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生物学功能与人类疾病的关系

 论文栏目:生物学论文     更新时间:2019/6/17 11:40:34   

摘要:硫氧还蛋白(Trx)是一种广泛存在于生物体内的,活性基团为-Cys-Gly-Pro-Cys-具有氧化还原活性二硫醇的12-kDa蛋白,它可通过其活性中心可逆性地催化多种氧化还原反应。研究表明,硫氧还蛋白在人体内许多生理生化反应中,如氧化损伤,代谢功能障碍,化学物质,感染,炎症,照射或缺氧、缺血再灌注等方面都具有不可或缺的作用。研究表明,在应对病毒性肺炎,急性肺损伤,胃损伤,皮炎等炎性疾病时,Trx是具有一定作用的。同时,Trx也可以作为靶点在很多疾病的预防和治疗中起到一定的作用。本文将着重讨论Trx的生物学活性及其在相关疾病防治方面最新的进展。

关键词:硫氧还蛋白;氧化应激;疾病

硫氧还蛋白(Thioredoxin,Trx)是一种在生物体内广泛存在的具有催化活性的二硫醇位点(Cys-Gly-Pro-Cys)的小蛋白[1]。其首先被鉴定于来自人类T淋巴细胞病毒1型(HTLV-1)转化的T细胞的培养物上清液的成分和成人T细胞白血病ATL衍生因子(adultT-cellleukemiaderivedfactors,ADF)细胞系。人类Trx基因位于9号染色体上。在细胞内,Trx系统是最重要的硫醇还原系统,包括Trx、烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADPH)和硫氧还蛋白还原酶(TrxR),通过其二硫化物还原酶活性作用使细胞内氧化应激减轻,保护细胞正常生理功能[2-3]。Trx系统可以使得蛋白质和细胞膜避免受到氧化损伤,除了抗氧化作用外,其还具有调节细胞因子转录和凋亡进程等作用。经后续研究证明,其在生物界内存在具有广泛性。它的活性位点含有两个半胱氨酸(二硫醇),在氧化的二硫化物(-S-S-)和还原的二硫醇(-SH,-SH)之间发生可逆的氧化还原变化。还原态的Trx可催化二硫键的裂解,在反应完成后其被氧化。氧化的Trx通过烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADPH)依赖性硫氧还蛋白还原酶被还原为还原形式。Trx通过与Trx依赖性过氧化物酶或过氧化物毒素偶联来杀灭活性氧族。Trx参与各种氧化还原相关的细胞过程,如基因表达、信号转导、细胞生长和凋亡。

1Trx的生物学活性

1.1抗氧化作用

Trx的直接抗氧化作用是清除H2O2,也是血浆型谷胱甘肽过氧化物酶(GSH-Px)的有效电子传递体。在细胞中它的抗氧化功能主要通过与硫氧还蛋白过氧化物酶(Peroxidase,PRDX)和NADPH一起发挥作用。在这一过程中,硫氧还蛋白过氧化物酶和其他家族成员,通过在彼此保守的Cys之间形成二硫键而二聚体化,Trx能将氧化的硫氧还蛋白过氧化物酶还原成单体。硫氧还蛋白过氧化物酶在人红细胞中可保护红细胞免受氧化剂的损伤。硫氧还蛋白过氧化物酶-2(Peroxidase2,PRDX2)是增殖相关基因,在快速生长的细胞中,由于其代谢旺盛,易产生缺氧环境,从而导致细胞活性氧水平提高。细胞为了能够在高水平活性氧的环境中存活,会增加抗氧化剂PRDX2的表达来降低细胞环境的氧化水平,从而提高细胞的氧化应激作用[4]。故维持细胞生理活性过程中Trx的巯基氧化还原活性有广泛的作用。

1.2生长因子作用

Trx作为一种生长因子,在调节细胞生长和抑制凋亡过程中起重要作用。Trx可以被淋巴细胞、肝细胞、成纤维细胞以及许多癌细胞分泌。Trx可以刺激以上细胞的增生,是一种非典型的生长因子。将特殊标记后的Trx与乳腺肿瘤细胞表面饱和地结合后,发现乳腺肿瘤细胞表面并无Trx受体的存在,表明其作用效果为增强细胞对其自身生长因子的敏感度。在乳腺肿瘤细胞MCF-7中,Trx可以使白细胞介素-2(Interleukin-2,IL-2)和碱性成纤维细胞生长因子(basicfibroblastgrowthfactor,bFGF)的作用增强。但对胰岛素和表皮生长因子的作用却几乎毫无影响。

1.3蛋白结合作用

还原型Trx能与许多细胞蛋白质结合,结合机制还未阐明,但机制可能为Trx的Cys残基和其他蛋白质的Cys残基结合形成稳定的二硫键。凋亡信号调节激酶1(apoptosissignalregulatingkinase-1,ASK1)是与蛋白结合的重要物质。可以作为c-Jun氨基端激酶(c-JunN-terminalkinase,JUK)和p36丝裂原活化蛋白激酶(p36mitogen-activatedproteinkinase,p36MAPK)的激活因子,也参与肿瘤坏死因子(tumornecrosisfactor,TNF)诱导的凋亡。Trx同ASK1结合能抑制ASK1的活性与ASK1依赖性凋亡。去掉ASK1氨基端残基后,ASK1仍保持基本活性而不受Trx的调节。TNF引起Trx的氧化将导致Trx和ASK1的分离,从而完成TNF诱发的凋亡。

1.4抑制凋亡作用

Trx可以抑制由L-半胱氨酸和谷光甘肽(glutathione,GSH)缺乏导致的淋巴细胞凋亡。在研究硫氧还蛋白对缺氧/复氧大鼠海马神经元caspase-3'活性的影响时,Trx可明显提高经过其处理的细胞在复氧后24~48h内点细胞存活率。将人Trx导入大肠杆菌克隆出的Trx及其变异体Trx3,检测其凋亡细胞发现,在撤除白血病细胞依赖的生长因子后,加入重组Trx3比重组Trx更能有效地抑制白血病细胞的凋亡并有促增殖作用。申东晓等用不同浓度氢醌处理hTrx2细胞与VP22细胞发现:hTrx过度表达可降低氢醌所致的活性氧水平升高,降低氢醌诱导的凋亡,抑制氢醌的细胞毒性:,其机制可能是通过降低氢醌所致活性氧升高及维持细胞内巯基水平。

2Trx与疾病的关系

2.1心脑血管系统疾病

Trx在多数因缺血引起的氧化还原失衡导致的心脑血管疾病中起到重要作用,包括缺血性脑卒中,缺血性心脏病,心肌细胞肥大,扩张性心脏病等[5-6]。血浆Trx水平在各类型心脏疾病患者的血清中含量具有明显变化。在缺血再灌注损伤中,氧化损伤在过量活性氧(re-activeoxygenspecies,ROS)的产生发挥重要作用。并可由于细胞凋亡和自噬而引起心肌细胞死亡[7]。心肌梗塞患者的心肌细胞的凋亡以典型DNA片段化和缺乏炎症反应为特征。许多证据表明这种变化在心脏缺血过程和心肌再灌注过程中被进一步诱导同时产生自嗜[8],并通过激活特异性受体相互作用激酶而启动[9]。在扩张型心肌病和心力衰竭期间,Trx2可通过抑制线粒体ROS产生以及ASK1依赖性凋亡来维持心脏功能。在缺血性心脏病中,Trx系统能够调节并改变心肌细胞表面K+通道异常所引起的致病性重构,是改善心律失常和收缩功能障碍的基础。血清或血浆Trx1能增强血小板聚集性并降低左心室射血分数,故其高表达水平可增加急性心肌梗死患者的危险因素。在高水平的ROS和ROS诱导的心肌细胞凋亡中,Trx1能通过清除ROS而且通过上调信号转导途径中的DNAJb5和热休克蛋白40以及通过与DNAJb5和Ⅱ类组蛋白脱乙酰酶(Histonedeacetylases,HDACs)形成多个蛋白复合物或通过上调线粒体蛋白PGC-1α和核呼吸因子(Nuclearrespiratoryfactor,NRFs)来增强线粒体功能,进而抑制心脏肥大。在缺血性脑卒中的相关研究中发现,大鼠短暂性大脑中动脉闭塞(MCAO)后,p38MAPK可大量表达,诱导的神经元死亡并破坏MCAO大鼠血脑屏障的完整性,在向MCAO大鼠腹腔内注射rhTrx-1后,大鼠脑水肿程度得以减轻,同时调节激酶信号通路加速神经元细胞再生,改善其方向感,记忆功能等神经系统功能[10-11]。许多相反的研究同样可以证明Trx与缺血性脑卒后病理变化密切相关。给脑缺血再灌注损伤大鼠注射Trx1siRNA能显著扩大脑梗死体积,促进神经元凋亡,加重神经功能缺失导致其死亡率明显上升[12]。LI等[13]同样发现在敲除Trx相关基因后,MCAO大鼠脑内活性氧水平显著提高,梗死面积更大,神经功能缺损更为严重。

2.2炎性疾病

大量临床表明,血浆或血清中Trx水平的升高能作为炎性疾病的临床参数[14-16]。有相关研究报道Trx在干燥综合征患者的唾液腺中高表达。Trx被分泌到唾液中,可通过唾液Trx的水平反应疾病的严重程度。Trx同时可以调节巨噬细胞迁移抑制因子(Macrophagemigrationinhibitoryfactor,MIF)起到抗炎作用。MIF作为炎症性疾病的恶化因素受到广泛关注。由人血清白蛋白(Humanserumalbumin,HSA)和Trx组成的基因融合蛋白(HSA-Trx)[17],具有较长的半衰期和良好的生物活性。HSA-Trx在缓解氧化应激相关疾病的治疗中具有一定的效果[18]。HSA-Trx也能通过抑制MIF表现出抗炎作用,从而抑制炎性细胞因子的产生。过表达Trx的转基因小鼠能抑制过敏性接触性皮炎(Allergiccontactdermatitis,ACD)模型中的变态反应和炎症[19]。通过二硝基氟苯(DNFB)致敏后,Trx转基因小鼠和对照组小鼠的皮肤树突状细胞的迁移功能和淋巴结细胞的抗原特异性增殖并无差别。因此,Trx在小鼠体内过表达并不影响ACD诱导期的初次免疫应答,在用DNFB诱导后Trx转基因小鼠中嗜中性粒细胞的浸润减少,皮肤炎症同样被抑制。实验组与对照组小鼠相比,免疫细胞数量没有明显差异。这些发现表明,Trx能在ACD的诱发期发挥抗炎作用,提示Trx的抗炎机制与其他抗炎剂不同。在由巴豆油诱导的刺激性接触性皮炎(Irritantcontactdermatitis,ICD)小鼠模型模型中也证实了外源施加的Trx的保护作用。局部应用的人重组硫氧还蛋白(HumanRecombinanthumanthioredoxin,rhTrx)能抑制炎症部位促炎介质的产生和释放,从而抑制ICD[20]。许多临床前研究已经证明细胞外Trx在氧化和炎症条件下具有细胞保护功能,并且还没有发现不良反应或不良症状的明显证据。Trx对炎症的保护作用及其潜在的临床应用已在其他地方得到广泛的综述[21-22]。

2.3神经系统疾病

Trx对于保护神经系统具有一定的作用,如保护神经免受药物损伤。Trx1具有趋化因子样活性,在细胞质中清除活性氧,自由基和过氧化氢,并激活转录因子。Trx1参与细胞增殖,细胞凋亡和神经元保护[23]。甲基苯丙胺(METH)是一种神经兴奋剂,在世界范围内被广泛滥用,有新研究表明,METH会导致脊髓损伤(Spinalcordin-jury,SCI)。髓鞘相关糖蛋白(Myelin-associatedglyco-protein,MAG),髓磷脂碱性蛋白(Myelinbasicprotein,MBP),细胞周期蛋白依赖性激酶5(Cyclin-dependentki-nase5,CDK5)是维持脊髓正常结构必需的蛋白质。MAG和MBP主要位于髓磷脂,其在轴突髓鞘完整性中起重要作用。MBP对于特定少突胶质细胞膜的功能完整具有作用,该少突胶质细胞膜以多层布置同心地缠绕在神经元周围,形成髓鞘。METH可通过降低MAG、MBP、CDK5的表达,导致脊髓脱髓鞘。Trx1能通过抑制内质网应激来保护神经元免受损伤[24]。同时也能降低METH诱导的PC12细胞毒性[25]。Trx1过表达能恢复METH抑制的脊髓CDK5的表达及抑制METH所致ERK的过度表达[26-27],也阻止了由METH诱导的脊髓髓鞘厚度的减少,从而降低对METH诱导的脱髓鞘的敏感性。

2.4肿瘤

Trx系统与肿瘤同样有不可忽视的关系。在肿瘤细胞的信号传递和代谢过程中,存在AKT、MAPK及NF-κB3种主要调控途径,这3种途径均能各自发挥作用或联合作用。在AKT信号调控途径中,机体应激使磷脂酰肌醇3-激酶(phosphatidylinositol3kinase,PI3K)激活后能导致AKT的活化,进而调控Bad、Caspase9等因子抑制肿瘤细胞凋亡进程[28]。张力蛋白同系物(phosphataseandtensinhomologdeletedonchromosometen,PTEN)是一种具有双磷酸酶活性的肿瘤抑制因子,能与Trx相互作用,使AKT保持正常水平,以免细胞产生抗凋亡能力,转变为肿瘤细胞[29]。但在肿瘤细胞中,高水平TrxR却抑制了PTEN的磷酸酶活性导致肿瘤生长。在MAPK信号调节途径中,TrxR作为调控因子能通过调控凋亡信号相关激酶1(apoptosissignal-regulatingkinase1,ASK1)的水平能抑制ROS大量聚集,避免p38、JNK的活化,使肿瘤细胞凋亡,进而调控肿瘤细胞凋亡[30-33]。在NF-κB信号调节途径中,NF-κB家族广泛参与肿瘤代谢。Trx具有调节转录因子的活性。Trx系统可以通过活化NF-κB上调肿瘤进程相关基因如Bcl-2、cyclinD1等的表达而促进其发展[34]。

3小结

Trx通过具有调节细胞氧化还原反应、生长因子活性、蛋白结合作用、抑制细胞凋亡等作用,对细胞的生长和功能变化有很大的影响。随着对其深入了解,发现Trx在心脑血管疾病中能抑制活性氧及调控相关蛋白的合成来降低组织损伤;在炎性疾病中起到避免氧化损伤进而保护组织细胞的作用;在神经系统疾病方面,则充当趋化因子清除活性氧激活转录因子,在肿瘤中Trx则通过信号的调节从而控制肿瘤细胞的凋亡,但随着对Trx更加深入的了解,必定能为人类疾病的防治带来新的方向。

作者:刘楠 黄荣 李晓晶 单位:包头医学院临床医学院 包头医学院生物化学与分子生物学教研室

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