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肿瘤医治论文:肿瘤铁蛋白研发趋向探讨

2013/01/22 阅读:

作者:路灿佟仲生贾勇圣单位:天津医科大学附属肿瘤医院乳腺肿瘤内科

肿瘤细胞铁代谢

(一)转铁蛋白及转铁蛋白受体TfR1是N端胞浆域含有61个氨基酸的2型膜受体,是细胞摄取转铁蛋白结合铁的主要途径。转铁蛋白对细胞的生长、细胞铁代谢包括DNA合成、电子转移和有丝分裂信号通路都有非常重要的功能。Jian等研究发现,TfR1不但具有摄取铁的功能,而且是一个信号分子,具有Src酪氨酸磷酸化位点,可以增强乳腺癌细胞生存和抗凋亡能力。Vyhlidal等报道转铁蛋白受体可以被雌激素调控,并且高表达转铁蛋白受体的ER阳性乳腺癌细胞会对他莫苷芬(tamoxifen)表现出耐药性。转铁蛋白受体的高表达还与较差的神经精神量表(neuropsychiatricinventory,NPI)得分、肿瘤增殖、乳腺癌病人生存期的缩短相关。因此可以作为R+/luminal-like乳腺癌中具有tamox-ifen抗性和较差预后的亚型的标记物。转铁蛋白受体有两种亚型。TfR11在细胞表面普遍表达;TfR2正常情况下主要在肝脏表达,在肿瘤中却常常表达。TfR2与TfR1有45%同源性,也可以与转铁蛋白结合,但与TfR1不同的是,TfR2没有IRE,当其与饱和转铁蛋白结合后结构变得稳定。

Johnson等发现在有Fe2Tf的条件下,可以使更多的TfR2定位于循环内体,而输送到于晚期溶酶体降解的TfR2则减少,从而延长了TfR2的半衰期。在许多肿瘤组织中,转铁蛋白受体呈高表达,特别是在铁缺乏的状态下,因此可以作为药物靶向治疗的靶点。将抗肿瘤药物与转铁蛋白或转铁蛋白受体抗体连接,药物便可与肿瘤细胞表面的转铁蛋白受体结合,一方面阻断转铁蛋白受体的天然功能从而直接导致肿瘤细胞死亡;另一方面,通过形成内吞囊泡而进入肿瘤细胞内,从而更准确更高效的杀灭肿瘤细胞,并可克服P-糖蛋白介导的药物外排而导致的耐药。研究显示,此类药物在细胞实验和活体实验中都对肿瘤细胞显示出较高的细胞毒性。

(二)铁调素-铁转运蛋白调节轴铁转运蛋白(ferroportin1,FPN1)是细胞膜表面的跨膜蛋白,也是目前已知的唯一将细胞内非血红蛋白铁转运出细胞的蛋白,在肠上皮细胞、胎盘、肝细胞和巨噬细胞表面有较高水平的表达。铁转运蛋白的调节机制有三种:(1)转录调控:可以控制其基础水平,其转录产物mRNA因选择性拼接而不同;(2)转录后调控:通过其5'端的非翻译区的铁反应原件和铁反应蛋白的结合来调控;(3)机体的含铁状态:通过铁调素与铁转运蛋白的直接作用来调控铁转运蛋白介导的铁外流。

铁调素(hepcidin)是由肝脏合成并分泌的由25个氨基酸组成的多肽类激素。当体内铁过剩时,铁调素与细胞表面的铁转运蛋白结合并使其磷酸化继而内化,然后被蛋白酶体降解,由此抑制肠道对铁的吸收以及巨噬细胞对铁的释放从而负性调节铁代谢平衡。铁调素缺乏会导致机体铁负荷过重,铁会沉积在肝和其他软组织;而铁调素过多则会引起缺铁性贫血。

有研究证明,乳腺癌细胞中也有铁转运蛋白和铁调素的表达,并且前者受后者的调控。相比正常乳腺上皮细胞,乳腺癌细胞中铁调素表达增加而铁转运蛋白表达减少,从而使细胞中转运出的铁减少,这会增加肿瘤细胞中的生物可利用铁(labileironpool,LIP)。另外,研究发现铁转运蛋白的减少程度,与乳腺癌的分子学和临床分期的近展程度成正相关。铁转运蛋白的高表达和铁调素的低表达被认为是提示乳腺癌预后良好的因素。而铁转运蛋白的表达降低是乳腺癌发病的独立危险因素,并且和无远处转移生存期及疾病相关生存期的显著降低相关。将来,铁转运蛋白和铁调素基因的联合检测有望识别出一些临床上可以考虑不需要进行毒性治疗的病人。

(三)脂钙蛋白2(lipocalin2,Lcn2;24P3)及哺乳动物内源性嗜铁素介导的细胞铁转运嗜铁素是好氧菌和兼性厌氧菌的一种产物,它是微生物在低铁条件下产生的小分子的、特异性的Fe3+螯合因子,是细菌最普遍的一种获取铁元素的方式。宿主可以通过产生结合嗜铁素的脂钙蛋白2来阻断病原菌对铁的摄取,从而抑制细菌的生长。

脂钙蛋白是一种可以与小分子疏水配基结合的分泌蛋白家族。近期有研究发现哺乳动物细胞可能存在与微生物相似的摄铁机制,即哺乳动物细胞可以产生内源性的嗜铁素,其结构和功能与肠杆菌产生的肠菌素的铁结合成分相似。在哺乳动物体内,细胞分泌的脂钙蛋白2与螯合了铁的嗜铁素结合后,与其表面的受体24p3R14结合而内化,随后可以释放出嗜铁素结合的铁,因此增加了细胞内的铁含量。相反,如果和脂钙蛋白2结合的是没有螯合铁的嗜铁素,当其结合受体而内化后,会螯合细胞内的铁,继而将铁转运出细胞外,从而降低了细胞内铁含量,由此诱导由促凋亡蛋白(pro-apoptotic)Bim介导的细胞凋亡。缺乏嗜铁素会导致哺乳细胞内铁异常聚积,这部分是由于嗜铁素参与从胞浆到线粒体的铁转运。嗜铁素缺乏后没有足够的铁从胞浆转移至线粒体,从而导致铁在胞浆的积聚。线粒体铁的缺乏会导致亚铁血红素的合成等一系列铁依赖的反应过程无法完成。而细胞内铁的聚积也会导致有毒性的活性氧水平增加,这说明嗜铁素在提供生物可利用铁的同时还使细胞免受活性氧的损害。

脂钙蛋白2的表达可能与肿瘤的发病及不良预后有关。有研究表明敲除脂钙蛋白2的基因Lcn2可以抑制小鼠乳腺肿瘤的形成。而且在MMTV-ErbB-2和MMTV-PyMT转基因小鼠模型的Lcn2基因被敲除后,其自发的乳腺肿瘤在发生、多样化和体积增大方面都有所延迟。除了参与铁的清除和运输之外,脂钙蛋白2还有一些其它作用,如促进一种与肿瘤侵袭性有关的酶金属基质蛋白酶-9(matrixmetalloproteinase-9,MMP-9)的活性。因此脂钙蛋白2促肿瘤生成是否主要取决于其在铁代谢方面的作用还有待商榷。

(四)铁蛋白铁蛋白(ferritin,Fn)是一种由24个蛋白亚基构成的球状蛋白,广泛存在于动植物体内,铁蛋白的主要功能是使铁离子以溶解状态无害的储存在细胞内;脊椎动物的每分子储铁蛋白由表观相对分子质量分别为19kD和21kD的铁蛋白轻链(ferritinlightchain,FLC肝脏型)和铁蛋白重链(ferritinheavychain,FHC心脏型)的两种亚基复合而成,有时直接以轻链或重链铁蛋白来代指含轻链的铁蛋白或含重链的铁蛋白,但一个铁蛋白所含的重链和轻链的比例是因所在器官的不同或受炎症状态的影响而改变的。这两种蛋白质亚基的序列高度同源,但功能有所不同,只有重链可以把三价铁离子氧化为亚铁离子,使铁容易积聚在铁蛋白内部。在铁蛋白内部,铁是以水合氧化铁的无机形式储存的,而水合氧化铁的集结要靠铁蛋白的轻链。所以增加重链铁蛋白,能增强该细胞利用铁的能力;而增加轻链铁蛋白,则能提高铁的储存效率。铁蛋白除了在细胞内储存铁外,还可以血清铁的形成存在于血液循环之中,如血清铁蛋白容铁量较低,结构亚基组成也有所不同。临床上常常以血清铁的含量来衡量机体的总铁含量,但急慢性炎症可以使其水平增加10到100倍。而且研究证实,多种实体瘤患者的血清铁蛋白水平均明显增加,包括神经纤维母细胞瘤、霍奇金淋巴瘤、肝癌、肺癌、卵巢癌、胰腺癌、胃癌和乳腺癌。所以Fn可以作为恶性肿瘤的标志物之一。

在大多数情况下,TfR通过与Tf结合来作为细胞铁的来源,但当Tf缺乏时,TfR也可以结合Fn来向细胞提供铁,但仅限于只含重链的铁蛋白(H-Fn)。铁蛋白与TfR1的结合不需要依赖其它蛋白,可以被Tf和遗传性血色素病蛋白(hereditaryhemo-chromatosisprotein,HEF)(HFE蛋白是由HFE基因编码产生的,与TfR结合后可降低TfR与Tf的亲和力)部分阻断。与TfR结合后,H-Fn进入内体或溶酶体而释放铁。

此外,Fn还可以通过与双链高分子激肽原或活化型高分子激肽原(cleavedhighmolecularweightkininogen,HKa)的抗血管生成区域相结合而阻断其抗血管生成作用。Hka是高分子激肽原(highmo-lecularweightkininogen,HK)分裂的产物,而HK是参与体内血液瀑布式凝集反应的辅助因子,可以被分裂为Hka和缓激肽(bradykinin,BK)一种有效控制NO释放、血管舒张、和疼痛的多肽)。Hka在体内外发挥抗血管生成的作用,包括降低血管内皮细胞增殖能力,促使其凋亡,阻断内皮细胞迁移及形成管腔。在小鼠模型中,Hka还被证实有降低骨肉瘤和乳腺癌侵袭性及转移性的作用。实验证实Fn既可结合HK而阻断其裂解,又可以更高的亲和力结合Hka,在多层次上阻断其抑制血管生成的作用,说明其作用的位点可能正是Hka发挥抗血管作用的位点,并且这种作用与Fn结合铁的功能无关。Fn的促血管生成作用在一定程度上具有生理意义,因为Fn在炎症的刺激下增多,而Fn的促血管生成作用有助于炎症的消除和伤口的愈合,但这在肿瘤的生长中属于病理性反应,可能会为抗肿瘤血管生成提供新的作用靶点。

铁螯合剂的抗肿瘤作用

铁过载会使细胞内活性氧增加,继而损伤DNA,破坏蛋白质和脂质,从而导致基因突变和细胞损害。大量的研究表明,机体的铁储量与癌症患病风险成正相关,包括结肠癌、肝癌、肾癌、肺癌和胃癌等。Ellervik等报道,转铁蛋白饱和度大于60%的女性相比于饱和度小于50%女性,前者各种癌症的患病率是后者的3.6倍。铁螯合剂通过螯合细胞内的铁从而抑制核苷酸还原酶,进而影响DNA的合成和修复。除此之外,许多其它受细胞内铁水平调控的基因也会因铁螯合剂的使用而受到影响,如抑癌基因p53、p21、细胞周期蛋白、细胞周期依赖性蛋白激酶和缺氧诱导因子α(hypoxia-inducibletranscriptionfactorα,HIF-α)等。

Federica等证明,铁剥夺引起的DNA损伤会介导GADD家族多个成员mRNA水平和蛋白水平上调,从而抑制肿瘤的生长。代谢抑制基因NDRG1(N-mycdownstreamregulatedgene1)通过HIF-1α依赖或非依赖的机制也受到细胞铁水平的调节。实验证明,新型氨硫脲类铁螯合剂可以显著上调NDRG1的表达。另外JNK和p38的磷酸化在铁剥夺引起的细胞周期停滞和凋亡中起到了重要作用。总之,细胞内的分子和信号通路对于铁剥夺的反应是复杂而广泛的,以至于许多机制至今尚未弄清。那些可以作用于多种增殖和代谢相关信号分子的铁螯合剂相对于作用单一的铁螯合剂更不容易使肿瘤细胞产生耐药性。尽管一些铁螯合剂在临床应用中显示出了良好的抗肿瘤的作用,但在临床实践中仍要注意对其风险和效应的评估。

结语

铁在肿瘤的发生发展过程中起着重要的作用,多数观点认为铁过载产生的活性氧会导致细胞脂质过氧化、基因突变、DNA链断裂、激活癌基因等,从而使机体患癌症的风险增加。Amber等人研究了摄入铁和体内储存铁与乳腺癌发病的关系,证明机体铁储量增加会提高乳腺纤维囊性变的风险,而摄入铁增加会促使其进展为乳腺癌。也有研究者认为机体缺铁会稳定血管生长因子(vascularendothe-lialgrowthfactor,VEGF)的转录因子HIF-α,使其降解减少,从而促进血管的生成,使肿瘤患者复发和死亡的风险增加。Isobe等研究发现在机体缺铁的情况下,肿瘤细胞前列腺跨膜上皮细胞(six-trans-membraneepithelialantigenoftheprostate-3,STEAP3)的表达增加,这说明STEAP3可以维持恶性肿瘤细胞内的铁量,使其在铁缺乏的情况下继续增殖。总之,肿瘤与铁代谢的关系不是单因素的,肿瘤细胞的铁水平和全身铁状态的关系以及众多铁调节蛋白在肿瘤发生发展中作用的具体机制及如何通过干预肿瘤的铁代谢来治疗肿瘤都还需要更深入的研究。

肿瘤医治论文:肿瘤铁蛋白研发趋向探讨

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