硫氧还蛋白还原酶与肺癌的研究进展

刘倩倩 张磊 曾慧慧

北京大学医学部药学院，北京100191

硫氧还蛋白还原酶与肺癌的研究进展

刘倩倩 张磊 曾慧慧#

北京大学医学部药学院，北京100191

硫氧还蛋白系统是一类很重要的氧化还原系统，由硫氧还蛋白（thioredoxin，Trx）、硫氧还蛋白还原酶（thioredoxin reducase，TrxR）和NADPH组成。它在机体中发挥着重要的生理功能，包括机体氧化还原调节和抗氧化防御、细胞生长和凋亡调节、器官发育调控等多种功能。大量研究表明，Trx系统的Trx和TrxR在肺癌、胰腺癌、肝癌等多种恶性肿瘤中高表达，可能参与了肿瘤的发展进程。本文综述了肺癌和Trx系统的各自特点以及相互间的联系。

硫氧还蛋白；硫氧还蛋白还原酶；肺癌；氧化应激

肺癌是全球最常见的恶性肿瘤之一，约80%的肺癌患者是非小细胞肺癌（non-small cell lung cancer，NSCLC）。近50年来，世界上很多国家和地区肺癌的发病率与病死率均呈急速上升趋势。据美国癌症协会的研究报道，肺癌是美国死亡率最高的癌症类型[1]。根据2014年中国肿瘤登记中心发布的数据，2010年，我国肺癌发病率为35.23/ 10万，位列恶性肿瘤之首（男性首位，女性第二位）。同期，肺癌病死率为27.93/10万，占恶性肿瘤死因的24.87%[2]。肺癌由于其高发病率和高病死率的特点而倍受关注。

另外鉴于肺癌发病隐蔽，多数患者就诊时已到晚期而缺乏有效的治疗措施，且5年生存率极低（仅为15%），故我国现阶段肿瘤防治领域亟待解决的一个课题就是开发更为灵敏可靠、特异性或针对性更强的肺癌诊疗新方法。TrxR是一种体内抗氧化防御和还原状态调控中发挥着举足轻重作用的蛋白酶，而各种危险因素引起的氧化应激损伤乃至氧化还原状态失衡被普遍认为是肺癌发病过程中的枢纽性环节，据此推断TrxR可能是一种潜在的肺癌生物标志物及药物治疗靶点。

1 TrxR及其功能

Trx系统是一类在人体内广泛存在，由Trx、TrxR和NADPH组成的氧化还原系统。其中，TrxR是一种NADPH依赖的包含FAD结构域的二聚体硒酶，它通过催化NADPH，将二硫键形式的Trx氧化态还原成巯基形式的还原态，以保持Trx的还原性。该系统在机体中发挥着重要的生理功能，包括机体氧化还原调节和抗氧化防御、细胞生长和凋亡调节、器官发育调控等多种功能。

哺乳动物中的TrxR有三种亚型：TrxR1（胞质）、TrxR2（线粒体）和TrxR3（睾丸）[3]。在人体内，它们分别被三种不同的基因（TNXRD1、TNXRD2和TNXRD3）编码[4]。从功能上看，TrxR3通过影响结构蛋白中二硫键的形成参与精子的成熟，而TrxR1和TrxR2对于清除胞质和线粒体内过量的自由基，保护细胞免受氧化应激损伤具有重要意义。现研究并提及的TrxR主要是指TrxR1。从结构上看，三种亚型的硫氧还蛋白还原酶C-末端的氨基酸序列都是Cys-Sec-Cys-Gly，其中Sec是硒半胱氨酸残基，是该酶的氧化还原活性中心。结构研究显示该部位暴露在酶表面容易被亲近，与细菌型TrxR相比，哺乳类的TrxR有更广泛的底物类型，除了硫氧还蛋白，像氧化性谷胱甘肽、硫辛酸、硒、细胞色素C、莫特沙芬、四氧嘧啶等也是该酶的底物[4-5]。因此TrxR在氧化还原调节和抗氧化防御方面起着极为重要的作用。

分裂和代谢活跃的细胞产生自由基和活性氧簇（ROS），当ROS水平超出细胞抗氧化能力，就会造成氧化应激，从而对DNA、蛋白质和脂类等造成氧化损伤[6-7]。有研究发现，为了抵抗紫外线辐射产生的自由基损害，TrxR在人角质层细胞和黑色素细胞表面高表达[8]。TrxR通过清除体内多余的ROS对抗氧化损伤，抑制细胞恶性增生，降低癌变风险[9]。然而，TrxR对抗氧化应激损伤的作用对人体健康来说却是一把“双刃剑”。它既可以发挥氧化还原调节作用维持正常细胞内环境的稳态，也可能为恶变细胞的生长提供庇护。Trx和TrxR在肺癌、肝癌、乳腺癌等多种人原发性恶性肿瘤中都有过表达[10]，可能参与了肿瘤的形成和发展。由于肿瘤细胞增殖迅速，细胞内往往呈低氧环境并产生大量的活性氧簇，在这种情况下，过表达及活性高的TrxR不仅能促进癌细胞的生长，而且削弱了基于氧化应激机制的化疗药物的疗效，提高了癌细胞对趋化因子和生长因子的敏感性，导致耐药，同时还与肿瘤中新生血管的形成和远处转移有密切关系。TrxR对于肿瘤表现出的双面性，可能取决于肿瘤发展阶段和组织特点。在分子机制上[11]，Trx系统通过介导NF-κB、AP-1、p53等在内的多种转录因子的表达，而参与细胞内的信号传导调控。另外，Trx的过表达还可以激活核苷酸还原酶(RR)、缺氧诱导因子1（HIF-1）、血管内皮生长因子（VEGF），抑制凋亡信号调节激酶1（ASK-1）[12]，从而促进细胞增殖，抑制细胞凋亡并且加速血管生成，使细胞发生恶性转化。鉴于此，TrxR尤其是TrxR1被视作是一种较有前景的肿瘤生物标志物和药物治疗靶点。

2 Trx系统与肺癌的发生发展

2.1 TrxR与肺癌的发生

Soini等[13]研究发现Trx和TrxR在非小细胞肺癌中广泛高表达。细胞核而非细胞质内的Trx-TrxR表达和凋亡的抑制程度有关，还原型Trx从胞质转移到细胞核，调节Ref-1并激活转录因子造成细胞凋亡障碍，且酶的表达量越高，凋亡抑制越明显[6,13-14]。研究还发现低级别高分化肿瘤比较高级别低分化肿瘤有更高的Trx-TrxR表达[13]，提示Trx-TrxR的表达和肿瘤高分化程度相关，且其低表达逐渐丧失对低分化肿瘤的氧化还原调节作用，导致细胞内氧化应激水平升高，进一步造成肿瘤细胞基因不稳。所以，低分化肿瘤往往有更高的细胞凋亡。Wang等[15]发现相对于谷胱甘肽还原酶、过氧化氢酶等其他抗氧化酶，抗肿瘤药物环磷酰胺优先选择性抑制TrxR，并发现其对Lew is肺腺癌细胞增殖的抑制和TrxR活性部位受到抑制有关，提示高表达的TrxR可以促进肿瘤细胞增殖。

2.2 TrxR与肺癌的转移

Welsh等[12]研究发现Trx-1可以增加VEGF的分泌并促进肿瘤血管生成，从而有利于肿瘤的转移。Yoo等[16]采用RNA干扰技术发现TrxR1基因敲除小鼠可以反转恶性肿瘤表型并降低小鼠肺癌细胞的生长和转移，提示TrxR可能参与了肺癌的发展和转移。Hellfritsch等[17]也研究发现TrxR-2缺乏导致线粒体氧化还原环境失衡，最终造成HIF-1α信号通路受损，VEGF表达降低，并最终影响到肿瘤细胞的生长和血管生成。这些研究都表明肿瘤细胞过表达的Trx或TrxR参与了肿瘤血管的生成和转移，有望作为肿瘤的治疗靶点进行深入研究。

2.3 TrxR抑制剂与肺癌的治疗

综上所述，由于TrxR参与了肺癌的发生发展与转移。因此，针对TrxR为靶点的抑制剂研究一度甚嚣尘上。其中，姜黄素类似物[18]、黄酮类[19]、有机碲类[20]和铂类化合物等多有文献报道，研究其是作用于TrxR并治疗肺癌的TrxR抑制剂。研究表明，黄酮类（杨梅酮和槲皮素）[19]和乙烷硒啉[21]等化合物结合TrxR的C-端活性部位使其失活，细胞内高水平ROS导致氧化应激的出现，通过影响细胞凋亡通路导致肺癌细胞死亡。

大量研究表明，Trx/TrxR可以对抗癌药产生耐药。Trx-1高表达的肝癌细胞对顺铂敏感性降低，对阿霉素或丝裂霉素的敏感性并没有变化[22]。Trx-1m iRNA和Trx-1表达量高达4～6倍的膀胱癌和前列腺癌细胞，对顺铂也有耐药表现[23]。Trx-1高表达也出现在对顺铂耐药的胃癌和结直肠癌细胞中[24]。可以通过Trx-1反义表达质粒降低Trx-1水平转变肿瘤细胞对顺铂的耐药，同时也能提高肿瘤细胞对阿霉素、丝裂霉素、H2O2等的敏感性。这些都表明Trx系统可能是抗癌药物产生耐药性必要但不充分的因素。

除了单一用药，近期多有研究抗肿瘤药物两两联合应用，一是协同放大抗肿瘤，二是弥补单一给药耐药性出现。硒代胱氨酸-金诺芬通过联合用药靶向抑制TrxR，造成细胞内ROS蓄积、DNA损伤、ERK和ART通路失活，最终导致肺癌细胞凋亡[25]。其他联用，乙烷硒啉-顺铂联用除了可以弥补肺癌细胞对顺铂耐药的不足[26]，还和乙烷硒啉-亚硒酸联用相似[27]，两用抗肿瘤作用较单一作用都更明显。它们也是通过对TrxR的抑制，造成细胞内Trx系统氧化还原状态失衡，肿瘤细胞凋亡，最终起到抗肿瘤作用。

3 小结

近年来，肺癌发病率居高不下。诊断发现时患者大多已属中晚期且预后差，已成为严重威胁人类健康的社会问题。越来越多的研究表明，TrxR参与了肺癌的发生、发展和转移，并且靶向TrxR抗肿瘤抑制剂的研究也间接证明了TrxR与肺癌的密切关系。这些都提示TrxR有望作为肺癌早期诊断和治疗预后的潜在标志物和靶点。

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R734.2

A

10.11877/j.issn.1672-1535.2015.13.06.05

#通信作者（corresponding author），e-mail：zenghh@bjmu.edu.cn

2015-05-12）