硫氧还蛋白系统研究进展

刘自华 周鹏 李晓娟 唐冬荣 王雯 任依甜 王建林

1兰州大学生命科学学院动物学与生物医学系730000；2兰州大学第二医院输血科730030

0 引言

硫氧还蛋白（thioredoxin,Trx）系统由Trx、硫氧还蛋白还原酶（thioredoxin reductase,TR）和还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（nicotinamide adenine dinucleotide phosphate,NADPH）组成。Trx和TR在肿瘤患者中高表达。Trx系统催化时，NADPH将电子转移至TR，还原Trx，被还原的Trx主要通过疏基和二硫键的相互交换来调节细胞内不同大分子的功能，进而调控细胞的增殖、衰老及死亡等。Trx系统作用图见图1。

图1 Trx系统与蛋白分子作用图

TR是含硒蛋白质，在生理条件（pH7.4）下，硒代半胱氨酸（selenocysteine，Sec）主要以硒负离子的形式存在，具有较高的反应活性，同时Sec暴露在还原态的TR表面，很容易与小分子化合物发生相互作用。Trx系统是NADPH依赖性还原酶系统。在哺乳动物中主要存在细胞质和线粒体两大Trx系统。Trx3在睾丸所分泌的精子中表达。值得注意的是，TR是Trx的唯一还原剂。TR1与TR2均为黄素蛋白，包含两个同型二聚体，且每个单体包含两个活性位点。TR2进入线粒体后经剪切生成成熟蛋白，TR2与TR1的结构相似，也含有C末端的Sec活性区域[1]。

1 Trx

Trx可保护抵抗多种应激引起的细胞死亡。1964年，Laurent等[2]首先从大肠杆菌中分离出了Trx。其保守活性位点为-Cys-Gly-Pro-Cys-（CGPC）[3]。Trx不仅可与过氧化物酶、H2O2结合来还原氧化的蛋白质，还可与其他蛋白质结合从而调节蛋白功能。

Trx在氧化还原反应中发挥着突出作用[4]。Trx最初是作为大肠杆菌的核糖核酸还原酶电子供体而被发现的。文献报道，Trx具有降血压作用[5]。Trx存在于原核和真核生物中，由α螺旋和β折叠连接组成，热稳定性极高，在植物的免疫系统中发挥重要的抗氧化作用[6]。在NADPH存在下氧化态的Trx可被TR还原，从而形成氧化还原系统[4]。Trx在许多信号通路中发挥作用，可调节DNA结合转录因子，作为一种生长因子与硫氧还蛋白相互作用蛋白（thioredoxin interacting protein,TXNIP）相互作用调节免疫功能[7]。Trx可清除细胞内的活性氧，调节其他酶，减少氧化应激。文献报道，Trx可保持细胞内的正常氧化还原平衡[4]、还原Gpx3[8]、通过活性氧清除单线态氧和羟基自由基[9]、调节p53和Nrf2基因表达[10]、调节核因子κB信号通路进而调节凋亡蛋白表达[11]、调控ASK1进而调节细胞凋亡[12]。

2 TR

TR为硒酶，与肺癌关系密切[13]。TR能清除体内活性氧使细胞内外相对处于平衡，细胞癌变后，TR表达增加，促进细胞生长和转移。

2.1 TR结构与种类

大分子TR主要存在于高等真核生物体内，相对分子质量为55 ku，主要有3种形式：TR1（主要分布在胞质）、TR2（主要分布在线粒体）和TR3（主要分布在睾丸）。人TR1含有接口域、NADPH结合域和黄素腺嘌呤二核苷酸（flavin adenine dinucleotide,FAD）结合域3个结合域。人体各组织均含有TR1，含量为（0．7～1．7）g/kg。其启动子位于-116~+168 bp之间，缺乏TATA盒和CAAT盒，且GC碱基数目增加。TR1具有很多重要作用包括氧化还原调节和抗氧化作用[14]。TR1可为核糖核苷酸还原酶提供还原当量，从而参与维持三磷酸脱氧核糖核苷酸库[15]。此外，小鼠脑组织中TR1表达水平较高[16]。

TR2通过其N末端的线粒体序列经胞穿作用进入线粒体中，而后被剪切生成成熟蛋白。人TR2基因位于染色体22q11.2，开放阅读框长度为1566 bp，编码521个氨基酸。TR2的相对分子质量为56 ku，由α螺旋及β片层构成。TR2与TR1在很大程度上具有相似性，不同之处在于TR2不仅可依靠NADPH作为辅助因子，同时还可与NADPH参与多种生物化学反应。Nalvarte等[17]研究发现，TR2在HEK-293细胞中过表达，较正常组细胞能更强抵抗外界物质对细胞的毒性作用。Conrad等[18]发现TR2在心脏病发展、造血功能及心脏功能方面均具有不可替代的作用。TR2在肾脏、心脏、肝脏和脑等器官中表达量较丰富[19]。Lee等[20]研究发现，由TR2、NADPH和Trx2构成的二硫化物蛋白还原系统对清除线粒体呼吸链过程中产生的H2O2起到相当大的作用。Jurado等[16]研究发现小鼠睾丸组织中TR1和TR2的mRNA表达水平远高于心脏、肺和脑等其他器官组织。

TR3又称为硫氧还蛋白谷胱甘肽还原酶，与TR1和TR2的不同之处在于其主要存在于睾丸中。TR3的相对分子质量为57 ku，与TR1和TR2的相对分子质量相近。TR3包括一个附加的N-谷氧还蛋白结构域，其可不依赖NADPH而能直接催化Trx和还原型谷胱甘肽。TR3与TR1、TR2具有51%~54%的同源性。TR3在纤毛组织和肺中亦有表达。有研究结果表明，TR3与睾丸癌和男性不育相关[21]。

TR存在FAD结合和作用位点，其N端含有相对保守的活性位点Cys-Val-Asn-Val-Gly-Cys，具有氧化还原催化活性；C端则含有Gly-Cys-Sec-Gly。TR含有NADPH和FAD结合域，无作用区域，具有活性位点。NADPH和FAD结合域通过折叠链连接。TR在催化下作用位点发生变化，结合域从NADPH向FAD旋转67°，底物暴露，因此TR结合底物有限。

2.2 TR生物学功能

TR中含有Sec，其为发挥TR酶活性的重要位点。TR可作用于氧化型Trx，使其变为还原型Trx，Trx的—S2变为（—SH）2。Trx被还原后，可还原其他蛋白二硫键，从而发挥生物学活性。此外，TR还能还原其他重要的抗氧化剂和蛋白质二硫键异构酶[22]。TR1可催化再生辅酶Q10，从而发挥抗氧化效应[23]。TR还可还原脂质过氧化物和H2O2[24]。

TR1存在于细胞质中。人TR1基因位于染色体12q23-q24.1，含有3826 bp的互补DNA，其中包含1650 bp的开放阅读框，共编码497个氨基酸[25]。

在通常情况下，UGA是终止密码子。Sec结合至含硒蛋白多肽链上时，需要硒代半胱氨酸插入序列（s elenocysteine insertion sequence，SECIS）元件、SECIS结合蛋白2（SBP2）等生物元件及其他细胞内的相关化合物的共同作用。Sec的结合效率会影响TR的活性。Sec合成元件的缺乏亦会改变TR的存在形态。哺乳动物TR的N端存在氧化还原催化位点，C端存在氧化还原活性位点结构；而细菌的TR是较小的内生二聚黄素蛋白，相对分子质量约为33 ku。

TR1的酶活性失活可导致早期胚胎死亡[26]，表明TR1是胚胎发育中极其重要的物质。Nrf2可调节TR1，进而影响细胞增殖[27]。Trx可维持细胞的正常氧化还原状态，而TR是Trx的唯一还原剂，因此通过Trx或TR的特异性底物，TR可发挥氧化还原作用。

3 Trx系统与疾病关系

3.1 Trx系统与肿瘤及神经退行性疾病关系

白血病、实体肿瘤和淋巴癌癌细胞的TR表达明显偏高[28]。在肿瘤早期，Trx可防御癌症。Welsh等[29]发现Trx可促进血管内皮生长因子的表达和功能。

阿尔茨海默病、帕金森病及亨廷顿病是主要的神经退行性疾病。人体大脑需要氧，容易发生氧化损伤，且随着年龄增大越易发生，因此氧化损伤被认为是老年人群神经退行性疾病发生的主要因素[30]。Trx和TR主要位于胞质，与神经退行性疾病密切相关。研究结果发现，氧化损伤与内质网和线粒体损伤有关，可诱导神经元凋亡和蛋白错误折叠。阿尔茨海默病患者脑中的Trx1水平较低，β-淀粉样肽（amyloidβ-protein，Aβ）大量累积[31]。过表达Trx1可保护细胞对抗Aβ产生的细胞毒性。动物实验结果显示，过表达Aβ可降低TR的表达和活性，从而使Trx1缺乏还原底物的能力[32]。上述研究结果表明，Trx或TR功能缺失很有可能使神经元偏向衰退[33]，但具体作用机制尚不明确。

文献报道，TR和Trx对Aβ引起的神经毒性具有保护作用[31]；而Aβ介导的视网膜神经毒作用包括Trx系统的损害和TR活性的降低[32]。Kudin等[34]证实Trx2系统在大鼠海马区H2O2解毒中具有重要作用。这些研究结果突出显示了TR是脑中还原当量的重要来源。TR可保持细胞内还原状态，在NADPH作用下，TR可清除脂质过氧化物和H2O2[35]。Lovell等[31]将Aβ与海马神经细胞共培养，发现Aβ单独与海马神经细胞共培养12 h，神经细胞存活率较低；而Aβ、TR与海马神经细胞共培养12 h，神经细胞存活率升高，表明TR对Aβ导致的神经细胞毒性具有保护效应。

3.2 Trx系统与其他疾病关系

研究结果发现，恶性疟原虫含有TR1，且TR1在红细胞内期发挥重要作用[36]。在血吸虫中也发现了TR及相关的Trx、谷氧还蛋白还原酶等[37]。获得性免疫缺陷综合征的发生与人体内氧化损伤，特别是与体内抗氧化硒蛋白TR1合成的减少和谷胱甘肽过氧化酶及小分子硒化合物的增加有很大关系，但具体原因尚不明确。类风湿性关节炎患者的滑液及组织中Trx和TR显著升高，而血浆中变化不明显。临床上治疗类风湿性关节炎的含金化合物金硫葡萄糖和金兰诺芬是TR的高效抑制剂[38]。文献报道，血管紧张素Ⅱ（angiotensinⅡ，AngⅡ）使线粒体产生过多活性氧，引起线粒体功能损伤，活性氧增加细胞凋亡信号，从而导致血管内皮细胞功能障碍，形成高血压病[39]。TR2存在线粒体中，对AngⅡ诱导高血压起着重要保护作用。研究人员发现，过表达TR2的大鼠其心肌损伤后预后较好[40]；高表达TR2的转基因大鼠可使NO的生物利用度增加，从而保持内皮细胞的正常功能[41]。心脏中的TR基因沉默后会增加氧化应激和心肌肥厚的概率[42]，抑制TR可消除心肌保护效应。心肌炎与活性氧密切相关，活性氧清除剂能改善心肌炎。此外，低硒能降低许多脏器的TR活性。低硒饲料喂养大鼠的心肌TR活性下降，表明心肌TR对硒较敏感[36]。心肌TR表达和活性降低，导致TR的还原功能减弱，心肌抗氧化能力下降，易导致心肌炎。而血管紧张素转化酶抑制剂可增加心肌Trx的表达，减轻大鼠自身免疫性心肌炎[43]。

常用的几种TR抑制剂包括：①铂类化合物，如奥沙利铂、顺铂、卡铂、金诺芬[44]。②三氧化二砷，为TR的不可逆抑制剂[45]。③莫特沙芬钆（motexafin gadolinium,MGd），为卟啉类化合物，其目标分子为胞质中的TR1[46]。MGd可阻滞TR1的还原活性，从而生成过氧化物等[47]。④硝基芳香族化合物，其中最典型的是1-叶绿素-2，4-二硝基苯。⑤黄酮类和姜黄化合物，二者长期被用于肿瘤治疗，其作用由TR系统介导。姜黄化合物能抑制TR；黄酮对假结核棒状杆菌硫氧还蛋白A1具有抑制作用[48]。

4 TXNIP

TXNIP在细胞水平影响氧化平衡状态[49]。其为调节糖代谢的一种重要物质，可调节胰岛β细胞功能，因此与1型和2型糖尿病关系密切[50-51]。TXNIP下调能导致乳腺癌的高增殖活性和雌激素依赖性细胞的生长[52]。在前列腺癌中，TXNIP与糖酵解关系密切[53]。不仅如此，TXNIP还与炎症因素导致的神经退行性疾病信号通路有关[54]。此外，内质网应激可通过TXNIP激活子痫前期NLRP3炎性体[55]。

5 结 语

综上所述，Trx系统是体内的一种重要抗氧化还原系统，与细胞的增殖、分化和死亡关系密切，与肿瘤、神经退行性疾病、类风湿性关节炎、高血压和心肌炎等疾病相关联。Trx系统能清除体内产生的过多活性氧，使细胞内外处于平衡，且其与TXNIP相互作用，对于糖代谢调节和肿瘤治疗具有重要作用。对Trx系统进行干预是许多疾病药物治疗的一个重要靶点。

利益冲突所有作者均声明不存在利益冲突