硫氧还蛋白_Trx_的研究进展

分子植物育种，２００６年，第４卷，第６（Ｓ）期，第７８－８２页

ＭｏｌｅｃｕｌａｒＰｌａｎｔＢｒｅｅｄｉｎｇ，２００６，Ｖｏｌ．４，Ｎｏ．６（Ｓ），７８－８２

专题介绍

Ｒｅｖｉｅｗ

硫氧还蛋白（Ｔｒｘ）的研究进展

郑琼马旭俊杨传平＊

教育部林木遗传育种与生物技术重点实验室，东北林业大学林木遗传育种省级重点实验室，东北林业大学林学院，哈尔滨，１５００４０

＊通讯作者，ｙａｎｇｃｐ＠ｎｅｆｕ．ｅｄｕ．ｃｎ

摘要硫氧还蛋白Ｔｈｉｏｒｅｄｏｘｉｎ（Ｔｒｘ）是一类高度保守的低分子量蛋白质。Ｔｒｘ广泛分布于植物、细菌、酵母和动物中。根据氨基酸序列的不同，Ｔｒｘ分为家族Ⅰ和家族Ⅱ２个家族。根据最初结构的不同，Ｔｒｘ家族Ⅰ又被分为６大类型：ｈ，ｆ，ｍ，ｏ，ｘ和ｙ。不同类型的Ｔｒｘ在不同生物以及细胞内的不同区域分布不同。硫氧还蛋白具有多种生物学功能，对维持体内稳定的氧化还原状态具有重要的作用。Ｔｒｘ具有调节细胞生长、抑制凋亡、调节基因转录等功能。Ｔｒｘ还与植物抗逆性相关，如参与植物抗旱、耐热和抗氧化胁迫过程，调节抗逆基因的表达。因此，我们可以将硫氧还蛋白基因通过转基因技术导入植物体中，在植物遗传性状改良等方面具有广泛的应用前景。本文综述了硫氧还蛋白的类型、组织分布、生物学功能以及与植物抗逆性的关系。

关键词硫氧还蛋白（Ｔｒｘ），氧化还原，抗逆性

ＦｕｎｃｔｉｏｎａｌＲｏｌｅｓｏｆＴｈｉｏｒｅｄｏｘｉｎ（Ｔｒｘ）

ＺｈｅｎｇＱｉｏｎｇＭａＸｕｊｕｎＹａｎｇＣｈｕａｎｐｉｎｇ＊

ＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＦｏｒｅｓｔｒｙＧｅｎｅｔｉｃｓａｎｄＢｒｅｅｄｉｎｇａｎｄＢｉｏ－ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＭｉｎｉｓｔｒｙｏｆＥｄｕｃａｔｉｏｎ，ＴｈｅＰｒｏｖｉｎｃｉａｌＫｅｙＬａｂｏｆＦｏｒｅｓｔｒｙＧｅ－ｎｅｔｉｃｓａｎｄＢｒｅｅｄｉｎｇ，ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＦｏｒｅｓｔｒｙ，ＮｏｒｔｈｅａｓｔＦｏｒｅｓｔｒｙＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈａｒｂｉｎ，１５００４０

＊Ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇａｕｔｈｏｒ，ｙａｎｇｃｐ＠ｎｅｆｕ．ｅｄｕ．ｃｎ

ＡｂｓｔｒａｃｔＴｈｉｏｒｅｄｏｘｉｎ（Ｔｒｘ）ｉｓａｓｍａｌｌａｎｄｃｏｎｓｅｒｖａｔｉｖｅｐｒｏｔｅｉｎ．Ｔｒｘｉｓｕｂｉｑｕｉｔｏｕｓｌｙｆｏｕｎｄｉｎｐｌａｎｔｓ，ｂａｃｔｅｒｉａ，ｙｅａｓｔｓａｎｄａｎｉｍａｌｓ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅａｍｉｎｏａｃｉｄｓｅｑｕｅｎｃｅｓ，ＴｒｘｉｓｄｉｖｉｄｅｄｉｎｔｏｆａｍｉｌｙⅠａｎｄｆａｍｉｌｙⅡ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｏｆｔｈｅｉｎｉｔｉａｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ＴｒｘｆａｍｉｌｙⅠｉｓｃｌａｓｓｉｆｉｅｄｉｎｔｏ６ｇｒｏｕｐｓ：ｈ，ｆ，ｍ，ｏ，ｘａｎｄｙ．ＤｉｆｆｅｒｅｎｔｇｒｏｕｐｓｏｆＴｒｘｅｘｉｓｔｉｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔｏｒｇａｎｉｓｍｓａｎｄｄｉｆｆｅｒｅｎｔａｐａｒｔｍｅｎｔｓｏｆａｃｅｌｌ．Ｔｒｘｈａｓｖａｒｉｏｕｓｂｉｏｌｏｇｉｃａｌｆｕｎｃｔｉｏｎｓｉｎｋｅｅｐｉｎｇｓｔａｂｌｅｒｅｄｏｘｓｔａｔｕｓｏｆｃｅｌｌｓ．Ｔｒｘｐｌａｙｓｃｒｕｃｉａｌｒｏｌｅｓｉｎｒｅｇｕｌａｔｉｎｇｃｅｌｌｇｒｏｗｔｈ，ａｐｏｐｔｏｓｉｓａｎｄｇｅｎｅｔｒａｎｓｃｒｉｐ－ｔｉｏｎ．Ｉｔｉｓａｌｓｏｉｎｖｏｌｖｅｄｉｎｐｌａｎｔｓｔｒｅｓｓｔｏｌｅｒａｎｃｅａｎｄｒｅｇｕｌａｔｅｔｈｅｅｘｐｒｅｓｓｉｏｎｏｆｓｔｒｅｓｓｒｅｌａｔｅｄｇｅｎｅｓ．Ｔｈｅｓｔｒｅｓｓｅｓｉｎ－ｃｌｕｄｅｄｒｏｕｇｈｔ，ｈｅａｔａｎｄｏｔｈｅｒｒｅａｃｔｉｖｅｏｘｙｇｅｎｓｔｒｅｓｓｅｓ．ＳｏｗｅｅｘｐｅｃｔＴｒｘｇｅｎｅｃａｎｂｅｆｕｒｔｈｅｒｕｓｅｄｉｎｐｌａｎｔｔｒａｉｔｍｏｄｉｆｉｃａｔｉｏｎｂｙｔｒａｎｓｆｅｒｒｉｎｇｔｈｉｓｇｅｎｅｉｎｔｏｐｌａｎｔｓ．Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｒｅｖｉｅｗｅｄｔｈｅｔｙｐｅ，ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎａｎｄｂｉｏｌｏｇｉｃａｌｆｕｎｃ－ｔｉｏｎｓｏｆＴｒｘａｎｄｉｔｓｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｗｉｔｈｐｌａｎｔｓｔｒｅｓｓｔｏｌｅｒａｎｃｅ．

ＫｅｙｗｏｒｄｓＴｈｉｏｒｅｄｏｘｉｎ（Ｔｒｘ），Ｒｅｄｏｘ，Ｓｔｒｅｓｓｔｏｌｅｒａｎｃｅ

硫氧还蛋白（ｔｈｉｏｒｅｄｏｘｉｎ，Ｔｒｘ）是一类分布广泛的低分子量的蛋白质，它们在进化上相当保守，有一个二硫化物活性中心Ｔｒｐ－Ｃｙｓ－Ｇｌｙ－Ｐｒｏ－Ｃｙｓ（ＣＧＰＣ），ＣＧＰＣ中的２个Ｃｙｓ分别为Ｃｙｓ３２和Ｃｙｓ３５，人和其它哺乳动物Ｔｒｘ还含有另外３个Ｃｙｓ残基，即Ｃｙｓ６２、Ｃｙｓ６９和Ｃｙｓ７３，这些Ｃｙｓ残基能可逆地催化许多氧化还原反应，赋予Ｔｒｘ独特的生物学特性。Ｔｒｘ在其保守的活化区域内含有二硫巯基和二硫键，其氧化还原活性使硫氧还蛋白在细胞内具有各种不同的功能（庄静等，２００３，生命的化学，２３（３）：２１０－２１２）。最早被报道的硫氧还蛋白是作为核苷酸还原酶的供体。

硫氧还蛋白系统是由Ｔｒｘ（Ｔｒｘ１、Ｔｒｘ２）、ＮＡＤＰＨ、ＴｒｘＲ（二硫醇二硫化物氧化还原酶—硫氧还蛋白还原酶）３部分组成的，还原态的Ｔｒｘ通过巯基供氢使其它含二硫键的蛋白被还原；氧化态的Ｔｒｘ被ＮＡＤＰＨ还原，继续发挥作用。该系统能够稳定细胞内环境，调节细胞生长及信号传导过程来保护细胞不受病毒感染、电离辐射等外界刺激引起的活性氧损害；还能还原ＤＮＡ合成必需的核糖核苷酸还原酶等多种具有重要功能的蛋白质，对蛋白—蛋白，蛋

白—核酸相互作用起重要的调节作用（赵燕秋和樊代明，２００１）。

Ｔｒｘ广泛存在于各种生物体内。有使巯基和二硫化物相互转换的功能（ＨａｗｋｉｎｓａｎｄＦｒｅｅｄｍａｎ，１９９１）。Ｔｒｘ的非常保守的活性中心序列Ｔｒｐ－Ｃｙｓ－Ｇｌｙ－Ｐｒｏ－Ｃｙｓ（ＣＧＰＣ），其中２个Ｃｙｓ残基可通过转移２个电子和２个质子可逆地形成二硫化物，为一系列生理反应提供氧化还原对，例如，在网织红细胞的蛋白质生物合成中提供氢原子。

１Ｔｒｘ的类型和组织分布

目前，在所有的有机体中都发现了硫氧还蛋白（Ｔｒｘ）（Ｈｅｉｄｅｅｔａｌ．，２００４）。研究发现Ｔｒｘ广泛存在于原核生物、真核生物、植物和哺乳动物中。根据氨基酸序列的不同，Ｔｒｘ分为２大家族，家族Ⅰ和家族Ⅱ。绝大多数生物的硫氧还蛋白属于家族Ⅰ。家族Ⅰ含有一种独特的Ｔｒｘ区域而家族Ⅱ则带有１个或更多的Ｔｒｘ区域。在拟南芥中已发现至少２０个Ｔｒｘ基因的完全序列。相比之下，只有２种哺乳动物、３种酵母和２种大肠杆菌的Ｔｒｘ被报道。根据最初结构的不同，Ｔｒｘ家族Ⅰ被分为６大类：ｈ，ｆ，ｍ，ｏ，ｘ和ｙ（Ｇｅｌ－ｈａｙｅｅｔａｌ．，２００５）。

１．１植物Ｔｒｘ

Ｔｒｘ家族Ⅰ中的ｍ、ｘ和ｙ主要分布于原核生物中，ｆ、ｈ和ｏ分布于真核生物中。ｍ、ｆ、ｈ在高等植物中广泛存在。其中，ｍ、ｆ、ｘ和ｙ存在于叶绿体中，ｈ存在于细胞质中，而ｏ和ｘ存在于线粒体中。目前，由于编码基因的不同，产生了Ｔｒｘ的特异性。Ｔｒｘ－ｘ包含一个转移肽，存在于叶绿体和线粒体中。然而，其功能尚不清楚。Ｔｒｘ－ｏ是一种新近发现的家族Ⅰ类型，它通过硫键的还原控制一些线粒体蛋白的活动。Ｔｒｘ－ｈ组织和功能尤为复杂，近来以草本模式植物拟南芥和木本植物杨树的研究最多。在细菌、真菌、动物和植物细胞中，都含有Ｔｒｘ－ｈ，它存在于细胞质、内质网和线粒体中。多种ｈ型的Ｔｒｘ存在于高等植物中。从马铃薯中提取的３种不同的Ｔｒｘ－ｈ，在Ｇｅｎ－Ｂａｎｋ中比对，其氨基酸序列有３４％￣６０％一致。它们不含转移肽，说明其存在于细胞质中。Ｔｒｘ－ｈ在种子发芽时促进淀粉酶和蛋白质酶活性、增加贮藏蛋白的水溶性和促进营养物质水解，启动胚乳中的碳氮代谢（刘雷和尹钧，２００３）。

近来一些人研究了植物叶绿体系统中的Ｔｒｘ。在模式植物烟草、拟南芥、杨树和番茄、马铃薯根茎、小麦胚芽、大麦种子、菠菜叶片、水稻韧皮部中均有Ｔｒｘ分布（Ｇｅｌｈａｙｅｅｔａｌ．，２００５；刘雷和尹钧，２００３；Ｊｕｔｔｎｅｒｅｔａｌ．，２０００）。

叶绿体Ｔｒｘ在细胞核中编码，被Ｔｒｘ的还原酶（ｆｅｒｒｅｄｏｘｉｎ－ｔｈｉｏｒｅｄｏｘｉｎｒｅｄｕｃｔａｓｅ，ＦＴＲ）所还原。ＦＴＲ／ＴＲＸ系统只有在真核细胞和菌类中被发现。此外，拟南芥基因组序列也揭示了包含ＮＡＤＰＨ硫氧还蛋白还原酶（ＮＡＤＰＨｔｈｉｏｒｅｄｏｘｉｎｒｅｄｕｃｔａｓｅ，ＮＴＲ）片段和硫氧还蛋白片段的融合蛋白（Ｊｕｔｔｎｅｒｅｔａｌ．，２０００）。

１．２细菌和酵母Ｔｒｘ

人们已经对一些原核生物细胞中的Ｔｒｘ基因及其表达产物进行了较为详细的研究。对大肠杆菌（Ｅ．ｃｏｌｉ）的Ｔｒｘ基因核苷酸序列的分析显示该Ｔｒｘ具有１８个氨基酸的信号肽，该基因表达可能受ｃＡＭＰ受体蛋白的控制（庄静等，２００３，生命的化学，２３（３）：２１０－２１２）。

大肠杆菌（Ｅ．ｃｏｌｉ）的Ｔｒｘ结构是一种结合紧密的球形蛋白质，由５个β折叠构成一个疏水核心，核心的终末端被４个α螺旋包绕。保守的活性位点序列Ｔｒｐ－Ｃｙｓ－Ｇｌｙ－Ｐｒｏ－Ｃｙｓ连接第２个β折叠和第２个α螺旋，并形成了第２个α螺旋的第１个转折点。Ｔｒｘ还原作用的机制就在于其与底物Ｘ－Ｓ２结合后，在复合物的疏水环境中，Ｃｙｓ－３２的巯基作为亲核物质，和蛋白底物结合形成共价键的二硫化物，最后去质子的Ｃｙｓ－３５作用于此二硫化物的二硫键，释放出被还原的蛋白底物（Ｈｏｌｍｇｒｅｎ，１９９５）。

Ｔｒｘ在酵母中更广泛的存在，其作为一个次生独立的ＮＡＤＰＴＨＩＯＲＥＤＯＸＩＮ系统存在于酵母的线粒体中。Ｔｒｘ在酵母中第一次被证实它起到还原甲硫氨砜和硫酸盐的作用。后来，人们发现Ｔｒｘ是多种多样的蛋白质，是一些酶和受体调节因子（庄静等，２００３，生命的化学，２３（３）：２１０－２１２），例如，是一些光合酶和糖皮质激素受体的调节因子。

１．３动物Ｔｒｘ

在动物中，Ｔｒｘ主要分为Ｔｒｘ１和Ｔｒｘ２两型，Ｔｒｘ１位于细胞浆和细胞核中，而Ｔｒｘ２仅位于线粒体中，被认为是Ｔｒｘ家族中的一种线粒体特异性蛋白（卜于骏和丁树哲，２００３，中国运动医学杂志，２２（５）：４８７－４８９）。哺乳动物细胞中的Ｔｒｘ在结构上与Ｅ．ｃｏｌｉ的结构不同，其活性位点外侧也有半胱氨酸残基，当Ｔｒｘ聚集和失活时，这些残基可氧化为二硫键（梁鹏等，２００４，中国老年学杂志，２４（５）：４７８－４８１）。

硫氧还蛋白（Ｔｒｘ）的研究进展

ＦｕｎｃｔｉｏｎａｌＲｏｌｅｓｏｆＴｈｉｏｒｅｄｏｘｉｎ（Ｔｒｘ）

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