硫氧還蛋白的生物學(xué)功能及與人類疾病的關(guān)系

高建波

（天津市藥品檢驗(yàn)所，天津 300070）

硫氧還蛋白的生物學(xué)功能及與人類疾病的關(guān)系

高建波

（天津市藥品檢驗(yàn)所，天津 300070）

硫氧還蛋白是一類廣泛表達(dá)于各種生物組織器官的小分子蛋白質(zhì)，在調(diào)節(jié)機(jī)體的氧化還原反應(yīng)和抗氧化損傷中發(fā)揮重要作用。同時(shí)，還具有轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)、抗凋亡等生物學(xué)功能，且與腫瘤、類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎、心血管疾病等多種人類疾病密切相關(guān)，具有重要的研究?jī)r(jià)值。

硫氧還蛋白；生物功能；疾病

硫氧還蛋白（Thioredoxin，Trx）是一類高度保守的低分子量蛋白質(zhì)，參與氧化還原反應(yīng)等多種生物功能，已成為國(guó)際上醫(yī)學(xué)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)[1-3]，現(xiàn)對(duì)其近年來(lái)的主要生物功能及與人類疾病關(guān)系方面的研究綜述如下。

1 Trx的結(jié)構(gòu)

Trx是一種緊密結(jié)合的蛋白質(zhì)，疏水核心區(qū)域由5股β折疊構(gòu)成，其末端被4個(gè)α螺旋所包繞。它調(diào)節(jié)氧化還原活性的二硫鍵/巰基結(jié)構(gòu)位于氨基酸保守序列-Trp-Cys-Gly-Pro-Cys-。有活性的還原型Trx（Trx-（SH）2含有巰基，可以與二硫鍵相互作用，還原被氧化的多種蛋白，轉(zhuǎn)變?yōu)闊o(wú)活性的氧化型Trx（Trx-S2）。其可在Trx還原酶（thioredoxin reductase，TrxR）及煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（nicotinamide adenine dinucleotide phosphate，NADPH）作用下，轉(zhuǎn)變?yōu)檫€原型。

Trx根據(jù)末端氨基酸序列的差異，主要分為T(mén)rx1和Trx2兩種類型。Trx1位于細(xì)胞漿和細(xì)胞核，氨基酸序列長(zhǎng)105，分子量為12kDa；Trx2位于線粒體，氨基酸序列長(zhǎng)166，分子量為18kDa，含有60個(gè)氨基酸組成的N末端線粒體定位信號(hào)[4-6]。

2 Trx的主要生物學(xué)功能

2.1 抗氧化作用

Trx、TrxR、硫氧還蛋白過(guò)氧化物酶 （thioredoxin peroxidase，TrxP）和NADPH構(gòu)成了Trx系統(tǒng)，共同調(diào)節(jié)氧化還原反應(yīng)。還原型Trx既可在TrxP的作用下直接將活性氧（reactive oxygen species，ROS）清除，如將O-轉(zhuǎn)化為OH-，也可直接抑制氧化應(yīng)激或通過(guò)蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)間的相互聯(lián)系而間接抑制氧化應(yīng)激，保護(hù)細(xì)胞免受氧化劑的損傷[7-9]。

線粒體是細(xì)胞中心代謝途徑的核心，是生理及病理情況下ROS的主要來(lái)源。因此，特異位于線粒體的Trx2在協(xié)助線粒體防御氧化損傷，保護(hù)其發(fā)揮功能中具有重要的作用。研究表明Trx2過(guò)表達(dá)的小鼠可顯著減少ROS的生成，有效防止線粒體的功能紊亂；Trx2在犬腦中高表達(dá)可明顯減輕缺血造成的中樞神經(jīng)系統(tǒng)損傷，而抑制其基因表達(dá)的動(dòng)物則因ROS產(chǎn)生過(guò)量而死亡；細(xì)胞敲除Trx2基因后，不能抵御氧化應(yīng)激[10-11]。

目前，認(rèn)為T(mén)rx抗氧化的主要機(jī)制：①直接抑制呼吸鏈電子傳遞鏈Ⅰ，減少ROS的產(chǎn)生；②在NADPH的幫助下，還原型的Trx作為電子供體通過(guò)某些過(guò)氧化物酶將H2O2還原成H2O，從而清除部分ROS，降低ROS產(chǎn)生過(guò)量造成的細(xì)胞脂質(zhì)過(guò)氧化、蛋白質(zhì)及DNA變性；③作為二硫鍵還原酶，Trx能還原激酶、磷酸酶、轉(zhuǎn)錄因子等蛋白的二硫鍵從而恢復(fù)其生理功能，減輕氧化損傷；④調(diào)節(jié)氧化應(yīng)激的相關(guān)蛋白，如血紅素加氧酶-1、一氧化氮合酶的表達(dá)發(fā)揮抗氧化作用[12-13]。

2.2 抗凋亡作用

細(xì)胞凋亡信號(hào)調(diào)節(jié)激酶1 （apoptosis signal-regulating kinase 1，ASK-1）是在誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡中起中樞作用的蛋白酶，既存在于胞漿中，又存在于線粒體中，可從外源和內(nèi)源兩種途徑誘發(fā)細(xì)胞凋亡。研究證實(shí)，Trx1和Trx2可分別與胞漿和線粒體內(nèi)的ASK1結(jié)合，形成蛋白-蛋白復(fù)合物，誘導(dǎo)ASK1泛素化和降解，阻斷ASK1下游的促分裂素原活化蛋白激酶（mitogen-activated protein kinase，MAPKs）家族成員蛋白激酶p38（p38MAPKs）、c-Jun氨基末端激酶（c-Jun N-terminal Kinase，c-JNK）、胞外信號(hào)調(diào)節(jié)激酶（extracellular signal regulated kinase，ERK）誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡，保護(hù)細(xì)胞。研究證實(shí)，敲除Trx1或用RNA干擾技術(shù)沉默Trx2，或使ASK1變異，導(dǎo)致Trx不能與ASK1結(jié)合，均會(huì)導(dǎo)致c-JNK依賴的凋亡途徑的激活，引發(fā)下游的CtyC的釋放和caspase-3的激活，使凋亡不可逆轉(zhuǎn)的發(fā)生[14-16]。

Trx還可通過(guò)以下途徑阻止細(xì)胞凋亡：①調(diào)節(jié)其依賴型過(guò)氧化物酶家族實(shí)現(xiàn)抗凋亡作用。如Trx升高錳-超氧化物歧化酶（manganese superoxide dismutase，Mn-SOD）的表達(dá)，增強(qiáng)其將H2O2轉(zhuǎn)化成H2O的能力，大量清除H2O2，減少由其引發(fā)的細(xì)胞凋亡[17]；②Trx與線粒體電子傳遞復(fù)合物共同調(diào)節(jié)線粒體呼吸鏈，維持其正常膜電位，阻止由于膜電位降低造成的細(xì)胞色素C釋放，進(jìn)而產(chǎn)生細(xì)胞凋亡等損害；③Trx也可以通過(guò)核因子-kappa B（Nuclear factor kappa B，NF-κB）途徑，抑制多巴胺等神經(jīng)遞質(zhì)所介導(dǎo)的細(xì)胞凋亡[18-19]。

2.3 轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)作用

p53是重要的轉(zhuǎn)錄因子和腫瘤抑制蛋白，Trx 可直接與p53 DNA結(jié)構(gòu)中含二硫鍵的鋅指區(qū)域結(jié)合，進(jìn)而激活p53的表達(dá)，并增強(qiáng)其活性；Trx也可通過(guò)Ref-1因子介導(dǎo)與p53結(jié)合，發(fā)揮調(diào)節(jié)作用[20]。

NF-κB是研究的較為清楚的轉(zhuǎn)錄因子，生理情況下，與其抑制因子IκB結(jié)合以二聚體的無(wú)活性形式存在于細(xì)胞質(zhì)中，不具備生物功能。Trx 可通過(guò)c-JNK信號(hào)途徑，使NF-κB的抑制因子IκB降解，將NF-κB解放出來(lái)，從而進(jìn)入細(xì)胞核發(fā)揮轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)作用。研究表明，Trx1過(guò)表達(dá)及進(jìn)入細(xì)胞核增多可以協(xié)同促進(jìn)NF-κB 進(jìn)入細(xì)胞核與靶DNA結(jié)合，增強(qiáng)NF-κB的作用[21]。

Trx還可通過(guò)與 Jun-Jun或 Fos-Jun 復(fù)合體作用，在Ref-1因子協(xié)同下，增強(qiáng)激活蛋白1（active protein，AP-1）與DAN的結(jié)合，促進(jìn)其表達(dá)[22]。

3 Trx與疾病

3.1 Trx與腫瘤

研究發(fā)現(xiàn)，三氧化二砷（As2O3）誘導(dǎo)的人肝癌細(xì)胞 （HepG2）的凋亡可通過(guò)調(diào)節(jié)Trx l高表達(dá)可抑制，而通過(guò)RNA干擾技術(shù)使Trxl的表達(dá)下調(diào)或氧化其活性位點(diǎn)，則可促進(jìn)癌細(xì)胞凋亡。并且已證實(shí)，當(dāng)Trx含量增加時(shí)，肝癌、胃癌、結(jié)腸癌和卵巢癌的人類細(xì)胞均表現(xiàn)出對(duì)順鉑敏感性的降低，用轉(zhuǎn)染技術(shù)使纖維肉瘤細(xì)胞Trx高表達(dá)后，明顯增強(qiáng)瘤細(xì)胞對(duì)順鉑的抵抗性。一系列細(xì)胞的研究都發(fā)現(xiàn)，癌細(xì)胞對(duì)順鉑的抵抗和Trx水平呈正相關(guān)[23-26]。

鑒于此，Trx有望作為開(kāi)發(fā)抗癌藥物的新的靶點(diǎn)，通過(guò)抑制Trx的表達(dá)而促進(jìn)腫瘤細(xì)胞的凋亡，達(dá)到治愈腫瘤的目標(biāo)。

3.2 Trx與心血管疾病

Trx與心血管疾病密切相關(guān)，首先，Trx在急性冠狀動(dòng)脈綜合癥、肥大型心肌病及心衰患者血清中含量明顯升高，并且，在心肌炎急性期患者血清中Trx明顯上調(diào)，在慢性期逐漸下降，這說(shuō)明Trx的血清含量與某些心血管疾病的嚴(yán)重程度存在密切相關(guān)性，可作為判斷心肌損傷程度的一個(gè)新的生化指標(biāo)；其次，Trx在部分心血管疾病的組織中存在過(guò)表達(dá)，如人動(dòng)脈粥樣硬化斑塊的血管內(nèi)皮細(xì)胞和巨噬細(xì)胞Trx的蛋白及mRNA水平均過(guò)度表達(dá)[27-30]。 Trx在心血管疾病中的高表達(dá)可能與其抑制細(xì)胞的氧化應(yīng)激具有一定相關(guān)性，病情的急性期往往ROS的生成驟增，此時(shí)，為了減少ROS造成的損傷，Trx的生成亦相應(yīng)增加，以清除過(guò)量的ROS；待病情穩(wěn)定后，ROS的生成減少，Trx亦相應(yīng)減少。

3.3 Trx與類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎

類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎患者滑液中及血漿Trx水平均明顯升高，與血清C反應(yīng)蛋白、尿液中DNA氧化損傷的生物學(xué)標(biāo)記物8-羥-2’-脫氧鳥(niǎo)苷的水平、關(guān)節(jié)滑液中中性粒白細(xì)胞的浸潤(rùn)數(shù)量呈正相關(guān)。因此，血漿Trx水平有望作為該疾病活動(dòng)性的新的生物學(xué)指標(biāo)，準(zhǔn)確反應(yīng)患者病情的進(jìn)程和預(yù)后[31]。

3.4 Trx與腎臟、肝臟疾病

研究發(fā)現(xiàn)，IgA型腎小球腎炎患者，Trx血清水平明顯升高，并且其表達(dá)與血清尿素氮、尿酸含量呈正相關(guān)，而與腎小球率過(guò)濾呈負(fù)相關(guān)[32]。在因感染丙型肝炎病毒而導(dǎo)致的肝硬化患者及伴有丙型肝炎病毒感染的肝癌患者，血清中的Trx水平均顯著升高，且與凝血酶原時(shí)間、血清白蛋白、胎兒球蛋白的含量具有相關(guān)性[33-34]，以上表明，Trx有望作為腎炎及丙肝病毒感染患者的預(yù)后的標(biāo)志性指標(biāo)，為其診斷及治療提供依據(jù)。

4 展 望

硫氧還蛋白由于具有抗氧化、抗凋亡等重要的生物功能，而與人類的多種疾病密切相關(guān)，相信隨著研究的不斷深入，針對(duì)Trx作為靶點(diǎn)會(huì)為研發(fā)新藥、防治疾病提供新的方向。

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