放射治疗是肿瘤综合治疗的重要组分,大约有50%的肿瘤患者在治疗中接受放射治疗^[1]。放射治疗主要通过造成靶细胞的DNA损伤来发挥治疗作用。DNA的损伤可由放射直接引起,也可通过间接产生活性氧引起。活性氧参与癌症发生,并且在细胞有丝分裂和肿瘤发生过程中起到信号分子的作用,活性氧产生过多将对正常机体的组织结构和功能产生损害。锰超氧化物歧化酶(manganese superoxide dismutase,MnSOD)属于酶性抗氧化剂,保护细胞免于活性氧的损害,是超氧化物歧化酶家族重要的一员^[2],近年来发现其在肿瘤细胞发生、发展和辐射防护、肿瘤放疗增敏方面起着重要的作用。

MnSOD是一个高度调节的超氧化物歧化酶,参与调节多种不同的细胞进程,如组织的能量代谢、细胞周期调控、增殖、细胞凋亡等^[3],并在维持线粒体的完整性上发挥重要作用,其含量下降可通过损害氧化磷酸化导致三磷酸腺苷(ATP)产生减少。癌细胞的线粒体存在缺陷,并且多数肿瘤在进展期间表现为瓦氏效应,即氧浓度处于生理状态下,肿瘤细胞也主要通过糖酵解而非氧化磷酸化来产生ATP;MnSOD活性和葡萄糖消耗量成负相关,提示MnSOD可能在瓦氏效应中发挥主要的调节作用^{[4, 5]}。

肿瘤中MnSOD的水平较低时可促进肿瘤的增长,而表达增高时在体内和体外都有抑制细胞增殖的作用。MnSOD在过表达的时候,能抑制癌症的很多种典型特征,包括增高的增长率、侵袭性、锚定非依赖性细胞增长^[6]等;有学者在皮肤癌诱发模型中发现,MnSOD过表达可以降低致瘤性,它通过调节p53和AP-1的功能起到抑制肿瘤发生的作用^[7]。MnSOD还起到肿瘤抑制因子的作用,能抑制细胞增殖和促进肿瘤细胞凋亡,并且能影响某些转录因子,如激活蛋白AP-1、核因子NF-κB、p53的活性^[8]。

有研究指出高水平的MnSOD与肿瘤细胞的侵袭性增强有关系^[9],并且MnSOD过表达可增加基质金属蛋白酶的表达,进而促进肿瘤细胞的转移。另有研究发现,MnSOD代谢产生的H₂O₂可以通过激活Snail信号通路和抑制钙黏蛋白的表达来促进肿瘤的侵袭和转移^[10]。多发性骨髓瘤细胞中MnSOD的表达增高可以促进白介素6介导的放疗和化疗抵抗,沉默MnSOD的表达可抑制骨髓瘤细胞对放疗的抵抗性^[11]。

MnSOD在多数肿瘤中的表达是降低的,如乳腺癌、胰腺癌、卵巢癌、食管癌等。亦有研究指出,MnSOD在某些肿瘤包括胃癌、食管癌、肺癌、结直肠癌中表达增高,并且癌细胞中MnSOD水平较高的时候,肿瘤的侵袭性和转移潜能也增高,并且预后较差^[12]。

在对肿瘤发展过程中MnSOD的表达和酶活性关系的研究中,发现MnSOD的活性在肝硬化患者中降低,但是MnSOD蛋白含量和活性在肝脏恶性肿瘤中较良性肿瘤增高^[13]。在一项小鼠皮肤癌的诱导研究中发现,MnSOD蛋白表达在皮肤癌形成早期较低,但是在晚期则是增高的^[14]。上述研究提示,MnSOD在不同的肿瘤以及同一肿瘤的不同发展过程中,其表达特点和作用机制也不尽一致。

MnSOD在肿瘤发生、发展中的调控作用包括在基因转录中和转录后的调节、表观遗传调节以及翻译后调节。MnSOD的基因多态性也与肿瘤的发生有关^[15],MnSOD基因多态性在某些肿瘤中促进肿瘤的发生、发展^{[16, 17]},而在其他肿瘤中则与肿瘤发生没有显著性关系^{[18, 19]}。

人MnSOD基因5'和3'侧翼区域的序列分析显示,侧翼区域具有Sp1、Ap1、Ap2和NF-κB多个调控模体的结合位点。细胞中Sp1蛋白的不同水平可通过MnSOD启动子上GC结合模体进行调节;Ap2可作为p53的转录靶点,核内高水平的p53能反向调节MnSOD的基因转录^[20]。

基因的表观遗传调节是在不改变DNA序列的情况下对DNA分子进行合适的修饰,从而引起基因表达的改变^[21]。MnSOD基因的表观遗传调节包括组蛋白的甲基化、乙酰化和DNA甲基化,可导致遗传不稳定性,进而促进肿瘤的发生^[22]。如在乳腺癌中,MnSOD呈高水平表达与H3组蛋白的超乙酰化有关^[23]。

MnSOD转录后修饰,包括mRNA稳定性、mRNA加工、mRNA翻译^[21]。RNA加工产生的外显子能以多种方式进行连接,编码不同大小蛋白质。这样,一个单拷贝基因可以通过选择性剪接来编码多个蛋白质^[24]。

翻译后修饰也在调节MnSOD蛋白功能方面起到重要作用,MnSOD的翻译后修饰,主要包括硝化、磷酸化、乙酰化。有研究显示,MnSOD的122位赖氨酸残基在去乙酰基后能增强酶活性^[25],Kim等也确定53位和89位赖氨酸是调节MnSOD酶活性的乙酰化靶点^[26]。

MnSOD对正常细胞有辐射保护作用,能降低辐射的毒性作用,提高正常细胞对辐射的抵抗力^[27]。静脉应用过表达MnSOD的骨髓间充质干细胞治疗辐射引起的肠损伤小鼠,可以提高小鼠的生存率、降低腹泻发生率和保护小肠结构完整性^[28];小鼠静脉应用MnSOD质粒脂质体,可使小鼠存活率显著提高^{[29, 30]};在小鼠食管内给予MnSOD质粒脂质体能降低辐射引起的基因同源重组,起到辐射防护的作用^[31]。

早年Zhong等发现大鼠胶质瘤细胞过表达MnSOD时,其辐射敏感度亦显著增加^[32],近年有研究发现某重组体MnSOD兼有正常细胞防护和肿瘤细胞放射增敏双重效应^[33],MnSOD基因治疗可以显著增加鳞癌的放射敏感度^[34],食管癌细胞适度过表达MnSOD可以提高放射敏感度,而高度过表达则降低放射敏感度^{[35, 36]}。上述研究表明,Mn-SOD在肿瘤细胞内的过表达可以明显增强肿瘤的放射敏感度,其机制可能与肿瘤细胞内的MnSOD活性增高导致H₂O₂含量增高,与辐射处理后产生的活性氧起到协同作用,促进细胞凋亡。

另有研究表明,利用miRNA使鼻咽癌细胞中MnSOD mRNA和蛋白的表达下降,能提高鼻咽癌细胞对辐照处理的敏感度^[37];HeLa细胞过表达Mn-SOD能减低辐照后细胞内的活性氧水平,提高细胞的存活率^[38]。另有研究发现,MnSOD的表达上调是胰腺癌细胞获得辐射抵抗的机制之一^[39]。不同类型的肿瘤细胞内的氧化还原微环境处于不同的状态,对于MnSOD和辐射治疗的反应有所不同,造成不同类型的肿瘤之间实验结果存在差异。

综上所述,MnSOD是人细胞内最重要的抗氧化酶之一,在维持细胞的正常代谢过程、稳定细胞的氧化还原微环境以及肿瘤的发生、发展和临床治疗中都具有重要的作用。鉴于肿瘤的发生机制复杂,受到多种因素的影响,在不同类型的肿瘤、不同的病理过程中MnSOD的表达和干预效果也不尽一致。MnSOD在肿瘤放射治疗时兼有保护正常组织和杀死肿瘤细胞的作用,不仅可以提高肿瘤的放射治疗效果,还能减低放疗对正常组织的损伤,提高肿瘤患者的生存质量;鉴于此,靶向MnSOD的治疗有望在今后的肿瘤放射治疗中有较好的应用前景。随着MnSOD在基础和临床研究中的不断深入,其在肿瘤发生、发展和治疗中的作用机制和特点逐渐被认识,有望成为肿瘤治疗的有效靶点。