最新资讯
电话: 400-113-6988
邮箱: dongfangxicao@163.com
地址: 深圳市南山区粤海街道高新中三道9号环球数码大厦19楼

↓ 微信扫码识别关注我们 ↓

Nrf2与癌症特征

发表于:2019-06-20   作者:Donna D. Zhang   来源:Cancer Cell Review   点击量:

Montserrat Rojo de la Vega1,Eli Chapman1, Donna D. Zhang 1,2*
1美国亚利桑那州图森市亚利桑那大学药学学院药理学与毒理学系,邮编:85721
2美国亚利桑那州图森市亚利桑那大学癌症中心,邮编:85721
*通讯: dzhang@pharmacy.arizona.edu
https://doi.org/10.1016/j.ccell.2018.03.022
 
转录因子Nrf 2作为细胞膜氧化反应的主要调节因子,尽管作为一种化学预防化合物的靶标分子,有助于预防癌症和其他疾病,并且积累的证据已经表明Nrf 2作为癌症进展、转移和抗治疗的有效干预途径,然而,最新的研究结果揭示了Nrf 2在新陈代谢调节中的新功能以及其他重要的细胞功能,将Nrf 2确立为一个真正的多效性转录因子。本篇综述,我们将揭示Nrf 2在癌症中的特征,包括肿瘤抑制和肿瘤促进作用。
 
引言

Nrf 2被视为细胞抗氧化反应的主要调节因子之一,最近的研究发现Nrf 2的许多功能不仅仅是其氧化还原调节能力,在其被发现20年后,Nrf 2已经成为癌症预防和治疗(由于其在癌症中的环境依赖性作用)研究的主要靶标,并且它的作用比最初发现的功能更深远,这将带来新的挑战,同时也为Nrf 2靶向癌症带来新的机会。

Nrf 2是一个CNC、亮氨酸拉链(bzip)转录因子,由7个Neh域组成,每个Neh域对应着不同的功能(图1)。而Nrf 2在所有细胞类型中均表达,在无外界刺激状态下,它的基础蛋白水平通常保持较低。三种E3泛素连接酶复合物调控Nrf2的泛素化和蛋白酶降解:KEAP1-CUL3-RBX1(主要调节机制)、β-TrCP-SKP1-CUL1-RBX1和HRD1(图2;框1)(Tebay等,2015年)。Nrf 2通过小分子异二聚体化Maf蛋白(Zhu and Fahl, 2001)调控200多个含有抗氧化反应元件基因的基础水平和诱导表达。Nrf 2靶基因调控氧化还原平衡、药物代谢和排泄、能量代谢、铁代谢、氨基酸代谢、增殖、自噬、蛋白酶降解、DNA修复、线粒体生理机能等(图2)(Hayes and Dinkova Kostova, 2014; Lee et al., 2017)。
 
Nrf2和癌症的特征

二十年前小鼠实验就证实Nrf2对于化学、辐射(电离、紫外线)诱发的致癌因素具有保护作用(Itohet等,1997; Ramos-Gomez 等,2001; Bauer 等,2011;Long 等,2015;Shen等,2015;Sekhar和Freeman,2015;Knatko 等,2015;Tao 等,2013, 2015)。Nrf 2通过快速修饰化学致癌物的结构、加速排泄以及抑制活性氧(ROS)或通过其靶基因的表达修复氧化损伤等方式预防致癌物的侵袭(图2和图3)。Nrf 2预防癌症的观点已得到广泛共识(Kensler 等,2007;Ma,2013;Jaramillo 和Zhang,2013;Harder 等,2015)。然而,我们的团队最近发现Nrf 2的化学预防作用并不能有效预防基因诱导的Kras G12D肺癌模型(Tao等,2017b)。
在过去的十多年里,报道了许多在癌细胞中Nrf 2活化促进癌症进展Satohet等,2013; Tao等,2017b;DeNicola等, 2011)、转移(Wang 等,2016)和抗化疗和放疗(Padmanabhan 等,2006;Singh 等,2006)的研究,这种现象被描述为Nrf 2的“黑暗面”(图3)(Wang等人,2008年)。借助新技术以及对Nrf 2新功能的发现,我们更深刻理解Nrf2在癌症不同阶段发展中发挥的角色。值得注意的是,Nrf 2既有上调靶基因直接作用,又有氧化还原的间接作用,接下来我们逐一介绍(图 4) (Hanahan和Weinberg,2000,2011)。
 
持续的增殖信号

多项研究结果表明:细胞的增殖与Nrf 2水平相关,Keap-I-细胞增殖速度快于野生型,Nrf 2-I-增殖速度更慢(Zhang等,2015a,2016;Lister等,2011;Homma等,2009)。一直以来,低Nrf 2降低细胞增殖,并与Ki67表达降低和P53诱导衰老相关(Murakami和Motohashi,2015;DeNicola 等,2011)。Nrf 2通过调节基因的基础水平和诱导表达调控细胞增殖,这些基因如NOTCH1,NPNT,BMPR1A,IGF1,ITGB2,PDGFC,VEGFC和JAG1 (Wakabayashi等,2010;Malhotra等,2010)。癌细胞为了增殖和生长,会有较好的蛋白合成率,因此,Nrf 2通过激活调节丝氨酸/甘氨酸生物合成途径基因的表达,包括phgdh、psat1、psph、shmt1和shmt2的表达,ATF4既是Nrf 2的下游基因,也是Nrf2的结合位点(DeNicola et al., 2015; He et al., 2001)(图 5)。另外,Nrf 2还通过促进cap依赖型和非依懒型mRNA信使翻译和调节氧化还原代谢机制调控细胞增殖(Chio 等,2016)。
 
图1 转录因子Nrf 2的蛋白结构域及其阴性调节器Keap 1

NRF 2是由7个NRF 2-ECH同族结构域(Neh)组成,突出显示了负责NRF2负调节的氨基酸基序是KEAP1(Neh2中的DLG和ETGE)和β-TrCP(eh6中的DSGIS和DSAPGS)。促进β-TrCP的识别是通过GSK3b磷酸化DSGIS基序中的丝氨酸(S)残基。Neh3,4和5反向激活很重要。Neh1是CNC-bZIP结构域,与小MAF蛋白相互作用。多泛素化(Ub)赖氨酸(K)残基有助于26S蛋白酶体对NRF2的降解。KEAP1由氨基末端区域(NTR),复合物, bric-a`-brac(BTB)结构域,中间区域(IVR)和六个Kelch结构域组成,与C末端区域结合 (CTR),形成与NRF2,p62和其他含有E / STGE区域的蛋白质相互作用。BTB结构域对KEAP1二聚化和与含有CUL3,含有半胱氨酸残基(C151),可检测活性氧(ROS)和亲电试剂的相互作用很重要。其他KEAP1结构域的半胱氨酸残基与其他刺激物的相关性(未显示)。

调节增殖的致癌蛋白增加NRF 2的转录,例如KRAS G12D,BRAF V619E和MYC(DeNicola等,2011;Tao等,2014)。NRF 2基因在其启动子中含有12-O-十四烷基佛波醇-13-乙酸酯(TPA)反应元件(TRE)(Tao等,2014),这是一个重要的AP-1转录因子,多种致癌信号的细胞增殖调节剂的结合位点(Shaulian和Karin,2002)。KRAS驱动的癌症,严重依赖于NRF2来维持促有丝分裂信号传导,例如胰腺癌和肺癌(DeNicola等,2011; Krallet等,2017)。例如,在减少状态下,NRF 2依赖性氧化还原调节金属蛋白酶ADAM10维持所必需的水平,以使其脱落表皮生长因子(EGF)并维持胰腺类器官的自分泌生长信号传导(Chio等,2016)。NRF 2也可能独立于生长因子信号传导而促进增殖,因为EGF受体(EGFR)酪氨酸激酶抑制剂(EGFR-TKI)不能抑制具有组成型NRF2活化的肺癌细胞的增殖(Yamadori等,2012)。磷脂酰肌醇3-激酶(PI3K)-AKT途径是通常也可以通过组成型方法在癌症中解除管制激活受体酪氨酸激酶或通过其失活抑制因子PTEN(Porta等,2014)。AKT通过NR-2中的Neh6 降解决定因子磷酸化和被b-TrCP识别抑制GSK3(图1)(Rada等,2011,2012)。 因此,在突变(无活性)的细胞中,PTEN,PI3K-AKT和NRF2信号传导增加,导致更高的增殖速率和增加致癌作用(Rojo等,2014)。

在人胚胎干细胞(hESCs)诱导多能干细胞(iPSCs)和癌症干细胞(CSCs)中观察到高NRF 2表达(Jang等,2014;Wu等,2015;Zhu等,2014)。NRF 2调控与干细胞相关的几种蛋白质的表达,如ALDH酶,NOTCH1和SIRT1(Alnouti和Klaassen,2008; Yoon等,2016;Wakabayashi等人,2014)。有趣的是,NOTCH的激活进一步激活了NRF 2,突出了两种途径之间的正相关性(Wakabayashi等,2014)。NRF 2的下调损害干细胞自我更新和诱导分化,并与降低OCT4,NANOG,SOX2,BMI-1,BCL-2和TERT的表达相关(Jia等,2015;Zhu等,2013,2014;Jang等,2014)。CSCs对常规抗癌治疗无效,主要是由于它们的增殖指数低,抗氧化能力高,药物外排转运蛋白和抗凋亡蛋白高表达(Shibue和Weinberg,2017;Ishimoto等,2011;Jia等,2015;Diehn等,2009)。因此,提出了NRF 2抑制剂作为诱导CSC分化以增加癌症治疗功效的策略(Wu等,2015;Jia等,2015; Zhu等,2014;Ryoo等,2015)。

对抗生长信号不敏感

    视网膜母细胞瘤蛋白(RB)通过抑制E2F1转录因子负调节细胞周期,所以它经常在许多肿瘤中下调,RB的丧失与ROS产生增加以及对化疗药物如顺铂和依托泊苷的敏感性增加有关(Macleod,2008)。有趣的是,在Rb-I-在细胞系和前列腺癌小鼠模型中,RB通过SV40大量抗原的表达而失活,与野生型细胞或正常前列腺组织相比,它们的NRF2的RNA和蛋白质水平大大降低(Frohlich等,2008),因此,NRF2水平较低可以解释为ROS产生增加,对化学疗法的敏感性增加,以及RB损失后观察到的线粒体生物发生减少导致的(Sankaran等,2008)。同样,感染人乳头瘤病毒的细胞(HPV),其表达病毒癌蛋白E7,可以导致RB失活,也具有促进ROS产生,尽管尚未确定这是否是NRF2表达降低的结果(Williams等,2014;De Marco等,2012)。然而,由于E2F1不直接调节Nrf2 / Nfe212 mRNA表达,解释了Rb-I-中缺失NRF2的低mRNA表达(Frohlich等,2008)。相比之下,其他报告表明,慢性丙型肝炎病毒(HCV)感染也会导致RB降解,但会激活NRF 2,这表明NRF 2激活可以帮助细胞对抗HCV的感染。此外,NRF 2诱导细胞周期蛋白依赖性激酶抑制剂(CDKi)p15(Cdkn2a)和p21(Cdkn1a)的表达,其在中度氧化应激条件下诱导细胞周期停滞,恢复氧化还原稳态以防止更大的损伤。同样,在部分肝切除的小鼠模型中,组成型活性NRF 2转基因在肝细胞中的表达是通过上调p15抑制肝再生(Kohler等,2014),但是仍然需要确定NRF2依赖性细胞周期抑制是否与癌变相关。
 
图2. NRF2信号通路

NRF2由三种E3泛素连接酶复合物负调节:KEAP1-CUL3-RBX1复合物,b-TrCP-SKP1-CUL1-RBX1复合物和HRD1。当暴露于ROS,亲电子或自噬调节后NRF2蛋白水平增加时,NRF2易位至细胞核,与MAF二聚化蛋白质和它们一起结合抗氧化反应元件(ARE)以激活其靶基因的转录。 指出了由NRF2靶基因调节的一般过程的实例。 ER,内质网; PPP,戊糖磷酸途径。
受体酪氨酸激酶(RTK)抑制剂和丝裂原活化蛋白激酶(MAPK)抑制剂是分子靶向治疗剂,用于治疗在这些途径中具有特定致癌突变或蛋白质扩增的肿瘤。通过抑制促有丝分裂信号传导,这些抑制剂产生短暂反应,其不可避免地伴随着抗性。最近,在几种敲除CRISPR-Cas9肺癌细胞模型中,筛选鉴定对多种抑制剂的抗性介质,揭示敲除KEAP1(KEAP1 KO)始终如一地且强持续地对所有细胞系的抑制剂的抗性(Krall等,J.Med.Chem.,2017)。由于KEAP1 KO细胞中NRF2的缺失恢复了对抑制剂的敏感性,所以,在RTK / MAPK抑制后,KEAP1 KO细胞依赖于NRF2信号传导来维持氧化还原稳态和存活,(Krall等,2017)。同样,野生型和过表达型也是如此,不可降解的突变体NRF2赋予对抑制剂的抗性(Krall等,2017)。重要的是,KEAP1 KO细胞不会重新激活MAPK信号或降低凋亡蛋白BIM的表达,这表明这些细胞的存活和增殖是由于NRF2表达增加。

抗细胞凋亡

化学预防化合物对NRF2的激活减少了细胞凋亡,而NRF2的遗传或药理学抑制增加了对氧化损伤的凋亡细胞的数量(Li等,2002;Niso-Santano等,2010;Arlt等,2009)。癌细胞激活NRF 2信号传导以响应放射疗法和一些产生ROS的化学治疗剂(Wang等,2006),使它们对细胞凋亡具有内在抗性。此外,癌细胞可通过各种机制激活组成型NRF 2获得抗性,包括NRF2 ,KEAP1或CUL3的体细胞突变;KEAP1,CUL3和RBX1的表观遗传沉默;NRF 2的扩增;KEAP1,CUL3或RBX1的缺失;NRF2的致癌诱导;KEAP1的亲电加成;通过KEAP1通过与其他蛋白质的竞争性相互作用破坏NRF2泛素化(Jaramillo和Zhang,2013;Kansanen等,2013)。NRF2通过诱导BCL-2和BCL-xL的表达直接抑制细胞凋亡,减少线粒体中细胞色素c的释放,并且在用细胞毒性剂(如顺铂或依托泊苷)处理后减少caspase-3/7活化(Niture和Jaiswal,2012,2013;Tung等,2015)。因此,NRF2活化可以解释在BCL-2和BCL-xL / BCL2L1基因中不存在易位,扩增或其他已知的表观遗传变化时发生的高BCL-2水平情况(Ruefli-Brasse和Reed,2017)。同源域相互作用蛋白激酶2(HIPK2)基因是一种新的NRF2靶基因,被鉴定具有抗细胞凋亡功能并有助于DNA损伤修复(Torrente等,2017)。有趣的是,HIPK2也被认为是通过未知机制的NRF2途径的正调节因子,因为HIPK2敲除降低了NRF2下游基因的基础水平和诱导表达(Torrente等,2017)。HIPK2也具有依赖性作用,因为据报道它在正常细胞中通过磷酸化p53促进细胞凋亡,还通过促进NOTCH1来增加癌细胞降解(Ann等,2016),以及降低活力和迁移(D'Orazi等,2002;Hofmann等,2002)。毫无疑问,需要进一步的研究来阐明这一点以及HIPK2-NRF2的抗癌作用机制。
 
框1.E3泛素连接酶对NRF2蛋白质水平的调节
NRF2的KEAP1依赖性调节

如图1和2所示,Kelch ECH相关蛋白1(KEAP1)是含有cullin 3(CUL3)的E3遍在蛋白连接酶的底物衔接蛋白。 KEAP1作为二聚体结合NRF2,通过其C末端Kelch结构域与位于NRF2的Neh2结构域中的DLG和ETGE基序相互作用(Itoh等,1999; Tong等,2006; cMahon等,2006)。在它们的N末端,KEAP1二聚体与CUL3相互作用,CUL3用作E3连接酶RBX1的支架(Zhang等,2004; Kobayashi等,2004)。通过AAA + ATP酶p97(或含有valosin的蛋白质,VCP)从E3复合物中提取泛素化的NRF2,然后将其递送至26S蛋白酶体进行降解(Tao等,2017a)。在非通路途径中,亲电子和活性氧(ROS)与KEAP1中的传感器半胱氨酸,特别是半胱氨酸151(C151)发生反应,影响构象和干扰NRF2泛素化(Baird等,2013; Zhang和Hannink,2003; McMahon等,2010)。结果,新合成的NRF2在胞质溶胶中积累,随后转移到细胞核中。 一旦恢复体内平衡,KEAP1将NRF2带回细胞质中以关闭其信号传导(Sun等,2007,2011)。
NRF2调节的另一种模式是KEAP1依赖但是半胱氨酸非依赖性的非经典途径涉及自噬相关蛋白p62(或sequestosome 1 [SQSTM1])(Komatsu等,2010; Lau等,2010)。p62是一种支架蛋白,它将物质带入自噬体,并且本身就是自噬降解的底物(Jiang等,2015; Komatsu和Ichimura,2010),p62含有STGE基序,其在丝氨酸(S)残基磷酸化后模拟高亲和力ETGE基序,因此与NRF2竞争结合KEAP1(Ichimura等,2013)。因此,p62将KEAP1隔离到自噬体中并使NRF2免于KEAP1介导的降解(图2)。 通常,当自噬通量被阻断时,p62蛋白水平增加,这导致p62-KEAP1聚集体的病理积累和NRF2的延长活化(Komatsu等,2010; Lau等,2013)。

NRF2的β-TrCP依赖性调节

在NRF2的Neh6结构域中发现对氧化还原不敏感的区域,用于鉴定出NRF2降解的新的E3泛素连接酶复合物(McMahonetal.,2004)。如图1所示,Neh6含有两个基序,DSGIS和DSAPGS,它们通过F盒WD40底物受体β-TrCP彼此独立识别(Chowdhry等,2013; Rada等,2011)。有趣的是,GSK3b对DSGIS基序的磷酸化大大增加了β-TrCP对NRF2的亲和力(Rada等,2011; Salazar等,2006)。 通过其F盒基序,β-TrCP与SKP1-CUL1-RBX1 E3泛素连接酶复合物结合,并以独立于KEAP1的方式泛素化NRF2(Chowdhryetal,2013; Rada等,2011)(图2)。 即使在存在KEAP1失活的氧化应激情况下,GSK3b的激活也与NRF2的病理性抑制有关(Rojo等,2008; Gameiro等,2017)。

NRF2的HRD1依赖性调节

蛋白质滑膜增生因子(SYVN1,以下称HRD1)是ER膜相关的E3泛素连接酶,最近在肝硬化期间被鉴定为NRF2的负调节因子(Wu等,2014b)。肝硬化的特征是ROS产生增加和ER应激,然后激活未折叠蛋白反应(UPR)(Meakin等,2014)。UPR的一侧通过需要肌醇的蛋白质1α(IRE1α)发出信号,IRE1a是一种内切核糖核酸酶,其切割XBP1u的mRNA以产生剪接和转录活性的XBP1(Wang和Kaufman,2014)。XBP1诱导参与ER相关降解(ERAD)的基因的表达,例如HRD1。 我们小组发现HRD1与NRF2的Neh4-5结构域相互作用并在ER应激下介导其降解(图1和2)(Wu等,2014b)。

 
图3.NRF2在癌症中的双重作用

NRF2在癌症发生过程中的调节作用决定了其功能性成果,影响治疗干预效果。通过经典机制控制正常细胞中NRF2的活化可防止癌症发生,并且适用于癌症化学预防策略。 NRF2的延长(非规范)或组成型(失去调节机制)活化参与促癌、进展和转移,可以通过抑制NRF2来拮抗该不良功能。
 
ROS通过ASK的氧化和p38MAPK和JNK的激活来启动凋亡级联反应(Finkel,2011)。死亡受体介导的细胞凋亡也取决于ROS的产生;因此,NRF 2缺失使细胞对FAS诱导的细胞凋亡敏感,并且可以通过添加GSH或其前体N-乙酰半胱氨酸来部分地细胞凋亡(Kotlo等,2003; Morito等,2003)。高水平的ROS也会导致p53的积聚和凋亡(Faraonio等,2006;Chen等,2012)。有趣的是,p53对NRF 2通路的影响是双向的:低水平的p53通过p21上调诱导NRF2通路,但更高的p53水平抑制NRF 2(Chen等,2012;Faraonio等,2006)。p21通过与其DLG基序结合并抑制KEAP1介导的NRF2降解以促进存活和抗氧化反应,以非规范方式激活NRF 2(Chen等,2009)。值得注意的是,NRF2间接激活NOTCH1的下游基因p21的表达,表明NRF2和p21之间存在正反馈调节机制的可能性(Wakabayashi等,2010)。相反,当ROS水平过高时,p53抑制NRF 2信号传导以有效促进细胞凋亡。最近的一项研究发现,野生型p53通过与其启动子结合而下调NRF2,但突变型p53不会影响NRF2水平(Tung等,2015),提示癌症的差异调节。最近,已经描述了涉及铁依赖性脂质过氧化的称为细胞凋亡的新形式的细胞死亡(Stockwell等,2017)。癌细胞中的组成型NRF 2活化可通过控制金属硫蛋白1G(MT-1G),铁蛋白(FTL1,FTH1)和铁蛋白的表达来防止游离铁的积累(Sun等,2016)。此外,NRF 2靶基因AKR1C1和GPX4(Osburn等,2006;Wu等,2011),以及涉及谷胱甘肽(xCT,GCLC,GCLM)和NADPH合成(ME1,IDH1)(图5),参与脂质过氧化物的减少(Stockwell等,2017;Fan等,2017;Kerins和Ooi,2017)。这是NRF2研究中的一个新兴领域,它将揭示氧化还原稳态与铁信号传导的相互作用,并为触发非凋亡性细胞死亡提供新的治疗可能性。

无限的复制潜力

    衰老的这个特征通常与端粒酶再激活和避免复制诱导或致癌基因诱导相关(Hanahan和Weinberg,2011)。虽然衰老是一种有助于按时间顺序老化及其相关的病理学的肿瘤抑制机制。NRF 2通过几种机制保护正常培养细胞免受复制诱导的衰老,这些机制可延长寿命并减少ROS,核变化,DNA损伤和衰老相关的β-半乳糖苷酶(SA-β-gal)的表达(Kapeta等,2010;Jodar等,2011;Wang等,2017)。晚期传代或衰老培养的成纤维细胞和间充质干细胞具有比其早期传代的增殖对应物更低的NRF2表达(Kapeta等,2010;Yoon等,2016)。类似地,NRF2对抗抑制成纤维细胞增殖作用,减少寿命并诱导过早衰老(Kapeta等,2010;Jodar等,2011)。另一方面,NRF 2的慢性药理学活化增加了寿命并延迟了培养的成纤维细胞的衰老(Kapetaet等,2010)。这种效应可能是由于p53的主要负调节因子NOTCH1和MDM2(You等,2011)的NRF2依赖性转录,后者反过来协调衰老。与衰老细胞保持活力和代谢活性的概念一致,终末衰老细胞对药理学NRF2活化保持响应,尽管这似乎不能恢复它们的增殖性阻滞(Kapeta等,2010)。
 
 
 
图4.癌症标志中的NRF2

NRF2具有直接和间接的作用,促进(绿色虚线)或阻断(红色虚线)癌症标志的出现。

NRF2防止衰老的机制之一涉及ROS的减少,许多研究报道,氧化应激导致DNA损伤,缩短端粒并促进衰老,尽管详细机制尚不清楚(Kepinska等,2015;Brandl等,2011)。NRF 2通过减少氧化性DNA损伤间接保护端粒,因为DNA修复在蛋白质覆盖的端粒上非常低效(Xu等,2013)。复制诱导的衰老的特征还在于蛋白酶体活性降低和蛋白酶体亚基基因的表达降低,伴随着氧化和泛素化蛋白的积累(Chondrogianni等,2003)。药理学NRF 2活化增加了几种蛋白酶体亚基的表达,从而增加了蛋白酶活性,从而增加了人成纤维细胞培养物的生存周期(Kapeta等,2010)。同样,蛋白酶体亚基基因的表达减少了氧化应激并延迟了原代人成纤维细胞的衰老(Chondrogianni等,2005)。
除了NRF2的低mRNA或蛋白质表达之外,由于NRF2的隔离和错误定位以及随后对其转录活性的抑制,衰老细胞也可具有异常的NRF 2信号传导。Caveolin-1是一种富含质膜内陷的完整膜蛋白,在基础条件下直接与NRF 2结合,延迟其在氧化应激下的核转位,导致p53-p21诱导的衰老(Volonte等,2013;Li等,2012)。然而,这种机制尚未在相关的病理生理学模型中得到证实。在早衰Hutchinson-Gilford综合征(HGPS)中,LMNA突变导致短的核纤层蛋白A蛋白称为progerin,导致许多核和氧化还原改变更显着地影响间充质干细胞群(Strandgren等,2017)。Progerin与NRF2结合并导致亚核错误定位,从而削弱其转录活性(Kubben等,2016)。有趣的是,即使在不存在progerin的情况下,增加的氧化应激或NRF2敲除也重现了一些HGPS相关的作用(Kubben等,2016)。相反,HGPS成纤维细胞中的药理学NRF 2活化减少了ROS,刺激了progerin的蛋白酶体和自噬清除,改善了早衰相关的核缺陷,并诱导了增殖(Kubben等,2016;Gabriel等,2015)。然而,尽管NRF 2活性似乎有利于预防衰老相关的衰老,但在癌症衰老的背景下,它具有双重作用。如上所述,衰老可以是肿瘤抑制性并且可以预防癌症进展。此外,衰老的肿瘤细胞可被免疫系统清除,导致肿瘤消退(Collado和Serrano,2010)。然而,衰老细胞保持代谢活性,并通过其衰老相关的分泌表型释放促炎细胞因子和可刺激肿瘤进展的组织重塑因子(Collado和Serrano,2010)。需要更多的研究来完全理解NRF2在癌细胞衰老中的作用,以评估NRF2抑制是否可以诱导肿瘤抑制衰老。

 
 
图5. NRF2靶基因调控的代谢途径

NRF2阳性(绿色)或阴性(红色)调节参与许多相互关联的代谢途径的酶的表达。酶缩写:ACC1,乙酰辅酶A羧化酶1; ACL,ATP-柠檬酸裂解酶; CPT,肉毒碱棕榈酰转移酶1和2; ELOVL,脂肪酸延长酶; FADS,脂肪酸去饱和酶; FASN,脂肪酸合成酶; G6PD,葡萄糖-6-磷酸脱氢酶,GCLC,谷氨酸 - 半胱氨酸连接酶,催化亚基; GCLM,谷氨酸 - 半胱氨酸连接酶,修饰亚基; GLS,谷氨酰胺酶; GS,谷胱甘肽合成酶; IDH1,异柠檬酸脱氢酶1; ME1,苹果酸酶1; MTFHD2,亚甲基四氢叶酸脱氢酶2; PGD​​,6-磷酸葡萄糖酸脱氢酶; PHGDH,磷酸甘油酸脱氢酶; PPAT,磷酸核糖焦磷酸酰氨基转移酶; PSAT1,磷酸丝氨酸氨基转移酶; PSPH,磷酸丝氨酸磷酸酶; SCD1,硬脂酰辅酶A去饱和酶; SHMT,丝氨酸羟甲基转移酶1和2; TALDO,转醛酶; TKT,transketolase; TXN,硫氧还蛋白; UCP3,解偶联蛋白3; xCT,谷氨酸/胱氨酸逆向转运蛋白。代谢物缩写。 糖酵解:G6P,葡萄糖-6-磷酸; F6P,果糖-6-磷酸; F1,6BP,果糖-1,6-二磷酸酯; GA3P,甘油醛-3-磷酸; 3PG,3-磷酸甘油酸; PEP,磷酸烯醇丙酮酸。 PPP:6PGL,6-磷酸葡糖酸-d-内酯; 6PG,6-磷酸葡萄糖酸盐。 嘌呤合成:PRPP,5-磷酸-D-核糖基-1-焦磷酸; IMP,肌苷一磷酸。 Ser / Gly合成:3PHP,3-磷酸羟基丙酮酸; 3PSer,3-磷酸丝氨酸; THF,四氢叶酸; MTHF,亚甲基四氢叶酸; 5,10-FTHF,5,10-甲基 - 四氢叶酸。 b-氧化:酰基辅酶A,酰基辅酶A; Ac-CoA,乙酰辅酶A;脂肪酸合成:FA,脂肪酸。 谷胱甘肽合成:谷胱甘肽,谷胱甘肽。

持续的血管生成

实体瘤的生长受到氧和营养素的限制,肿瘤的缺氧微环境下激活转录因子HIF-1α,启动信号级联,激活生长因子(如VEGF和血管生成素),细胞因子和细胞外基质(ECM)的转录以产生血管(Muz等,2015年)。在异种移植模型中,NRF 2敲除减少血管形成,随后肿瘤生长减少(Kim等,2011;Ji等,2013;Li等,2016)。分子水平上,NRF2敲低降低HIF-1α蛋白水平,并因此降低VEGF,PDGF,血管生成素和血管生成素的表达(Ji等,2013),这可能是由于NRF 2依赖性调节含有脯氨酰羟化酶结构域的蛋白质(PHD),这种酶可以检测HIF-1α中的氧张力和羟基化脯氨酸残基并将其靶向蛋白酶体降解。PHD功能受ROS和铁水平的影响,因此,NRF 2可能是间接调节剂(Toth和Warfel,2017)。此外,NRF 2靶基因NQO1可编码与HIF-1α直接相互作用并防止降解(Oh等,2016)。另一方面,HIF-1α信号传导也调节NRF 2,因为已显示VEGF通过ERK1 / 2激活激活NRF2(Li等,2016)。 此外,NRF2和HIF-1α都具有重叠的转录靶点,例如HMOX1,NQO1,G6PD,PGK,TALDO,SLC7A11,PDGFC和FGF2(Toth和Warfel,2017;Kozakowska等,2016)。最近显示缺氧诱导PIM1和PIM2,其在低氧和常氧下均正调节缺氧条件下的HIF-1α蛋白水平和NRF 2的细胞定位(Warfel等,2016)。 这进一步说明了这两种途径在缺氧条件下适应性代谢重编程调节中的复杂交叉作用。

组织侵袭和转移

    这些复杂的相互关联过程需要癌细胞与其邻近细胞失去联系,经历上皮-间质转化(EMT)并迁移,克服失调凋亡,在新位置上恢复其上皮表型(间充质-上皮细胞转变)和“种子”。转移细胞可以保持休眠或恢复增殖以产生继发性肿瘤。在EMT期间,上皮细胞失去粘附蛋白E-钙粘蛋白的表达,有利于N-钙粘蛋白。在癌细胞系中,NRF 2通过未知机制下调E-钙粘蛋白表达来促进EMT(Arfmann-Knubel等,2015;Shen等,2014)。相反,NRF 2沉默降低了N-钙粘蛋白的表达,这一过程可能是由NRF 2靶基因NOTCH1(EMT的关键调节因子)的下调介导的(Wakabayashi等,2010;Zhao等,2017a)。有趣的是,NRF 2抑制非转化细胞系中的EMT(Zhou等,2016;Zhang等,2015b;Kanlaya等,2016)。NRF 2的表达对于正常细胞和恶性细胞的迁移是重要的,因为NRF2的敲除极大地损害了多种细胞系的迁移和侵袭(Long等,2016;Zhang等,2012)。NRF 2激活与RhoA / ROCK途径的激活相关,其促进迁移和转移(Zhang等,2016)。为了清除迁移途径,细胞分泌细胞外基质重塑酶,如MMP2和MMP9,它们也可以释放ECM中的生长因子和细胞因子(Bauvois,2012)。 NRF 2下调与MMP2和MMP9的表达或明胶酶活性降低相关,但NRF 2调节这些酶的机制尚不确定(Long等,2016;Zhao等,2017a;Pan等,2013)。此外,迁移和循环转移细胞必须克服失调凋亡,细胞死亡过程在细胞长时间与ECM失去接触时开始(Liotta和Kohn,2004;Shibata等,2010;Wu等,2015年)。具有组成型高水平NRF 2的癌细胞可以以不依赖锚定的方式生长,因此具有更高的转移能力(Shibata等,2010)。这种不依赖特定的生长可能受到NRF 2依赖性骨桥蛋白(也称为SPP1)的诱导调节,骨桥蛋白是一种在转移中具有重要作用的蛋白质(Wagner等,2017)。细胞脱离产生ROS(Yang等,2013)并激活自噬(Fung等,2008),其可诱导NRF2依赖性基因表达。在细胞中,通过整合素与毒性代谢物甲基乙二醛(MG)的内收而失去ECM附着,NRF2活化诱导乙二醛酶1(GLO1)的表达,其代谢MG并防止失调凋亡(Xue等,2012;Dobler等,2006)。

其他研究表明NRF2具有抗转移特性。在这种情况下,NRF2在转移性微环境中而非癌细胞中的表达决定了表型。在转移的异种移植模型中,全身和骨髓特异性NRF2缺失增加了由于持续炎症和免疫细胞中氧化还原改变引起的肺转移易感性(Satoh等,2010;Hiramoto等,2014),见“关于避免免疫破坏和肿瘤促进炎症的部分”。相反,在KEAP1敲除小鼠(Keap1-kd或Keap1-I-)中,KEAP1表达降低,或用NRF2诱导剂bardoxolone(CDDO)治疗的野生型小鼠,高NRF2表达减少肺转移的数量(Tebay等,2015;Hayes和Dinkova-Kostova,2014;Lee等,2017)。

代谢重编程

    分裂的癌细胞具有增加葡萄糖摄取速率并通过有氧糖酵解代谢它,这种现象称为Warburg效应。这种代谢转换对于为细胞提供合成代谢前体,还原当量和生长和增殖所必需的核苷酸是必不可少的。如图5所示,NRF 2最近被认为是介导癌细胞中代谢重编程的关键转录因子(Tebay等,2015;Hayes和Dinkova-Kostova,2014;Lee等,2017)。NRF 2的激活通过控制诸如葡萄糖-6-磷酸脱氢酶(G6PD),6-磷酸葡糖酸脱氢酶(PGD),转酮醇酶(TKT),转醛酶(TALDO1)等酶的基础表达来增加葡萄糖摄取并将其引导至戊糖磷酸途径(PPP)(Thimmulappa等,2002;MacLeod等,2009;Malhotra等,2010; Mitsuishi等,2012;DeNicola等,2015;Heiss等,2013)。NRF 2还控制合成NADPH酶的表达,例如苹果酸酶(ME1)和异柠檬酸脱氢酶(IDH1)(图5)(Thimmulappa等,2002;MacLeod等,2009;Malhotra等,2010;Mitsuishi等,2012;DeNicola等,2015)。NADPH 通过NRF 2减少谷胱甘肽和氧化还原循环酶,谷胱甘肽还原酶(GR)和硫氧还蛋白还原酶1(TRXR1)所必需的还原当量,并且还作为NQO1的辅因子,显示抗氧化剂和代谢功能之间明显的相互依赖性。然而,NRF 2对PPP基因的调节是复杂的。一项研究提出,虽然TALDO1是直接NRF2靶基因,但G6PD,PGD和TKT通过未知机制的miR-1和miR-206下调进行间接调节,共同抑制微小RNA的表达(Singh等,2013a)。有趣的是,PI3K-AKT信号传导与NRF2协调作用在活跃增殖的细胞中完全诱导代谢基因(Sakamoto等,2009;Mitsuishi等,2012),类似地,PTEN缺失增强了NRF 2信号传导(Mitsuishi等,2012)。同样,阻断损害PPP并降低抗氧化剂NRF 2靶基因的表达(Heiss等,2013),可能是由于PI3K-AKT活化减少(Boucher等,2014;Mitsuishi等,2012)。NRF 2也可能直接诱导磷酸核糖焦磷酸酰胺转移酶(PPAT)和乙烯四氢叶酸脱氢酶2(MTHFD2)的表达,这是从头合成嘌呤所需的酶(图5)(Thimmulappa等,2002;MacLeod等,2009;Malhotra等, 2010;Mitsuishi 等,2012;DeNicola 等,2015)。

NRF2部分控制氨基酸的代谢。NRF2靶基因谷氨酰胺酶(GLS)促进谷氨酰胺向谷氨酸的降解,并为癌细胞提供氮,用于合成核苷酸和非必需氨基酸(图5)(Hayes和Dinkova-Kostova,2014;Mitsuishi等,2012)。此外,NRF 2靶基因ME1的表达增加驱动谷氨酸转化为α-酮戊二酸,或NRF2靶基因驱动谷氨酸-半胱氨酸连接酶(GCLC / GCLM)和谷胱甘肽合成酶(GS)的表达,用于增加谷胱甘肽合成,(图5)(Finkel,2011;Altman等,2016)。有趣的是,最近的一项研究提供了概念证据,证明KRAS驱动的肺癌包含KEAP1或NRF2突变严重依赖谷氨酰胺酶,并且对谷氨酰胺酶抑制剂CB-839敏感(Romero等,2017),这表明靶标明确的NRF 2下游代谢异常也可能是癌症的可行治疗策略。NRF 2还控制丝氨酸和甘氨酸代谢基因的表达,如关于持续增殖信号的部分(图5)中所述(DeNicola等,2015)。

并非所有合成代谢途径都被NRF2上调,例如,NRF 2负面调节脂肪酸合成(Tanaka等,2008; Kitteringham等,2010)。脂质改变在癌症中是常见的,引起从代谢和信号传导改变到影响迁移,血管生成,与基质细胞的通信甚至组织结构的环境变化的影响(Baenke等,2013)。NRF 2下调ATP-柠檬酸裂解酶(ACL),乙酰辅酶A羧化酶1(ACC1),脂肪酸合成酶(FASN),硬脂酰辅酶A去饱和酶(SCD1),脂肪酸去饱和酶(FADS1和2)和脂肪酸延长酶(ELOVL2, ELOVL6)(图5)(Yates等,2009; Wu等,2011; Kittering hamet等,2010)。由于NRF 2间接阻止肝X受体α(LXR-α)依赖性脂肪生成基因表达,从而使这些基因下调(Kay等,2011; Popineau等,2016)。另一种机制可能涉及NRF 2依赖性转录上调芳烃受体(AHR),这是一种配体激活的转录因子,可控制异生代谢基因的表达,也可正调节增殖,负调节脂肪细胞分化,抑制甘油三酯合成(Shin 等,2007)。反过来,AHR也正向调节NRF 2的转录,突出了控制细胞生物能量学和异生物质代谢这两种途径的干扰(Miao等,2005)。

另一方面,NRF 2组成型激活刺激线粒体脂肪酸氧化(FAO)(Ludtmann等,2014)。当癌细胞被剥夺葡萄糖或糖酵解被抑制时(例如,来自ECM的细胞脱附),它们在很大程度上依赖于FAO的ATP,NADPH和FADH 2产生(Carracedo等,2013)。NRF 2调控FAO的机制仍在研究,但研究表明,通过肉毒碱棕榈酰转移酶(CPT)基因和脂肪酸转移酶CD36的转录激活可以对其进行调控(图5)(Meakin等,2014;Maruyama等,2008)。核受体类视黄醇X受体α(RXRa)及其异二聚体伴侣过氧化物酶体增殖物激活受体γ(PPARg)调节FAO;两者都被描述为NRF2的靶基因(Pi等,2010;Reddy和Standiford,2010;Chorley等,2012)。尽管NRF 2诱导癌症的转变是在脂肪细胞分化和肥胖的背景下进行的研究,但对RXR-PPARG信号传导中的作用仍可能是代谢的一部分(Pi等,2010; Shin等,2009)。

最近已经认识到NRF 2在线粒体生理学和生物基因中的重要性(Dinkova-Kostova和Abramov,2015)。一项研究发现,在敲除NRF 2的癌细胞中,耗氧量和ATP产量下降,表明NRF 2在线粒体呼吸中的作用(Kim等,2011)。相反,具有组成型NRF2活化的细胞具有较高的基线线粒体膜电位(DJ m),较高的基础ATP水平和较高的氧消耗率,表明NRF 2活化增加氧化磷酸化(Holmstrom等,2013)。NRF 2不仅通过提供底物(复合物I的NADH,复合物II的FADH 2)调节线粒体呼吸,还通过调节各种复合物IV细胞色素c氧化酶亚基的表达(诱导NDUFA4,抑制环加氧酶[COX] 2和COX4I1)来调节线粒体呼吸( Agyeman等,2012; Holmstrom等,2013)。其他研究已经描述了NRF 2可以正面(Piantadosi等,2011; Hota等,2012; Athale等,2012)或消极(Zhang等,2013; Uruno等,2013)调节转录。核呼吸因子1,其调节五种呼吸复合物和PGC-1a的蛋白质的表达。高氧化磷酸化增加线粒体电子泄漏,从而增加ROS水平。然而,在氧化应激下,NRF 2上调解偶联蛋白3(UCP3)以减少超氧化物形成(图5)(Anedda等,2013)。此外,NRF 2还参与线粒体生物合成,这是一个非常复杂的过程,已在其他地方进行了评论(Dinkova-Kostova和Abramov,2015; Itoh等,2015),通过PPARg和PPARg共同激活因子1β(PGC-1b)的转录激活 )(Chorley等,2012), 这个领域仍然是NRF 2发展领域,特别是在癌症方面,未来几年肯定会扩大研究。

大量降解途径的自噬也促进癌细胞中的合成代谢(Kimmelman和White,2017)。癌细胞中的自噬基础水平高于非转化细胞,并且可以通过缺氧和营养缺乏进一步增强(Kimmelman和White,2017)。p62的累积和磷酸化是癌症中的常见现象,其通过非经典途径激活NRF 2信号传导并促进肿瘤生长(Inami等,2011;Ichimura等,2013;Ni等,2014)。 因此,磷酸化的p62通过引起NRF 2依赖性代谢重编程来刺激肿瘤生长(Saito等,2016)。

避免免疫破坏

    免疫监测涉及先天性和适应性免疫应答,在癌症发生的争论中起着重要作用(Gajewski等,2013)。功能性免疫系统通过抑制肿瘤病毒感染,消除导致持续炎症,有助于消除致癌作用和转化细胞的病原体来预防癌症发生(Swann和Smyth,2007)。NRF 2被炎症介质激活,例如15-脱氧-D12,14-前列腺素J 2(15d-PGJ 2)(Itoh等,2004),一氧化氮(NO)(McMahon等,2010;Um等,2011)和硝基脂肪酸(Kansanen等,2011)。许多研究表明,NRF 2的激活不仅通过减少ROS而且还通过降低促炎细胞因子的表达来减少炎症,例如肿瘤坏死因子,白细胞介素(IL)-6和IL-1b(Iizuka等,2005; Long等,2015;Hoetzenecker等,2012;Kobayashi等,2016;Thimmulappa等,2006)。有趣的是,NRF 2通过ARE依赖诱导激活转录因子3(ATF3,IL6转录的负调节因子)和直接结合IL6启动子ARE并阻止RNA聚合酶II的聚集来阻止IL-6表达(Kobayashi等,2016;Hoetzenecker等,2012)。 一直以来,许多研究表明Nrf2-I- 小鼠具有持续性炎症(Itohet等,2004;Johnson等,2010;Kong等,2010)。

抗癌免疫应答通常由CD8 +细胞毒性T淋巴细胞(CTL),CD4 + T h 1辅助细胞和自然杀伤(NK)细胞介导(Vinay等,2015)。NRF 2通过控制GSH产生和ROS水平来促进CD8 + T细胞功能(Moritoetal等,2003;Shaetal等,2015)。早期激活的T细胞不能合成GSH,因此它们依赖于抗原呈递细胞,例如巨噬细胞来提供它。Nrf2-I-骨髓来源的巨噬细胞(BMDMF)具有降低的半胱氨酸和GSH水平,这是xCT和GCLM表达降低的结果,并且不能完全激活CD8 + T细胞(Sha等,2015)。此外,在Keap1-kd小鼠中,由于NRF 2依赖性抗癌免疫导致化学诱导的肿瘤发生减少(Satoh等,2016)。通过NK细胞聚集将另一种抗癌免疫应答作用于表达IL-17D的肿瘤(O'Sullivan等,2014;Saddawi-Konefka等,2014)。最近的一项研究确定Il17d的启动子含有ARE并且受NRF 2的正调节,并且NRF2的药理学活化因此可以通过NK细胞聚集促进肿瘤排斥(Saddawi-Konefka等,2016)。总之,这些研究表明,宿主中的NRF 2表达通过维持功能性免疫系统来限制肿瘤生长,而癌细胞中的NRF 2促进肿瘤生长。

肿瘤促进炎症

    尽管免疫监视癌症因免疫编辑,抗原表达丧失和激活免疫抑制机制而出现并茁壮成长。许多肿瘤具有停滞免疫细胞,既不是抑制生长,也不是促进进展(DeNardo等,2010)。癌症中的免疫抑制主要由调节性T细胞(Tregs)和髓源性抑制细胞(MDSCs)介导,其包含异质性树突细胞群,肿瘤相关巨噬细胞和其他未成熟骨髓细胞(Serafini等,2006;Swann和Smyth,2007)。这些细胞微环境产生炎症并重塑组织,促进血管生成和转移(Ono,2008)。 NRF 2活化的抗炎作用拮抗肿瘤促炎症。Nrf2-I-与野生型对应物相比,小鼠具有更高数量的MDSC(Satoh等,2010)。Nrf2-I-MDSC具有更高的细胞内ROS水平,其抑制CD8 + T细胞增殖并在肺癌的异种移植模型中产生有利于转移的环境。MDSC产生活性氮和氧物质(RNOS),其阻止CD8 + T细胞抗原识别,这是一种称为无能的耐受机制(Kusmartsev等,2004; Nagaraj等,2007)。 相比之下,Keap1 -I-小鼠中的NRF 2活化限制了转移,这可能部分是由于MDSCs中ROS水平降低(Satoh等,2010)。同样,缺失Nrf 2或Trsp,即编码含有硒代半胱氨酸的抗氧化蛋白GPX和TRXR1所必需的硒代半胱氨酸tRNA的基因,在骨髓谱系中证实NRF 2的抗转移活性与其对MDSCs中ROS的调节有关(Hiramoto等,2014)。此外,NRF 2依赖性IL-6的下调还可以防止骨髓前体细胞向肿瘤的聚集(Serafini等,2006;Kobayashi等,2016),而与氧化还原调节无关。

基因不稳定性

    这种有利特征通过提高突变率促进了原始标志的出现(Hanahan和Weinberg,2011)。核苷酸修饰或链断裂形式的DNA损伤可能是由于DNA复制和重组,暴露于化学诱变剂,ROS或辐射(UV或电离辐射[IR])时的错误造成的(Cooke等,2003;Techer等,2017)。许多家族性和散发性癌症都涉及DNA修复和有丝分裂检查点的基因突变,导致基因组不稳定,尽管致癌基因诱导的DNA复制应激和端粒侵蚀是激发癌症的更大因素(Negrinietal等,2010),然而,在进展期间上调DNA修复基因有助于治疗(Helleday等,2008)。在这方面,非转化细胞中的NRF2活化可以预防DNA损伤并防止致癌作用,如多项研究所述(Mathew等,2014;Das等,2017;Frohlich等,2008;Singh等,2012;Jeayeng 等,2017;Tao等,2015),而NRF2的组成型激活保护癌细胞免受化学和放射治疗的影响,使它们难以治疗(Sekhar和Freeman,2015; Jayakumar等,2015)。多种机制有助于NRF 2在预防基因组中具有不稳定的作用。NRF 2调节8-氧鸟嘌呤DNA糖基化酶(OGG1)的表达,OGG1是去除7,8-二羟基-8-氧代-2'-对羟基鸟苷(8-氧代-dG)的酶,这是在细胞核和线粒体中最丰富的两种酶,通过碱基切除修复(BER)DNA损伤(Dhenaut等,2000;Singh等,2013b;David等,2007)。NRF 2还激活p53结合蛋白1(53BP1)的表达,这是非同源末端连接(NHEJ)DNA修复的一个组成部分,从而保护细胞免受IR诱导的染色体畸变(Panier和Boulton,2014;Kim等,2012)。参与DNA损伤修复的其他基因是RAD51,RAD52,XRCC2,XRCC3,DMC1,RBBP8和SHFM1; 然而,编码这些蛋白质的所有基因尚未被确认为NRF2直接靶基因(Jayakumar等,2015)。 重要的是,NRF 2的DNA保护作用似乎依赖于DNA损伤应答基因的表达,而不仅仅依赖于NRF 2的抗氧化功能。一项研究发现抗氧化补充剂不能阻止细胞辐射后DNA损伤,其中NRF 2转录活性先前已被全反式维甲酸抑制(Jayakumar等,2015)。

DNA损伤应答蛋白的激活可以诱导NRF 2途径。肿瘤抑制因子BRCA1,其突变与乳腺癌和卵巢癌的高风险相关,是同源重组(HR)DNA修复过程的一部分(Roy等,2011)。研究表明,BRCA1通过与NRF2结合来调节ROS,以防止其KEAP1依赖性降解,从而允许抗氧化基因的转录(Bae等,2004)。因此,BRCA1沉默增加了许多细胞系对氧化应激的易感性,这与NRF 2调节的抗氧化基因的基础或诱导表达降低相关(Gorrini等,2013a)。此外,BRCA1突变的癌细胞系具有更高的ROS,表明突变蛋白可能不与NRF2相互作用(Gorrini等,2013a;Saha等,2009)。参与HR的另一种蛋白质是PALB2(FANCN),一种BRCA2相互作用蛋白,经常在家族性乳腺癌和胰腺癌中发生突变(Nepomuceno等,2017)。在细胞核中,PALB2通过ETGE基序与KEAP1结合,从而促进NRF 2核积累和转录活性,同时阻止其KEAP1介导的核输出(Ma等,2012)。由于PALB2在乳腺癌,结肠癌,胰腺癌和肺癌中过度表达,因此研究这些肿瘤的是否部分具有PALB2介导的NRF 2延长激活将是有趣的(Ma等,2012)。 聚[ADP-核糖]聚合酶1(PARP1)是ADP-核糖基转移酶,其在DNA修复期间与BRCA一起起作用(Hu等,2014)。 我们的实验室通过与MAFG结合并增强NRF 2的转录活性,确定PARP1作为NRF2的共激活因子。同样,PARP1沉默降低了NRF 2靶基因的基础和诱导型表达。 PARP1酶活性对于其作为NRF 2共激活因子的功能是不必要的(Wu等,2014a)。

NRF2还通过减少ROS的量来间接地防止DNA损伤,ROS除了产生氧化性DNA损伤外还引起无碱基位点单链断裂以及DNA-蛋白质交联和糖部分的氧化(Cooke等,2003)。我们的研究小组发现,NRF 2活化可以通过降低紫外线诱导的ROS来防止紫外线损伤,同时它对环丁烷吡啶酰亚胺二聚体的形成没有影响,环丁烷吡啶酰亚胺二聚体是一种与紫外线照射相关的流行诱变DNA损伤(Tao等,2015)。NRF 2激活也增强对DNA加合物如苯并[a]芘二醇环氧化物(BPDE)亲电子的中间体的解毒(Ramos-Gomez等,2001),黄曲霉毒素8,9-环氧化物(Kwak等,2001年;Jowsey等,2003)和7,12-二甲基苯并[a]蒽(DMBA)(auf dem Keller等,2006;Xu等,2006),并且预防或降低它们的致癌性。此外,一些DNA修复蛋白对氧化还原敏感,因此NRF 2激活会影响其功能。BER核酸内切酶APE1(也称为REF-1)在其活性位点具有氧化还原敏感的半胱氨酸,其被NRF2转录靶TRX1还原(Wei等,2000;Hirota等,1997)。 O-6-甲基鸟嘌呤-DNA甲基转移酶(MGMT)去除O-6-甲基鸟嘌呤加合物,如由替莫唑胺(TMZ)化学疗法产生的(Fan等,2013)。MGMT活性位点中的催化半胱氨酸可以是S-亚硝基化的,其灭活(Weietal。,2011)并赋予对活性氧和氮物种的敏感性。有趣的是,一项研究发现,在使用TMZ + IR治疗的患者中,成胶质细胞瘤中高NRF 2表达与复发时间较短相关(Cong等,2013)。此外,在胶质母细胞瘤细胞系中,NRF 2的下调增加了对TMZ + IR的敏感性(Cong等人,2013)。 在NHEJ期间,异二聚体Ku70 / Ku80蛋白结合DNA双链断裂的能力还取决于Ku80中关键半胱氨酸残基的氧化还原状态(Bennett等,2009;Andrews等,2006)。 谷胱甘肽可能需要维持半胱氨酸水平降低,从而维持Ku的完全活性,尽管这仍需要进一步的研究。

改变氧化还原稳态

    尽管通过组成型激活NRF 2具有高ROS水平,许多癌细胞仍然能够繁殖(方框2)。NRF 2通过其调节GSH代谢的能力(xCT,GCLC / GCLM,TXN,GS)(图5)和酶抗氧化系统(GPX,GR,PRX和TRXR)的表达,基于被普遍认为是细胞抗氧化反应的主要调节因子)及其辅助因子(NADPH,FADH2)恢复氧化还原稳态(Hayesand Dinkova-Kostova等2014;Tebay等,2015)。一项关键研究发现,表达KRAS G12D,BRAF V619E和MYC的癌细胞系和人类肿瘤具有高NRF2 mRNA表达,因此具有高GSH以降低其ROS水平(DeNicola等,2011)。另一项研究发现,肺鳞状细胞癌小鼠模型中的Keap1缺失导致组成型NRF2活化并降低内源性ROS,这使得肿瘤对放射疗法具有抗性(Jeong等,2017)。类似地,在CSC中观察到的NRF2的高表达和低水平的ROS使得它们对化学疗法和放射疗法具有抗性(Ryoo等,2016)。这些结果与癌症患者样品中观察到的结果一致,如下所述。

蛋白毒性应激

    通过确保蛋白质的充分翻译,折叠,定位和降解来实现蛋白质稳态或蛋白质稳态。癌细胞由于表观遗传改变,基因融合或扩增以及代谢率增加而产生过量的蛋白质(Donnelly和Storchova,2015;Mosser和Morimoto,2004)。此外,基因组不稳定性增加了产生突变蛋白质的机会,并且改变的氧化还原环境导致蛋白质错误折叠,增强癌细胞中的蛋白毒性应激。 细胞具有多种机制来应对蛋白毒性应激,从有助于蛋白质折叠的热休克蛋白(HSP)到泛素蛋白酶体系统(UPS)和自噬等降解系统(Bukau等,2006;Kimmelman和White,2017)。毫不奇怪,NRF 2在这三者中发挥作用。

热休克因子1(HSF1)是调节HSP表达的主要转录因子(Dayalan Naidu和Dinkova-Kostova,2017;Anckar和Sistonen,2011;Whitesell和Lindquist,2009)。HSP是分子伴侣,有助于折叠新合成的或折叠的蛋白质,组装蛋白质复合物,或有助于复合物中蛋白质的易位或提取(Saibil,2013)。在癌症中,HSF1和多种HSP的表达被上调,因此许多抑制剂已被测试作为治疗剂,因为癌细胞高度依赖HSP(Saibil,2013;Barrott和Haystead,2013;Qiao等,2012)。有证据支持HSF1和NRF2调节的应激反应的串扰和功能重叠(Dayalan Naidu等,2015;Niforou等,2014),如两种转录因子都被氧化应激激活,由同一组小分子(包括4-HNE,15d-PGJ 2,H 2 O 2,维生素A,姜黄素和萝卜硫素)诱导,并调节表达 HMOX1,HSP70,p62和ATF3(Dayalan Naidu和Dinkova-Kostova,2017;Dayalan Naidu等,2015)。还有新的证据表明HSF1诱导的HSP可能激活NRF 2以维持氧化还原稳态和线粒体完整性(Dayalan Naidu等,2015)。

方框2.癌症中的活性氧物质

有氧环境中的化学反应不可避免地导致ROS和RNOS的产生(Gacesa等,2016)。在细胞中,ROS由线粒体和过氧化物酶体氧化代谢,ER应激以及由氧化酶(例如黄嘌呤氧化酶和NADPH氧化酶),细胞色素P450酶,一氧化氮合酶,环加氧酶和脂氧合酶催化的酶促反应产生(Murphy,2009;Holmstrom和Finkel,2014;Zeeshan等,2016)。还有外部的ROS来源,如异生素(金属,毒素,药物,病原体等)和辐射(紫外线和电离辐射[IR],如X射线和伽马射线)(Limon Pacheco和Gonsebatt,2009;Lobet等,2015;Xu等,2005)。因此,好氧生物已经获得了通过调节其产量(空间和时间)来利用ROS进行信号传导,能量产生和防御的机制,并通过产生大量抗氧化系统来淬灭过量的ROS并恢复减少的条件(Gacesa等,2016)。ROS氧化蛋白质,脂质,碳水化合物和DNA,从而改变它们的结构,从而改变它们的稳定性,活性,相互作用以及整体信号传导事件(Trachootham等,2008)。氧化DNA损伤可导致糖基修饰,然后脱嘌呤或脱嘌呤和链断裂,这导致遗传物质的突变和丢失(Cooke等,2003)。因此,除了抗氧化系统之外,有效的DNA损伤检测和修复机制可以避免出现可导致细胞死亡或转化的突变。 然而,这些酶中的一些还具有氧化还原敏感性并且可以在氧化应激下失活。

正常(“低”)ROS的产生对于增殖和分化是必需的,受到严格调节,并且可以通过细胞内抗氧化剂的产生来包含(Murakami和Motohashi,2015)。暴露于异生素和辐射后的ROS瞬时增加(Prestera等,1993;Hirota等,2005;Wondrak,2007),在代谢应激期间(Shih等,2005;Stepien等,2017),或在缺氧/复氧期间(Leonard等,2006)引起氧化应激并激活NRF 2。然而,非常高水平的ROS关闭NRF2途径,诱导坏死,凋亡或ferroptotic细胞死亡机制(Villeneuve等,2009;Chen等,2012;Faraonio等,2006;Stockwell等,2017)。与基础条件下的正常细胞相比,癌细胞具有不断“高”的ROS水平(Cairns等,2011)。癌细胞中ROS产生的增加是由致癌基因激活(Maya-Mendoza等,2015),代谢率增加(Zhao等,2017b),功能障碍线粒体或过氧化物酶体所致(Sabharwal和Schumacker,2014;Cipolla和Lodhi,2017),受体的异常激活(Yuan等,2013;Huang等,2012)或促氧化酶(Ogrunc等,2014;Kodama等,2013),缺氧(Lluis等,2007);Chandel等,2000)和锚定非依赖性生长(Jiang等,2016)。因此,癌细胞中的这些高基础ROS水平已被探索为治疗性“跟腱”,使用进一步诱导ROS作为单一或组合化学疗法的药物(Cabello等,2007)。实际上,放射疗法和许多血液治疗药物,如顺铂,依托泊苷,紫杉醇和硼替佐米,通过诱导高ROS水平杀死癌细胞,这也解释了它们的脱靶毒性(Berndtsson等,2007; Oh等,2007;Alexandre等,2007;Fribley等,2004)。其他消耗GSH,抑制SOD或TRX等抗氧化酶或增加ROS产生的药物已经作为抗癌药物进行了测试,并在其他地方得到了广泛的评论(Wondrak,2009;Gorrini等,2013b;Marengo等,2016)。

UPS降解受损,错误折叠或短寿命的蛋白质(Livneh等,2016)。简而言之,蛋白质在涉及E1,E2和E3酶的过程中是多泛素化的,然后递送至26S蛋白酶体(由两个19S调节颗粒和20S核心颗粒组成)进行降解(Navon和Ciechanover,2009)。主要癌症蛋白,如p53,细胞周期调节因子(p27,细胞周期蛋白),促凋亡蛋白(NOXA,BAX,BIK,DR)和应激反应转录因子(NF-kB,NRF2)均受UPS监管(Johnson,2015;Zhang 等,2004)。癌细胞严重依赖UPS,并且已开发出蛋白酶体抑制剂如硼替佐米和卡非佐米作为抗癌疗法(Crawford等,2011)。然而,许多实体瘤最初对蛋白酶体抑制剂是难以控制的,并且大多数癌症迅速获得抗性,已经提出NRF 2介导这种抗性(Lisek等,2017;Walerych等,2016;Li等,2015)。NRF 2调节20S蛋白酶体的多个亚基的基因和诱导型表达,包括PSMA1,PSMA4,PSMA5,PSMB3和PSMB6,在PSMB5中发现有效的ARE(Kwak等,2003a;Arlt等,2009)。NRF 2还调节19S蛋白酶体亚基PSMC1,PSMC3,PSMD4和PSMD14(Kwak等,2003a;Arlt等,2009)的基因表达,以及蛋白酶体成熟蛋白POMP的基因表达,其介导蛋白酶体组装(Li等,2015;Jang 等,2014)。因此,在NRF 2上调的癌细胞中,可能存在对蛋白酶体抑制剂的内在抗性,而获得性抗性可能是由于初始蛋白酶体抑制后NRF2积累导致的反弹反应(Li 等,2015;Walerych等,2016;Starheim等,2016)。蛋白酶体抑制也激活自噬(Zhu等,2010),其引起p62依赖性KEAP1降解和延长的NRF2活化(Riz等,2016)。有趣的是,通过阻断xCT反向转运蛋白抑制GSH合成增加了多发性骨髓瘤细胞对硼替佐米的敏感性,表明氧化还原与蛋白质稳态之间存在干扰(Starheim等,2016)。

内质网(ER)是细胞器,其中分泌途径的许多蛋白质被合成,折叠和翻译后修饰(Niforou等,2014)。代谢和氧化还原改变,以及钙耗尽,缺氧和过度的蛋白质合成,导致错误折叠的蛋白质积累,导致ER应激(Trougakos等,2013)。这种ER应激通过激活由IRE1,双链RNA(PKR)激活的蛋白激酶真核起始因子2激酶(PERK)和激活转录因子6(ATF6)协调的三个信号臂激活未折叠蛋白反应(UPR)(Trougakos等,2013;Schroder和Kaufman,2005)。如上所述,HRD1通过激活IRE1臂在肝硬化期间降解NRF2(Wu等,2014b)。在这种情况下,缺乏NRF 2表达会导致过量的ROS产生并损害肝脏再生,促进肝癌的发生(Bataille和Manautou,2012)。未解决的ER应激可导致细胞凋亡;然而,许多癌细胞控制ER应激信号以促进进展(Yadav等,2014),并且NRF 2激活可能有助于此过程。例如,PERK磷酸化翻译起始因子eIF2a以抑制依赖性翻译并降低蛋白毒性应激。同时,这促进ATF4的表达,其表达与抗氧化应激,增强的氨基酸代谢(Harding等,2003)和诱导自噬有关(B'Chir等,2013),可能通过与NRF 2的直接相互作用(He等,2001)。 反过来,NRF 2激活ATF4的转录,表明其具有正反馈调节作用(He等,2001;Kwak等,2003b)。NRF 2和ATF4一起预防ER应激介导的细胞凋亡,这可以使癌细胞在蛋白毒性应激中存活。此外,未解决的ER应激可引起UPR,导致ER相关降解(ERAD)途径的激活。NRF 2依赖性蛋白酶体基因的诱导将有助于ERAD,从而减少蛋白毒性应激(Cullinan和Diehl,2006)。

巨自噬(以下称自噬)是一种降解蛋白质聚集体和老化或受损细胞器的大量降解途径,用作蛋白质和细胞器质量控制机制(Mizushima等,2008;Galluzzi等,2015)。自噬在癌症中具有依赖于上下协调作用,这可能与通过非规范机制激活NRF2的持续时间有关(White,2012)。氧化,蛋白质和代谢应激增加自噬通量,以恢复体内平衡并有助于防止基因组不稳定,炎症和整体组织损伤(Kroemer等,2010)。在这个意义上,正常细胞或组织中的功能性和受控自噬可以防止癌症的发生(Chen和White,2011)。然而,许多癌细胞对自噬成瘾,以应对高水平的蛋白质毒性,代谢,氧化和低氧应激(Yang等,2011)。特别是,由KRAS突变驱动的癌症严重依赖于自噬生长和侵袭(Yang等,2011;Guo等,2011;Lock等,2014)。单独或与Trp53缺失组合激活Kras G12D和Braf V600E驱动的NSCLC中的自噬损伤可防止肿瘤进展并导致更良性的病变(Karsli Uzunbas等,2014;Guo和White,2013;Strohecker等,2013;Guo等,2013)。因此,自噬阻滞剂可用于癌症治疗(Liu等,2016;Lin和Li,2015;Qiao等,2013)。然而,如果它们不能有效地诱导细胞死亡,则存在非经典地激活NRF 2的风险,导致化学抗性和存活。此外,由于NRF 2控制自噬基因的表达,例如SQSTM1 / p62,CALCOCO,ULK1,ATG5和GABARAPL1(Pajares等,2016),NRF 2的非经典激活可能使自噬靶向治疗无效。然而,针对自噬和NRF 2的联合疗法可以帮助克服这种抗性。另一方面,自噬的遗传破坏已被证明会导致肝癌(Takamura等,2011)。缺陷性自噬(通过删除ATG5,ATG7或BECN1 [编码beclin1])导致p62的积累,导致NRF2的非规范性延长激活(Mathew等,2009;Komatsu等,2010;Lau等,2010;Ni 等,2012)。有趣的是,研究表明p62消融可以恢复小鼠自噬缺陷的致癌性,这与NRF 2水平的降低有关(Inami等,2011;Takamura等,2011)。 类似地,NRF2消融逆转由小鼠肝脏中Atg5缺失引起的功能失调性自噬的影响并减少肿瘤发生(Ni等,2014)。

结语

     NRF 2研究每年持续增长并不奇怪,因为不断描述NRF 2调节的新功能(即靶基因)和新模式。该综述根据其在癌症标志中的作用提供了NRF 2的肿瘤抑制和肿瘤促进作用的证据(图3和4)。该领域目前的争论是NRF 2是否应归类为致癌基因。NRF 2具有功能获得性突变并且在癌细胞中高度表达(Jaramillo和Zhang,2013)。此外,NRF 2控制调节细胞生长和增殖的蛋白质的表达,这些特征由致癌基因共享。然而,我们认为,确定NRF 2是致癌基因还为时过早。还需要更多的研究来确定NRF 2的组成型活化是否足以驱动癌症的发生。相比之下,许多体外和体内研究已经证明,NRF 2的瞬时活化可以防止化学致癌作用,而小鼠中的Nrf 2缺失会增加肿瘤发生(Kensler等,2007)。在人类中,膳食NRF 2活化已被证明有利于环境致癌物的代谢转化和排泄(Yang等,2016)。此外,已经在大鼠和人类中证明NRF 2的表达随着年龄的增长而降低(Suh等,2004;Shih和Yen,2007;Suzuki等,2008),这可以解释衰老人群对癌症的易感性增加,至少是部分衰老人群。总的来说,这表明肿瘤抑制基因/致癌基因的二元定义非常有限,并且可以根据细胞类型和背景进行修饰,正如已经针对其他蛋白质如p53和NOTCH所确定的那样(Soussi和Wiman,2015)。

    在NRF2癌症研究中,许多问题仍未得到解答。目前尚不清楚NRF 2的受控激活是否促进相同靶基因的表达作为组成型激活(Tebay等,2015)。由于一些研究表明某些靶基因是基础的一部分而不是诱导的NRF 2转录组的一部分,反之亦然,如果NRF 2激活的某个阈值改变转录组就不足为奇了。此外,NRF 2转录组仍然需要完全定义,并且需要验证许多推定的靶基因。新技术的出现,例如CRISPR-Cas9系统,将对此有很大帮助。清楚地了解NRF 2转录组将使我们能够在癌症的标志中更好地理解NRF 2的黑暗面并探索治疗性肿瘤编辑。此外,还应在癌症预防和治疗的背景下探索KEAP1独立的NRF 2调节模式的贡献。

NRF 2在癌症标志中强烈表明,靶向该转录因子可能是一种很好的治疗方法。 一方面,NRF 2激活剂可用于预防化学致癌作用,而NRF2抑制剂可用于癌症治疗。迄今为止,唯一获得美国FDA批准的NRF 2活化剂是富马酸二甲酯,但其在癌症预防中的作用尚未得到评估。自从鉴定出NRF 2的暗侧以来,已经进行了许多努力来开发安全,特异和有效的NRF2抑制剂,但到目前为止收效甚微。我们乐观地认为,无论是作为预后生物标志物还是作为治疗靶点,未来几年对NRF 2进入癌症诊所具有决定性作用。

致谢

这项工作得到了授予D.D.Z.的NIH拨款CA154377,ES026845和DK109555以及授予E.C.和D.D.Z的ES023758的支持。

 
本文由福山生物整理翻译,转载请明确注明出处。
地址:深圳市南山区粤海街道高新中三道9号环球数码大厦19楼
电话:400-113-6988
E-mail:dongfangxicao@163.com