砷致细胞恶性转化过程中转录因子Nrf2的作用及调控机制

Inorganic arsenic (arsenate /arsenite) has long been recognized as human carcinogens by the International Agency for Research on Cancer (IARC). However, the exact molecular and cellular mechanisms involved in arsenic carcinogenesis remain obscure due to the difficulty in establishment of animal models over the years. Among the various hypotheses of arsenic carcinogenic mechanism, induction of oxidative stress has been gaining general attention. Transcription factor Nrf2-mediated antioxidant response represents a critical cellular defense mechanism, however, emerging data suggest that constitutive activation of Nrf2 is also associated with cancer development and progression. By establishing the immortalized human bronchial epidermic (HBE) cells via chronic low-dose arsenite treatment, we observed a continuous reduction of ROS levels and enhanced levels of Nrf2 with its target antioxidant enzymes in the later-stage of arsenite-induced transformation. In this study, arsenite-induced human keratinocytes transformation was used to clarify whether the ROS/EGFR-Merk1/2-ERK axis and aberrantly hypermethylated CpG island within the promoter region of keap1 gene as well as miRNAs participate in regulation of Nrf2 and its target antioxidant enzymes, via promoted cell proliferation and reduced apoptosis to confer cells with survival advantage under adverse conditions. The project may provide with evidence on new molecular target for effective prevention and early detection of arsenicosis, as well as molecular mechanisms responsible for arsenic carcinogenesis.

无机砷化合物是确定的人类致癌物，由于尚未复制出动物致癌模型，导致其致癌机制的研究长期滞后。近年提出的众多砷致癌机制假说中，氧化应激学说受到广泛关注。研究表明砷致细胞恶性转化过程中，ROS可诱导转录因子Nrf2驱动的抗氧化酶靶基因表达，因此细胞恶性转化可能与Nrf2持续高表达相关，但具体调控机制仍不清楚。本研究拟利用砷致细胞恶性转化的体外细胞模型，在氧化应激、表观遗传学改变、细胞增殖与凋亡异常、信号通路改变等多个效应水平，探讨NaAsO2致细胞恶性转化过程中，如何通过ROS/EGFR-Merk1/2-ERK通路和Keap1基因启动子区域甲基化改变，以及如何经由miRNA的表观遗传机制调控Nrf2的表达，促进细胞增殖和抑制细胞凋亡，使细胞获得生存优势，从而促进细胞的恶性转化。本研究将为有效预防和早期发现砷中毒提供新的分子靶标，并为阐明砷致癌作用的分子机制开辟新的研究途径。

无机砷化合物是人类确认致癌物，至今尚未成功复制出致癌动物模型，其分子致癌机制仍未明确。近年提出的众多砷致癌机制假说中，氧化应激学说受到广泛关注。研究表明砷致细胞恶性转化过程中，ROS可诱导转录因子Nrf2驱动的抗氧化酶靶基因表达，因此细胞恶性转化可能与Nrf2持续高表达相关，但具体调控机制仍不清楚。本项目以低剂量亚砷酸钠长期染毒永生化人皮肤角质形成(HaCaT)细胞诱发恶性转化为载体，探讨亚砷酸钠致细胞恶性转化过程中，氧化应激、表观遗传学、细胞增殖与凋亡异常、信号通路改变等多个效应水平改变，以及如何经由表观遗传机制调控Nrf2的表达，促进细胞增殖和抑制细胞凋亡，使细胞获得生存优势，从而促进细胞的恶性转化。重要结果：①1.0 µmol/L亚砷酸钠长期染毒HaCaT细胞能够诱导其发生恶性转化，恶性转化过程中伴随氧化-抗氧化系统的逐渐失衡，恶性转化中后期ROS水平逐渐降低，而Nrf2介导的抗氧化水平则持续升高；HaCaT细胞恶性转化中后期，Keap1基因启动子区甲基化水平逐渐升高导致Keap1蛋白表达降低是Nrf2介导的抗氧化水平持续升高的诱因。砷致氧化应激机制与砷致表观遗传改变两大热点假说之间可能相互影响，共同参与到砷致肿瘤发生和发展过程中；②HaCaT细胞恶性转化过程中，细胞的凋亡率明显下降。亚砷酸钠可能通过抑制内质网和线粒体凋亡途径来抑制HaCaT细胞的正常凋亡，致使其发生恶性转化。Nrf2可能作为上游基因参与亚砷酸钠对HaCaT细胞凋亡的抑制作用；③HaCaT细胞恶性转化过程中伴随着细胞增殖加快，细胞周期进程出现G0/G1期跃迁至S期，cyclin E-CDK2复合物表达逐渐上升。亚砷酸钠长期暴露致HBE和HaCaT细胞恶性转化过程中出现Nrf2-NQO1信号通路活化，细胞抗氧化能力增强。抑制Nrf2或NQO1基因的表达能够降低cyclin E-CDK2的表达，S期细胞比例下降，降低细胞增殖速度，最终减轻恶性程度。Nrf2-NQO1信号通路可能是NaAsO2致使HBE和HaCaT细胞发生恶性转化的原因，其可能的机制是通过上调cyclin E-CDK2的表达，加速细胞周期和细胞增殖。本研究将为有效预防和早期发现砷中毒提供新的分子靶标，并为阐明砷致癌作用的分子机制开辟新的研究途径，进而为肿瘤临床治疗靶点筛选提供基础数据。