암에서 항산화제와 ROS 간의 상호작용

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2020

The Complex Interplay between Antioxidants and ROS in Cancer 

http://lab-pages.s1.umbraco.io/media/6033/1-s20-s0962892420300581-main.pdf

 

ROS의 종양 개시/촉진 효과

ROS는 구아닌을 포함한 핵염기의 산화를 통해 DNA 손상을 유도합니다. 

이러한 변형된 염기를 수리하면 돌연변이 유발로 이어지는 오류가 발생할 수 있습니다.

방사선은 ROS의 가장 잘 알려진 소스 중 하나이며 오랫동안 종양 시작 사건과 연관되어 왔습니다[7].

ROS는 또한 단백질 기능에 미치는 영향을 통해 세포 과정을 변경할 수 있습니다(그림
2). 

ROS의 효과는 단백질 산화 정도와 관련이 있습니다. 약한 산화는 세포 신호 전달을 촉진하고 일반적으로 가역적이어서(disul.des, sulfenic acid, sul.nic acid) 단백질 활성 및 신호 전달 네트워크의 급격한 변화를 허용합니다. 대조적으로, 과도한 산화는 말단 산화(설폰산) 및 단백질 기능의 완전한 손실로 이어집니다. 비가역적 시스테인 변형은 단백질 기능에 해로울 수 있지만 가역적 변형은 스트레스 동안 보호할 수 있습니다. 단백질 변형은 항산화제(KEAP1) 또는 대사(GAPDH, PKM2) 프로그램을 활성화하여 ROS 대사를 촉진함으로써 산화 스트레스에 적응하는 데 중요한 역할을 합니다. CoAlation[8,9] 및 glutathionylation[10]을 포함하여 다른 가역적 변형이 내생적으로 발생할 수 있으며, 이는 말단 산화로부터 단백질을 보호하고 대사 재배선을 촉진하는 기능을 변경할 수 있습니다. 종양 개시 및 촉진에 대한 ROS의 영향은 복잡하고 양, 기간, 위치 및 맥락과 관련이 있습니다.

 

그림 1. 반응성 산소 종(ROS)의 유형.

 

슈퍼옥사이드는 NADPH 산화효소에 의해 세포외에서 생성되거나 미토콘드리아 전자 수송 사슬(ETC)에 의해 세포내에서 생성됩니다.
미토콘드리아에서는 철.황(Fe-S) 클러스터를 표적으로 삼아 철(Fe2+)을 방출하고 제2철(Fe3+)을 제1철(Fe2+)로 환원합니다.
슈퍼옥사이드는 슈퍼옥사이드 디스뮤타제(SOD1, SOD2)에 의해 과산화수소(H2O2)로 디스뮤테이션됩니다.
H2O2는 막을 통해 확산되어 단백질 및 DNA와 반응하고 세포성 과산화효소[카탈라제(Cat), 글루타티온 과산화효소(GPX), 퍼옥시레독신(PRDX)]에 ​​의해 물로 해독됩니다.
슈퍼옥사이드는 산화질소(NO)와의 반응을 통해 과산화아질산염(ONOO.)을 생성합니다.
퍼옥실 라디칼(OH.)은 H2O2와 Fe2+의 반응 및 ONOO의 분해로 형성되고 지질 과산화 캐스케이드를 시작합니다.
먼저, OH는 지질과 반응하여 지질 라디칼(L.)을 형성하고, 이는 산소와 반응하여 지질 과산화물 라디칼(LOO.)을 형성합니다.
LOO는 지질과 반응하여 개질(L.)과 과산화지질(LOOH)을 더하여 주기가 계속됩니다.
과도한 지질 과산화는 ferroptosis를 유발합니다.

내인성 항산화제

산화 방지제는 ROS 제거에 참여하는 효소 또는 보조 인자를 설명하는 데 사용되는 일반적인 용어입니다(그림 3).가장 풍부한 내인성 항산화제는 대사 보조인자 글루타티온(GSH)이다.대부분의 상황에서 시스테인이 이 경로의 속도 제한 대사산물이지만., 글루타메이트.와 글리신.도 GSH 합성을 제한할 수 있습니다.GSH 의존성 항산화 시스템 외에도 설파레독신(SRX) 및 티오레독신(TXN) 항산화 네트워크는 H2O2에 대해 높은 촉매 활성을 갖는 효소 세트인 퍼옥시레독신(PRDX)을 재생합니다.

매우 풍부한 GSH 대사 산물과 달리 TXN은 작은 단백질 항산화제이며 덜 풍부합니다.마지막으로, GSH와 TXN에 의한 ROS의 해독은 이러한 항산화제의 산화된 형태를 생성하며, 이는 후속 반응을 위해 재생되어야 합니다.산화된 GSH와 TXN은 NADPH를 전자 공여체로 사용하는 

환원효소[GSH 환원효소(GR), TXN 환원효소 1 및 2(TXNRD1/2)]에 의해 모두 재생됩니다.또한, 산화적 손상은 GSH 및 TXN 시스템 모두에서 효소의 발현을 촉진하여 산화 스트레스를 완충하기 위해 함께 작용할 수 있음을 시사합니다.종양에서 내인성 항산화제의 중요성은 종양 형성 단계에 크게 의존합니다.항산화제는 DNA의 ROS 유도 산화 및 후속 DNA 손상을 방지하여 종양 개시를 예방하는 데 중요한 역할을 합니다.연구에서 항산화제가ROS 유발 종양 개시를 예방하는 직접적인 역할은 덜 명확합니다.

대조적으로, 종양 진행에서 항산화 단백질의 역할은 분명합니다.

 

그림 3. 항산화제의 종류.

 

글루타티온(GSH)은 시스테인, 글루타메이트 및 글리신으로부터 글루타메이트-시스테인 리가제 촉매(GCLC) 및 변형제(GCLM) 소단위 및 GSH 합성효소(GSS)에 의한 2단계 반응으로 합성됩니다. 과산화효소 및 전이효소(GPX 및 GST)는 GSH를 보조인자로 사용하여 과산화수소(H2O2)를 중화합니다.

Thioredoxin(TXN)과 sul.redoxin(SRXN)은 peroxiredoxin(PRDX) 매개 H2O2 해독을 촉진합니다.
GSH 환원효소(GSR) 및 TXN 환원효소(TXNRD1)는 NADPH를 사용하여 GSH 및 TXN을 재생하고 수입된 시스틴을 시스테인으로 환원합니다.
NADPH는 여러 대사 효소(IDH1/2, G6PD, ME1)를 통해 생성됩니다.
지질 과산화는 ferroptosis suppressor protein 1(FSP1)이 있는 GSH 의존적 GPX4 및 GSH 비의존적 유비퀴논GSH-independent ubiquinone(CoQ10)에 의해 제어됩니다.
비타민 E(α-토코페롤)의 외인성 공급은 지질 과산화물을 완충합니다.
N-아세틸 시스테인은 GSH 생성과 단백질 과황화물protein persulfide 의존적 ROS 제거를 촉진합니다.

내인성 항산화제에 의한 종양 개시 예방

일부 연구는 암 발병 예방에서 특정 항산화제에 대한 명확한 증거를 제공하는 반면, 다른 연구는 유사한 맥락에서 종양 발병을 촉진합니다.

내인성 항산화제에 의한 종양 진행 지원

형질전환 시 세포는 미토콘드리아 대사 [44] 및 ROS 생성을 증가시키는 단백질 번역을 포함한 과정을 상향 조절하므로 산화 환원 균형을 유지하기 위해 항산화제에 대한 의존도가 높아집니다.

최근 연구에서는 종양에서 DNA 손상을 제한하고 단백질 항상성을 유지하는 데 GSH의 역할이 입증되었습니다
충분한 GSH 합성이 없으면 종양 세포는 더 진행되고 공격적인 악성 종양으로 진행하는 장벽에 도달합니다. 

GSH의 다운스트림 활용에 관여하는 GST 및 GPX 효소도 종양 진행과 관련이 있습니다. 

GST는 시스플라틴을 포함한 화학 요법을 대사하고 Akt와 같은 발암성 신호 전달 단백질을 활성화합니다
GPX는 종양 진행 중 ROS 생성을 완충하는 데 필요합니다.

Ferroptosis는 항산화 보조인자 ubiquinone(CoQ10)을 사용하는 GSH-독립적 경로를 포함한 여러 과정을 포함합니다
흥미롭게도 상피.중간엽 전이(EMT)를 거친 치료 저항성 암세포는 ferroptosis에 더 민감합니다
TXN 및 TXNRD1과 같은 TXN 시스템의 구성 요소는 종양 성장을 촉진합니다
PRDX1 및 PRDX4의 발현은 악성 조직에서 증가하고 종양 생존을 지원합니다
또한, PRDX6 과발현은 악성 진행을 가속화했습니다[66].

 

과산화물의 대사는 또한 종양 진행에 역할을 합니다.

 

GSH 및 TXN 시스템에서 내인성 항산화제를 재생하는 NADPH는 NADP+에서 재생되어야 합니다.

NADPH의 재생은 여러 대사 과정, 특히 오탄당 인산 경로(PPP)와 1탄소 대사에 의해 촉진됩니다

외인성 항산화제

N-아세틸 시스테인(NAC)입니다.

전임상 증거는 임상 시험을 지지했지만 궁극적으로 이는 환자에게 이익이 되지 않는 것으로 나타났습니다[그러나 NAC에 대한 최근 연구에서는 NAC가 종양 형성도 촉진할 수 있다고 제안합니다. 

NAC와 유사하게 비타민 E(알파-토코페롤)는 보충제로 항종양 가능성이 있는 것으로 크게 간주되었습니다이러한 믿음은 베타카로틴과 같은 다른 외인성 항산화제가 암 발병률을 증가시키는 것으로 밝혀졌을 때도 유지되었습니다

NAC와 유사하게 비타민 E는 폐 종양 및 흑색종의 성장 및 진행을 촉진합니다

또한, 비타민 E는 지질 산화 및 페로프토시스를 직접 예방할 수 있습니다

 

항산화제에 대한 해석은 이러한 분자가 스스로 산화되거나 항산화제와 무관한 효과를 생성하는 능력으로 인해 복잡합니다. 

비타민 C(또는 아스코르브산염)는 식이를 통해 흡수되고 실험에서 일상적으로 외인성으로 보충되는 항산화제입니다. 

최근 연구에 따르면 비타민 C는 탈수소아스코르브산(DHA)으로 자가산화되어 세포의 산화 스트레스를 증가시킬 수 있습니다[94,95]. 

또한 비타민 C는 Tet2의 활성을 촉진하여 조혈모세포(HSC) 기능을 부정적으로 조절할 수 있습니다. 

앞서 언급했듯이 NAC는 대사 및 신호 전달 경로에 영향을 줄 수 있는 H2S를 생성할 수 있습니다

요약하면, 외인성 항산화제를 사용하여 종양 생물학에 대한 세포 내 ROS의 영향을 조사하고 해석할 때 주의를 기울여야 합니다.

그림 4. 다양한 발암 단계에서 NFE2 관련 인자 2(NRF2)의 복잡한 역할.

 

NRF2는 종양 시작, 진행 및 전이에서 이중 역할을 합니다.
NRF2는 항산화 및 해독 프로그램을 통해 산화 및 발암 물질로 인한 DNA 손상으로부터 보호합니다. 

과도한 산화 손상을 방지함으로써 NRF2는 종양 형성의 초기 단계에서 형질전환된 세포의 생존을 촉진합니다.
또한, NRF2는 더 높은 등급의 종양으로의 진행을 촉진합니다. 

전이에서 NRF2의 역할은 복잡하고 종양 및 조직 특이적입니다.
NRF2의 손실은 상피를 촉진합니다. 

활성산소종(ROS)을 통한 중간엽 전이(EMT)는 혈관내/외유출을 지원하기 위해 이동 및 침입을 촉진합니다.
대조적으로, NRF2는 전사 인자 Bach1을 통해 이동 및 침입을 촉진할 수 있습니다.

 ROS는 또한 NRF2가 보호할 수 있는 세포외 기질(anoikis)에서 분리된 세포의 사멸을 촉진합니다.
결과적으로, NRF2와 ROS는 다른 종양 단계에서 복잡한 역할을 합니다.

암에서 ROS 해독의 비정상적인 활성화

세포 항산화 프로그램의 종양 촉진 효과는 여러 암 유형에서 항산화 전사 인자 NRF2의 비정상적인 활성화에 의해 가장 잘 입증됩니다.

NRF2는 GSH 및 TXN 항산화 경로에 있는 유전자를 포함하여 항산화 시스템에서 많은 유전자의 전사를 촉진합니다

흥미롭게도 NRF2 축적은 암에서 흔하며, 이는 항산화 방어 증가가 종양 형성 과정의 한 단계 또는 여러 단계에 기여함을 시사합니다.

다양한 암 유형에 걸쳐 NRF2 축적에 대한 다양한 메커니즘이 존재합니다. 적절한 NRF2 분해를 방해하는 NRF2 및 KEAP1의 돌연변이는 폐를 포함한 여러 암에서 일반적입니다

촉진제 메틸화, p62 매개 격리, 대사산물인 푸마르산염과 메틸글리옥살에 의한 변형의 결과로 KEAP1이 비활성화되면 NRF2가 축적될 수 있습니다.

 

NRF2는 종양 진행의 특정 단계에서 항산화 과정보다 지배적인 역할을 할 수 있는 PPP 및 세린 생합성을 포함하여 항산화 방어 및 증식 과정의 경계면에서 여러 대사 경로를 조절합니다.
중요하게도, NRF2 활성화는 전체적인 시스테인 반응성에 광범위한 변화를 일으키며, 이는 신진대사에 대한 NRF2의 영향이 직접적인 전사 표적에 국한되지 않을 수 있음을 시사합니다.
전이에 대한 ROS의 영향은 복잡하고 모순된 것처럼 보입니다.

ROS는 여러 상황에서 전이를 촉진하는 것으로 나타났습니다.
대조적으로, 세포외 기질(ECM)에서 세포가 분리되면 순환에서 생존을 제한하는 산화 스트레스를 유도하고 항산화제는 보호 및 전이를 촉진하는 것으로 나타났습니다.
따라서 전이에 대한 NRF2의 영향도 복잡하다는 것은 놀라운 일이 아닙니다.

끝 맺는 말

최근 연구에서는 기능이 다른 다양한 ROS 풀이 있다는 아이디어를 지지합니다.

NADPH 산화효소 유래 ROS는 마우스 장에서 증식을 촉진하는 것으로 나타났지만 TIGAR 손실로 인한 ROS는 동일한 세포에서 증식을 손상시켰다.

NADPH 산화효소는 세포외 O2를 생성하는 반면 TIGAR는 PPP를 지원하여 세포내에서 ROS를 보호한다는 점에 유의하는 것이 중요합니다.

또한 항산화 및 전신 유전자 녹아웃 연구를 해석할 때 미세 환경에서 항산화 프로그램의 역할을 고려해야 합니다. 이러한 세포 집단은 기능을 위해 항산화 프로그램과 ROS 생성에 모두 의존할 수 있습니다