陳雅茹, 高 芳, 賈彥彬*

(1)包頭醫(yī)學院基礎(chǔ)醫(yī)學與法醫(yī)學院, 內(nèi)蒙古 包頭 014040;2)包頭醫(yī)學院醫(yī)學技術(shù)與麻醉學院, 內(nèi)蒙古 包頭 014040)

2021年全球癌癥統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示,我國惡性腫瘤發(fā)病和死亡數(shù)持續(xù)上升。2020年我國發(fā)病率前3的癌癥為:肺癌、結(jié)直腸癌和胃癌。死亡率前3的癌癥為:肺癌、肝癌和胃癌。其中,胃腸道腫瘤的發(fā)病率為22.7%,死亡率為21.9%[1]。只有提前預防加有效治療雙管齊下,才能更好地降低癌癥負擔,因此,需要深入研究胃腸道腫瘤的分子機制和可能潛在的生物標志物及藥物靶點。

鐵死亡是一種鐵依賴的,區(qū)別于細胞凋亡、壞死、自噬的細胞程序性死亡方式,與腫瘤的發(fā)生發(fā)展和耐藥密切相關(guān)。谷胱甘肽過氧化物酶4(glutathione peroxidase 4,GPX4)是鐵死亡核心因子之一,其主要作用是抵抗細胞磷脂過氧化,進而抵御鐵死亡。GPX4在胃腸道腫瘤中表達異常,并參與癌癥相關(guān)基因及藥物調(diào)控腫瘤發(fā)生發(fā)展的過程。本文就觸發(fā)鐵死亡的間接靶點——GPX4在胃腸道腫瘤中的研究進展進行詳細闡述,為胃腸道腫瘤的研究提供新的參考方向。

1 鐵死亡概述

鐵死亡受磷脂過氧化驅(qū)動,其過程主要表現(xiàn)為膜結(jié)構(gòu)脂質(zhì)過氧化損傷,進而導致細胞的完整性破壞并崩解死亡。鐵死亡有兩大系統(tǒng):氧化系統(tǒng)和抗氧化系統(tǒng)。氧化系統(tǒng)由磷脂過氧化引起,無限制的脂質(zhì)過氧化激活鐵死亡。簡而言之,在細胞內(nèi)外信號或環(huán)境壓力下,細胞代謝發(fā)生改變,產(chǎn)生活性氧(reactive oxygen species,ROS)、過渡金屬鐵和含有多不飽和脂肪酸鏈的磷脂,進而觸發(fā)脂質(zhì)過氧化,生成磷脂氫過氧化物(phospholipid hydroperoxides,PLOOHs)。當細胞內(nèi)產(chǎn)生的PLOOHs大于閾值時,其會作為執(zhí)行者使細胞發(fā)生鐵死亡?？寡趸到y(tǒng)包括3條通路:經(jīng)典的由GPX4介導的通路、獨立于GPX4調(diào)控鐵死亡的鐵死亡抑制蛋白1(ferroptosis suppressor protein 1,FSP1)通路、以及GTP環(huán)化水解酶1(GTP cyclohydrolase-1,GCH1)通路。抗氧化系統(tǒng)執(zhí)行抵抗鐵死亡的命令,因此,鐵死亡受氧化系統(tǒng)和抗氧化系統(tǒng)的平衡調(diào)節(jié)[2]。

許多腫瘤抑制因子能使細胞發(fā)生鐵死亡,例如p53和乳腺癌Ⅰ型易感性蛋白相關(guān)蛋白1(breast cancer type 1 susceptibility protein associated protein 1,BAP1)[3,4],鐵死亡能促進這些腫瘤抑制因子的抗腫瘤活性[5],提示腫瘤抑制是鐵死亡重要的生理功能[2]。誘導腫瘤細胞鐵死亡對于癌癥治療表現(xiàn)出巨大的潛力。在癌癥治療中,特別是對傳統(tǒng)療法耐藥的侵襲性惡性腫瘤,更容易觸發(fā)鐵死亡[6],例如間充質(zhì)癌細胞和去分化癌細胞通常對凋亡和常規(guī)治療手段具有抵抗力,但對鐵死亡誘導劑敏感,提示誘導腫瘤細胞鐵死亡可能是治療腫瘤耐藥的一個新方向。

2 谷胱甘肽過氧化酶4

GPX4是鐵死亡抗氧化系統(tǒng)的中心成員,其介導的經(jīng)典通路由半胱氨酸(cysteine,Cys)、谷胱甘肽(glutathione,GSH)和GPX4組成,即Cys-GSH-GPX4通路。Cys是合成GSH的限速底物,且Cys的巰基作為GSH的活性基團。GSH本身是一種抗氧化劑,又是GPX4的輔因子。這一系統(tǒng)還包括細胞膜上胱氨酸/谷氨酸反向轉(zhuǎn)運體(cystine/glutamate antiporter,System Xc-),此系統(tǒng)由溶質(zhì)載體家族7成員11(solute carrier family 7 member 11,SLC7A11)的催化亞基和溶質(zhì)載體家族3成員2(solute carrier family 3 member 2,SLC3A2)調(diào)節(jié)亞基組成[7]。Xc-系統(tǒng)以1∶1的比例將谷氨酸運送到細胞外,將胱氨酸運送到細胞內(nèi)。在氧化應激條件下,由Xc-系統(tǒng)轉(zhuǎn)運進來的胱氨酸被還原為Cys,并參與GSH的合成。合成的GSH被GPX4氧化為氧化形式的谷胱甘肽,同時,GPX4可以將PLOOHs還原為對應的羥基脂(PLOH),從而抵抗鐵死亡。已有研究表明,抑制Xc-/GSH/GPX4軸中的關(guān)鍵分子是治療耐藥性實體瘤的一種新的有效方法[8]。

硒蛋白是微量元素硒實現(xiàn)生理功能的關(guān)鍵生物分子,GPX4是人類25種專用硒蛋白之一,屬于谷胱甘肽過氧化物酶系(GPX)。GPX4功能和活性的關(guān)鍵是硒作為硒代半胱氨酸殘基摻入GPX4的催化中心。GPX4在多種腫瘤細胞及組織中高表達,與腫瘤的不良生物學行為相關(guān)[6]。GPX4高表達有利于腫瘤細胞應對氧化應激,增強增殖能力,進而抵抗鐵死亡,促進腫瘤的發(fā)展。研究證實,鐵死亡的內(nèi)在機制取決于GPX4的活性和脂質(zhì)過氧化,目前,至少已經(jīng)開發(fā)了四類鐵死亡誘導劑,包括Xc-系統(tǒng)抑制劑(erastin)、GPX4抑制劑(RSL3)、FIN56(消耗GPX4蛋白)和FINO2(間接抑制GPX4)[9]。其中,一些GPX4抑制劑已被證實可以促進耐藥性腫瘤細胞發(fā)生鐵死亡[6]。有研究認為,無論上游基因如何,GPX4都是鐵死亡的主要靶點,是調(diào)節(jié)鐵死亡的關(guān)鍵末端效應器[10]。由此可見,靶向作用于GPX4從而誘導腫瘤細胞鐵死亡的重要性,這將為耐藥性腫瘤細胞的治療提供有力的策略。

3 谷胱甘肽過氧化酶4與胃腸道腫瘤

GPX4作為鐵死亡重要的靶點之一,與胃腸道腫瘤的發(fā)生發(fā)展、治療及耐藥密切相關(guān)。針對胃腸道腫瘤中GPX4的調(diào)節(jié),最近開發(fā)了用于胃腸道腫瘤治療的GPX4抑制劑,例如小分子化合物、納米反應器和藥物等(Table 1),以GPX4為靶點的策略有望成為治療胃腸道腫瘤的新途徑。

Table 1 Novel drugs for ferroptosis in gastrointestinal tumors

3.1 GPX4與胃癌

胃癌(gastric cancer,GC)是一種高致死性的惡性腫瘤,與幽門螺桿菌感染、吸煙、遺傳、人口老齡化等因素緊密相關(guān),早期的診斷和治療可以增加GC患者生存和康復的機會。GPX4在GC中表達異常,并受到多種信號通路和相關(guān)因子的調(diào)控(Fig.1),進而直接或間接調(diào)節(jié)GC中鐵死亡的發(fā)生。抑制GPX4的表達有助于提升GC患者化療的藥物敏感性,以GPX4為樞紐調(diào)控鐵死亡的靶點與通路將會是GC有前景的治療策略。

Fig.1 The main regulation of GPX4 in GC

3.1.1 GPX4在GC中的表達 王首寒等[11]在Oncomine和基因表達譜動態(tài)分析(gene expression profiling interactive analysis,GEPIA)數(shù)據(jù)庫中分析表明,GPX4 mRNA在GC組織中明顯高表達,且與患者不良的總生存(overall survival,OS)率密切相關(guān)。Hu等[12]利用TIMER數(shù)據(jù)庫發(fā)現(xiàn),GC中GPX4 mRNA升高,免疫組化結(jié)果顯示,GPX4蛋白質(zhì)水平上升。而Ye等[13]利用Kaplan-Meier 繪圖儀發(fā)現(xiàn),只有在GC患者臨床Ⅲ期后,GPX4 mRNA表達上調(diào)才與OS顯著相關(guān),但GPX4表達的增加對GC患者的預后未見顯著影響。然而,Lan等[14]利用qRT-PCR方法,研究40例GC患者中硒蛋白在GC中的表達情況時發(fā)現(xiàn),GPX4 mRNA呈低表達水平。Zhao等[15]利用免疫組化染色發(fā)現(xiàn),在89例GC患者中GPX4蛋白呈低表達狀態(tài),并與不良預后有關(guān)。目前,有關(guān)GPX4 在GC中的相關(guān)研究報道較少,且由于個體研究樣本量的局限性及研究方法不同,所得的結(jié)論一致性不高。因此,GPX4在GC中的表達情況仍需擴大樣本量,并用多種方法研究以得出確切的結(jié)果。

3.1.2 GPX4在GC中的調(diào)控機制 GPX4-MPND融合基因是GC中發(fā)現(xiàn)的一個新的分子事件,此融合基因能夠促進GC細胞的增殖和侵襲能力[16]。半胱氨酸雙加氧酶1(cysteine dioxygenase 1,CDO1) 可以將Cys轉(zhuǎn)化為?；撬?taurian),從而競爭性地掠奪細胞用于合成GSH的Cys。而轉(zhuǎn)錄因子c-Myb可以與CDO1的啟動子相互作用,抑制CDO1的表達。當CDO1表達受到抑制時,GSH向牛磺酸的轉(zhuǎn)化減少,GSH生成增多,GPX4活性得到促進,導致GC細胞抵抗鐵死亡[17]。Ouyang等[18]發(fā)現(xiàn),信號轉(zhuǎn)導子和轉(zhuǎn)錄激活子3(signal transducer and activator of transcription 3,STAT3)能與GPX4基因啟動子中的共有應答元件結(jié)合并上調(diào)其表達,進而增加GC的化療耐藥性,靶向STAT3為晚期GC和化療耐藥提供了一種新的治療策略。此外,下調(diào)ADP核糖基化因子6(ADP ribosylation factor 6,ARF6)的表達可以增強 GPX4的表達,并減弱erastin誘導GC細胞鐵死亡[19]。半胱氨酸蛋白酶抑制劑SN(cystatin SN,CTS1)能通過招募去泛素化酶OTUB1來緩解GPX4的泛素化修飾,增強GPX4的穩(wěn)定性,進而抑制鐵死亡并促進GC細胞的轉(zhuǎn)移[20]。最近還發(fā)現(xiàn),下調(diào)miR-221-3p的表達時其下游激活轉(zhuǎn)錄因子3(activating transcription factor 3,ATF3)在GC中被上調(diào),ATF3的上調(diào)可通過抑制GPX4的表達促進GC細胞鐵死亡,并顯著減弱小鼠GC細胞的生長[21]。Gomaa等[22]發(fā)現(xiàn),下調(diào)miR-4715-3p可以促進極光激酶A(aurora kinase A,AURKA)的表達,AURKA可以顯著下調(diào)GPX4的表達水平,并促進GC細胞的鐵死亡,提示miRNA/GPX4軸可能也是GC治療的重要靶點。

GPX4可參與GC細胞的多種信號通路。研究表明,多數(shù)GC患者中存在Wnt/β-catenin信號通路的失調(diào)[23],與GC的發(fā)展和化療耐藥性密切相關(guān)。Wang等[24]發(fā)現(xiàn),轉(zhuǎn)錄因子TCF4可以作為Wnt/β-catenin信號通路的開關(guān),并且與β-聯(lián)環(huán)蛋白(β-catenin)結(jié)合形成轉(zhuǎn)錄復合物。TCF4/β-catenin可以與GPX4的啟動子區(qū)結(jié)合并誘導其表達,抑制GC鐵死亡。LF3是一種4-硫脲基-苯磺酰胺衍生物,可以強烈抑制β-聯(lián)環(huán)蛋白和TCF4之間的相互作用[25]。利用LF3靶向抑制TCF4后,GPX4的表達降低,并且在體內(nèi)外顯著增強了GC對順鉑的敏感性。提示靶向Wnt/β-catenin/TCF4/GPX4在治療GC中的潛在策略。此外,該研究還發(fā)現(xiàn)感染幽門螺桿菌的GC細胞中TCF4和GPX4 的表達水平上升,缺乏TCF4時GPX4的表達下調(diào),說明幽門螺桿菌通過TCF4上調(diào)GPX4的表達和活性,從而導致GC的高抗氧化狀態(tài)。因此,根除幽門螺桿菌有利于引發(fā)鐵死亡,提高幽門螺桿菌陽性GC患者化療的敏感性。沉默NAD依賴性脫乙酰酶6(sirtuins 6,SIRT6)可以抑制Keap1/Nrf2信號通路,并下調(diào)GPX4的表達,進而來克服索拉非尼的耐藥性[26]。因此,SIRT6/ Keap1/Nrf2/GPX4軸的抑制可能是提高索拉非尼療效的潛在策略。同樣的,潛在轉(zhuǎn)化生長因子β結(jié)合蛋白(latent transforming growth factor β binding proteins,LTBPs)以極為相似的方式通過p62/Keap1/Nrf2/GPX4軸調(diào)控GC細胞鐵死亡[27]。沉默與SIRT6同家族的SIRT1可以上調(diào)p53的表達水平并下調(diào)GPX4的水平,進而促進GC鐵死亡[28]。最新研究表明,B細胞淋巴瘤6(B-cell lymphoma 6,BCL6)的上調(diào)可在體外和體內(nèi)顯著抑制GC細胞的增殖和轉(zhuǎn)移,其內(nèi)在機制是由于BCL6可以通過FZD7/β-catenin/TP63/GPX4途徑促進脂質(zhì)過氧化,導致GC細胞鐵死亡[29]。此外,GPX4還參與免疫相關(guān)途徑,在GC腫瘤微環(huán)境中發(fā)現(xiàn)自然殺傷細胞(natural killer,NK)的浸潤顯著減少,導致GC細胞易發(fā)生免疫逃逸。Cui等[30]發(fā)現(xiàn)高表達GPX4會降低NK細胞生存能力,GC細胞也表現(xiàn)出耐藥性,而敲除GPX4后則表現(xiàn)出顯著的療效,表明降低GPX4的表達可能是GC免疫治療的潛在策略。

靶向誘導GC細胞鐵死亡也是目前研究的熱點。Zhang等[31]首次將生物活性化合物6-硫鳥嘌呤(6-thioguanine,6-TG)鑒定為GC細胞潛在的鐵死亡誘導劑,6-TG可以使Xc-系統(tǒng)中的SLC7A11失活,阻斷GSH的產(chǎn)生,下調(diào)GPX4的表達。Hu等[12]發(fā)現(xiàn),小分子GPX4抑制劑—多酚B(polyphyllin B,PB)在GC細胞和小鼠模型中均顯示出良好的抗腫瘤療效,這是由于PB可以抑制GPX4的表達并促進GC鐵死亡,驚喜的是該過程不會引起顯著的宿主毒性,提示進一步研究更多毒性低的GPX4抑制劑對于GC的治療是必不可少的。納米顆粒(nanoparticles,NPs)誘導癌細胞鐵死亡的新型治療方法在GC中也被廣泛研究。mPEG-PLG(DNs)自組裝形成的納米顆粒NP-DNs,可以通過消耗GSH和釋放SO2下調(diào)GPX4的表達,從而觸發(fā)GC細胞鐵死亡[32]。Atranorin是一種地衣的次生代謝產(chǎn)物,根據(jù)Atranorin設計的超順磁性氧化鐵納米顆粒(superparamagnetic iron oxide nanoparticles,SPION)復合物(Atranorin@SPION)可以減弱SLC7A11和GPX4 mRNA 3′ UTR的hm5C修飾水平,并降低二者的表達水平,進而引起GC干細胞鐵死亡[33]。日本圓菊(Cirsiumjaponicum)是一種植物中草藥,根據(jù)其合成的金納米顆粒CJ-AuNPs可以通過靶向抑制GPX4,介導GC細胞鐵死亡[34]。上述多項研究結(jié)果提示,GPX4可以作為納米材料誘發(fā)鐵死亡的有效靶點。

3.1.3 GPX4與藥物 阿帕替尼(apatinib)是血管內(nèi)皮生長因子受體-2(vascular endothelial growth factor receptor-2,VEGFR2)的競爭性抑制劑,轉(zhuǎn)錄因子類固醇調(diào)節(jié)元件結(jié)合蛋白1a(sterol regulatory element-binding protein-1a,SREBP-1a)可以通過結(jié)合GPX4啟動子區(qū)激活GPX4的轉(zhuǎn)錄。阿帕替尼可以通過抑制SREBP-1a的表達而下調(diào)GPX4的表達,進而增強GC細胞鐵死亡。值得注意的是,多耐藥GC細胞更易受阿帕替尼誘導的GPX4抑制作用的影響[15],提示GPX4可能是阿帕替尼對GC療效評估和治療的潛在靶點。喻鑫等[35]發(fā)現(xiàn),雙硫侖(disulfiram,DSF)協(xié)同奧沙利鉑(oxaliplation,Oxa)聯(lián)合用藥作用于GC細胞時,GPX4的mRNA表達水平明顯下降,并通過時間和劑量依賴性協(xié)同抑制GC細胞增殖。

近幾年,越來越多的研究表明,中藥治療腫瘤的潛在機制可能與鐵死亡相關(guān)。如研究證實麥冬皂苷B(ophiopogonin B,OP-B)可通過阻斷SLC7A11/GPX4通路在體內(nèi)外觸發(fā)GC細胞鐵死亡[36]。獼猴桃根(actinidia chinensis planch,ACP)已被批準為一種在臨床上廣泛應用的抗腫瘤藥物,研究發(fā)現(xiàn),ACP可通過抑制GPX4誘導GC細胞鐵死亡,斑馬魚異種移植物研究進一步在體內(nèi)證實了這一結(jié)果[37]。黃芩苷可以通過抑制GPX4的表達,有效抑制GC細胞的增殖[38]。濟源冬凌草甲(jiyuan oridonin A,JDA)是從中草藥濟源冬凌草中分離得到的一種天然化合物,其衍生物a2可以降低CRC中GPX4的表達,在異種移植小鼠模型中,a2表現(xiàn)出比5-氟尿嘧啶更強的抗癌活性[39]。扶正泥增湯(fuzheng nizeng decoction)可以降低GPX4/GSH水平,促進GC前病變細胞鐵死亡,有助于GC的預防[40]。

3.2 GPX4與結(jié)直腸癌

結(jié)直腸癌(colorectal cancer,CRC)是世界上第三大常見惡性腫瘤[41],發(fā)病率呈不斷上升趨勢。飲食、環(huán)境及腸道菌群等因素與CRC密切相關(guān)[42]。CRC的特征是頻繁突變的基因,例如TP53和Kirsten大鼠肉瘤病毒癌基因同源物(kirsten rat sarcoma viral oncogene homolog,KRAS)。GPX4在CRC中表達異常,其可以作為多種物質(zhì)的靶點(Fig.2),并參與化療耐藥的調(diào)控。

Fig.2 The main regulation of GPX4 in CRC

3.2.1 GPX4在CRC中的表達 研究發(fā)現(xiàn),結(jié)腸癌患者組織中的GPX4 mRNA及蛋白質(zhì)水平均升高[43,44]。藍煒強等[44]研究表明,GPX4高表達是結(jié)腸癌患者不良預后的獨立影響因素,與結(jié)腸癌腫瘤直徑和低生存率相關(guān)。羅壽等[45]發(fā)現(xiàn),GPX4 在左半結(jié)腸腺癌組織中的高表達率高于右半結(jié)腸腺癌組織,但此表達差異是否對患者預后存在影響仍需進一步研究。Yagublu等[46]發(fā)現(xiàn),GPX4在不同分期的結(jié)腸癌組織中表達也有差異,除了T3期患者腫瘤樣本外,其他階段的GPX4蛋白表達水平均顯著上調(diào)。在T3和T4期患者腫瘤樣本中也發(fā)現(xiàn)了較高的mRNA水平,提示在晚期腫瘤中,GPX4可以確保對氧化應激的防御,并抑制腫瘤細胞的死亡。此外,JIA等[47]進行的甲基化分析結(jié)果顯示,CRC中GPX4高甲基化與患者的低生存率有關(guān)。提示GPX4的甲基化對于CRC機制研究可能是一個新的切入點。

3.2.2 GPX4在CRC中的調(diào)控機制 GPX4的活性關(guān)鍵在于硒的摻入,而硒的摻入需要GPX4 mRNA 3′ UTR中特定的RNA莖環(huán)結(jié)構(gòu)。GPX4單核苷酸多態(tài)性rs713041 T/C位于3′-UTR區(qū),rs713041核苷酸的變化改變了mRNA與相關(guān)蛋白質(zhì)的親和力,以此來調(diào)節(jié)GPX4的合成[48],與T等位基因相比,C等位基因促進了GPX4合成的能力[49]。研究發(fā)現(xiàn),rs713041與CRC易感性有關(guān),最初G. Bermano等[50]2006年在蘇格蘭546例的人群中研究發(fā)現(xiàn),與C等位基因相比,rs713041 T等位基因降低了CRC風險。之后2010年Meéplan等人[51]在捷克共和國1 400多名人群中的研究卻得到了相反的結(jié)果,研究表明,與CC和TT基因型相比,CT基因型增加了CRC的發(fā)病風險,作者認為應該進一步在更大的人群中進行研究。2022年,一項Meta分析顯示,rs713041 T等位基因攜帶者與CRC風險增加相關(guān)[52]。由于rs713041在CRC中的研究報道有限,且不同的地區(qū)、不同的人群亞結(jié)構(gòu)和生活環(huán)境因素等都可能影響結(jié)果,因此,后續(xù)應進一步在大范圍人群中研究以得到可靠的結(jié)果。在藥物聯(lián)合治療轉(zhuǎn)移性CRC的研究中發(fā)現(xiàn),GPX4單核苷酸多態(tài)性rs4807542與西妥昔單抗/FOLFIRI組的OS顯著相關(guān),與AA和AG基因型相比,GG基因型有更好的OS,但在多變量分析中其影響是邊緣的[53],推測可能是因為樣本量較少,后續(xù)可擴大樣本量進行驗證。

p53是重要的抑癌基因,也是人類癌癥中最常見的突變基因。研究發(fā)現(xiàn),突變型p53可以直接靶向SLC7A11,并通過下調(diào)GPX4的表達和增加ROS的產(chǎn)生促進CRC鐵死亡[54]。Wang等[55,56]發(fā)現(xiàn),在一些腫瘤中被認為是原癌基因的富含絲氨酸和精氨酸的剪接因子9(serine and arginine rich splicing factor 9,SFRS9)在CRC中高表達,并且可以和GPX4的mRNA結(jié)合從而促進GPX4表達,進而抑制CRC鐵死亡。因此,進一步敲低SFRS9,發(fā)現(xiàn)在體內(nèi)和體外都可以抑制CRC的發(fā)展。類似地,Wang等[57]發(fā)現(xiàn),70 kD熱激蛋白5(heat shock 70 kD protein 5,HSPA5)可以直接與GPX4蛋白結(jié)合維持其穩(wěn)定性,并調(diào)控CRC的免疫微環(huán)境,促進CRC的發(fā)展。酰基輔酶A脫氫酶,短/支鏈(Acyl-CoA dehydrogenase,short/ branched chain,ACADSB)是?；o酶A脫氫酶家族的一員,在CRC組織中低表達,其可以負調(diào)控GPX4的表達[58]。

GPX4蛋白質(zhì)水平的上調(diào)可能參與細胞周期的調(diào)控,并促進上皮間質(zhì)轉(zhuǎn)化(epithelial-mesenchymal transition,EMT),導致腫瘤抵抗鐵死亡并發(fā)生侵襲和遷移等行為,最終導致腫瘤對化療藥物不敏感。張波等[59]研究發(fā)現(xiàn),在瑞格菲尼抵抗的CRC細胞株中,GPX4 mRNA及蛋白質(zhì)水平均顯著增高,磷脂酰肌醇3-激酶(phosphoinositide 3-kinase,PI3K)、蛋白激酶B (Akt)及波形蛋白(vimentin)表達升高,E-鈣黏著蛋白(E-cadherin)表達降低,前2種蛋白質(zhì)與細胞周期調(diào)控有關(guān),后2種蛋白質(zhì)是EMT的標志物,表明GPX4可以促進細胞的EMT,介導CRC細胞瑞格菲尼抵抗的形成。Yan等[60]發(fā)現(xiàn),KRAS基因突變的男性CRC患者中GPX4高表達,KRAS可以通過Xc-GSH-GPX4途徑抑制鐵死亡,其生存期較差,這些KRAS突變的CRC患者用表皮生長因子受體(epidermal growth factor receptor,EGFR)單藥(如西妥昔單抗)治療效果受限。此后,Chen等[61]為了進一步研究CRC的耐藥機制,使用欖香烯和西妥昔單抗聯(lián)合應用于KRAS突變的CRC細胞,發(fā)現(xiàn)GPX4表達受到抑制,E-鈣黏著蛋白表達升高且波形蛋白表達降低,提示二者是通過誘導鐵死亡和抑制EMT使CRC細胞敏感。有趣的是,與非耐藥的癌細胞相比,經(jīng)歷了EMT的耐藥癌細胞更有可能被鐵死亡誘導物殺死[62]。因此,抑制GPX4在一定程度上抑制大腸癌的EMT,提示靶向GPX4作用于KRAS突變的患者可能克服傳統(tǒng)的CRC耐藥性。在腸上皮細胞的研究中,發(fā)現(xiàn)GPX4通過對凋亡誘導因子(apoptosis-inducing factor,AIF)的影響,保護線粒體免受氧化損傷,維持氧化磷酸化復合物的穩(wěn)定性。GPX4活性改變導致的線粒體氧化功能的變化可能會影響結(jié)腸細胞增殖,但需要進一步的研究來確定這種情況是否存在以及是否影響CRC風險[63]。

GPX4還參與CRC的某些信號通路。Yang等[64]發(fā)現(xiàn),抑制KIF20A/NUAK1/Nrf2/GPX4信號通路誘導CRC鐵死亡,并增強CRC對奧沙利鉑的敏感性,這一通路為逆轉(zhuǎn)CRC的耐藥性提供了新思路。

在CRC中,GPX4是許多物質(zhì)的作用靶點。小分子化合物RSL3可以以時間及劑量依賴性的方式特異性抑制GPX4的活性,抑制結(jié)腸腺癌細胞的生長,使其細胞增殖減慢,活性減弱[65]。有證據(jù)表明,5-氟尿嘧啶(5-fluorouracil,5-Fu)聯(lián)合RSL3治療小鼠異種移植物能有效抑制CRC腫瘤再生[66],同樣,將索拉非尼和RSL 3給予索拉非尼耐藥的CRC細胞時發(fā)現(xiàn),可以導致鐵和脂質(zhì)過氧化物水平升高,最終導致CRC細胞鐵死亡[67]。提示GPX4抑制劑聯(lián)合化療或靶向治療可能是大腸癌的一種有前途的治療方法。

GPX4還可以作為miRNA的靶點,在CRC中過表達miR-15a-3p[68]和miR-124-3p[69]基因,發(fā)現(xiàn)二者均可以直接與GPX4的3′-UTR結(jié)合來抑制GPX4。在耐奧沙利鉑的細胞中高表達miR-124-3p基因,可通過降低GPX4蛋白的表達誘導鐵死亡而逆轉(zhuǎn)其耐藥性。miR-539可以激活SAPK/JNK通路,并下調(diào)GPX4的表達并促進CRC鐵死亡[70]。因此,miRNA/GPX4調(diào)節(jié)體系可能也會成為今后CRC治療的重要靶點。研究發(fā)現(xiàn),中藥化學單體白藜蘆醇(resveratrol,RSV)可以通過下調(diào)miR-31的表達,抑制SLC7A11和GPX4的表達,從而促進CRC死亡[71]。為了提高遞送效率,Zhang等[72]開發(fā)了一種RSV仿生納米載體(RSV-NPs@RBCm),這種納米載體可以特異性穿透腫瘤,并顯著降低GPX4的表達,促進CRC鐵死亡,體內(nèi)研究結(jié)果顯示,其對CRC具有良好的治療效果,這一發(fā)現(xiàn)表明,RSV有作為GPX4抑制劑的潛力,為RSV納米載體應用在CRC治療中鋪平道路。與此類似,Mu等[73]利用微管蛋白抑制劑多西他賽(docetaxel ,DOC)設計了一種基于單寧酸(tannic acid, TA)、鐵離子和多西他賽DOC的超分子納米反應器(DOC@TA-Fe3+),這種納米反應器被CRC細胞內(nèi)化后可以從溶酶體逃逸并釋放有效載荷,隨后由TA介導的Fe3+/Fe2+轉(zhuǎn)化可以觸發(fā)芬頓(Fenton)反應,引起ROS濃度升高。此外,Fe3+通過消耗GSH來抑制GPX4的活性,從而誘導鐵死亡。同時,釋放的DOC控制微管動力學以激活細胞凋亡途徑。其優(yōu)越的抗腫瘤功效在小鼠模型中得到了驗證。Zhou等[74]發(fā)現(xiàn),微波誘導的基于銅-半胱氨酸(Cu-Cy)納米顆粒的光動力療法對CRC治療有效果,這是因為Cu-Cy可以耗盡GPX4并誘導鐵死亡來殺死CRC細胞,小鼠體內(nèi)模型也證實Cu-Cy優(yōu)越的體內(nèi)抗腫瘤功效。總的來說,納米材料有望成為靶向GPX4使CRC發(fā)生鐵死亡的潛在分子。

GPX4還可以作用于許多蛋白質(zhì),共同調(diào)控CRC的發(fā)展。早在20年前就有研究表明,GPX4過表達會誘導結(jié)腸癌細胞環(huán)氧合酶2(cyclooxygenase-2,COX-2)活性增加,COX已被證明是非甾體抗炎藥的靶點,而非甾體抗炎藥的使用與結(jié)腸癌風險降低之間存在相關(guān)性[75]。另有研究表明,GPX4與鳥嘌呤核苷酸結(jié)合蛋白3(guanine nucleotide-binding protein-like 3,GNL3)表達呈正相關(guān),GLN3參與細胞自我更新、增殖、凋亡、維持細胞基因組穩(wěn)定性和端粒完整性等多種細胞生物學功能,說明GPX4、GLN3蛋白在結(jié)腸癌中共同作用參與調(diào)控腫瘤的發(fā)生發(fā)展[45]。

最新研究表明,CRC中存在非突變藥物耐受持久性(drug-tolerant persister cells,DTP)細胞,DTP細胞的關(guān)鍵特征包括其靜止狀態(tài)和在絕大多數(shù)細胞群被快速殺死的條件下保持存活的能力,DTP細胞表現(xiàn)出可逆狀態(tài),移除藥物后可恢復增殖和生長,并對初始治療保持敏感。而在這種細胞中,發(fā)現(xiàn)GPX4顯著上調(diào),這導致CRC對模型藥物的敏感性降低,使用GPX4抑制劑誘導使得敏感性增強[66]。提示抑制GPX4能作為DTP細胞的治療靶點,可以選擇性消除殘留的CRC細胞庫。

腸道菌群在CRC的腫瘤發(fā)生中發(fā)揮重要作用。腸道菌群失調(diào)、特定致病微生物、相關(guān)代謝產(chǎn)物和毒力因子會促進CRC的發(fā)生和發(fā)展[76]。腸道菌群與放化療和免疫治療等抗腫瘤治療的療效或不良反應有關(guān),相關(guān)干預措施可以提高抗腫瘤治療的療效和嚴重的腸道毒性作用[77]。有證據(jù)顯示,飲食和腸道菌群協(xié)同作用會降低結(jié)CRC風險,膳食纖維經(jīng)過腸道菌群發(fā)酵可以生成丁酸鹽,丁酸鹽與ω-3多不飽和脂肪酸(omega-3 polyunsaturated fatty acids,n-3 PUFA)聯(lián)合作用可以促進GPX4依賴性的鐵死亡作用,從而降低CRC風險[78]。提示GPX4在介導飲食、腸道菌群與CRC之間的關(guān)聯(lián)有潛在重要作用。

3.2.3 GPX4與藥物 越來越多的研究表明,中藥與結(jié)腸癌細胞鐵死亡相關(guān)。雷公藤內(nèi)酯酮(triptoinde,TN)是從雷公藤根莖分離提取的三萜類化合物,研究發(fā)現(xiàn),TN 具有抗結(jié)腸癌的作用,而GPX4是TN抗癌的關(guān)鍵靶點,TN通過抑制GPX4激活結(jié)腸癌細胞鐵死亡[79]。Miyazaki等[80]發(fā)現(xiàn),姜黃素(curcumin)和穿心蓮(andrographis)聯(lián)合使用可以通過激活鐵死亡和雙重抑制GPX4和FSP-1在CRC中發(fā)揮抗腫瘤作用。Cai等[81]在小鼠模型中發(fā)現(xiàn),龍須菜多糖可以通過激活GPX4通路增強CRC順鉑化療的敏感性?？汞懠菜幬锴噍镧?artesunate)可以通過抑制System Xc-/ GSH/ GPX4信號通路誘導CRC細胞發(fā)生鐵死亡[82]。Honokiol作為潛在的高效特異的抗癌中草藥,被發(fā)現(xiàn)可以通過降低GPX4的活性誘導CRC細胞鐵死亡[83]。同樣也有針對西藥對GPX4的調(diào)控機制的研究,伊曲康唑(itraconazole,Itra)是一種抗真菌藥物,其可以通過激活AMPK信號通路抑制GPX4的表達,促進CRC細胞鐵死亡[84]。靜脈麻醉藥異丙酚(propofol)可以通過調(diào)節(jié)STAT3并下調(diào)GPX4的表達,誘導CRC鐵死亡[85]。上述研究為治療結(jié)腸癌提供了很好的藥理依據(jù),但進一步在動物模型體內(nèi)的毒理藥理研究也至關(guān)重要。

4 問題與展望

GPX4與胃腸道腫瘤的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān),有望成為治療胃腸道腫瘤的藥物靶點以及檢測預后和復發(fā)轉(zhuǎn)移的生物標志物。目前,仍有一些領(lǐng)域需要我們繼續(xù)探索,例如,需進一步研究和闡明GPX4在胃腸道腫瘤中的分子機制,及其涉及的信號通路之間的干擾和交互作用。靶向GPX4使癌細胞鐵死亡固然誘人,但是GPX4 抑制劑是否能應用于臨床尚不清楚。抑制GPX4對胚胎、生殖發(fā)育和腦神經(jīng)等產(chǎn)生著不可小覷的危害, 對其他生理過程也可能會有重大影響。因此,后期應著重探索有效安全的GPX4抑制劑,減少由于GPX4 缺失而引起的機體損傷,最終目標是確定抑制GPX4的藥物與其他癌癥療法(如化療和放療)的最有效組合,以實現(xiàn)治療效果最大化。