致癌Kras通过诱导低细胞内ROS水平促进胰腺癌发生

摘要

介绍

胰腺导管腺癌（PDAC）是一种高度侵袭性肿瘤，其病因尚不清楚（Kong等人。，2011; Siegel等人。，2013). 致癌的KRAS公司（v-Ki-ras2 Kirsten大鼠肉瘤病毒癌基因同源物）突变（例如。，KRAS公司^G12D系列或KRAS公司^G12伏)被认为是该疾病的始发遗传事件（Kong等人。，2011). 最近，前瞻性研究表明，膳食抗氧化剂（如维生素C和e）显著降低了癌症风险，强调了氧化还原平衡在PDAC病因中的重要作用（Gong等人。，2010; Banim等人。，2012; Heinen等人。，2012). 此外，抗氧化基因的遗传变异似乎改变了人类PDAC的发病风险（Tang等人。，2010). 总之，长期使用δ-生育三烯醇（一种生物活性维生素E衍生物）进行治疗，其假定的抗氧化活性显著抑制喀斯特^G12D系列-胰腺癌基因工程小鼠模型（GEMM）中胰腺上皮内肿瘤（mPanINs）的驱动形成（Husain等人。，2011,2013; Shin-Kang等人。，2011). 这些数据表明，活性氧（ROS）生成的系统性减少可能会阻止/延缓PDAC的发展。矛盾的是，最近的研究也表明致癌Kras^G12D系列调节代谢程序的激活，有效地解毒ROS，从而降低胰腺癌前细胞和癌细胞中的ROS水平。此外，低细胞内活性氧水平似乎对Kras至关重要^G12D系列-小鼠的驱动致癌作用（deNicola等人。，2011; Son等人。，2013). 在这种情况下，饮食抗氧化剂的“化学”预防作用不能用胰腺上皮细胞内ROS水平降低来解释。因此，我们回顾并讨论了Kras的潜在生物学意义^G12D系列-介导的ROS脱毒网络。

致癌kras引发胰腺癌

人类癌症基因组特征证实，90%以上的人类PDAC存在致癌KRAS突变（Almoguera等人。，1988; Smit等人。，1988). 变异的KRAS公司编码一个被锁定在组成活性状态的蛋白质，导致持续的下游信号，如RAF-MEK-ERK（细胞外信号调节激酶）级联（巴比酸，1987). 在胰腺癌的GEMMs中已证明致癌KRAS启动PDAC的能力。这里，Kras的胰腺特异性表达^G12D系列概述了人类PDAC病理的全谱，从其前驱病变到局部浸润和转移实体（Hingorani等人。，2003). 最近的研究表明，Kras的活性^G12D系列由于Kras的失活，在致癌的所有阶段，包括开始、进展和转移都需要^G12D系列使用遗传方法总是能逆转正在进行的致癌过程（Collins等人。，2012). 然而，克拉斯^G12D系列正是促进了PDAC的发展。

活性氧（ROS）代谢

含有氧的化学反应分子，通常称为ROS，由自由基ROS组成[例如，氧离子（O⁻₂)]和非自由基ROS[例如，过氧化物（H₂O（运行）₂)]. 自由基ROS在分子轨道中具有未配对电子，而非自由基ROS不包含未配对电子（Shi等人。，2012). ROS的形成，作为有氧代谢的天然副产物，可以来源于外源和内源（Castro和Freeman，2001). 至于外源性来源，诱导活性氧形成的物质（例如金属和化学品）可以直接代谢为细胞内的自由基，也可以触发细胞内活性氧的产生（Bonney等人。，1991; 哈里维尔和阿鲁马，1991; 德雷尔和朱诺，1996; Jaruga和Dizdaroglu，1996; Wang等人。，1998). 在生理环境下，线粒体是一种细胞内的细胞器，负责通过细胞呼吸产生能量。然而，来自线粒体电子传输链的泄漏电子最终与氧相互作用并产生超氧化物自由基，产生约98%的内源性ROS（Freeman和Crapo，1982; 麦考德，2000; 萨尔瓦多等人。，2001). 除了线粒体外，内质网（ER）内的生化反应、过氧化物酶体或细胞质也会产生额外的活性氧（Butler和Hoey，1993; 康纳和格里沙姆，1996; 李和杰克逊，2002; Klaunig和Kamendulis，2004; Valko等人。，2004). 例如，内质网中的细胞色素P450利用氧气氧化和解毒外来化合物；产生ROS的过程（巴特勒和霍伊，1993). 此外，免疫细胞（如中性粒细胞和巨噬细胞）中膜结合NADPH（烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸）氧化酶通过称为呼吸爆发的生化过程产生ROS，这对这些细胞消除细菌至关重要（Conner和Grisham，1996).

由于过量的ROS会对大分子（如DNA和脂质）造成氧化损伤，并会改变细胞内信号转导（如通过NF-κB），因此细胞内的ROS通过包括非酶抗氧化剂（如维生素C和e）在内的复杂ROS脱毒系统不断被清除和酶促抗氧化剂[如超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化氢酶（CAT）和谷胱甘肽过氧化物（GPX）]（Mates等人。，1999; 麦考尔和弗雷，1999). 值得注意的是，大多数这些酶需要还原型谷胱甘肽（GSH）的活性，而GSH进一步依赖NADPH。在这种情况下，NADPH为ROS解毒提供了最终的还原力。综上所述，非酶抗氧化剂和酶抗氧化剂都起着“抗氧化剂网络”的作用，维持精细调节的细胞内氧化还原平衡（Sies等人。，2005).

喀斯特^G12D系列维持PDAC细胞中的低ROS水平

直到今天，克拉斯^G12D系列推广PDAC。最近的研究表明Kras^G12D系列通过转录因子Nrf2（核因子，红细胞衍生2，如2）诱导维持细胞内低活性氧水平，该转录因子是抗氧化网络中的主开关（deNicola等人。，2011). 为了为Nrf2介导的抗氧化程序提供还原力，Kras^G12D系列促进协调的代谢程序（例如彻底的谷氨酰胺和脂肪酸），持续维持细胞内NADPH/NADP⁺比率（Khasawneh等人。，2009; Son等人。，2013)（图​（图11).

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图1

显示致癌Kras如何诱导低细胞内ROS水平的模式.

早期的研究表明，致癌Ras的异位表达通过NADPH-氧化酶增加了ROS的生成（Nox；Irani等人。，1997). 随后，一项后续研究提供了证据，证明ROS生成的增加在功能上与Ras介导的NIH3T3细胞致癌恶性转化有关（Mitsushita等人。，2004). 然而，这一概念受到了最近一项研究的挑战，该研究证实了ROS的产生实际上受到了Kras内源性表达的抑制^G12D系列小鼠细胞系中的等位基因（deNicola等人。，2011). 进一步调查发现Kras^G12D系列通过MAPK途径激活Nrf2（丝裂原活化蛋白激酶），然后启动一系列抗氧化程序。与正常胰腺导管细胞相比，人类PanINs和PDAC表现出NRF2激活，ROS水平较低。NRF2受KEAP1（kelch-like ECH-associated protein 1）负调控，控制参与ROS解毒不同步骤的一系列蛋白质的表达，例如NADPH的生成（Cullinan等人。，2004; McMahon等人。，2006; 海耶斯和麦克马洪，2009). 与肺癌等许多其他肿瘤实体不同（Shibata等人。，2008; Kim等人。，2010)然而，PDAC很少在KEAP1公司或NRF2级通常导致NRF2活性的基因。因此，PDAC中Nrf2介导的抗氧化程序以致癌的Kras依赖性方式激活。总之，沉默Kras或阻断MAPK通路可有效降低Nrf2的表达并增加细胞内ROS水平。

如前所述，ROS脱毒是一个消耗NADPH（NADPH提供还原力）的生化过程。因此，产生和维持恒定的细胞内NADPH水平至关重要。在这方面，之前的一项研究表明Kras^G12D系列增强了PDAC细胞的糖酵解，并且它将糖酵解中间体引导到非氧化的磷酸戊糖途径（PPP）中。，2012). 这些数据表明，PDAC细胞可能利用其他NADPH生成代谢途径来维持细胞内NADPH水平。事实上，最近的一项研究揭示了谷氨酰胺的独特代谢途径，PDAC细胞利用谷氨酰胺生成NADPH（Son等人。，2013). 简言之，谷氨酰胺衍生天冬氨酸（Asp）和α-酮戊二酸（α-KG）通过天冬氨酰转氨酶（GOT1）转化为草酰乙酸（OAA）。OAA通过苹果酸脱氢酶（MDH1）代谢为苹果酸，然后通过苹果酸酶（ME1）代谢为丙酮酸。从苹果酸转化为丙酮酸，然后产生NADPH，这对维持PDAC的氧化还原平衡很重要，因为此代谢途径的任何成分失活都会增加细胞内ROS水平并影响肿瘤生长（Cairns等人。，2011). 虽然PDAC的肿瘤环境通常缺乏谷氨酰胺，但最近的一项研究证实，含有致癌Kras的PDAC细胞通过大胞饮作用表现出蛋白质摄取增加。这些内部化的蛋白质随后代谢为谷氨酰胺，谷氨酰胺被添加到NDAPH生成过程中（Commisso等人。，2013). 这也证明了克拉人^G12D系列-表达胰腺的脂肪酸氧化增加（Khasawneh等人。，2009). 由于脂肪酸氧化是NADPH生成过程（Jeon等人。，2012)，脂肪酸氧化增加是否也有助于维持NADPH水平，尚待确定。

总之，Nrf2介导的ROS脱毒和NADPH生成代谢程序之间的协作共同促成了细胞内环境的“减少”（例如，低ROS水平）。由于这两者都依赖于致癌Kras的活性，可以想象，这种细胞内环境构成了胰腺癌发生的重要步骤。

抗氧化剂的抑瘤功能与致癌kras介导的低细胞内ROS水平的促瘤作用并不矛盾

如前所述，前瞻性研究表明饮食抗氧化剂与胰腺癌发病风险降低之间存在关联（Gong等人。，2010; Banim等人。，2012; Heinen等人。，2012). 此外，某些抗氧化剂（尤其是δ-生育三烯醇）对胰腺癌的GEMM具有化学预防作用（Husain等人。，2011,2013; Shin-Kang等人。，2011). 有趣的是，这些数据恰恰指向抗氧化剂在胰腺癌中的抑瘤作用。然而，这一证据的出现并不一定反对致癌Kras介导的低细胞内ROS水平的促肿瘤功能。首先，抗氧化剂的抑瘤作用可能归因于其对免疫系统，尤其是T细胞免疫的影响。最近，研究表明抗肿瘤T细胞免疫在胰腺癌发生的早期阶段起着关键作用（Bayne等人。，2012; Pylayeva-Gupta等人。，2012). 在这方面，饮食中补充抗氧化剂（如维生素e或C）已被证明能显著提高人类的T细胞免疫能力（伯吉斯和约翰森，1976; Meydani等人。，1997; Malmberg等人。，2002). 因此，抗氧化剂可能通过促进抗肿瘤免疫来执行其抑瘤功能。其次，目前尚不清楚胰腺中（尤其是上皮细胞中）的ROS水平是否确实受到人类饮食中抗氧化剂摄入的影响。因此，很难评估其抗氧化作用对胰腺癌发展的贡献。最后，一些抗氧化剂的抗肿瘤活性与其抗氧化作用无关。例如，δ-生育三烯醇在动物研究中用于胰腺癌的化学预防，它含有具有独特抗肿瘤特性的不饱和类异戊二烯侧链（Shin-Kang等人。，2011). 综上所述，还需要进一步的研究来阐明抗氧化剂如何/为什么对致癌Kras介导的胰腺细胞内低活性氧水平发挥抑癌作用。

不同生物系统中的低活性氧水平

尽管这种致癌Kras介导的还原性细胞内环境的生物学意义尚不清楚，但这种现象在其他生物系统中已被广泛描述（表​（表1）。1). 例如，当酵母细胞在营养有限的条件下培养时，它们显示出糖酵解和呼吸之间的周期性代谢循环。它们的细胞周期严格限制在代谢周期的还原阶段，这保证了DNA复制仅在糖酵解期间发生，此时呼吸对基因组的氧化损伤最小。这种在资源有限的情况下协调代谢和细胞分裂周期的昼夜节律简单地反映了保持基因组完整性的进化保守方法（Chen et al。，2007). DNA检查点激酶的沉默消除了这种节奏，使得DNA合成超出还原期，但代价是增加了自发突变率。在成人干细胞中，也存在类似的营养有限的微环境（缺氧），细胞内ROS水平较低（Suda等人。，2011; Zhang和Sadek，2013). 在这里，低活性氧水平已被证明对维持造血干细胞（HSC）的干细胞功能至关重要，因为活性氧^低的细胞群体表达高水平的干细胞相关分子，如Notch1和端粒酶；它也比ROS具有更高的自我更新潜力^高的细胞数量（Jang和Sharkis，2007). 同样，乳腺上皮干细胞的活性氧水平较低（Diehn等人。，2009). 另一种类型的“干”细胞——“癌症干”细胞（CSC）或“肿瘤引发”细胞（TICs）中的活性氧水平较低（Shi等人。，2012). 历史上，CSC被定义为负责癌症发生、维持和转移的癌细胞子集（Lapidot等人。，1994). 一项开创性研究表明，人类乳腺CSC的ROS水平低于其非肿瘤后代（Diehn等人。，2009). 这些低活性氧水平使CSC对辐射诱导的DNA损伤和细胞死亡具有高度抵抗力。一贯地，最近的一项研究提供了功能性证据，证明当葡萄糖代谢的代谢重编程抑制ROS生成时，基底样乳腺癌中的CSC样特性被诱导[例如，当生成更多NADPH时，（Dong等人。，2013)]. 综上所述，其他生物系统中的低活性氧水平似乎与哺乳动物细胞的干细胞特性或低真核生物系统中允许增殖的细胞内环境有关，这两者都可能导致Kras介导的胰腺致癌。

低活性氧水平与胰腺癌的发生

因为胰腺干/祖细胞的早期扩张加速了Kras^G12D系列-小鼠的驱动致癌作用（Kong等人。，2011)，克拉斯^G12D系列-诱导的低细胞内活性氧水平可能通过创造允许增殖的细胞内环境促进胰腺干/祖细胞的扩增。此外，尽管PDAC对CSCs概念的总体依从性存在疑问，但胰腺癌组织的异质性表明，与其他细胞相比，一部分胰腺癌细胞的细胞内ROS水平可能较低。

结论

ROS水平较低的癌前细胞和癌细胞对人类PDAC的发生、发展和转移的确切作用尚待确定。当然，这种癌细胞亚群可能成为未来治疗的一个有希望的药物靶点。尽管Nrf2介导的网络被认为是潜在的药物靶点（Arlt等人。，2012)进一步研究（低）ROS水平对胰腺癌侵袭性的影响是有必要的。

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