活性氧、锰超氧化物歧化酶和p53 的相互作用及对肿瘤的影响

 

杨从容(综述)/王雅棣*(审校)

( 河北医科大学第四医院放疗科，河北   石家庄   050011 )

 

【摘要】  位于线粒体中的锰超氧化物歧化酶 (manganese superoxide dismutase，MnSOD)可与其他抗氧化酶共同作用清除体内过多的活性氧 (ROS)，维持机体内氧化还原状态的稳定，保护机体免受过氧化损伤，防止多种疾病的发生。目前众多研究表明，ROS在p53介导的凋亡中发挥着重要作用，ROS可通过多种途径诱导p53的活化，而p53也可与MnSOD相互作用影响ROS的产生，三者关系错综复杂，与肿瘤的发生发展和凋亡关系均十分密切，本文就三者之间关系及对肿瘤和调亡的影响予以简要综述。

【关键词】  锰超氧化物歧化酶；活性氧；p53；肿瘤；凋亡

 中图分类号： R730.231     文献标识码： A     文章编号： 1004-616X(2011)03-0238-04     doi: 10.3969/j.issn.1004-616x.2011.03.021

 

活性氧 (reactive oxygen species，ROS)是氧在机体还原过程中产生的中间产物及其衍生物，大部分属于氧自由基，参与细胞增殖、分化、转化和凋亡以及细胞内重要信号途径的传导。其产生过多可破坏机体正常组织细胞，引起多种疾病。超氧化物歧化酶 (superoxide dismutase，SOD)是一种重要的抗氧化酶，具有很强的清除氧自由基的作用，特别是位于线粒体中的锰超氧化物歧化酶 (manganese superoxide dismutase，MnSOD)可与其他抗氧化酶共同作用保护机体免受过氧化损伤。通常，ROS与抗氧化酶之间存在着一定的生理平衡，当这种平衡被破坏就会产生一系列的氧化应激 (oxidative stress)而对细胞产生损伤，其中肿瘤的发生就与机体氧化还原状态的失衡密切相关。p53是一种肿瘤抑制因子，活化后可引起一系列反应，包括细胞周期阻滞、阻止细胞转化、抑制DNA修复、诱导凋亡。因此，p53基因突变、缺失或失活可导致多种肿瘤的发生，而诱导凋亡是p53发挥抗肿瘤作用的重要环节。近来研究显示ROS、MnSOD和p53均参与了凋亡途径，与肿瘤的发生发展及治疗密切相关，p53可通过调节MnSOD的表达改变线粒体ROS的产生，三者之间相互依存，对肿瘤的发生发展及治疗产生重要影响。

 

1  ROS、MnSOD与肿瘤的关系

1.1  ROS的产生

自由基，化学上也称为“游离基”，是含有一个不成对电子的原子团。由于原子形成分子时，化学键中电子必须成对出现，因此自由基就会夺取其他物质的一个电子，使自己形成稳定的物质。在化学中，这种现象称为“氧化”。生物体系主要遇到的是氧自由基，例如超氧阴离子自由基 (·O2- )、羟自由基 (·OH)、脂氧自由基 (·ROO)和一氧化氮 (·NO)。加上过氧化氢 (H2O2)、单线态氧 (1O2)等非自由基含氧衍生物，通称活性氧 (ROS)。ROS主要在线粒体内产生，是体内氧代谢的副产品，参与体内细胞分化、增殖、转化、凋亡等过程，是一种重要的信号分子[1-2]。

1.2  ROS与肿瘤的发生发展 

在正常情况下，机体内ROS的产生和清除处于动态平衡状态，若ROS产生增多和/或清除ROS能力下降，机体就会出现氧化应激，对生物体产生一系列有害的作用。如：脂质过氧化导致生物膜结构和功能的改变；损伤蛋白质的巯基和氨基使蛋白质变性、交联，酶的活性丧失；损伤DNA使细胞突变。由于DNA、蛋白质的氧化损伤以及信息通道的改变直接影响细胞增殖；细胞间的信息传递异常，使细胞摆脱正常的调控而异常增生，并通过信息通路传递下去，导致基因表达失调及细胞增殖紊乱，这种损伤为肿瘤发生提供了基础。可见，肿瘤的发生与ROS密切相关[3]。有报道吸烟产生的近乎1 014~1 016个自由基，与肺癌密切相关[4]；慢性炎症使白细胞聚集在发炎处产生大量ROS，长期持续刺激导致了肿瘤的形成与发展[5-6]。另外，ROS还起到促进肿瘤细胞活化、转化的作用。最近研究发现，由于肿瘤细胞增殖和代谢功能均失控使得致癌信号刺激了线粒体而产生大量的ROS，因此，肿瘤细胞比正常细胞担负更多的氧化应激[7]。肿瘤细胞中ROS的增多会刺激肿瘤细胞增殖，突变和基因不稳定，这些均有助于肿瘤细胞的变异使其更具侵袭性并且对抗癌药物产生耐药性。Forrest VJ等[8]用0.5～10 μmol/L 的H2O2 处理鼠胸腺细胞10 min，可诱导胸腺细胞发生凋亡，随着H2O2 剂量的增加，DNA片段的百分比也升高。一些化疗药，如阿霉素、顺铂等发挥的抗癌作用也是通过在肿瘤细胞内产生大量ROS诱导肿瘤细胞凋亡的。Kang等[9]发现低浓度[1 nmol/(ml·min)]超氧阴离子刺激人肝癌细胞增殖；中浓度[8和16 nmol/(ml·min)]显著抑制增殖，并使癌细胞再分化；高浓度则使癌细胞大量凋亡。由此可见，ROS既可以诱导细胞的增殖与转化又可促进其凋亡，不同作用可能取决于ROS的种类、剂量、作用时间和细胞类型。可见，ROS在诱导凋亡和凋亡过程中也发挥了重要的作用[10]。

1.3  MnSOD、ROS及肿瘤

线粒体的氧化呼吸链是体内ROS产生的最主要途径，MnSOD是线粒体内·O2-的主要清除剂，其活性异常可改变细胞内包括·O2-  在内的ROS的水平，使细胞内氧化还原状态发生改变从而影响细胞内关键的生理调节过程，包括细胞增殖、分化与凋亡。Manna等[11]发现MnSOD高表达可阻断NF-κB激活的共同途径。此外，MnSOD还阻断肿瘤坏死因子(TNF)介导的AP-1、c-Jun氨基端激酶(JNK)、丝裂原激活的蛋白激酶(MAPK)的激活。TNF诱导的抗增殖效应及Caspase-3的激活均被MnSOD所抑制。而以上这些信号传导途径被认为由ROS通过氧化还原调节。

作为氧自由基的清除剂，MnSOD在肿瘤发生发展及治疗方面发挥着重要的作用。MnSOD在不同组织及不同肿瘤中可因氧化应激环境不同而表达各异。在正常组织中，MnSOD起着抑制肿瘤形成的作用，故在许多转化的细胞中MnSOD活性是下降的[12]。MnSOD还被认为是一种抑癌基因，高表达的MnSOD可抑制肿瘤细胞的转化、逆转其恶性表型、下调转移率及抑制增生。Teoh等[13]将腺病毒载体的MnSOD转染人胰腺癌细胞使其高表达MnSOD，结果肿瘤细胞生长减缓，集落形成率降低。Weydert 等[14] 将MnSOD转染后的人乳腺癌细胞移植至裸鼠，结果实验组形成肿瘤的能力较对照组低。MnSOD表达上调还可减少T细胞淋巴瘤小鼠模型中胸腺细胞的异倍性(异常染色体数目)、抑制T细胞淋巴瘤的形成[15]。但也有一些研究结论却相反。在某些肿瘤中，MnSOD 高表达可保护肿瘤细胞免受促凋亡因子如线粒体毒素、DNA损伤因子的作用[16]，起保护肿瘤的作用。MnSOD高表达还能增强某些肿瘤的侵袭性，MnSOD可通过调节细胞内H2O2水平促进人乳腺癌细胞的生长和侵袭[17]。MnSOD在肿瘤治疗过程中的作用也颇有争议。一些研究认为：MnSOD高表达可增强肿瘤细胞对化疗药物和放疗的抵抗能力。已有报道MnSOD高表达可增强胃癌细胞、黑色素瘤细胞和组织细胞来源淋巴瘤细胞的耐药性[18-19]。将MnSOD cDNA转染人卵巢癌细胞可增加其对辐射的抵抗性[20]。 而相反的研究结果却是：上调MnSOD的表达可增加肿瘤细胞的放射敏感性而对正常组织则有放射防护作用[21-22]。造成MnSOD这种双重作用的可能原因为：肿瘤细胞自身产生大量的·O2-，外界因素如细胞毒性药物、辐射等损伤因子诱导肿瘤细胞凋亡也主要通过·O2-起作用[23]，高表达的MnSOD可增强肿瘤细胞清除·O2-的能力[18]，从而阻碍高浓度·O2-诱导的细胞凋亡，促进肿瘤的分化与进展。但是，MnSOD并不能完全消除体内ROS，而只是将·O2-代谢为 H2O2，若·O2-代谢产生的H2O2超出肿瘤细胞的清除能力时，将会导致细胞色素C、半胱氨酸天冬氨酸酶原 (pro-caspase-3，6，8，9)释放[24]，细胞色素C可激活半胱氨酸天冬氨酸酶 (caspases)，启动细胞凋亡。此时MnSOD高表达非但不能起保护肿瘤细胞的作用，反而会因 H2O2水平升高而诱导肿瘤细胞凋亡。因此高表达的MnSOD对肿瘤细胞是起保护作用还是抑制作用，与肿瘤细胞内清除 H2O2的酶 (谷胱甘肽过氧化物酶或过氧化氢酶等)的水平和活性有关，即与肿瘤细胞内·O2-／H2O2的平衡和氧化还原状态改变导致信号级连反应有关 。

 

2  p53、ROS与凋亡的关系

2.1  p53与ROS的关系

p53基因是一种重要的抑癌基因。 诱导凋亡是p53发挥抗肿瘤作用的重要环节。通常各种细胞应激：DNA的损伤、能量缺失、癌基因紊乱、组织缺氧和氧化应激等使p53转录后通过乙酰化，磷酸化，甲基化和类泛素化等被活化。p53活化后引起一系列反应，包括细胞周期阻滞、DNA修复、阻止细胞分化和转化、诱导凋亡。p53基因突变、缺失或失活可导致多种肿瘤的发生。近来研究证明ROS可能参与了多水平的p53信号传导：①ROS是p53功能潜在的激活剂，②ROS产生于p53激活的下游通路，并介导凋亡。而p53蛋白的活化是一个包括多重磷酸化作用和乙酰化作用的复杂过程。ROS以多种方式，促成p53活化。包括DNA的直接损伤。此外，还通过其他大量被ROS激活的信号传导途径交互作用，促进p53的活化。③在H2O2处理T细胞时，NF-κB依赖的p53 的调节作用。④ROS调节p53活性的可能方式是：通过修饰蛋白DNA结合区域的半胱氨酸的氧化还原状态，影响DNA结合活性。反映氧化还原状态改变的NADPH醌氧化还原酶 (NQO1)，可通过抑制p53降解作用，调控其功能。

2.2  p53介导ROS诱发的凋亡

p53在介导H2O2引发的凋亡中具有重要作用。去除p53功能，能增强H2O2处理的细胞存活，而p53活化本身可导致ROS的产生。近来已有报道表明p53活化时伴随着细胞内ROS浓度的增加，并且通过抗氧化物去除氧自由基后会阻碍p53诱导的凋亡[25-26]。但p53究竟如何活化而导致ROS增多尚不清楚。可能是在p53诱导的凋亡中线粒体功能的改变使ROS的产生增多，也可能是p53通过转录修饰参与调控细胞氧化还原状态时的基因而使ROS增多。Polyak等[25，27]发现p53的高表达能反式激活一系列p53诱导基因 (PIGs)，而这些PIGs编码氧化活性蛋白，包括两种ROS产生酶，NQO1和脯氨酸氧化酶 (POX)。这些促氧化酶的上调可引起氧化应激和随之而来的凋亡，这是p53与ROS产生之间首个较为明确的联系。同时，p53还可诱导促氧化酶基因包括BAX，PUMA和p66Shc。p53对抗氧化酶基因的抑制作用也可增加细胞内ROS的含量。

 

3  p53与MnSOD的调节作用

p53调节多种基因的转录包括氧化相关基因，这些基因能诱导细胞氧化应激导致p53依赖的凋亡。由于p53和MnSOD均参与了氧化应激反应，两种蛋白可能存在着功能性交互反应。

3.1  p53下调MnSOD

目前众多研究表明，p53对MnSOD的表达具有调控作用。Drane等[28]研究显示，表达野生型p53的人乳腺癌细胞株MCF-7能抑制MnSOD的表达，而表达突变型p53的MCF-7中则无此现象。在敲除了p53基因的EIA/Ras转染的成纤维细胞 (p53-/-)， MnSOD蛋白表达高于携带有野生型p53的对照组[29]。此外，野生型p53短暂转染HeLa细胞也表现出MnSOD表达的下调。研究证实[30-31]，p53对MnSOD表达的抑制作用依赖于MnSOD的主要活化因子SP1和p53在基因启动子上的相互作用。MnSOD启动子上SP1结合位点突变或由SP1特异性的小干扰RNA阻断而使内源性SP1水平下调可阻断p53诱导的对MnSOD表达的下调作用。p53也可能通过与线粒体中的酶相互作用而直接抑制MnSOD的催化活性[32]。Zhao等[33]发现经12-氧-十四烷酰佛波醇-13-乙酸酯 (12-O-tetradecanoylphorbol-13-acetate，TPA)处理的表皮细胞中p53可与线粒体中的MnSOD酶直接结合，通过抑制MnSOD，清除过氧化物的活性，诱导细胞凋亡。

3.2  p53上调MnSOD

Hussain等[34]证实，在无四环素成长条件下表达p53的李弗劳明综合征成纤维细胞TR9-7，由于去掉了四环素，MnSOD mRNA和蛋白水平均增加。在人淋巴母细胞TK6中p53过表达可增加细胞内MnSOD水平和谷胱甘肽氧化物酶(GPX)，但不能改变过氧化氢酶(GAT)的水平。Li等[35] 的研究也表明，p53对MnSOD 表达具有正向调节作用：硒可通过ROS活化ERK2， ERK2进而转位细胞核内磷酸化p53，使其活化而诱导NB4人白血病细胞MnSOD的表达，经硒诱导的MnSOD在经过p53小干扰RNA处理后可重新回到原来的表达水平。

3.3  p53双向调节MnSOD

Dhar等[31]发现低浓度的p53增加MnSOD的表达而高浓度则抑制其表达；p53对MnSOD的调节依赖于MnSOD增强子 (位于第二内含子中)和基因启动子；NF-κB亚单位p65在p53对MnSOD的双向调节中发挥着重要的作用，在MnSOD基因的增强子中NF-κB结合位点的突变或转录p65特异性的小干扰RNA会消除p53对MnSOD的诱导作用，但不会影响p53在高浓度时对其的抑制作用。

3.4  MnSOD下调p53

除了p53对SOD2转录的调节作用，Drane等[28]证实MnSOD蛋白的过表达也会下调p53启动子的活性。p53启动子序列在不同种属间是高度保守的。大量转录因子对p53启动子活性有调节作用，但只有NF-κB是氧化还原敏感的。Li等[36]认为：MnSOD 过表达会导致NF-κB和活性蛋白1(AP1)活性的抑制并且能降低NF-κB反应性启动子的转录水平。然而，Pascal等[37]的实验却表明，MnSOD对p53启动子活性的下调并不依赖NF-κB的抑制作用。在NF-κB位点突变的情况下，MnSOD过表达仍能下调p53启动子的活性，这说明，MnSOD和NF-κB对p53基因的表达作用是独立的，提示MnSOD可能会改变涉及到此过程的其它转录因子的活性。

众多研究证实，凋亡程序是需要氧化应激的。p53作为细胞应激的感应器，MnSOD作为主要的抗氧化酶，二者均参与了凋亡过程。p53能通过多种途径诱导凋亡包括对多种基因的转录诱导，如在ROS产生中起重要作用的氧化还原状态基因，从而使线粒体氧化降解最终导致凋亡。p53也能抑制很多抗凋亡活性基因的表达如Bcl-2、MAP4、Presenilin 1等。p53活化或过表达可在启动子水平上抑制MnSOD的表达[28，30]。MnSOD可能对p53有逆转作用，下调其转录作用。

 

4  小  结

综上所述，已存在的证据显示：ROS、MnSOD和p53之间存在着广泛的交互作用，共同维护细胞氧化还原状态的平衡，而肿瘤本质上是氧化应激的产物，机体的氧化还原状态及凋亡程序的诱导在肿瘤的发生发展及治疗中起着至关重要的作用。因此，对三者关系的研究可为我们进一步探索肿瘤生物学特性提供新的思路并在肿瘤靶位治疗方面显示巨大的应用前景。

 

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收稿日期： 2010-12-01；修订日期：2011-01-18

基金项目： 国家自然科学基金 (30540005)；国家人事部高层次留学归国人员资助(国人厅发[2005]118号)；教育部留学归国人员启动基金(教外司留[2008]101号)

作者简介： 杨从容  (1978-   )，女，河北唐山人，博士研究生，研究方向：放射肿瘤学。Tel：15373007566；E-mail： yangcongrong2005@yahoo.com.cn

*Correspondence to：WANG Ya-di，E-mail：wangyadi@hotmail.com

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