关于硫氧还蛋白系统在细胞死亡进程中的作用

关于硫氧还蛋白系统在细胞死亡进程中的作用概论意义：硫氧还蛋白（Trx）系统，包括烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸,Trx还原酶（TrxR），Trx是维持细胞氧化还原平衡和抗氧化功能的关键，包括控制氧化应激和细胞死亡。

最新进展：我们专注于研究Trx系统调控参与细胞凋亡。

在哺乳动物细胞中，细胞内的Trx1和线粒体Trx2是主要的二硫化物还原酶为细胞增殖和发育提供电子和酶。

减少/硫醇硫氧还结合凋亡信号调节激酶1 （ASK1 ）并抑制其活性以防止应力和细胞因子诱导的细胞凋亡。

当TRX被氧化，它将解离ASK1并且刺激凋亡。

结合抑制Trx的相互作用蛋白（TXNIP ）也有助于细胞凋亡的过程通过将ASK1上的TRX移除。

TrxRs是一个大的同型二聚体硒蛋白，其整体结构类似于谷胱甘肽还原酶，TrxRs在C-末端还包含活性部位GCUG。

关键问题和未来发展方向：在调节细胞死亡过程中TRX氧化还原状态和TrxR的活化是决定细胞命运的关键因素。

在TrxRs的SEC的高反应性在反应位置使TrxR 的酶出现作用药物的靶点。

通过共价修饰使TrxR失活不仅仅改变TRX的氧化还原状态和活化,而且也使TrxR转换成活性氧发生器。

许多电子化合物，包括一些环境毒素和药品可抑制TrxR。

这些化合物的分类，分为四种类型，并提出了一些有用的原则，以了解这些化合物对TrxR抑制的反应机理。

序言蛋白巯基参与许多蛋白质的催化活性并在氧化反应下可能改变二硫化物。

该硫醇- 二硫化物的变化可能会影响酶的活性，因此调节细胞功能。

硫氧还蛋白（Trx），是一个12 kDa的硫醇蛋白，它从古菌和细菌到人进化上保守，它本身就是维持蛋白质硫醇/二硫化物动态平衡的一个关键因素。

Trx与Trx还原酶（TrxR）结合，Trx可以提供电子从烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADPH ）到关键的细胞蛋白的，因此它参与广泛的细胞功能（图1）。

例如，最初发现的Trx由大肠杆菌核糖核苷酸还原酶（RNR ）作为电子给体。

普遍存在的RNR 催化的从头合成2 '- 脱氧核糖核苷酸其相应的核糖核苷酸和DNA复制和修复是必不可少的。

RNR从脊椎动物到大肠杆菌都是有二聚体R1和R2亚基组成的复合物。

R2亚基有一个稳定的酪氨酰自由基氧联的铁中心，这是催化反应所必须的。

R1亚单位含有一个底物结合部位、一个变构部位、一个二硫醇的活性位点和两条穿梭在C-末端的巯基。

在活性位点的二硫醇被转换为二硫化物后引起一个周期的催化反应，但是二硫醇经C-末端巯基通过硫醇-二硫化物交换后减少。

相反，在C-末端的二硫化物减少是由Trx或谷氧还蛋白（GRX）。

其他已知的TRX底物有广泛分布于各种亚细胞器的过氧还蛋白（Prxs）、Trx依赖的过氧化物酶。

这使他们能够清除H2 O2和更具体的控制信号转导。

甲硫氨酸- S -亚砜还原酶可以自身催化还原或蛋白结合蛋氨酸亚砜还原为蛋氨酸，它也是Trx的底物。

Trx除了是一个二硫键还原酶，它还通过介导蛋白质S- 去亚硝基化参与调控细胞过程中。

Trxs基因在哺乳动物细胞死亡进展中的作用哺乳动物Trx系统胞质内Trx1和线粒体内Trx2存在于哺乳动物细胞中，包含有一个活性位点Trp-Cys-Gly-Pro-Cys，在一个表型Trx折叠结构（图2）。

人类TRX1与105个氨基酸残基一起，三种结构的Cys残基的位置为62、69和73 ，除了Cys32和Cys35在活化位点。

Cys62和Cys69位于Trx- S2，在氧化应激条件下可以形成第二个二硫键（图2）。

虽然这两个二硫键形成低表征Trx- S2，但不能直接通过TrxR被减少，而且它的形成导致Trx1的激活。

此外，这些额外结构的半胱氨酸残基参与许多人类Trx1的翻译后修饰，如S -亚硝基化、谷胱甘肽和二聚作用。

Trx1的细胞死亡的调控Trx1是一个中间氧化还原调节器，介导许多转录因子的激活，这参与细胞生长、细胞凋亡和炎症反应，如NF-κB、激活蛋白-1（AP - 1）、p53蛋白，缺氧诱导因子1和氧化还原因子1 (Ref-1)。

一些Cys残基的减少状态影响DNA结合位点转录因子，例如，Cys62 、NF -κB和p50是DNA结合的关键。

氧化应激条件下，TRX1从细胞质转运到细胞核。

Trx可以维持半胱氨酸的还原态和促进NF - κB和AP - 1与DNA结合的活性。

此外，Ref - 1也可以从细胞质转运到细胞核，并与Trx1相互作用。

Ref - 1 与Trx1相连可以增加DNA结合转录因子的活性，如AP-1。

Trx1可以阻止细胞凋亡的过程通过直接联系细胞凋亡信号调节激酶1（ASK1），ASK1是一种丝裂原活化蛋白激酶激酶（MAP3K ）。

MAP3K可以激活c - Jun氨基末端激酶、p38 MAP激酶通路并且是肿瘤坏死因子（TNF ）- α诱导细胞凋亡所必需的。

TRX1可以连结ASK1的N-端非催化区域。

Trx1和ASK1之间的相互作用是高度依赖于Trx1的氧化还原状态。

如H2 O2的活性氧物种（ROS）引起的应力或细胞因子的治疗将导致Trx直接氧化或通过Prxs ，ASK1 和Trx1的解离，以及随后的ASK1的活化和随后的细胞凋亡（图3）。

此外，TRX1可以诱导ASK1的泛素化和在内皮细胞降解抑制ASK1活化。

在这个过程中，Trx1的活性部位Cys32或Cys35是ASK1结合Trx1中Cys250所必要的。

Trx1施加一个抗凋亡的作用，TRX1抑制诱导细胞死亡。

Trx相互作用蛋白是内在的Trx1抑制物，现已确定为酵母双杂交系统中的一种内源性抑制剂。

TXNIP形成一种复合物降低，但不被Trx1氧化。

此过程可能涉及在TXNIP中二硫化物连结Cys63和Cys247和减少Trx的活性位点的二硫醇（图3）之间二硫键交换的相互作用。

因此TXNIP结合抑制Trx1，而这种结合导致细胞氧化应力。

事实上，过度的TXNIP使成纤维细胞、心肌细胞、胰腺β-细胞更易发生凋亡。

葡萄糖引起的β-细胞死亡已被证明是由于TXNIP经葡萄糖刺激过度表达引起。

然而，应该指出的是，TXNIP作为α-休止蛋白超家族的一员，它不仅作为Trx 的抑制剂，也是代谢调节蛋白。

TXNIP起着双重作用，在细胞凋亡中的氧化还原依赖和独立的监管方式。

最近，据报道TXNIP和Trx的结合，可以防止TXNIP 退化和脂肪细胞分化。

Trx1在胚胎发育过程中可能涉及氧化应激防御和转录调控，有针对性的破坏鼠标TXN基因的纯合子后小鼠后快死去，表明TRX1是小鼠胚胎早期分化和器官形成必不可少的因素。

TRX2对细胞死亡的调控线粒体被认为是一个产生ROS的主要场所。

ROS水平是细胞死亡的决定因素。

ROS水平低，促进细胞凋亡，而高水平的ROS导致细胞坏死。

与PRX3一起，TRX2系统是扮演了一个重要的控制线粒体ROS水平的角色，因此，在调节细胞凋亡中起着关键的作用。

TRX2不足，导致细胞ROS水平增高、细胞色素c从线粒体释放，在鸡DT40中caspase 3和9活化。

非常有趣的是，转染的hTrx2或氧化还原活性hTrx2CS的可以缓解TRX2 -缺乏DT40细胞的死亡。

这可能是由于有氧化还原活性中TRX2保持了Bcl-xL蛋白水平与控制线粒体外膜的通透性。

TRX2也可以在线粒体中结合和抑制ASK1凋亡活性。

TXNIP中的N-末端结构域的cys30是关键TRX2结合位点。

最近研究提出，TRX2 - ASK1的信号转导通路，还涉及到细胞内的TXNIP穿梭。

在正常条件下，TXNIP位于细胞质中，也主要在细胞核中。

线粒体TRX2连结ASK1抑制蛋白激酶活性。

在氧化应激时，TXNIP从细胞核到线粒体竞争结合TRX2，结果导致细胞凋亡过程（图3）。

另一种可能的机制，TRX2阻止细胞死亡是通过调控P66SHC，P66SHC为一种寿命调节器。

P66 SHC是Trxs二硫化物基质。

因此，P66 SHC的四聚体，是能够导致细胞死亡减少，通过线粒体Trx系统转变为无活性的形式P66 SHC二聚体。

线粒体Trx2是小鼠胚胎正常发育所必不可少的。

沉默TXN2基因突变胚胎纯合子小鼠在交配后10.5天出现大量的细胞凋亡，泰勒阶段15/16死亡。

胚胎致死性的时间与线粒体的成熟时间相一致。

无TRX2的胚胎的胚胎成纤维细胞形成是不可能的。

杂合子老鼠是可大量产生的，但TRX2减少小鼠表现出核DNA以及肝脏脂质，蛋白质氧化损伤增加。

已证实TRX2的作用是通过TRX2保护对氧化诱导的细胞死亡抵抗从而调控细胞凋亡。

与杀草快农药处理的野生型（WT ）小鼠相比，TRX2 + / - 小鼠肝脏的细胞凋亡增加。

虽然WT小鼠TRX2过度表达，但不是一个C93S的TRX2突变蛋白，可以显着地抑制在HeLa细胞中的TNF -α诱导的细胞凋亡。

TRX2的氧化还原修饰是许多氧化诱导细胞死亡过程中的一个关键因素。

最近，我们发现一些阳离子三苯甲烷，如亮绿和龙胆紫，长时间使用抗真菌和抗菌药，在线粒体积累并导致Trx氧化降解。

线粒体TRX系统瓦解导致随后的细胞色素c释放以及凋亡诱导因子（AIF）从线粒体进入细胞质。

非常有趣的是，亮绿对HeLa细胞比成纤维细胞更敏感。

在HeLa细胞中，TRX2下调通过小分子干扰核糖核酸（RNA干扰）诱导敏感性增加，然而正常的成纤维细胞Trx2或Trx1的下调有没有影响。

除了Trx1和Trx2，Trx的家族包含许多其他的硫醇-二硫化物氧化还原酶并带有CXXC活化位点如Grxs ，Grxs是一个内质网跨膜Trx关联蛋白和巨噬细胞移动抑制因子的活性部位。

这些蛋白质也已经证实在细胞凋亡调控中起关键作用。

TrxRs在哺乳动物细胞死亡进展中的作用哺乳动物TrxR的结构和反应机制在哺乳动物细胞中已发现三种TrxRs，细胞质TrxR1、线粒体TrxR2以及睾丸特异性的Trx还原型谷胱甘肽还原酶（GR ），对应于相应的三种类型的Trxs基因。

所有哺乳动物的TrxRs都含硒酶，硒半胱氨酸（Sec，U）残基于他们的C-末端相连。

Sec是第21基因翻译的氨基酸，其中，在大多数情况下是由UGA密码子作为终止密码子编码。

Sec插入硒蛋白多肽链需要一个复杂结构包含Sec插入序列（SECIS）元素、tRNA[SER ] SEC、ECIS结合蛋白2（SBP2），以及在哺乳动物细胞中的其他组件和可用的硒。

Sec插入效率会影响的硒蛋白TrxR活性。

Sec 结构结构不足，也可以改变TrxR的存在形式。

例如，大鼠肝中TrxR缺硒导致Sec残基被替换为半胱氨酸。

另一方面，Trx系统可以减少在氧化SBP2中二硫键和/或还原型谷胱甘肽（GSH）的混合二硫化，同时参与调控SBP2的多个区域和硒蛋白合成效率。

哺乳动物细胞中的TrxRs比大肠杆菌、酵母和植物拥有更多不同特性（图2）。