吸煙誘發肺癌中賴氨酰氧化酶作用的分子學機制

摘要：肺癌居全國惡性腫瘤發病第一位，而吸煙又是肺癌的重要致病因子。實驗研究表明，在正常狀態下，LOX與bFGF、ANG處于動態平衡，一旦出現失衡，就會產生病變。吸煙引起LOX的mRNA、蛋白質和催化活性下調節，導致腫瘤抑制子（LOX）和腫瘤促進子（bFGF、ANG）失衡。同時上調細胞巰基改變LOX的分子結構和清除LOX協同因子，銅離子，進一步加劇了LOX損傷，這些表型變化引起細胞和血管增殖的失控，加速了腫瘤的生長和進展。進而，腫瘤過度生長引起細胞血供缺失，產生低氧狀態，啟動了癌上皮向間皮轉化（EMT）。低氧引起的LOX和其底物的上調，為腫瘤轉移提供了一類信號轉導機制。

關鍵詞：賴氨酰氧化酶；吸煙；肺癌；上皮-間皮細胞轉化；細胞巰基

據《2012中國腫瘤登記年報》報告，全國每年新發腫瘤病例約312萬例，平均8550人/d，6人/min被診斷為惡性腫瘤。從病種看，居全國惡性腫瘤發病第一位的是肺癌，居全國惡性腫瘤死亡之首，其次為肝癌、胃癌、食管癌和結直腸癌。前10位惡性腫瘤死亡率占全部惡性腫瘤死亡率的84.27%。死亡率最高者男女均為肺癌。全國調查資料預測，癌癥繼續增加的主要原因之一是吸煙率增高。

吸煙與肺癌：早在2004年Leischow 等[1]報道，全球每年有77.2萬男性和26.5萬女性的新生肺癌是由吸煙引起的，約500萬人因吸煙和暴露于煙環境而早逝。香煙霧是人類肺疾病的最重要的致病因子，它可以引起87%的肺癌死亡率和82%的慢性阻塞性肺病（COPD）死亡率。這是因為香煙霧含有4800多種不同的毒性物質，包括致癌物（例如，尼古丁衍生物NNK）、重金屬（例如，鎘）、氧化物等，它們能夠獨自或協同作用引起肺癌等肺疾病發生[2-3]。戒煙降低肺腫瘤的發生率，也從另一個側面表明了表明吸煙是肺癌的重要致病因子[4]。煙草中含有一種特殊的尼古丁衍生物，稱之為4甲基亞硝胺-1-（3吡啶）-1-丁酮（NNK），現已證明它對嚙齒類動物如大鼠是一種強致癌劑[5]。鎘（Cadmium，Cd）是一種毒性重金屬，對人來說它沒有任何生物學價值，但是煙草能從土壤中吸收并濃縮游離鎘，所以除職業性接觸外，吸煙是人的主要鎘污染源[4-6]。肺臟，作為香煙霧的主要靶器官，能吸收并積蓄超常量的鎘。由于鎘在肺臟的生物半衰期可以高達9.4年[6]，且吸煙者的肺部鎘水平會比非吸煙者要高出7.5倍[7]，故它可以作為吸煙的標記物。由于鎘誘發肺癌，它被國際腫瘤研究學會（IARC）定為一級致癌物[6]。雖已知尼古丁衍生物NNK通過甲基化[8]損傷DNA，而鎘是非基因毒性致癌物[6]，但他們的致癌機制至今尚未完全闡明，需進一步深入研究。

賴氨酰氧化酶（Lysyl oxidase，LOX）與癌： LOX是一種成纖維細胞分泌的銅依賴性酶，通過氧化多肽中賴氨酸殘基，引起膠原蛋白、彈性蛋白和組蛋白的共價交聯，進而形成不溶性的纖維或聚合物以穩定細胞外基質（Extra cellular matrix，ECM）和細胞核，在細胞外基質形成和組織修復中起著核心性的作用[9-10]。LOX含有兩個活性基團：銅和賴氨酰酪氨酸基醌（LTQ）。銅是在高爾基體中參入賴氨酰氧化酶原，并與賴氨酰氧化酶原一起進入分泌小泡，分泌出細胞。另一個活性基團LTQ的形成也發生在高爾基體內，并且只有在銅結合到賴氨酰氧化酶原上之后才能形成此結構，銅催化位于LOX活性中心的酪氨酸殘基形成2，4，5-三氧苯丙氨酸（TOPA），此結構再與LOX 活性中心的賴氨酸殘基反應形成LTQ。因此，銅不僅是LOX的一個活性集團，而且還是形成另一個活性集團所必需的因素。換言之，銅是人體必需的微量元素之一，是LOX的重要輔基，只有與銅結合的LOX才具有活性。LOX是通過活性中心的組氨酸殘基結合二價銅的[9]。純化了的牛LOX活性會被金屬螯合劑如α，α-聯吡啶所明顯抑制[11]，但人類LOX分子由于含有10個半胱氨酸殘基組成5個二硫鍵，所以對維持LOX的分子結構和催化功能有著重要作用[9]，然而香煙中的某些成分卻可以顯著地干擾細胞巰基內環境和銅代謝[12-14]。LOX除了可以作用于彈性蛋白和膠原蛋白外，它還能氧化很多等電點大于8的球蛋白賴氨酸殘基，如堿性成纖維細胞生長因子（Basic fibroblast growth factor，bFGF）和血管生長素（Angiogenin，ANG） [15]。因為腫瘤生長需要生長因子的刺激和血供，所以bFGF 和ANG 又被稱為腫瘤的促進子。LOX則可通過氧化bFGF起到抑制對細胞有絲分裂活性的作用[15]，因此LOX具有調節細胞增殖的作用。

LOX在癌瘤的發生發展過程中具有雙重作用，既是腫瘤的抑制子，也是腫瘤的促進子。LOX是一種腫瘤抑制子由以下多個實驗研究所證實：①LOX能通過拮抗致癌基因蛋白H-ras而起到抑制腫瘤的發生[16]；②在許多人類的自發性癌癥中已發現有LOX表達的缺失[10]；③在很多肺癌細胞系中，LOX mRNA表達水平低下[17]；④人類支氣管源性肺癌從1期進展到5期時，LOX mRNA和蛋白表達顯示出3～4倍的降低[18]；⑤純化的LOX通過滅活某些生長因子如bGFG和ANG，可以起到抑制腫瘤細胞增殖的作用[15]；⑥LOX原酶和LOX前肽通過抑制BCL-2阻抑肺細胞間變[17]；⑦LOX可以抑制組蛋白H1和H2磷酸化[19-21]；⑧B-氨基丙腈（BAPN）可以抑制LOX活性顯著提高染色體的穩定性[21]。因此，LOX抑制腫瘤的關鍵機制可能是調節癌基因的表達、滅活生長因子、穩定核結構蛋白，進而保持了染色體和核的穩定性。LOX是一種腫瘤促進子由以下研究證實：①在缺氧狀態下，高水平的LOX表達會促進癌瘤轉移[22]。這是因為LOX具有化學趨化活性[23]，作為一種細胞外信號，它刺激應激性纖維基質構成因而促腫瘤細胞活動和遷移；②LOX可能通過促進腫瘤細胞的遷移和異質黏附能力，降低其同質黏附能力，促進腫瘤的轉移[24]。

低氧與癌：哺乳動物有氧代謝所需要的氧濃度為40～60mmHg，在生理和病理狀態下，氧氣濃度減少，低于正常值（40～60mmHg）則稱為低氧。缺氧應答基因的啟動子（promoter）含有\"缺氧應答原件（HRE）\"，其中心序列是5'-RCGTG-3'，但在大多數情況下是5'-ACGTG-3'[25]。目前，在100多種哺乳類基因的啟動子區域中都已發現了缺氧應答原件。這些基因調控紅細胞生成、糖酵解、血管生成、腫瘤發生和其他生物過程[26-27]。LOX基因攜有活性HREs，因此對缺氧有高反應性[10，28-29]。缺氧誘導因子-1（hypoxia inducible factor 1，HIF-1）是一種隨細胞內氧濃度而變化并調節基因表達的轉錄激活因子，它由一個β結構亞基和一個α功能亞基構成，α亞基的表達有賴于細胞內的氧濃度[25]。在正常含氧細胞內，主要是HIF-1β表達而HIF-1α水平很低。一旦缺氧，HIF-1α被上調，轉位進入細胞核，與HIF-1β組成二聚體，然后與HREs結合，激活低氧應答基因[25，30]。因此，HIF-1α是一缺氧生物學的標記物。肺實體瘤如非小細胞肺癌常伴缺氧狀態。高表達LOX的腫瘤與低表達LOX的腫瘤相比，前者生存率更低[31]。最近，低氧誘導的上皮-間皮細胞轉化（Epithelial mesenchymal transition，EMT）已經在肺腫瘤發生的模型中被證實[32-33]，由于LOX活性是位于細胞核內，它作為一個關鍵的細胞外基質的信號能夠調節其底物的表達[9]，所以低氧誘發LOX和其底物的上調伴隨著癌上皮向間皮轉化可能是促腫瘤轉移的重要機制。

基于上述之研究發現，完全有理由提出了以下假設：吸煙引起LOX的mRNA、蛋白質和催化活性下調節，導致腫瘤抑制子（LOX）和腫瘤促進子（bFGF、ANG）失衡。同時上調細胞巰基改變LOX的分子結構和清除LOX協同因子，銅離子，進一步加劇了LOX損傷，這些表型變化引起細胞和血管增殖的失控，加速了腫瘤的生長和進展。進而，腫瘤過度生長引起細胞血供缺失，產生低氧狀態，啟動了癌上皮向間皮轉化（EMT）。低氧引起的LOX和其底物的上調，為腫瘤轉移提供了一類信號轉導機制。

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編輯/劉小燕