1，在暴露于脂多糖(LPS)和IFN-γ的原代巨噬细胞中时表达明显增加。在LPS/TLR途径的下游，p38和c-Jun N-末端激酶(JNK)在PRDX5的调节中发挥重要作用[27]。近期数据显示，在各种PRDX家族成员中，PRDX5是苏丹乳腺癌患者肿瘤样本中唯一显著下调的过氧化氧化还原酶[28]。

PRDX6具有谷胱甘肽过氧化物酶和iPLA2活性。参与细胞氧化还原调节的PRDX6可以清除H2O2、短链有机物、脂肪酸和磷脂氢过氧化物，并在调节磷脂转换及防止机体氧化损伤中起作用。PRDX6优选磷脂酰胆碱作为底物，特别是花生四烯酸(AA)或sn-2位的棕榈酸，鉴于AA在磷脂代谢和细胞信号传导中的重要作用，PRDX6释放AA的能力显得尤为重要[29]。目前研究证实PRDX6在肺癌、卵巢癌、肝癌和胃癌中发挥促肿瘤作用。近期研究表明PRDX6通过氨基甲酸酯诱导的肺肿瘤模型中的JAK2/STAT3信号通路促进肿瘤侵袭和转移[30]；调节Upar、Est-1、MMP-9、RhoC和TIMP-2的分子表达可促进乳腺癌的侵袭和转移。

3 总结与展望

PRDXs在人类各部位肿瘤中的表达和功能仍存在争议，需进一步研究以揭示其在癌症进展和转移中的潜在作用。目前PRDX1和PRDX2在CRC的研究中相对较多也较深入，PRDX3～6在CRC的研究中相对较少，但在其他肿瘤中的研究较多，尤其是肺癌。由此可见，PRDX3～6在CRC中的作用及分子机制研究将为CRC研究者提供新的思路和灵感，而其在其他肿瘤中作用机制可为CRC的研究提供证据和参考。PRDXs在癌症中具有多种功能，当PRDXs作为抗氧化酶而不是伴侣蛋白时，其在放疗抵抗及化疗耐药中起重要作用。目前基于PRDXs的抗癌研究主要集中于抗氧化活性，虽然基于PRDXs的抗癌药物在体内外的临床前试验结果都较为乐观，但从实验室到临床试验仍有很长的路要走。

此外，仍有一些重要的科学问题需要解决，其中之一是PRDXs的脱靶效应。当存在其他PRDX和/或ROS非依赖性酪氨酸激酶时，针对PRDXs的药物是否足以控制最终的抗癌作用？如果答案是肯定的，那么潜在的机制是什么？只有这些问题得到充分探索，针对PRDXs的治疗能否用于CRC肿瘤的临床应用才能得到证实。值得注意的是，PRDXs家族对氧化应激非常敏感，且其分子伴侣活性在氧化应激条件下增强。此外，PRDX1、PRDX2及PRDX3经常与其他PRDX和/或氧化还原调节蛋白如Trx合作抑制H2O2诱导的细胞凋亡。总之，PRDXs在CRC中起的作用复杂，既可阻碍正常细胞因ROS导致DNA等损伤而向恶性转化，起肿瘤抑制作用；也可抑制已转化的肿瘤细胞内大量ROS诱导的凋亡，促进肿瘤细胞存活，对肿瘤起支持与保护作用。PRDXs基因的反义核酸或siRNA可用作化疗或放疗增敏剂，提示其在CRC肿瘤治疗中可能的应用前景。