硫氧還蛋白-1在胰腺炎時的表達及其作用

鐘衛一 唐國都

·綜述與講座·

硫氧還蛋白-1在胰腺炎時的表達及其作用

鐘衛一 唐國都

硫氧還蛋白-1(thioredoxin-1，Trx-1)是一種廣泛分布的氧化還原蛋白，通過二硫化物活性中心可逆地催化許多氧化還原反應，具有抗氧化和抗炎作用。胰腺炎的病程存在著氧化應激和炎性細胞浸潤，Trx-1作為一種內生的抗氧化劑，通過直接清除活性氧發揮抗氧化作用，通過減少致炎細胞因子的表達，發揮間接抗炎、抗氧化作用。重組Trx-1能抑制中性粒細胞浸潤，減輕胰腺和肺的炎癥，可作為一種新的治療急性胰腺炎的策略。

一、Trx-1的結構

Trx-1分子質量約為12 000，具有一個高度保守的含二硫化物的氧化還原活性中心(Cys32-Gly-Pro-Cys35，CGPC)，廣泛分布在從大腸桿菌到人類的有機體中[1-2]。大腸桿菌的Trx-1結構研究得最為詳盡。它是一個結構緊密的球狀蛋白質，由5條β鏈折疊構成一個疏水中心，外圍被4個α螺旋纏繞；高度保守的活性位點序列(-Trp-Cys-Gly-Pro-Cys-)將第2個β鏈折疊和第2個α螺旋連接起來，形成了第2個螺旋的第1個轉角。Trx-1還原作用的機制是還原型Trx-1的疏水面與底物X-S2結合后，在復合物的疏水環境中，Cys-32的巰基和蛋白質底物結合形成共價鍵的二硫化物，最后去質子化的Cys-35攻擊Cys32-S-S-蛋白質二硫鍵，釋放還原蛋白質底物，形成Trx-Cys32-Cys35-二硫化物，再被Trx-1還原酶還原[3]。

人和其他哺乳動物Trx-1的結構還含有3個其他的Cys殘基[4]，即Cys-62、Cys-69、Cys-73。這3個Cys殘基及新近發現的Tyr-49殘基[5]，對氧化還原活性中心的功能起修飾抑制作用。Cys-62和Cys-69組成另一個含二硫化物的活性位點，位于一個α螺旋內，鄰近CGPC活性中心，在氧化還原信號或氧化應激條件下，短暫地抑制Trx-1活動，使之有更多的時間感受和傳輸氧化的信號。給予低濃度的丙烯醛，優先修飾的是Trx-1的Cys-73，而不是活性位點的Cys-32和Cys-35，或調控位點的Cys-62 和Cys-69，這可能是因為Cys-73在活性位點比其他半胱氨酸殘基更容易獲得。哺乳動物Trx-1的結構和功能比大腸桿菌更為高級，在大腸桿菌Trx-1只含有兩個半胱氨酸的催化部位，而在哺乳動物還觀察到其他3個調控Trx-1的半胱氨酸。

二、Trx-1抗氧化作用

Trx-1系統存在于細胞質和細胞核，其關鍵作用是調節細胞的氧化還原。氧化型Trx-1含有二硫鍵，還原型Trx-1含有巰基，通過二硫鍵和巰基的互換來實現其氧化還原的功能調節，對細胞內的氧化與抗氧化系統之間的平衡發揮著至關重要作用[2]。此外，分泌到細胞外的Trx-1還能從細胞外運送到細胞內，因此，它能在細胞膜內外穿梭循環[2]。

Trx-1的抗氧化作用可加速抗鏈激酶-1(antistrepto-kinase-1，ASK1)的還原。ASK1位于一個主要的氧化還原途徑的上游。ASK1氧化可進一步激活Jun的N-未端激酶(JNK)，誘導細胞凋亡。Nadeau等[6]發現，細胞暴露于H2O2造成ASK1快速氧化，通過鏈間二硫鍵的形成導致Ask1多聚化，在H2O2誘導后幾分鐘內，氧化型ASK1又完全還原，在這個還原期間，Trx-1變為與ASK1共價鍵結合；過量表達的Trx-1可加速ASK1的還原。細胞在H2O2處理后，氧化型ASK1的保持需要進一步激活ASK1的下游信號。Saitoh等[7]發現，Trx-1直接約束ASK1的N端，抑制ASK1激酶活性及依賴ASK1的細胞凋亡。Trx-1氧化還原的狀態調節Trx-1和 ASK1之間的相互作用，因為氧化還原無效的Trx-1的雙突變體(在cys-32 和cys-35位點突變)不能約束ASK1 。但Trx-1單突變體( Cys-32或Cys-35 )仍能約束ASK1的活性和能力，阻止ASK1氧化，抑制ASK1誘導細胞凋亡[8]。JNK可下一步激活促凋亡Bcl-2家族蛋白(Bim、Bak、Bax)，使之釋放促凋亡因子如細胞色素C[9]。但目前還不清楚ASK1促凋亡活性是否完全依賴于下游目標如JNK。 Zhang等[10]研究表明，位于細胞質的ASK1與Trx-1形成一個復合物處于靜止狀態。促凋亡刺激物TNF和氧化應激促使Trx-1從ASK1游離，通過細胞色素C的釋放、細胞凋亡蛋白酶-3的活化和核碎裂，提高線粒體依賴的凋亡。相反，Trx-1過量表達協同阻止TNF、ROS、ASK1誘導的細胞死亡。

Trx-1在維持高GSH/GSSG比例中發揮作用。在缺乏谷胱甘肽還原酶的釀酒酵母突變體，會積累高水平的氧化型谷胱甘肽，二硫鍵形式的谷胱甘肽占總谷胱甘肽63%，而野生型只有6%。然而，在Trx雙突變(Trx-1和Trx-2)時，氧化型谷胱甘肽占總谷胱甘肽的比例從6% 增加到22%[11]。其他生物，如黑腹果蠅和岡比亞按蚊不具有典型的谷胱甘肽還原酶[12-13]。在這些生物體，Trx系統能減弱氧化谷胱甘肽的能力，維持GSH/GSSG高比例[14]。

三、硫氧還蛋白-1在胰腺炎時的表達及作用

Trx-1作為一種內生的抗氧化劑，在急性胰腺炎時,當胰腺的超氧化物歧化酶和谷胱甘肽過氧化物酶被耗盡后可能發揮關鍵性作用。在胞質，Trx-1通過直接清除活性氧發揮抗氧化作用；在胞核，Trx-1通過抑制IkB-α的磷酸化，遏制NF-kB的活化，減少致炎細胞因子的表達，發揮間接抗炎、抗氧化作用[15]。給予外源性Trx-1可清除細胞外的活性氧，還能穿透細胞膜,進入胞質清除細胞內活性氧[16]，減輕氧化應激反應，減輕實驗動物的組織損傷、降低實驗動物的死亡率[16-17]。Ohashi等[17]給轉基因小鼠(該鼠能高表達人類Trx-1)和C57BL/6小鼠(作為對照)腹腔注射雨蛙素誘發實驗性急性胰腺炎，并用脂多糖加重。結果顯示，轉基因鼠Trx-1的過量表達明顯減輕實驗性急性胰腺炎的嚴重性。Trx-1過量表達抑制了中性粒細胞浸潤、氧化應激和下調IkB-α， 從而抑制了胰腺的致炎性細胞因子、TNF-α、IL-1β、IL-6、中性粒細胞趨化物、角質形成細胞衍生趨化因子的釋放，誘導一氧化氮合酶的表達。給予重組Trx-1也能抑制中性粒細胞浸潤，減輕胰腺和肺的炎癥，并減少了動物死亡率[17]。提示Trx-1可能作為一種新的治療策略，改善重癥急性胰腺炎的預后。

Ohashi等[18]檢測重癥急性胰腺炎和輕癥急性胰腺炎患者的血清Trx-1水平，結果提示前者高于后者。若把預測重癥急性胰腺炎的Trx-1臨界值定為100 ng/ml時，其敏感性、特異性和準確性分別為83.3%、94.4%和90.7%。因此，他們認為Trx-1是評估AP的嚴重性與氧化應激的一個可靠指標。

慢性胰腺炎被認為是胰腺反復損傷的結果，持續產生各種致炎細胞因子和趨化因子與其發病密切相關。單核細胞趨化蛋白-1被認為有助于慢性胰腺炎發展。Ohashi等[19]在研究應用高表達Trx-1的轉基因小鼠和野生型C57BL/6小鼠模型，持續6周反復給予雨蛙素和脂多糖以誘導慢性胰腺炎。結果在Trx-1轉基因小鼠，胰腺萎縮改善，炎性細胞的浸潤和假性腫瘤復合體的形成減少；過量表達的Trx-1也減弱胰腺囊性纖維化，抑制胰腺星狀細胞的激活。與野生型小鼠相比較，Trx-1轉基因小鼠血清單核細胞趨化蛋白-1水平和胰腺表達的轉化生長因子-β、血小板衍生生長因子、單核細胞趨化蛋白-1顯著減少。在分離的胰腺腺泡細胞，Trx-1的過量表達也能降低H2O2誘導單核細胞趨化蛋白-1的產生[19]。這些結果表明，Trx-1通過抑制氧化應激和單核細胞趨化蛋白-1減輕胰腺纖維化。

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2009-10-19)

(本文編輯：屠振興)

10.3760/cma.j.issn.1674-1935.2010.03.029

廣西自然科學基金(桂科自0728107)

530001 南寧，廣西壯族自治區民族醫院消化內科(唐國都)；廣西醫科大學第一附屬醫院消化內科

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