超氧化物歧化酶翻譯后修飾的研究進展

賈海紅 李冰清

（山東第一醫(yī)科大學(xué)（山東省醫(yī)學(xué)科學(xué)院）基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院（基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)研究所）病原生物學(xué)實驗室，濟南 250062）

氧對于需氧生物來說極其重要，氧參與的代謝活動是正常生命活動不可或缺的，它經(jīng)常會伴有活性氧（reactive oxygen species，ROS）的產(chǎn)生［1］。活性氧在機體中有雙重作用，生物體內(nèi)活性氧的含量通常處于平衡狀態(tài)。當(dāng)機體內(nèi)吞噬細胞在細胞膜受到刺激時，通過呼吸暴發(fā)機制，產(chǎn)生大量ROS，這時候ROS是吞噬細胞發(fā)揮吞噬和殺傷作用的主要介質(zhì)。但是在ROS的產(chǎn)生和清除失去平衡時，常常會造成ROS對機體的損傷，比如造成酶失活、蛋白質(zhì)損傷、脂質(zhì)過氧化和DNA突變等［2］。為了控制ROS的水平，防止氧自由基對細胞的破壞，保護細胞免受不良環(huán)境的影響，幾乎所有需氧生物都進化出了一套發(fā)達的氧化防御體系，來清除細胞有氧代謝產(chǎn)生的各種ROS［3］。其中，超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD）便是該體系中的抗氧化酶之一，它是一種能夠催化超氧化物通過歧化反應(yīng)轉(zhuǎn)化為O2和H2O2的酶［4］。

SOD在需氧生物中普遍存在，所有SOD催化中心都包含有一個金屬離子，根據(jù)其結(jié)合金屬離子的不同，SOD可以分為4種類型：Cu/ZnSOD、FeSOD、MnSOD和NiSOD。在哺乳動物中含有3類：SOD1（Cu/ZnSOD）、SOD2（MnSOD）、SOD3（胞外Cu/Zn SOD）。最近發(fā)現(xiàn)NiSOD只存在于某些極少數(shù)原核細菌中［5-6］。SOD被認為是抗氧化系統(tǒng)的第一道防線，在保護細胞免受氧自由基的毒害中發(fā)揮著重要作用［4］。研究表明，SOD與胃病、帕金森綜合征、老年癡呆癥、心血管疾病等有著密切關(guān)系［7-10］。近年來，SOD也在農(nóng)業(yè)、食品、化妝品領(lǐng)域表現(xiàn)出很大的應(yīng)用潛力。隨著分子生物學(xué)的發(fā)展，對該酶進行了廣泛深入的研究，尤其是在酶基因的表達、調(diào)控方面。目前對于SOD活性調(diào)節(jié)，無論是從相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄水平還是翻譯水平都有大量的文獻報道［11-13］。翻譯后修飾在調(diào)節(jié)SOD 活性中也起重要作用，但是通過翻譯后修飾來調(diào)控SOD活性仍處于起步階段，是一個新的研究熱點領(lǐng)域。

目前報道的SOD的翻譯后修飾方式主要有硝基化、磷酸化、S-谷胱甘肽化、糖基化以及蛋白翻譯后修飾新方式次磺酸化等，這些修飾方法的生理意義包括影響酶的活性、穩(wěn)定性，調(diào)控與其他蛋白相互作用，調(diào)控酶的細胞內(nèi)定位等［14-15］。但是目前對SOD的翻譯后修飾的調(diào)控研究仍不深入。本文對近年來SOD的翻譯后修飾的研究進展進行綜述，總結(jié)了幾種翻譯后修飾的方式及翻譯后修飾對SOD酶活性影響，并討論其病理生理意義。

1 硝基化對SOD酶活性的調(diào)控

蛋白質(zhì)酪氨酸（Tyr）和色氨酸（Trp）硝基化是一種重要的蛋白質(zhì)翻譯后修飾，能引發(fā)一系列病理生理過程，其被認為與炎癥、神經(jīng)退行性疾病、心血管疾病和癌癥等疾病相關(guān)［16-18］。在SOD翻譯后修飾領(lǐng)域中，硝基化是研究最廣泛修飾之一［14］。

1.1 硝基化對Cu/ZnSOD酶活性的影響

Ischiropoulos等［19］首次報道了牛Cu/ZnSOD與過氧亞硝酸鹽（ONOO-）反應(yīng)生成3-硝基酪氨酸殘基。晶體結(jié)構(gòu)表明，Cu/ZnSOD的硝基化位點為Tyr108［20］。修飾后的酶活性與野生型Cu/ZnSOD酶活性相同［19］。與牛Cu/ZnSOD不同的是人Cu/ZnSOD的氨基酸序列中沒有Tyr殘基，只有一個色氨酸殘基（Trp32）。通過質(zhì)譜（MS）和高效液相色譜（HPLC）-光電二極管陣列分析發(fā)現(xiàn)，人重組Cu/ZnSOD與ONOO-/CO2和髓過氧化物酶/H2O2/亞硝酸鹽體系反應(yīng)生成的6-硝基色氨酸是主要硝化產(chǎn)物。而6-硝基色氨酸可能是內(nèi)源性活性氮（RNS）存在的一種新的生物標(biāo)志物［21-22］。修飾后的人Cu/ZnSOD酶活性均降低，在ONOO-修飾和髓過氧化物酶系統(tǒng)修飾時分別有30%和15%的酶活性損失［21-22］。但是，Alvarez等［23］報道人Cu/ZnSOD經(jīng)過ONOO-修飾后失去了90%的酶活性。因為他們在硝化體系中沒有使用CO2，從ONOO-裂解中產(chǎn)生的羥基自由基類似物可能對酶活性造成了影響。之后，Taylor等［24］報道W32F突變體降低了SOD的G93A突變體的細胞毒性及在家族性肌萎縮側(cè)索硬化小鼠模型（FALS）中形成細胞質(zhì)內(nèi)含物的傾向。這一證據(jù)表明，Trp32的硝化作用可能對Cu/ ZnSOD在FALS中的細胞毒性產(chǎn)生一定影響。

1.2 硝基化對Fe/MnSOD酶活性的影響

1996年，MacMillan-Crow等［25］首次報道了人MnSOD中的酪氨酸硝化作用在人移植腎慢性排斥反應(yīng)中的作用。研究發(fā)現(xiàn)雖然病人體內(nèi)MnSOD總蛋白升高，但是硝化后酶活性降低。體外研究發(fā)現(xiàn)重組人MnSOD與ONOO-反應(yīng)完全抑制了酶的活性，并誘導(dǎo)了硝基酪氨酸和二酪氨酸的生成。作者利用質(zhì)譜分析發(fā)現(xiàn)MnSOD的9個酪氨酸殘基中有3個（Y34，Y45，Y193）發(fā)生了硝基化反應(yīng)。其中ONOO-能完全使Y34F MnSOD突變體活性消失，除了Y34位點，其他兩個位點也可以滅活Y34F MnSOD突變體。研究表明，硝基化Tyr殘基的氧化產(chǎn)物二酪氨酸也有助于MnSOD酶的失活，尤其是在突變酶中更有效［26-27］。相反地，有研究發(fā)現(xiàn)Tyr34殘基是ONOO-唯一的硝化位點，該Tyr殘基位于錳活性位點約5.5?之內(nèi)，并且隨著Tyr殘基硝化速率的增加，MnSOD活性逐漸喪失［19，28］。Quijano等［29］也發(fā)現(xiàn)MnSOD中加入一個硝基后，大部分酶活性喪失。Quint等［30］研究表明，約75%的Tyr34被硝化，而其他Tyr殘基未被硝化，而且硝化后酶活性被抑制了將近80%，此外他們還解析出了硝基化的人MnSOD的晶體結(jié)構(gòu)。Neumann等［31］通過使用氨基酰-tRNA合成酶和tRNA對在基因編碼位點進行3-硝基酪氨酸位點特異性結(jié)合，使人類MnSOD的Tyr34加入3-硝基酪氨酸。他們發(fā)現(xiàn)，對人MnSOD中Tyr34進行定量硝化可以使其酶活性喪失97%。總之，可以得出這樣的結(jié)論：ONOO-幾乎只硝化Tyr34，而且單獨硝化Tyr34足以降低人MnSOD的酶活性。ONOO-首先與蛋白質(zhì)金屬中心反應(yīng)，并促進金屬中心相鄰蛋白質(zhì)Tyr殘基的硝化。這一機制可以解釋MnSOD的Tyr34與其他8個酪氨酸殘基相比更容易被特異硝化。根據(jù)以上研究結(jié)果提出了3種被硝基化修飾后MnSOD失活的機制，即（1）與底物結(jié)合后對空間的干擾，（2）在催化過程中支持質(zhì)子轉(zhuǎn)移的氫鍵網(wǎng)絡(luò)減弱，（3）硝基的存在和由硝基引起的氧化還原反應(yīng)有關(guān)的靜電效應(yīng)［28-32］。

研究發(fā)現(xiàn)ONOO-同樣催化大腸桿菌和卵圓假單胞菌Fe-SOD發(fā)生硝基化反應(yīng)，使酶活性降低［19，28］。Larrainzar等［33］報道，來自植物豇豆細胞的重組FeSOD通過與ONOO-供體 SIN-1（3-嗎啉斯德酮亞胺，3-morpholinosydnonimine，SIN -1）孵育被硝化滅活，同時產(chǎn)生NO和O2。最近有科學(xué)家報道，克氏錐蟲的兩種亞型Fe-SOD（線粒體Fe-SODA和胞質(zhì)Fe-SODB）均能被ONOO-硝化和滅活［34］。因此，我們認為活性氮（RNS）可能是通過硝化關(guān)鍵的Tyr殘基，比如人MnSOD的Tyr34位點，來滅活大部分的Fe/MnSOD。

2 磷酸化對SOD酶活性的調(diào)控

絲氨酸（Ser）/蘇氨酸（Thr）/酪氨酸（Tyr）殘基的磷酸化是蛋白質(zhì)典型的翻譯修飾之一。Csar等在用粒細胞集落刺激因子（G-CSF）治療髓細胞時首次報道了胞漿Cu/ZnSOD的短暫磷酸化。他們發(fā)現(xiàn)用G-CSF處理后，Cu/ZnSOD的表達量和活性都降低，這可能是磷酸化修飾后Cu/ZnSOD容易水解。在這種情況下，SOD水平的降低和O2水平的升高可能有助于G-CSF對髓系細胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的調(diào)控［35］。Archambaud等［36］報道了細菌SOD的磷酸化，研究發(fā)現(xiàn)李斯特菌細胞質(zhì)MnSOD在絲氨酸和蘇氨酸上發(fā)生了磷酸化，當(dāng)細菌達到平臺期時酶活性降低。而最活躍的非磷酸化MnSOD在細菌培養(yǎng)過程中能分泌到細胞外，而且分泌的MnSOD可能是該細菌的一個毒力因子，可以抵消宿主吞噬細胞的作用。此外，他們觀察到在感染細胞中分泌的MnSOD被磷酸化并且下調(diào)表達，這可能是由一種未知的細胞激酶介導(dǎo)的。該機制可作為宿主吞噬細菌控制細胞內(nèi)感染的新策略。磷酸化蛋白組學(xué)分析也觀察到了一種革蘭氏陰性細菌空腸彎曲桿菌中也發(fā)現(xiàn)了磷酸化的FeSOD［37］。線粒體MnSOD也被預(yù)測為磷酸化底物，之后利用雙向電泳和［γ-32P］-ATP標(biāo)記的MS分析，首次報道了在馬鈴薯線粒體中被磷酸化的MnSOD，但未進行活性研究［38］。Hopper等［39］利用磷酸化蛋白組技術(shù)也報道了離體豬心臟線粒體中MnSOD的磷酸化。此外，Ca2+誘導(dǎo)的線粒體MnSOD去磷酸化能使酶的活性最多增加2倍。這一證據(jù)表明MnSOD活性可能被Ca2+依賴的信號通路控制，以調(diào)節(jié)基質(zhì)中超氧化物或H2O2的穩(wěn)態(tài)水平。將大鼠神經(jīng)母細胞瘤細胞線粒體蛋白提取物及同位素標(biāo)記的［γ-32P］-ATP孵育，測定大鼠線粒體MnSOD磷酸化位點為Ser82，但尚未進行活性研究［40］。

綜上所述，磷酸化作為SOD的一種新的調(diào)控機制在生物界可能是普遍存在的無論是細菌還是脊椎動物。雖然與SOD磷酸化相關(guān)的疾病還沒有報道，但是這一領(lǐng)域的進一步研究可能導(dǎo)致SOD在細胞氧化損傷和氧化還原信號傳導(dǎo)中的功能有輕微調(diào)整。為了解析整個調(diào)控機制，還需要篩選催化SOD磷酸化的特異性激酶和去磷酸化磷酸酶、鑒定SOD的磷酸化位點，以及更詳細地分析磷酸化后SOD功能的變化。

3 S-谷胱甘肽化對SOD酶活性的影響

S-谷胱甘肽化是通過添加谷胱甘肽對蛋白質(zhì)半胱氨酸（Cys）殘基進行翻譯后修飾，氧化或亞硝化應(yīng)激可促進這種修飾，這種修飾也發(fā)生在未受應(yīng)激的細胞中。它可以通過調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)功能和防止蛋白質(zhì)硫醇的不可逆氧化來調(diào)節(jié)多種細胞過程［41］。從人紅細胞中分離到谷胱甘肽化的Cu/ZnSOD，Cys111為修飾位點，Cys111位點谷胱甘肽化修飾后酶活性沒有顯著變化，但促進了Cu/ZnSOD突變體酶活性的降低，使Kd增加了2倍［42］。家族性肌萎縮側(cè)索硬化（FALS）是一種以進行性運動神經(jīng)元喪失為特征的致命疾病。研究提出人Cu/ZnSOD的S-谷胱甘肽化導(dǎo)致其酶活性降低，促進其聚集，而聚集后與FALS的發(fā)生有關(guān)［43］。從嗜堿假交替單胞菌（Ph）中也分離得到S-谷胱甘肽化的FeSOD，其S-谷胱甘肽化位點是一種活性很高的半胱氨酸殘基（Cys57）。這種修飾可以發(fā)生在假交替單胞菌中也可以發(fā)生在過表達的大腸桿菌細胞中。雖然與未修飾的酶相比，修飾后酶活性降低了不到10%，但是FeSOD的S-谷胱甘肽化修飾保護了酶免受Tyr硝化和ONOO-硝化而失活，并且細胞遭受氧化脅迫時這種修飾會增強［44］。因為假交替單胞菌在寒冷條件下能很好地抵抗活性氧的損傷，這種修飾被認為是一種提高細胞抗氧化能力的冷適應(yīng)策略［44］。研究還發(fā)現(xiàn)了重組大鼠MnSOD在大腸桿菌中表達時發(fā)生了S-谷胱甘肽化，但在這種情況下還沒有酶活性相關(guān)的研究報告［43］。

4 糖基化對SOD酶活性的影響

糖基化是在糖基轉(zhuǎn)移酶作用下將糖類轉(zhuǎn)移至蛋白質(zhì)和蛋白質(zhì)特殊的氨基酸殘基上形成糖苷鍵的過程。蛋白質(zhì)的糖基化是一種重要的蛋白翻譯后修飾，有調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)功能的作用。糖尿病患者腎臟、肝臟等器官的蛋白易被糖基化修飾。Cu/ZnSOD的糖基化是SOD最早發(fā)現(xiàn)的翻譯后修飾之一［42］。Cu/ZnSOD的糖基化能導(dǎo)致酶的降解，而酶活性的喪失可能是導(dǎo)致糖尿病患者患病的的生理原因［45］。雖然我們在Cu/ZnSOD的糖基化方面有很多研究，但關(guān)于Cu/ZnSOD的糖基化有了很好的綜述，本文不做進一步的詳細介紹［43］。

根據(jù)上文介紹的4種關(guān)于SOD的翻譯后修飾，圖1總結(jié)了硝化、磷酸化、S-谷胱甘肽化和糖基化對SOD活性的影響。由圖中可以看出，以上各種修飾對酶活性的調(diào)控大部分都是負調(diào)控。

圖1 翻譯后修飾對SOD活性的影響Fig. 1 Effect of post-translational modification on SOD activity

5 乙酰化修飾對SOD酶活性的調(diào)控

乙酰化修飾（acetylation）是指在酶（或非酶）的作用下將乙酰CoA的乙酰基團轉(zhuǎn)移至蛋白質(zhì)氨基酸殘基上，是重要的蛋白質(zhì)翻譯后修飾類型之一。其在表觀調(diào)控過程中至關(guān)重要，參與了生命活動的各個方面，并且修飾過程是可逆的。乙酰化修飾分布十分廣泛，無論是真核還是原核生物，都大量存在這種修飾。乙酰化修飾普遍存在于代謝酶之中，并且調(diào)節(jié)代謝通路及代謝酶的活性。大腸桿菌FeSOD蛋白12、44、51位的Lys均能發(fā)生乙酰化修飾，另外CobB能催化FeSOD去乙酰化，同時發(fā)現(xiàn)去乙酰化后FeSOD的酶活降低［46］。子宮平滑肌瘤中MnSOD乙酰化增加導(dǎo)致其酶活性降低，而恢復(fù)去乙酰化的MnSOD則能抵抗高濃度的ROS［47］。位于線粒體中的去腫瘤抑制因子SIRT3可以去乙酰化并激活MnSOD以清除ROS。從而保護細胞免受氧化損傷［48］。腎透明細胞癌786-O中MnSOD的去乙酰化能增強其細胞增殖能力［49］。研究表明SOD能被乙酰化和去乙酰化修飾并且修飾影響了SOD酶活性。

6 次磺酸化修飾對SOD酶活性的調(diào)控

次磺酸化（sulfenation）是2018年公布的生物物理學(xué)名詞。次磺酸化是蛋白質(zhì)半胱氨酸的自由巰基（-SH）被氧化形成次磺酸（-SOH）的過程。次磺酸化出現(xiàn)在一些酶類的中間反應(yīng)過程中，進一步可能氧化為更高級產(chǎn)物（如亞磺酸、磺酸），也可以被可逆還原為自由巰基。ALS是一種致命的神經(jīng)退行性疾病，其重要病理特征之一就是由Cu/ZnSOD（SOD1）以及TAR DNA結(jié)合蛋白43（TDP-43）在中樞神經(jīng)系統(tǒng)的運動神經(jīng)元以及星形膠質(zhì)細胞中形成纖維樣聚集體［44，50］。但是散發(fā)型ALS發(fā)病的根本原因仍不清楚。2018年，梁毅教授研究組發(fā)現(xiàn)病理濃度H2O2都可以使得野生型SOD1發(fā)生次磺酸化修飾，而且這種可逆的修飾對于SOD1生長纖維和發(fā)揮病理功能至關(guān)重要。研究發(fā)現(xiàn)散發(fā)型ALS病人腦脊液樣本中的次磺酸化修飾SOD1水平顯著高于對照組腦脊液樣本，因此次磺酸化修飾SOD1可能是散發(fā)性ALS早期診斷生化指標(biāo)。腦脊液中次磺酸化修飾的SOD1與散發(fā)型ALS的相關(guān)性這一發(fā)現(xiàn)將為早期ALS的診斷和治療提供一條全新的途徑［13］。

7 SUMO化修飾對SOD酶活性的調(diào)控

SUMO是一類重要的類泛素蛋白，SUMO化蛋白翻譯后修飾（SUMOylation），又稱為“小泛素化”，是一種普遍存在、動態(tài)可逆的蛋白翻譯后修飾類型，在細胞中起調(diào)節(jié)蛋白的結(jié)構(gòu)、增強蛋白質(zhì)的活性和功能穩(wěn)定性作用。哺乳動物細胞中有3種比較常見的SUMO化蛋白：SUMO1、SUMO2和SUMO3。研究報道SOD1可被SUMO1、SUMO2/3修飾，其中SUMO-1對SOD1在第75位賴氨酸（Lys75）和Lys9修飾，SUMO-1修飾后野生型和突變型SOD1所形成的胞漿內(nèi)聚集均會增加，而且SUMO-1能夠被招募至SOD1所形成的聚集上，與SOD1在細胞內(nèi)聚集體上有共定位現(xiàn)象，SUMO-1可以穩(wěn)定野生型和突變型SOD1而不易降解，進而可能對由SOD1突變所引起的FALS的發(fā)病產(chǎn)生影響。而SUMO2/3的修飾位點為Lys75，可增加SOD1突變蛋白的聚集，增加突變蛋白的穩(wěn)定性［51］。

8 亞磺酸化修飾對SOD酶活性的調(diào)控

香港浸會大學(xué)環(huán)境與生物分析國家重點實驗室蔡宗葦課題組近日于Small Structures上發(fā)表的研究成果表明，1-硝基芘（1-nitropyrene，1-NP）可以通過攻擊SOD1的Cys111位點產(chǎn)生亞磺酸化，進而抑制SOD活性并導(dǎo)致ROS增加。因此，提出了1-NP誘導(dǎo)細胞毒性和ROS生成的新機制［52］。

9 總結(jié)與展望

酶活性的發(fā)揮是一個復(fù)雜的過程，僅僅轉(zhuǎn)錄或者翻譯水平的上調(diào)或者下調(diào)，并不能推斷最后酶活性的增強或減弱，同時涉及到翻譯后修飾，在組織、細胞及亞細胞中的定位以及與其他的蛋白質(zhì)之間的相互作用。鑒于 SOD在抗氧化過程中發(fā)揮的重要作用，對其各個環(huán)節(jié)的調(diào)控都應(yīng)引起足夠的重視。隨著分子生物學(xué)的迅猛發(fā)展，翻譯后修飾對酶活性的影響得到廣泛的重視。蛋白質(zhì)翻譯后修飾是影響SOD酶活性的重要環(huán)節(jié)，如前所述，目前發(fā)現(xiàn)的對于SOD的翻譯后方式主要是硝基化、磷酸化、糖基化和S-谷胱甘肽化等。其中硝基化和磷酸化對SOD酶活性影響的研究較多，而且修飾后酶活性都降低。除了以上幾種常規(guī)的修飾，越來越多小眾修飾也逐漸成為研究熱點，次磺酸化修飾、亞磺酸化修飾、SUMO化修飾等。此外，對于甲基化等一些常見的修飾也對SOD酶活性產(chǎn)生影響［53］，目前相關(guān)研究尚不多，但是很多研究具有開創(chuàng)性。對于修飾后SOD酶活性降低的生理意義，我們推測翻譯后修飾有利于維持體內(nèi)正常的氧化還原狀態(tài)。但是，目前翻譯后修飾對SOD酶活性影響的研究相對較少，翻譯后修飾影響SOD酶活性的機制也尚不明確，修飾后的生理意義也不清楚。因此，對翻譯后修飾影響SOD酶的方式和機制的進一步研究，以及各種新修飾方式的研究將會是未來關(guān)注的焦點。