多年以来，克服癌症一直是人们有望解决的课题。随着分子靶向治疗的兴起，恶性肿瘤的个体化治疗和预防取得了积极的进展。最新研究显示微粒体谷胱甘肽S-转移酶1(microsomal glutathione S-transferase 1,MGST1)可以作为胰腺癌细胞铁死亡的氧化还原抑制剂而存在[1]。本文就MGST1的生物学功能及其在各种恶性肿瘤中的作用机制和未来前景予以综述。

1、MGST1与GST家族简介

1.1 GST家族简述

谷胱甘肽S-转移酶(glutathione S-transferase, GST)超家族是自然界中最重要的解毒酶家族之一，在生物体内的药物代谢发挥重要的作用[2]。人体内的GSTs根据细胞内的定位可分为3类：微粒体GSTs、线粒体GSTs和胞质GSTs(表1)[3]。胞质GSTs二、三级结构的N端和C端具有相似性，即N端是结合谷胱甘肽的G结构域，由硫氧还原蛋白样折叠单元所构成；而C端是结合疏水底物的H结构域，由α螺旋所组成。同时，GSTs还是一个二聚体，而二聚体结构可以提高蛋白稳定性，为GSTs的活性位点提供稳定的催化结构[4]。GSTs作为II相解毒酶能够通过催化谷胱甘肽和亲脂性亲电底物的结合，从而发挥II期解毒的功效，最终使细胞免受氧化应激的损伤，起到保护细胞的作用[5]。此外，GSTs还广泛参与众多的生物学过程，如类固醇和前列腺素的合成、酪氨酸的分解以及细胞的程序性死亡等[6]。

1.2 MGST1简述

MGST1是GST超家族和花生四烯酸与谷胱甘肽代谢中的膜相关蛋白(membrane-associated proteins in eicosanoid and glutathione metabolism, MAPEG)超家族的共同成员，位于第12号染色体上(12p13.1～13.2),全长约17 kDa。它在人体的肝脏中含量最高，主要存在于细胞的微粒体和线粒体外膜上，分别占微粒体蛋白的3%和线粒体膜蛋白的5%[7]。MGST1由对称三聚体所构成，并具有三个谷胱甘肽结合位点(图1)。但是，这三个位点中只有一个能够拥有谷胱甘肽硫代酯，从而使该位点所结合的谷胱甘肽去质子化成为硫代阴离子，并且那个含有谷胱甘肽硫代酯的结合位点表现出对谷胱甘肽更强的亲和力[8]。

表1 GST家族分子

MGST1作为MAPEG超家族的成员具有维持细胞完整性、参与类花生酸和谷胱甘肽代谢的作用。同时，MGST1作为膜结合型微粒体GST的成员拥有两种酶的活性：一种是GST活性，MGST1可以催化脂质膜中存在的亲脂性药物和谷胱甘肽的偶联[9];另一种是GPX活性，MGST1能够以脂质过氧化物为底物将其消耗，从而抵抗氧化应激反应保护线粒体和细胞免受损伤[1]。MGST1除了作为生物代谢的第二阶段酶发挥作用，还具备一些非酶活性的生物学功能。MGST1缺失对胚胎的发育和造血系统有着致命的作用，研究发现MGST1敲低会导致胚胎中髓系和淋巴系分化的造血细胞数量显著减少， 并且出现线粒体代谢的下降和糖酵解酶的诱导[10]。

2、MGST1在多种恶性肿瘤发生发展中的作用

2.1 MGST1在恶性肿瘤中的异常表达和预后价值

众多研究者对癌症基因组图谱(the cancer genome atlas, TCGA)和基因表达数据库(gene expression omnibus, GEO)进行了分析，发现在非小细胞肺癌[11]、肝癌[12]、神经胶质瘤[13]、黑色素瘤[14]、子宫内膜癌[15]、胰腺癌[1]和结直肠癌[16]中MGST1的表达量相较于正常组织表现出明显的上调。ZENG等[11]通过对346例肺癌和非肺癌组织进行免疫组化实验，其中173例肺腺癌患者病例显示MGST1的表达水平随着肺癌发展阶段的递进而呈上升趋势，并且MGST1的表达水平与子宫内膜癌的组织学类型有关，具体表现在子宫内膜样癌和子宫内膜混合型腺癌中MGST1的表达水平高于子宫内膜浆液性癌[15]。此外，恶性肿瘤的预后效果也与MGST1的表达升高有着密切联系。研究显示高表达水平的MGST1肺癌患者相较于低表达水平的MGST1肺癌患者表现出更低的总体生存率，这提示MGST1可以作为肺癌患者预后不良的独立风险因素[11]。同时在神经胶质瘤[13]和胰腺癌[1]中，高表达水平的MGST1均呈现较差的总体生存率和无病生存率，这 些均暗示我们MGST1在众多恶性肿瘤中可作为有价值的癌症诊断和潜在的预后生物标志物而存 在。

图1 MGST1三聚体分子结构图(黑框为谷胱甘肽结合位点)   

2.2 MGST1在肿瘤细胞侵袭和转移中的作用

恶性肿瘤的侵袭过程是恶性肿瘤发生发展过程中不可或缺的环节。近期有大量研究显示在多种癌症中高表达的MGST1会促进癌细胞的侵袭和迁移。在非小细胞肺癌中，MGST1能够增强癌细胞的迁移和侵袭能力[11]。同样，在肝癌中高表达的MGST1可以诱导肝癌细胞的侵袭迁移能力和克隆形成能力[17]。因此，MGST1与恶性肿瘤的侵袭和转移密切相关。

2.2.1 MGST1通过发挥抗氧化功能促进肿瘤细胞的侵袭和转移

在氧化应激情况下，过量的活性氧可以破坏细胞内的蛋白质、脂质和DNA,并通过诱导细胞增殖分化等相关致癌突变参与肿瘤的发展[18]。而MGST1作为谷胱甘肽S-转移酶家族中 的一员具有抗氧化酶的功能，它能够清除体内的活性氧而达到降低氧化应激反应的 效果[1]。研究 发现氧化应激状态下的肝癌中，MGST1会通过抑制癌细胞中的脂质过氧化反应而促进肝癌细胞的侵袭和迁 移[19,20]。

在胰腺癌中，胰腺癌干细胞为了达到致瘤目的非常依赖线粒体的氧化磷酸化。同时为了完成自我更新，它还需要维持低水平的氧化还原状态。这些表明胰腺癌干细胞需要非常强大的抗氧化系统，使其线粒体内的活性氧水平保持较低的状态[21]。而MGST1位于线粒体的外膜上，可以通过发挥其强大的抗氧化作用而完成胰腺癌干细胞的自我更新，促进恶性肿瘤的侵袭和迁移[22]。

2.2.2 MGST1通过增强癌细胞的上皮间质转化促进恶性肿瘤的侵袭和转移

经长期不良因素而产生的癌细胞会随着时间的推移形成原发性肿瘤病灶，同时他们为了获得更强的侵袭能力需要放弃原有细胞的表型发生上皮间充质转化，出现上皮细胞标志物钙黏蛋白(E-cadherin)的表达缺失和间质细胞标志物波形蛋白(Vimentin)的表达上调[23]。miR-379-5p在神经胶质瘤中表达降低并抑制癌细胞的发生发展，而MGST1作为miR-379-5p的靶基因在神经胶质瘤中表达升高，促进癌细胞的迁移和侵袭。研究发现miR-379-5p过表达和MGST1沉默的神经胶质瘤细胞(U87细胞系)相较于miR-379-5p过表达的U87细胞系发生E-cadherin表达的回升和Vimentin表达的下降，这意味着MGST1可以通过促进神经胶质瘤的上皮间充质转化而促进癌细胞的恶性生长[13]。

2.3 MGST1在肿瘤细胞增殖和凋亡中的作用

在非小细胞肺癌中，MGST1能够增强癌细胞的增殖能力[11]。而在肝癌细胞中，MGST1被敲低表现出肝癌细胞的增殖能力减弱。因MGST1可以直接抑制活性氧的产生，由此推测肝癌中MGST1高表达可能通过增加活性氧的消耗而促进癌细胞的增殖[24]。并且，通过流式细胞仪检测发现，敲除MGST1会显著增加早期和晚期凋亡细胞的百分比，意味着MGST1可以调节癌细胞的细胞周期并影响其增殖[11]。近期研究反应，1%高丽红参提取物可以下调细胞色素p450信号通路基因MGST1的表达而降低肝癌细胞的增殖能力[24]。高丽红参具有高效的抗癌作用，且高丽红参提取物可以通过激活半胱氨酸蛋白酶活性抑制肝癌细胞的生长，表明MGST1与癌细胞的凋亡密切相关。

生理状态下，凋亡作为细胞程序性死亡方式有助于内环境的稳态，表现为半胱氨酸蛋白酶(caspase)的激活和抗凋亡基因(Bcl-2)表达的下降。与此相反，在病理状态下癌细胞为了生存而逃避自身凋亡，影响恶性肿瘤的发生发展[25]。ZENG等研究发现MGST1在肺腺癌组织和细胞系中的表达水平与临床病变严重程度呈正相关，且MGST1敲低的肺腺癌细胞发生caspase-9和caspase-3的激活，以及DNA修复酶(PARP)和Bcl-2等线粒体凋亡途径相关蛋白表达的下降，这意味着MGST1可以抑制肺腺癌细胞的凋亡。另外，研究显示MGST1能够激活AKT/GSK-3β通路[26],而β-catenin是AKT/GSK3β信号通路的下游靶基因，它可以通过激活Bcl-2促进癌细胞的存活和肿瘤的发生。结果显示，MGST1被敲低的肺腺癌细胞中p-AKT、p-GSK3β和β-catenin的表达均出现下调，且抑制AKT/GSK-3β通路可以恢复癌细胞的生长，这暗示着MGST1可以通过激活AKT/GSK-3β/β-catenin通路抑制肺腺癌细胞的凋亡[11]。此外，己酮可可碱作为肿瘤坏死因子α的抑制剂与传统化疗药物联合使用可以显著增强癌细胞的凋亡。BRAVO-CUELLAR等[27]研究发现己酮可可碱可以通过下调谷胱甘肽代谢相关基因(MGST1、GSR、GPX和GSS)的表达诱导宫颈癌细胞的凋亡从而逆转顺铂对癌细胞的耐药性。这些发现表明，MGST1可以抑制肿瘤细胞的凋亡，并有望成为逆转癌症化疗耐药的新靶点。

2.4 MGST1在肿瘤细胞铁死亡中的作用

铁死亡是一种新型细胞程序性死亡方式，其主要特征为脂质活性氧的过度积累、细胞内游离铁的过度释放、线粒体皱缩以及线粒体膜电位发生变化等[28]。

最新研究报道MGST1是依赖于NRF2的铁死亡抑制因子[1]。NRF2是铁死亡过程中最重要的上游调控因子之一，目前研究显示运输并储存铁离子的关键基因(FTH1、FTL和SLC40A1)和谷胱甘肽代谢相关基因(GSS和SLC7A11)均可作为NRF2的下游靶基因[29]。MGST1积极参与谷胱甘肽的代谢，谷胱甘肽是体内最重要的抗氧化剂之一，它含有易被氧化脱氢的巯基。而MGST1可以通过转移线粒体膜两侧的谷胱甘肽参与活性氧的清除和氧化应激反应，并消耗细胞内脂质过氧化的终产物。KUANG等[1] 通过对胰腺癌细胞 CFPAC1和PANC 2.03使用铁死亡诱导剂Erastin和RSL3,发现MGST1和NRF2的下调均可以增加胰腺癌细胞对铁死亡诱导剂的敏感性，表现出细胞死亡百分比的显著提高。同时，在胰腺导管腺癌中高表达的MGST1可以在不改变花生四烯酸5-脂氧合酶ALOX5表达水平的情况下与其结合并随之使其失活，而ALOX5作为不饱和脂肪酸代谢酶可以促进不饱和脂肪酸的过氧化，由此可以推测MGST1可以通过降低癌细胞脂质过氧化反应的程度从而抑制铁死亡的发生。此外，通过体内实验进一步验证了NRF2-MGST1轴与铁死亡的密切关系，并运用Erastin衍生物IKE进一步证实了MGST1的缺失可以增强小鼠体内胰腺癌组织对铁死亡的敏感性[29]。肿瘤耐药性仍然是成功治疗癌症的一个巨大障碍。许多耐药性的癌细胞非常容易受到铁死亡的影响，随着对铁死亡研究的进一步推进，确定影响铁死亡的靶向分子有助于改进完善传统的化疗药物，从而更有效地治疗耐药性肿瘤[28]。因此，下调MGST1非常有望可以激活癌细胞的铁死亡过程，从而逆转肿瘤细胞的耐药性(图2)。

3、MGST1在恶性肿瘤治疗中的潜在作用

3.1 MGST1在耐药肿瘤中的异常表达

多数癌症的早期症状不明确且缺乏早期诊断工具，导致许多患者诊断较晚。虽然手术切除肿瘤是首选治疗方案，但只有部分癌症患者适合手术切除。化疗可以用于晚期和转移性肿瘤患者，但耐药性的出现是导致癌症治疗失败的主要原因之一。

研究发现在顺铂耐药的非小细胞肺癌细胞中MGST1的表达出现了明显的上调[30];在盐酸苯达莫司汀耐药的套细胞淋巴瘤细胞中MGST1也出现了高表达[31]。顺铂作为一种传统的化疗药物可以通过与DNA相互作用形成铂-DNA加合物，从而抑制癌细胞的DNA复制，但长期使用会出现严重的耐药性，而GST的降低会提高癌细胞对顺铂药物的敏感性。此外，JOHANSSON等[32]发现抑制MGST1可以增加乳腺癌细胞对顺铂、苯丁酸氮芥和美法仑等化疗药物的敏感性；己酮可可碱可以抑制MGST1的表达而逆转顺铂对宫颈癌细胞的耐药性，消耗谷胱甘肽以诱导癌细胞的凋亡[27]。这意味着抑制MGST1的表达和活性在缓解癌症化疗的多重耐药性上起着重要的作用，可以利用MGST1在多种癌症中的高表达，通过下调其表达而有效激活传统化疗药物在癌细胞中的活性。然而，对于针对MGST1抑制剂在肿瘤治疗方面的研究有待进一步深入探索。

3.2 GST抑制剂和MGST1抑制剂在耐药肿瘤中的抗癌效果

目前对于目前癌细胞获得耐药性的机制包括化疗药物的失活、细胞凋亡数量的降低、细胞生长周期的紊乱以及癌基因的获得性突变和细胞表观遗传的改变等。已知癌细胞增殖和解毒过程的相关途径对癌细胞的化疗效果有直接的影响。研究发现参与维持细胞氧化还原稳态的酶(如GST)可以解毒化疗药物，并且研究人员发现可以通过灭活GST并抑制GST的表达水平可以提高癌细胞对抗肿瘤药物的敏感性[33]。而近年来，多种依赖于GST的抑制剂和前药已经合成。

图2 MGST1在恶性肿瘤发生发展过程中作用的示意图  

3.2.1 依他尼酸

依他尼酸是一种常用于治疗水肿的利尿药物，同时它也是GST的抑制剂。研究发现依他尼酸和顺铂结合用药可以增加细胞对顺铂的敏感性，但由于其独特的利尿特性，而在临床使用中效果不佳。因而一些实验室进行了改进，开发出依他尼酸类似物。研究人员断裂了依他尼酸本身原有的α-β双键，引入了2-氨基-2-脱氧-D-葡萄糖并与其偶联形成疏水侧链，通过与谷胱甘肽共价结合形成复合物从而抑制GST活性达到抗癌效果。这种类似物在表皮癌和白血病细胞中均显示高效的抗增殖活性。该药既摒弃了原有的利尿特性，也显著增强了抗癌效果[34]。以上分析均证明了它作为新型抗癌药物的潜力。

3.2.2 依沙拉铂

近些年，研究者新合成了一种由依他尼酸所介导并针对顺铂耐药性的顺铂(IV)前药，名叫依沙拉铂。因顺铂耐药性产生的其中一个原因是癌细胞中的谷胱甘肽等生物分子会首先与顺铂紧紧结合而隔绝顺铂对其DNA的作用，而这种前药可以最大程度地减少顺铂与癌细胞DNA结合前与谷胱甘肽发生的不良反应[35]。研究显示依沙拉铂作为一种GST抑制剂可以有效降低MGST1的表达和活性，从而消耗谷胱甘肽并增强细胞中铂(II)的积累，促进铂-DNA加合物的生成，最终恢复顺铂对癌细胞的抗癌效果[36]。这一发现提示抑制MGST1的表达和活性对开发抗癌特效药具有很大价值。

3.2.3 钳子运动

由于细胞内谷胱甘肽在GST的催化下可以对顺铂进行解毒，在顺铂耐药的发生中起重要作用。最新研究提出了一种基于GST抑制和谷胱甘肽消耗同时进行的“钳子运动”以增强顺铂的化疗效果。此药物是一种基于二硫化物的桥接并承载顺铂和依他尼酸的二氧化硅纳米分子。当细胞内出现高水平谷胱甘肽时，这种纳米药物可以通过断裂二硫键而慢慢降解纳米颗粒，释放的二硫化物不仅能够耗竭谷胱甘肽，同时可以抑制GST的活性从而共同阻止癌细胞对顺铂药物的解毒过程。此外，研究显示该纳米药物被整合到微针中能够显著降低谷胱甘肽并失活GST,显示出更显著的抗癌效果[37]。基于目前报道，GST抑制剂已广泛应用于抗癌治疗，未来有望对抑制MGST1的靶向纳米药物进行开发，进而改善患者的化疗耐药和预后。

3.3 MGST1抑制剂在肿瘤治疗中的潜在应用价值

近期大量临床数据证明，诱导癌细胞的铁死亡可能是一种新兴的逆转传统药物耐药性的抗癌策略。癌细胞非常依赖于其致癌和生存信号，例如脂肪酸的大量合成、铁离子的过度堆积和上皮间质转化等，而这些均可增强其对铁死亡诱导剂的易感性[38]。研究人员发现铁死亡诱导剂与顺铂药物协同治疗可以抑制头颈癌小鼠模型中的肿瘤生长[39]。而敲低的MGST1也可以增强胰腺癌组织对铁死亡的敏感性，通过增强癌细胞中的脂质过氧化而弱化氧化应激。然而，MGST1抑制剂是否可以作为铁死亡诱导剂，通过加大癌细胞中脂质过氧化物的产生而增强铁死亡的治疗效果需要进一步通过临床研究实现。

4、小结与展望

MGST1是一种拥有谷胱甘肽S-转移酶和谷胱甘肽过氧化物酶两种酶活性的酶，具有抵抗氧化应激反应从而保护线粒体和细胞免受损伤的能力。它既可以促进恶性肿瘤的增殖和侵袭并抑制癌细胞的凋亡和铁死亡，也可以参与恶性肿瘤对传统化疗药物的解毒过程。因此，MGST1有望成为肿瘤治疗的新型分子靶点，并有助于为癌症患者的治疗提供靶向依据和理论支持。但目前，对于MGST1在肿瘤进展方面的研究仍然较少，并且作为铁死亡诱导剂在临床环境中的抗癌活性仍然未知，因而有待进一步研究探索。

参考文献:

[17]蔡培,黄富强,赵齐,等.微粒体谷胱甘肽S转移酶1过度表达促进肝癌发生发展[J].基础医学与临床,2018,38(7):950-956.

基金资助:2022年辽宁省应用基础研究计划(编号:2022JH2/101500045);

文章来源:杨喆妍,孙峥嵘.微粒体谷胱甘肽S-转移酶1在恶性肿瘤中的研究进展[J].现代肿瘤医学,2024,32(05):948-953.