徐 濤,于 濤
(東北林業(yè)大學(xué)鹽堿地生物資源環(huán)境研究中心/東北油田鹽堿植被恢復(fù)與重建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,哈爾濱150040)
硫氧還蛋白(Trx)是一種小分子蛋白質(zhì),它廣泛存在于原核和真核生物中。1964年,Trx在大腸桿菌中首次被定義為氧化還原蛋白[1]。隨后,1967年,Moore EC[2]在大鼠的肝癌細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)了硫氧還蛋白,1977年,Pigiets.P[3]在大腸桿菌中提取純化得到硫氧還蛋白,并發(fā)現(xiàn)它參與到一系列的氧化還原途徑中。1995年,Gasdaska.PY[4]成功克隆出胞漿中的Trx1和線粒體中的Trx2。至此,一系列有關(guān)Trx的研究相繼展開(kāi)。近些年,人體內(nèi)癌細(xì)胞中Trx的含量,以及Trx1和Trx2在體內(nèi)參與的代謝途徑成為研究的熱點(diǎn)。
Trx的分子量約是12×103,是由4個(gè)β折疊和3個(gè)α螺旋組成的球狀蛋白。4個(gè)β折疊構(gòu)成一個(gè)疏水核心,核心的終末端被3個(gè)α螺旋包繞。這種折疊結(jié)構(gòu)普遍存在于氧化還原蛋白家族中。Trx參與氧化還原反應(yīng)的重要活性位點(diǎn)是Cys-Gly-Pro-Cys,它相對(duì)來(lái)說(shuō)比較保守,可以與二硫鍵相互作用,還原被氧化的多種蛋白,而其自身從還原態(tài)(SH2 -)變成氧化態(tài)(S-),又可以通過(guò)TrxR的作用,恢復(fù)到還原態(tài)[5]。
目前Trx主要分為Trx1和Trx2兩種類型,Trx1位于細(xì)胞漿和細(xì)胞核中,包含105個(gè)氨基酸,而Trx2僅位于線粒體中,不同于Trx1,Trx2由166個(gè)氨基酸構(gòu)成,除了保守的還原結(jié)構(gòu)外,還包含了60個(gè)氨基酸組成的N末端延伸(圖1),這段引導(dǎo)序列對(duì)于Trx2存在于線粒體內(nèi)部起關(guān)鍵作用[6]。Trx1和Trx2由于存在的位置不同,所以他們介導(dǎo)的氧化還原途徑也有所不同。
圖1 Trx1和Trx2氨基酸序列示意圖Fig.1 The amino acid sequence of Trx1 and Trx2
2.1細(xì)胞凋亡
細(xì)胞凋亡是一種程序性壞死過(guò)程,它是體內(nèi)進(jìn)行正常新陳代謝時(shí)所必須的,正常情況下,體內(nèi)會(huì)根據(jù)機(jī)體自身的情況以及對(duì)外界的應(yīng)激情況做出相應(yīng)的調(diào)整,包括細(xì)胞的遷徙,增殖,分化和凋亡[7]。細(xì)胞凋亡整體分為兩大途徑,一是受體配體結(jié)合的外源途徑,一是線粒體參與的內(nèi)源途徑。外源途徑是通過(guò)死亡配體與相應(yīng)受體(主要是腫瘤壞死因子:tumor necrosis factor:TNF)結(jié)合,活化半胱天冬酶家族成員,致使細(xì)胞凋亡。內(nèi)源途徑則是通過(guò)線粒體為中心引發(fā)的凋亡途徑。當(dāng)外源途徑中的半胱氨酸天冬酶8(caspase8)活化后,會(huì)切割促凋亡因子Bid,促使促凋亡因子Bax從胞漿中轉(zhuǎn)移到線粒體的膜上,改變線粒體膜的通透性,釋放細(xì)胞色素C(cytc),最終導(dǎo)致細(xì)胞的凋亡[8-9]。
引發(fā)凋亡途徑的起始因子有很多,而其中最為重要的是TNF家族成員TNF-а和活性氧簇(reactive oxygen species:ROS),TNF-а也是引發(fā)ROS產(chǎn)生的重要途徑之一[10],所以兩條途徑并不是獨(dú)立存在而是相互聯(lián)系相互調(diào)節(jié)的,內(nèi)源途徑對(duì)外源途徑起到級(jí)聯(lián)放大的作用[9.11],兩條途徑中涉及的許多凋亡因子都與Trx有一定的相關(guān)性,研究他們之間的關(guān)系對(duì)于進(jìn)一步了解細(xì)胞凋亡有著重要的意義(圖3)。
2.2 Trx在凋亡途徑中的作用
2.2.1 Trx的抗氧化作用
在細(xì)胞凋亡的過(guò)程中,會(huì)產(chǎn)生引發(fā)凋亡的關(guān)鍵因子ROS,它會(huì)誘發(fā)凋亡途徑,致使細(xì)胞凋亡。這時(shí)體內(nèi)的還原系統(tǒng)Trx會(huì)直接清理ROS,起到抗氧化的作用[12]。
作為體內(nèi)的還原系統(tǒng),Trx具有對(duì)抗自由氧基的功能,主要源于以下兩個(gè)因素,第一:它包含保守序列-Cys-Gly-Pro-Cys-,可以與巰基作用,還原已氧化蛋白的巰基基團(tuán),自身形成二硫鍵,恢復(fù)蛋白的生理功能,維持細(xì)胞的生理活性,這段保守的氨基酸序列是Trx還原氧化物的關(guān)鍵活性位點(diǎn)。32位的半胱氨酸(C32)和35位的半胱氨酸(C35)對(duì)于Trx1的還原起重要作用,當(dāng)受到氧化作用時(shí),C32和C35內(nèi)部會(huì)形成二硫鍵,這時(shí)Trx會(huì)暫時(shí)失去還原功能,再由硫氧還蛋白還原酶(thioredoxin reductase:TrxR)還原成本身的狀態(tài)[13],參與體內(nèi)可逆的氧化還原反應(yīng)(圖2)。人體正常代謝會(huì)導(dǎo)致許多自由氧基的產(chǎn)生,一般情況下,體內(nèi)通過(guò)還原系統(tǒng)進(jìn)行清理,但如果電子傳遞的過(guò)程中出現(xiàn)電子鏈的斷裂,產(chǎn)生大量的ROS,體內(nèi)的還原系統(tǒng)不足以清除,就會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞凋亡。清理ROS的功能,體現(xiàn)了Trx的抗氧化作用,而這種抗氧化作用也間接的抑制了由ROS介導(dǎo)的細(xì)胞凋亡。第二,Trx對(duì)于各種還原酶系統(tǒng)都有顯著的調(diào)節(jié)作用,例如超氧化物歧化酶(super oxidase dimutase:SOD),SOD對(duì)于治療因超氧離子引起的各種疾病均有一定的療效,Trx1可以上調(diào)SOD的mRNA,間接地活化SOD[10,14](圖3),從而抵抗體內(nèi)的氧化反應(yīng)。又如谷胱甘肽還原系統(tǒng),Trx是人體內(nèi)谷胱甘肽過(guò)氧化物酶的電子供體,所以它的上調(diào)和下調(diào)都對(duì)谷胱甘肽系統(tǒng)有很大的調(diào)節(jié)作用[15-16]。所以Trx除了自身具有還原的作用外,對(duì)于其他的還原酶系統(tǒng)也起到了一定的上調(diào)作用,通過(guò)各種酶的相互協(xié)作,共同抵抗體內(nèi)的氧化反應(yīng)。
在Trx系統(tǒng)中,由于Trx2存在于線粒體內(nèi)部,而線粒體是進(jìn)行氧化呼吸的重要場(chǎng)所也是引發(fā)內(nèi)源途徑的發(fā)生場(chǎng)所,所以Trx2的抗氧化作用就顯的尤其的突出,從而對(duì)線粒體引發(fā)的凋亡有重要的調(diào)節(jié)作用[17]。在整個(gè)氧化磷酸化的過(guò)程中,會(huì)有0.4%-4%的氧被釋放到線粒體中,也就是ROS[10]。線粒體中包含三大復(fù)合體,Ⅰ和Ⅲ對(duì)于ROS的產(chǎn)生是必要的,但機(jī)制并不清楚,而Trx2對(duì)于呼吸鏈的復(fù)合體Ⅰ有抑制的作用,可以提高線粒體的膜電位,使活性氧逆轉(zhuǎn)線粒體膜電位產(chǎn)生困難,從而抑制細(xì)胞的凋亡[18]。事實(shí)上,ROS的產(chǎn)生途徑有很多,生理?xiàng)l件下的呼吸鏈以及病理?xiàng)l件下都會(huì)產(chǎn)生ROS。在病理?xiàng)l件下產(chǎn)生的ROS會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞的過(guò)度凋亡,致使疾病的發(fā)生,所以Trx表現(xiàn)出來(lái)的抗氧化作用對(duì)于維持體內(nèi)正常的生理?xiàng)l件是至關(guān)重要的。
圖2 Trx氧化還原過(guò)程Fig.2 The redox processes of Trx
2.2.2 Trx調(diào)節(jié)凋亡轉(zhuǎn)錄因子的作用
Trx除了可以起到抗氧化的作用外,還可以調(diào)節(jié)一些凋亡轉(zhuǎn)錄因子,例如轉(zhuǎn)錄因子NF-κB(nuclear factor-k-gene binding)和AP-1(activator protein-1)等[19]。
Trx對(duì)于NF-κB有一定的調(diào)節(jié)作用(圖3),NF-κB屬于Rel家族的轉(zhuǎn)錄因子,參與調(diào)節(jié)與機(jī)體免疫、炎癥反應(yīng)、細(xì)胞分化有關(guān)的基因轉(zhuǎn)錄,進(jìn)一步對(duì)凋亡和腫瘤的發(fā)生進(jìn)行調(diào)節(jié)。在有氧化劑存在的情況下,NF-κB與DNA的連接會(huì)受到抑制,還原型的Trx可以抑制氧化劑,提高DNA和NF-κB的連接,活化NF-κB,并且這種還原作用比L-Cys和還原型的谷胱甘肽的作用更為強(qiáng)烈[17,20]。同時(shí)Trx可以通過(guò)c-Jun氨基末端激酶(Jun N-term inal Kinase:JNK)途徑調(diào)節(jié)NF-κB。但若過(guò)量的表達(dá)Trx2也會(huì)有效地抑制NF-κB的活性[11]。NF-κB的活化在炎癥誘發(fā)的腫瘤形成中發(fā)揮重要作用,同時(shí)發(fā)現(xiàn)NF-κB除了可以促進(jìn)細(xì)胞存活外也可發(fā)揮促凋亡的作用,抑制腫瘤發(fā)生發(fā)展。由于NF-κB在腫瘤形成中存在兩方面的作用,因此了解Trx對(duì)NF-κB兩方面的調(diào)節(jié)機(jī)制,可以為腫瘤臨床治療提供理論依據(jù)[21-23]。
Trx還可以調(diào)節(jié)Ap-1,AP-1會(huì)對(duì)各種刺激如應(yīng)激、輻射或生長(zhǎng)信號(hào)等作出生理或病理應(yīng)答,同時(shí)參與細(xì)胞的增殖、分化和轉(zhuǎn)化等過(guò)程,在腫瘤的形成、轉(zhuǎn)移和侵襲中發(fā)揮重要作用,研究發(fā)現(xiàn)AP-1與腫瘤的轉(zhuǎn)化及轉(zhuǎn)移密切相關(guān),Trx可以通過(guò)JNK途徑調(diào)節(jié)Ap-1,提高AP-1的表達(dá),從而促進(jìn)細(xì)胞的存活[24]。
2.2.3 Trx的抗凋亡作用
Trx對(duì)細(xì)胞的存活有重要的作用,若在細(xì)胞內(nèi)轉(zhuǎn)染Trx1SiRNA或Trx2SiRNA,都會(huì)造成細(xì)胞的凋亡。在凋亡過(guò)程中,凋亡信號(hào)調(diào)節(jié)激酶1(apoptosis signal-regulating kinase:ASK1)參與了細(xì)胞的凋亡過(guò)程[12]。
ASK1是凋亡途徑中的重要的蛋白,C末端為調(diào)節(jié)性結(jié)構(gòu)域,此結(jié)構(gòu)域可以與調(diào)節(jié)TNF受體家族的成員因子(TNF receptor associated factor:TRAF)結(jié)合[25],當(dāng)TNF與其受體結(jié)合之后,會(huì)募集接頭蛋白(TRAF2),TRFA2會(huì)連接ASK1和MEKK1[7],使信號(hào)得到傳遞,TRAF對(duì)于ASK1結(jié)合活化促分裂素原活化蛋白激酶(m itogen-activated protein kinase:MAPKs)起重要作用。ASK1的N末端為功能性結(jié)構(gòu)域,有648個(gè)氨基酸組成,N末端對(duì)于MAPKs起到活化作用,MAPKs是ASK1可活化多種下游信號(hào)中最為重要的一個(gè),許多內(nèi)源性的刺激,包括生長(zhǎng)因子、細(xì)胞因子和應(yīng)激反應(yīng)都會(huì)活化MAPKs的三級(jí)聯(lián)反應(yīng),即MAP3K-MAP2K-MAPK,MAPKs家族的成員共有3個(gè),其中應(yīng)激激活的蛋白激酶p38 (p38MAPKs),c-Jun氨基末端激酶(c-Jun N-term inal kinase:JNK),胞外信號(hào)調(diào)節(jié)激酶(extracellular signal-reg-ulated kinase:ERK)是細(xì)胞凋亡的重要信號(hào)途徑,參與不同的應(yīng)激反應(yīng)。在ASK1缺失的細(xì)胞中,可以抵抗TNF和ROS誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡[26],說(shuō)明ASK1在細(xì)胞凋亡途徑起著中間樞紐的作用。ASK1可以通過(guò)絲裂原活化蛋白激酶MKK4/絲裂原活化蛋白激酶MKK7活化p38MAPKs,也可以通過(guò)絲裂原活化蛋白激酶MKK3/絲裂原活化蛋白激酶MKK6途徑活化p38[27]。體內(nèi)存在許多的抑制因子可以抑制ASK1介導(dǎo)的細(xì)胞凋亡,在哺乳動(dòng)物中,Trx則是ASK1的直接抑制劑[28],而Trx/ASK1-MAPKs也成為引發(fā)細(xì)胞凋亡的經(jīng)典途徑[29]。
Trx一般會(huì)與ASK1的N末端相連,在體內(nèi)抑制ASK1的活性,同時(shí)也就抑制了ASK1下游的MAPKs家族的活性,但當(dāng)機(jī)體內(nèi)產(chǎn)生某種氧化劑的時(shí)候,例如:TNF-а,氧化應(yīng)激導(dǎo)致的ROS的產(chǎn)生等,就會(huì)阻斷Trx-ASK1復(fù)合體的連接,氧化Trx(使C32和C35之間形成分子內(nèi)的二硫鍵),釋放ASK1(圖2),在TRAF2的作用下活化下游的MAPKs家族成員,啟動(dòng)凋亡程序,調(diào)節(jié)MAPKs的TRAF2必須在Trx和ASK1分離之后,才會(huì)與ASK1結(jié)合[30],啟動(dòng)下游MAPKs的級(jí)聯(lián)反應(yīng),所以Trx對(duì)于ASK1引發(fā)的凋亡途徑起到了重要的調(diào)節(jié)作用。
Trx,由于存在的位置不同,導(dǎo)致抑制凋亡的途徑也不同。Trx1主要抑制外源途徑的凋亡,Trx2則阻止內(nèi)源途徑的凋亡。已經(jīng)證實(shí)ASK1即存在于胞漿中,又存在于線粒體中,Trx1和Trx2分別抑制胞漿和線粒體內(nèi)的ASK1,以阻斷不同途徑的細(xì)胞凋亡。但胞漿和線粒體中的ASK1啟動(dòng)的凋亡途徑并不相同,在TNF誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡中,若在細(xì)胞中加入JNK的抑制劑,則可以完全的抑制TNF誘導(dǎo)的JNK途徑以及Bid的切割和Bax的轉(zhuǎn)位,但在存在JNK抑制劑的線粒體中發(fā)現(xiàn)ASK1大量的活化,而且cytc的釋放也沒(méi)有完全被阻斷,說(shuō)明胞漿中的ASK1介導(dǎo)的細(xì)胞凋亡包含了JNK途徑,但在線粒體中ASK1并沒(méi)有通過(guò)JNK途徑致使細(xì)胞凋亡[31],但也有一些學(xué)者認(rèn)為JNK對(duì)于cytc的釋放必不可少,他們認(rèn)為JNK可以使Bcl-2磷酸化,改變線粒體的膜電位同時(shí)改變線粒體膜的通透性,釋放cytc,啟動(dòng)cytc介導(dǎo)的凋亡途徑,JNK對(duì)于線粒體誘發(fā)的細(xì)胞凋亡起到信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的作用[7,32]。綜合以上兩種說(shuō)法可以推測(cè)TNF促使了Trx1/ASK1的分離,導(dǎo)致ASK1活化了JNK途徑,進(jìn)而JNK在外源途徑切割Bid,活化Bax,以促進(jìn)內(nèi)源途徑的凋亡。而內(nèi)源途徑中ROS引發(fā)的Trx2/ASK1引起的凋亡也是細(xì)胞損傷的重要途徑[33],雖然這條途徑并沒(méi)有完全被了解清楚,但是可以確定Trx2對(duì)于ROS起到清理作用,同時(shí)抑制線粒體中的ASK1,對(duì)線粒體介導(dǎo)的凋亡途徑起到一定的抑制作用。Trx1和Trx2都是通過(guò)錨定凋亡信號(hào)分子,從而抑制細(xì)胞的凋亡(圖3)。
由于線粒體膜的通透性與Bcl-2家族的成員有密切的關(guān)系,所以在研究細(xì)胞凋亡時(shí),Bcl-2家族成員也常常成為研究焦點(diǎn)。在研究肺缺血再灌注損傷時(shí),發(fā)現(xiàn)Trx干預(yù)組的Bax和ASK1表達(dá)顯著下降,說(shuō)明Trx可以對(duì)Bax起到抑制的作用,阻止了Bax對(duì)于線粒體膜通透性的改變,抑制細(xì)胞的凋亡[34]。
圖3 Trx與凋亡相關(guān)因子之間的關(guān)系Fig.3 Trx relate to apoptotic factors
許多疾病的產(chǎn)生都是由于凋亡途徑受損而引起的,而Trx廣泛表達(dá)在各種細(xì)胞中,在凋亡途徑中也起到了上游調(diào)控調(diào)因子的作用,因此在與凋亡引起的相關(guān)疾病中起著重要的調(diào)控作用。而由于Trx具有生長(zhǎng)因子,抗凋亡,抗氧化的作用,因此許多腫瘤細(xì)胞中Trx的含量都會(huì)高于正常細(xì)胞,其中包括肺癌細(xì)胞,結(jié)腸癌細(xì)胞,胰腺癌細(xì)胞,乳腺癌細(xì)胞,胃癌細(xì)胞等。所以利用Trx在凋亡途徑中的重要作用來(lái)治療疾病也成了現(xiàn)在的研究熱點(diǎn)。
Trx參與到許多的肺部疾病中,Trx-ASK1-JNK在吸煙引起的細(xì)胞凋亡中經(jīng)常見(jiàn)到,Lee YC[31]等人發(fā)現(xiàn)吸煙會(huì)導(dǎo)致大量的ROS產(chǎn)生,而Trx的高表達(dá)可以抑制JNK的表達(dá)從而減少細(xì)胞的凋亡;同時(shí)Sato A[36]等人發(fā)現(xiàn)提高Trx1可以改善吸煙引起的肺部炎癥;在臨床實(shí)驗(yàn)中,發(fā)現(xiàn)如果提高Trx的表達(dá)可以保護(hù)肺部組織免受損傷,暗示著未來(lái)Trx可能作為關(guān)鍵因素來(lái)治療肺部疾?。?7]。
某些病毒的作用機(jī)制包含了Trx-ASK1-MAPKs這條途徑,Yang TC發(fā)現(xiàn)日本腦炎病毒又稱為乙型腦炎病毒進(jìn)入體內(nèi),引起氧化應(yīng)激的發(fā)生,Trx的含量下降,ASK1-MAPKs途徑啟動(dòng),導(dǎo)致細(xì)胞凋亡引發(fā)神經(jīng)性的疾?。?8]。
同樣,許多藥物的作用機(jī)制也包含Trx-ASK1-MAPKs途徑,Lim PLK在研究曲格列酮的副作用時(shí),發(fā)現(xiàn)曲格列酮破壞了電子傳遞鏈,導(dǎo)致線粒體內(nèi)產(chǎn)生ROS,Trx2被氧化,從而引發(fā)ASK1-JNK途徑,最終引起肝損傷[33]。YH Ma[39]等人發(fā)現(xiàn),人重組的Trx1對(duì)腦缺血有治療作用,由于腦缺血會(huì)導(dǎo)致ONOO-引起的氧化應(yīng)激和細(xì)胞凋亡,而人重組的Trx1可稀釋ONOO-并抵抗氧化/氮化引起的細(xì)胞凋亡。
由于Trx在許多腫瘤細(xì)胞中的含量都比正常的細(xì)胞高,而且在凋亡途徑中又起著至關(guān)重要的作用,所以透徹的了解Trx在凋亡途徑中的作用機(jī)制,可對(duì)預(yù)防和治療疾病開(kāi)辟一條新的道路,相信Trx將成為腫瘤治療中有前景的又一靶點(diǎn)分子。
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