衰老、氧化应激与癌症：视差范式

摘要

衰老自由基理论的起源可以追溯到20世纪50年代，当时哈曼提出，氧自由基是由使用氧的正常代谢过程内源性形成的，在衰老过程中具有重要作用¹在接下来的几十年里，关于氧化损伤蛋白质和DNA在正常老化过程中的积累，出现了模棱两可的证据²这种大分子损伤如果没有得到充分修复，可能会导致细胞机械的渐进性失效、器官老化和与年龄有关的疾病的发病。许多病理学与氧化应激有关，包括动脉粥样硬化、高血压、缺血再灌注损伤、炎症、囊性纤维化、糖尿病、帕金森和阿尔茨海默病以及癌症。鉴于线粒体是活性氧（ROS）的主要细胞内生成物，而活性氧是线粒体内膜上电子传递产生氧化性ATP的必然结果，这一理论在很大程度上被称为线粒体自由基老化理论。虽然支持证据是实质性的，但它也在很大程度上是相关的，而且这种理论的反证据和变体也存在^2–6(方框1). 目前，大多数专家认为线粒体产生的氧化应激在与年龄相关的疾病中尤其重要，但它不是导致衰老的唯一原因⁷这一观点将讨论氧化应激与衰老相关的一些新的和意想不到的发现，正如在常见的年龄相关疾病中所评估的那样乳腺癌。

老龄化、乳腺癌和表观遗传学

即使在寿命相差悬殊的动物中，恶性肿瘤的发病率也会随着年龄的增长而增加。总的来说，人类癌症发病率随年龄呈指数级增长，75%的新诊断病例发生在55岁或以上的易感人群中，这支持了流行病学的结论，即年龄是大多数人类恶性肿瘤的最强人口危险因素^8,9鉴于世界人口老龄化带来的令人担忧的社会、经济和医疗后果，迫切需要了解癌症和老龄化之间的生物学联系。尽管人们意识到乳腺癌和其他上皮癌主要是与年龄相关的疾病，但解释癌症与衰老之间关系的分子和细胞假说直到最近才出现^10–13在亚细胞水平上，人类正常衰老与基因组不稳定性增加有关^14,15、全球和启动子特异的表观遗传变化^16,17，以及参与细胞分裂和细胞外基质重塑的基因表达的改变^14,15这些关联导致了这样一种假设，即老年人的致癌表型是由累积突变负荷、表观遗传基因沉默增加、端粒功能障碍和基质环境改变等因素共同作用的结果¹⁸然而，对这一假设的临床评估具有挑战性，因为乳腺癌等人类恶性肿瘤在表型和基因型上是异质的。在任何试图评估同一种癌症早期和晚期形式之间差异的研究设计中，都必须考虑到这种异质性。当一项前瞻性设计的研究评估同一组织学类型的散发性人类乳腺癌的早期和晚期形式时，雌激素受体(急诊室)-乳腺癌呈阳性，这种疾病的生物学特性确实与年龄有关，但令人惊讶的是，对更普遍的癌症年龄增长假说缺乏支持¹⁹晚发性雌激素受体阳性乳腺癌与许多其他晚发性人类恶性肿瘤一样，并没有表现出易导致遗传不稳定、加速增殖和更具侵袭性生长的“突变”表型，与组织学上相同的ER阳性早发乳腺癌相比，其侵袭性较小，患者预后更好。值得注意的是，这项前瞻性研究表明，在正常女性生命周期中，ER-阳性乳腺癌的发病间隔超过30年，是由于表观遗传程序的根本不同，而不是基因组机制的任何可检测差异所致¹⁹此外，在另外两个独立的数据集中，由128个基因组成的年龄特征在区分早期和晚期乳腺癌时的准确率超过了80%，这些基因在其他两个独立数据集中的表达存在差异¹⁹这些表观遗传差异仅仅反映了乳腺中与年龄相关的变化吗²⁰或者可以用伴随衰老的氧化应激的累积效应来解释吗？

乳腺癌与氧化应激

氧化应激作为衰老和与年龄相关疾病（如ER阳性乳腺癌）的一个潜在致病因素，是解释基因表达和癌症生物学中年龄依赖性差异的一种诱人机制。尽管有多种证据表明活性氧和氮物种有助于癌症的年龄相关性发展，但这些分子的细胞来源和致癌机制尚不清楚²¹.ROS是生长因子受体信号传导的关键介质²²并参与雌激素诱导的癌细胞增殖^23,24雌激素暴露的致癌潜力不仅归因于其氧化化学^25,26但细胞永生化和转化过程中激活的氧化应激途径也与乳腺癌患者的临床预后相关²⁷非转化的乳腺上皮细胞在线粒体呼吸、过氧化物酶体β氧化和细胞色素P450异源代谢产生的活性氧中经历了不同的波动²⁸在转化的乳腺上皮细胞中，组成性激活的有丝分裂途径增加了细胞内ROS的产生。转化代谢途径，包括增加胸苷磷酸化酶表达²⁹和雌激素的乳过氧化物酶代谢³⁰进一步提高内源性ROS水平。肿瘤新生血管不足会导致过度氧化应激、葡萄糖缺乏、低氧活化激酶级联反应和抗氧化防御能力下降^31,32反过来，缺氧刺激化学引诱剂的表达，如内皮素2乳腺癌³³在各种肿瘤类型的缺氧区域聚集ROS生成的巨噬细胞³⁴.是否由器官老化、内源性代谢产物、恶性转化途径或肿瘤快速生长和代谢所致(方框2)氧化应激在不同程度上伴随着乳腺癌的发展和进展，因此可能是雌激素受体阳性乳腺癌生物学和临床多样性的一种可能的潜在机制。氧化应激如何改变肿瘤生物学的各个方面，例如导致ER阳性乳腺癌的内分泌途径？

氧化应激与内质网活性

除DNA损伤外，活性氧过多对影响内质网途径和内质网阳性乳腺癌内分泌反应的蛋白质产生的影响至少有两个主要后果：对蛋白质结构的直接氧化损伤和活性氧诱导的激酶信号。在最容易受到直接氧化损伤的细胞内蛋白质中，氧化还原敏感核转录因子，如ER³⁵和SP1型（参考³⁶)其锌指半胱氨酸残基容易被氧化，从而阻止其DNA结合功能。在ER阳性乳腺癌中，SP1 DNA结合活性的丧失与衰老相关，与氧化应激标记物磷酸化-ERK5（细胞外信号相关激酶5，也称为有丝分裂原活化蛋白激酶7（MAPK7））水平的增加相关³⁷在肿瘤中。虽然从原发性人类乳腺癌中提取的ER的DNA结合功能的完全丧失与衰老没有特别联系，但这种丧失已被证明发生在高达三分之一的ER阳性原发性乳腺癌中，并且与孕酮受体的丧失有关(公共关系)表达式³⁸因为ER和SP1的DNA结合和反式激活功能都是对基因进行最佳雌激素刺激所必需的，例如公共关系和BCL2级ER-阳性乳腺癌如果受到足够程度的氧化应激，则可能会表现出公共关系,BCL2级和其他雌激素诱导基因。氧化应激的第二个主要后果是它与激酶依赖的信号转导相关。除了在调节生长因子受体信号转导中的作用外，活性氧还直接抑制蛋白酪氨酸磷酸酶，从而刺激SRC公司、Janus激酶、Ras家族成员、蛋白激酶C和MAPK信号³⁹已知这些活化的激酶途径可调节ER活性⁴⁰与内分泌抵抗有关^41–44尤其是，雌激素受体阳性乳腺癌细胞中过度的MAPK信号传导会损害雌激素诱导的基因转录⁴⁵并诱导类似于ER阴性乳腺癌细胞的基因表达谱⁴⁶因此，氧化应激可能会改变ER阳性乳腺癌的表型，在某些情况下，会导致肿瘤的内分泌反应性丧失。

氧化剂基因特征

是否有临床证据表明雌激素受体阳性的人类乳腺癌中存在氧化应激？尽管许多基因表达研究试图确定雌激素受体阳性乳腺癌中表达的内分泌反应基因^47–51，只有一项研究试图描述一组同样易受氧化应激调节的内分泌反应基因，以确定氧化应激ER-阳性乳腺癌的特征⁵²在最近的研究中，对ER阳性的人乳腺癌细胞株进行雌激素剥夺或ER敲除，并对其进行分析，以确定由雌激素和ER（指定为雌激素+ER）调节的一整套基因。此外，细胞系受到三种不同化学氧化剂（二胺、过氧化氢和甲萘醌）的胁迫，并对其进行分析，以产生氧化剂特征。雌激素+ER和氧化剂基因特征的交叉产生了一个氧化剂–雌激素+ER特征，该特征由62个内分泌反应基因组成，这些基因通常容易受到不同形式的氧化应激的影响。本研究中氧化剂-雌激素+雌激素受体基因特征的网络分析强调了调节细胞生长和侵袭的癌症途径的激活⁵²从模型中获得的特征用于查询表征394例ER阳性原发性乳腺癌的表达微阵列数据的公共存储库，并寻找与肿瘤参数、诊断时患者年龄和生存结果的相关性。ER阳性的乳腺癌，这种氧化剂-雌激素+ER基因信号的表达水平较高，显示PR表达丧失，肿瘤分级高，患者生存率降低⁵²考虑到老龄化和氧化应激之间的联系，以及氧化应激水平过高在老年人乳腺癌中明显的预期，令人惊讶的是，在老年诊断出的ER阳性乳腺癌没有表现出更高水平的内分泌特异性氧化剂-雌激素+ER信号或更普遍的ER非依赖性氧化剂信号的表达。事实上，一项更精细的实验分析表明，与那些在老年诊断的乳腺癌相比，在年轻诊断的ER阳性乳腺癌中，氧化应激更为明显⁵²。

共享TNF和TGFβ途径

晚年最常见的乳腺癌缺乏氧化应激的证据，这一事实表明，器官老化和氧化应激之间的假定联系被恶性转化代谢途径和产生过量ROS的细胞环境的存在所掩盖。这个概念与另外两个与雌激素受体阳性乳腺癌及其增殖潜能相关的观察结果相一致：首先，富含氧化剂-雌激素+雌激素标记的乳腺癌的细胞增殖基因表达水平高于未富含该标记的乳腺肿瘤⁵²; 其次，与晚发性乳腺癌相比，早发性ER阳性乳腺癌的细胞增殖基因表达水平更高¹⁹由于过度的生长因子信号传导，具有更大增殖潜力的肿瘤细胞内ROS生成水平增加，并且随着新生血管试图跟上肿瘤快速膨胀的速度，由于缺血和再灌注的重复周期，细胞外ROS生成也会增加。如果肿瘤的增殖和生长速度在很大程度上解释了乳腺癌氧化应激，那么氧化应激和增殖基因特征都是早发乳腺癌的特征，那么就有可能确定早发和氧化应激ER阳性乳腺癌共有的其他肿瘤相关途径。年龄的比较网络分析¹⁹和氧化剂–雌激素+雌激素受体⁵²基因签名揭示了两条这样的途径，肿瘤坏死因子(TNF公司)和转化生长因子-β(转化生长因子β)氧化应激和早发ER阳性乳腺癌常见的信号通路(图1). 有趣的是，来自等级（核因子κB受体激活剂（NFκB）），一种通常与乳腺癌有关的TNF受体超家族成员，与配体刺激的TGFβ受体融合，激活细胞内NFκ的B和AP1(图2). 这些转录因子复合物刺激基因表达程序，从而提高乳腺癌细胞的生存、增殖、侵袭性和血管生成⁵³事实上，对年龄和氧化-雌激素+ER特征基因的近端启动子区域（2.5 kb）的分析显示图1表明至少75%的这些TNF或TGFβ调节基因具有AP1或NFκB共识结合元件。都是早发¹⁹和氧化应激⁵²ER阳性乳腺癌与转移复发风险增加和患者生存率降低相关。此外，已知NFκB和AP1激活的ER阳性乳腺癌与患者预后不良和内分泌治疗抵抗有关⁵⁴因此，该比较网络分析为NFκB和AP1抑制剂的开发提供了支持性理论基础，以治疗早期ER阳性乳腺癌，这些癌症具有更具侵袭性和治疗抵抗性的临床表型，至少部分是由于氧化应激。

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图1

氧化应激和早期乳腺癌共有的途径

顶核基因网络，由年龄的独创性路径系统分析决定¹⁹和氧化应激⁵²雌激素受体（ER）阳性乳腺癌中的基因签名通常识别肿瘤坏死因子（TNF）和转化生长因子-β（TGFβ）通路节点。Ariadne Pathway工作室用于从126代特征中识别各自的TNF和TGFβ调节（直接或间接）靶点(一)以及62-烯氧化剂–雌激素+ER特征（雌激素和ER调节特征与氧化剂应激特征的交叉；b条). 监管方向由Pathway studio提供的主要参考确定，正面（+）监管方向用箭头表示，负面监管方向用条表示（没有箭头或条的线表示监管方向不明确）。红色卵圆形中的Unigene符号表示氧化应激或早期乳腺癌中上调的特征基因；绿色卵圆形中的基因表明，氧化应激或早发性乳腺癌中的特征基因下调。至少75%的特征基因被证明受TNF和TGFβ调节(a、 b条)根据EZRetrieve和TFSEARCH的测定，在其近端启动子中包含核因子κB（NFκB）或AP1共识元件结合位点^57–58（请参见TFSEARCH搜索更多信息）。ABCC3、ATP结合盒3；血管生成素；AREG，角蛋白；CDC2，细胞分裂周期2；CLDN1，第1条；结缔组织生长因子；趋化因子（C-X-C基序）受体4；趋化因子（C-X-C基序）配体13；细胞色素P450 1A1；EGR1，早期生长反应1；DAB2，残疾人同系物2；EFNA1，肾上腺素A1；雌激素受体1；GAL，甘丙肽前肽；胰岛素样生长因子结合蛋白5；ITPR1，肌醇1,4,5-三磷酸受体1；KRT17，kera-tin 17；LAMC2，层粘连蛋白-γ2；LCN2，脂蛋白2；LEF1，淋巴增强因子结合因子1；LRP2，低密度脂蛋白相关蛋白2；基质金属蛋白酶9；印尼国家电力公司，磷化氢；PLIN，紫苏素；甲状旁腺激素样激素；PTGES，前列腺素E合成酶；SERPINA1，蛇毒肽酶抑制剂1；SOD3、超氧化物歧化酶3；TAGLN，转铁蛋白；TNC，tenascin C；TNFSF10，肿瘤坏死因子（配体）超家族10。

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图2

氧化应激和早期乳腺癌的信号通路

RANK（核因子κB受体激活剂（NFκB））是肿瘤坏死因子（TNF）受体超家族成员，通常与乳腺癌、配体刺激的RANK和转化生长因子-β（TGFβ）有关受体显示为能够激活细胞内NFκB和AP1转录因子复合物的收敛信号转导途径。这些可以诱导基因表达程序，促进乳腺癌细胞的生存、增殖、侵袭性和血管生成。ERK，细胞外信号调节激酶；IκB，NFκB抑制剂；IKK、IκB激酶；JNK、JUN末端激酶；MEK、MAPK/ERK激酶；丝裂原活化蛋白激酶；TRAF6、TNF受体相关因子6；UBC13，泛素结合酶E213；UEV1A，泛素结合酶E2变异体1A。

不断演变的范式

衰老是导致还是仅仅允许癌症发展？尽管人们长期以来一直认为乳腺癌和其他癌症主要与年龄有关，并且普遍认为衰老易导致癌症的发展，但老年学这一新兴领域才刚刚开始向肿瘤学介绍癌症与衰老之间的关系。因此，用来解释这种关系的分子和细胞假说在很大程度上仍未得到验证^10–13ER阳性乳腺癌的上述类型的其他年龄组研究^19,20需要对导致ER阴性乳腺癌以及其他与年龄相关的上皮性恶性肿瘤的年龄依赖性生物学差异进行概括。越来越多的流行病学证据表明，癌症发病率在80岁以后会减速甚至被抑制，对这一理论的实验研究可能会大大改变目前公认的衰老促进癌症发展的范式⁵⁵氧化应激是衰老的原因还是后果，这种氧化应激是在所有衰老器官中还是在少数器官中表现出来的？对于氧化应激与癌症发展之间的机制关系，可能会提出同样的因果关系问题。如果增加的线粒体功能障碍促进正常细胞老化，而生长因子信号增加和缺血再灌注损伤导致的活性氧过多会促进癌细胞的侵袭性，那么这些与氧化应激相关的不同细胞命运之间是否存在任何机械共性？在各种实验模型中，老化、氧化应激和衰老的基质允许恶性上皮转化⁵⁶然而，对于存在年龄相关性恶性肿瘤（如乳腺癌）风险的人体器官，尚未进行充分研究，以确定此类基质改变或衰老细胞群是否真的早于并促进人类癌症体内现在很明显，许多迟发性恶性肿瘤，如ER阳性乳腺癌，在生物学和临床上都比早期恶性肿瘤更惰性。这些迟发性恶性肿瘤的发病率在80岁之前有所增加，这可能反映出存在一种更宽松的基质环境，使得无法在年轻宿主中生长的癌症出现。如果癌症的侵袭性随着年龄的增长而逐渐降低，并且与发病率的增加不同步，那么可能最终会在人类寿命中达到一个拐点，因此显微镜下的恶性肿瘤就无法出现临床症状。生物学和肿瘤学这一具有挑战性的领域必须继续从多个不同角度进行研究和质疑，因为我们需要对不断演变的癌症和老龄化范式进行视差观察，以提供足够的深度理解，从而成功应对我们老龄人口日益增长的医疗负担。

致谢

脚注

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