硫氧还原蛋白系统在老年氧化应激性相关疾病中的作用

氧化应激(oxidative stress,OS)是指机体在遭受各种有害刺激时,体内高活性分子如活性氧自由基(reactive oxygen species,ROS)和活性氮自由基产生过多,当氧化程度超出氧化物的清除,导致氧化/抗氧化失衡的一种状态,从而引发组织损伤,并被认为是导致衰老和一些老年性疾病的一个重要因素。硫氧还蛋白系统是体内抗氧化应激重要因子之一,其包括硫氧还蛋白(thioredoxin,Trx)、硫氧还蛋白还原酶(thioredoxin reductase,TrxR)和还原型辅酶Ⅱ(NADPH)以及硫氧还蛋白相互作用蛋白 (thioredoxin interacting protein,TXNIP)。 目前,在一些老年性氧化应激相关性疾病如慢性阻塞性肺疾病(chronic obstructive pulmonarydisease, COPD)、心血管疾病(cardiovascular disease, CVD)、神经退行性疾病和糖尿病等的研究中发现, 硫氧还蛋白系统起着重要作用,并成为目前研究热点之一。硫氧还蛋白系统有望成为治疗这类疾病的靶点,探索这类疾病新的治疗模式。

1 硫氧还蛋白系统的结构特性

Trx是一类分布广泛的小分子多功能蛋白,根据存在位置不同分为Trx-1(细胞质和细胞核)、 Trx-2(线粒体)和spTrx(内质网),目前研究的较多的是Trx-1。Trx-1是由105个氨基酸组成的相对分子质量约为12000的多肽,其氨基酸序列中含有调节氧化还原活性的二硫键/巯基,该结构位于保守序列Trp-Cys-Gly-Pro-Cys中。氧化型Trx-1(Trx-S2) 含有二硫键,还原型Trx-1(Trx-(SH)2)含有巯基。 Trx-1就是通过二硫键和巯基之间的互变来实现其氧化还原调节功能的。氧化型Trx-1可通过TrxR 被还原而恢复活性。因此Trx-1对细胞抵御氧化应激和维持细胞内正常的氧化一还原平衡具有重要的作用。同时,Trx-1也能作为促生长因子、转录因子激活剂、辅助因子及多种酶的受体影响着细胞内环境及多项生理活动。
TrxR是一种NADPH依赖的包含FAD结构域的二聚体含硒酶,属于吡啶核苷酸-二硫化物氧化还原酶家族成员,大小约为55000-60000,具广泛的底物特异性,催化多种外源性和内源性复合物,是还原Trx-s2的二聚体酶。根据其主要存在位置分为TrxR1(细胞浆)、TrxR2(线粒体)和TrxR3。 TrxR1和TrxR2在许多组织均有表达,尤其在肝脏中表达更为丰富,而TrxR3仅在睾丸中高表达。

TXNIP又称为硫氧还蛋白结合蛋白2或维他命D3上调蛋1,它与还原型Trx结合,与其活性中心发生作用,从而抑制Trx的还原活性,因此 TXNIP被认为是Trx的一个内源性的负调节因子[1]。研究表明,TXNIP的过度表达,使细胞更容易受到氧化应激和导致细胞凋亡[2]。

2 硫氧还蛋白系统与老年氧化应激性疾病
目前,我国已进入老龄化社会,且老龄化速度加快,老年人是多种疾病的高发人群,因此亟待加强老年高发疾病的相关研究,而硫氧还蛋白系统与老年氧化应激性疾病是其中研究热点之一。
2.1 硫氧还蛋白系统与COPD COPD是一种常见病、多发病、病死率高,已成为一个重要的公共卫生问题。随着社会老龄化的到来,COPD发病率有逐年增加的趋势,已成为继心脑血管疾病、癌症之后的老年致死病因,严重威胁着老年人的身体健康和生活质量。研究表明,氧化/抗氧化系统失衡是 COPD形成和发展的重要机制之一[3]。

Tipp1e等[4]研究发现,用高压氧致鼠肺损伤实验中,相比对照组,缺乏谷胱甘肽还原酶的鼠的肝脏中Trx-1水平更高,说明后者在对抗氧化应激反应提高Trx-1水平来代偿谷胱甘肽还原酶功能的缺失;进一步实验,用TxrR抑制剂预处理后,导致高压氧致鼠肺损伤效应加重,说明硫氧还蛋白系统可能提供对抗氧化应激分子的有效保护作用。Trx参与到许多肺部疾病中,TRX ASK1JNK途径在吸烟引起的细胞凋亡中经常见到,Lee等L5]发现吸烟会导致大量的ROS产生,而Trx的高表达可以抑制JNK的表达从而减少细胞的凋亡;Sato 等[6]在 Trx转基因小鼠的研究中发现,转基因小鼠较正常小鼠能有效的抵抗用香烟处理导致肺部氧化应激、细胞凋亡,以及巨噬细胞炎症蛋白2和肿瘤坏死因子α的上升,提示Trx很有可能通过阻止氧化炎症反应从而阻止COPD的发生。Pierrou等「7]和 Hackett等囵的研究都表明Trx以及硫氧还原蛋白酶在人类COPD患者中表达上调,同时Sato 等L6]发现提高Trx-1可以改善吸烟引起的肺部炎症;牛痘疫苗接种家兔炎症皮肤提取物注射液(商品名神经妥乐平)可通过诱导Trx-1表达而起到对肺细胞的保护效应,该药对吸人香烟或H202所致的鼠肺上皮细胞损伤有保护作用,可用于如COPD等涉及氧化应激所致肺疾病的治疗[9]。在临床试验中,发现提高Trx的表达可以保护肺部组织免受损伤,暗示着未来Trx可能作为关键因素来治疗肺部疾病[lO]。
2.2 Trx与CVD CVD是老年人发病率高的一类疾病,也是导致人类主要的死亡原因,CVD 包括一系列的疾病,如冠状动脉粥样硬化性心脏病, 高血压,充血性心脏衰竭和中风等,所有这些疾病的共同表现是动脉粥样硬化。
目前许多证据支持氧化应激在动脉粥样硬化的过程中占重要作用,ROS的急剧增加是危险的因素[11]。在CVD中,ROS影响有丝分裂原活化蛋白激酶MAPK信号通路,激活转录因子(核因子kB、 AP-1和HIF-1)从而诱导血管平滑肌细胞增殖、分化凋亡,黏附分子、促炎分子的表达,脂质过氧化、细胞外基质蛋白沉着、单核细胞迁移等导致动脉粥样硬化是CVD中血管损害的主要过程[12]。
同时,越来越多的研究表明Trx-1对J心脏具有保护作用。Trx-1转基因小鼠对于阿霉素的丿心脏毒性就有很强的抵抗作用[13],Trx-1可能通过调节核因子KB实现对心肌炎的保护作用[14],在高血压患者中Trx-1在组织中表达的下降,丧失了对ROS的抑制,导致了氧化应激,进而导致心肌病[15]。同时, 血清Trx-1的水平与心力衰竭的严重程度之间存在着一定的相关性,在临床上,测定血清Trx-1的水平可以作为判断疾病氧化应激损伤程度的一个指标。如Yamawaki等[16]研究发现心肌炎患者的心肌细胞Trx-l增加,腹主动脉瘤患者相对于健康受试者, 血清Trx-1的水平显著提高,且其水平与腹主动脉瘤大小以及进展程度密切相关,因此血清Trx-1可以作为判断腹主动脉瘤的进展的潜在的生物标志物[17]。而TXNIP是Trx的内源性抑制蛋白,通过降低TXNIP从可以防止动脉粥样硬化的发生,因此TXNIP可能是一个导致动脉粥样硬化的重要因素[18]。

2.3 硫氧还蛋白系统与神经退行性疾病 阿尔茨海默病是常见的神经退行性疾病,多发生于老年人,发病率随着年龄的增加上升,病理特征为以神经细胞内神经纤维缠结、细胞外β-淀粉样蛋白沉积所导致的老年斑及神经元缺失为主。阿尔茨海默病的发病机制与氧化损伤、自由基清除能力下降、神经元凋亡和丢失有关。硫氧还蛋白系统作为体内重要的抗氧化蛋白之一,与阿尔茨海默病的发生和发展有密切联系。研究表明,从阿尔茨海默病患者的脑组织中的显示低Trx-1的水平[19]和 β-淀粉样蛋白肽[20]显着的积累。Lovell等[20]发现在阿尔茨海默病患者的大脑中Trx的水平显著降低,特别是在杏仁核和海马区有显著下降,并证实TrxR及 Trx对β-淀粉样蛋白引起的神经毒具有保护作用。 Akterin等[21]发现阿尔茨海默病患者额叶皮质和海马CA1区神经元内Trx-1水平降低。因此,阿尔茨海默病脑组织Trx-1水平降低是加重神经退行性病变的重要机制之一,增加Trx-1的表达水平可以对抗Aβ 的毒性并延缓阿尔茨海默病的进程。 Patenaude等证明Trx充分表达可保护脑细胞对抗β-淀粉样蛋白毒性,在多种神经系统病变中也有较好的保护作用[22]。
帕金森病是一种常见于中老年的神经系统变性疾病,与纹状体内的多巴胺含量显著减少有关。其中 “ 氧化应激学说 ” 是目前较的学说之一。 Umeda_Kameyama等[23]利用Rael-R的多巴胺神经毒性构建帕金森病的果蝇模型,表明高表达Trx-2蛋白可改善帕金森病模型果蝇的运动活性,抑制其神经退行性变。Hwang等[24]研究发现Trx-2的时间顺序性变化与迟发性神经元死亡有关,认为 Trx-2可通过降低脂质过氧化物和抑制线粒体介导的凋亡对缺血脑细胞表现出明显的保护作用。因此,硫氧还蛋白系统被认为是一个潜在的治疗中枢神经系统与氧化应激相关疾病的靶点[25] 。
2.4 硫氧还蛋白系统与糖尿病 目前糖尿病发病率及发病数量呈逐年明显增多趋势,其特征是胰岛素抵抗和胰岛β-细胞功能障碍,目前大量的研究都认为氧化应激在糖尿病及其并发症中发挥着重要作用。氧化应激是糖尿病及其并发症发生的中心环节。ROS的过氧化物介导了胰岛素抵抗,β 细胞功能失调及凋亡,糖耐量受损以及糖尿病的发生发展[26],并且这一机制也涉及到糖尿病大血管及微血管并发症的发生[27]。
在高糖的环境下,伴随Trx-1表达的下降,Hamada等发现Trx-1的活性与糖浓度呈负相关[28]。Miyamoto等[29]发现血浆Trx-1的水平明显高患者,糖尿病并发冠状动脉粥样硬化性心脏病的概率下降,还原型的Trx-1可以抑制ASK1而对抗胰岛β细胞凋亡,所以Trx-1转基因鼠明显抑制糖尿病肾病[29] 。
相关研究表明,高水平的Trx-1的表达,可以减轻葡萄糖不耐症的症状,提高胰腺十二指肠同源盒因子-1和MafA的表达;并且保护作用也很明显, 在β-细胞功能衰竭的早期阶段,它能抑制高血糖和 ROS的所引起的胰岛素分泌过多,避免β-细胞功能过度衰竭[30]。并且研究证实[31],高糖抑制Trx活性并增加TXNIP表达。同时,TXNIP在糖尿病的发生过程中也占据重要作用。
研究表明,肠促胰岛素肽通过降低TXNIP的表达,进而抑制了β细胞的凋亡[32]。而Minn等[33] 证实TXNIP的过度表达,使β细胞更易受H2O2所致的自由基介导的氧化应激损伤,并证实,暴露于 H202组由于TXNIP的过度表达,其β细胞凋亡是对照组的2倍。因此,硫氧还蛋白系统与糖尿病及其并发症之间有密切关系。
3 结语与展望
硫氧还蛋白系统作为机体主要的氧化还原调节机制之一,对于调节细胞的氧化还原状态,清除体内的ROS,在众多老年氧化应激性疾病发生中发挥重要作用,如本文提到的COPD、CVD、神经退行性疾病、糖尿病等。因此开发Trx激动剂、TXNIP抑制剂或沉默TXNIP基因类药物,以减轻体内氧化应激造成的伤害,必将成为治疗这类疾病的新手段,且已有这方面可喜的临床应用报道。
牛痘疫苗接种家兔炎症皮肤提取物注射液可通过诱导Trx-1表达而起到对肺细胞的保护效应,该药对吸入香烟或H2O2所致的鼠肺上皮细胞损伤有倮护作用,可用于如COPD等涉及氧化应激所致肺疾病的治疗[9]。
总之.硫氧还蛋白系统可以作为临床上治疗多种老年氧化应激性疾病的共同作用靶点,具有广阔的应用前景,但亟须对Trx信号转导通路方面进行更深人的研究。