谷胱甘肽过氧化物酶在致癌作用的不同阶段

谷胱甘肽过氧化物酶在致癌作用的不同阶段

关键词：谷胱甘肽过氧化物酶癌症发展环加氧酶氢过氧化物转移细胞凋亡

摘要：癌症细胞产生高量的活性氧（ROS）和逃避凋亡减少。过氧化物支持增殖，侵袭，

迁移和血管生成，但在较高的水平，诱导细胞凋亡，从而致癌和抗癌。因此，谷胱甘肽过氧化物酶（GPxs）调节氢过氧化物水平可能有双重角色。GPx1，显然是抗氧化酶，是在许多癌症细胞中下调减少。其主要作用是由ROS介导的DNA损伤引发癌症的预防减少。GPx2在癌细胞中上调。GPx1 / GPx2双基因敲除小鼠小肠结肠炎和癌症发展。然而,GPx2击倒的癌细胞在体外和体内生长得更好，可能反映了GPx2在肠粘膜动态平衡的生理作用。GPx2

在癌细胞中上调抵消COX-2表达和PGE2生产，这也解释了其可能抑制培养的肿瘤细胞迁移和侵袭减少。GPX3的过度表达抑制了肿瘤生长和转移。GPx4在癌组织中减少。GPx4

过度表达的癌细胞有较低的COX-2活性及由此衍生的肿瘤比对照组小，不发生转移。总的

来说，GPxs通过消除氢过氧化物防止癌症的发生。GPx4抑制但是GPx2支持已建立的肿瘤的生长。不但转移，而且细胞凋亡都被所有GPxs抑制。GPX-介导的环氧合酶/液氧活动的监管，可能与炎症介导的癌变的早期阶段有关。

1. 介绍

硒的低摄入量已被证明与癌症高发病率有关。因此，化学预防功能已普遍被归结为硒。

硒补充预防癌症在一个大型临床对照试验中最终被证明。一个追踪观察的相同试验显示，只有那些加入低硒状态研究的参与者，总癌症发病率减少，然而那些有更好硒状态的参与者癌症发病率却显著提高。第二次后续分析报告，有非黑色素瘤皮肤癌病史的实验者，在鳞状细胞癌和总的非黑色素瘤皮肤癌的风险中硒依赖性增加。第二次大型临床实验硒和维生素E癌症预防试验（选择），没有发现硒的补充对前列腺癌或其他癌症有任何益处。硒甚至可能产生不利影响。这表明，硒的益处可能取决于硒的基础状态，癌症的类型，以及某些硒上调开始的癌症阶段。

相反在大量动物实验研究中，supranutritional剂量下不同形式的硒提供保护。潜在机制还不是很清楚。目前仍不清楚，究竟个别含硒蛋白质还是全部含硒蛋白质有助于预防癌症，依靠硒还是特别的独立于含硒蛋白质生物合成的硒化合物作用。讨论机制，如基因表达的改变和DNA的损伤与修复可能取决于硒的化学形态和介入的时间点上。其他讨论的机制，如缓冲炎症反应，诱导细胞凋亡，细胞周期调控，或抑制肿瘤细胞侵袭力，至少部分可能受含硒蛋白质影响。

人类基因组包含25个含硒蛋白质的基因，小鼠基因组有24个。产生的含硒蛋白质数目可能更高，因为剪接变异体是不定的和他们的数量会随着时间的推移增加。其中大部分蛋白质的功能仍是未知。甚至到目前为止，8个已知谷胱甘肽过氧化物酶的个别作用（其中5个是人类的含硒蛋白质）尚不完全清楚。他们都可能是能够减少氢过氧化物：

ROOH + 2GSH→ROH + H2O + GSSG

因此，它们的功能，应与氢过氧化物的去除和/或新陈代谢有关。GPxs在致癌的作用中似乎很直接，因为许多癌症的发展进程取决于或受氢过氧化物的影响。这个回顾因此将集中于致癌作用和氢过氧化物的关联以及个别谷胱甘肽过氧化物酶的作用。

2. 在肿瘤细胞中的氧化还原状态

肿瘤细胞与正常细胞相比，两个特点是活性氧（ROS）的生成增加和消除活性氧的能力下

降。此外，大量肿瘤细胞获得耐药性，依靠上调二期和三期的酶/蛋白，消除抗癌药物。上调机制最有可能通过活化的Nrf2/Keap1系统发生，除了大量被氢过氧化物激活巯基修饰化合物。对肿瘤细胞持久的氧化应激的支持在来自提高的氧化DN A损伤，例如各种肿瘤中的8 -羟基-2'-脱氧鸟苷（8-OH-dG）。癌细胞使用ROS的刺激增殖，侵袭，迁移和血管生成，但最重要的发展机制是逃避细胞凋亡[28]。癌细胞中几种来源的ROS已经讨论：（1）线粒体加强释放O2?和/或H2O2；（2）活化的NADPH氧化酶（NOX）系统生产出O2?和随后的H2O2；（3）抑制抗氧化酶，如锰超氧化物歧化酶（MnSOD），GPx1以及在某些情况下的过氧化氢酶，然而铜锌超氧化物歧化酶(CuZnSOD)已被报道增加或者减少；（4）肿瘤周围的ROS暴露和炎性细胞释放促炎细胞因子；或者（5）上述的综合。

ROS带动的增长刺激是通过活化的蛋白激酶，磷酸酶，核转录因子的改变来获得的（见下文）。途径和系统以这种方式调节，即低浓度或者中等浓度的ROS激活它们，而高浓度的则抑制它们。为了应付这两种情况下，肿瘤细胞显然已经取得的能力，调整氧化应激达到一个水平，足以维持其生存，但不启动依靠细胞凋亡的自我消除。这种肿瘤细胞的生长优势是依靠抗氧化剂企图阻止致癌作用的基本原理。干扰肿瘤细胞的氧化还原平衡，无论如何，不能在所有情况下产生有益的结果（见上文）。然而去除ROS，可以抑制DNA损伤和癌细胞增殖，同时可以抑制ROS介导的细胞凋亡。因此，氢过氧化物在癌变中显示有双重作用，而对于GPxs可能是同样的。我们因此总结，开始进行调节GPx活性，依靠改变硒状态，或者依靠遗传干预弄清楚他们在肿瘤的发生，增殖和转移中的假定作用。

3. 氢过氧化物的生产

3.1 线粒体

呼吸复合体和酶是线粒体来源的O2?。复合体Ⅰ似乎是在基本和病理状态下大脑中最基本的来源，然而复合体Ⅲ则负责来自心和肺的线粒体生产的O2?。超氧化物的形成发生在线粒体外膜，基质和线粒体内膜两侧，占总耗氧量的1—2% 。然而在基质中产生的O2?依靠在间隔中呈现的锰超氧化物歧化酶（MnSOD），催化形成H2O2，在内膜空间中产生的O2?可以通过电压依赖性阴离子通道输出，或者被铜锌超氧化物歧化酶(CuZnSOD)催化，其中CuZnSOD可以被H2O2介导的关键巯基修饰来短暂激活。线粒体的主要任务是能源产生。线粒体能量代谢降低被假设是癌症发展的原因，已经由Warburg在1926年作出假设。他观察到癌细胞产生的大多数ATP是通过糖酵解，而不是通过呼吸链。后来的研究质疑了这个想法，并表明，肿瘤细胞线粒体能够产生ATP。而糖酵解确实是由缺氧引起上调，这个现象普遍存在于肿瘤细胞中。上调由激活的缺氧诱导因子（HIF）介导，HIF被ROS激活和/或诱导。

线粒体衍生的ROS在癌症相关过程中的影响，已经被众多癌症中线粒体基因的突变所证明，但是突变不存在在相同个体的周围组织中。在锰超氧化物歧化酶（MnSOD）过度表达的细胞中，促分裂原活化蛋白激酶(MAPK) 途径被激活，而随后的间质金属蛋白酶-1（MMP-1）被诱导。线粒体衍生的ROS 的主要功能是调控细胞的死亡途径，然而那些来自NADPH氧化酶的ROS更有可能参与信号传输流程。

3.2 NADPH氧化酶系统

NADPH氧化酶（NOXs）不局限于吞噬白细胞，同时也在各种细胞和组织类型中表达，产生H2O2作为信号分子。事实上，各种生长因子和细胞因子包括生长因子（PDGF），表皮生长因子（EGF），胰岛素，肿瘤坏死因子信号（TNF-α）信号通过氮氧化物衍生的（NOX-derived）H2O2。第一个检测到的氮氧化物（NOX），现在被称为氮氧化物-2（NOX-2），由膜结合细胞色素B558组成，包含催化黄素结合的和血红素结合的糖蛋白gp91phox和p22phox的较小

亚基。细胞质组成部分，p67phox，p47phox的，p40phox和小GTPase Rac 被募集到刺激所在的膜上来组成活跃的复合体。截至到现在，具有不同组织定位和亚细胞亚隔的4个或者4个以上氮氧化物（NOX-1, NOX-3 to 5）和两个双氧化酶(DUOX 1 和2)被描述。氮氧化物4（NOX-4）作为亚型最经常表达在肿瘤细胞上。由此可见在癌变过程中，氮氧化物的表达失调。氮氧化物的参与促进了细胞生存，战胜细胞凋亡，这一现象已在各种细胞和肿瘤中被证明。氮氧化物-1衍生的ROS 是血管生成开关和血管生成的分子标记增加的有效触发器，如血管内皮生长因子（VEGF），血管内皮生长因子受体和基质金属蛋白酶。抑制胰腺癌细胞中的氮氧化物4，导致细胞凋亡以及抑制残存信号和肿瘤细胞生长，然而氮氧化物5 显示作用于磷酸酪氨酸磷酸酶（PTP）——依赖性的成熟B细胞成为恶性毛细胞。此外具有转移潜能的纤维肉瘤细胞注入gp91phox - / - 小鼠时数量减少。

4. 氢过氧化物清除系统

4.1谷胱甘肽过氧化物酶

到目前为止，5个含有硒的谷胱甘肽过氧化物酶（GPX）已在人类中确定，即GPx1-4和GPx6。他们都可以和H2O2及可溶性脂肪酸的氢过氧化物反应。GPx4是唯一一个也可以与复杂的脂质氢过氧化物反应的GPx。H2O2氧化了位于GPxs活性中心的二硫化硒组(?SeH)的硒代半胱氨酸(SeCys)，变成the selenenic acid (?SeOH)，随后逐步减少了两分子的谷胱甘肽。这个反应需要去质子化的SeCys (?Se?)，很容易发生在生理pH值时，因为PK-SEH（PK=约5.2）比半胱氨酸PK（PK=约8.2）低。GPx和H2O2的反应速度非常快(k′A=5×107 M?1 s?1)，保证快速去除H2O2，尤其是当浓度变高时

4.2 过氧化物氧化还原酶

一个同样能减少氢过氧化物的新型酶家族是过氧化物氧化还原酶（Prx）家族。到目前为止六名成员，过氧化物氧化还原酶I-VI，是已知的。Prx I-IV归类为典型的2-半胱氨酸过氧化物氧化还原酶（2-Cys Prxs），Prx V是非典型的2-半胱氨酸过氧化物氧化还原酶（2-Cys Prxs），而Prx VI是1-半胱氨酸过氧化物氧化还原酶（1-Cys Prxs）。典型2-Cys Prxs中的过氧化半胱氨酸（peroxidatic cysteine）被H2O2氧化为半胱氨酸sulfenic酸。sulfenic酸和“解决半胱氨酸（resolving cysteine）”形成二硫化物，位于低聚2-Cys Prxs的相邻过氧化物氧化还原酶亚基上，或者位于非典型2-Cys Prxs的同一分子中。此二硫化物接着减少了硫氧还蛋白或者谷氧还蛋白。在1-Cys Prx VI情况下，没有一个解决半胱氨酸（resolving cysteine），氧化酶直接减少了谷胱甘肽。H2O2和过氧化物氧化还原酶的反应由一个附近带正电荷的精氨酸支持，这有利于过氧化半胱氨酸的分解。过氧化物氧化还原酶与氢过氧化物的反应常数比谷胱甘肽过氧化物酶的低一到三个数量级。因此，在清除H2O2 方面过氧化物氧化还原酶（Prxs）没有谷胱甘肽过氧化物酶（GPxs）有效，但是通常出现在高浓度时。

一个过氧化的过氧化物氧化还原酶（Prxs）被高过氧化水平转化为亚磺酸(?SO2H)，最初被认为是不可逆转的。亚磺酸还原酶和硫氧化蛋白(Srx)的探索发现，在哺乳动物中这个反应是可逆的，而且导致亚磺酸的监管模式转换。Sestrins不显示和硫氧化蛋白家族的序列同源性，在体外至少能够减少Prxs。有趣的是，Sestrins是p53的靶点（见下文）。两个家庭的存在减少Prxs，突出了保持Prxs工作的重要性。另外，它有可能，SRX和sestrins恢复不同酶家庭的活动。到目前为止，SRX已经显示是典型的2-Cys Prxs，而至今找不到sestrins直接减少任何Prx的证据，sestrin 2肯定不会减少2-Cys-Prx亚磺酸。

4.3 过氧化氢酶

过氧化氢酶是存在于所有需要氧气的有机体。它可以减少过氧化氢水和氧气，是周转率最高的酶之一，几乎专一地在过氧化物酶体中表达。过氧化氢酶的水平，在某些肿瘤细胞增加，但在其他某些肿瘤细胞中减少，从而可能有助于这些肿瘤细胞抗氧化能力下降。这种减少也可通过选择性地过氧化氢酶自体吞噬减少造成，导致ROS积累和最终非凋亡的细胞死亡。因此，至少有三个系统的存在，不仅可以防止氧化损伤，同时调节过氧化物依赖的信号事件，深刻地展示了大自然考虑这个平衡的氢过氧化物体内稳态是多么的认真。

5．氢过氧化物的功能

氢过氧化物是非自由基的反应性氧。他们是身体内有目的地产生，用于合成，解毒过程以及免疫防御。在甲状腺中，H2O2 是甲状腺过氧化物酶的底物，催化甲状腺球蛋白和碘的结合，是合成甲状腺激素的关键步骤。在过氧化物酶体中，H2O2 在长链脂肪酸降解过程中产生。在微粒体中，H2O2在细胞色素P450 系统的解毒反应中产生。吞噬白细胞利用氮氧化物衍生的H2O2作为抗杀菌分子。在这里，H2O2由O2-衍生而来，O2-由活化的NADPH 氧化酶复合体释放。

近年来，H2O2细胞信号传导的基本功能越来越清楚。生长因子，例如血小板源性生长因子，成纤维细胞生长因子，表皮生长因子，信号通过受体酪氨酸激酶，激活促分裂原活化蛋白激酶（MAPK）磷酸化级联，也就是细胞外信号调节激酶的级联，c-Jun氨基末端激酶/应激活化蛋白激酶(JNK/SAPK)和p53 以及磷脂酰肌醇-3-激酶(PI3K/Akt)通路（见下文）。生长因子信号传导包括，氮氧化物的激活，H2O2的产生以及最后细胞增殖的刺激。磷酸化事件被蛋白酪氨酸磷酸酶控制，被H2O2灭活。在蛋白酪氨酸磷酸酶下，H2O2和关键半胱氨酸反应，形成sulfenic acids，导致他们的灭活。蛋白酪氨酸磷酸酶从而调节，比如脂质磷酸酶人第10号染色体缺失的磷酸酶及张力蛋白同源的基因（PTEN），蛋白质磷酸酶2A，2B和2C，或者低分子量蛋白酪氨酸磷酸酶。蛋白酪氨酸磷酸酶作为终结因子，他们的灭活可以允许持久的生长信号。氧化还原调节的转录因子包括核转录因子κB（NFκB）, 酸性磷酸酶1（AP-1）, 负调节因子2（Nrf2）和下丘脑抑制因子1系统（HIF1 systems）。

氢过氧化物可以产生正效应（信号传导）和负效应（损伤），依赖于过氧化物的集中和参与应答的细胞类型。氢过氧化物还存在抗氧化酶类，高表达或者高活性可能干扰H2O2介导的信号传导通路，但是同时防止氧化损伤。在任何情况下，H2O2的产生和消除依赖于个体的情况而被调节，是谷胱甘肽过氧化物酶（GPxs）和过氧化物氧化还原酶（Prxs）的一个任务。

6. 氢过氧化物的致癌作用

6.1 癌症发生中的氢过氧化物

最充足的内源性活性氧（ROS ）是H2O2，也是直接产生或者O2?歧化作用导致。在转换金属离子的存在下，尤其是铁离子和铜离子，H2O2可以经历芬顿反应(Fe2++H2O2→Fe3++OH?+U OH)，在过氧化物存在下可以发生哈贝尔-韦斯反应(O2U?+H2O2→O2+U OH+OH?)，因此，导致行程最具攻击性的羟基。依此类推，脂氧合酶的初级产物可以被认为是U OH潜在来源。作为羟自由基的前体，H2O2和其他氢过氧化物在DNA和核苷酸库中，在C8 位置与鸟甘酸反应，从而构成

8-OH-dG。8-OH-dG产生鸟嘌呤核苷到胸腺嘧啶核苷的颠换，导致或多或少的专一位点的诱变，广泛发生于突变的癌基因和肿瘤抑癌基因中。8-OH-dG可以进一步导致低甲基化，而因此活化肿瘤促进基因。而且，脂质过氧化反应产物，例如4-羟基丙烯醛，可以构成DNA加成化合物，它在致癌作用中起关键作用。因此，产物增加或者消除缺少导致的过氧化物张力效应增强子的失调，可以确定通过诱变导致致癌作用的发生。H2O2的前致癌物效应也可由细

胞损伤的炎症反应导致。在这个理论中，谷胱甘肽过氧化物酶（GPxs）被认为是抗癌作用。

6.2 癌症促进/进展中的氢过氧化物

癌症促进阶段（肿瘤前）是以起始细胞克隆性扩张为特征的（如图一）。促进需要细胞增殖，可以在正常细胞中和生长因子信号级联持续刺激而维持的肿瘤细胞中，由低水平的活性氧（ROS）产生。

细胞凋亡抑制也支持促进。适度水平的氢过氧化物长期被认为促进细胞凋亡。然而在恶性细胞中活性氧（ROS）拥有相反的效应。活性氧（ROS）如何发生促进或者抑制细胞凋亡的

选择性，目前不清楚，但是可能依赖于他们的浓缩，功能性的p53（在大量癌症类型中突变）和核转录因子κB（NFκB）的作用（见上文）。

6.3 转移中的氢过氧化物

活性氧（ROS）影响转移的机制已经被广泛地评论。肿瘤转移包括一系列连续的步骤：由于细胞粘附的消失和分离的存在，从初级肿瘤中分离，内渗进入循环系统和上皮，向间质过度（上皮细胞-间充质转化EMT），停止在下游器官，粘附于内皮细胞，渗出物进入靶组织，转移的肿瘤增殖和血管形成。所有这些步骤是否受氢过氧化物影响仍不可知。无论如何，大量的进程或者途径确实受氧化还原调节的。

活性氧（ROS）介导的上皮细胞钙粘蛋白抑制，主要的细胞间的粘附分子，涉及细胞间粘附性减少和初级肿瘤细胞的上皮细胞-间充质转化。活性氧（ROX）支持的这些进程可以由氮氧化物或者，生长因子或细胞因子信号下的线粒体产生。

内渗需要肿瘤细胞中i.a.的活化或者间质金属蛋白酶的上调。巨噬细胞衍生的H2O2和巯基化合物组在催化剂结构域反应，举例来说，间质金属蛋白酶导致活化，然而低分子量的巯基化合物减少间质金属蛋白酶中的蛋白中的蛋白巯基化合物，导致抑制。除了影响活性，线粒体的H2O2通过Ets和AP-1反应性因子诱导一系列的间质金属蛋白酶。包含H2O2介导的效应的信号通路是活化的血管紧张素系统(RAS)和细胞外信号调节激酶1/2，或者是磷酸酶类的失活，调节这些蛋白质磷酸化阶段的。一种交替的激活间质金属蛋白酶的通路是氧化介导的他们组织禁止因素的失活，金属蛋白酶组织抑制剂。同样丝氨酸蛋白水解酶禁止因素被甲硫氨酸残基失活。

循环的肿瘤细胞必须在溢出之前粘附于血管内皮上。粘附于细胞外基质是由肿瘤细胞表面的结合素介导。结合素构成感受器酪氨酸激酶复合体，举例来说，表皮生长因子，胰岛素，血小板源性生长因子，肝生长因子或者血管内皮生长因子。复合体刺激大量的H2O2产生，

反过来抑制蛋白质酪氨酸磷酸酶，尤其是黏着斑激酶磷酸酶。磷酸化的黏着斑激酶靠细胞支架粘附和扩散至细胞外基质。有趣的是，氮氧化物来源的活性氧（ROX）可以代替非粘附细胞的整联蛋白信号传导。活性氧（ROS）转导信号通常是依靠细胞和细胞外基质的相互接触而触发的，从而导致一个持续的支抗相关信号，但没有支抗。这个途径，肿瘤细胞放松对细胞外基质接触而生长的依赖。粘附性质的不同改变决定肿瘤细胞的转移潜力。

渗出物需要血管通透性的增强。肿瘤细胞产生的血管内皮生长因子和响应活性氧（ROS）的上调，诱导了内皮细胞结点的破坏，促进了溢出。

当超过几毫米大小时，肿瘤没有来自宿主的血液供应而不能再生长。因此肿瘤诱导的血管发生是起始。血管发生是在缺氧的刺激下，由缺氧诱导因子1α支持。缺氧诱导因子1α被核转录因子κB（NFκB）诱导，被激酶通路组成型活化，在肿瘤细胞中。在含氧量正常时，缺

氧诱导因子1α与肿瘤抑制van Hippel Lindau蛋白(pVHL)有联系。这种联系被缺氧诱导因子1

α的脯氨酸羟基化作用触发，导致它的泛素化和蛋白酶体降解。氧化情况，如现在在缺氧情况，，已经被报道，抑制脯氨酰羟化酶和阻止缺氧诱导因子1α的降解。缺氧诱导因子1α被

辅激活蛋白p300/糖类结合蛋白（CBP）转录活化。主要的靶点之一是血管内皮生长因子，是血管发生中的关键角色。血管内皮生长因子上调被氮氧化物抑制物或者Rac1 or gp91phox 的下调所抑制。此外，活性氧（ROS）调节间质金属蛋白酶的表达（见上文），也为肿瘤血管形成过程中的迁移内皮细胞铺设道路。

新生的巨噬细胞依靠分泌型血管作用的因子来诱导血管发生，例如血管内皮生长因子，白细胞介素-8,和环氧化酶2衍生的前列腺素E2，朊酶类如间质金属蛋白酶-9和尿激酶型纤溶酶原激活物，以及生长因子如表皮生长因子，血小板源性生长因子和神经生长因子。所有的因子作用或者被氧化还原调节所活化，最后刺激肿瘤细胞的增殖，生存和侵袭。

图1：癌变的简化方案中的氢过氧化物和谷胱甘肽过氧化物酶。在起始阶段致癌物质造成DNA损伤，如果不能修复，可导致持久性DNA 突变。在致癌物质中，许多活性氧（ROS）包括H2O2或者其他氢过氧化物发挥作用。谷胱甘肽过氧化物酶依靠消除氢过氧化物酶来抵抗早期的致癌过程。在促进阶段，起始细胞如果没有被细胞凋亡消除，则转变为肿瘤发生前的细胞。这是一个长期的过程，而i.a.被生长因子诱导的信号级联所支持，举例来说，从侵入的巨噬细胞中释放出来。细胞开始分裂失控，但是仍然能够被细胞凋亡消除。在这个阶段谷胱甘肽过氧化物酶的作用不清楚。促进依赖于活性氧（ROS）的平衡，需要增殖，但是活性氧（ROS）同样需要细胞凋亡。在进展阶段，肿瘤发生前的细胞转化为肿瘤细胞，形成分散于肿瘤发生前的细胞和正常细胞之间的病灶。在这个阶段，谷胱甘肽过氧化物酶的作用不清楚，而且和所有的谷胱甘肽过氧化物酶不相同。然而肿瘤生长的抑制已经报道是谷胱甘肽过氧化物酶—4，谷胱甘肽过氧化物酶—2已明确知道具有肿瘤促进能力。在最后一个阶段，肿瘤诱导的血管生成是由具有更好血液供应的肿瘤细胞开始。恶性/肿瘤细胞最后拥有侵袭力。他们侵入健康组织，并迁移到远隔器官形成转移。目前研究表明，转移可以被所有的谷胱甘肽过氧化物酶抑制。

6.4 氢过氧化物和细胞凋亡

主要的细胞凋亡激活剂是氧化剂和功能性的p53。低水平的活性氧（ROS）是连续的生命信号，同时也在正常细胞中工作，然而高水平则导致细胞凋亡，因此成为死亡前信号。

磷脂酰肌醇-3-激酶/丙氨酸氨基转移酶（PI3K/Akt）通路连接细胞外生存信号和细胞内细胞凋亡机器。磷脂酰肌醇-3-激酶（PI3K）被受体酪氨酸激酶磷酸化，被生存信号刺激，换言之即低水平的活性氧（ROS）。磷脂酰肌醇-3-激酶（PI3K）随后磷酸化生存蛋白，例如Bad，钠巴霉素的哺乳动物靶子（mTOR），天冬氨酸特异性半胱氨酸蛋白酶-9（caspase-9），叉头转录因子（FOXO）和糖原合酶激酶3β(GSK3β)，一种在Wnt通路中发挥重要作用的激酶。磷酸化的Bad与14-3-3联系，使它不能活化b细胞白血病-淋巴瘤-2（Bcl-2）家族中的前细胞凋亡成员。钠巴霉素的哺乳动物靶子（mTOR）被磷酸化作用活化，同时阻止b细胞白血病-淋巴

瘤-2（Bcl-2）的活化。磷酸化的前天冬氨酸特异性半胱氨酸蛋白酶-9（pro-caspase-9）在Ser196下导致它的蛋白水解过程的抑制。活化的天冬氨酸特异性半胱氨酸蛋白酶-9（caspase-9）的丢失阻止天冬氨酸特异性半胱氨酸蛋白酶-3（caspase-3）的活化，并最终激活细胞凋亡。磷酸化的叉头转录因子（FOXO）导致它从细胞核向细胞质的转运，在Bad与14-3-3联系的情况下保持它在细胞质中。结局是促进细胞凋亡基因表达的减少。磷酸化的糖原合酶激酶3β(GSK3β)使酶失活，因此阻止β-连环蛋白磷酸化和它随后蛋白酶体的降解。β-连环蛋白之后转运到细胞核，并激活增殖维持在内的靶基因。磷脂酰肌醇-3-激酶/丙氨酸氨基转移酶（PI3K/Akt）激活的网络效应由肿瘤细胞中提高水平的氢过氧化物支持，因此刺激增殖和抑制细胞凋亡。如前所述，这个效应依赖于氢过氧化物的浓缩。决定从抵抗到促进细胞凋亡转换的确切临界点还不可知。举例，高浓度的H2O2 (>0.5 mmol/L)对糖原合酶激酶3β(GSK3β)和受激细胞凋亡发挥相反的效应。

P53是肿瘤抑制基因，通过细胞周期停止，生存，DNA修复的调节和细胞凋亡的诱导产生作用。P53本身能够上调或者下调活性氧（ROS）的水平。正常细胞包含低水平的P53，压力的缺乏维持锰超氧化物歧化酶（MnSOD），谷胱甘肽过氧化物酶-1，ALDH4A1以及sestrins1

和2，PA26 和Hi95各自的表达。结果，低水平的P53保持细胞的过氧化物张力效应增强子的低水平。相反地，H2O2浓缩增加，P53依靠Jun细胞核激酶（JUN）介导的磷酸化变得稳定，诱导促氧化基因，例如TP53I3, Bax, 和BBC3，他们专一的为P53依赖性的细胞凋亡起始。在癌细胞中突变的P53既不能维持抗氧化酶的表达，也不能诱导促细胞凋亡蛋白。结果，损伤的细胞使用氢过氧化物来增殖，逃避细胞凋亡，从而蓄积。

三分之一被氧化调节的促细胞凋亡事件是细胞凋亡信号调节激酶（ASK）的活化。这个激酶和一个无活性复合体中的硫氧还蛋白相联系。硫氧还蛋白半胱氨酸的氧化可能依靠氮氧化物衍生的H2O2，然后被一个过氧化物氧化还原酶（Prx）催化，导致离解，细胞凋亡信号调节激酶（ASK）的活化和细胞凋亡的诱导。

总而言之，氢过氧化物涉及到几乎所有癌变阶段中，它依赖于氧化的程度，而且可能在肿瘤阶段氢过氧化物阻止或者支持肿瘤发展。结果，相同的作用可以被认为是谷胱甘肽过氧化物酶。

6.5 炎症和癌症

炎症和癌症的因果关系首先被盖伦怀疑，之后在1863年鲁道夫菲尔绍指出在恶性组织中的白细胞，然后声称慢性炎症部位的肿瘤在发展。菲尔绍的假说被广泛证实，然后炎症与癌症的联系在各种各样的肿瘤形成中被发现。活化的白细胞和淋巴细胞增生以发挥免疫攻击作用，消除肿瘤细胞，因此肿瘤在一般情况下被抑制。这个重要的活动在肿瘤进展中经常表现得迟钝，由于免疫抑制细胞因子的过量表达，如肿瘤细胞中的转化生长因子-β和白细胞介素-10。相应的，免疫系统拥有双重效应：它可以使肿瘤抑制或者促进。在近来例子中，新生的白细胞产生自由基，改变通路和靶点，这对正常组织的内稳态是决定性的，而且同样地支持肿瘤细胞的生长。通路影响的是细胞生长，DNA修复，细胞周期控制或者细胞凋亡。靶点是主要的癌基因，例如c-Fos, c-Jun, and c-Myc，包括细胞生长刺激和类似P53的肿瘤抑制基因。被核转录因子κB（NFκB）和/或者环加氧酶（COS）调节。

核转录因子κB（NFκB）是第一个被发现具有氧化还原调节的转录因子。它几乎涉及所有的进程，导致恶性细胞的生存。Pikarsky et al.和Greten et al. 的发现核转录因子κB（NFκB）发挥两种不同的作用。在癌症细胞中，它激活抗细胞凋亡基因的表达，例如细胞凋亡抑制蛋白（cIAPs），X连锁细胞凋亡抑制蛋白(XIAP)，A20，同样还有蛋白3诱导的肿瘤坏死因子α，b细胞白血病-淋巴瘤-2（Bcl-2），生存素蛋白和锰超氧化物歧化酶（MnSOD）。在肿瘤相关炎症细胞中，核转录因子κB（NFκB）诱导促炎症调节的表达，其传导生长因子，类似肿瘤坏

死因子α，白细胞介素-6或者肿瘤细胞的活性氧（ROS）任何情况下的网状效应都是肿瘤细胞生存。

环加氧酶催化促炎症前列腺素形成中的关键步骤，例如前列腺素E2。他们的活动被非甾体抗炎药(NSAIDs)抑制，长期吸入非甾体抗炎药(NSAIDs)减少结肠直肠或其他癌症的发病风险。环加氧酶-2在炎症和肿瘤组织中上调，而肿瘤发展在环加氧酶-2敲除小鼠中被抑制。环加氧酶-2级联主要产物是前列腺素E2，它是严重炎症反应中的介质，但是它也直接涉及肿瘤细胞的增殖，迁移和侵袭。前列腺素E2加强肿瘤细胞增殖，通过促生存通路的活化抑制细胞凋亡，例如磷脂酰肌醇-3-激酶/丙氨酸氨基转移酶（PI3K/Akt）通路，或者大鼠肉瘤-促分裂原活化蛋白激酶/细胞外信号调节激酶(Ras-MAPK/ERK)通路。它至少部分，依靠血管内皮生长因子上调诱导血管发生。它支持癌细胞迁移和侵袭。此外，它活化Wnt通路，这是尤其在没有Wnt信号需要的结肠直肠致癌作用下的关键步骤。

总而言之，炎症反应的调节将影响癌症发展，也许是谷胱甘肽过氧化物酶的关键角色。

7. 谷胱甘肽过氧化物酶

含硒蛋白质对硒缺乏的反应不同，这个现象称为“含硒蛋白质的等级制度”。它意味着在硒缺乏情况下一些蛋白质迅速减少，然而其他的保持综合直到硒严重缺乏。一般而言，含硒蛋白质的等级与相关的mRNA稳定性平行，而在等级制度中他们相关的位置被认为反映他们相关的生物学重要性。谷胱甘肽过氧化物酶家族中的顺序如下描述：

GPx2≥GPx4>GPx3 = GPx1

事实上，谷胱甘肽过氧化物酶1和3在谷胱甘肽过氧化物酶家族中等级最低。而在含硒蛋白质家族中只比含硒蛋白质W等级高。谷胱甘肽过氧化物酶-3的作用是保持逃避效应，可以在硒缺乏动物中观察到，这一现象普遍归因于谷胱甘肽过氧化物酶-1的缺乏。

7.1 谷胱甘肽过氧化物酶-1

谷胱甘肽过氧化物酶-1是第一个被鉴定的含硒蛋白质。由于它的减少氢过氧化物能力，被分类为抗氧化压力的酶。Gpx1?/?小鼠正常指示抗氧化防御的缺乏，除非接触氧化压力诱导剂，它也可被其他蛋白质或者那些不会造成任何损伤的正常氧化压力代偿。与此相反，严重的氧化压力杀死Gpx1?/?小鼠，但不考虑硒的补充，然而硒补充的野生型小鼠可以存活。这个发现明确表示，谷胱甘肽过氧化物酶-1不能被其他任何含硒蛋白质所替代，以具有保护不受普遍氧化压力损害，而谷胱甘肽过氧化物酶-1确实是有效的抗氧化酶。拥有这些性质，它对于阻止活性氧（ROS）介导的癌症发生非常有效。和假设一致，谷胱甘肽过氧化物酶-1表达在前列腺癌和乳腺癌细胞中减少。同样，谷胱甘肽过氧化物酶在人类肾组织癌症中减少。