砷剂对肿瘤细胞的诱导凋亡作用

1、作者宋铁芳 关键词 肿瘤细胞砷剂，主要成分为三氧化二砷 23，在祖国医药中被称为砒石。 几世纪以前，砷剂就被人们用来治 疗牛皮癣、风湿症、白血病、梅毒、痔疮等。 目前临床上砷剂 的应用主要限于用有机砷治疗锥虫病或三氧化二砷作牙髓失活剂。 哈尔滨医科大学首先报道了静脉滴注 23 治疗复发的急性早幼粒细胞 白血病达到很高的完全缓解率后，上海血液研究所发现23 可诱导细胞凋亡和部分分化。 近年来，国内外对砷剂与肿瘤的研究发展 很快，发现砷剂对恶性淋巴系统疾病、 红白血病甚至实体瘤有令人振 奋的治疗效果。 现就其生化作用及对肿瘤的诱导凋亡作用作一 综述。 1 砷的生化作用砷作为微量元素，存在于正常人体

2、 内。 其化学形式可分为三价砷无机砷和五价砷有机砷，它们在 体内的相互转换和代谢决定着砷的毒性作用。 三价砷毒性较大， 易在体内蓄积，主要经胃肠道缓慢排泄 ; 而五价砷则相对毒性较低， 蓄积倾向低，主要经肾脏较快排泄。 进入人体后的三价砷在肝 脏内还原发生甲基化，形成一甲胂酸或二甲胂酸，从而被解毒。 砷是一种细胞原浆毒，细胞内的相邻巯基是三价砷的主要化学受体。 应用含巯基的还原型谷胱甘肽可阻断砷剂的毒性作用。 含大量 巯基的还原型角蛋白结合砷剂的量为含较少巯基的氧化型角蛋白结 合砷剂量的十倍。 砷剂与酶分子内的巯基作用后可抑制其活性。 受影响的重要酶系统有丙酮酸氧化酶、丙酮酸脱氢酶、磷酸酯酶、

3、细 胞色素氧化酶、脱氧核糖核酸聚合酶、白介素 1B转化酶等，从而直 接影响了细胞的代谢过程、染色体结构、核分裂等。线粒体是对砷剂作用最敏感的细胞器，三价砷消耗了线粒体内亲水的巯基后， 干扰了线粒体内的离子平衡以及的氧化， 从而干扰了线粒体的能量代 谢，引起细胞功能的紊乱。 砷剂是否对正常细胞有毒性作用取 决于剂量，如 23 治疗有效血浓度及体外研究其对肿瘤细胞作用的有 效浓度均在01卩20 ，实验表明23在此浓度下对造血干细胞影响 甚小1 。2 砷剂对肿瘤细胞的诱导凋亡作用与正常细胞不同，肿瘤细胞生长失控，分化或凋亡受阻。近年来研究表明砷剂既可诱导肿瘤细胞凋亡、部分分化，也可抑制其增殖。多项研

4、究表明诱导凋亡为其杀伤肿瘤细胞的主要机制。21 开放，活化家族研究表明， 细胞凋亡发生的关键环节不在细胞核而在细胞质。 虽然凋亡细胞呈现一系列的特征性形态学变化， 但这些改变仅仅是细 胞凋亡的结果。 凋亡细胞在被诱导产生特征性形态学改变和降 解之前，一个最普遍的变化是线粒体膜功能的改变即线粒体的通透性 改变，这是调节凋亡的中心环节。 线粒体通透性转运孔道是 位于线粒体内外膜之间的多蛋白复合体，至少包括胞质的己糖激酶、 外膜的、外室的肌酸激酶、内膜的及基质的亲环蛋白等。 通过 调节线粒体基质中的 2、和电荷，维持线粒体内环境稳定，保证氧 化磷酸化通路通畅，对凋亡控制具有重要作用。砷剂与巯基结合后

5、，导致开放，线粒体跨膜电位下降或消失，继之呼吸链脱 偶联，谷胱甘肽耗竭，活性氧类，产生及对诱导凋亡非常重要的蛋白 酶活化物的释放，包括细胞色素 - 和凋亡诱导因子， - 和均可激活，可 诱导凋亡。 即半胱氨酸蛋白酶家族。 在 4 一种细胞系， 937 及5成神经细胞瘤等细胞系中均可见 23等砷剂诱导的凋亡相关的激活2，3。根据其在细胞凋亡中的作用可分为始动上游 2, 8,9，10和效应下游3, 6，7两大类。前者在凋亡诱导信号作用下结合特异辅因子而活化，并进一步活化后者。而抑制剂 ，等可阻止砷剂诱导的凋亡。因而的活化级联形式是砷剂诱导凋亡的重要通路。综上所述，砷剂引起的开放和破坏是决定细胞生存

6、与否的关键，而是砷剂诱导凋亡的下游效应物， 其活化可诱 导细胞凋亡。 22改变细胞内氧化还原状态细胞内的产生和抗氧化代谢的平衡往往是决定细胞生存与否的关键。蛋白的氧化作用可能是改变核基因转录的重要步骤，氧化作用通过基因转录改 变细胞的表型以便进一步启动凋亡的发生， 且凋亡的最后阶段需要氧 化过程的参与，如细胞膜蛋白的氧化能开放离子通道间接地导致细胞 皱缩，通过组蛋白的氧化修饰作用导致染色体结构的改变。砷剂可使细胞内生成增多是由于1开放，线粒体内氧化呼吸链受阻，致 外漏。2活化黄素蛋白依赖的超氧化物酶如氧化酶，使 22产生增多，后者可通过从线粒体释放-，活化-3并裂解多聚核糖多聚酶而 介导凋亡在

7、受损时可识别并结合到断裂处被激活而参与的修复，是细胞凋亡中第一个被鉴定为由-3降解的修复酶；又可通过与线粒体巯 基形成复合物而降低的活性等途径使清除减少。故砷剂可通过改变细胞内的氧化还原状态诱导凋亡。但将细胞培养于氧浓度低于10不可能产生的条件下，仍可发生凋亡，故这可能只是机制之 一。23 快速调变 Q融合蛋白的亚细胞定位细胞特征性染色体易位15；17导致早幼粒细胞白血病基因和维甲酸受体 a基因 a融合，表达-a融合蛋白。 通过转基因小鼠实验可证实-a融 合蛋白是发病的主要分子基础。体外研究表明， -a 融合蛋白既阻断细胞的分化，也使细胞凋亡受阻。早期认为砷剂通过降解此蛋白而诱导细胞凋亡， 称

8、之为维甲酸受体信号通路 4 。 正 常血细胞中野生型与 a 等共定位于核体中。大多数细胞因 - a与形成异二聚体而使结构解体，阻止细胞分化及抑制凋亡。砷剂使， - a 重新共定位于并快速降解之。该现象与细胞凋亡以及二硫键还原剂二硫苏糖醇抑制 4细胞凋亡与抑制 -a 快速降解在时 相上均有一定的相关性，被认为是砷剂治疗的机制之一。 但有 实验显示 5 ，在小鼠不含基因的小鼠， 23同样能抑制细胞增殖及 诱导凋亡， 且其诱导凋亡效应不仅见于细胞， 还可见于非霍奇金淋巴 瘤细胞、慢性淋巴细胞白血病细胞及某些正常细胞， 故其诱导凋亡机 制是非特异性的，维甲酸受体信号通路并非是砷剂诱导凋亡的惟一机制。2

9、4 抑制-2 基因-2 基因即细胞淋巴瘤白血病 -2基因是研究最早的与凋亡有关的基因69，是一种凋亡抑制基因， 又称长寿基因，是维持癌细胞无限制生长的主要基因。-2 家族包括-2 、- 、- 、 1、-1 3和-1 ，其中、 -是促凋亡因子，其余 为抗凋亡因子。-2 对细胞周期无明显影响，而对细胞死亡的干扰有选择性， 阻止了细胞死亡的最后途径， 包括核苷酸内切酶对的降 解。 是-2 的一种同源蛋白，既可以形成同聚体，又可与 -2 形成 异二聚体，蛋白与 -2 蛋白的比值影响着细胞受到刺激后发生凋亡的比率目前认为， -2 家族促凋亡因子和抗凋亡因子的相对表达水平至少部分决定了细胞对凋亡信号的反应

10、性。 大量实验表明， -2与-能够抑制开放和维持线粒体A,进而抑制 _和从线粒体释放 入胞浆并阻断了的生成， 增加胞内含量并促进其向核内转移， 即有细 胞内抗氧化作用。 在砷剂诱导的 4、937 及细胞白血病细胞系 7 细胞凋亡中-2表达下调10。 在10卩23诱导4细胞凋亡时 11,323 被激活和降解，同时 -2 不仅在水平而且在蛋白质水平均被 下调；而在10卩23诱导恶性淋巴性白血病细胞凋亡过程中既无32激活又无 -2 调变，提示砷剂诱导的凋亡中 -2 发挥的作用各异。有实验表明，25卩2312使肝癌细胞系201-2表达明显下降，而凋亡的 促进因子的表达明显增加，两种基因表达比例发生变化

11、。又有报道，10卩23处理人肝癌-7701、-7703细胞48小时后其-2基因表 达明显下降，和基因表达明显增强， 蛋白与-2 蛋白比值增加。对、-等基因是否表达各报道不同1315。-2的过度表达可抑制砷剂诱导的凋亡相关现象，而通过反义技术使 -2 下调可抑制细胞增 殖及促进凋亡。综上所述，砷剂可通过对 -2 基因的抑制诱导某些肿瘤细胞的凋亡。但 23并不影响恶性淋巴瘤细胞及某些成神经细胞瘤细胞系 -2- 的表达，提示 -2 可能不是参与诱导以上细胞凋亡 的主要中介。25 抑制-k的活化核转录因子-k - k是1986年首先于细胞中发现的一种结合于免疫球蛋白K轻链增强子上的核蛋白16。在正常情

12、况下，-K与其抑制物Ka结合，存在于细胞浆中，Ka遮蔽着-K的基因定位序列，-K的生物学活性不表现出来。当细胞受到外界因素包括细菌或病毒感染、炎症细胞因子、紫外线照射、电离辐射等刺激时，Ka将发生磷酸化并迅速降解，-K就被释放、激活并转入细胞核内调控一系列的基因表 达。 其中，-K在肿瘤细胞中发挥着重要的抗凋亡作用， 因此， 抑制肿瘤细胞-K的活性将引起肿瘤细胞的凋亡，从而抑制肿瘤的生 长。有研究表明17 , 23可强烈抑制-1和-2-1,2细胞的Ka磷酸化，使-K不能进入细胞核中，即抑制了 - K的活化。启动子为-K依赖性的抗凋亡蛋白-1的表达也因此而下调。下降及-的释放导致 -3 激活，进

13、而诱导了 -1 和-2 这两种对大多数凋亡 诱导剂有抵抗作用的细胞发生凋亡。可见，抑制 -K 的活性也是砷剂诱导肿瘤细胞凋亡的机制之一。26使胞质 2浓度升高等 18 发现以 23 处理胃癌细胞系 803 时，胞质 2浓度升高与 803细胞凋亡呈平行关系， 且两者对 23呈时间、剂量依赖性。 推 测砷可能通过以下机制改变胞质 2浓度 1 由于膜表面的 -2 相关蛋白 具有阳离子选择性通道的功能， -2 能在内质网、细胞核和线粒体水 平影响 2的亚细胞分布。因而，砷等凋亡信号对 -2 的抑制作用使 2通道开放，胞质 2浓度升高； 2 细胞内活性升高及砷剂直 接作用于细胞内钙离子转位酶的巯基均可使

14、胞内外2平衡失控； 3线粒体下降使得2+吸收逆转，导致2+由线粒体转移至胞质。 内质网及线粒体内 2耗竭可直接或通过加强线粒体内氧化应激而导 致细胞凋亡，而且，钙离子本身作为一种凋亡信号，可调节钙离子敏 感的关键酶如蛋白激酶、 磷脂酶、核酸内切酶及谷氨酰氨转移酶等诱导凋亡。细胞凋亡与肿瘤的发生、发展是当前研究的热点，探讨砷剂对肿瘤的诱导凋亡作用很有意义，将为砷剂应用于临床提供坚 实的理论基础。参考文献1,23叮,1997 , 893354 33602,1998,339191341 13483,3,1999,4551 259624,1998,90286能刀 n 1998,921497 15046

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16、的研究黑龙江医学，2001, 25281 8213刘琳，秦叔逵，陈惠 英，等三氧化二砷选择性诱导人肝癌细胞凋亡及相关基因的实验研究 中华肝脏病杂志，2000, 86367 36914陈惠英，刘文虎，秦叔逵 三氧化二砷对肝癌细胞株凋亡的诱导作用世界华人消化杂志，2000, 85532 53515徐洪雨，高媛媛，武俏丽，等三氧化二砷抑制人肝癌 细胞株增殖和诱导凋亡作用世界华人消化杂志，2000, 8111233- 123716刘冰熔核转录因子K 肿瘤基因治疗的新焦点国外医学免疫学分册， 2001,2431299813376213217t1232,2001力刃应803, 1999, 3581258-

17、 1263原生生物的主要类群习题一、选择题1、桃花的下列结构中，经过发育最终成为果实的是（）A、子房B、子房壁C、 胚珠D、 受精卵2、呼吸作用的实质是（）A、分解有机物，贮存能量B、分解有机物，释放能量C、合成有机物，贮存能量D、合成有机物，释放能量3、旱地里的农作物被水淹没后，要及时排涝，主要是为了促进（）A、叶的光合作用B、叶的蒸腾作用C、根的呼吸作用D、根的吸水4 、农业生产中对农作物进行合理密植主要是为了（）A、提高作物对水分的吸收B、提高作物对土壤中无机盐的利用率C、提高作物的蒸腾作用D、提高作物的光合作用5、下列关于光合作用原料的叙述中，不正确的是（）A、光合作用的原料是二氧化碳

18、B、光合作用的唯一原料是二氧化碳C、二氧化碳和水都用于制造淀粉D、二氧化碳和水都是光合作用的原料6、晚上，将金鱼藻放在盛有水的试管中，将试管先后放在离白炽灯如下距离处，在相同时间内试管内产生气泡数量最多的是（）、 30 厘米 D 、 40 厘米）、温度低，呼吸作用弱，有机物消耗少、温度低，蒸腾作用弱A、 10 厘米 B 、 20 厘米 C 7 、贮藏蔬菜、水果要保持低温，这是因为（A、温度低，减少细菌病害BC、温度低，促进光合作用积累D二、实验探究题1、下面是验证“绿叶在光下制造淀粉的实验”的具体步骤，请回答有关问题：3小时4 把盆栽的天竺葵放在黑暗处一昼夜。 用黑纸把一片叶的一部分的正面和背面盖住，然后移到阳光下，照射小时。 剪下遮光的叶片，去掉黑纸。 将叶片放在盛有酒精的小烧杯中，再放入大烧杯内隔水加热，叶片颜色逐渐由变成。 取出叶片，用清水漂洗干净。然后放在培养皿里，向叶片滴加碘液。 稍停片刻，用清水冲洗掉碘液。这时可以看到，叶片遮光部分