1、活性氧信号转导作用靶标及作用机制作者：陈海英 郭沈波，陈雪红，于文功，王春波，兰晓明 【关键词】 活性氧 信号传导 细胞凋亡 外界刺激在信号传递过程中产生活性氧（ROS） ，而 ROS 又可以刺激信号通路，参与细胞信号转导过程。在细胞凋亡信号转导的过程中，ROS既可以作为外界诱因，又是其他诱因在体内激发凋亡的一种中间产物，其机制可发生在凋亡过程的各环节，包括直接诱导凋亡或影响与凋亡有关的细胞内信号转导和基因表达。氧化还原调节可以发生于从受体到细胞信号通路的多水平环节，ROS 可通过细胞膜靶标将刺激信号由细胞膜传至细胞内，作用于细胞内靶标激发信号级联反应，诱导细胞凋亡。本文就 ROS 信号转导通
2、路的作用靶标及作用机制作一综述。 1 ROS 作用于细胞膜的靶标 1.1 受体激酶 受体激酶和磷酸酶本身就是氧化应激的靶标，许多研究表明，生长因子、细胞因子或其他配体在非吞噬细胞中通过它们的膜受体触发 ROS的产生1，这些产生的 ROS 在信号转导通路中起到正反馈的作用。 1.1.1 表皮生长因子(EGF) 受体信号传递途径中 H2O2 作用于 EGF需要有功能的 EGF 受体激酶结构域，提示生长因子受体诱导的 ROS 可能通过 EGF 受体的活化作用于下游，不能排除 ROS 直接激活表面受体。H2O2 引起核 EGFR 的升高，此过程中，蛋白质磷酸酶转运到细胞核，使DNA 依赖的蛋白激酶（D
3、NAPK ）和 DNA 末端结合蛋白复合体增加，它们在 DNA 双链断裂的修复中起重要作用。然而辐射诱导的 DNAPK 抑制 DNA的修复，并增加细胞的辐射敏感性，因此氧化应激引起的 EGFR 升高在DNA 的修复中起重要作用2。 1.1.2 胰岛素受体信号途径 H2O2 作用于小肠上皮细胞，引起 ROS的增加和线粒体膜电位的除极导致细胞凋亡，预先给予胰岛素样生长因子 1（IGF1 ）可通过激活 AKT/PI3K 通路而抑制细胞凋亡3。 1.1.3 转化生长因子 （TGF ） TGF 在调节细胞生长和分化中有多重功能，许多研究表明辐射诱导 ROS 的产生是辐射损伤的重要因素，而 TGF 、IL
4、1 、TNF 都可引起抗氧化酶的产生4。 1.1.4 肿瘤坏死因子 （TNF) TNF 是一类多功能的细胞因子，它的功能是通过受体 TNFR 介导细胞凋亡，诱导方式与 Fas 类似。TNF 与其受体相互作用诱导的信号转导十分复杂，其主要途径之一是诱导转录因子 NFkappa 的活化，而 NFkappa 的激活和NFkappa 介导的基因转录均需要 ROS 的参与5。 1.2 磷脂酶和磷脂激酶 脂类代谢中的磷脂酶和磷脂激酶也是细胞信号系统的重要组成部分，由于大多数生长因子和细胞因子似乎都可以在细胞质膜或者其附近产生ROS，膜磷脂代谢就成为氧化还原信号的潜在重要的靶标。氧化剂可激活磷脂酶 A2(P
5、LA2)和磷脂酶 D(PLD)，PLA2 在生长因子 EGF 作用下活化，升高钙离子，促使细胞凋亡6。 1.3 蛋白酪氨酸激酶 磷酸酶通路 与受体耦联的膜结合蛋白酪氨酸激酶(PTK) 相关的信号传导过程在细胞增殖调控等生命活动中起重要作用。ROS 的多种信号传导作用与PKT 磷酸酶有关。PTK 活化后，通过中介分子 SH2/SH3 蛋白活化 Ras 蛋白，直至激活促有丝分裂原蛋白激酶 MAPK，后者可使胞核内相应转录因子磷酸化。PTK 的激活以及细胞内多种酪氨酸的磷酸化分子能在细胞内调控多种细胞因子的合成，介导细胞凋亡。UVA 辐射诱导细胞外 H2O2 升高，引起 EGFR 和 ErbB2 的
6、活化，需要蛋白酪氨酸磷酸酶的参与7。 非受体酪氨酸激酶属于 SRC 家族（SRC 激酶）和 JNK 激酶家族，也受各种形式的氧化应激所调节8。 2 ROS 作用于细胞内的靶标 2.1 ROS 对细胞内蛋白激酶(PKC)的活化 ROS 的某些信号传导过程通过激活 PKC 实现，PKC 被激活后引发一系列蛋白质磷酸化的级联信号传导过程，抑制 PKC 可以减弱 H2O2 诱导的凋亡和线粒体膜电位的降低9。PKC 是辐射诱导的 ROS 的产生和线粒体介导的 Caspase 依赖的凋亡通路的关键分子。 2.2 磷脂酰肌醇酯3 激酶 离子和紫外线辐射诱导 ROS 产生，磷脂酰肌醇酯3 激酶(PI3K)AK
7、T 信号通路是主要的抗辐射通路，在许多细胞类型，PI3K/AKT 信号是 EGFR 受体家族下游的关键细胞保护反应信号并介导致癌作用。细胞因子如 HGF、IGF 和 IL6 都通过 PI3K/AKT 通路抑制辐射诱导的凋亡10。 2.3 MAPKs MAPKs 家族包括细胞外信号调节激酶(ERK)、JNK、p38 MAPK 和大MAPK(BMK/ ERK5)。MAPK 介导细胞丝裂原及应激活化的信号，外源性氧化剂可以活化 ERK。MAPK 家族的其他成员如大 MAPK1(BMK1) 对氧化应激也很敏感。在 PC12 细胞实验研究中发现，BMK1 可快速显著地被H2O2 激活并具有浓度依赖性，B
8、MK1 的激活可阻止缺血性细胞损伤11。Ask1 是对氧化还原敏感的 MAPKKK，可以调控 p38 MAPK 和 JNK 的级联反应，UVB 产生的 ROS 是 Ask1p38 MAPK 凋亡通路的重要调节者12。UVB 辐射可使细胞内 ROS 升高，通过影响 MAPK 通路导致细胞凋亡13。 2.4 细胞周期抑制剂 p21 ROS 在细胞周期的调控中起重要作用，包括信号转导的级联反应、蛋白的降解和细胞骨架的形成。p21waf1/cip1/sdi1 是细胞周期抑制子家族成员之一，这个家族还有 p27 和 p57，它们可以抑制细胞周期素依赖激酶（CDKs） ，进而诱导细胞生长停滞。研究表明，在
9、 ROS 浓度较高（非致死浓度）时，p21 引起细胞周期停滞；高浓度的 ROS 激活上述过程，导致细胞凋亡甚至死亡14。 2.5 转录因子 ROS 可攻击与转录因子有关的蛋白而诱导凋亡，ROS 对一些蛋白质的攻击造成蛋白质功能丧失，可能影响核基因转录而激活细胞凋亡途径15。几种与 DNA 结合的转录因子都含有半胱氨酸残基，如果半胱氨酸残基的巯基被氧化将导致它们与 DNA 结合能力大大降低。 活性蛋白1 是一个由 FosJun 或 JunJun 二聚体组成的转录复合体，也受氧化还原机制调节，外源性氧化剂和配体诱导的 ROS 都参与AP1 的活化16，抗氧化剂通过抑制 AP1 的活化而防止细胞凋亡
10、。 2.6 DNA 分子 ROS 对 DNA 分子具有直接氧化损伤作用，H2O2 极易通过细胞膜到达核内，与核酸某些特异位点的金属离子反应产生高活性的OH，OH 可攻击胸腺嘧啶形成胸腺嘧啶自由基而对 DNA 造成氧化损伤；ROS 可造成DNA 链断裂、碱基序列变化、交联及碱基修饰等17。 2.7 细胞色素 C 细胞经 H2O2 处理后线粒体膜渗透孔道开放、细胞色素 C 释放及后期的 Caspase 激活而促进细胞凋亡18。 2.8 钙离子 辐射激发 ROS 的产生可以引起细胞内 Ca2+浓度的升高19，细胞内Ca2+ 浓度的升高可能通过下述途径触发细胞凋亡，包括介导或促进 DNA 损伤、激活蛋
11、白酶(如 calpain) 和谷氨酰胺转移酶、激活 Ca2+/钙调素依赖性磷酸酶和升高核内 Ca2+ 浓度20。 2.9 抗氧化蛋白酶 ROS 对抗氧化蛋白酶具有灭活作用，生物体内有一套有效的抗氧化防御系统来防止 ROS 对机体的损伤。其中抗氧化酶如超氧化物岐化酶(SOD)、各种过氧化物酶如谷胱甘肽过氧化物酶(GSHPx) 和过氧化氢酶(CAT)，可清除 ROS，防止自由基反应21。 3 ROS 作用机制 ROS 作用机制普遍分为两类，即改变细胞内的还原状态和对蛋白的氧化修饰。 3.1 改变细胞的氧化还原状态 与细胞外环境相比，细胞质通常维持在较强的还原状态下，这是由细胞内的巯基化合物还原缓冲
12、能力来完成。主要是谷胱甘肽（GSH）和硫氧还蛋白(TRX)，高比值的还原型与氧化型的 GSH 和 TRX 分别由 GSH 还原酶和硫氧还蛋白还原酶活性来维持，这些巯基还原系统通过降低 H2O2 和脂质过氧化物抵消细胞内氧化应激，其反应由过氧化物酶催化22,23。ROS 的增高引起 GSH 的耗竭，增加细胞对活性氧的敏感性。TRX 是 Ask1的抑制剂，ROS 可以通过诱导 TRX 的降解活化 Ask1 ，诱导细胞凋亡24。3.2 对蛋白的氧化修饰 氧化修饰是细胞内的 ROS 诱导大分子发生氧化还原反应引起结构和构象的改变，发挥调控信号的传导功能，在细胞凋亡中发挥重要的作用。自由基和 ROS 氧
13、化修饰蛋白质功能区侧链上关键的氨基酸残基，这种修饰多有丝氨酸的羟基和半胱氨酸的巯基，进而改变蛋白质的结构，影响蛋白质多聚化、蛋白质与 FeS 或其他金属离子的结合等。关键氨基酸的氧化修饰可以发生在不同的方式下，如被氧化修饰的OH 或SH 位于酶的催化中心，则可以改变酶的活性，酶的催化活性丧失；如被氧化修饰的氨基酸残基位于 DNA 结合域，则改变转录因子结合 DNA 的能力，转录因子失去了与 DNA 结合及调控转录的能力；而蛋白质若不能与 FeS结合，则呼吸链电子传递及氧化磷酸化受阻。 特异性半胱氨酸的修饰需要 S 谷胱甘肽的参与，在巯醇转移酶的作用下，S 谷胱甘肽很容易改变其活性巯基集团。 相
14、同蛋白的两个或更多的半胱氨酸残基可以被氧化，形成二硫键，引起其构象改变，这是氧还调节的一个重要机制。半胱氨酸在 Ref1 和TRX 活性作用下容易被还原，促进 DNA 的结合25。分子间二硫键的形成也是调节酶活性的重要因素，抗氧化剂通过在 PKC 催化结构域内氧化还原活性的半胱氨酸残基二硫键的形成来调节 PKC 的活性。 在生物系统中，金属酶中的金属离子簇广泛存在，4Fe4S 在这些辅基中最为常见，可能是 ROS 的靶标，ROS 氧化某些酶中的4Fe4S 中心导致 Fe2+的释放，被 ROS 氧化的变性蛋白质最终均为蛋白水解酶所降解26。采取这种方式，活性氧通过改变某些含金属蛋白质的稳定性来调
15、节细胞功能。 细胞在氧化应激时由 ROS 引起的蛋白质和脂类氧化修饰是生物大分子调节自身功能并介导信号转导调控的重要方式，因此生物大分子氧化修饰是调控凋亡信号转导、促进凋亡发生的重要机制。 总之，活性氧作用于其分子靶标，是细胞信号传导系统的组成部分；另一方面，细胞通过各种酶系和生物抗氧化剂清除细胞内过多的 ROS，以避免氧化损伤。 【参考文献】 1BRIGELIUS F R, BANNING A, KNY M, et al. Redoxevents in interleukin1 J. Signaling Arch Biochem Biophys, 2004,423(1):66. 2DITTM
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