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摘要：癌症是全球最致命的疾病之一，每年均造成上千万的人死亡。尽管在抗肿瘤靶向药物治疗方向展开了广泛深入的研究，但是许多种类的癌症任然存在预后差且无法治愈的现象。因此开发新型抗肿瘤药物势在必行。在肿瘤细胞中，研究发现ROS的变化可以诱导氧化还原稳态的波动，从而导致肿瘤发生和化学耐药性增加。AMP激活的蛋白激酶（AMPK）是细胞代谢的关键调节剂，在糖尿病，癌症和血管疾病中起重要作用。目前，已有多篇研究表明出ROS与AMPK之间存在着千丝万缕的联系，表明了AMPK在ROS相关的细胞活动中扮演着重要角色。因此，在这片综述中，我们将讨论ROS与AMPK关系的最新发现，以及基于AMPK调控ROS从而影响细胞氧化还原稳态，并由此开发肿瘤新型靶向疗法的可能性。
关键词：ROS；AMPK；肿瘤
本文引用格式：张伊,杨林,魏立彬.ROS-AMPK信号通路在肿瘤发生发展中的关系[J].世界最新医学信息文摘,2019,19(99):45-47,49.
The Role of Ros-ampk Signaling Pathway in Tumorigenesis and Development
ZHANG Yi,YANG Lin*,WEI Li-bin*
(Xuanwumen campus,China Pharmaceutical University,No.24,tongjiaxiang,Gulou District,Nanjing,Jiangsu Province,Jiangsu Province,Key Laboratory of oncogenesis and intervention,Nanjing Jiangsu)
ABSTRACT:Cancer is one of the world's most deadly diseases,is estimated to cause 960 million deaths in 2019.Despite extensive and intensive research in the field of anti-tumor targeted drug therapy,many types of cancer still have a poor prognosis and are incurable.Therefore,it is imperative to develop new anti-tumor drugs.In tumor cells,studies have found that changes in ROS can induce fluctuations in redox homeostasis,leading to increased tumorigenesis and chemical resistance.AMP-activated protein kinase(AMPK)is a key regulator of cellular metabolism and plays an important role in diabetes,cancer and vascular disease.At present,many studies have shown that there is an inextricable link between ROS and AMPK,indicating that AMPK plays an important role in ROS-related cellular activities.Therefore,in this review,we will discuss the latest findings of the relationship between ROS and AMPK,and the possibility of AMPK-mediated ROS to affect cellular redox homeostasis,and thereby develop novel targeted therapies for tumors.
KEY WORDS:ROS;AMPK;Cancer
1ROS在肿瘤中的作用
1.1ROS的合成
ROS是有氧代谢
的副产物，由自由基和非自由基组成。其中自由基包括超氧阴离子（O2•-），过氧自由基（RO2•），羟自由基（•OH）和氢过氧自由基（HO2•）.过氧化氢（H2O2）和单氧则被归类于非自由基ROS[1]。传统上认为细胞内ROS主要通过三中生成途径:线粒体中ATP合成，内质网（ER）中的蛋白质合成以及（NADPH）氧化酶NOX家族成员的活化。线粒体在ATP合成过程的电子传输链（ETC）中产生细胞内ROS[2]。线粒体中ROS的稳态是通过抗氧化剂蛋白维持的。ETC电子泄漏后，线粒体中ROS的异常状态可以激活癌细胞的凋亡[2,3]。ER是一种动态的细胞器，它起着蛋白质折叠系统的作用，它调节几乎所有的膜蛋白和分泌蛋白进行翻译后修饰[4,5]。细胞内过氧化氢则是在ER中蛋白质合成过程中由蛋白质二硫键异构酶（PDI）和其他氧化还原酶诱导生成的。内质网应激诱导的反应涉及在微环境下癌细胞的存活，转移和血管生成[1]。NOX家族成包含NOX1-5和双重氧化酶（DUOX）1和2。NOX1主要位于质膜和内体，NOX2位于ER和质膜中[6,7]。通过NOX产生的H2O2和O2•−充当次级信使，以响应各种与生长相关的因素和化学药物并向下传递信号[8-10]。
因此，由NOX引起的ROS产生使癌细胞获得化学抗性，并促进了癌症的发展。
1.2ROS与肿瘤发生发展的关系及其在肿瘤中的作用
过量累积的ROS会破坏细胞的DNA，蛋白质和脂质，进一步导致基因突变，细胞过度增殖和致命的细胞损伤，极大地增加了细胞癌变的风险。比如，由各种外部因素（例如化学毒物，UV，IR和病原体感染）或内部因素（例如缺血/再灌注，炎症和缺氧）产生的高水平ROS会破坏皮肤的氧化还原稳态，最终导致DNA/细胞损伤或变异甚至致癌[11]。这些可能会促进皮肤病变的出现和皮肤中肿瘤的生长，例如黑色素瘤，BCC和SCC[12]。
ROS系统具有维持癌细胞内稳态，衔接各种重要的信号通路并导致细胞不同的生理活动的功能。这些超氧化物生成之间的不平衡会导致癌细胞的氧化应激，破坏其氧化代谢，并激活一些列相关细胞生理功能（如凋亡、自噬等），最终导致癌细胞的死亡。已有大量扥文献表明，ROS引起的DNA损伤可以导致肿瘤细胞的凋亡；抑制由ROS引起的自噬，也可以进一步的促进肿瘤细胞死亡。癌细胞由于其快速生长和有限的营养供应等特点而经常在肿瘤微环境中面临代谢压力，因此，许多癌细胞通过上调抗氧化剂来抵御自身高水平的ROS，从而对氧化应激产生适应性。有研究报道，超氧化物可以通过灭活铁硫蛋白，并释放铁，从而促进癌细胞对增加的氧化应激的适应性。
ROS还与肿瘤的耐药性有关。奥沙利铂是一种铂基药物，广泛用于肺癌，乳腺癌，胰腺癌和胃癌[13]。奥沙利铂的细胞毒性机制涉及其结合的基因组DNA，该基因组DNA诱导癌细胞凋亡，并产生核糖体生物发生应激[13,14]。有研究表明，对奥沙利铂的抗药性降低了ROS水平的产生，耐奥沙利铂的细胞系提高了抗氧化剂蛋白的表达。奥沙利铂的耐药性可能是由于降低了细胞产生的ROS或提高了细胞对氧化应激的适应性[15,16]。与此相反，5-FU耐药导致结肠癌细胞中细胞内ROS和DUOX2表达水平升高[17-19]。DUOX2的上调可诱导高水平的ROS和侵袭能力。当癌细胞对化学药物产生耐药性，或许可以通过ROS的升高是癌细胞具备更强的生存、侵袭能力。
ROS也可以作为关键细胞过程的重要激活剂，并且在细胞信号网络中起着至关重要的作用。例如，当缺氧期间线粒体复合物III内生成的ROS达到足够水平时，可以激活缺氧诱导因子1（HIF-1）[20-24]。HIF-1是调节细胞对缺氧反应的关键转录因子，对于肿瘤进展和血管生成至关重要[25]。综上可以得知，ROS的产生与累积激活了细胞内的多种途径，对肿瘤细胞的存活产生了不同的影响。
2AMPK的结构，功能及其在肿瘤中的作用
2.1AMPK的结构与激活
AMPK是一种进化保守的丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶复合物，除某些细胞内寄生虫外，几乎在所有真核生物中普遍表达[26,27]。AMPK是由催化α亚基和调节性β和γ亚基组成的异三聚体复合物。每个亚基具有两个或三个同种型，由不同的基因编码[28]。AMPK具有多个活化位点，但Thr172位点的AMPKα磷酸化，是AMPK激酶活性所必需的[29-31]。除该位点以外，AMPKα在Thr258位点和Ser485位点（对于α1；α2是Ser491位点）也被磷酸化。可以激活AMPK的激酶包括肝激酶B1（LKB1），钙/钙调蛋白依赖性蛋白激酶（CaMKK）[32]和转化生长因子β（TGF-β）激活激酶（TAK1）[33]。此外，AMPK也具有多种活化方式。例如，AMP和ADP与γ亚基位点3的结合会触发异源三聚体复合物中的构象变化，这对于促进激酶激活域中激活的Thr172位点的磷酸化具有非常重要的作用[34-36]。随着细胞内AMP浓度的增加（例如在心肌缺血期间发生的浓度），AMP结合到位点1并变构激活AMPK[34-36]。也有研究表明，Thr172的磷酸化还受到AMPKα亚基中次级丝氨酸残基的磷酸化的调节。
2.2AMPK相关信号通路在肿瘤中的作用
雷帕霉素的哺乳动物靶标（mTOR）是一种丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶，可调节细胞生长，细胞增殖，细胞运动，细胞存活，蛋白质合成和转录[37]。AMPK通过使结节性硬化复合蛋白2（TSC2）磷酸化来抑制mTOR的活性，而活化的TSC1/TSC2复合物则可通过调节蛋白质翻译来控制细胞的生长。因此，癌细胞或许可以通过低表达AMPK来促进自身的生长。AMPK-mTOR轴还可以调节自噬，这是细胞内的分解代谢降解过程，自噬的激活可以通过维持能量产生而导致肿瘤的生长。除此之外，AMPK还通过在Ser317位点上磷酸化并激活UNC-51-like激酶1（ULK1）直接调节自噬，ULK1是自噬的关键启动子，受到mTOR激酶的负调控[38-40]。在肿瘤细胞中，当mTOR1受到抑制，自噬可被诱导且细胞活力丧失。
p53是一种肿瘤抑制因子，可通过响应多种细胞应激（包括DNA损伤，癌基因激活和缺氧）并诱导细胞周期停滞或衰老，在预防肿瘤发展中发挥重要作用[41,42]。据估计，在大约50%的癌症中，均表现出p53的失活。研究表明，由许多激酶可以在代谢应激条件下通过磷酸化稳定p53，其中就包括AMPK。AMPK可以直接磷酸化p53，从而使其稳定和转录活性并促进p53基因表达[43]。因此，p53的丧失赋予了癌细胞生长优势。
其他蛋白诸如Acetyl-CoA carboxylase(ACC)、Akt、Cyclooxygenase-2(COX-2)等对AMPK也有调节作用。COX-2被证明在多种肿瘤中上调，可促进多种肿瘤的生长。研究表明，多种药物对COX-2的抑制作用可能与AMPK的激活有关。乙酰辅酶A羧化酶（ACC）是参与脂质代谢的AMPK的下游靶标。在某些癌症中，可以确切的观察到包括ACC在内的与脂肪酸稳态相关的酶发生了明显的表达变化，癌细胞的增值和存活取决于ACC的活性，抑制ACC会导致癌细胞凋亡[44,45]。Akt与AMPK之间的关系非常复杂，已被证明Akt是AMPK的负调节剂和mTOR的上游正调节剂。有趣的是，有研究表明在某些情况下，激活AMPK可以抑制Akt信号传导。当癌细胞被广泛使用的AMP激酶活化剂AICAR处理后，通过诱导p53和抑制Akt磷酸化，以LKB1独立的方式导致S期生长停滞[46]。
目前，已有大量的研究和文献证明AMPK在肿瘤，如肺癌、结直肠癌和肝癌中具有抑癌作用，而AMPK对其他癌症发生发展的作用，也正在被更多的人研究。例如，在LKB1中具有种系突变的Peutz-Jeghers综合征个体患癌率更高[47]，或许与LKB1突变系细胞中AMPK水平降低的原因。AMPK可以通过调节炎症反应，抵制肿瘤发生过程中发生的代谢变化并直接诱导细胞周期停滞而发挥抑癌作用[48]。结肠直肠癌具有强烈的炎症和代谢活动，表明AMPK激活可能在结肠直肠癌中有一定作用。此外，也有报道表明，在人类癌细胞中，通过5-氨基咪唑-4-羧酰胺-核糖核苷（AICAR）或苯乙双胍激活AMPK会通过多种机制导致细胞凋亡，包括调节MAPK途径[49,50]。肝癌最常见的类型是肝细胞癌（HCC），通常与代谢紊乱有关，研究表明，当把体外敲除AMPK的HCC细胞植入裸鼠时，发现比正常HCC细胞具有更大的致瘤性[51]。在黑色素瘤中，AMPK被发现是维持MITF（小眼症相关转录因子）的重要调节剂，而MITF是对正常黑色素细胞发育和分化重要的蛋白质，与黑色素瘤的进展有关[52]。AMPK激活还被证明可以通过降低ERK信号通路的活性和COX-2蛋白水平来抑制黑素瘤细胞的转移潜能[53]，并通过AMPK/JNK信号传导诱导自噬细胞死亡和凋亡[54]。在原发性乳腺癌中，估计90%的病例AMPK活性降低[55]。福克斯等人证明引入AMPKα2可抑制MCF-7乳腺癌细胞的生长[56]。在大肠癌细胞中，厚朴酚[57]，表没食子儿茶素-3-没食子酸酯（EGCG）[58]可以通过AMPK依赖性机制诱导细胞凋亡，抑制迁移并防止侵袭。
3ROS-AMPK信号通路与肿瘤的关系
3.1ROS与AMPK的双向调节关系
ROS主要被认为是ROS剂量依赖性的正调节剂，与AMP/ATP比率增加有关[59]。过量ROS导致的线粒体功能障碍，使线粒体内膜呼吸链功能丧失，可降低细胞内ATP水平并激活AMPK[60,61]。Choi等人，首先报道ROS诱导AMPK的浓度依赖性激活[62]，此外，Corton等人，报道了AMPK的低氧激活取决于线粒体ROS的水平[63]。Tavazzi等人，证明AMPK激活是由ROS介导的细胞内ATP消耗引起的[64]。Cheol等人，表明异鼠李素诱导的AMPK信号通路的激活取决于ROS的产生[65]。在小鼠胚胎成纤维细胞（MEF）中，葡萄糖饥饿会增强线粒体ROS的生成并激活AMPK[66]。葡萄糖饥饿诱导的ROS激活的LKB1-AMPK信号通路促进自噬[67]。当然，也有研究表明，线粒体和胞质氧化还原变化对AMPK活性的影响是间接的，可能很大程度上但不是全部由ROS决定的，因此ROS也可间接影响AMPK活性[68]。被ROS激活的AMPK除了参与下游的其他信息传递，反过来在一定程度上也会对ROS起到抑制作用，形成一种负反馈调节。这种负反馈调节可以弥补一部分由ROS升高引起的代谢紊乱和其他功能失调，对细胞起到一定的保护作用。在一项研究中发现，ROS清除剂硫氧还蛋白1通过裂解蛋白质中的二硫键，防止AMPK氧化并保持其活性，或许暗示了硫氧还蛋白1通过AMPK来清除一部分的ROS[69]。最新的一项研究表明，二甲双胍和AICA通过激活AMPK，减少了高血糖引起的细胞内和线粒体ROS的产生。在干性老年性黄斑变性（AMD）中，青蒿素被发现可以保护人类视网膜色素上皮细胞免受过氧化氢诱导的氧化损伤，在此项研究中发现，青蒿素的保护作用或许与激活AMPK进而降低ROS的产生有关。
3.2ROS-AMPK通路在肿瘤中的作用
由过往的许多研究可以得知，ROS和AMPK分别于肿瘤发生发展过程中扮演着重要的角色。而ROS与AMPK之间存在着非常复杂的关系，因此将ROS与AMPK信号通路相互联系，形成一个更广泛的信号网，将有助于对肿瘤的调控与治疗更深层全面的理解。ROS引起肿瘤细胞中氧化代谢失调，激活AMPK以维持细胞内的氧化代谢的稳定。
AMPK向下可通过启动自噬对癌细胞发挥保护作用。有研究表明，抑制AMPK蛋白的表达可抑制自噬的过程，在肿瘤细胞中抑制AMPK则可通过抑制保护性自噬促进对细胞的损伤。然而有趣的是，尽管越来越多的证据表明AMPK激活可以通过抑制mTOR和ULK1的磷酸化来诱导自噬[70,71]，但一些研究报道ROS通过下调ULK-1来减弱自噬[72,73]。ROS-AMPK与肿瘤细胞自噬之间的关系仍有待更进一步的研究。肿瘤细胞普遍对升高的ROS具有更强大的适应性，或许是由于其低表达的AMPK。激活AMPK打乱了肿瘤细胞适应氧化应激后产生的新的氧化代谢平衡，促进肿瘤细胞更易于死亡。由ROS介导的AMPK激活后，还可以诱导细胞周期阻滞和凋亡。例如，异鼠李素可以通过ROS激活AMPK中断mTOR/p70S6K/ACC1信号通路，进而触发肿瘤细胞的周期阻滞[65]。与之相反，激活的AMPK对ROS起到一定的负调节作用，可以减少ROS对肿瘤细胞的损伤作用。因此在某些情况下，肿瘤治疗过程中抑制AMPK的表达或许可以增强化学治疗剂的效果。
4总结
如上所述，ROS与AMPK的关系已经被广泛且深入的研究，由这些结论可以得出ROS与AMPK之间的关系并非单向的，ROS与AMPK之前存在着直接或者间接的相互作用。ROS与AMPK分别参与介导多种重要的细胞功能，对AMPK其进行调控不仅可以间接调控ROS介导的信号通路，还可以通过其自身的变化对肿瘤细胞带来不同的影响，从而进一步改变肿瘤细胞的最终命运。由此，将AMPK抑制剂与ROS相关细胞反应相结合或许可以开辟一个全新且有效的肿瘤分子靶向治疗方法。
参考文献
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