硫氧還蛋白的生物學功能及與人類疾病的關系

高建波

（天津市藥品檢驗所，天津 300070）

硫氧還蛋白的生物學功能及與人類疾病的關系

高建波

（天津市藥品檢驗所，天津 300070）

硫氧還蛋白是一類廣泛表達于各種生物組織器官的小分子蛋白質，在調節機體的氧化還原反應和抗氧化損傷中發揮重要作用。同時，還具有轉錄調節、抗凋亡等生物學功能，且與腫瘤、類風濕性關節炎、心血管疾病等多種人類疾病密切相關，具有重要的研究價值。

硫氧還蛋白；生物功能；疾病

硫氧還蛋白（Thioredoxin，Trx）是一類高度保守的低分子量蛋白質，參與氧化還原反應等多種生物功能，已成為國際上醫學領域研究的熱點[1-3]，現對其近年來的主要生物功能及與人類疾病關系方面的研究綜述如下。

1 Trx的結構

Trx是一種緊密結合的蛋白質，疏水核心區域由5股β折疊構成，其末端被4個α螺旋所包繞。它調節氧化還原活性的二硫鍵/巰基結構位于氨基酸保守序列-Trp-Cys-Gly-Pro-Cys-。有活性的還原型Trx（Trx-（SH）2含有巰基，可以與二硫鍵相互作用，還原被氧化的多種蛋白，轉變為無活性的氧化型Trx（Trx-S2）。其可在Trx還原酶（thioredoxin reductase，TrxR）及煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（nicotinamide adenine dinucleotide phosphate，NADPH）作用下，轉變為還原型。

Trx根據末端氨基酸序列的差異，主要分為Trx1和Trx2兩種類型。Trx1位于細胞漿和細胞核，氨基酸序列長105，分子量為12kDa；Trx2位于線粒體，氨基酸序列長166，分子量為18kDa，含有60個氨基酸組成的N末端線粒體定位信號[4-6]。

2 Trx的主要生物學功能

2.1 抗氧化作用

Trx、TrxR、硫氧還蛋白過氧化物酶 （thioredoxin peroxidase，TrxP）和NADPH構成了Trx系統，共同調節氧化還原反應。還原型Trx既可在TrxP的作用下直接將活性氧（reactive oxygen species，ROS）清除，如將O-轉化為OH-，也可直接抑制氧化應激或通過蛋白質-蛋白質間的相互聯系而間接抑制氧化應激，保護細胞免受氧化劑的損傷[7-9]。

線粒體是細胞中心代謝途徑的核心，是生理及病理情況下ROS的主要來源。因此，特異位于線粒體的Trx2在協助線粒體防御氧化損傷，保護其發揮功能中具有重要的作用。研究表明Trx2過表達的小鼠可顯著減少ROS的生成，有效防止線粒體的功能紊亂；Trx2在犬腦中高表達可明顯減輕缺血造成的中樞神經系統損傷，而抑制其基因表達的動物則因ROS產生過量而死亡；細胞敲除Trx2基因后，不能抵御氧化應激[10-11]。

目前，認為Trx抗氧化的主要機制：①直接抑制呼吸鏈電子傳遞鏈Ⅰ，減少ROS的產生；②在NADPH的幫助下，還原型的Trx作為電子供體通過某些過氧化物酶將H2O2還原成H2O，從而清除部分ROS，降低ROS產生過量造成的細胞脂質過氧化、蛋白質及DNA變性；③作為二硫鍵還原酶，Trx能還原激酶、磷酸酶、轉錄因子等蛋白的二硫鍵從而恢復其生理功能，減輕氧化損傷；④調節氧化應激的相關蛋白，如血紅素加氧酶-1、一氧化氮合酶的表達發揮抗氧化作用[12-13]。

2.2 抗凋亡作用

細胞凋亡信號調節激酶1 （apoptosis signal-regulating kinase 1，ASK-1）是在誘導細胞凋亡中起中樞作用的蛋白酶，既存在于胞漿中，又存在于線粒體中，可從外源和內源兩種途徑誘發細胞凋亡。研究證實，Trx1和Trx2可分別與胞漿和線粒體內的ASK1結合，形成蛋白-蛋白復合物，誘導ASK1泛素化和降解，阻斷ASK1下游的促分裂素原活化蛋白激酶（mitogen-activated protein kinase，MAPKs）家族成員蛋白激酶p38（p38MAPKs）、c-Jun氨基末端激酶（c-Jun N-terminal Kinase，c-JNK）、胞外信號調節激酶（extracellular signal regulated kinase，ERK）誘導的細胞凋亡，保護細胞。研究證實，敲除Trx1或用RNA干擾技術沉默Trx2，或使ASK1變異，導致Trx不能與ASK1結合，均會導致c-JNK依賴的凋亡途徑的激活，引發下游的CtyC的釋放和caspase-3的激活，使凋亡不可逆轉的發生[14-16]。

Trx還可通過以下途徑阻止細胞凋亡：①調節其依賴型過氧化物酶家族實現抗凋亡作用。如Trx升高錳-超氧化物歧化酶（manganese superoxide dismutase，Mn-SOD）的表達，增強其將H2O2轉化成H2O的能力，大量清除H2O2，減少由其引發的細胞凋亡[17]；②Trx與線粒體電子傳遞復合物共同調節線粒體呼吸鏈，維持其正常膜電位，阻止由于膜電位降低造成的細胞色素C釋放，進而產生細胞凋亡等損害；③Trx也可以通過核因子-kappa B（Nuclear factor kappa B，NF-κB）途徑，抑制多巴胺等神經遞質所介導的細胞凋亡[18-19]。

2.3 轉錄調節作用

p53是重要的轉錄因子和腫瘤抑制蛋白，Trx 可直接與p53 DNA結構中含二硫鍵的鋅指區域結合，進而激活p53的表達，并增強其活性；Trx也可通過Ref-1因子介導與p53結合，發揮調節作用[20]。

NF-κB是研究的較為清楚的轉錄因子，生理情況下，與其抑制因子IκB結合以二聚體的無活性形式存在于細胞質中，不具備生物功能。Trx 可通過c-JNK信號途徑，使NF-κB的抑制因子IκB降解，將NF-κB解放出來，從而進入細胞核發揮轉錄調節作用。研究表明，Trx1過表達及進入細胞核增多可以協同促進NF-κB 進入細胞核與靶DNA結合，增強NF-κB的作用[21]。

Trx還可通過與 Jun-Jun或 Fos-Jun 復合體作用，在Ref-1因子協同下，增強激活蛋白1（active protein，AP-1）與DAN的結合，促進其表達[22]。

3 Trx與疾病

3.1 Trx與腫瘤

研究發現，三氧化二砷（As2O3）誘導的人肝癌細胞 （HepG2）的凋亡可通過調節Trx l高表達可抑制，而通過RNA干擾技術使Trxl的表達下調或氧化其活性位點，則可促進癌細胞凋亡。并且已證實，當Trx含量增加時，肝癌、胃癌、結腸癌和卵巢癌的人類細胞均表現出對順鉑敏感性的降低，用轉染技術使纖維肉瘤細胞Trx高表達后，明顯增強瘤細胞對順鉑的抵抗性。一系列細胞的研究都發現，癌細胞對順鉑的抵抗和Trx水平呈正相關[23-26]。

鑒于此，Trx有望作為開發抗癌藥物的新的靶點，通過抑制Trx的表達而促進腫瘤細胞的凋亡，達到治愈腫瘤的目標。

3.2 Trx與心血管疾病

Trx與心血管疾病密切相關，首先，Trx在急性冠狀動脈綜合癥、肥大型心肌病及心衰患者血清中含量明顯升高，并且，在心肌炎急性期患者血清中Trx明顯上調，在慢性期逐漸下降，這說明Trx的血清含量與某些心血管疾病的嚴重程度存在密切相關性，可作為判斷心肌損傷程度的一個新的生化指標；其次，Trx在部分心血管疾病的組織中存在過表達，如人動脈粥樣硬化斑塊的血管內皮細胞和巨噬細胞Trx的蛋白及mRNA水平均過度表達[27-30]。 Trx在心血管疾病中的高表達可能與其抑制細胞的氧化應激具有一定相關性，病情的急性期往往ROS的生成驟增，此時，為了減少ROS造成的損傷，Trx的生成亦相應增加，以清除過量的ROS；待病情穩定后，ROS的生成減少，Trx亦相應減少。

3.3 Trx與類風濕性關節炎

類風濕性關節炎患者滑液中及血漿Trx水平均明顯升高，與血清C反應蛋白、尿液中DNA氧化損傷的生物學標記物8-羥-2’-脫氧鳥苷的水平、關節滑液中中性粒白細胞的浸潤數量呈正相關。因此，血漿Trx水平有望作為該疾病活動性的新的生物學指標，準確反應患者病情的進程和預后[31]。

3.4 Trx與腎臟、肝臟疾病

研究發現，IgA型腎小球腎炎患者，Trx血清水平明顯升高，并且其表達與血清尿素氮、尿酸含量呈正相關，而與腎小球率過濾呈負相關[32]。在因感染丙型肝炎病毒而導致的肝硬化患者及伴有丙型肝炎病毒感染的肝癌患者，血清中的Trx水平均顯著升高，且與凝血酶原時間、血清白蛋白、胎兒球蛋白的含量具有相關性[33-34]，以上表明，Trx有望作為腎炎及丙肝病毒感染患者的預后的標志性指標，為其診斷及治療提供依據。

4 展 望

硫氧還蛋白由于具有抗氧化、抗凋亡等重要的生物功能，而與人類的多種疾病密切相關，相信隨著研究的不斷深入，針對Trx作為靶點會為研發新藥、防治疾病提供新的方向。

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