基于蛋氨酸代謝調(diào)控的內(nèi)源性抗氧化分子機制

王正旋，楊 林

(哈爾濱工業(yè)大學(xué) 化工與化學(xué)學(xué)院，哈爾濱 150001)

蛋氨酸是一種常見的含硫氨基酸(Sulfur-containing amino acids, SAAs)，具有內(nèi)源性抗氧化功能，能夠有效清除體內(nèi)活性氧(Reactive oxygen species, ROS)蓄積，緩解氧化應(yīng)激(Oxidative stress)[1]。目前國內(nèi)外對于蛋氨酸抗氧化作用多集中報道蛋氨酸代謝調(diào)控GSH合成方面，并且缺乏對蛋氨酸代謝調(diào)控抗氧化作用的全面報道。因此本綜述主要集中在蛋氨酸抗氧化功能方面，綜合目前有關(guān)蛋氨酸抗氧化方面的報道，較為系統(tǒng)、全面地總結(jié)了基于蛋氨酸代謝調(diào)控的抗氧化分子機制，為蛋氨酸應(yīng)用提供了新的視角。

ROS是機體在正常代謝過程中形成的一種非常短暫的物質(zhì)，能夠被身體內(nèi)抗氧化系統(tǒng)有效清除。然而過量的ROS會引起氧化應(yīng)激，進而引起DNA、脂質(zhì)和蛋白損傷，導(dǎo)致心血管疾病及癌癥等多種疾病[1-3]。因此，抑制ROS引起的氧化應(yīng)激是一種預(yù)防疾病的有效途徑。機體為防止ROS蓄積產(chǎn)生了一套內(nèi)源性抗氧化防御體系，如核因子E2-相關(guān)因子2(Nuclear factor-erythroid 2-related factor 2, Nrf2)抗氧化體系、蛋氨酸亞砜還原酶(Methionine sulfoxide reductase, MSR)抗氧化系統(tǒng)以及谷胱甘肽(Glutathione, GSH)合成與代謝等，有效地改善機體氧化應(yīng)激狀態(tài)，維持體內(nèi)氧化還原狀態(tài)穩(wěn)定[4-5]。

1 蛋氨酸的結(jié)構(gòu)與功能

蛋氨酸作為常見的含硫氨基酸之一，是真核生物蛋白質(zhì)合成的起始氨基酸，在蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和新陳代謝中都發(fā)揮著獨特的作用[6]。從蛋氨酸的分子結(jié)構(gòu)可知，蛋氨酸含有與硫原子共價鍵合的甲基[7]。甲基和硫基對蛋氨酸結(jié)構(gòu)特征和代謝功能至關(guān)重要。

首先，蛋氨酸在蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能中發(fā)揮重要作用[8]。其作用主要包括三個方面：疏水性作用、硫的氧化作用和蛋白質(zhì)合成作用。蛋氨酸由于側(cè)鏈末端含有甲基，因此具有高疏水性，是最疏水的氨基酸之一。對于球狀蛋白質(zhì)而言，雖然有超過三分之二的蛋氨酸殘基被埋在蛋白質(zhì)的疏水內(nèi)部，但仍有將近三分之一的蛋氨酸殘基可能存在于蛋白質(zhì)表面。這些表面蛋氨酸殘基一般聚集在蛋白質(zhì)活性部位，保護其免受ROS攻擊[9]。研究表明，蛋氨酸的疏水性在氨基酰-tRNA(transfer RNA, tRNA)與小亞基結(jié)合的過程中發(fā)揮至關(guān)重要的作用。

其次，蛋氨酸在蛋白質(zhì)合成起始階段具有獨特的作用。蛋氨酸是真核生物蛋白質(zhì)合成的起始氨基酸，并且蛋氨酸衍生物N-甲?；鞍彼嵩谠松镏芯哂型瑯拥墓δ堋Ｈ欢S著蛋白質(zhì)翻譯的進行，這些蛋氨酸殘基大部分隨后被移除，表明蛋氨酸是在翻譯的起始階段發(fā)揮作用，而不是在蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)中[7]。

2 蛋氨酸代謝

蛋氨酸代謝包含轉(zhuǎn)甲基化、再甲基化和轉(zhuǎn)硫化。轉(zhuǎn)甲基化涉及通過甲硫氨酸腺苷轉(zhuǎn)移酶將甲硫氨酸活化成S-腺苷甲硫氨酸，然后通過甲基轉(zhuǎn)移酶(Methionine adenosyltransferase, MAT)轉(zhuǎn)移S-腺苷甲硫氨酸甲基，最后通過將S-腺苷高半胱氨酸可逆水解成腺苷和同型半胱氨酸完成了轉(zhuǎn)甲基化[7, 10]。

2.1 蛋氨酸轉(zhuǎn)硫途徑

蛋氨酸的分解代謝主要通過轉(zhuǎn)硫途徑來實現(xiàn)。蛋氨酸在蛋氨酸腺苷轉(zhuǎn)移酶和S-腺苷同型半胱氨酸水解酶(S-Adenosyl-L-HomocysteineHydrolase, SAHH)作用下轉(zhuǎn)化成同型半胱氨酸，隨后在半胱氨酸β-合酶(Cystathionine beta-synthase, CBS)的催化下，同型半胱氨酸與絲氨酸(Serine, Ser)縮合生成胱硫醚(Cystathionine)[11]。然后胱硫醚在半胱氨酸裂解酶(Cystathionine in cysteine lyase, CTH)的催化下被裂解成半胱氨酸(Cysteine, Cys)、α-酮丁酸酯(α-ketobutyrate)和氨(Ammonia)。蛋氨酸經(jīng)轉(zhuǎn)硫途徑轉(zhuǎn)化成半胱氨酸的過程(見圖1)。

圖1 蛋氨酸經(jīng)轉(zhuǎn)硫途徑轉(zhuǎn)化成半胱氨酸的過程

同型半胱氨酸轉(zhuǎn)化為半胱氨酸是不可逆的[11-12]。因此，蛋氨酸可以轉(zhuǎn)化為半胱氨酸，但半胱氨酸不能轉(zhuǎn)化為蛋氨酸。這與營養(yǎng)學(xué)觀察結(jié)果相符，即在蛋氨酸攝入的情況下，半胱氨酸是一種可有可無的氨基酸，然而半胱氨酸攝入不能彌補蛋氨酸缺乏。因此轉(zhuǎn)硫途徑在為GSH合成提供半胱氨酸方面發(fā)揮著特別重要的作用[12]。

2.2 蛋氨酸代謝調(diào)控

蛋氨酸的代謝調(diào)控是復(fù)雜的。首先，同型半胱氨酸在再甲基化和轉(zhuǎn)硫化之間的分配至關(guān)重要，而Mudd的經(jīng)典平衡研究表明，同型半胱氨酸再甲基化與轉(zhuǎn)硫之間的平衡取決于甲基的可用性[12]。當(dāng)攝入含少量甲基基團的飲食時，同型半胱氨酸傾向于被再甲基化，而不是被分解代謝；而當(dāng)攝入含過量甲基的飲食時，同型半胱氨酸傾向于轉(zhuǎn)硫化，進一步分解代謝。以上的這種代謝轉(zhuǎn)換可能是由S-腺苷蛋氨酸通過變構(gòu)機制進行調(diào)控的。首先，蛋氨酸腺苷轉(zhuǎn)移酶的肝亞型具有異常的反饋激活特性，該酶可被S-腺苷甲硫氨酸激活，這確保了在蛋氨酸供應(yīng)充足的情況下促進肝臟S-腺苷甲硫氨酸生成；其次，S-腺苷蛋氨酸既可作為胱硫醚β-合酶的變構(gòu)激活劑，又可作為亞甲基四氫葉酸還原酶的變構(gòu)抑制劑[13]。因此，補充蛋氨酸可以促進轉(zhuǎn)硫途徑，并且抑制再甲基化。

另外，蛋氨酸代謝可以通過氧化應(yīng)激進行調(diào)控。研究表明，轉(zhuǎn)硫途徑在產(chǎn)生半胱氨酸以用于合成GSH的過程中起著重要調(diào)控作用。肝臟中的氧化應(yīng)激可促進蛋氨酸的轉(zhuǎn)硫作用以及促進谷胱甘肽合成，這可能是由于胱硫醚β-合酶中血紅素修復(fù)基團的氧化還原狀態(tài)改變而引起[10]。

3 蛋氨酸抗氧化功能

蛋氨酸是一種含硫的必需氨基酸，在參與蛋白質(zhì)合成的同時，也是GSH合成原料半胱氨酸的主要來源。研究表明，蛋氨酸在體內(nèi)具有抑制ROS，調(diào)控抗氧化防御體系以保護機體免受氧化損傷的作用[8]。

3.1 蛋氨酸與蛋氨酸亞砜還原酶抗氧化系統(tǒng)

研究表明，蛋白質(zhì)表面許多氨基酸殘基易受ROS所氧化，并且這種氧化修飾的蛋白質(zhì)會在氧化應(yīng)激或衰老中逐漸積累[8]。蛋氨酸殘基和半胱氨酸殘基對ROS特別敏感，極易被ROS氧化成蛋氨酸亞砜(Methionine sulfoxide, MetO)。然而蛋氨酸殘基的氧化是可逆的，可以被特異性的蛋氨酸亞砜還原酶還原成蛋氨酸[8, 14]。

蛋氨酸亞砜還原酶體系主要由蛋氨酸亞砜還原酶組成，其中包括蛋氨酸亞砜還原酶A(Methionine sulfoxide reductase, MsrA)和蛋氨酸亞砜還原酶B(Methionine sulfoxide reductase, MsrB)[15]。在蛋氨酸被ROS氧化過程中，Met的硫原子與氧結(jié)合形成MetO。由于硫原子為手性中心，因此存在兩個MetO差向異構(gòu)體：R-MetO和S-MetO。在MsrA的催化下，S-MetO被特異性還原成蛋氨酸，而R-MetO則不受影響，相反在MsrB的催化下，R-MetO被特異性還原成蛋氨酸，而S-MetO則不受影響[7]。在蛋氨酸亞砜還原酶的催化下，被ROS氧化的MetO又可被煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(Nicotinamide adenine dinucleotide phosphate, NADPH)還原為Met。，因此Met與MetO之間形成了氧化還原反應(yīng)循環(huán)，并且在每一個循環(huán)中，都會消耗等量的ROS，進而有效地清除體內(nèi)ROS，減少氧化應(yīng)激產(chǎn)物如丙二醛及蛋白質(zhì)羰基等的產(chǎn)生，降低體內(nèi)氧化應(yīng)激水平[16-17]。

雖然MsrA和MsrB具有相同的亞硫氨酸還原功能，但它們在底物特異性、活性位點組成、亞細(xì)胞定位和進化等方面存在差異。MsrA存在于線粒體、胞質(zhì)和細(xì)胞核中，在肝臟內(nèi)表達豐富。相反，MsrB2和MsrB3主要在非肝組織中表達，其中MsrB2存在于線粒體中，而MsrB3定位于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和線粒體中[15]。此外，MsrA和MsrB在還原游離的蛋氨酸亞砜過程中具有完全不同的催化性能，其中MsrA催化S-MetO還原的效率要比MsrB催化R-MetO還原的效率高1000倍，表明MsrA可能在MSR抗氧化體系中起主導(dǎo)作用。已有研究表明，補充膳食蛋氨酸，可以促進MSR表達，進而減少ROS蓄積[18]。

3.2 蛋氨酸促進GSH合成

谷胱甘肽(GSH)是最為重要且分布最廣、含量最多的內(nèi)源性非酶類抗氧化物質(zhì)。GSH是一種三肽，其全名為γ-L-谷氨?；?L-半胱氨酰甘氨酸，存在于所有哺乳動物組織中，是含量最豐富的非蛋白質(zhì)硫醇，可以保護身體免受氧化應(yīng)激[11]。GSH作為氧化還原信號傳導(dǎo)的關(guān)鍵決定因素，在外源性生物的解毒過程中起重要作用。GSH的抗氧化功能主要由谷胱甘肽過氧化物酶(Glutathione peroxidase, GPx)催化的反應(yīng)完成。當(dāng)GSH被氧化成氧化型谷胱甘肽(GSSG)時，會減少過氧化氫和脂質(zhì)過氧化物等氧化物，而GSSG則通過GSSG還原酶在NADPH的作用下還原為GSH，因此GSH與GSSG之間形成了氧化還原循環(huán)，其可直接或間接地清除體內(nèi)活性氧ROS，消除機體內(nèi)脂質(zhì)過氧化物等有害代謝成分以及阻止機體內(nèi)各類生物分子的氧化[19]。

GSH合成分為兩個過程，首先是Cys和谷氨酸(Glutamicacid, Glu)在GCL的催化下形成γ-谷氨酰半胱氨酸，隨后在GSH合成酶(Glutathione synthase, GS)的作用，γ-谷氨酰半胱氨酸和Gly合成GSH。研究表明，GCL作為GSH合成中的第一限速酶，其活性的高低對GSH合成速率具有決定性作用，然而GCL的活性又受到Cys水平的調(diào)控，即高水平Cys可以提高GCL活性，促進GSH合成。蛋氨酸通過轉(zhuǎn)硫途徑轉(zhuǎn)化成Cys，可以提高GCL活性，促進GSH合成，因此補充蛋氨酸在提高Cys水平的同時，也刺激了GCL活性，促使更多GSH的合成，進而提高了機體抗氧化能力[7]。蛋氨酸促進GSH合成的過程(見圖2)。

圖2 蛋氨酸促進GSH合成的過程

3.3 蛋氨酸與Nrf2抗氧化系統(tǒng)

Nrf2是細(xì)胞氧化應(yīng)激反應(yīng)中的關(guān)鍵因子，是細(xì)胞抗氧化還原的中樞調(diào)節(jié)者。Nrf2通過與抗氧化反應(yīng)元件(Antioxidant response element, ARE)相互作用，激活抗氧化酶和相關(guān)解毒酶的表達，在細(xì)胞的防御保護中發(fā)揮重要作用。

Kelch樣環(huán)氧氯丙烷相關(guān)蛋白1(Kelch-like ECH-associated protein 1, Keap1)是基于泛素連接酶Cullin 3(Ubiquitin Ligase Cullin 3, Cul3)的銜接子亞基，能夠調(diào)節(jié)Nrf2活性。在無應(yīng)激條件下，Keap1與細(xì)胞質(zhì)中的Nrf2結(jié)合，促進Nrf2泛素化和蛋白酶體降解。當(dāng)暴露在化學(xué)物質(zhì)(通常是親電的)或活性氧(ROS)時，Keap1/Cul3復(fù)合物的泛素E3連接酶活性下降，Nrf2變得穩(wěn)定。隨后穩(wěn)定的Nrf2在細(xì)胞核中積累并促進下游抗氧化酶、GSH合成和代謝相關(guān)酶以及轉(zhuǎn)運蛋白等基因的表達。研究表明，由于Keap1保留多個半胱氨酸殘基傳感器，可檢測各種應(yīng)激刺激，因此Keap1還可作為氧化和親電應(yīng)激的傳感器[20]。

Nrf2通過與ARE的相互作用來促進下游抗氧化蛋白和II相解毒酶的表達，是迄今為止發(fā)現(xiàn)的最為重要的內(nèi)源性抗氧化通路。受Nrf2與ARE相互作用調(diào)節(jié)的抗氧化酶主要包括γ-谷氨酰半胱氨酸合成酶(γ-glutamyl cysteine synthetase, γ-GCS)、過氧化氫酶(Catalase, CAT)超氧化物歧化酶(Superoxide Dismutase, SOD)、血紅素氧合酶(Heme oxygenase-1, HO-1)等，而II相解毒酶主要包含谷胱甘肽S轉(zhuǎn)移酶(Glutathione-S-transferases, GST)、醌氧化還原酶1(NAD(P)H-quinone oxidoreductase l, NQO1)等[5]。

研究表明，蛋氨酸對Nrf2-ARE通路激活具有促進作用[20]。作為氧化應(yīng)激的傳感器，Nrf2通過激活和上調(diào)受ARE驅(qū)動的解毒和抗氧化分子的表達，嚴(yán)格調(diào)節(jié)內(nèi)源性抗氧化防御系統(tǒng)。蛋氨酸通過激活Nrf2通路，從而有效提高CAT、SOD、HO-1和GPx的活性和表達。此外，Nrf2的激活上調(diào)了GCLC、GCLM和GS表達，從而進一步刺激內(nèi)源性谷胱甘肽合成。Lu等[19]在利用microRNA調(diào)節(jié)蛋氨酸代謝的過程中發(fā)現(xiàn)，Nrf2通路對轉(zhuǎn)硫途徑促進GSH合成具有重要調(diào)控作用。蛋氨酸是激活Nrf2-ARE通路，刺激GSH合成以抑制ROS產(chǎn)生氧化應(yīng)激的關(guān)鍵因素。

3.4 蛋氨酸代謝對Nrf2激活與MSR表達的影響

研究表明，蛋氨酸能夠激活Nrf2-ARE抗氧化通路[21]。由于Nrf2-ARE通路的激活通常意味著氧化還原失衡的發(fā)生，因此添加蛋氨酸顯而易見地影響了氧化還原環(huán)境。由于補充蛋氨酸能夠刺激MsrA和MsrB的分子表達，這意味著補充的蛋氨酸容易被ROS氧化，導(dǎo)致蛋氨酸亞砜水平上升，而蛋氨酸亞砜可能作為一種促氧化劑激活內(nèi)源性抗氧化防御系統(tǒng)。而Wang等的研究中，MsrA、MsrB2和MsrB3分子表達水平與Nrf2核含量之間分別呈顯著正相關(guān)，正好驗證了該觀點[21]。因此，Nrf2的激活可能是刺激MSR表達的一個開關(guān)。

另一方面，作為蛋氨酸代謝物，同型半胱氨酸可能參與Nrf2-ARE通路的激活，因此同型半胱氨酸在再甲基化和轉(zhuǎn)硫之間的分配很關(guān)鍵。有研究表明，補充蛋氨酸能夠促進轉(zhuǎn)硫作用，抑制再甲基化的發(fā)生。轉(zhuǎn)硫途徑的缺失會導(dǎo)致細(xì)胞氧化還原穩(wěn)態(tài)失衡以及GSH產(chǎn)生減少。在轉(zhuǎn)硫途徑中，CBS和CTH催化高半胱氨酸轉(zhuǎn)化成半胱氨酸的過程會產(chǎn)生硫化氫(H2S)，而H2S除了本身具有抗氧化作用外，還可以通過提高Keap1的硫巰基化水平，減弱Keap1對Nrf2的抑制作用，促使Nrf2移至細(xì)胞核中，激活Nrf2-ARE通路[20]。補充蛋氨酸可有效地刺激CBS和CTH的表達，促進同型半胱氨酸不可逆反應(yīng)生成半胱氨酸以用于合成GSH或H2S[20-21]。因此蛋氨酸可以通過轉(zhuǎn)硫途徑產(chǎn)生的H2S激活Nrf2-ARE通路。

蛋氨酸代謝是復(fù)雜的，雖然本綜述總結(jié)了基于蛋氨酸代謝調(diào)控的三種內(nèi)源性抗氧化機制，但是關(guān)于基于蛋氨酸代謝調(diào)控的更全面及更深入的抗氧化機制還有待研究。隨著科技的發(fā)展，生物信息大數(shù)據(jù)的挖掘為蛋氨酸代謝的深入研究提供了新的研究角度及研究方法[22]。在基因組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)的基礎(chǔ)上，采用代謝組學(xué)的方法對蛋氨酸代謝進行深入研究，弄清楚蛋氨酸代謝路徑及其產(chǎn)物對抗氧化通路的影響，最后以組群指標(biāo)分析為基礎(chǔ)，以高通量檢測和數(shù)據(jù)處理為手段，以信息建模與系統(tǒng)整合為目的，對蛋氨酸代謝調(diào)控的抗氧化基因和相關(guān)蛋白的分析與歸納，從而更全面及更深入地理解蛋氨酸代謝影響的抗氧化分子機制，為蛋氨酸的應(yīng)用及開發(fā)提供切實可行的理論依據(jù)[23-24]。

綜上所述，蛋氨酸抗氧化分子機制(見圖3)：(1)蛋氨酸可以通過轉(zhuǎn)硫途徑，在MAT、SAHH、CBS和CTH的作用下，生成半胱氨酸，進而促進GSH的合成；(2)蛋氨酸被ROS氧化成蛋氨酸亞砜后，在蛋氨酸亞砜還原酶(MsrBs或MsrA)作用下又被還原成蛋氨酸，蛋氨酸與蛋氨酸亞砜形成的氧化還原循環(huán)可以直接消耗ROS；(3)蛋氨酸可以刺激Nrf2通路，進而增加Nrf2/ARE調(diào)控的下游抗氧化相關(guān)基因的表達，進一步發(fā)揮抗氧化作用。

圖3 蛋氨酸抗氧化的分子調(diào)控通路

4 結(jié)論及展望

從蛋氨酸結(jié)構(gòu)及其代謝出發(fā)，探究了蛋氨酸對激活蛋氨酸亞砜還原酶系統(tǒng)、促進GSH合成以及激活Nrf2抗氧化通路的調(diào)控作用。蛋氨酸通過自身氧化還原反應(yīng)提高MSR表達，同時在轉(zhuǎn)硫途徑作用下轉(zhuǎn)化成Cys促進GSH合成，而蛋氨酸轉(zhuǎn)硫代謝產(chǎn)物能夠激活Nrf2抗氧化通路，進而提高GCL、GS以及MSR表達，進一步增強內(nèi)源性抗氧化作用。對蛋氨酸抗氧化的分子調(diào)控機制進行了一定的綜述，為全面了解蛋氨酸在抗氧化方面的作用提供了一定的理論基礎(chǔ)。然而關(guān)于蛋氨酸抗氧化的精確分子機制需要更加深入研究，可以采用生物信息學(xué)的方法，通過分析和整理基于蛋氨酸代謝調(diào)控的抗氧化基因與蛋白，從而更全面及更深入地探究基于蛋氨酸代謝調(diào)控的內(nèi)源性抗氧化分子機制。