锌、铜、硒、锰抗氧化机制的研究进展

江娜 刘清 朱慧兰

锌、铜、硒、锰抗氧化机制的研究进展

江娜 刘清 朱慧兰

皮肤光老化等光线性皮肤病、机体衰老、某些肿瘤等的发生与机体内的自由基密不可分。过量的自由基攻击DNA、脂质及蛋白质等可以造成脂质过氧化、蛋白质氧化应激损伤等变化，从而导致细胞的结构和功能受损，最终导致相关疾病的发生。锌、铜、硒、锰等微量元素不仅参与超氧化物酶、谷胱甘肽等Ⅱ相解毒酶的组成，增强超氧化物歧化酶等的活性，提高机体清除自由基的能力，并且通过影响体内的一些信号通路，如核因子E2相关因子信号通路或CDK4介导的线粒体信号通路等来发挥其抗氧化作用，维持机体的动态平衡，从而预防疾病。

痕量元素；抗氧化剂；自由基；皮肤衰老；光

生理状态下，自由基在体内维持动态平衡的状态，参与细胞内的信号转导通路，并且调控细胞分化。对于机体来说，自由基起着双重作用，一方面参与防御外来微生物的入侵，另一方面，过量的自由基攻击DNA、脂质及蛋白质，造成氧化应激损伤，与机体的衰老、引发机体肿瘤的发生密切相关。微量元素锌（Zn）、铜（Cu）、硒（Se）、锰（Mn）等具有抗氧化作用，并参与组成机体内可以裂解自由基的保护酶，如铜蓝蛋白、超氧化物岐化酶（SOD），谷胱甘肽过氧化物酶（GSH-Px）等，清除过量的自由基，保持机体的动态平衡。

1 Zn

Zn是人体必需的微量元素之一，其抗氧化作用可以保护机体免遭活性氧（ROS）的攻击。Zn能够保持DNA的完整性，缺乏Zn会造成DNA的损伤［1］。蛋白质上的巯基是氧自由基攻击的靶点，而Zn的存在能够使蛋白质形成二硫键阻止蛋白质被氧化，从而保护生物膜的完整性。金属硫蛋白（MT）能够清除自由基发挥其抗氧化作用，Zn通过调节金属反应元件结合转录因子（MTF）1参与MT的表达，并通过MTF-1参与细胞信号转导过程及氧化损伤等应激反应［2］。Zn能阻断脂质过氧化反应，并显著增加SOD的活性，减少丙二醛的形成。Zn参与SOD、GSH-Px及MT等Ⅱ相解毒酶的组成，且Zn作为铜锌超氧化物歧化酶（CuZn-SOD）的催化剂，同时能够激活细胞内的传感器MTF-1调节相关的抗氧化基因的表达［3］。Zn缺乏时可以显著影响机体的抗氧化能力，影响氧化还原信号通路。Zn可以使细胞内谷胱甘肽（GSH）的积累增加，减少ROS，并通过合成丙氨酸和GSH来发挥其抗氧化作用，从而进一步调节细胞代谢和氧化还原平衡［4］。研究发现，用Zn及加热法处理小鼠肝脏，比对照组及加热法处理组小鼠肝脏中的CuZn-SOD活性显著增加，丙二醛的生产减少，核因子E2相关因子（Nrf2）、Kelch样ECH相关蛋白1和醌氧化还原酶基因的表达也高于其他对照组。该研究提示，Zn可能是通过激活Nrf2信号通路来发挥其抗氧化的作用［5］。有作者通过RNA沉默技术发现，Zn可以激活核转录因子Nrf2并使谷酰胺半胱氨酸连接酶的基因表达上调，进一步证实，Zn的抗氧化机制是与Nrf2信号通路有关［6-7］。Hagmeyer等［8］对缺乏Zn的患者和动物模型进行研究，除了皮肤病变、厌食、抑制伤口愈合和免疫功能改变外，同时还出现了Zn缺乏的特征性行为改变，发现许多神经退行性疾病和神经心理障碍相关疾病与缺乏Zn有关，这类疾病目前认为，其发病机制与氧化应激有关。同样，缺乏Zn还会加剧脂质过氧化，导致脂肪肝恶化［9］。目前研究也表明，氧化应激和细胞老化与血清Zn低水平有关［10］。红细胞生成性原卟啉症是一种由于缺乏血红蛋白生物合成酶和原卟啉Ⅸ积累的罕见遗传性疾病，本病的特征是疼痛性光敏。Petersen等［11］在春夏季给14例红细胞生成性原卟啉症患者口服硫酸锌治疗后，可以减少ROS的产生，且血浆Zn的浓度与其发病之间呈负相关。研究还发现，Zn对人成纤维细胞的活性具有保护作用［12］。

作者单位：510095广州市皮肤病防治所（江娜、刘清、朱慧兰）；广州医科大学（江娜、刘清）

2 Cu

Cu是机体所必需的微量元素，在补充精氨酸的前提下，Cu可以诱导SOD、过氧化氢酶、GPX、GSH、Nrf2、Kelch样ECH相关蛋白1等的mRNA表达增多［13］。作为SOD的金属辅基组成成分，在机体抗氧化面发挥着重要的作用。铜蓝蛋白是一种铁氧化酶，是细胞外液重要的抗氧化剂，铜蓝蛋白作为Cu的主要运载蛋白，在血浆中可以裂解自由基。CuZn-SOD作为超氧化物歧化酶3种主要成分中的一种金属酶，是一种参与清除氧自由基的胞质酶，主要存在于胞质内。超氧阴离子的生产可能与T细胞受体信号通路有关，而CuZn-SOD可能是通过调节T淋巴细胞的活性来增加细胞外SOD-1的水平来发挥作用［14］。对于心脏和血管的强度和完整性，Cu发挥重要的作用［15］。同样，赖氨酰氧化酶在Cu离子的作用下，氧化胶原蛋白和弹性蛋白上的氨基酸残基，使之形成共价键，在伤口愈合剂抗衰老方面发挥一定的作用。赖氨酰氧化酶样2是赖氨酰氧化酶家族中的一员，也是目前的研究热点，而失调的赖氨酰氧化酶样2与多种疾病的发生有关，如癌症、纤维化和心脏病等［16］。UVB与皮肤光老化和皮肤癌的发生相关，UVB能够下调缺氧诱导因子（HIF）1蛋白，从而导致表皮增生，吡啶硫酮锌能够阻断HIF-1蛋白在角质形成细胞的降解，但不影响HIF-1的合成。经UVB反复照射小鼠皮肤后，表皮增生，且HIF-1蛋白从角质形成细胞的细胞核中消失，但含有吡啶硫酮锌的乳膏可以有效的防治皮肤增厚，上调HIF-1到正常水平，这些结果表明，吡啶硫酮锌可以潜在的防御UV诱导的皮肤光老化和皮肤癌，同时也为紫外线导致的皮肤病提供了靶向治疗的分子靶标［17］。

3 Se

Se的生物学功能是以硒代半胱氨酸的形式与硒蛋白结合来发挥作用的，其中包括其抗氧化的作用。GSH-Px可以起到清除体内脂质过氧化物和自由基，维持细胞膜的完整性，而Se是GSH-Px的必需组成部分，Se可使GSH-Px的活性增加，分解脂质过氧化物，修复自由基引起的硫化合物的损伤，并且可以稳定化合物，有着抗衰老的作用，因此，GSH-Px是在哺乳动物发现的第一个含有Se的酶。但只有低浓度的Se才可以清除自由基发挥其抗氧化的作用，高浓度的Se则可以催化ROS的生成。Se缺乏将会导致细胞的结构和功能受损，核酸和蛋白质及细胞的代谢受到干扰，同时Se的缺乏与多种肿瘤相关，如黑素瘤。另外，Se具有抗炎症及预防肿瘤的作用，联合补充Se、白芦藜醇、辅酶Q10等7种天然组合的膳食，可用于皮肤疾病的预防，可以抑制ROS和脂质过氧化，降低炎症细胞因子的分泌和调节核因子κB通路，对皮炎起到抑制和抗氧化应激的作用［18］。对正常人成纤维细胞补充Se后进行UVA照射，虽然不能使细胞凋亡减少，但可以减少UVA诱导丙二醛以及基质金属蛋白酶1和基质金属蛋白酶3的生产，因此，Se可以用于防治皮肤光老化［19］。其他形式的Se包括硒蛋白P、硒蛋白W、硒蛋白H等也被发现有一定的抗氧化作用，同时与肿瘤的发生相关。

4 Mn

Mn参与多种蛋白质、酶和维生素的代谢。金属酶锰超氧化物歧化酶（Mn-SOD）也是SOD中的主要成分，是哺乳动物主要的线粒体抗氧化，通过线粒体氧化磷酸化生产在氧自由基解毒方面发挥作用，这与CDK4调节其活性有关，并通过CDK4介导的线粒体信号通路，可使细胞感知环境基因毒性应激［20］。线粒体清除ROS的能力是通过Mn-SOD来实现的，这对紫外线诱导由内到外的信号通路来说是非常重要的［21］。Mn-SOD的缺乏与机体其他的氧化应激损伤也有一定的关联。缺乏Mn-SOD可加重冠状动脉粥样硬化［22-23］，Mn-SOD抗冠状动脉粥样硬化的机制可能是增加了过氧化氢酶的浓度［24］，防止自由基的氧化损伤作用。Mn-SOD同时有抗肿瘤［25］及抗炎的作用。

［1］ Song Y,Leonard SW,Traber MG,et al.Zinc deficiency affects DNA damage,oxidative stress,antioxidant defenses,and DNA repair in rats ［J］.J Nutr,2009,139 （9）:1626-1631.DOI:10.3945/jn.109.106369.

［2］ Günther V,Lindert U,Schaffner W.The taste of heavy metals:gene regulation by MTF-1 ［J］.Biochim Biophys Acta,2012,1823（9）:1416-1425.DOI:10.1016/j.bbamcr.2012.01.005.

［3］ Efeovbokhan N,Bhattacharya SK,Ahokas RA,et al.Zinc and the prooxidantheartfailure phenotype ［J］.JCardiovasc Pharmacol,2014,64 （4）:393-400.DOI:10.1097/FJC.0000000000000125.

［4］ Wan C,Zhang M,Fang Q,et al.The impact of zinc sulfate addition on the dynamic metabolic profiling of Saccharomyces cerevisiae subjected to long term acetic acid stress treatment and identification of key metabolites involved in the antioxidant effect of zinc ［J］.Metallomics,2015,7 （2）:322-332.DOI:10.1039/c4mt00275j.

［5］ Wang F,Li Y,Cao Y,et al.Zinc might prevent heatinduced hepatic injury by activating the Nrf2-antioxidant in mice［J］.Biol Trace Elem Res,2015,165 （1）:86-95.DOI:10.1007/s12011-015-0228-4.

［6］ Cortese-Krott MM,Suschek CV,Wetzel W,et al.Nitric oxidemediated protection of endothelial cells from hydrogen peroxide is mediated by intracellular zinc and glutathione ［J］.Am J Physiol Cell Physiol,2009,296 （4）:C811-820.DOI:10.1152/ajpcell.00643.2008.

［7］ Cortese MM,Suschek CV,Wetzel W,et al.Zinc protects endothelial cells from hydrogen peroxide via Nrf2-dependent stimulation of glutathione biosynthesis［J］.Free Radic Biol Med,2008,44 （12）:2002-2012.DOI:10.1016/j.freeradbiomed.2008.02.013.

［8］ Hagmeyer S,Haderspeck JC,Grabrucker AM.Behavioral impairments in animal models for zinc deficiency ［J］.Front Behav Neurosci,2015,8:443.DOI:10.3389/fnbeh.2014.00443.

［9］ Himoto T,Nomura T,Tani J,et al.Exacerbation of insulin resistance and hepatic steatosis deriving from zinc deficiency in patients with HCV-related chronic liver disease ［J］.Biol Trace Elem Res,2015,163 （1-2）:81-88.DOI:10.1007/s12011-014-0177-3.

［10］ Morales-Suárez-Varela M,Llopis-González A,González-Albert V,et al.Correlation of zinc with oxidative stress biomarkers ［J］.Int J Environ Res Public Health,2015,12 （3）:3060-3076.DOI:10.3390/ijerph120303060.

［11］ Petersen AB,Philipsen PA,Wulf HC.An explorative study of non-invasive ultra-weak photon emission and the anti-oxidative influence of oral zinc sulphate in light-sensitive patients with erythropoietic protoporphyria［J］. Skin Res Technol,2012,18（4）:405-412.DOI:10.1111/j.1600-0846.2011.00586.x.

［12］ Tyszka-Czochara M,Pasko P,Reczyński W,et al.Zinc and propolis reduces cytotoxicity and proliferation in skin fibroblast cell culture:total polyphenol content and antioxidant capacity of propolis［J］.Biol Trace Elem Res,2014,160（1）:123-131.DOIi:10.1007/s12011-014-0019-3.

［13］ Wang B,Feng L,Jiang WD,et al.Copper-induced tight junction mRNA expression changes,apoptosis and antioxidant responses via NF-κB,TOR and Nrf2 signaling molecules in the gills of fish:preventive role of arginine ［J］.Aquat Toxicol,2015,158:125-137.DOI:10.1016/j.aquatox.2014.10.025.

［14］ Terrazzano G,Rubino V,Damiano S,et al.T cell activation induces CuZn superoxide dismutase （SOD）-1 intracellular relocalization,production and secretion［J］.Biochim Biophys Acta,2014,1843（2）:265-274.DOI:10.1016/j.bbamcr.2013.10.020.

［15］ Al-Bayati MA,Jamil DA,Al-Aubaidy HA.Cardiovascular effects of copper deficiency on activity of superoxide dismutase in diabetic nephropathy ［J］.N Am J Med Sci,2015,7 （2）:41-46.DOI:10.4103/1947-2714.152077.

［16］ Moon HJ,Finney J,Ronnebaum T,et al.Human lysyl oxidaselike 2 ［J］.Bioorg Chem,2014,57:231-241.DOI:10.1016/j.bioorg.2014.07.003.

［17］ Cho YS,Lee KH,Park JW.Pyrithione-zinc Prevents UVB-induced epidermal hyperplasia by inducing HIF-1alpha ［J］.Korean J Physiol Pharmacol,2010,14（2）:91-97.DOI:10.4196/kjpp.2010.14.2.91.

［18］ Fasano E,Serini S,Mondella N,et al.Antioxidant and antiinflammatory effects of selected natural compounds contained in a dietary supplement on two human immortalized keratinocyte lines ［J］.Biomed Res Int,2014,2014:327452.DOI:10.1155/2014/327452.

［19］ Hazane-Puch F,Champelovier P,Arnaud J,et al.Six-day selenium supplementation led to either UVA-photoprotection or toxic effects in human fibroblasts depending on the chemical form and dose of Se ［J］.Metallomics,2014,6 （9）:1683-1692.DOI:10.1039/c4mt00040d.

［20］ Jin C,Qin L,Shi Y,et al.CDK4-mediated MnSOD activation and mitochondrial homeostasis in radioadaptive protection ［J］.FreeRadic BiolMed,2015,81:77-87.DOI:10.1016/j.freeradbiomed.2014.12.026.

［21］ Holley AK,Xu Y,Noel T,et al.Manganese superoxide dismutase-mediated inside-outsignaling in HaCaT human keratinocytes and SKH-1 mouse skin［J］.Antioxid Redox Signal,2014,20（15）:2347-2360.DOI:10.1089/ars.2013.5204.

［22］ Kakko S,Päivänsalo M,Koistinen P,et al.The signal sequence polymorphism of the MnSOD gene is associated with the degree of carotid atherosclerosis ［J］.Atherosclerosis,2003,168 （1）:147-152.DOI:10.1016/S0021-9150(03)00091-1.

［23］ Yang J,Marden JJ,Fan C,et al.Genetic redox preconditioning differentially modulatesAP-1 and NF kappa B responses following cardiac ischemia/reperfusion injury and protects against necrosis and apoptosis［J］.Mol Ther,2003,7（3）:341-353.

［24］ Green H,Ross G,Peacock J,et al.Variation in the manganese superoxide dismutase gene （SOD2） is not a major cause of radiotherapy complications in breastcancer patients ［J］.Radiother Oncol,2002,63 （2）:213-216.DOI:10.1016/S0167-8140(02)00079-8.

［25］ Ekanayake PM,Kang HS,De Zyosa M,et al.Molecular cloning and characterization of Mn-superoxide dismutase from disk abalone （Haliotis discus discus）［J］.Comp Biochem Physiol B Biochem Mol Biol,2006,145 （3-4）:318-324.DOI:10.1016/j.cbpb.2006.08.004.

Antioxidation mechanisms of zinc,copper,selenium and manganece

Jiang Na,Liu Qing,Zhu Huilan*.*Guangzhou Institute of Dermatology,Guangzhou 510095,China

Free radicals in the body are closely related to photodermatoses such as skin photoaging,aging and some tumors.Excessive free radicals can attack DNA,lipids and proteins,cause lipid peroxidation and oxidative protein damage,lead to structural damages and functional impairment in cells,and finally induce the occurrence of related diseases.Some microelements such as zinc,copper,selenium and manganese are involved in the composition of phase II detoxifying enzymes （including superoxide dismutase ［SOD］,glutathione,etc）,can enhance the activity of SOD and ability to remove free radicals.In addition,these microelements exert antioxidative effects through some signal pathways,including the Nrf2 signal pathway and CDK4-mediated mitochondrial signal pathway,and play a role in maintaining dynamic balance in the body and in preventing diseases.

Trace elements;Antioxidants;Free radicals;Skin aging;Light

Zhu Huilan,Email:zhlhuilan@126.com

2015-02-25）

广东省产业技术研究与开发专项资金项目（2013B021800044）

Fund program:Guangdong Province Special Foundation for Industrial Technology Research and Development（2013B021800044）

10.3760/cma.j.issn.1673-4173.2016.01.016

朱慧兰，Email:zhlhuilan@126.com

本文主要缩写：SOD：超氧化物岐化酶，GSH-Px：谷胱甘肽过氧化物酶，ROS：活性氧，MT：金属硫蛋白，MTF：金属反应元件结合转录因子，CuZn-SOD：铜锌超氧化物歧化酶，GSH：谷胱甘肽，Nrf2：核因子E2相关因子，HIF：缺氧诱导因子，Mn-SOD：锰超氧化物歧化酶