Hydrogen-Peroxide-Sensing-and-Signaling過氧化氫信號(hào)與感應(yīng)

HydrogenPeroxideSensingandSignaling摘要：現(xiàn)在已知氧化應(yīng)激反應(yīng)是許多疾病起始和進(jìn)展相關(guān)的細(xì)胞損傷的重要原因。因此，所有生物體含有通過解毒活性氧物質(zhì)來限制氧化應(yīng)激的抗氧化酶，包括過氧化氫。然而，在真核生物中，過氧化氫作為信號(hào)分子在多種生物過程的調(diào)節(jié)中也具有重要作用。在這里，我們將討論感應(yīng)過氧化氫的分子機(jī)制。因?yàn)樵絹碓蕉嗟淖C據(jù)表明，抗氧化酶扮演多個(gè)關(guān)鍵角色-作為響應(yīng)過氧化氫的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的傳感器和調(diào)節(jié)器。Introduction：盡管過氧化氫因其細(xì)胞毒性效應(yīng)而更為人所知，但近年來已經(jīng)被確定為真核信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的重要調(diào)節(jié)劑。過氧化氫是響應(yīng)于各種刺激（包括細(xì)胞因子和生長因子）而產(chǎn)生的（圖1），并且參與調(diào)節(jié)各種生物學(xué)過程，如哺乳動(dòng)物中的免疫細(xì)胞活化和血管重塑（參見Geiszt和Leto[2004]和氣孔閉合和根生長（Foreman等人，2003;Laloi等人，2004）。使用細(xì)胞毒性化學(xué)品作為信號(hào)分子顯然具有潛在的風(fēng)險(xiǎn)，所以不足為奇的是過氧化氫的產(chǎn)生被嚴(yán)格控制（綜述參見Ushio-Fukai[2006a]）。類似地，過氧化氫解毒抗氧化酶的定位、表達(dá)和活性也是被高度調(diào)控的。事實(shí)上，抗氧化活性的調(diào)控不僅在適應(yīng)環(huán)境，而且在調(diào)節(jié)過氧化物信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)中也是至關(guān)重要的。此外，最近的研究已經(jīng)確定了幾種過氧化物信號(hào)傳導(dǎo)機(jī)制，其中抗氧化酶作為過氧化物傳感器是必需的。因此，抗氧化酶作為響應(yīng)過氧化氫的多種途徑的關(guān)鍵調(diào)節(jié)劑而出現(xiàn)。在這里，我們將討論傳感過氧化氫的各種分子機(jī)制，重點(diǎn)關(guān)注抗氧化酶在過氧化氫信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的作用。在原核生物和酵母中的研究中識(shí)別分子機(jī)制特別重要，以便（1）感應(yīng)過氧化氫（2）調(diào)整適當(dāng)?shù)姆磻?yīng)。我們將討論這些研究對多細(xì)胞真核生物過氧化物信號(hào)傳導(dǎo)的影響。過氧化氫的生物源大多數(shù)過氧化氫的生物源涉及超氧化物陰離子（O2-）的自發(fā)或催化分解，其通過在有氧呼吸期間和在細(xì)胞暴露于各種物理、化學(xué)和生物制劑之后部分還原氧產(chǎn)生（圖1）。例如，長期以來已經(jīng)確定在吞噬微生物期間，吞噬免疫細(xì)胞激活NADPH氧化酶復(fù)合物產(chǎn)生超氧化物，然后產(chǎn)生過氧化氫作為細(xì)胞毒性劑。然而最近的研究表明NADPH氧化酶不限于吞噬免疫細(xì)胞，在各種不同的細(xì)胞和組織類型中也被發(fā)現(xiàn)。事實(shí)上，非免疫細(xì)胞NADPH氧化酶的Nox家族已經(jīng)與作為血管生成、內(nèi)耳發(fā)育和胰島素信號(hào)傳導(dǎo)中的重要信號(hào)分子的活性氧（ROS）的生成有關(guān)聯(lián)（參見Geiszt和Leto[2004]）。實(shí)際上，越來越多的證據(jù)表明各種生長因子和細(xì)胞因子，包括PDGF、EGF、胰島素、血管緊張素II和TNFα，能通過刺激NADPH氧化酶的活化在靶細(xì)胞中產(chǎn)生過氧化氫（Geiszt和Leto，2004;Park等，2004）。過氧化氫也通過NADPH氧化酶非依賴性機(jī)制作為信號(hào)分子產(chǎn)生（Fay等人，2006;Ali等人，2006;Chiarugi等人，2003;DeYulia等人，2005）（圖1）。圖1.真核細(xì)胞暴露于不同來源的過氧化氫過氧化氫可以在細(xì)胞外產(chǎn)生，例如通過免疫球蛋白G催化的水氧化，受體/配體相互作用和吞噬免疫細(xì)胞。通過線粒體中的細(xì)胞色素c氧化酶、膜結(jié)合的NADPH氧化酶或細(xì)胞質(zhì)中的50-脂氧合酶部分還原氧而產(chǎn)生的超氧化物陰離子通過細(xì)胞質(zhì)和線粒體超氧化物歧化酶的作用迅速轉(zhuǎn)化為過氧化氫。生長因子、細(xì)胞因子和整聯(lián)蛋白刺激NADPH氧化酶和/或50脂氧合酶的活化。過氧化氫可以跨膜擴(kuò)散，如細(xì)箭頭所示。過氧化氫誘導(dǎo)不同的生物反應(yīng)在單細(xì)胞生物體中，對過氧化氫水平增加的一個(gè)重要應(yīng)激反應(yīng)是增加抗氧化劑的產(chǎn)生和修復(fù)蛋白質(zhì)，用來適應(yīng)這些氧化條件（Jamieson，1998;Storz和Tartaglia，1992）。類似地，在多細(xì)胞生物體中的某些細(xì)胞類型中抗氧化劑基因表達(dá)被過氧化物活化（An和Blackwell，2003;Inoue等，2005;Sablina等，2005）。然而，在多細(xì)胞生物體中，過氧化氫也可以通過激活信號(hào)通路來刺激細(xì)胞增殖（Foreman等人，2003;Geiszt和Leto，2004），分化（Li等人，2006;Sauer等人，2000）（綜述于UshioFukai[2006b]）或凋亡（Cai，2005;Gechev和Hille，2005）。一個(gè)重要的問題是，到底是什么決定任何給定細(xì)胞中過氧化氫引發(fā)的生物反應(yīng)？在引發(fā)特定生物反應(yīng)所需的外源性過氧化氫濃度方面，細(xì)胞之間存在相當(dāng)大的變化。例如，引起哺乳動(dòng)物細(xì)胞的凋亡性細(xì)胞死亡所需的過氧化氫的濃度可以根據(jù)細(xì)胞類型變化多達(dá)20倍（Chen等人，2005;Choi等人，2006;Sablina等人，2005）。此外，已經(jīng)觀察到不同水平的過氧化氫可以在細(xì)胞內(nèi)誘導(dǎo)不同的反應(yīng)。例如，在裂殖酵母中，響應(yīng)于低和高水平的過氧化氫誘導(dǎo)不同的轉(zhuǎn)錄反應(yīng)（Quinn等人，2002）（參見下文）。類似地，最近在哺乳動(dòng)物細(xì)胞中的研究已經(jīng)顯示對過氧化氫的濃度特異性應(yīng)答。例如，不同模式的p53調(diào)節(jié)的基因表達(dá)起始響應(yīng)于不同水平的過氧化氫;抗氧化劑是響應(yīng)低水平的過氧化氫而誘導(dǎo)的，其中它們降低ROS水平，并因此保護(hù)細(xì)胞免受DNA損傷，而較高ROS水平也刺激參與凋亡的促氧化劑的表達(dá)（Sablina等人，2005）（圖2）。圖2.過氧化氫對哺乳動(dòng)物信號(hào)傳導(dǎo)的濃度依賴效應(yīng)在哺乳動(dòng)物中，幾種信號(hào)傳導(dǎo)過程受到增加濃度的過氧化氫的不同影響。例如，蛋白質(zhì)的sumoylation水平由過氧化氫的水平?jīng)Q定（Bossis和Melchior，2006）。此外，p53轉(zhuǎn)錄因子在低、亞致死濃度下激活抗氧化基因，但是額外的促氧化劑靶基因也隨著過氧化氫水平增加而激活（Sablina等人，2005）。過氧化氫對于哺乳動(dòng)物蛋白與SUMO泛素樣修飾物的共軛也具有濃度依賴性效應(yīng)。而過氧化氫的濃度（例如由活化的巨噬細(xì)胞產(chǎn)生的那些）抑制SUMO的共軛并因此降低了SUMO化，在更高濃度（例如100mM）下，SUMO的解離被抑制，導(dǎo)致SUMO化水平的增加（Bossis和Melchior，2006;Manza等人，2004;Saitoh和Hinchey，2000;Zhou等人，2004）（圖2）。Sumoylation（類泛素化）是許多蛋白質(zhì)的定位、活性和穩(wěn)定性的重要調(diào)節(jié)劑，因此該蛋白質(zhì)修飾的濃度依賴性調(diào)節(jié)可能是重要的，以確保對過氧化氫水平增加的生物學(xué)響應(yīng)。目前，在大多數(shù)情況下，調(diào)節(jié)過氧化氫的濃度依賴性和細(xì)胞類型特異性作用的機(jī)制不清楚。然而，在這里我們將討論這些證據(jù)（表明細(xì)胞抗氧化劑的水平、定位和活性）在確定響應(yīng)過氧化物起始過程的哪些生物學(xué)反應(yīng)是重要的。圖3.涉及通過谷胱甘肽過氧化物酶和硫氧還蛋白過氧化物酶系統(tǒng)催化除去過氧化氫的氧化還原循環(huán)反應(yīng)谷胱甘肽過氧化物酶（Gpx）和硫氧還蛋白過氧化物酶對過氧化氫的催化還原涉及硫氧還蛋白過氧化物酶/過氧化還原酶中谷胱甘肽過氧化物酶中的硒代半胱氨酸（SeH）或半胱氨酸（SH）殘基上的催化巰基和半胱氨酸殘基的氧化。氧化的過氧化物酶的再循環(huán)包括還原型谷胱甘肽（GSH）或硫氧還蛋白（Trx）的氧化。氧化型谷胱甘肽和硫氧還蛋白的還原分別通過谷胱甘肽還原酶或硫氧還蛋白還原酶與NADPH偶聯(lián)。磷酸戊糖途徑提供NADPH還原，因此抗氧化能力也與細(xì)胞代謝相關(guān)。一類過氧化物氧還蛋白（典型的2-CysPrx（Prx））含有兩個(gè)高度保守的半胱氨酸殘基，其參與硫氧還蛋白偶聯(lián)的過氧化氫的催化還原。在第一步中，過氧化的半胱氨酸殘基被氧化成亞磺酸（SOH），然后與同二聚體中的配偶體蛋白上的分辨半胱氨酸殘基形成二硫鍵，防止進(jìn)一步氧化。然而，在真核的2-CysPrx二硫鍵形成是緩慢的，結(jié)果是過氧化半胱氨酸殘基的SOH形式對進(jìn)一步氧化為亞磺酸（SOOH）衍生物敏感，其可以通過硫氧還蛋白或sestrin酶被還原。通過調(diào)控抗氧化酶的表達(dá)和定位調(diào)節(jié)對過氧化氫的反應(yīng)盡管作為非極性分子，過氧化氫能夠跨膜擴(kuò)散，但已有證據(jù)顯示外源添加的過氧化氫在引發(fā)信號(hào)響應(yīng)方面比內(nèi)源性產(chǎn)生的過氧化氫效果更差（Choi等人，2005）。事實(shí)上，NADPH氧化酶以高度調(diào)節(jié)的方式組裝和定位，表明過氧化氫信號(hào)僅能傳輸相對短的距離（綜述參見Ushio-Fukai[2006a]）。與此一致，Bossis和Melchior（2006）報(bào)道了過氧化氫對SUMO共軛酶的區(qū)室化效應(yīng)，其中位于細(xì)胞質(zhì)中的酶比在細(xì)胞核中的酶更易于被過氧化氫失活。如我們將在下面討論的，可能存在豐富的酶和非酶細(xì)胞抗氧化劑限制過氧化氫接近其產(chǎn)生位點(diǎn)的作用。除了非酶抗氧化劑如維生素C和E、以及類胡蘿卜素，細(xì)胞含有抗氧化酶組合，其活性針對減少過氧化氫產(chǎn)生。這些酶可以通過其催化機(jī)制、細(xì)胞定位和調(diào)控來區(qū)分。參與過氧化物催化分解的主要抗氧化劑是過氧化氫酶、谷胱甘肽過氧化物酶和硫氧還蛋白過氧化物酶（過氧化物氧還蛋白）。過氧化氫酶是一種在過氧化物酶體中廣泛表達(dá)的高效酶，其中ROS水平高，但也可在胞質(zhì)溶膠或線粒體中發(fā)現(xiàn)。雖然過氧化氫酶利用血紅素輔基，但硫氧還蛋白過氧化物酶對過氧化氫的催化還原涉及催化性半胱氨酸殘基的氧化（圖3）。谷胱甘肽過氧化物酶的催化機(jī)制涉及催化性半胱氨酸或硒代半胱氨酸殘基的環(huán)氧化/還原。過氧化物氧還蛋白已經(jīng)基于蛋白質(zhì)相似性和氧化蛋白質(zhì)還原的機(jī)制被細(xì)分為類別（參見Wood等人[2003c]）。例如，典型的2-半胱氨酸過氧化物氧還蛋白（2-CysPrx）含有兩個(gè)高度保守的半胱氨酸殘基，其都參與硫氧還蛋白偶聯(lián)的過氧化氫的催化還原（圖3）。已經(jīng)在各種細(xì)胞位置鑒定到了具有谷胱甘肽或硫氧還蛋白過氧化物酶活性的酶。例如，真核細(xì)胞表達(dá)編碼線粒體和細(xì)胞質(zhì)硫氧還蛋白，硫氧還蛋白還原酶和硫氧還蛋白過氧化物酶的不同基因（Park等人，2000b;Wood等人，2003c），并且脊椎動(dòng)物細(xì)胞表達(dá)編碼胞質(zhì)或分泌的谷胱甘肽過氧化物酶的不同基因（綜述參見BrigeliusFlohe[1999]）。不同區(qū)室化甚至分泌的（Haridas等人，1998）過氧化物分解酶的存在表明，重要的是這些酶被適當(dāng)定位于蛋白質(zhì)以防止過氧化氫產(chǎn)生。然而，這種區(qū)室化也對過氧化氫信號(hào)傳導(dǎo)具有重要的作用;因?yàn)檫^氧化氫通過膜擴(kuò)散，抗氧化劑酶的區(qū)室化提供了限制過氧化氫增加到特定細(xì)胞區(qū)室的機(jī)制。實(shí)際上，越來越多的證據(jù)表明，特定抗氧化劑的定位通過控制局部水平影響對過氧化氫的細(xì)胞應(yīng)答。例如，降低線粒體特異性典型的2-CysPrx、PrxIII的水平，其去除響應(yīng)于TNFα或星形孢菌素而在線粒體中產(chǎn)生的過氧化氫，增加了細(xì)胞對TNFα或星形孢菌素誘導(dǎo)凋亡的敏感性（Chang等人，2004）。相反，在造血生長因子GMCSF與其細(xì)胞表面受體相互作用后產(chǎn)生的過氧化氫促生長作用的增加，受過氧氧化還原酶或過氧化氫酶在細(xì)胞表面超量表達(dá)的抑制（DeYulia等人，2005）。在酵母中，有證據(jù)表明抗氧化酶的定位可能受到生長條件或不同生長程序?qū)嵤┑挠绊懀≒etrova等人，2004;Urban等人，2005;Shin等人，2005）。潛在地，這可能對響應(yīng)過氧化氫的這些細(xì)胞具有重要影響。在哺乳動(dòng)物中，典型的2-CysPrx，PrxII與活化的PDGF受體（Choi等人，2005）或磷脂酶D1（Xiao等人，2005）共定位的再分布表明將PrxII定位于過氧化物產(chǎn)生的細(xì)胞內(nèi)位點(diǎn)對于關(guān)閉過氧化物信號(hào)事件是十分重要的（Choi等人，2005）。在細(xì)菌和單細(xì)胞真核生物中，響應(yīng)于過氧化氫解毒酶的誘導(dǎo)表達(dá)在保護(hù)細(xì)胞免受氧化損傷方面起重要作用（Gasch等人，2000;Chen等人，2003;Smith等人，2004;Zheng等，2001）。實(shí)際上，響應(yīng)于過氧化氫亞致死劑量的抗氧化劑的誘導(dǎo)允許細(xì)胞能夠適應(yīng)，隨后暴露于更大劑量中并也能存活（Jamieson，1998）。在哺乳動(dòng)物中，抗氧化劑的基礎(chǔ)水平在維持穩(wěn)態(tài)條件和保護(hù)細(xì)胞免受氧化應(yīng)激的破壞作用方面無疑是重要的（Neumann等人，2003;Lee等人，2003,2005）。然而，在多細(xì)胞生物體中，抗氧化酶表達(dá)的增加不是所有細(xì)胞對過氧化氫的普遍應(yīng)答（An和Blackwell，2003;Desaint等，2004）。這表明在一些細(xì)胞中可能更重要的是，抗氧化劑水平為了過氧化氫被適當(dāng)?shù)卦O(shè)置為細(xì)胞分裂、凋亡、分化或遷移的信號(hào)，而不是靠其增加用于損傷水平下的存活。圖4.細(xì)胞抗氧化活性的翻譯后調(diào)控機(jī)制的實(shí)例幾種真核抗氧化酶如2-Cys過氧氧化還原酶（PRX）、硫氧還蛋白、谷胱甘肽過氧化物酶（GPX）和過氧化氫酶的活性受氧化、磷酸化（P）、泛素化（Ub）和/或蛋白質(zhì)相互作用（例如，硫氧還蛋白與TXNIP）。通過翻譯后調(diào)節(jié)抗氧化酶調(diào)節(jié)過氧化氫信號(hào)幾種抗氧化酶經(jīng)歷翻譯后修飾，即調(diào)節(jié)酶的過氧化物解毒活性（圖4）。調(diào)節(jié)細(xì)胞抗氧化活性的機(jī)制的演變表明過氧化氫信號(hào)事件在控制生物過程中的關(guān)鍵重要性。在這里，我們將描述一些例子，其中抗氧化活性的翻譯后修飾已經(jīng)顯示對過氧化氫調(diào)控的信號(hào)通路具有重要的影響。有趣的是，已經(jīng)有證據(jù)表明過氧化氫酶的酪氨酸磷酸化修飾啟動(dòng)對低和高水平的過氧化物的不同響應(yīng)的機(jī)制（Cao等人，2003c）。特別地是已經(jīng)有人提出通過低水平的過氧化物活化c-Abl和Arg酪氨酸激酶導(dǎo)致過氧化氫酶的磷酸化水平增加，從而增加其活性，進(jìn)而保護(hù)細(xì)胞免受過氧化物的影響。然而，在較高水平的過氧化物下，c-Abl和Arg從過氧化氫酶中解離，并且通過去磷酸化或通過泛素化和磷酸化過氧化氫酶的降解來降低過氧化氫酶活性，從而引發(fā)凋亡（Cao等人，2003a，2003b，2003c）（圖4）。相反，哺乳動(dòng)物典型的2-CysPrx的硫氧還蛋白過氧化物酶活性在有絲分裂期間被Cdc2細(xì)胞周期蛋白依賴性激酶（Cdk）的直接磷酸化抑制（Chang等人，2002）（圖4）。然而，Cdk依賴性磷酸化在細(xì)胞周期控制中的確切作用仍不清楚，但有趣的是，它表明過氧化氫的瞬時(shí)增加可能是有絲分裂所需的。通過催化性半胱氨酸的氧化調(diào)節(jié)的典型2-CysPrx的失活也作為調(diào)節(jié)真核細(xì)胞響應(yīng)過氧化氫的重要機(jī)制而出現(xiàn)。盡管它們的催化效率低于過氧化氫酶，但這些普遍存在的酶是非常豐富的（在一些細(xì)胞中高達(dá)總蛋白的?1％），并且對于過氧化氫具有非常高的親和力（通常約10mM），它們對過氧化氫提供重要的保護(hù)屏障。然而在真核生物典型的2-CysPrx的生物化學(xué)研究中，揭示了它們的硫氧還蛋白過氧化物酶活性通過在相對低濃度的過氧化氫下，過氧化的半胱氨酸到亞磺酸的“過度氧化”而失活（Rabilloud等人，2002;Wagner等人。，2002;Kooetal。，2002）。這種對過氧化的增加的易感性與插入C末端附近的特定氨基酸的存在相關(guān)，上述氨基酸減緩了典型2-CysPrx的過氧化物和拆分半胱氨酸之間的二硫化物的形成速率，從而增加了進(jìn)一步氧化的亞磺酸中間體（Wood等人，2003b）（圖3和圖4）。真核典型的2-CysPrx對明顯不可逆的過氧化事件的易感性是十分有趣的，并且提出了關(guān)于它們在對過氧化氫響應(yīng)中的作用的重要問題。然而同時(shí)Rhee和其同事的研究中發(fā)現(xiàn)了過氧化半胱氨酸的過氧化實(shí)際上是可逆的（Woo等人，2003）。事實(shí)上，在芽殖酵母中的研究鑒定了保守的酶，即硫氧還蛋白，能逆轉(zhuǎn)這種過氧化（Biteau等人，2003）（圖3和4）。哺乳動(dòng)物還含有與硫氧還蛋白無關(guān)的sestrin蛋白，其能夠逆轉(zhuǎn)典型的2-CysPrx的過氧化（Budanov等人，2004）（圖3和4）。有趣的是，硫氧還蛋白和sestrin基因表達(dá)由于響應(yīng)于氧化應(yīng)激而被調(diào)節(jié)（Biteau等人，2003;Bozonet等人，2005;Budanov等人，2002;Vivancos等人，2005），更深層次調(diào)節(jié)2-CysPrx的硫氧還蛋白過氧化物酶活性。圖5.在粟酒中應(yīng)激誘導(dǎo)的基因表達(dá)響應(yīng)不同水平的過氧化氫的調(diào)節(jié)在這個(gè)模型中，2-CysPrxTpx1被建議作為傳感器和水閘，允許激活Pap1低水平的過氧化氫和增加激活的Sty1（和Atf1）在增加水平的過氧化氫。Tpx1的硫氧還蛋白過氧化物酶活性是過氧化氫誘導(dǎo)氧化和Pap1的核積累所必需的。在高濃度的過氧化氫下，Tpx1的硫氧還蛋白過氧化物酶活性被抑制，阻止了Pap1的活化，但允許增加的Sty1/Atf1的活化。硫氧還蛋白（Srx1）恢復(fù)硫氧還蛋白過氧化物酶活性的Tpx1，允許Tpx1依賴去除過氧化氫和激活Pap1。紅色箭頭表示氧化反應(yīng)，藍(lán)色箭頭表示還原反應(yīng)。一些真核細(xì)胞類型中典型的2-CysPrx的高豐度表明過氧化半胱氨酸的過氧化可能是抗氧化能力與對過氧化氫水平升高的響應(yīng)整合的重要機(jī)制（Wood等人，2003b）。實(shí)際上，最近在粟酒裂殖酵母中的研究揭示了2-CysPrx、Tpx1對其硫氧還蛋白過氧化物酶活性的氧化和失活的敏感性（Koo等人，2002）作為分子開關(guān)，在低和高水平的過氧化氫時(shí)不同的轉(zhuǎn)錄反應(yīng)（Bozonet等人，2005;Vivancos等人，2005）（圖5）。在粟酒裂殖酵母中，細(xì)胞對低水平過氧化氫的轉(zhuǎn)錄反應(yīng)依賴于AP-1樣轉(zhuǎn)錄因子Pap1，而Sty1（也稱為Spc1和Phh1）應(yīng)激活化蛋白激酶（SAPK）調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄因子Atf1在較高水平的過氧化氫中起更重要的作用（Quinn等，2002）（圖5）。Pap1通過特異性半胱氨酸殘基的氧化而活化，這導(dǎo)致蛋白質(zhì)的核積累。重要的是，過氧化氫誘導(dǎo)的Pap1的氧化依賴于硫氧還蛋白過氧化物酶活性形式的Tpx1（圖5）。因此，這些數(shù)據(jù)表明當(dāng)Tpx1在高濃度的過氧化氫氧化時(shí)，防止了Pap1的氧化但允許過氧化氫積累，其中它刺激Sty1/Atf1的激活和Atf1依賴性基因的表達(dá)（圖5）。因此，受Tpx1、Srx1硫氧還蛋白和過氧化氫水平影響的Tpx1的氧化/還原狀態(tài)決定了激活兩種獨(dú)立途徑的精確平衡（Bozonet等人，2005;Vivancos等人，2005）（圖5）。有趣的是，已經(jīng)從細(xì)胞中分離出對硫氧還蛋白過氧化物酶活性的氧化失活不太敏感的Tpx1（Koo等人，2002），并且從體外紅細(xì)胞鈣蛋白酶分離的對蛋白水解消化敏感的典型2-CysPrx（Schro¨deretal。，1998）。這些研究表明蛋白水解加工的2-CysPrx可能增加了另一層過氧化氫信號(hào)的調(diào)控方式。最近發(fā)現(xiàn)表明p53參與引發(fā)不同水平的過氧化氫的不同轉(zhuǎn)錄反應(yīng)（圖2）（Sablina等人，2005），使人想起在粟酒裂殖酵母中觀察到的不同水平的過氧化氫的2-CysPrx調(diào)節(jié)的反應(yīng)（圖5）（Quinn等人，2002;Bozonet等人，2005;Vivancos等人，2005）。此外如上所述，不同水平的過氧化氫在蛋白質(zhì)sumoylation的模式引起不同的變化（Bossis和Melchior，2006）（圖2）。因此，推測典型的2-CysPrx對過氧化氫水平增加的敏感性也可能涉及確定哺乳動(dòng)物中p53依賴性基因表達(dá)和蛋白質(zhì)sumoylation的適當(dāng)水平（圖2）。實(shí)際上，在哺乳動(dòng)物細(xì)胞中的研究已經(jīng)表明2-CysPrx在確定參與激活特異性途徑的過氧化氫的閾值中起重要作用。例如，PrxII的抑制增強(qiáng)了過氧化氫介導(dǎo)的JNK和p38SAPK途徑的激活，并延長了PDGF受體的激活，但減少了ERK有絲分裂激活蛋白激酶（MAPK）的激活（Choi等人，2005;Kang等人etal。，2004）。然而仍然不清楚其具體作用，如果有的話，可能是過氧化和抑制PrxII的硫氧還蛋白過氧化物酶活性在這些反應(yīng)的調(diào)節(jié)。盡管已經(jīng)在暴露于TNFα的細(xì)胞中檢測到PrxII的亞磺酸衍生物，這表明可以產(chǎn)生足夠的過氧化氫作為信號(hào)分子以引起2-CysPrx的體內(nèi)氧化（Rabilloud等人，2002），但是沒有證據(jù)表明2-CysPrx通過響應(yīng)有絲分裂刺激的過氧化而失活（Choi等人，2005;Phalen等人，2006）。然而，仍然可能的是位于接近過氧化氫源的2-CysPrx的一部分瞬時(shí)失活，但在2-CysPrx的大細(xì)胞群中難以檢測。事實(shí)上，2-CysPrx和sulfiredoxin/sestrin蛋白的細(xì)胞內(nèi)水平和相對定位也將潛在地產(chǎn)生更敏感/抗性的2-CysPrx庫。因此，過氧化2-CysPrx的作用和其過氧化物信號(hào)傳遞中的硫氧還蛋白的調(diào)節(jié)作用需要進(jìn)一步研究。硫氧還蛋白是涉及許多蛋白質(zhì)還原的氧化還原酶，包括硫氧還蛋白過氧化物酶。通過硫氧還蛋白催化還原底物包括在兩個(gè)催化半胱氨酸（哺乳動(dòng)物中的位置32和35）之間形成二硫鍵，其隨后被NADPH還原（圖2）。哺乳動(dòng)物硫氧還蛋白的氧化還原酶活性通過兩個(gè)其它半胱氨酸的氧化修飾和與抑制劑蛋白TXNIP（也稱為VDUP-1或TBP-2）的相互作用來調(diào)節(jié)（Nishiyama等人，1999;Casagrande等人，2002;Haendeleretal。，2002）（圖4）。TXNIPmRNA具有非常短的半衰期，因此響應(yīng)于各種信號(hào)（包括高血糖（誘導(dǎo)）和PDGF和生物力學(xué)應(yīng)激（抑制））對TXNIP基因表達(dá)的調(diào)節(jié)允許硫氧還蛋白活性的快速調(diào)節(jié)（參見World等etal。[2006]）。事實(shí)上，TXNIP水平的調(diào)節(jié)似乎已經(jīng)演變?yōu)檎{(diào)節(jié)硫氧還蛋白和硫氧還蛋白依賴性信號(hào)的重要機(jī)制。例如，高水平的TXNIP表達(dá)與增加的凋亡易感性相關(guān)，而TXNIP的下調(diào)通過相關(guān)的硫氧還蛋白活性增加具有保護(hù)作用（Wang等人，2002;Yamawaki等人，2005）。事實(shí)上，已經(jīng)提出生理性血流對內(nèi)皮細(xì)胞的保護(hù)作用由TXNIP響應(yīng)于流體剪切應(yīng)力的相關(guān)下調(diào)介導(dǎo)（Yamawaki等人，2005）。硫氧還蛋白活性的調(diào)節(jié)將影響硫氧還蛋白過氧化物酶去除過氧化氫的活性。相反，作為硫氧還蛋白的氧化還原酶活性的最豐富的底物之一，硫氧還蛋白過氧化物酶活性的調(diào)節(jié)也可能在影響硫氧還蛋白對其它底物的活性中起重要作用。例如，通過磷酸化或過氧化使2-CysPrx失活可能增加硫氧還蛋白調(diào)節(jié)其它靶蛋白的可用性。因此未來對硫氧還蛋白、硫氧還蛋白過氧化物酶和硫氧還蛋白還原酶的調(diào)節(jié)之間復(fù)雜關(guān)系的研究，可能對于了解細(xì)胞如何引起對過氧化氫的適當(dāng)生物反應(yīng)是重要的。過氧化氫信號(hào)的分子機(jī)制過氧化氫表現(xiàn)為信號(hào)分子，它必須首先避開抗氧化劑的分解，然后影響過氧化氫敏感信號(hào)蛋白的活性。蛋白質(zhì)的某些特征使它們易于被過氧化氫氧化。例如，含有去質(zhì)子化半胱氨酸殘基的任何蛋白質(zhì)對過氧化氫的氧化敏感。大多數(shù)胞質(zhì)蛋白的半胱氨酸殘基被質(zhì)子化，這是由于胞質(zhì)溶膠的低pH，因此不能與過氧化氫反應(yīng)/感應(yīng)過氧化氫。這對于使用過氧化氫作為信號(hào)分子是至關(guān)重要的，因?yàn)槠涫沟媚軌蛱禺愋园邢蚝腥ベ|(zhì)子化半胱氨酸殘基的蛋白質(zhì)。因此，大多數(shù)過氧化氫傳感器蛋白質(zhì)的基本特征是它們含有具有低pKa的半胱氨酸殘基。在蛋白質(zhì)易于被過氧化氫氧化的情況下，去質(zhì)子化的半胱氨酸殘基可以特異性地進(jìn)化以允許檢測過氧化氫和/或?qū)τ诘鞍踪|(zhì)的活性是必需的。例如，去質(zhì)子化的硫醇基團(tuán)用作多種酶的催化機(jī)制中的反應(yīng)性物質(zhì)，因此使得許多酶易于通過氧化失活。實(shí)際上，暴露于ROS導(dǎo)致許多蛋白質(zhì)（包括轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)物、激酶、磷酸酶、結(jié)構(gòu)蛋白、代謝酶和SUMO連接酶）中的關(guān)鍵半胱氨酸殘基的巰基的可逆氧化（表1）。在許多情況下，這些氧化還原變化與改變的活性相關(guān)，并且已經(jīng)描述了對信號(hào)傳導(dǎo)途徑或細(xì)胞過程的影響（表1）。例如，在細(xì)菌中，過氧化氫感測和基礎(chǔ)過氧化氫誘導(dǎo)的基因表達(dá)變化的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的機(jī)制包含在響應(yīng)于過氧化物而直接氧化的轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)物中。也許最好的特征是轉(zhuǎn)錄激活劑OxyR，其響應(yīng)于過氧化氫被直接氧化。雖然氧化和還原的OxyR都能夠結(jié)合DNA，但只有氧化形式的OxyR可以激活抗氧化基因的轉(zhuǎn)錄（Storz等，1990）。通過過氧化氫活化OxyR的關(guān)鍵事件似乎是半胱氨酸199氧化成亞磺酸衍生物（Kim等人，2002;Storz等人，1990）。雖然亞磺酸衍生物的形成可能足以用于轉(zhuǎn)錄激活（Kim等人，2002），但通常認(rèn)為這是在半胱氨酸199和208之間形成二硫鍵（Lee等人，2004;Zhengetal。，1998）。這得到了二硫鍵比亞磺酸更穩(wěn)定以及結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的事實(shí)的支持（Choi等人，2001）。涉及編碼谷氧還蛋白1的基因的OxyR調(diào)節(jié)的表達(dá)的負(fù)反饋環(huán)允許OxyR的還原和失活（Zheng等人，1998;Aslund等人，1999）。在真核生物中，蛋白酪氨酸磷酸酶（PTP）在控制響應(yīng)于許多刺激（包括生長因子和細(xì)胞因子）而啟動(dòng)的信號(hào)傳導(dǎo)事件中具有中心作用。例如，PTP催化的酪氨酸殘基的去磷酸化失活MAPK和生長因子受體，并活化Cdks和非受體酪氨酸激酶。在底物的催化脫磷酸化中使用去質(zhì)子化的半胱氨酸殘基使得PTP易于被過氧化氫失活。盡管氧化衍生物的性質(zhì)不同，但是將關(guān)鍵催化性半胱氨酸殘基可逆地螯合成氧化形式調(diào)節(jié)了幾種不同的磷酸酶家族。例如，當(dāng)細(xì)胞暴露于過氧化氫時(shí)，PTP1B中的催化性半胱氨酸殘基被氧化成環(huán)狀次磺酰胺衍生物（Salmeen等人，2003;vanMontfort等人，2003）。然而，在其他PTP（例如Cdc25C，LMW-PTP和PTENPIP3磷酸酶）的情況下，與附近半胱氨酸殘基的二硫鍵形成保護(hù)催化性半胱氨酸殘基免受進(jìn)一步潛在的不可逆氧化?，F(xiàn)在有實(shí)質(zhì)的證據(jù)表明，響應(yīng)一系列生長因子和細(xì)胞因子產(chǎn)生的過氧化氫表現(xiàn)為氧化的第二信使，從而抑制PTP的活性。通過氧化調(diào)節(jié)PTP已經(jīng)是最近幾個(gè)優(yōu)秀綜述的主題，例如Choetal（2004）和Tonks（2005）。上述過氧化物感測機(jī)制涉及去質(zhì)子化半胱氨酸殘基的可逆氧化。然而，過氧化氫也容易與Fe2+反應(yīng)，因此在一些蛋白質(zhì)中發(fā)現(xiàn)的含F(xiàn)e2+的輔因子潛在地易于氧化。事實(shí)上，涉及組氨酸殘基的金屬催化氧化的非巰基機(jī)理對于通過PerR轉(zhuǎn)錄阻遏物在枯草芽孢桿菌中的過氧化氫檢測是重要的（Lee和Helmann，2006）。PerR含有兩個(gè)金屬結(jié)合位點(diǎn)：結(jié)構(gòu)Zn2+結(jié)合位點(diǎn)和調(diào)節(jié)Fe2+結(jié)合位點(diǎn)（Herbig和Helmann，2001;Mongkolsuk和Helmann，2002）。在調(diào)節(jié)位點(diǎn)含有Fe2+的PerR結(jié)合DNA，抑制編碼抗氧化酶（例如過氧化氫酶）的靶基因的表達(dá)（Herbig和Helmann，2001）。響應(yīng)于過氧化氫，PerR調(diào)節(jié)的基因表達(dá)的去阻遏通過Per2中的兩個(gè)Fe2+-協(xié)調(diào)的組氨酸殘基的Fe2+-催化氧化實(shí)現(xiàn)（Lee和Helmann，2006）。Fe在該機(jī)制中的關(guān)鍵參與意味著PerR對過氧化氫的響應(yīng)由過氧化氫和Fe的水平調(diào)節(jié)。由于過氧化氫的毒性主要由Fe2+-催化的Fenton反應(yīng)產(chǎn)生的羥基自由基介導(dǎo)，這意味著當(dāng)細(xì)胞Fe水平高時(shí)，PerR理想地適于允許增加的抗氧化劑表達(dá)。該調(diào)節(jié)的另一個(gè)有趣的特征是，與負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)其他過氧化物敏感的信號(hào)蛋白的硫醇基團(tuán)的可逆氧化相反，PerR中組氨酸殘基的氧化顯然是不可逆的。雖然PerR是目前唯一的金屬催化氧化或組氨酸氧化在過氧化氫感應(yīng)中發(fā)揮關(guān)鍵調(diào)節(jié)作用的實(shí)例（Lee和Helmann，2006），但這些研究可能潛在地影響通過過氧化氫調(diào)節(jié)其它Fe2+結(jié)合蛋白。抗氧化偶聯(lián)的過氧化氫感應(yīng)機(jī)制半胱氨酸殘基對任何給定蛋白質(zhì)中的氧化的敏感性將通過pKa和半胱氨酸殘基的局部環(huán)境（例如pH和抗氧化劑/其它過氧化物敏感性蛋白質(zhì)的接近）的組合來確定。事實(shí)上，如前所述，通過抗氧化劑酶去除過氧化氫使得它們成為過氧化氫信號(hào)的重要障礙。然而，一些過氧化物酶（例如典型的2-CysPrx）對過氧化氫的高親和力也使它們理想地適合于過氧化氫檢測。有趣的是，在真核生物中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了幾種過氧化氫感測/信號(hào)機(jī)制，其中抗氧化酶已經(jīng)被選作過氧化氫傳感器。在下面概述的具體實(shí)施例中，初始過氧化氫感應(yīng)事件是抗氧化酶的氧化，然后導(dǎo)致信號(hào)傳導(dǎo)途徑的相關(guān)組分活性的后續(xù)變化。在萌芽酵母釀酒酵母中，Yap1是AP-1樣轉(zhuǎn)錄因子的亞家族的成員，其包括粟酒裂殖酵母中的Pap1，其對于氧化應(yīng)激誘導(dǎo)的基因表達(dá)的調(diào)節(jié)是重要的（Fernandesetal。，1997;Kugeetal。，1997）。在穩(wěn)態(tài)條件下，Yap1，像Pap1，是細(xì)胞質(zhì)的Crm1依賴核輸出。然而，在細(xì)胞暴露于過氧化氫后，位于Yap1的富含半胱氨酸的結(jié)構(gòu)域（CRDs）中的特定半胱氨酸殘基被氧化，破壞Yap1與Crm1的相互作用，因此Yap1在核中積累（Delaunay等，2000）。雖然這些半胱氨酸殘基中的一些對通過多種氧化應(yīng)激引發(fā)劑的直接修飾是敏感的（Azevedo等人，2003），與OxyR不同，Yap1似乎沒有被直接氧化響應(yīng)過氧化氫。相反，過氧化氫誘導(dǎo)的Yap1的氧化需要至少兩種其他蛋白質(zhì)：Gpx3（也稱為Orp1）過氧化物酶，其利用硫氧還蛋白作為電子供體而不是谷胱甘肽（Delaunay等人，2002）和第二蛋白質(zhì)，Ybp1（Veal等人，2003）。響應(yīng)于過氧化氫，Yap1的半胱氨酸598與Gpx3的半胱氨酸36形成分子間二硫鍵，然后被分解成Yap1的半胱氨酸303和598之間的分子內(nèi)二硫鍵（Delaunay等，2002）。第二個(gè)二硫鍵也在Yap1的半胱氨酸310和629之間形成（Wood等人，2003a）。盡管Ybp1與Yap1形成復(fù)合物，并且對Yap1的Gpx3依賴性氧化是必需的，但其在氧化機(jī)制中的作用是未知的（Veal等人，2003）。有趣的是，廣泛使用的Ybp1功能完全缺失的釀酒酵母的實(shí)驗(yàn)室菌株使用過氧化氫誘導(dǎo)的Yap1氧化的備選的2-CysPrx依賴性機(jī)制（Okazaki等人，2005）。此外，在粟酒裂殖酵母中它是典型的2-CysPrxTpx1，而不是Gpx3orthologGpx1，是過氧化物誘導(dǎo)的Pap1氧化所需（Bozonet等人，2005;Vivancos等人，2005）圖5）。探索其他真核硫氧還蛋白過氧化物酶是否也在通過氧化指導(dǎo)過氧化物信號(hào)蛋白的活化中具有作用，似乎也是十分有趣的。Yap1活化/氧化反轉(zhuǎn)的機(jī)制或機(jī)制尚不清楚。然而，硫氧還蛋白能夠在體外還原氧化的Yap1，此外，硫氧還蛋白功能的喪失導(dǎo)致Yap1在體內(nèi)的組成型核積累（Delaunay等，2000）。因此，這些數(shù)據(jù)表明涉及硫氧還蛋白氧化狀態(tài)的負(fù)反饋回路在調(diào)節(jié)Yap1中起關(guān)鍵作用。實(shí)際上，作為氧化還原酶，硫氧還蛋白參與調(diào)節(jié)幾種蛋白質(zhì)的氧化狀態(tài)和活性，例如NF-kB（綜述參見Powis和Montfort[2001]）。此外，硫氧還蛋白通過過氧化氫敏感的非共價(jià)相互作用直接調(diào)節(jié)特異性信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)蛋白的活化。硫氧還蛋白直接參與的最好理解的過氧化氫感測機(jī)制之一是哺乳動(dòng)物ASK1MAPKKK的激活（Saitoh等人，1998）。ASK1響應(yīng)于多種刺激（包括TNFα，葡萄糖剝奪，Ca2+和ERstress）而活化（綜述參見Hayakawa等人[2006]）。一旦活化，ASK1磷酸化并因此在p38和JNKSAPK途徑中激活MAPKK。還原的硫氧還蛋白結(jié)合到ASK1的N末端區(qū)域，通過激酶結(jié)構(gòu)域中的關(guān)鍵蘇氨酸殘基的自磷酸化來防止活化。然而，在細(xì)胞暴露于應(yīng)激或細(xì)胞因子誘導(dǎo)的過氧化氫增加后，在硫氧還蛋白中的兩個(gè)催化半胱氨酸殘基之間形成分子內(nèi)二硫鍵。硫氧還蛋白的這種氧化破壞了其與ASK1的相互作用，使得ASK1通過自磷酸化被激活（Liu等人，2000）（在Hayakawa等人[2006]中綜述）。硫氧還蛋白抑制劑TXNIP與ASK1競爭結(jié)合硫氧還蛋白（Yamawaki等人，2005）。因此，高水平的TXNIP通過兩種機(jī)制增加ASK1對TNFα誘導(dǎo)的過氧化氫介導(dǎo)的活化的敏感性：（1）通過抑制硫氧還蛋白降低細(xì)胞的抗氧化能力（2）通過抑制ASK1與還原硫氧還蛋白。目前已經(jīng)鑒定了導(dǎo)致過氧化氫誘導(dǎo)的p38/JNKSAPK激活的多種機(jī)制。例如，除了氧化的硫氧還蛋白從ASK1MAPKKK的解離之外，哺乳動(dòng)物JNK通過直接氧化和MAPK磷酸酶的失活被活