硒蛋白家族及其功能的研究進展

劉 哲，張 峰，梁建斌，于德斌，武 瑞

（1.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院，黑龍江 大慶163319；2.大慶油田總醫(yī)院，黑龍江 大慶163331；3.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)動物科學(xué)技術(shù)學(xué)院，黑龍江 大慶163319）

硒(Se)是對人類健康非常重要的微量元素，其功能涉及甲狀腺激素代謝、預(yù)防神經(jīng)退行性病變和癌癥，以及免疫反應(yīng)。硒的生物學(xué)效應(yīng)的主要通過硒蛋白的產(chǎn)生，硒蛋白參與免疫細胞激活、增殖和分化，驅(qū)動天然免疫與適應(yīng)性免疫。研究硒蛋白的作用機理，對掌握硒蛋白調(diào)控生物合成和代謝尤為重要。

1 Se的生物活性及其功能

非常低或高的硒水平都是有害或致命的。硒在機體內(nèi)主要以含硒酶和硒蛋白質(zhì)兩種活性物質(zhì)存在。硒代氨基酸主要是硒代蛋氨酸(Se-Met)和硒代半胱氨酸(Se-Cys；Sec)。人類攝取Se主要是Se-Met，通過小分子量硒化合物發(fā)揮它的生物效應(yīng)。亞硒酸鹽和Se-Met可能代謝成甲基硒化合物，癌癥特有的硒化合物，例如，甲基硒酸在彌漫型B淋巴瘤細胞系可能抑制組蛋白脫乙酰酶(HDAC)活性[1]。飲食中缺乏硒會導(dǎo)致免疫功能障礙和炎癥，硒通過硒蛋白表達對巨噬細胞運轉(zhuǎn)產(chǎn)生影響，從而影響免疫和組織內(nèi)環(huán)境平衡。

2 硒蛋白的合成

硒蛋白的生物合成需編碼Sec的UGA碼、特殊的tRNA、硒代半胱氨酸插入序列（SECIS）元件和輔助翻譯的蛋白因子。這個過程是由絲氨酸(Ser)結(jié)合tRNA(tRNA(Ser)Sec)來生成Ser-tRNA Sec。SertRNA Sec的Ser殘基是磷酸化酶,使用單硒磷酸作為供體的Se轉(zhuǎn)化為硒代半胱氨酸t(yī)RNA Sec（SectRNA Sec）。Sec-tRNA Sec轉(zhuǎn)移Sec進入，生成硒蛋白[2]。這個機制需要專門的CIS元素出現(xiàn)在硒蛋白mRNA（即SECIS）和蛋白質(zhì)因子（包括SECIS-結(jié)合蛋白2和硒代半胱氨酸翻譯延長因子及其他），由此產(chǎn)生含Sec氨基酸蛋白質(zhì)，為各種生物利用。

3 硒蛋白家族

3.1 硒蛋白概述 已知25個人類基因編碼硒蛋白（Selenoprotein）[2]，其中24種硒蛋白存在于鼠中。硒蛋白表達對于生存是至關(guān)重要的，缺乏Sec tRNA的老鼠，導(dǎo)致胚胎死亡[3]。盡管不同硒蛋白的生物功能各異，但其生化基礎(chǔ)主要是Sec的氧化還原活性，如GPx參與調(diào)節(jié)胞內(nèi)氧化還原平衡，TrxR調(diào)節(jié)二硫鍵與巰基的平衡、參與胞內(nèi)氧化還原信號傳導(dǎo)；Sep15參與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上二硫鍵的形成；Dio通過氧化還原調(diào)節(jié)甲狀腺激素代謝；SelP通過抗氧化在腦神經(jīng)細胞中發(fā)揮作用；SelR是蛋氨酸亞砜還原酶；SelW、SelM、SelH等通過氧化還原作用參與各種生理環(huán)節(jié)。硒蛋白I可能參與磷脂生物合成；硒蛋白N參與有關(guān)RyR內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的鈣動員；硒磷酸合成酶參與所有硒蛋白的合成。非硒蛋白表達也影響硒的可用性，其機制目前還不清楚。硒蛋白的表達和功能與硒水平關(guān)系尚不明確，某些硒蛋白不受硒攝入的影響。

3.2 硒蛋白家族

3.2.1 谷胱甘肽過氧化物酶 谷胱甘肽過氧化物酶（glutathione peroxidase，GSH-Px，GPx）活性與Se攝入量有關(guān)，GPx是最典型的含硒酶，GPx的主要作用是促進氫過氧化物代謝，減少對機體的損傷。GPx利用其位于活性中心的Se來消除活性氧（ROS），包括過氧化氫(H2O2)和磷脂氫過氧化物。

人類谷胱甘肽過氧化物酶（GPx）有8個亞型，其中GPx1-6包含Se。在哺乳動物第一個被識別的硒蛋白是GPx1（細胞型，CGPx）。其他成員包括GPx2（胃腸型；GPx-GI），GPX3（血漿型；eGPx），GPx4（磷脂型；PHGPx）。CGPx的活性由肝臟中Se水平調(diào)節(jié)，表達在各類細胞的胞漿。GPx1和GPx4在大多數(shù)組織中表達，也包括一些免疫組織和細胞[4]。GPx2主要表達在胃腸道上皮，在胃腸道細胞檢測不到cGPxmRNA，說明GPx2在保護消化道脂質(zhì)過氧化毒性損傷中起主要作用；GPx3合成在腎、心和甲狀腺。只有GPx3在循環(huán)分泌用于血漿，定位于細胞外。人類GPx3占總血漿Se的20%～40%。PHGPx是一種保護脂膜的抗氧化酶,可直接減少脂質(zhì)過氧化物，下調(diào)環(huán)氧化酶的活性，說明其對活性氧的調(diào)控起重要作用。GPx6是一種人類硒蛋白，它定位在嗅覺上皮和胚胎組織[4]。

3.2.2 硫氧還蛋白還原酶 硫氧還蛋白還原酶(TXNRD，TrxR，TR)是另一個硒蛋白家族的子族，TR1-3是含硒的黃素酶，含有一個SeCys，其主要功能是還原小分子蛋白質(zhì)硫氧還蛋白(thioredoxin，TXN或TRX)和二硫鍵異構(gòu)酶等。TXN是微弱的氧化還原活性蛋白，分布于哺乳動物各種組織。TR1是一種胞漿酶，定位于細胞質(zhì)/核，對維護免疫細胞氧化還原尤為重要，減少TXN1；TR1是細胞中最豐富的TR同功酶。在小鼠巨噬細胞中，通過活化的脂多糖(LPS)刺激可以上調(diào)TR1[5]。研究表明，TR1在許多癌癥中超表達[6]。TR2是一種線粒體酶，它是TR羧基端域和氨基端谷氧還蛋白域融合體，TR2具有GSH還原功能，減少TXN2。睪丸特有的TXNRD3具有青春期依賴性。TXNRDs的活性與體內(nèi)硒含量密切相關(guān)。研究發(fā)現(xiàn)，TXN/TXNRD系統(tǒng)與體內(nèi)細胞氧化還原反應(yīng)、核酸代謝、細胞生長及腫瘤發(fā)生有關(guān)[7]。

3.2.3 脫碘酶 脫碘酶包括DIO1、DIO2和DIO3。脫碘酶是甲狀腺代謝T4向T3活性形式轉(zhuǎn)化的催化酶，硒是該酶的活性成分。四碘甲狀腺原氨酸（T4）激素原通過DIO1或DIO2活化成三碘甲狀腺氨酸（T3）或向反甲狀腺素轉(zhuǎn)化。甲狀腺分泌的甲狀腺素以T4為主，T3極少，T3是真正起作用的活性甲狀腺素，活性是T4的5～8倍。硒缺乏降低脫碘酶的活性，從而改變甲狀腺激素代謝，表現(xiàn)為T4向T3轉(zhuǎn)化受阻。

DIO1比DIO2、DIO3對缺硒更敏感，缺硒大鼠DIO1活力下降90%，而DIO2下降了50%。3種脫碘酶在許多組織中表達，但在免疫細胞中表達很少。甲狀腺激素水平會影響全身組織硒蛋白合成，所以脫碘酶間接影響免疫反應(yīng)。

3.2.4 硒蛋白P(SELP或SEPP1) SELP是一種細胞外的糖蛋白，幾乎所有組織中都有發(fā)現(xiàn)。1977年Herrman從血漿中純化得到SELP。SELP獨特之處在于它含有多個Se殘基，其倒數(shù)第二Sec殘基被誤解為停止密碼子。其水平受Se水平影響遠比其他硒蛋白小。

SELP是一種硒轉(zhuǎn)運蛋白，影響全身Se平衡，特別是睪丸和大腦[8]。在小鼠研究表明，雌性肝SELP表達與雄性相比較高[9]。SELP還執(zhí)行重要的抗氧化功能，這對于某些免疫功能尤其重要。另外，SELP富含組氨酸、半胱氨酸，這些氨基酸可以調(diào)控其與重金屬結(jié)合。SELP還可以分解氧化亞硝酸鹽。

3.2.5 硒蛋白K和硒蛋白S SELK和SELS是兩種內(nèi)質(zhì)網(wǎng)(ER)跨膜蛋白，是與免疫相關(guān)的硒蛋白。這兩種蛋白在ER應(yīng)激保護細胞扮演重要作用[10]。最近研究表明，SELK在免疫細胞激活中促進Ca2+流量[11]。

SELS1最初是從糖尿病鼠中得到克隆的，葡萄糖能夠抑制SELS的表達，而且SEPS1能與血清淀粉樣蛋白A(SAA)相互作用，表明SelS可能與2-型糖尿病、炎癥有關(guān)[12]。

3.2.6 硒蛋白R 硒蛋白R（SELR）又稱蛋氨酸-R-亞砜還原酶B1（MsrB1），是一種具有氧化還原活性的硒蛋白，主要位于細胞核與細胞質(zhì)內(nèi)。SELR通過其4個半胱氨酸殘基結(jié)合鋅，使結(jié)合的鋅參與蛋氨酸亞砜的催化還原。

3.2.7 硒蛋白15 1998年硒蛋白15(Sep15)被發(fā)現(xiàn)于人類T細胞。Sep15表達受飲食硒調(diào)節(jié)，在若干組織中均表達。Sep15被發(fā)現(xiàn)存在于一個UDP-葡萄糖復(fù)合體：糖蛋白葡糖基轉(zhuǎn)移酶(UGTR)，它參與蛋白質(zhì)折疊的質(zhì)量控制，定位在細胞內(nèi)質(zhì)網(wǎng)[13]。最近研究顯示，Sep15可能在UGTR的糖蛋白基底的減少或異構(gòu)化二硫鍵發(fā)揮作用[14]。Sep15基因由五個外顯子和四個內(nèi)含子組成，定位在染色體1p31上，它的基因座在人類癌癥上經(jīng)常丟失或突變[15]。人類Sep15基因在3′UTR發(fā)生811(C/T)和1 125(A/G)兩個多態(tài)核苷酸位點，其中1 125(A/G)位點存在SECIS成分，其多態(tài)性體現(xiàn)了Sep15對硒補充和Sec納入蛋白質(zhì)的不同反應(yīng)[16]。在惡性間皮細胞瘤發(fā)現(xiàn)Sep15下調(diào)超過50%，說明其抑制腫瘤細胞增長。在惡性間皮細胞瘤細胞系中，亞硒酸鹽誘導(dǎo)細胞凋亡依賴于Sep15。敲除Sep15的癌細胞對硒幾乎不反應(yīng)[17]。在結(jié)腸癌細胞株敲除Sep15逆轉(zhuǎn)了癌癥特性，表明Sep15在結(jié)腸癌有雙重作用。

4 展望

大多數(shù)硒蛋白是為組織和細胞保障其正確功能，包括免疫反應(yīng)。還有一些硒蛋白功能仍然未知，如硒蛋白O,硒蛋白V，硒蛋白T。不是所有硒蛋白都在高等生物中表達，許多硒蛋白起源于低等真核生物，在陸地生物減少或完全丟失，這是一個未知的環(huán)境因素。1993 Burk RF，Hill KE估計動物體內(nèi)存在50～100種硒蛋白，未知的含硒蛋白結(jié)構(gòu)和生物學(xué)功能將是今后探索的熱點課題。

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