宫颈癌与细胞核转录因子NF-E2相关因子2

Cervical Cancer and the Nuclear Transcription Factor NF-E2-Related Factor 2

摘要: 宫颈癌的发展主要归因于高危人类乳头状瘤病毒(HR-HPVs)的感染。近年来发现HPV阳性宫颈癌的恶性生物学行为考虑可能为氧化应激环境的作用促进了病毒对宫颈鳞状上皮组织慢性感染所致的持续病变。抗氧化应激核心途径中的核转录因子E2相关因子2 (Nrf2)和Kelch样ech相关蛋白1 (Keap1)成分对于稳定内环境至关重要。肿瘤的发展与Nrf2的过度激活有很大关联，而这一激活则引导了一系列涉及赋予肿瘤恶化特性自我增殖、迁移、调控基因的表达。Nrf2因具有多面性功能，研究者正尝试通过抑制Keap1-Nrf2-抗氧化反应元件(ARE)路径，来发展针对性癌症治疗方法。进行临床研究对相关靶点设计进一步的治疗方案，对宫颈癌治疗预后进展至关重要。

Abstract: Cervical carcinoma advancement is primarily linked to the presence of oncogenic human papillomavirus (HPV) types. Recent investigations suggest the neoplastic activities associated with HPV-positive cervical neoplasms could stem from oxidative stress, which drives prolonged pathological transformation in the cervix’s epithelium as a consequence of continuous viral onslaught. The Nrf2/Keap1 signaling pathway is a key molecule regulating oxidative stress. The Nrf2 protein is activated in tumors, and activated Nrf2 participates in malignant biological behaviors such as tumor cell replication, implantation, and invasion after being activated by multiple target genes. Modulating the interaction among Keap1, Nrf2, and the antioxidant response element (ARE) is increasingly recognized as an elaborate approach in cancer therapy, given Nrf2’s complex regulatory effects. Advancing clinical investigations to devise sophisticated therapeutic strategies targeting specific molecules is imperative for enhancing the treatment outcomes of cervical carcinoma.

1. 引言

在中国，宫颈癌的发病率占全世界宫颈癌新发病例总数的28.8%。因此加强宫颈癌防治基础研究、提高宫颈癌整体诊治水平是摆在广大医务工作者，特别是宫颈肿瘤专业人员面前的重要课题。最近的研究表明[1]，人类乳头瘤病毒(HPV)阳性的宫颈肿瘤展示的恶性特性可能与氧化应激的影响有关，这种环境压力被认为其加剧了持久性病毒感染导致的宫颈上皮细胞的长期变异。

在抵抗氧化应激的分子机制中，Nrf2 (NF-E2相关因子2)扮演着核心角色，并与Keap1及抗氧化应答元件(ARE)相互作用。该转录因子在维护细胞对抗氧化损伤、防止程序性细胞死亡、以及抑制炎症过程中发挥着至关重要的职能[2]。最近的研究揭示了Nrf2在细胞对癌症化疗药物的耐受性中逐渐表现出的显著高活性的作用[3]。

2. Nrf2/Keap1/ARE信号通路

Keap1-Nrf2-ARE系统是关键的抗氧化生物途径，监管细胞内第二相酶如过氧化氢酶(CAT)、超氧化物歧化酶(SOD)和谷胱甘肽磺基转移酶(GST)、醌氧化还原酶(NQOI)、重链谷氨酸合成酶(γ-GCSh)和轻链谷氨酸合成酶(γ-GCSl)和血红素加氧酶(HO-1)的基因表达。这一信号途径的研究可以分为两个阶段；最初被视为肿瘤生成和发展的保护机制，但最新研究[4]发现，这一途径也可能促进癌症的增长、迁移和耐药能力。

2.1. 核转录因子E2相关因子2 (Nrf2)

Nrf2属于碱性亮氨酸拉链转录因子，隶属于CNC (cap'n'collar)家族。Nrf2通过不同的Nrf2/ECH同源结构域(即Neh1至Neh6)发挥作用，其中每个结构域承担独特功能。

Neh1结构域通过与Maf蛋白形成异源二聚体，实现对ARE的识别和靶基因转录的激活；Neh2负责Nrf2与Keap1的结合，从而影响Nrf2的活性；Neh3贡献于提升Nrf2目标基因的转录；Neh4和Neh5域则参与激活下游基因的转录过程；Neh6部分则在氧化应激状况下调控Nrf2的降解(作为负向调节功能)；而Neh7通过与视黄酸X受体α (RXRα)的作用，能够抑制Nrf2的细胞保护功能[5]。

2.2. Kelch样环氧氯丙烷(ECH)相关蛋白-1 (Keap1)

Keap1是Nrf2抑制因子。正常条件下，Nrf2在Keap1的约束下被限制在细胞质中，无法进入核内。然而，当细胞遇到特定的激活信号，Keap1的三维结构遭受扰动，这导致Nrf2从它的约束中释放出来并迁移到细胞核中以激活其功能[6]。PKC、MAPK、PI3K/Akt等激酶参与Nrf2的活化，通过直接或间接作用调控Nrf2的丝氨酸或苏氨酸残基磷酸化来激活Nrf2。

2.3. 抗氧化反应元件(ARE)

ARE是机体抗氧化过程中重要的顺式作用元件，位于II相解毒酶和抗氧化应激酶基因上游调节区，是一个特异的DNA启动子结合序列。细胞内一个关键的调控蛋白Nrf2，在得到启动时与Keap1解绑并迁移至细胞核，进而与特定的Maf蛋白(如Maf G、Maf K、Maf F等)形成独特的异源二聚体。这一新形成的复合体能够与ARE序列相互作用，触发受ARE控制的基因的转录活动。继而，诸如II相解毒酶和防抗氧化应激力蛋白等细胞保护性基因得以表达，引发细胞内一防御机制。由于ARE对Nrf2的响应具备高度特异性，Nrf2的作用在维持生物体内抗氧化平衡方面变得尤为关键，成为了细胞防护机制的一个主要作用点。

2.4. 激活机制

正常情况下，Nrf2和细胞骨架相关蛋白Keap1以N端的Neh2区域结合成非活性二聚体的形式存在于细胞浆中，从而使保护细胞的酶类和抗氧化物处于基础表达水平，细胞处于稳定状态。

生物体内防御机制的启动可由以下步骤触发：首先，氧化应激或特定化学物质作用于Keap1，引致其构成氨基酸的硫醇基团产生变化；其次，细胞内的信号传导机制，特别是蛋白激酶C (PKC)的激活导致Nrf2蛋白发生磷酸化作用。各类分子，如某些酶类的诱导剂，能够激活PKC或其他类似的蛋白激酶，进而引起Nrf2在Ser40位点磷酸化，降低蛋白水解酶对Nrf2的分解作用而增强其稳定性。Nrf2从Keap1中脱离出来后，迁徙至细胞核内，并在那里与Neh1区域的Maf蛋白联结，形成新的蛋白复合物并与抗氧化反应元件(ARE)序列的促进子区域相互作用。随后，该复合物进一步与Neh4和Neh5域发生交互作用，进而启用Nrf2所调控的后续基因群，应对由环境和体内产生的各种伤害性刺激。

2.5. Nrf2/Keap1/ARE信号通路的下游基因

2.5.1. II相解毒酶基因

细胞内的I相解毒酶，诸如细胞色素P450，能够将潜在致癌的化学物质转变为活性更强的形式。而另II相解毒酶则通过提升致癌物的水溶性来促进其从机体内排除；同时，像过氧化物还原酶1 (Prx1)这样的基因，其启动子区域含有Nrf2和ARE的结合位点，受到Nrf2的积极调节，从而被激活。诸如NQO1、GST、UGT1A6、黄曲霉素B1醛还原酶和微粒体环氧化物水解酶等其他基因的启动子区也可能存在相似的调控序列。

2.5.2. 抗氧化蛋白基因

此类蛋白与II相解毒反应有交叉作用，涉及范围可能包括锰依赖型超氧化物歧化酶、GSH及其相关生成和再生蛋白(例如GSH生物合成酶，GSH还原型再生酶、连接酶和谷胱甘肽-S-转移酶)，同样还有血红蛋白的氧合酶1，以及NAD(P)H依赖的醌类物质还原转化酶。

3. Nrf2-Keap1-ARE信号通路与肿瘤的关系

激活后并且稳定的Nrf2进入细胞核后与小型Maf蛋白质交互形成非同质性组合体。这个特殊结构的Nrf2-Maf复合体会与抗氧化应答元件紧密地相连，并推进许多防护性抗氧化基因激活。由此可见，Nrf2在细胞生理调控中扮演着关键角色。

在未变异的细胞里，Nrf2通路承担着维系细胞环境均衡及维护基因组完整性的任务，并发挥抗癌功能。反观在癌症状态下，Nrf2则扮演着维护癌细胞环境、防护它们不受破坏，显示出类似于致癌基因的性质[7]。癌细胞内部的Nrf2激活会导致多重目标基因启动，这样的激活参与了癌细胞的生存机制，包括繁殖、增殖与侵袭等恶性特征。当细胞正常运行并阻止病态发展的时候，Nrf2调控的下游基因对抗氧化压力起到防护作用，保障细胞的健康运作和保持内部稳定。但在已变异甚至转变为癌细胞的情况下，Nrf2的过度活跃可以提升那些细胞对药物干预的抵抗力，并助长癌细胞扩张。

3.1. Nrf2-Keap1-ARE信号通路具有抑制肿瘤的作用

研究显示，在某些癌症案例中，Nrf2该基因可能扮演着阻止疾病进展的角色。通过对Nrf2基因进行敲除的实验鼠较之于正常的对照鼠，观察到显著的生物变化，如谷胱甘肽转移酶以及其他抗氧化相关蛋白的自然生成率降低，活性氧种类的水平增高，这种氧化削弱渐趋明显并最终导致DNA的损害，这潜在推动了恶性肿瘤的形成[8] [9]。进一步的实验指出，在缺乏Nrf2基因的实验鼠中，通常用来刺激Nrf2的特定化学物质无法产生预期效果[10] [11]。这些发现共同揭示了Nrf2在维护生物体抵抗环境危害及应对氧化压力方面所发挥的关键作用。Nrf2与胃癌的关系[12]，在缺少Nrf2表达的实验鼠之中，与正常基因表达的小鼠相较，它们在面对某些致癌物如苯并(a)芘暴露时容易发展胃癌。Nrf2与肠癌的关系[13]，使用氮氧基甲烷和右旋糖酐硫酸钠刺激Nrf2缺陷小鼠后，显著提高了小鼠发生肠道恶性肿瘤的概率。

3.2. Nrf2-Keap1-ARE信号通路具有促进肿瘤的作用

虽然众多研究显示激活Nrf2对解毒和防范包含癌症在内的多种病症有益，但它的过度和持续激活却可能对某些癌症起到推波助澜的效果。这是因为它会通过调整癌细胞的新陈代谢和激活数个生物信号通路而发挥促进肿瘤的功能。某些研究发现，Nrf2在部分肿瘤中呈现过量表达，并且这与病人较差的生存预期有关。关于头颈癌[14]的研究报道，肿瘤对顺铂药物的耐受性与Nrf2的作用有关；Nrf2与肺鳞癌[15]，Nrf2与SLC7A11的高表达与较差的生存率和较差的治疗结果有关，且SLC7A11介导的铁依赖型细胞死亡可阻断NRF2所导致的对放疗的耐药性。在胰腺癌方面[16]，KRAS是一个关键的激活因子，既推动新陈代谢，亦会增强Nrf2的表达。Nrf2的存在使得携带KRAS突变的胰腺癌病患对化疗表现出抵抗性，这与不佳的病情预后相挂钩。Nrf2与食管鳞癌[17]，Nrf2的过表达增加了恶性肿瘤和对放化疗的耐药性；Nrf2与口腔鳞癌[18]，该研究结果表明在Nrf2耗竭后，肿瘤的迁移能力受到抑制。而当Nrf2过表达时，则产生促癌作用。Nrf2的过度表达有时候会触发癌细胞的过度繁殖，促使肿瘤细胞适应并生存下来，抵御放化疗的攻击[19]。

4. 细胞核转录因子Nrf2与宫颈癌的关系

氧化应激在癌症的形成过程中扮演着决定性角色[20]，因其能够对各种生物大分子(包括DNA、脂质、蛋白)造成损伤，导致基因以及表观遗传层面的变动，并可能引发致癌相关基因的功能紊乱及肿瘤抑制基因的不当调节。这种损害作用可能会干扰到对DNA修复、细胞生存和细胞增长至关重要的信号通路，从而促进肿瘤的形成。因此，那些能引发氧化应激反应的蛋白和调节因子正成为癌症研究的焦点，它们不只是作为检测癌症的生物指标，也是评估预后和潜在的疗法目标。

Keap1-Nrf2-ARE调控网络在维护细胞对抗氧化损伤方面发挥着重要作用[21]，并且干扰这一途径是现代抗癌治疗战略中的一个焦点。相关研究指出，Nrf2在维持低水平的生理状态下有助于消除自由基、癌原物以及其他可能导致DNA损伤的因素，这有助于防止癌症的生成及其扩散[22]。然而，Keap1-Nrf2途径的过度活化并非在所有癌症发展的场合中均显益处[23]。在某些情况下，癌细胞内Nrf2的增加活性可能有助于这些细胞逃避破坏性的氧化压力，这涉及到了常染色体突变、Keap1和Nrf2之间的结合中断以及Nrf2的异常过活[24]。激活的Nrf2在癌细胞中可能促成对化学治疗的耐药性，中断药物引发的氧化应激反应并保护癌细胞躲避药物引导的死亡。Nrf2还有可能通过促使细胞增殖相关基因的活化来帮助肿瘤细胞避免程序性细胞死亡[25]。

研究[26]揭示了在宫颈癌组织中，Nrf2这一蛋白质与正常组织相比有着显著过量的表达。这指出在健康组织环境下Nrf2的活动水平是相对稳定的，而在癌变组织中，该蛋白质的活性被突然激发。进一步观察到Nrf2及其下游效应蛋白HO-1的表达量增加，这为宫颈癌早期干预提供了一种潜在的策略。其他研究[27]证实了这一见解，显示出相比于正常的宫颈细胞系HCK1T，宫颈癌SiHa和C33A细胞系展示了Nrf2表达的增长，这种现象似乎是宫颈癌形成的显著特征。在宫颈癌细胞中，Nrf2主要位于细胞核之中，尤其是鳞癌和鳞状上皮内病变的情况下。相反，在正常宫颈上皮细胞中，Nrf2大多位于细胞质内。Nrf2在宫颈癌中的核内表达量与核外表达量相比具有统计上显著的上升，特别是在癌症的后期，这种现象伴随着抗氧化相关下游蛋白表达增加[28]。

5. 细胞核转录因子Nrf2与宫颈癌治疗

在宫颈癌细胞类型中，HeLa和SiHa细胞线对化学治疗显示出比C33A细胞更高的敏感性[29]，这种现象与Nrf2基因在这些细胞中的较低表达水平有关。降低Nrf2的活性，并结合化疗，这样的策略有望突破传统的肿瘤治疗方法，成为新的靶向疗法。探索能够有效抑制Nrf2的传统药物或者天然化合物，对于抑制正常细胞向癌变细胞的转化具有至关重要的价值，这不仅有助于减少恶性肿瘤的发生率，还可以作为化疗的助手，增加肿瘤细胞对药物的敏感性，抑制癌细胞的扩散。这是癌症预防领域的关键发现。许多自然化合物已被发现能够对Nrf2/ARE途径产生作用，通过激活解毒酶的表达来促进致癌物质的代谢，从而在癌症治疗中发挥一定的抑制作用。通过调节剂可以调控Nrf2的表达水平；而Nrf2自身也可以调控与化疗耐药性相关蛋白的表达，进而影响治疗的有效性。鉴于Nrf2途径在抗氧化反应中的重要性，它被视为宫颈癌化学预防和治疗的潜在新靶点，开辟出癌症治疗的全新方向。

5.1. 天然和合成化合物对Nrf2的调节

许多小型分子被开发出来，并已被验证为具有抗癌能力。例如，一种植物提取物[30]能显著地减少Nrf2在癌细胞中的活性，阻断其转录作用。进一步的研究还揭示了这种提取物能够抑制谷胱甘肽合成所需的酶活性，从而在癌细胞内部降低谷胱甘肽的含量，该机制有助于癌症治疗。更重要的是，该提取物被发现可能提升化学治疗药物对癌细胞杀伤效果，同时减少了细胞对这些药物的排出。

多个实验研究表明，存在一组化学分子能干预Nrf2的激活状态。这些分子包括维生素C、木槿素、赭曲霉毒素A、甘油三酯、全反式维甲酸[31]、杜鹃花提取物(RLE)、花青素-3-O-糖苷(C3G)、抗坏血酸硬脂酸酯(Asc-s)和二甲双胍[29]等。这些化合物对于抑制Nrf2具有潜在的疗效，但仍然需要深入探究它们在生物体中的具体机理和长期使用的安全性。

5.2. Nrf2调节剂调节Nrf2表达

MBNL1作为一种RNA结合蛋白，在RNA处理和代谢中扮演重要角色[32]。最新的研究指出，在治疗癌症过程中的抗药性现象，尤其对化疗药物的耐受性提高，可能与RNA结合蛋白有着直接的联系。具体到宫颈癌案例，比起健康组织，RNA结合蛋白在宫颈癌患者体内的存在量明显降低，其中MBNL1的缺乏与病情预后不良紧密相关。在宫颈癌细胞线HeLa中，MBNL1的人为增强能够促进Nrf2蛋白的降解，并降低NQO1与HO-1等Nrf2路径下游目标的活性。这些发现表明，MBNL1的低水平表达可能与其在调节Nrf2路径及其相关靶点中的作用有关，这一过程可能导致化疗药物，比如顺铂的耐药性增强[33]。

蛋白质GS28，高尔基复合体中的一种蛋白，被发现参与了细胞内部物质的高效运输。在某些癌症中，特别是宫颈癌和结直肠癌中，此蛋白的过量表达与病情的严重程度有关[34]。针对宫颈癌细胞，特别是HeLa细胞，GS28通过启动ERK通路来提升Nrf2的水平，这一过程对抗氧化压力有所帮助，但同时也可能导致化疗药物的耐药性[35]。

5.3. Nrf2沉默

在恶性肿瘤中，存在一小部分细胞称为肿瘤干细胞，这些特殊的细胞拥有较高的分裂能力、更新自身的能力和较强的侵略性。这些细胞在肿瘤的再生、扩散及对化学治疗药物产生抵抗方面扮演着至关重要的角色[36]。科学研究揭示，当宫颈癌中的肿瘤干细胞的Nrf2被抑制时，一些关键蛋白质，如ABCG2 (ABCG2，一种atp结合盒外排转运体)和bcl-2 (细胞防止程序化死亡的蛋白)的激活水平下降，这反过来使得肿瘤细胞对化疗药物如顺铂、5-氟尿嘧啶、紫杉醇和奥沙利铂的敏感性增加。此项研究的结果表明Nrf2的活性在控制治疗效果和预测疾病预后方面起到了关键作用[37]。

Nrf2-Keap1-ARE信号途径对许多包括癌症在内的疾病的发展具有至关重要的影响，探索涉及这一通路的病理机制有利于建立更有效的治疗目标和策略。癌症研究中，Nrf2既有助于癌细胞生长也可以抑制肿瘤发展，这给以Nrf2作为疗法靶标的研究带来了挑战，从而使得对Nrf2-Keap1-ARE通路和与之相互作用的分子以及信号网络的研究变得极其关键。

NOTES

^*通讯作者。