【论肿道麻】肿瘤发展和进展中活性氧的作用

活性氧（ROS）是有氧呼吸的副产物，对DNA、蛋白质和脂质均有毒性。但ROS也适应性地以信号分子方式支持许多细胞行为。2022年1月英国伦敦弗朗西斯·克里克研究所在《Nature Review Cancer》杂志发表了一篇名为“The role of ROS in tumour development and progression”的综述，对ROS的不同肿瘤生物学特征以及在不同阶段的肿瘤和基质细胞中发挥的复杂的作用进行了系统概述。

ROS的产生和限制途径的去调节是肿瘤细胞的共同特征。通过调节肿瘤微环境、影响基质细胞，ROS为肿瘤提供代谢支持、血液供应和调节免疫反应。ROS的反应较为复杂，取决于包括ROS类型、水平、定位和持续性，以及肿瘤本身起源、环境和阶段在内的多种因素。   

ROS的产生与控制 细胞可以通过多种机制产生ROS，不同的ROS可能有着非常不同的目标和活动。下面我们将更全面地讨论ROS的这些功能对肿瘤发生的影响。 

ROS调节系统 为了控制ROS，细胞拥有各种抗氧化系统，如将O2·–转化为H2O2的超氧化物歧化酶（SODs），以及将H2O2转化为水的多种酶，包括过氧化氢酶（CAT）、过氧化物酶（PRDXs）和谷胱甘肽过氧化物酶（GPXs）（图1）。PRDX和GPX催化反应的辅因子分别是还原硫氧还蛋白（TRX）和还原谷胱甘肽（GSH），谷胱甘肽-S-转移酶（GST）也使用GSH来解毒氧化应激产生的反应性化合物。GSH和TRX以辅因子NADPH作为电子供体的还原酶再生。因此，NADPH对这些抗氧化防御机制的活性至关重要，哺乳动物细胞中的几种途径允许NADP+再生为NADPH（图2）。  

图 1. ROS的产生和代谢

图 2. NADPH和谷胱甘肽代谢

此外，有丝分裂过程可以限制线粒体ROS（mtROS），定向自噬可去除衰老的ROS生产线粒体。但是，在某些情况下，有丝分裂吞噬被证明可以增加ROS的产生。 

ROS的空间控制 ROS另一调节方式是控制细胞内定位，存在几种划分ROS产生和降解系统的机制。NOX存在于包括质膜等的多个亚细胞部位。抗氧化剂PRDX、GPX和GST的亚型显示出明显的亚细胞定位，线粒体和过氧化物酶体等也含有许多其他ROS调节酶（图1）。NADPH在特定的亚细胞位置产生（图2），其区域化调节通过NADK和NADPH磷酸酶的亚细胞定位来实现。控制线粒体的位置可以进一步定位和限制ROS。此外，细胞内的一个位置产生的ROS可以在另一个隔间发出信号，mtROS和膜ROS之间也存在相互串扰。ROS调节系统也可以对某些刺激进行重新定位，以允许局部反应。同样，线粒体可以重新分布到这些区域，为迁移和入侵提供能量。   

ROS与肿瘤的发展 许多促肿瘤事件都可以促进ROS的产生。肿瘤细胞携带的ROS比正常对照组多，有证据表明，这些ROS增加既能支持又能抑制肿瘤恶性行为。 

ROS的促癌作用 致癌扰动导致ROS增加为肿瘤发生所必需。DNA损伤和基因组不稳定可以推动致癌改变的积累，从而促进肿瘤发展。膜和线粒体来源的H2O2可以可逆地氧化蛋白质中的半胱氨酸残基，以与其他翻译后修饰类似的方式控制其活性。数千种蛋白质的可逆氧化已经被确定，这些信号通路是肿瘤细胞存活、增殖、代谢、侵袭和转移的公认媒介。通过改变表观遗传调节甲基转移酶（DNMT）或组蛋白脱乙酰酶（HDAC），或氧化DNA损伤引起低甲基化，这些对ROS的反应也可能促进致癌转化。 

ROS的抑癌作用 与上述ROS的促瘤作用相反，增加氧化损伤和增强ROS依赖性死亡信号也可以有效地防止肿瘤发生的某些步骤。ROS累积可引起衰老和多种细胞死亡。最近的研究重点是铁死亡，一种由膜ROS和mtROS引起的铁依赖性脂质过氧化诱导的细胞死亡形式。GST也可能有助于清除过氧化脂质，从而限制铁死亡。重要的是，获得性耐药与ROS增加和对铁死亡的更高敏感性有关。虽然铁蛋白沉积通常会导致癌细胞的清除，从而减少恶性进展，但最近的一项研究表明，诱导铁蛋白沉积和随后的巨噬细胞浸润也有助于促进小鼠胰腺癌的进展。 

抗氧化防御机制 ROS增加既可以促进致癌表型的获得，也可以通过提高对细胞死亡的敏感性来限制肿瘤发展。一些控制ROS的机制已被证明在肿瘤起源中发挥作用。大量研究表明，肿瘤的发展依赖于涉及GSH和NADPH的中枢ROS调节系统(包括GSH族、NADPH产生的调控、戊糖磷酸途径、苹果酸酶和叶酸代谢、IDH1和IDH2、NADPH合成，详见原文)。 

调节ROS的致癌突变 为了避免达到ROS潜在的破坏性水平，许多肿瘤积累了抗氧化保护的基因改变，这对压力环境中肿瘤细胞的整体存活非常重要。肿瘤细胞调节ROS的一个关键因子是核因子红系2相关因子2（NRF2），它诱导许多抗氧化基因的表达。NRF2功能由kelch样ECH相关蛋白1（KEAP1）控制，增加的ROS水平通过破坏KEAP1对NRF2的降解来诱导保护性抗氧化反应。肿瘤发展的另一个ROS调节因子是肿瘤抑制蛋白p53，它同时抗氧化和促氧化。p53诱导的ROS可通过细胞凋亡和铁死亡驱动细胞死亡，而p53的抗氧化活性可能通过阻止损伤的积累而有助于肿瘤抑制，p53限制ROS的功能也被认为通过预防过度氧化应激在支持肿瘤发展中发挥作用。   

ROS与肿瘤转移 侵入和转移是多种肿瘤患者死亡的原因。成功的转移包括迁移和入侵，失去与正常细胞的接触，进入循环后存活，以及进入远处组织中并重新建立生长。ROS参与促进或限制其中的每一步（图3）。

图3. ROS与肿瘤进展：肿瘤细胞存活和侵袭性。 

侵入 肿瘤扩散始于肿瘤细胞迁移并侵入周围基质。这依赖于肌动蛋白细胞骨架重排形成侵入足或伪足，并且需要ROS信号。NOX1生成的ROS驱动信号通路控制着侵袭的范围和方向。膜ROS和mtROS的增加有助于激活不同的基质金属蛋白酶（MMPs），MMPs可降解细胞外基质，使肿瘤细胞侵入邻近组织。SOD2过表达细胞中的MMP活性增加可导致迁移和转移增强，并受到GPX表达的限制。小鼠肺癌模型中，限制ROS能稳定BACH1以支持肿瘤扩散。抗氧化治疗导致BACH1增加，随后激活与迁移和转移有关的基因。在这种情况下，ROS的增加限制了入侵，而不是支持入侵。 上皮-间充质转化 许多上皮起源的浸润性肿瘤同时具有上皮-间充质转化（EMT）和间充质-上皮转化（MET）的能力，并介导肿瘤细胞在第二个亚稳态部位成功生长。此外，EMT与诱导具有祖细胞、自我更新表型的细胞有关，称为肿瘤干细胞（CSCs）。CSCs与肿瘤治疗相关，包括休眠、耐药性和复发。一些人类和小鼠CSCs由于抗氧化防御增强而保持较低的ROS水平，使其不易被清除，这种细胞群限制ROS的能力是维持增殖能力的基础。 分离 原发肿瘤常表现出ROS升高，但肿瘤扩散可能会进一步增加ROS，从而损害细胞存活。分离诱导的ROS反应源于较低的OXPP 通量，而永生化成纤维细胞或上皮细胞中G6PD的激活可促进抗氧化活性，并允许非锚定生长。分离的肿瘤细胞也可以增加还原性羧化和线粒体NADPH的产生，从而限制mtROS并允许非锚定生存。脱附细胞对脂肪酸合成酶（FASN）的需求进一步表明还原羧化对线粒体抗氧化的重要性。分离的肿瘤细胞也可以通过聚集降低ROS水平来提高存活率。未转化乳腺细胞中，分离诱导的有丝分裂吞噬会损害线粒体NADPH的生成，导致ROS增加和细胞死亡。相较于正常细胞失去功能线粒体，消除肿瘤细胞中受损线粒体能够获益。 循环 肿瘤细胞从原发肿瘤分离并作为循环肿瘤细胞（CTC）而扩散。在血液这种氧化环境，CTC遭受额外的氧化挑战。黑色素瘤的CTC相比原发肿瘤的ROS水平更高，抗氧化治疗不会显著改变其皮下肿瘤的生长，但会增加CTC的数量和肺转移的概率。传播途径也影响ROS和肿瘤细胞的存活。血液中的黑色素瘤CTC显示出更高的脂质氧化水平，并且比淋巴循环中的细胞对铁死亡更敏感。因此，黑色素瘤CTC淋巴结转移比血行转移更成功。 ROS促进或预防转移吗？ 总之， ROS可以增强和减少肿瘤转移进展的各个步骤，导致研究产生明显矛盾的结论，这些研究将肿瘤转移与ROS生成的调节联系起来。近期研究表明， ROS增加可以抑制转移过程中的几个步骤，抗氧化剂则在支持肿瘤细胞在远处成功定居中发挥作用。促氧化反应和抗氧化反应之间，因mtROS激活一种称为丝裂原的能力而进一步复杂化。总的来说，有很好的证据表明ROS既能促进也能抑制转移。现在的关键是理解最终反应是如何确定的。    ROS和基质 体内肿瘤微环境（TME）中，ROS介导肿瘤细胞和未转化细胞之间的相互作用（图4）使肿瘤行为进一步复杂化。基质细胞中ROS调节非常重要，ROS水平变化引起的基质细胞的反应如何影响肿瘤细胞的行为也正在被揭示。

图4. 活性氧与肿瘤进展：与基质的相互作用。   内皮细胞中的ROS ROS水平增加促进病理性血管生成。肿瘤细胞中NOX1衍生的ROS增加可诱导HIF1α而驱动多种促瘤反应，包括促血管生成因子的表达。NOX1还通过ERK磷酸化介导RAS诱导的结肠癌细胞血管内皮生长因子（VEGF）上调和血管生成。ROS也直接作用于内皮细胞影响血管生成。巨噬细胞产生的氧化脂质被内皮细胞上表达的Toll样受体2（TLR2）识别，并促进血管生成。小鼠黑色素瘤模型中氧化脂质的中和降低了血管生成和肿瘤生长，而限制黑色素瘤细胞自身的ROS和脂质氧化作用则导致转移增加，说明了ROS对肿瘤和基质细胞的潜在抵消作用。除了对血管生成的直接影响外，ROS还可以诱导肿瘤细胞粘附到内皮细胞，这一步骤可能会促进远处转移。 成纤维细胞中的ROS 肿瘤相关成纤维细胞（CAF）具有肿瘤支持作用，该作用一定程度上取决于肿瘤细胞中ROS的增加。成纤维细胞中的ROS本身也能促进其向肌成纤维细胞的转化，从而促进转移。邻近肿瘤细胞也诱导ROS增加和成纤维细胞向肌成纤维细胞的转化，从而增加肿瘤细胞的侵袭性。CAF调控ROS水平的能力也会影响肿瘤的免疫抑制环境。CAF通过诱导中性粒细胞中的ROS，形成中性粒细胞外陷阱（NETs）。NETs通常被认为能防止感染，但肿瘤相关的中性粒细胞和NETs已被证明能促进肿瘤进展和转移。综上所述，ROS似乎能促进CAF的肿瘤支持活性。 ROS和免疫细胞 免疫细胞群产生ROS从而促进和限制肿瘤发生。中性粒细胞中ROS可增强DNA损伤，有助肺癌的早期发展，同时也可阻止乳腺癌的肺内种植转移，反映肿瘤发展不同阶段对ROS控制的不同要求。肿瘤相关巨噬细胞（TAM）的免疫抑制和血管生成表型被认为是肿瘤进展的表现。许多研究显示，各种ROS在T细胞功能中起重要作用，但ROS高水平、肿瘤相关骨髓细胞存在以及肿瘤细胞自产ROS增加时可降低T细胞功能。线粒体应激和ROS增加也会导致T细胞衰竭而降低其控制肿瘤进展的能力。TME的高ROS水平也会影响调节性T（Treg）细胞的活性。研究表明，Treg细胞容易受到氧化应激的影响，ROS诱导的Treg细胞死亡导致腺苷释放，从而抑制T细胞免疫。 因此，ROS的产生和维持平衡对于T细胞存活和维持有效的抗瘤作用至关重要。 基质的复杂性 综上所述，ROS在肿瘤细胞和肿瘤基质的各种细胞之间的复杂交流中发挥着重要作用。证据表明其中微生物也发挥着重要作用。总的来说，限制ROS可以降低髓系细胞的免疫抑制来减缓肿瘤进展。与肿瘤细胞本身一样，抑制过量ROS生成的能力对于维持促肿瘤基质细胞的存活非常重要，TME中已经高水平的ROS可能提供一个可针对的脆弱性。  

“论肿道麻”述评

  肿瘤细胞和基质细胞中ROS的产生和反应机制决定了肿瘤细胞的命运。首先，ROS的类型和水平在决定结果中的作用至关重要。产生和调节不同ROS的酶的位置和活性，以及定位活性氧的机制，也对细胞反应产生了巨大影响。其次，肿瘤细胞抗氧化防御系统的相对强度也会影响结果，这可能受肿瘤的起源器官、肿瘤携带的致癌改变，以及肿瘤周围的细胞和环境的影响。再者，CTC形成包含肿瘤细胞、血小板和免疫系统各种成分的集群的能力，也可能影响肿瘤细胞对ROS的反应。最后，ROS的时间控制也成为肿瘤进展的一个重要因素，不同阶段的肿瘤发生可以通过调节ROS来增强或抑制。随着时间推移，对ROS适应的增加可导致对此反应的改变，从而改变肿瘤进展的轨迹。因此，需要根据肿瘤发展的特定阶段采取不同的策略来调控ROS。 必须承认的是，目前关于ROS在肿瘤发展中作用的许多信息来自实验模型，这些模型难以相互比较。所用模型的一致性，以及检测特定ROS和ROS修饰靶点的改进方法，将允许对ROS在肿瘤中的作用进行更准确的分析。 肿瘤中ROS反应复杂，仅仅基于ROS调节而设计简单治疗是不可行的。早期的抗氧化治疗以限制肿瘤发展并未通过实验得到证实，甚至限制ROS可能会促进其发展。肿瘤细胞具有携带高水平ROS的倾向，更可能因进一步氧化应激而死亡，许多目前的化疗药物正是通过增加ROS水平发挥作用，尽管这些治疗也可能增加肿瘤风险。用于治疗ROS的全身肿瘤疗法同样也会调节基质细胞的活性以及影响肿瘤浸润和转移进展。ROS的类型和位置之间的复杂关系，ROS对肿瘤内多种细胞类型的影响，以及ROS对肿瘤扩散的影响，意味着专注于一种环境中的一个生理方面，尽管在分解机制和功能方面非常有用，但不足以预测现实生活中肿瘤患者的反应。ROS的作用以及ROS调节疗法的效果，将因肿瘤类型、位置和性质的不同以及肿瘤发展的阶段而有很大差异。 总之，存在着ROS的许多可能反应并因此影响肿瘤的发生。我们应理解不同细胞类型中的这些反应如何调节、如何相互作用以决定最终结果，这将有助于我们利用ROS或ROS控制途径来制定和改进目前的肿瘤疗法。 编译：金丹枫；述评：翁梅琳 审校：张军，缪长虹    

参考文献：   Cheung EC, Vousden KH. The role of ROS in tumour development and progression. Nat Rev Cancer. 2022 May;22(5):280-297. doi: 10.1038/s41568-021-00435-0. Epub 2022 Jan 31. PMID: 35102280.        

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