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为探究非小细胞肺癌（NSCLC）中氧化应激与代谢的关联，研究人员对 70 例肺癌及癌旁组织进行氧化还原蛋白质组分析。发现肿瘤通过增强谷胱甘肽合成抗氧化，虽乙二醛酶系统受损，但激活 GAPDH 减少甲基乙二醛，为肺癌代谢机制提供新见解。
在生命的复杂网络中，癌症如同一场失控的风暴，而肺癌更是其中破坏力极强的 “飓风”。作为全球最常见的癌症之一，非小细胞肺癌（NSCLC）不仅发病率高，其背后的发病机制也如同迷雾般困扰着科学家们。氧化应激作为一把 “双刃剑”，在肺癌的发生发展中扮演着关键角色 —— 适量的活性氧（ROS）是细胞信号传导的 “信使”，但过量则会成为破坏细胞的 “杀手”，驱动蛋白质氧化、代谢通路紊乱，助力癌细胞的疯狂生长与侵袭。然而，癌细胞究竟如何在氧化应激的 “高压” 下存活，其代谢通路又发生了怎样的 “七十二变”，尤其是硫醇基团这种极易被氧化修饰却难以在临床环境中分析的关键角色，一直是未解的难题。
为了揭开这些谜团，奥地利维也纳技术大学（TU Wien）、格拉茨医科大学等机构的研究人员展开了一场深入的探索之旅。他们将目光聚焦于非小细胞肺癌患者的肿瘤组织与配对健康组织，通过分析其中的蛋白质和小分子硫醇氧化情况，试图破译癌细胞在氧化应激下的 “生存密码”。这项研究成果发表在《Nature Communications》上，为肺癌的研究打开了一扇新的窗户。
研究人员采用了一系列关键技术来开展研究。首先，他们收集了 70 例非小细胞肺癌患者的肿瘤及癌旁健康组织样本，在样本收集时采用了特殊的保护措施，即立即将组织样本置于含半胱氨酸烷基化试剂 N - 乙基马来酰亚胺（NEM）的中性缓冲 80% 甲醇中，以防止采样后硫醇的人为氧化，确保了分析结果的真实性。接着，运用氧化还原蛋白质组学技术，对 1834 个半胱氨酸残基的氧化状态进行了定量分析，并结合无标记定量蛋白质组学，深入研究了代谢酶的丰度变化。此外，还通过细胞实验，如 siRNA 介导的 GAPDH 敲低和药理学抑制剂处理，验证了关键酶的作用机制。
肿瘤内外界的氧化还原平衡差异
通过对 70 对样本的氧化还原蛋白质组分析，研究人员发现肿瘤组织与健康组织的氧化还原状态存在显著差异。尽管总体 redox 比率被严格控制，但仍有 170 个半胱氨酸残基在肿瘤中呈现差异氧化，其中小窝蛋白 - 1（CAV1）的 Cys156和活化蛋白 C 激酶 1 受体（RACK1）的 Cys240氧化程度显著升高，这两种蛋白均与癌基因密切相关，提示氧化修饰可能通过影响癌基因信号通路促进肿瘤发展。在亚细胞定位分析中，肿瘤组织中胞质蛋白氧化程度更高，而健康组织的细胞外蛋白氧化更明显，这与肿瘤内缺氧微环境（氧气浓度可低至 0.1%）和健康组织较好的血管化导致的氧暴露差异有关。同时，肿瘤组织中胞质和线粒体超氧化物歧化酶（SOD1、SOD2）丰度增加，而分泌型 SOD3 在健康组织中更丰富，表明肿瘤通过增强细胞内抗氧化酶来应对氧化应激。
氧化应激与葡萄糖代谢的 “交叉对话”
进一步分析发现，氧化应激显著影响了葡萄糖代谢相关酶的氧化状态和丰度。糖酵解酶如磷酸果糖激酶（PFK）、甘油醛 - 3 - 磷酸脱氢酶（GAPDH）、磷酸甘油酸激酶（PGK）和丙酮酸激酶 M（PKM）的多个半胱氨酸残基氧化程度升高，这可能干扰了它们的酶功能。然而，这些酶的蛋白丰度在肿瘤中却显著增加，提示肿瘤可能通过增加酶的数量来补偿氧化导致的功能损伤。值得注意的是，尽管部分关键活性位点半胱氨酸（如 PKM2 的 Cys358、GAPDH 的 Cys152）的氧化状态未显著改变，但远端半胱氨酸的修饰仍可能影响酶活性。代谢通路分析显示，肿瘤细胞在增强糖酵解的同时，推动碳通量向磷酸戊糖途径（PPP）和丝氨酸生物合成转移，以生成 NADPH 和谷胱甘肽（GSH），增强抗氧化能力。肿瘤组织中 GSH 及其前体（γ- 谷氨酰半胱氨酸、半胱氨酸）和降解产物（半胱氨酰甘氨酸）水平均升高，进一步证实了抗氧化防御的增强。
乙二醛酶系统的氧化调控与甲基乙二醛的 “意外” 减少
作为糖酵解的有毒副产物，甲基乙二醛（MG）的解毒主要依赖乙二醛酶系统（GLO1 和 GLO2）。然而，研究发现肿瘤中 GLO1 的关键半胱氨酸 Cys139氧化程度显著升高，导致其活性可能降低，同时 GLO2 蛋白丰度下调，这似乎会导致 MG 积累。但令人意外的是，肿瘤组织中 MG 衍生的蛋白质修饰（如 MG-H1 和 CEL）却显著少于健康组织。进一步研究发现，GAPDH 作为糖酵解途径中的关键酶，在肿瘤中丰度增加，其活性可促进糖酵解中间产物向下游代谢流动，减少 MG 前体（DHAP/G3P）的积累，从而降低 MG 的生成。细胞实验表明，抑制 GAPDH 活性会导致 G3P/DHAP 积累，进而诱导 GLO1 表达增加，证实了 GAPDH 对 MG 生成和乙二醛酶系统的调控作用。此外，缺氧环境会干扰乙二醛酶系统，导致中间产物 sLG 积累，提示肿瘤微环境中的缺氧可能进一步影响 MG 代谢。
GAPDH：代谢调控的 “核心枢纽”
GAPDH 在肿瘤中的重要性不仅体现在对 MG 代谢的调控，还与肿瘤的葡萄糖摄取和患者预后密切相关。研究发现，GAPDH 丰度与肿瘤的氟脱氧葡萄糖（FDG）摄取呈正相关，且高表达 GAPDH 的患者预后较差。通过 siRNA 敲低和药理学抑制实验，证实了 GAPDH 活性降低会导致糖酵解中间产物积累，激活乙二醛酶系统以应对 MG 毒性，进一步确立了 GAPDH 作为糖代谢和 MG 应激调控核心枢纽的地位。
这项研究揭示了非小细胞肺癌患者通过代谢适应增强抗氧化防御的复杂机制：肿瘤细胞在氧化应激下，一方面通过增强谷胱甘肽合成和抗氧化酶活性来抵御损伤，另一方面通过激活 GAPDH 调控糖酵解通量，减少有毒代谢产物 MG 的生成，即使乙二醛酶系统功能受损，仍能维持 MG 水平的稳定。这些发现不仅深化了我们对肺癌代谢重编程与氧化应激相互作用的理解，也为靶向 GAPDH 或乙二醛酶系统开发肺癌治疗新策略提供了理论依据。未来，进一步探索这些代谢通路的调控机制，有望为肺癌的精准治疗开辟新的方向。
