付翔 马木燕

癌症是具有转移能力的恶性肿瘤,常规的治疗手段难以根治［1］。药物引起癌细胞凋亡是抗癌研究的重点,但由于癌细胞通常会通过耐药表型和增加生存促进信号来抵抗细胞凋亡,使得凋亡对抗癌有局限作用［2］。因此,研究其他细胞死亡形式,可能是促进癌细胞死亡的关键。铁死亡(ferroptosis)是一种新的程序性细胞死亡方式［3］,其在神经退行性疾病、脑卒中、癌症中都有报道。其与铁依赖的脂质过氧化代谢有关,其中谷胱甘肽过氧化物酶4(glutathione peroxidase 4,GPX4)是脂质过氧化代谢的关键酶,GPX4 可与谷胱甘肽(GSH)共同作用清除体内脂质过氧化物,在调节脂质过氧化平衡中扮演了重要角色。有研究者指出GPX4 本身就是一个致癌基因,并且通过抑制GPX4 活性诱导铁死亡可以促进癌细胞铁死亡,在抗癌研究中有一定价值,但同时抑制GPX4 也会带来潜在危害。围绕这些争论,希望此文可以为促进癌细胞凋亡研究提供一些新的研究思路。

1 抑制GPX4 诱导的铁死亡是影响癌细胞死亡的病理机制

铁死亡是一种铁依赖性脂质活性氧(reactive oxygen species,ROS)堆积引起的细胞死亡的新形式。铁死亡不同于其他类型的细胞死亡,其特征主要是线粒体积缩小和膜密度增加,而凋亡的细胞先是体积缩小,连接消失,与周围的细胞脱离,然后是细胞质密度增加［4］。铁死亡诱导剂Erastin 和Ras 选择性致死小分子3(RAS-selective lethal small molecule 3,RSL3)可以选择性地杀死人包皮成纤维细胞(BJeJR),但不是以细胞凋亡的方式产生作用［5］。而凋亡抑制剂,如Z-VADFMK,Boc-D-FMK,却不能挽救由Erastin 和RSL3 诱导的铁死亡。相反,抗氧化剂、维生素E、丁基羟基甲苯(BHT)和铁螯合剂却可以在一定程度上挽救RSLs 诱导的细胞死亡。这些结果表明,铁死亡是一种先天性的铁依赖的非凋亡细胞死亡形式,其可能在对凋亡耐药的癌细胞中有抗癌作用。

GPX4 是一种独特的抗氧化酶,GPX4 可以将脂质氢过氧化物还原为脂质醇,防止体内ROS 累积［6］。当癌细胞中的GPX4 被药物抑制时,体内由于失去了特异性清除脂质过氧化物的抗氧化酶,脂质过氧化物在癌细胞内堆积引起癌细胞铁死亡,同时GPX4 被抑制也会引起GSH 的失活,使得癌细胞更容易遭受氧化损伤。这些表明抑制GPX4 诱导铁死亡可能是影响癌细胞凋亡的病理机制［7］。

另一方面,由于癌细胞易于浸润周围健康组织,并在身体其他部位转移,使得常规的凋亡诱导剂难以清除转移的癌细胞。其中,上皮细胞-间充质转化(epithelial-mesenchymal transition,EMT)是癌细胞转移的关键［7］。EMT 是指上皮细胞通过特定程序转化为具有间质表型细胞的生物学过程［8］。癌细胞因为EMT能够转移到远处,而EMT 需要质膜重构来增加流动性,这与多不饱和脂肪酸磷脂(PUFA-PLs)生物合成水平的升高有关,细胞中PUFA-PLs 水平升高则更容易受到过氧化反应,因此癌细胞对GPX4 缺失的铁死亡更为敏感［9］。

2 GPX4 可能是一种致癌基因

GPX4 在许多癌症中有高表达,而其特异性功能尚未被完全发现［10］。一项研究发现,GPX4 在人的泛癌组织中高表达,并在不同类型的癌症或泛癌患者中与总生存率(OS)和无病生存率(DFS)呈负相关,表明GPX4 可能是一种致癌基因。此外,GPX4 的表达在表观遗传学水平上受到调控,如DNA 的甲基化和组蛋白的甲基化或乙酰化,H3K27ac 和H3K4me3 富集于各种类型的肿瘤细胞的GPX4 上游［11］。最重要的是,GPX4 活性与癌症的化疗耐药性呈正相关。这也意味着GPX4 与癌症患者的预后不良可能有一定关系。

另一项研究发现,通过对两种具有两种不同表型和基因型的乳腺癌细胞系进行检测,发现在铁死亡诱导剂丁硫氨酸亚胺(BSO)和金丝霉素光动力治疗(PDT)耐药的癌细胞中,GPX4 的表达高于非耐药细胞［12］。同样类似的一项研究表明,将GPX4 转染到非表达GPX4 的乳腺癌细胞中,会导致对PDT 的抗性增加［13］。阿霉素(DOX)诱导的肉瘤癌细胞中GPX1 和GPX4 的表达促进了对PDT 的耐药性。此外,通过SLC7A11 提供胱氨酸来维持GSH 可以产生对格尔德霉素的耐药性［14］。同时,GXP4 可以介导激活转录因子3,促进胶质瘤细胞的生长［15］。

3 抑制GPX4 诱导铁死亡可以帮助治疗癌症

不同组织的癌细胞对铁死亡诱导剂都有一定的敏感性［16］。GPX4 抑制剂可以选择性地靶向具有间充质或其他耐药特征的癌症。具有这种特征的癌症,通过休眠状态避免传统细胞凋亡治疗,然后导致肿瘤复发,而GPX4 对这种癌症具有特异的选择性［17］。GPX4 抑制剂是对这种持久性癌细胞最具选择性致命的化合物之一。

已经有研究者证实GPX4 抑制剂通过诱导铁死亡可以帮助治疗癌症。一项报道称,GPX4 对于高耐药性的癌细胞有明显依赖性,且在黑色素瘤异种移植模型中肿瘤复发也是十分关键,GPX4 的活性可能是导致肿瘤复发耐药的关键［18］。同时在肺癌中,丝氨酸/苏氨酸/酪氨酸激酶1 与GPX4 在非小细胞肺癌中均高表达,过表达的丝氨酸/苏氨酸/酪氨酸激酶1 可以抑制铁死亡,通过敲低 GPX4 可以逆转这种抑制作用［19］；而在肝癌中,癌症和肿瘤基因图谱(TCGA)数据库结果显示,与正常组织相比,肝癌组织中 GPX4 高表达,且高表达 GPX4 的癌症患者预后差［20］；且在卵巢癌中,Kruppel 样因子9(KLF9) 通过提高 SKOV3 细胞中ROS的含量导致 GPX4 的表达上升,细胞因此适应了氧化应激状态,在卵巢癌转移的过程中可以更好的抵抗脱落凋亡［21］。

RSL3 是铁死亡诱导剂,也是GPX4 抑制剂。RSL3通过与GPX4 共价结合进而使GPX4 失活,打破细胞氧化还原平衡,导致脂质过氧化增加,诱导铁死亡［22］。由于癌细胞对氧化更敏感,RSL3 能够更有效的诱导癌细胞铁死亡,达到清除癌细胞的目的［23］。然而,GPX4抑制剂是否可应用于临床尚不清楚。GPX4 抑制剂RSL3 在体外增强顺式药物的抗癌作用。进一步的研究表明,这种协同效应是由顺式调控的铁蛋白吞噬引起的。这意味着可以利用铁死亡的诱导剂来提高顺式药物对癌症的抗癌作用［24］。

癌细胞可以进化成高间充质细胞或相关细胞进入耐药状态,对抗细胞凋亡,因此,可以有选择地针对这种抗性肿瘤细胞诱导铁死亡［25］。例如,体内敲除GPX4 治疗高间充质耐药黑色素瘤,在使用ferrostatin-1(一种铁死亡抑制剂)后停止消退,且在达布拉非尼和曲美替尼治疗停止后没有复发,而GPX4 野生型的异种移植物在两种实验中都继续生长。因此,通过抑制GPX4 诱导癌细胞铁死亡会是针对耐药性癌细胞的一个新思路。

4 抑制GPX4 存在潜在危害

GPX4 在癌症的发生发展过程中扮演了重要角色,抑制GPX4 诱导癌细胞铁死亡的同时也产生了其他危害,对其他生理过程中也可能会有重大影响。

由于GPX4 基因对于小鼠的胚胎发育和一些成熟组织稳态至关重要,GPX4 的缺失严重影响了正常小鼠的生长发育过程,人们对GPX4 抑制剂的潜在毒性感到担忧［26］。同时,GPX4 在生殖发育中也有关键作用。GPX4 在精子发生过程中具有双重作用,其既是保护精子的重要的抗氧化酶,也是构成精子线粒体外壳的结构蛋白［27］。抑制GPX4 的活性会使得小鼠精子中段断裂、线粒体肿胀以及运动能力显著降低,丧失受孕能力［28］。

GPX4 引起神经毒性由于氧化应激诱导的细胞死亡似乎受到GPX4 的特异性调控,GPX4 敲低的小鼠更容易受到氧化损伤疾病的危害。例如,同样缺乏GPX4的复合突变小鼠中,小鼠的动脉粥样硬化病变程度大大升高。在短暂性脑缺血模型中,黄芩素抑制可以保护神经元细胞的缺血/再灌注损伤,而损伤的程度与GPX4 敲除小鼠相似［29］。GPX4 缺失的情况也更容易引起脑出血的损伤,GPX4 在保护脑出血的继发性氧化损伤中有重要作用［30］。GPX4 缺陷的神经元在体外可以被α-Toc 有效地保护,这表明这种细胞死亡诱导途径也发生在神经元中。此外,神经元特异性GPX4 敲除小鼠以预期的孟德尔比率出生,但在海马的CA3 区域和皮层出现明显的神经退行性变,GPX4 的缺失在阿尔兹海默病,帕金森病等神经退行性疾病中也有一定的影响［31］。因此,在抑制GPX4 活性的同时,也会有潜在危害。

GPX4 是人体内的一种关键蛋白,影响着生长发育和抗氧化,同时GPX4 调控的脂质过氧化在铁死亡中有重大作用。铁死亡的提出影响了癌症治疗的发展,大量的体外实验和少数活体研究表明铁死亡在抗癌领域的效果十分可观。其中,研究GPX4 及其抑制剂在抗癌中的作用是新兴的热点,但在抗癌过程中应尽量减少由于GPX4 缺失而引起的机体损伤,GPX4 缺失带来的机体损伤仍然是GPX4 抗癌研究的关键。因此,抑制GPX4 活性,引起肿瘤细胞铁死亡是靶向一些最棘手癌症的一个新研究方向,值得进一步探索。