氧化剂抗氧化剂和当前转移性癌症的不可医治性

氧化剂、抗氧化剂和当前转移性癌症的不可医治性关键词:癌症,活性氧自由基,转移性癌症1.概要绝大多数的药剂通过直接或间接产生活性氧来阻止细胞周期中的关键步骤,从而直接杀死癌细胞(电离辐射,大多数化疗药物和一些靶向疗法)。作为从上皮细胞祖细胞进化而来的间充质癌症,他们几乎不可避免的拥有大量的抗氧化剂,从而有效地阻止其他高效的氧化剂疗法。这也使我们更好的理解为什么抗糖尿病药物二甲双胍(世界上最常用的医药产品)优先杀死氧化能力有缺陷的间充质p53ˉˉ细胞。我们应该在更快的时间内开发更多新的药物来有效对抗p53ˉˉ癌症尽管许多癌症,尤其是血液细胞的死亡率一直在稳步下降,但更重要的数据可能是许多上皮肿瘤(癌)和所有间充质肿瘤(肉瘤)在很大程度上仍无法有效地治愈的。尽管有越来越多各种各样的巧妙设计,基因靶向药物现在也在临床使用,但他们通常只是暂时阻止了多数癌症致命的破坏,如肺癌、结肠癌和乳腺癌,它们已成为转移性的肿瘤并且超越了熟练的外科医生或放射治疗医生所能达到的技术水平。即使我们将很快对大多数癌症是如何发生的以及其在基因和生化水平上的功能有综合性的看法,但现在对于许多经验丰富的科学家们来说它们的“治疗”似乎是一个比尼克松总统在1971年12月开始的“抗癌战争”更加艰巨的目标。这推动了我,40年前把冷泉港实验室转变为阐明癌症的遗传学基础的主要站点是我的信仰,一旦癌症的基因诱导的分子途径为众人所知,药用化学家将继续开发更多有效的基因靶向药物。不像大多数‘抗癌战争’的早期支持者,他们认为DNA损伤的化疗药物在一二十年内会带来真正的胜利,而我认为即便不需要再过四个也得经过三个十年的集中研究，我们才能积极地争取总的胜利[1]。事实上,只有在1988-2003年的人类基因组计划为世界提供了高度精确的三十亿人类DNA序列后，才有可能真正的开始接近癌症的遗传复杂性。2.通过DNA测序揭示癌症的分子途径到现在为止，我们知道在至少几百个人类基因(共21000个基因)上的突变成为严重的异常细胞生长和分裂过程的“驱动程序”的,这就产生了人类的癌症[2]。它们之所以产生这样的结果，是因为他们编码‘信号转导通路’的蛋白质成分,使外部信号(生长因子)从细胞表面受体沿着24条人类染色体移动到关键得启动子-增强子区域。他们开启了控制细胞生长和分裂的基因的表达并且逃避了程序性细胞死亡,后者多造成癌细胞的后期抵抗射线和化学疗法的治疗从而不断生长。最重要的是,细胞中存在多个分子通路参与细胞生长和增殖,每个都有自己的特定的基因表达的表面受体、胞质传感器、启动子和增强子[3]。这些途径之间存在许多潜在的窜话,对于癌症来说，当原有途径受阻时允许新的DNA突变创造新的途径。我们已经知道,以基因BRAF为靶基因的抗黑色素瘤药物Zelboraf的耐药性的产生源自高频率的驱动途径窜话,同时当靶向药物Iressa和Tarceva被应用于抵抗EGFR驱动的肺癌时，也会产生对其的抗药性。鉴于很多晚期癌症看似几乎固有的遗传不稳定性,当有地位的老前辈质疑癌症遗传学是否能够真正治愈大多数广泛转移性癌症的受害者时我们不应该感到惊讶。当肿瘤细胞周边环境成为缺氧性时，伴随着肿瘤细胞经历从上皮细胞到间充质细胞的转换(EMTs)，抗基因靶向抗癌药物在底层的基因表达模式中也产生了激烈的变化[4]。EMTs产生自由浮动的间充质细胞，它们扭曲的形状和持续很高的ATP合成潜能给它们变形细胞样的运动提供了能量,使他们转移至身体其他部位(脑、肝、肺)。只有当他们如此的转移，大多数的癌症才会变得真正地危及生命。3.上皮到间质的转换是转录调节变化的一个结果EMTs离开未受损伤的DNA碱基已有的序列，而改变他们的RNA转录方式。根本的转录调节是位点特异性的DNA结合蛋白质,有时调节RNAs,招募需要的因子到基因来识别这些基因。这包括一般转录因子和酶,利用它们来修改染色体DNA上的组蛋白和DNA本身。这些酶介导甲基化和组蛋白乙酰化作用,并且以各式各样的方式完成核小体的改造和DNA碱基的甲基化,这些改变可以影响特定基因的表达。转录的调节已远远超出了其在影响癌细胞如何应对周围环境的变化中的作用。这一调节成为了所有的伴随受精卵转变到成熟的生物分化细胞(肺、肾等)的多种交换机制的基础。4.IL6状细胞因子驱动间质细胞开始细胞增殖有效的抗间质肿瘤细胞药物产生的许多障碍一直是对外部驱动信号通路推进它们像干细胞一样生长和随后的分化的忽略。直到现在大多数注意力一直集中在Wnt信号途径，该途径发送b-连环蛋白进入细胞核激活TCF转录因子，后者在EMTs和干细胞功能中发挥重要的作用[5,6]。一种更重要的拮抗剂可能实际上已经在引起我们的注意将近二十年，它是一个或更多免疫和炎症的细胞因子中介物,尤其是IL6白细胞介素。例如,IL6血清水平稳步上升,使得无法治愈的癌症越来越危及生命[7,8]。自分泌循环可能存在于细胞因子结合各自的细胞表面受体引起下游基因活性途径，这不仅产生更多IL6而且通过阻断细胞程序性死亡(凋亡)的主要途径给各自的癌细胞一个几乎真正永生的光环。细胞因子推动其他的静止的间质肿瘤细胞生长和分裂，这可能解释了为什么在那些经常服用抗炎药物如阿司匹林的人中很少发生癌症[9]。不幸的是,本身固有的非常大量的蛋白质的表达量的起伏使得间质肿瘤细胞脱离静止状态进入细胞周期使得除细胞因子外的还有其他什么驱动蛋白质可作为药物开发的重点一直非常难以了解。理想情况下,我们应该首先关注发现癌症细胞增殖的抑制剂作为癌细胞生长的抑制剂。这么说，抑制细胞分子构建模块的合成将不仅减缓癌细胞的新陈代谢,而且也会减缓我们身体正常的功能细胞的新陈代谢。相比之下,通过细胞周期阻止蛋白质特定的移动应该远离我们身体绝大多数细胞的正常运作,从而产生更少的副作用。5.基因转录激活因子Myc使得细胞能够通过细胞周期移动一直被认为,与强大的基因转录激活剂Myc相反的蛋白质是开发细胞增殖抑制药物的一个关键。第一个被了解的作用是驱动造血淋巴细胞瘤(例如.伯基特氏淋巴瘤),现在也已经发现Myc是迅速致命的小细胞肺癌的一个关键的驱动因子，同时可能也是很多无法治愈的晚期癌症的驱动因子,包括受体失活和导管乳腺癌。很多Myc可能是大部分真正的不可治愈的癌症的一个必要的特征。与此同时，它开启了1000多种不同的蛋白质的合成，而这些蛋白质是细胞通过细胞周期所必需的。虽然这多数由400个氨基酸组成的多肽在分子水平上是如何工作的还有待解决,但它们似乎发挥了不能由任何其他类转录因子所取代的独特的作用。不像我们的第一直觉,Myc在某种程度上是一个开关基因活动的指令,它是一个表达活动的非线性放大器，除了即时的早期基因表达于Myc之前外，广泛存在于其它活性基因的表达中(10、11)。在开发阻断其促进细胞增殖活性的药物的方面已经做出了很多重要的努力。不幸的是,所有这些方向的努力到目前为止还没有成功。首先在加州大学旧金山分校，GerardEvans的实验室使用一个显性的失活的质粒来阻止所有Myc的功能,而现在英国剑桥大学用一些主要的人类癌症的老鼠异体移植模型来显示Myc在移动通过细胞周期中起的不可或缺的作用[12]。虽然在Myc缺失时老鼠干细胞停止生长和分裂,但是当Myc重新打开时它们能恢复正常的功能。相比之下,在人类癌细胞中关掉Myc，优先驱使它们进入程序性细胞死亡(凋亡)，在此有一个重要例外:胰腺癌细胞不进入凋亡途径,这很可能能够解释为什么胰腺癌对几乎所有的细胞杀伤试剂有如此的抗药性(G.Evans2012,个人的通信)。6.Bromodomain4蛋白质在维持白血病细胞生长和分裂所必须的Myc水平中发挥重要作用从不可治愈的MLL-AF9急性髓系白血病(AML)本质的发现中产生了一个出乎意料的强有力的降低Myc在造血的癌症中的水平的方法，该方法取决于现存的尚未完全了解的蛋白质bromodomain4(BRD4)。当去年开发的用于治疗BRD4驱动的罕见的NUT中线癌的JQ1使用于人类MLL-AF9AML细胞时,他们迅速停止了繁殖和分化成巨噬细胞(13、14)。与此同时,Myc水平迅速下降。最重要的是,JQ1并不阻止正常的巨噬细胞的产生,这表明Myc的在巨噬细胞形成干细胞中的水平不依赖BRD4。它们的形成必须依靠不同的染色体重塑。7.Myc通过多种分子通路被打开不论是在其他癌症还是在正常人类发育中如何开启Myc这一问题仍待解决。同样也不知道在MLLAF9驱动的白血病中BRD4蛋白质在分子水平上是如何帮助开启Myc的合成的。直到今年末抗白血病的JQ1应用于临床,我们才知道确定白血病是否对JQ1具有抗药性将决定其临床效用。不幸的是,答案可能是肯定的，因为人为的绕过BRD4开启Myc引起了对JQ1的抗药性。此外,已知在正常细胞中有多种方式开启Myc的表达,每种方式都会通过信号分子与细胞表面受体特异性结合来开启表达，然后移动通过一个或多个信号传导层面传到细胞核开启细胞生长和分裂所需基因的转录。Myc的合成不仅是细胞因子Jak-Stat3信号转导途径的下游过程，而且也是HER2-RAS-RAF-SHp2-ERK3途径的下游过程,这有助于驱动更多乳腺癌的增长[15]。它们是否相反的流入BRD蛋白依赖的基因活性途径仍然需要未来去揭示。在我们从无法治愈的癌症到真正的终身的治疗中能够经常性的超越推迟死亡之前，多种抑制Myc的特异性药物可能是在我们的储备之中。8.通过RNAi筛选检测关键的癌细胞缺陷BRD4蛋白是主要的不可治愈的AML的致命的缺陷之一已为人所知，这不是因为一次偶然的观察,而是因为使用了一个强大的新的用来检测癌细胞所特有的分子缺陷的方法。冷泉港实验室的GregHannon在过去的几年中通过特异设计的具有发卡结构的小片段RNA分子(shRNAs)来敲除单一功能的人类基因已确定了BRD4蛋白的核心[16]。一个基因组shRNA库包含多种探针(4至6种)以应对每一个人类基因拥有的大约100000个的shRNAs。广泛的测试它们对抗仅仅是癌症的一种类型仍然是一个艰难的、逻辑的挑战，这可能需要1-2年的时间构建更“大的科学实验室”。然而,更小的高度集中的图书馆现在可以被高质量的大学水平的科学实验室所配置，用以为发现可能的分子缺陷提供已经存在的提示。总是无法治愈的急性成髓细胞的白血病(AML)的形式起源于参与表观遗传染色体重塑的一个关键基因的重组,有上述预先准备的知识，ChrisVakoc和JohannesZuber在冷泉港实验室发现了有基因活性BRD4是MLL-AF9人类AML的一个最明显的潜在的分子缺陷。他们是通过大约只有1000个探针的筛选库来设计敲除234个编码参与表观遗传驱动的基因表达的关键蛋白质的基因。最近,Vakoc通过目前存在的抗癌药物发现了其他三个主要的蛋白质成员(Menin,Ezh1/2和Eed),它们与BRD4一起起作用使MLL-AF9AML不可治愈[17]。药物抑制它们各自的功能应该也提供了有效的抗AML的作用。Ezh1/2和End为阻碍特定基因表达的多梳蛋白指定遗传密码,而Menin基因像BRD4基因激活基因的表达。Ezh1/2和End功能的缺失阻碍CdKn2a基因编码的具有广泛的细胞周期进程阻塞作用的p16和p19蛋白的表达。Menin蛋白质的分子作用可能涉及其已知的对MLL的结合。像BRD4一样,Menin蛋白质可能起提高Myc水平的作用。找出在肿瘤发展期间这样的染色体重塑依赖性是如何的出现和发展的，这将直接影响基于表观遗传的抗癌疗法的临床实施。9.BRD4功能不仅对于快速增长的白血病,并且对于大多数危险的淋巴瘤和骨髓瘤都是至关重要只要有可能,我们必须更详细的了解药物JQ1的抗癌作用超越MLL-AF9-特异的AMLs到什么程度。我们已经知道,在老鼠身上它同样可以阻止AML的非MLL的重排的种系以及急性淋巴细胞白血病(ALL)的所有形式，使其能够更好地治愈。BRD4提高Myc水平的能力因此可能得到了扩大，几乎超越了所有的白血病。ALL的多梳蛋白是否像AML的那些蛋白一样,也能关掉抑制细胞周期的Cd