硫氧還原蛋白系統(tǒng)在老年氧化應(yīng)激性相關(guān)疾病中的作用

氧化應(yīng)激(oxidative stress,OS)是指機(jī)體在遭受各種有害刺激時,體內(nèi)高活性分子如活性氧自由基(reactive oxygen species,ROS)和活性氮自由基產(chǎn)生過多,當(dāng)氧化程度超出氧化物的清除,導(dǎo)致氧化/抗氧化失衡的一種狀態(tài),從而引發(fā)組織損傷,并被認(rèn)為是導(dǎo)致衰老和一些老年性疾病的一個重要因素。硫氧還蛋白系統(tǒng)是體內(nèi)抗氧化應(yīng)激重要因子之一,其包括硫氧還蛋白(thioredoxin,Trx)、硫氧還蛋白還原酶(thioredoxin reductase,TrxR)和還原型輔酶Ⅱ(NADPH)以及硫氧還蛋白相互作用蛋白 (thioredoxin interacting protein,TXNIP)。 目前,在一些老年性氧化應(yīng)激相關(guān)性疾病如慢性阻塞性肺疾病(chronic obstructive pulmonarydisease, COPD)、心血管疾病(cardiovascular disease, CVD)、神經(jīng)退行性疾病和糖尿病等的研究中發(fā)現(xiàn), 硫氧還蛋白系統(tǒng)起著重要作用,并成為目前研究熱點(diǎn)之一。硫氧還蛋白系統(tǒng)有望成為治療這類疾病的靶點(diǎn),探索這類疾病新的治療模式。

1 硫氧還蛋白系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特性

Trx是一類分布廣泛的小分子多功能蛋白,根據(jù)存在位置不同分為Trx-1(細(xì)胞質(zhì)和細(xì)胞核)、 Trx-2(線粒體)和spTrx(內(nèi)質(zhì)網(wǎng)),目前研究的較多的是Trx-1。Trx-1是由105個氨基酸組成的相對分子質(zhì)量約為12000的多肽,其氨基酸序列中含有調(diào)節(jié)氧化還原活性的二硫鍵/巰基,該結(jié)構(gòu)位于保守序列Trp-Cys-Gly-Pro-Cys中。氧化型Trx-1(Trx-S2) 含有二硫鍵,還原型Trx-1(Trx-(SH)2)含有巰基。 Trx-1就是通過二硫鍵和巰基之間的互變來實(shí)現(xiàn)其氧化還原調(diào)節(jié)功能的。氧化型Trx-1可通過TrxR 被還原而恢復(fù)活性。因此Trx-1對細(xì)胞抵御氧化應(yīng)激和維持細(xì)胞內(nèi)正常的氧化一還原平衡具有重要的作用。同時,Trx-1也能作為促生長因子、轉(zhuǎn)錄因子激活劑、輔助因子及多種酶的受體影響著細(xì)胞內(nèi)環(huán)境及多項(xiàng)生理活動。
TrxR是一種NADPH依賴的包含F(xiàn)AD結(jié)構(gòu)域的二聚體含硒酶,屬于吡啶核苷酸-二硫化物氧化還原酶家族成員,大小約為55000-60000,具廣泛的底物特異性,催化多種外源性和內(nèi)源性復(fù)合物,是還原Trx-s2的二聚體酶。根據(jù)其主要存在位置分為TrxR1(細(xì)胞漿)、TrxR2(線粒體)和TrxR3。 TrxR1和TrxR2在許多組織均有表達(dá),尤其在肝臟中表達(dá)更為豐富,而TrxR3僅在睪丸中高表達(dá)。

TXNIP又稱為硫氧還蛋白結(jié)合蛋白2或維他命D3上調(diào)蛋1,它與還原型Trx結(jié)合,與其活性中心發(fā)生作用,從而抑制Trx的還原活性,因此 TXNIP被認(rèn)為是Trx的一個內(nèi)源性的負(fù)調(diào)節(jié)因子[1]。研究表明,TXNIP的過度表達(dá),使細(xì)胞更容易受到氧化應(yīng)激和導(dǎo)致細(xì)胞凋亡[2]。

2 硫氧還蛋白系統(tǒng)與老年氧化應(yīng)激性疾病
目前,我國已進(jìn)入老齡化社會,且老齡化速度加快,老年人是多種疾病的高發(fā)人群,因此亟待加強(qiáng)老年高發(fā)疾病的相關(guān)研究,而硫氧還蛋白系統(tǒng)與老年氧化應(yīng)激性疾病是其中研究熱點(diǎn)之一。
2.1 硫氧還蛋白系統(tǒng)與COPD COPD是一種常見病、多發(fā)病、病死率高,已成為一個重要的公共衛(wèi)生問題。隨著社會老齡化的到來,COPD發(fā)病率有逐年增加的趨勢,已成為繼心腦血管疾病、癌癥之后的老年致死病因,嚴(yán)重威脅著老年人的身體健康和生活質(zhì)量。研究表明,氧化/抗氧化系統(tǒng)失衡是 COPD形成和發(fā)展的重要機(jī)制之一[3]。

Tipp1e等[4]研究發(fā)現(xiàn),用高壓氧致鼠肺損傷實(shí)驗(yàn)中,相比對照組,缺乏谷胱甘肽還原酶的鼠的肝臟中Trx-1水平更高,說明后者在對抗氧化應(yīng)激反應(yīng)提高Trx-1水平來代償谷胱甘肽還原酶功能的缺失;進(jìn)一步實(shí)驗(yàn),用TxrR抑制劑預(yù)處理后,導(dǎo)致高壓氧致鼠肺損傷效應(yīng)加重,說明硫氧還蛋白系統(tǒng)可能提供對抗氧化應(yīng)激分子的有效保護(hù)作用。Trx參與到許多肺部疾病中,TRX ASK1JNK途徑在吸煙引起的細(xì)胞凋亡中經(jīng)常見到,Lee等L5]發(fā)現(xiàn)吸煙會導(dǎo)致大量的ROS產(chǎn)生,而Trx的高表達(dá)可以抑制JNK的表達(dá)從而減少細(xì)胞的凋亡;Sato 等[6]在 Trx轉(zhuǎn)基因小鼠的研究中發(fā)現(xiàn),轉(zhuǎn)基因小鼠較正常小鼠能有效的抵抗用香煙處理導(dǎo)致肺部氧化應(yīng)激、細(xì)胞凋亡,以及巨噬細(xì)胞炎癥蛋白2和腫瘤壞死因子α的上升,提示Trx很有可能通過阻止氧化炎癥反應(yīng)從而阻止COPD的發(fā)生。Pierrou等「7]和 Hackett等圇的研究都表明Trx以及硫氧還原蛋白酶在人類COPD患者中表達(dá)上調(diào),同時Sato 等L6]發(fā)現(xiàn)提高Trx-1可以改善吸煙引起的肺部炎癥;牛痘疫苗接種家兔炎癥皮膚提取物注射液(商品名神經(jīng)妥樂平)可通過誘導(dǎo)Trx-1表達(dá)而起到對肺細(xì)胞的保護(hù)效應(yīng),該藥對吸人香煙或H202所致的鼠肺上皮細(xì)胞損傷有保護(hù)作用,可用于如COPD等涉及氧化應(yīng)激所致肺疾病的治療[9]。在臨床試驗(yàn)中,發(fā)現(xiàn)提高Trx的表達(dá)可以保護(hù)肺部組織免受損傷,暗示著未來Trx可能作為關(guān)鍵因素來治療肺部疾病[lO]。
2.2 Trx與CVD CVD是老年人發(fā)病率高的一類疾病,也是導(dǎo)致人類主要的死亡原因,CVD 包括一系列的疾病,如冠狀動脈粥樣硬化性心臟病, 高血壓,充血性心臟衰竭和中風(fēng)等,所有這些疾病的共同表現(xiàn)是動脈粥樣硬化。
目前許多證據(jù)支持氧化應(yīng)激在動脈粥樣硬化的過程中占重要作用,ROS的急劇增加是危險的因素[11]。在CVD中,ROS影響有絲分裂原活化蛋白激酶MAPK信號通路,激活轉(zhuǎn)錄因子(核因子kB、 AP-1和HIF-1)從而誘導(dǎo)血管平滑肌細(xì)胞增殖、分化凋亡,黏附分子、促炎分子的表達(dá),脂質(zhì)過氧化、細(xì)胞外基質(zhì)蛋白沉著、單核細(xì)胞遷移等導(dǎo)致動脈粥樣硬化是CVD中血管損害的主要過程[12]。
同時,越來越多的研究表明Trx-1對J心臟具有保護(hù)作用。Trx-1轉(zhuǎn)基因小鼠對于阿霉素的丿心臟毒性就有很強(qiáng)的抵抗作用[13],Trx-1可能通過調(diào)節(jié)核因子KB實(shí)現(xiàn)對心肌炎的保護(hù)作用[14],在高血壓患者中Trx-1在組織中表達(dá)的下降,喪失了對ROS的抑制,導(dǎo)致了氧化應(yīng)激,進(jìn)而導(dǎo)致心肌病[15]。同時, 血清Trx-1的水平與心力衰竭的嚴(yán)重程度之間存在著一定的相關(guān)性,在臨床上,測定血清Trx-1的水平可以作為判斷疾病氧化應(yīng)激損傷程度的一個指標(biāo)。如Yamawaki等[16]研究發(fā)現(xiàn)心肌炎患者的心肌細(xì)胞Trx-l增加,腹主動脈瘤患者相對于健康受試者, 血清Trx-1的水平顯著提高,且其水平與腹主動脈瘤大小以及進(jìn)展程度密切相關(guān),因此血清Trx-1可以作為判斷腹主動脈瘤的進(jìn)展的潛在的生物標(biāo)志物[17]。而TXNIP是Trx的內(nèi)源性抑制蛋白,通過降低TXNIP從可以防止動脈粥樣硬化的發(fā)生,因此TXNIP可能是一個導(dǎo)致動脈粥樣硬化的重要因素[18]。

2.3 硫氧還蛋白系統(tǒng)與神經(jīng)退行性疾病 阿爾茨海默病是常見的神經(jīng)退行性疾病,多發(fā)生于老年人,發(fā)病率隨著年齡的增加上升,病理特征為以神經(jīng)細(xì)胞內(nèi)神經(jīng)纖維纏結(jié)、細(xì)胞外β-淀粉樣蛋白沉積所導(dǎo)致的老年斑及神經(jīng)元缺失為主。阿爾茨海默病的發(fā)病機(jī)制與氧化損傷、自由基清除能力下降、神經(jīng)元凋亡和丟失有關(guān)。硫氧還蛋白系統(tǒng)作為體內(nèi)重要的抗氧化蛋白之一,與阿爾茨海默病的發(fā)生和發(fā)展有密切聯(lián)系。研究表明,從阿爾茨海默病患者的腦組織中的顯示低Trx-1的水平[19]和 β-淀粉樣蛋白肽[20]顯著的積累。Lovell等[20]發(fā)現(xiàn)在阿爾茨海默病患者的大腦中Trx的水平顯著降低,特別是在杏仁核和海馬區(qū)有顯著下降,并證實(shí)TrxR及 Trx對β-淀粉樣蛋白引起的神經(jīng)毒具有保護(hù)作用。 Akterin等[21]發(fā)現(xiàn)阿爾茨海默病患者額葉皮質(zhì)和海馬CA1區(qū)神經(jīng)元內(nèi)Trx-1水平降低。因此,阿爾茨海默病腦組織Trx-1水平降低是加重神經(jīng)退行性病變的重要機(jī)制之一,增加Trx-1的表達(dá)水平可以對抗Aβ 的毒性并延緩阿爾茨海默病的進(jìn)程。 Patenaude等證明Trx充分表達(dá)可保護(hù)腦細(xì)胞對抗β-淀粉樣蛋白毒性,在多種神經(jīng)系統(tǒng)病變中也有較好的保護(hù)作用[22]。
帕金森病是一種常見于中老年的神經(jīng)系統(tǒng)變性疾病,與紋狀體內(nèi)的多巴胺含量顯著減少有關(guān)。其中 “ 氧化應(yīng)激學(xué)說 ” 是目前較的學(xué)說之一。 Umeda_Kameyama等[23]利用Rael-R的多巴胺神經(jīng)毒性構(gòu)建帕金森病的果蠅模型,表明高表達(dá)Trx-2蛋白可改善帕金森病模型果蠅的運(yùn)動活性,抑制其神經(jīng)退行性變。Hwang等[24]研究發(fā)現(xiàn)Trx-2的時間順序性變化與遲發(fā)性神經(jīng)元死亡有關(guān),認(rèn)為 Trx-2可通過降低脂質(zhì)過氧化物和抑制線粒體介導(dǎo)的凋亡對缺血腦細(xì)胞表現(xiàn)出明顯的保護(hù)作用。因此,硫氧還蛋白系統(tǒng)被認(rèn)為是一個潛在的治療中樞神經(jīng)系統(tǒng)與氧化應(yīng)激相關(guān)疾病的靶點(diǎn)[25] 。
2.4 硫氧還蛋白系統(tǒng)與糖尿病 目前糖尿病發(fā)病率及發(fā)病數(shù)量呈逐年明顯增多趨勢,其特征是胰島素抵抗和胰島β-細(xì)胞功能障礙,目前大量的研究都認(rèn)為氧化應(yīng)激在糖尿病及其并發(fā)癥中發(fā)揮著重要作用。氧化應(yīng)激是糖尿病及其并發(fā)癥發(fā)生的中心環(huán)節(jié)。ROS的過氧化物介導(dǎo)了胰島素抵抗,β 細(xì)胞功能失調(diào)及凋亡,糖耐量受損以及糖尿病的發(fā)生發(fā)展[26],并且這一機(jī)制也涉及到糖尿病大血管及微血管并發(fā)癥的發(fā)生[27]。
在高糖的環(huán)境下,伴隨Trx-1表達(dá)的下降,Hamada等發(fā)現(xiàn)Trx-1的活性與糖濃度呈負(fù)相關(guān)[28]。Miyamoto等[29]發(fā)現(xiàn)血漿Trx-1的水平明顯高患者,糖尿病并發(fā)冠狀動脈粥樣硬化性心臟病的概率下降,還原型的Trx-1可以抑制ASK1而對抗胰島β細(xì)胞凋亡,所以Trx-1轉(zhuǎn)基因鼠明顯抑制糖尿病腎病[29] 。
相關(guān)研究表明,高水平的Trx-1的表達(dá),可以減輕葡萄糖不耐癥的癥狀,提高胰腺十二指腸同源盒因子-1和MafA的表達(dá);并且保護(hù)作用也很明顯, 在β-細(xì)胞功能衰竭的早期階段,它能抑制高血糖和 ROS的所引起的胰島素分泌過多,避免β-細(xì)胞功能過度衰竭[30]。并且研究證實(shí)[31],高糖抑制Trx活性并增加TXNIP表達(dá)。同時,TXNIP在糖尿病的發(fā)生過程中也占據(jù)重要作用。
研究表明,腸促胰島素肽通過降低TXNIP的表達(dá),進(jìn)而抑制了β細(xì)胞的凋亡[32]。而Minn等[33] 證實(shí)TXNIP的過度表達(dá),使β細(xì)胞更易受H2O2所致的自由基介導(dǎo)的氧化應(yīng)激損傷,并證實(shí),暴露于 H202組由于TXNIP的過度表達(dá),其β細(xì)胞凋亡是對照組的2倍。因此,硫氧還蛋白系統(tǒng)與糖尿病及其并發(fā)癥之間有密切關(guān)系。
3 結(jié)語與展望
硫氧還蛋白系統(tǒng)作為機(jī)體主要的氧化還原調(diào)節(jié)機(jī)制之一,對于調(diào)節(jié)細(xì)胞的氧化還原狀態(tài),清除體內(nèi)的ROS,在眾多老年氧化應(yīng)激性疾病發(fā)生中發(fā)揮重要作用,如本文提到的COPD、CVD、神經(jīng)退行性疾病、糖尿病等。因此開發(fā)Trx激動劑、TXNIP抑制劑或沉默TXNIP基因類藥物,以減輕體內(nèi)氧化應(yīng)激造成的傷害,必將成為治療這類疾病的新手段,且已有這方面可喜的臨床應(yīng)用報道。
牛痘疫苗接種家兔炎癥皮膚提取物注射液可通過誘導(dǎo)Trx-1表達(dá)而起到對肺細(xì)胞的保護(hù)效應(yīng),該藥對吸入香煙或H2O2所致的鼠肺上皮細(xì)胞損傷有倮護(hù)作用,可用于如COPD等涉及氧化應(yīng)激所致肺疾病的治療[9]。
總之.硫氧還蛋白系統(tǒng)可以作為臨床上治療多種老年氧化應(yīng)激性疾病的共同作用靶點(diǎn),具有廣闊的應(yīng)用前景,但亟須對Trx信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路方面進(jìn)行更深人的研究。