氧化還原狀態(tài)與細胞信號傳導(dǎo)氧化還原狀態(tài)與細胞信號傳導(dǎo)

【

氧化還原狀態(tài)與細胞信號傳導(dǎo)

化還原是對機體內(nèi)能夠通過供應(yīng)或接受還原當量的方式交換電子的一類成對分子。它們通過自身還原型與氧化型的轉(zhuǎn)變,起到類似緩沖劑的作用,避開過多氧化劑或還原劑對細胞內(nèi)環(huán)境的直接作用。此外,由于氧化還原對是直接應(yīng)對細胞內(nèi)氧化還原狀態(tài)變化的物質(zhì),因而,它們的比例變化是反映氧化還原狀態(tài)的牢靠指標。細胞內(nèi)主要的氧化還原對包括有:氧化型與還原型輔酶II(NADPH/NADP+)、氧化型與還原型硫氧還蛋白（TRXRED/TRXOX）、氧化型與還原型谷關(guān)甘肽（GSH/GSSG）。這3個氧化還原對中,GSH/GSSG所起的作用最大,其含量要比其他兩個高出100倍以上,細胞內(nèi)氧化還原狀態(tài)的變化在很大程度上受到GSH/GSSG的影響［4］。

2胞外刺激與胞內(nèi)氧化還原狀態(tài)

細胞信號傳導(dǎo)分為3個階段:上游的跨膜信號傳導(dǎo),中游的胞漿信號通路,下游的核內(nèi)信號傳導(dǎo)。多種

細胞信號傳導(dǎo)通路參加細胞外刺激信號的傳導(dǎo)。

胞外刺激尤其是氧化還原狀態(tài)的變化,能夠引起細胞內(nèi)氧還原狀態(tài)的轉(zhuǎn)變。一些氧化還原活性分子由于其本身的化學(xué)特性,能夠透過細胞膜進入細胞內(nèi),從而影響細胞內(nèi)氧化還原狀態(tài),這些分子包括有二硫蘇糖醇、聯(lián)胺以及過氧化氫等。另外一些氧化還原活性分子不能透過細胞膜,但是通過某些特定的方式,它們也能夠?qū)毎麅?nèi)氧化還原狀態(tài)產(chǎn)生相應(yīng)的影響。

細胞內(nèi)GSH含量能夠被胞外分子所調(diào)整。一些不能進入細胞內(nèi)的氧化劑,能夠使細胞內(nèi)GSH水平呈劑量依靠性降低,同時細胞內(nèi)蛋白分子間二硫鍵不斷形成。胞外賜予GSH,可以引起細胞內(nèi)GSH水平增高,能夠逆轉(zhuǎn)上述氧化劑的作用。進一步討論發(fā)覺,富含半胱氨酸的跨膜蛋白分子巰基/二硫化物的互換是細胞外某些氧化劑或還原劑傳遞給細胞內(nèi)環(huán)境的中介［5］。在氧化劑或還原劑的作用下,使跨膜蛋白的巰基/二硫化物發(fā)生氧化或還原反應(yīng)［6］,由此產(chǎn)生的巰基/二硫化物的互換能夠使細胞內(nèi)的GSH/GSSG氧化還原對發(fā)生相應(yīng)轉(zhuǎn)變。經(jīng)由這樣的方式,胞外氧化還原刺激就完成了對細胞內(nèi)氧化還原狀態(tài)的影響。

很多細胞膜蛋白在多種刺激下能夠產(chǎn)生過氧化氫,中性粒細胞膜上表達的NADPH氧化酶在受到細菌的攻擊后所發(fā)生的防備反應(yīng),即是產(chǎn)生大量過氧化氫。這種“有用”的氧化劑經(jīng)常產(chǎn)生于炎癥反應(yīng)過程中或者胰島素與其受體的結(jié)合之后。值得提出的是,低劑量的過氧化氫經(jīng)常作為跨膜酶蛋白催化反應(yīng)的副產(chǎn)品而產(chǎn)生,例如跨膜蛋白γ谷氨酰轉(zhuǎn)肽酶（γglutamyltranspeptidase,γGT）的催化反應(yīng)。過氧化氫進入胞內(nèi)后,NFκB被激活,很多相關(guān)基因轉(zhuǎn)錄激活,引起SOD以及GSH合成的關(guān)鍵酶γGCS等酶產(chǎn)生增多,通過這樣的自身調(diào)整機制,細胞內(nèi)氧化還原態(tài)再次達到平衡。當然,假如外界的氧化或還原刺激超過細胞的自身調(diào)整力量,則細胞發(fā)生氧化還原狀態(tài)失衡。

3核外信號分子的氧化調(diào)控

氧化劑通過對信號分子的氧化作用影響其結(jié)構(gòu)乃至功能,從而調(diào)控該信號分子參加的信號傳導(dǎo)通路。

3.1酪氨酸蛋白激酶與磷酸酶

酪氨酸蛋白激酶(proteintyrosinekinases,PTKs)是體內(nèi)重要的信號分子,能夠催化底物的酪氨酸發(fā)生磷酸化。具有受體功能的PTKs又稱為受體酪氨酸激酶(receptortyrosinekinases,RTKs)。很多生長因子對細胞的作用是始于其對RTK的激活。受體酪氨酸激酶包含有很多家族,胰島素受體家族是其中之一,該受體與胰島素結(jié)合后,發(fā)生自身磷酸化和胰島素受體底物1（insulinreceptorsubstrate1,IRS1）的磷酸化。過氧化氫、釩酸鈉以及兩者混合后產(chǎn)生的物質(zhì)過釩酸鈉（酪氨酸磷酸酶特異性抑制劑）具有類胰島素效應(yīng),能夠同樣刺激細胞的生長和代謝。事實上,這些氧化劑的應(yīng)用能夠引起胰島素受體的活化,并且使IRS1發(fā)生磷酸化。然而,胰島素能夠誘導(dǎo)胰島素受體與IRS1的結(jié)合,而氧化劑卻不能,提示配體與氧化劑的作用存在差別［7］。上皮生長因子和血小板源性生長因子對細胞生長的刺激

氧化還原狀態(tài)與細胞信號傳導(dǎo)

作用同樣是通過激活各自相應(yīng)的RTKs來實現(xiàn)的,過氧化氫、紫外線和巰醇烷化劑碘乙酰胺（iodoacetamide,IAA）能夠誘導(dǎo)上述受體發(fā)生磷酸化。另外,過氧化氫還可以誘導(dǎo)RTK下游分子SH2(Srchomologyregion2)蛋白Grb2與鳥苷酸交換因子SOS的復(fù)合體與EGF受體相結(jié)合,從而引起該信號傳導(dǎo)系統(tǒng)的激活。

除RTKs以外,其他PTKs如Src等也能夠被氧化應(yīng)激所激活。過氧化氫、酪氨酸磷酸酶特異抑制劑過釩酸鈉以及紫外線均能引起酪氨酸磷酸化,從而能夠引起很多PTK的激活,其中包括Lck,Fyn和ZAP70.紫外線對ZAP70的磷酸化誘導(dǎo)作用依靠于CD3和CD45的參加,CD45是一種跨膜蛋白酪氨酸磷酸酶（proteintyrosinephosphatase,PTP）。而過氧化氫對ZAP70的磷酸化誘導(dǎo)作用則不需要CD45的參加。明顯,過氧化氫和紫外線對細胞刺激的信號傳導(dǎo)途徑是不同的。過氧化氫能夠引起Syk激活,而后者在B細胞受體介導(dǎo)的信號傳導(dǎo)過程中起著關(guān)鍵的作用。在中性粒細胞中,Lyn,Fgr,Hck,Syk以及Btk等PTKs能夠被氧化應(yīng)激所激活,氧化還原作用還能夠?qū)tk這個跨膜PTK產(chǎn)生調(diào)控作用,IAA和聯(lián)胺能夠顯著提高Ltk的酶活性。向小鼠腹腔內(nèi)注射過釩酸鈉能夠引起大量蛋白發(fā)生酪氨酸磷酸化,其中包括EGF受體、胰島素受體、肝細胞生長因子受體、轉(zhuǎn)錄信號傳導(dǎo)激活蛋白（signaltransducerandactivatoroftranscription,Stat）、磷脂酶Cγ(phospholipaseCγ,PLCγ)以及IRS1等等［8］。

盡管氧化應(yīng)激能夠引起細胞內(nèi)的PTKs活化,但是,目前仍舊沒有證據(jù)顯示氧化劑能夠直接激活PTKs.另外,氧化應(yīng)激所引起的某些PTKs的激活與PTPs受到抑制有肯定關(guān)系,氧化應(yīng)激能夠下調(diào)CD45等PTPs的酶活性。由于全部的PTPs的催化位點均含有活性半胱氨酸殘基,它們在催化反應(yīng)過程中形成巰基磷酸鹽中間物,氧化作用對這些活性殘基來說,無疑意味著其功能的丟失,因而氧化應(yīng)激具有抑制PTPs的力量。細胞內(nèi)蛋白的酪氨酸磷酸化水平取決于PTKs與PTPs活性的平衡狀況,氧化作用誘導(dǎo)的PT

Ps的失活能夠?qū)е录毎麅?nèi)酪氨酸磷酸化水平明顯提高。

3.2絲蘇氨酸激酶與磷酸酶

活化的RTKs通過激活RasRafMEK(MAPK激酶)通路,引起MAPK活化,其中Raf與MAPK均為絲蘇氨酸激酶,而MEK是酪、蘇氨酸雙重激酶。活性氧能夠通過相同的途徑激活MAPK.過氧化氫能夠引起JNK、P38以及BMK1(BigMAPkinase1)等MAPK家族成員的活化［9］。好玩的是,氧化應(yīng)激能夠劇烈地誘導(dǎo)活化一種能夠?qū)APK脫磷酸化的蛋白磷酸酶CL100.可以看出,對活性氧誘導(dǎo)的MAPK活化作用,細胞具有相應(yīng)負反饋調(diào)控措施。

Akt也是一種絲蘇氨酸激酶,生長因子可通過激活磷脂酰肌醇3激酶（phosphatidylinositol3kinase,PI3K）來引起其活化。以過氧化氫處理細胞能夠?qū)е翧kt的活化以及熱休克蛋白Hsp27與它的結(jié)合［10］。另外,過氧化氫能夠引起Hsp27的磷酸化,而MAPK活化蛋白激酶2（MAPkinaseactivatedproteinkinase2,MAPKAPK2）是Hsp27磷酸化所必需的酶,同時也能夠磷酸化Akt,因此,過氧化氫很可能通過激活MAPKAPK2引起Akt和Hsp27的磷酸化。

細胞內(nèi)蛋白激酶C(PKC)的氧化還原調(diào)控較為簡單。此酶富含半胱氨酸,能夠與二酰甘油（diacylglycerol,DG）或(12)十四酸佛波酯(13)乙酸鹽（phorbol12myristate13acetate,PMA）結(jié)合而活化,并且受到多種方式調(diào)控,比如磷酸化、脂質(zhì)和鈣離子等。以過氧化氫處理細胞會導(dǎo)致細胞內(nèi)PKC的激活。討論表明,過氧化氫能夠誘導(dǎo)PKC的磷酸化,從而使酶的活性增加［11］。PKC的氨基末端調(diào)控區(qū)域含有1個鋅巰基結(jié)構(gòu),其選擇性氧化修飾能夠激活酶的活性,與此對應(yīng)的是,羧基末端的氧化修飾能夠?qū)е麓嗣竿耆Щ?。試驗顯示,低濃度的碘酸鹽能夠激活該

氧化還原狀態(tài)與細胞信號傳導(dǎo)

酶,而高濃度的碘酸鹽卻使該酶失活［12］。因而,對PKC而言,氧化劑具有直接活化和抑制的雙重作用。另外,氧化的DG具有激活PKC的作用［13］?？傊?細胞內(nèi)PKC的氧化還原調(diào)控能夠通過直接氧化、磷酸化以及脂質(zhì)氧化等多種方式來實現(xiàn)。

值得提出的是,絲蘇氨酸磷酸酶也受氧化還原作用的調(diào)控。討論表明,蛋白磷酸酶1和蛋白磷酸酶2A的巰基的氧化能夠抑制酶的活性［14］。神經(jīng)鈣蛋白又稱鈣調(diào)磷酸酶,是細胞內(nèi)信號傳導(dǎo)系統(tǒng)中重要的一種磷酸酶,它的活性中心包含有Fe和Zn.SOD能夠在體內(nèi)外防止鈣調(diào)磷酸酶的失活,提示含有Fe和Zn的活性中心的氧化損傷可能導(dǎo)致酶失活,因此,細胞內(nèi)氧化還原狀態(tài)對于磷酸酶的活性具有重要的影響。

3.3磷脂酶及其代謝產(chǎn)物

生長因子通過RTKs引起磷脂酶（phospholipase,PL）活化,后者水解磷脂酰肌醇4,5二磷酸（phosphatidylinositoldiphosphate,PIP2）,生成三磷酸肌醇（IP3）和DG.IP3通過胞內(nèi)鈣離子的動員而啟動鈣離子信號系統(tǒng)。DG在鈣離子和磷脂酰絲氨酸的存在下可以激活PKC,從而磷酸化很多蛋白質(zhì)和酶。過氧化氫和過釩酸鈉能夠誘導(dǎo)PLCγ發(fā)生磷酸化以及IP3的產(chǎn)生。另外,過氧化氫還參加了EGF誘導(dǎo)的PLCγ的酪氨酸磷酸化過程［15］。

氧化劑在大多數(shù)細胞中可以激活PLA2和PLD。盡管過氧化氫激活PLA2的機制仍舊不清晰,但是有報道PLA2的激活需要PKC、小G蛋白Rac［16］的介導(dǎo)。另外,PTK和Ca2+可能參加了氧化劑誘導(dǎo)PLD激活的過程［17］。

3.4鈣離子

IP3通過作用于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上特異的受體或Ca2+通道,使其內(nèi)部Ca2+釋放,引起胞內(nèi)Ca2+水平增加,從而啟動胞內(nèi)Ca2+信號系統(tǒng),通過Ca2+鈣調(diào)素依靠的蛋白激酶II（calmodulindependentproteinkinaseII,CaMKII）活性變化來調(diào)整和掌握一系列生物學(xué)效應(yīng)。另外,細胞內(nèi)Ca2+發(fā)生動員后,引起細胞外的鈣離子發(fā)生內(nèi)移。

氧化應(yīng)激能夠引起細胞內(nèi)IP3的增多,細胞外鈣離子內(nèi)移和細胞內(nèi)鈣離子存儲結(jié)構(gòu)的釋放,導(dǎo)致胞內(nèi)鈣離子的濃度增高。氧化劑誘導(dǎo)的鈣離子動員可以被一種PTK的抑制劑——除莠霉素（herbimycin）所阻斷,而且,在丟失Syk或Lyn的表達力量的突變細胞,氧化劑的鈣離子動員作用發(fā)生部分抑制［18］。這提示氧化劑通過激活上游的PTKs引起IP3受體活化。

IP3受體本身也受到氧化還原作用的調(diào)控。Berridge和他的合發(fā)覺,GSSG能夠促進肝細胞內(nèi)一種IP3敏感鈣離子池釋放鈣離子。接著,人們發(fā)覺叔丁基過氧化氫能夠在沒有IP3刺激的狀況下誘導(dǎo)鈣離子的動員。采納純化蛋白質(zhì)討論發(fā)覺,一種巰基氧化劑硫柳汞（thimerosal）能夠直接促進IP3受體對IP3的親和力,而GSSG可能通過一種的間接的方式促進IP3的結(jié)合［19］。因此,氧化還原作用對IP3受體的調(diào)控是多樣化的。

除了上述IP3受體以外,很多鈣離子通道、鈣離子ATP酶以及鈣鈉離子交換器同樣也受到氧化還原作用的調(diào)控［20

］?？梢娧趸€原作用對細胞內(nèi)鈣離子水平的調(diào)控方式也是多樣化的。

4小結(jié)

氧化還原狀態(tài)在細胞調(diào)控中的重要性已被人們所熟悉,然而,氧化還原作用對細胞功能的調(diào)控機制還有很多地方未能闡明,其中主要的緣由在于缺乏有效的試驗手段。比如,對于細胞內(nèi)蛋白質(zhì)中半胱氨酸殘基來說,其巰基隨時可能在試驗分析過程中發(fā)生氧化,而目前缺乏能夠在細胞內(nèi)有效識別其氧化或還原態(tài)的標記物。因而,要在分子水平上熟悉細胞內(nèi)蛋白的氧化還原調(diào)控機制較為困難。但是,隨著多種試驗手段和方式的結(jié)合,人們在此領(lǐng)域仍在取得不斷進步,而且,隨著多學(xué)科交叉融合的進展,相信取得突破已為時不遠。

【

氧化還原狀態(tài)與細胞信號傳導(dǎo)

［9］WangZ,CastresanaMR,NewmanWH.ReactiveOxygenSpeciessensitivep38MAPKControlsThrombininducedMigrationofVascularSmoothMuscleCells［J］.JMolCellCard,2024,36(1):4956.

［10］KonishiH,MatsuzakiH,TanakaM,etal.ActivationofProteinKinaseB(Akt/RACproteinkinase)byCellularStressandItsAssociationwithHeatShockProteinHsp27［J］.FEBSLetters,1997,410(2):493498.

［11］KonishiH,TanakaM,TakemuraY,etal.ActivationofProteinKinaseCbyTyrosinePhosphorylationinResponsetoH2O2［J］.ProcNatlAcadSciUSA,1997,94(21):1123311237.

［12］GopalakrishnaR,AndersonWB.TumorPromoterBenzoylPeroxideInducesSulfhydrylOxidationinProtei

氧化還原狀態(tài)與細胞信號傳導(dǎo)

nKinaseC:ItsReversibilityIsRelatedtotheCellularResistancetoPeroxideinducedCytotoxicity［J］.ArchBioch

emBiophys,1991,285(3):382387.

［13］TakekoshiS,KambayashiY,NagataH,etal.ActivationofProteinKinaseCbyOxidizedDiacylglycerols.Biochem.Biophys［J］.ResCommun,1995,217(2):654660.

［14］NemaniR,LeeEY.ReactivityofSulfhydrylGroupsoftheCatalyticSubunitsofRabbitSkeletalMuscleProteinPhosphatases1and2A［J］.ArchBiochemBiophys,1993,300(1):2429.

［15］BaeYS,KangSW,SeoMS,etal.EpidermalGrowthFactor(EGF)inducedGenerationofHydrogenPeroxide.RoleinEGFReceptormediatedTyrosinePhosphorylation［J］.JBiolChem,1997,272(1):,217221.

［16］ChakrabortiS,MichaelJR,ChakrabortiT.RoleofanAprotininsensitiveProteaseinProteinKinaseCαmediatedActivationofCytosolicPhospholipaseA2byCalciumIonophore(A23187)inPulmonaryEndot