【《活性氧在细胞中的作用概述》2800字】

第1章绪论II活性氧在细胞中的作用概述活性氧（ROS）被广泛定义为含有氧的化学活性分子，主要包括羟基自由基(·OH)、烷氧自由基、超氧阴离子(O2·−)、单线态氧(1O2)和过氧化氢(H2O2)等[1-5]。其中，羟基自由基和烷氧基自由基均为氧化性极高的活性物种。在哺乳动物细胞中，低水平的ROS可调节细胞的生理功能，过剩的ROS则会氧化损伤细胞内的生物大分子，诱导细胞死亡[6-10]。由于肿瘤细胞的不正常新陈代谢过程，它们与正常细胞相比展示出更高的ROS含量，这就使得它们更容易受到ROS的诱导治疗[11-16]。换言之，过量的ROS既可以直接损伤DNA等生物大分子，也可以激活细胞凋亡通路，进而诱导癌细胞凋亡。目前临床上使用的分子靶向药物和化疗药物等抗肿瘤药物，也主要是诱导肿瘤细胞产生ROS，进而有效地杀死肿瘤细胞[17-19]。此外，目前广泛研究的抗肿瘤方法，如光动力疗法（PDT）和化学动力疗法（CDT）也与ROS直接相关。其中，PDT主要通过诱导ROS杀死癌细胞；CDT诱导细胞死亡的机制也是基于ROS的产生。同样地，ROS在肿瘤免疫治疗中也具有重要作用[20-23]。图1.1H2O2在细胞内的转化Fig1.1TransformationofH2O2incells细胞内的ROS是细胞代谢过程的副产物，它主要源于线粒体呼吸链，通过酶的化学反应和非酶依赖的方式不断产生。一些电子会在线粒体呼吸复合物(MRC)I和III中逃逸，并与氧结合生成O2·−。随后O2·−在超氧化物歧化酶(SOD)的作用下，转换为H2O2[24-27]。在过氧化物酶体氧化和内质网(ER)蛋白质氧化的过程中也会产生H2O2。如图1.1所示，当Fe2+、Cu+等金属阳离子存在时，H2O2通过芬顿反应可以转化为·OH。此外，H2O2还可以通过一些其他反应直接转换为ROS。例如H2O2可以与谷胱甘肽、过氧化物酶和过氧化氢酶（CAT）等物质在细胞质中发生反应，转化为ROS和O2。尽管大多数O2·−产生于线粒体中，但也有一小部分O2·−产生于细胞质中。在细胞质中，O2·−可以由NADPH氧化酶(NOXs)、黄嘌呤氧化酶、非偶联内皮型一氧化氮合酶(eNOS)和花生四烯酸通过一系列反应产生[28-30]。虽然细胞内的ROS主要来源于线粒体，但细胞内的ROS水平也受到细胞中某些蛋白质的调控，一些信号通路与细胞内的ROS水平密切相关。例如，PI3K/AKT及其下游信号通路在控制细胞增殖、凋亡和肿瘤发生中具有重要作用[31]。AKT是一种丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶，在哺乳动物细胞中充当能量传感器。它既可以通过积极调节线粒体能量代谢促进ROS的产生，也可以通过抑制FOXO转录因子、下调SOD2、过氧化氢酶和Sestrin3的表达抑制ROS。AMPK可以强烈抑制肿瘤细胞的增殖，而抑制AMPK的活性可以增加细胞内ROS的水平。这主要是因为AMPK可以介导ACC1/2蛋白的失活，而ACC1/2是维持NADPH和ROS水平所必需的一种信号蛋白[32]。另外，转录因子FOXM1在癌细胞的生长、迁移和侵袭方面也具有重要作用。FOXM1表达的增加会增强解毒酶的表达并下调一些与癌细胞中的ROS水平相关的蛋白表达，如过氧化氢酶、SOD2和PRDX3。致癌因子K-Ras突变会导致胰腺癌、结直肠癌和肺癌。突变的K-Ras通过增加细胞的线粒体代谢以达到增加ROS的产生。ROS往往会增加细胞中蛋白质的氧化产物，导致蛋白质的结构和功能发生变化，进而导致某些细胞信号通路的激活或失活，影响细胞凋亡和自噬信号通路以及相关关键信号分子的相互作用[33-35]。例如，ASK1是一种上游信号分子蛋白，通过JNK的磷酸化调节JNK通路，导致细胞凋亡。而硫氧还原蛋白(Trx)可以抑制ASK1的活性。ROS可以氧化Trx，诱导Trx中Cys-32和Cys-35之间的二硫键形成，并由此使得Trx与ASK1分离。然后ASK1及其相关信号通路被激活，并启动细胞凋亡。毛细血管扩张性共济失调症突变(ATM)已被证明是氧化应激的传感器。ATM可以造成DNA损伤，并通过ATM-Chk2-p53途径诱导细胞凋亡。此外，ATM可通过磷酸化Thr-366激活LKB1。激活的LKB1通过Thr-172磷酸化激活AMPK。反过来，激活的AMPK过在Thr-1271和Ser-1387上磷酸化结节性硬化症复合物2(TSC2)抑癌蛋白来抑制mTORC1并诱导自噬。图1.2ROS诱导的细胞死亡类型Fig1.2TypesofcelldeathinducedbyROS如图1.2所示，ROS诱导的细胞死亡类型主要包括凋亡、自噬、铁死亡和坏死细胞死亡，它们在肿瘤治疗中具有重要作用。每种类型对肿瘤治疗作用的具体发挥如下。细胞凋亡是最常见的细胞死亡类型，包括死亡受体依赖性凋亡（外源性凋亡）和线粒体依赖性凋亡（内源性凋亡）[36-38]。在外源性调往方面，外源性凋亡的主要途径是TNFα（肿瘤坏死因子α)和Fas途径。一方面，细胞外的ROS可以激活TNFα信号，诱导细胞凋亡。ROS还可以激活ASK1和ASK1介导的外源性凋亡信号通路。肿瘤坏死因子相关凋亡诱导配体(TRAIL)通过TNF途径诱导细胞凋亡，ROS则可以抑制c-FLIP(内源性TRAIL抑制剂)转录后的表达，从而促进细胞外源性凋亡。用ROS清除剂NAC(N-乙酰半胱氨酸)预处理可有效恢复c-FLIP的表达，并抑制癌细胞的外源性凋亡。另一方面，ROS在调节FasL的表达中至关重要，它可以结合肿瘤细胞上的受体Fas，最终诱导肿瘤细胞的溶解[39-41]。氧化还原活性物质和外源性氧化剂（如MAP激酶激活剂、化疗药物和H2O2）能调节FasL的表达，引起由ROS控制的FasL表达的增加，继而引发ROS诱导的POX蛋白的细胞凋亡途径。在内源性方面，一些抗肿瘤活性氧诱导剂可以通过ROS依赖的线粒体凋亡途径显示其抗癌活性[42-43]。此外，ROS还可以调节Bcl-2家族蛋白的活性并引起线粒体凋亡。主要机制包括：（1）H2O2可以直接氧化Bcl-2以及Cys158还有Cys229同时减弱它抗凋亡活性；（2）O2·−可抑制Bax和Bad的泛素化，促进Bcl-2的泛素化[44-46]。自噬是哺乳动物细胞中一种自然的、自我调节的降解过程，在此过程中，不必要的或功能失调的细胞质成分在溶酶体中被降解。自噬这一过程可以被许多抗癌药物所诱导，它促进或抑制细胞死亡的药物取决于抗癌药物激活的细胞通路。而ROS可通过调节各种信号通路诱导自噬[47-48]。癌细胞自噬的氧化还原调节与癌细胞所暴露的ROS水平和持续时间以及细胞类型有关。由ROS产生的自噬也会对细胞会产生双重影响。细胞可以通过诱导自噬来减少氧化应激水平，进而保护自己。而过量的ROS则会刺激细胞自噬死亡。哺乳动物细胞的自噬过程受到雷帕霉素(mTOR)靶点（丝氨酸/苏氨酸激酶）的反馈调控。H2O2可以通过降低乳腺癌细胞中mTOR的活性并激活ATM/LKB1/AMPK/TSC2路径最终诱导细胞自噬。此外，在C6胶质瘤细胞中，H2O2可通过抑制mTOR的活性并启动BNIP3的表达诱导细胞自噬。ROS引起癌细胞的自噬过程主要是因为ROS会上调癌细胞自噬通路的相关蛋白，例如ATG4。癌细胞在饥饿的情况下，H2O2的氧化会引起ATG4蛋白的失活，从而促进脂质化的lc-3蛋白诱导细胞自噬。细胞坏死死亡（又称坏死），最初被认为是一种不受管制的细胞死亡，经常伴有细胞器肿胀和细胞膜破裂的现象。然而，越来越多的证据表明，类似于凋亡的坏死也涉及复杂的分子回路[49-51]。RIP1和RIP3已被证明是坏死过程中的两个关键调节因子。而ROS可以作为RIP1和RIP3的调节剂参与细胞坏死。ROS通过促进RIP1的自磷酸化和氧化来调节RIP1的功能，磷酸化的RIP1会促进RIP3聚集到坏死体中，以诱导坏死。而且，RIP1和RIP3也可以作为ROS生产的驱动力。例如，RIP1和RIP3可以促进胶质瘤细胞产生ROS，这主要是因为RIP1和RIP3通可以增加谷氨酸-氨连接酶、谷氨酸脱氢酶和糖原磷酸化酶的活性，而这些代谢酶可以催化线粒体内的ROS的产生[52]。铁死亡，又称铁下垂细胞死亡，是一种新型的细胞死亡，