硫氧还蛋白的生物学功能及与人类疾病的关系

高建波

（天津市药品检验所，天津 300070）

硫氧还蛋白的生物学功能及与人类疾病的关系

高建波

（天津市药品检验所，天津 300070）

硫氧还蛋白是一类广泛表达于各种生物组织器官的小分子蛋白质，在调节机体的氧化还原反应和抗氧化损伤中发挥重要作用。同时，还具有转录调节、抗凋亡等生物学功能，且与肿瘤、类风湿性关节炎、心血管疾病等多种人类疾病密切相关，具有重要的研究价值。

硫氧还蛋白；生物功能；疾病

硫氧还蛋白（Thioredoxin，Trx）是一类高度保守的低分子量蛋白质，参与氧化还原反应等多种生物功能，已成为国际上医学领域研究的热点[1-3]，现对其近年来的主要生物功能及与人类疾病关系方面的研究综述如下。

1 Trx的结构

Trx是一种紧密结合的蛋白质，疏水核心区域由5股β折叠构成，其末端被4个α螺旋所包绕。它调节氧化还原活性的二硫键/巯基结构位于氨基酸保守序列-Trp-Cys-Gly-Pro-Cys-。有活性的还原型Trx（Trx-（SH）2含有巯基，可以与二硫键相互作用，还原被氧化的多种蛋白，转变为无活性的氧化型Trx（Trx-S2）。其可在Trx还原酶（thioredoxin reductase，TrxR）及烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（nicotinamide adenine dinucleotide phosphate，NADPH）作用下，转变为还原型。

Trx根据末端氨基酸序列的差异，主要分为Trx1和Trx2两种类型。Trx1位于细胞浆和细胞核，氨基酸序列长105，分子量为12kDa；Trx2位于线粒体，氨基酸序列长166，分子量为18kDa，含有60个氨基酸组成的N末端线粒体定位信号[4-6]。

2 Trx的主要生物学功能

2.1 抗氧化作用

Trx、TrxR、硫氧还蛋白过氧化物酶 （thioredoxin peroxidase，TrxP）和NADPH构成了Trx系统，共同调节氧化还原反应。还原型Trx既可在TrxP的作用下直接将活性氧（reactive oxygen species，ROS）清除，如将O-转化为OH-，也可直接抑制氧化应激或通过蛋白质-蛋白质间的相互联系而间接抑制氧化应激，保护细胞免受氧化剂的损伤[7-9]。

线粒体是细胞中心代谢途径的核心，是生理及病理情况下ROS的主要来源。因此，特异位于线粒体的Trx2在协助线粒体防御氧化损伤，保护其发挥功能中具有重要的作用。研究表明Trx2过表达的小鼠可显著减少ROS的生成，有效防止线粒体的功能紊乱；Trx2在犬脑中高表达可明显减轻缺血造成的中枢神经系统损伤，而抑制其基因表达的动物则因ROS产生过量而死亡；细胞敲除Trx2基因后，不能抵御氧化应激[10-11]。

目前，认为Trx抗氧化的主要机制：①直接抑制呼吸链电子传递链Ⅰ，减少ROS的产生；②在NADPH的帮助下，还原型的Trx作为电子供体通过某些过氧化物酶将H2O2还原成H2O，从而清除部分ROS，降低ROS产生过量造成的细胞脂质过氧化、蛋白质及DNA变性；③作为二硫键还原酶，Trx能还原激酶、磷酸酶、转录因子等蛋白的二硫键从而恢复其生理功能，减轻氧化损伤；④调节氧化应激的相关蛋白，如血红素加氧酶-1、一氧化氮合酶的表达发挥抗氧化作用[12-13]。

2.2 抗凋亡作用

细胞凋亡信号调节激酶1 （apoptosis signal-regulating kinase 1，ASK-1）是在诱导细胞凋亡中起中枢作用的蛋白酶，既存在于胞浆中，又存在于线粒体中，可从外源和内源两种途径诱发细胞凋亡。研究证实，Trx1和Trx2可分别与胞浆和线粒体内的ASK1结合，形成蛋白-蛋白复合物，诱导ASK1泛素化和降解，阻断ASK1下游的促分裂素原活化蛋白激酶（mitogen-activated protein kinase，MAPKs）家族成员蛋白激酶p38（p38MAPKs）、c-Jun氨基末端激酶（c-Jun N-terminal Kinase，c-JNK）、胞外信号调节激酶（extracellular signal regulated kinase，ERK）诱导的细胞凋亡，保护细胞。研究证实，敲除Trx1或用RNA干扰技术沉默Trx2，或使ASK1变异，导致Trx不能与ASK1结合，均会导致c-JNK依赖的凋亡途径的激活，引发下游的CtyC的释放和caspase-3的激活，使凋亡不可逆转的发生[14-16]。

Trx还可通过以下途径阻止细胞凋亡：①调节其依赖型过氧化物酶家族实现抗凋亡作用。如Trx升高锰-超氧化物歧化酶（manganese superoxide dismutase，Mn-SOD）的表达，增强其将H2O2转化成H2O的能力，大量清除H2O2，减少由其引发的细胞凋亡[17]；②Trx与线粒体电子传递复合物共同调节线粒体呼吸链，维持其正常膜电位，阻止由于膜电位降低造成的细胞色素C释放，进而产生细胞凋亡等损害；③Trx也可以通过核因子-kappa B（Nuclear factor kappa B，NF-κB）途径，抑制多巴胺等神经递质所介导的细胞凋亡[18-19]。

2.3 转录调节作用

p53是重要的转录因子和肿瘤抑制蛋白，Trx 可直接与p53 DNA结构中含二硫键的锌指区域结合，进而激活p53的表达，并增强其活性；Trx也可通过Ref-1因子介导与p53结合，发挥调节作用[20]。

NF-κB是研究的较为清楚的转录因子，生理情况下，与其抑制因子IκB结合以二聚体的无活性形式存在于细胞质中，不具备生物功能。Trx 可通过c-JNK信号途径，使NF-κB的抑制因子IκB降解，将NF-κB解放出来，从而进入细胞核发挥转录调节作用。研究表明，Trx1过表达及进入细胞核增多可以协同促进NF-κB 进入细胞核与靶DNA结合，增强NF-κB的作用[21]。

Trx还可通过与 Jun-Jun或 Fos-Jun 复合体作用，在Ref-1因子协同下，增强激活蛋白1（active protein，AP-1）与DAN的结合，促进其表达[22]。

3 Trx与疾病

3.1 Trx与肿瘤

研究发现，三氧化二砷（As2O3）诱导的人肝癌细胞 （HepG2）的凋亡可通过调节Trx l高表达可抑制，而通过RNA干扰技术使Trxl的表达下调或氧化其活性位点，则可促进癌细胞凋亡。并且已证实，当Trx含量增加时，肝癌、胃癌、结肠癌和卵巢癌的人类细胞均表现出对顺铂敏感性的降低，用转染技术使纤维肉瘤细胞Trx高表达后，明显增强瘤细胞对顺铂的抵抗性。一系列细胞的研究都发现，癌细胞对顺铂的抵抗和Trx水平呈正相关[23-26]。

鉴于此，Trx有望作为开发抗癌药物的新的靶点，通过抑制Trx的表达而促进肿瘤细胞的凋亡，达到治愈肿瘤的目标。

3.2 Trx与心血管疾病

Trx与心血管疾病密切相关，首先，Trx在急性冠状动脉综合症、肥大型心肌病及心衰患者血清中含量明显升高，并且，在心肌炎急性期患者血清中Trx明显上调，在慢性期逐渐下降，这说明Trx的血清含量与某些心血管疾病的严重程度存在密切相关性，可作为判断心肌损伤程度的一个新的生化指标；其次，Trx在部分心血管疾病的组织中存在过表达，如人动脉粥样硬化斑块的血管内皮细胞和巨噬细胞Trx的蛋白及mRNA水平均过度表达[27-30]。 Trx在心血管疾病中的高表达可能与其抑制细胞的氧化应激具有一定相关性，病情的急性期往往ROS的生成骤增，此时，为了减少ROS造成的损伤，Trx的生成亦相应增加，以清除过量的ROS；待病情稳定后，ROS的生成减少，Trx亦相应减少。

3.3 Trx与类风湿性关节炎

类风湿性关节炎患者滑液中及血浆Trx水平均明显升高，与血清C反应蛋白、尿液中DNA氧化损伤的生物学标记物8-羟-2’-脱氧鸟苷的水平、关节滑液中中性粒白细胞的浸润数量呈正相关。因此，血浆Trx水平有望作为该疾病活动性的新的生物学指标，准确反应患者病情的进程和预后[31]。

3.4 Trx与肾脏、肝脏疾病

研究发现，IgA型肾小球肾炎患者，Trx血清水平明显升高，并且其表达与血清尿素氮、尿酸含量呈正相关，而与肾小球率过滤呈负相关[32]。在因感染丙型肝炎病毒而导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水平均显著升高，且与凝血酶原时间、血清白蛋白、胎儿球蛋白的含量具有相关性[33-34]，以上表明，Trx有望作为肾炎及丙肝病毒感染患者的预后的标志性指标，为其诊断及治疗提供依据。

4 展 望

硫氧还蛋白由于具有抗氧化、抗凋亡等重要的生物功能，而与人类的多种疾病密切相关，相信随着研究的不断深入，针对Trx作为靶点会为研发新药、防治疾病提供新的方向。

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