蛋白質(zhì)特殊氧化與疾病關(guān)系的研究

1、蛋白質(zhì)特殊氧化與疾病關(guān)系的研究作者：wangyu    科研信息來源：文獻(xiàn)資料    點(diǎn)擊數(shù)：135    更新時(shí)間：2009-7-3關(guān)鍵詞：抗氧化劑,活性氮自由基,高血壓,動(dòng)脈粥樣硬化,惡性腫瘤,蛋白質(zhì)健康網(wǎng)訊：    氧化應(yīng)激狀態(tài)下,機(jī)體內(nèi)強(qiáng)氧化劑與抗氧化劑的平衡遭到破壞,體內(nèi)過多生成的高活性分子如活性氧自由基(reac- tive oxygen species, ROS)和活性氮自由基(reactive nitrogen spec

2、ies, RNS)會(huì)導(dǎo)致蛋白質(zhì)氧化及組織損傷。蛋白質(zhì)不僅是生物體的重要組成部分,而且在生命活動(dòng)中還擔(dān)負(fù)著多種重要功能,對(duì)蛋白質(zhì)的氧化損傷勢(shì)必會(huì)引發(fā)或加重疾病。研究已經(jīng)證實(shí),高血壓、動(dòng)脈粥樣硬化、衰老、惡性腫瘤、糖尿病、哮喘、白內(nèi)障等眾多疾病與蛋白質(zhì)的氧化損傷關(guān)系緊密, 且某些氧化產(chǎn)物在一定程度上又可以反映疾病的發(fā)展及狀態(tài)。    導(dǎo)致蛋白質(zhì)氧化損傷的因素除ROS和RNS外,還有紫外線、脂質(zhì)過氧化物(丙二醛、丙烯醛)、氧化還原酶(黃嘌呤氧化酶、髓過氧化物酶(myeloperoxidase,MPO)、P450酶)等。   

3、60;蛋白質(zhì)的氧化方式有多種類型,可分為斷裂肽鍵的氧化反應(yīng)和對(duì)側(cè)鏈修飾的氧化反應(yīng)。根據(jù)氧化產(chǎn)物的不同又可以把后者分為特殊及普遍的氧化反應(yīng)。特殊的氧化反應(yīng)是    氧化應(yīng)激狀態(tài)下,機(jī)體內(nèi)強(qiáng)氧化劑與抗氧化劑的平衡遭到破壞,體內(nèi)過多生成的高活性分子如活性氧自由基(reac- tive oxygen species, ROS)和活性氮自由基(reactive nitrogen species, RNS)會(huì)導(dǎo)致蛋白質(zhì)氧化及組織損傷。蛋白質(zhì)不僅是生物體的重要組成部分,而且在生命活動(dòng)中還擔(dān)負(fù)著多種重要功能,對(duì)蛋白質(zhì)的氧化損傷勢(shì)必會(huì)引發(fā)或加重疾病。研究已經(jīng)證實(shí),高血壓、

4、動(dòng)脈粥樣硬化、衰老、惡性腫瘤、糖尿病、哮喘、白內(nèi)障等眾多疾病與蛋白質(zhì)的氧化損傷關(guān)系緊密, 且某些氧化產(chǎn)物在一定程度上又可以反映疾病的發(fā)展及狀態(tài)。    導(dǎo)致蛋白質(zhì)氧化損傷的因素除ROS和RNS外,還有紫外線、脂質(zhì)過氧化物(丙二醛、丙烯醛)、氧化還原酶(黃嘌呤氧化酶、髓過氧化物酶(myeloperoxidase,MPO)、P450酶)等。    蛋白質(zhì)的氧化方式有多種類型,可分為斷裂肽鍵的氧化反應(yīng)和對(duì)側(cè)鏈修飾的氧化反應(yīng)。根據(jù)氧化產(chǎn)物的不同又可以把后者分為特殊及普遍的氧化反應(yīng)。特殊的氧化反應(yīng)是指由于氨基酸殘基的多樣性會(huì)

5、導(dǎo)致氧化產(chǎn)物的多樣性,例如:酪氨酸氧化生成3-硝基酪氨酸(3-nitrotyrosine, 3-NT)或 3-氯酪氨酸(3-chlorotyrosine, 3-Cl-Tyr) ,蛋氨酸生成亞砜,色氨酸氧化生成N-甲?；虬彼峄蛉虬彼岬?普遍的氧化反應(yīng)生成羰基(Fig1)。深入研究蛋白質(zhì)氧化和疾病的關(guān)系,將會(huì)為相關(guān)疾病的防治提供理論依據(jù)。    在此,我們對(duì)蛋白質(zhì)特殊氧化與疾病的關(guān)系作一綜述, 希望能為相關(guān)研究提供一些參考。    1蛋白質(zhì)酪氨酸硝基化生成3-NT與疾病的關(guān)系   &

6、#160;在生物體內(nèi),當(dāng)巨噬細(xì)胞、神經(jīng)細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞等細(xì)胞中一氧化氮自由基(NO)與超氧陰離子(O2·-)同時(shí)產(chǎn)生時(shí), 二者可迅速反應(yīng)生成過氧亞硝基離子(ONOO-) 。ONOO - 能夠直接硝基化蛋白質(zhì)中的酪氨酸,生成32NT。此外,含血紅素蛋白的過氧化物酶(如:MPO、嗜曙紅細(xì)胞過氧化物酶) 以及亞鐵血紅素(Heme),可以直接催化NO2-和H2O2體系,硝基化蛋白質(zhì),生成3-NT。硝基化的酪氨酸因不能被磷酸化而直接影響多條信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路,此外, 32NT本身也具有細(xì)胞毒性。大量研究證實(shí), 3-NT與多種疾病關(guān)系密切。    1.1蛋白質(zhì)酪氨

7、酸硝基化與動(dòng)脈粥樣硬化動(dòng)脈粥樣硬化是以動(dòng)脈血管壁變硬變厚為特征的多因素性疾病,是心臟病和中風(fēng)的主要病因。多項(xiàng)研究指出,動(dòng)脈粥樣硬化發(fā)生和發(fā)展過程伴隨著3-NT的生成及水平的增高。眾所周知,血管平滑肌細(xì)胞的遷移,是包括動(dòng)脈粥樣硬化在內(nèi)的多種心血管疾病發(fā)病機(jī)制中新內(nèi)膜形成的主要過程。研究證實(shí),游離的 3-NT可以通過激活人動(dòng)脈平滑肌細(xì)胞(aortic smooth muscle cell,AoSMC)的細(xì)胞外信號(hào)調(diào)節(jié)酶1和2(ERK1/2)信號(hào)通路,以及上調(diào)與細(xì)胞遷移緊密相關(guān)的一些因子(如血小板衍生生長(zhǎng)因子受體B基質(zhì)金屬蛋白酶2等)的mRNA及蛋白表達(dá),同時(shí)增加ROS的生成,從而促進(jìn)AoSMC的遷

8、移。進(jìn)一步會(huì)影響相關(guān)疾病的發(fā)生與發(fā)展。    1.2蛋白質(zhì)酪氨酸硝基化與高血壓高血壓是一種慢性心血管疾病,常影響機(jī)體內(nèi)的多個(gè)組織器官。研究發(fā)現(xiàn),高血壓病人頸動(dòng)脈斑塊中存在著酪氨酸的硝基化,且高血壓伴有早晨高血壓波動(dòng)病人與無早晨高血壓波動(dòng)的病人相比,前者的頸動(dòng)脈斑塊中含有更多的3-NT。此外,動(dòng)物實(shí)驗(yàn)研究表明, 自發(fā)性高血壓大鼠(spontaneously hypertensive rat, SHR)體內(nèi)存在著氧化應(yīng)激,在SHR損傷的動(dòng)脈、小動(dòng)脈以及梗死的腦組織中, 3-NT的水平明顯高于魏- 凱二氏大鼠(Wistar2Kyoto,WKY)。此外,慢性腎功

9、能衰竭伴有高血壓的Sp rague Dawley(SD)大鼠也有較高的丙二醛(MDA) 及組織3-NT水平。而對(duì)于灌注血管緊張素而誘導(dǎo)產(chǎn)生高血壓的大鼠,腎中的錳超氧化物歧化酶(manganese superox- ide dismutase,MnSOD)硝基化后,活性降低約50% ,MnSOD 抗氧化活性降低,會(huì)加劇腎的氧化應(yīng)激程度,從而進(jìn)一步影響疾病的發(fā)展進(jìn)程。    1.3蛋白質(zhì)酪氨酸硝基化與神經(jīng)系統(tǒng)疾病用電擊足底、禁食、冰水游泳、熱應(yīng)激等方法建立的慢性不可預(yù)見性應(yīng)激大鼠模型。免疫組織化學(xué)染色顯示,大鼠腦皮質(zhì)神經(jīng)細(xì)胞各細(xì)胞層均能檢測(cè)到3-NT,特別是

10、錐體層細(xì)胞最為明顯(對(duì)照組沒有檢測(cè)到3-NT)。用閉塞中腦動(dòng)脈的方法復(fù)制的局灶性腦缺血大鼠模型。在同側(cè)紋狀體和皮層溶膠中檢測(cè)到 3-NT,而經(jīng)過治療的大鼠, 3-NT生成明顯減少。在神經(jīng)系統(tǒng)疾病的相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究中,對(duì)3-NT的定位和定量,可以部分地反映疾病容易損傷的神經(jīng)位點(diǎn),以及病理損傷的嚴(yán)重程度, 從而為此類疾病的臨床預(yù)防和治療提供相應(yīng)的理論及科研依據(jù)。    1.4蛋白質(zhì)酪氨酸硝基化與腫瘤研究表明,蛋白質(zhì)酪氨酸硝基化后會(huì)引起癌基因的激活及抑癌基因的失活。如 p53蛋白被硝基化后,會(huì)失去結(jié)合DNA的能力。另外,在艾滋病相關(guān)的卡波濟(jì)氏肉瘤(AIDS-rel

11、ated Kaposis sarcoma, AIDS-KS)細(xì)胞中,存在著MnSOD酪氨酸的硝基化。其它研究證實(shí),在肺癌、鱗狀上皮細(xì)胞癌和腺癌中,蛋白的酪氨酸硝基化程度明顯增高。且腫瘤內(nèi)部酪氨酸硝基化程度更強(qiáng),而在無腫瘤的區(qū)域幾乎檢測(cè)不到3-NT。以上研究結(jié)果表明,蛋白質(zhì)硝基化與腫瘤的發(fā)生發(fā)展過程關(guān)系密切。    1.5蛋白質(zhì)酪氨酸硝基化與富含亞鐵血紅素(Heme)組織及器官的疾病肌紅蛋白(一種血紅素蛋白)主要存在于骨骼肌和心臟中,通過對(duì)心臟、骨骼肌、腦、肝、腎組織勻漿研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)H2O2和NO2-存在時(shí),只在心臟和骨骼肌勻漿中檢測(cè)到了3-NT。如果加入

12、外源性的Heme,就可以使腦、肝、腎中的蛋白硝基化。進(jìn)一步的研究證明,過氧化物酶(包括 MPO、乳過氧化物酶、甲狀腺過氧化物酶等),均含有血紅素同源性結(jié)構(gòu),而血紅素含有原卟啉鐵復(fù)合物結(jié)構(gòu)。有研究者指出,含鐵卟啉的蛋白質(zhì)可能都是通過四價(jià)鐵中間態(tài)方式,催化NO2-/H2O2生成活性氮,從而導(dǎo)致酪氨酸硝基化。而且這個(gè)反應(yīng)在生理病理過程中存在的可能性程度要遠(yuǎn)大于ONOO-引起的蛋白質(zhì)硝基化。此種原因?qū)е碌牡鞍踪|(zhì)硝基化,在富含鐵卟啉化合物結(jié)構(gòu)的組織中(如心臟、骨骼肌)會(huì)更易發(fā)生,所以應(yīng)該重視富含亞鐵血紅素的組織及器官的相關(guān)疾病與蛋白質(zhì)酪氨酸硝基化的關(guān)聯(lián)性。    

13、1.6蛋白質(zhì)酪氨酸硝基化與其它疾病研究證實(shí),在哮喘病人呼吸道上皮細(xì)胞中,存在著酪氨酸的硝基化。甚至在哮喘病人呼出的氣體中,也能夠檢測(cè)到3-NT。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)也證實(shí),對(duì)于呼吸道致敏的小鼠,在氣管上皮細(xì)胞中檢測(cè)到3- NT。在致敏的肺中也有較高的3-NT 水平。Parastatidis 等研究證實(shí),冠心病模型小鼠血漿中硝基化的纖維蛋白素原增加,且鏈?zhǔn)亲钊菀妆幌趸奈稽c(diǎn)。此外,有研究者證實(shí),全身脂肪含量與血管內(nèi)皮細(xì)胞蛋白中的3-NT水平呈正比,進(jìn)一步的提示體內(nèi)脂肪含量與相關(guān)疾病的關(guān)聯(lián)性。    2蛋白質(zhì)酪氨酸氧化生成3-Cl-Tyr與疾病的關(guān)系 

14、60;  H2O2在MPO存在的情況下,能夠氧化氯化物生成次氯酸(hypochlorous acid, HClO);此外,中性粒細(xì)胞也可以生成 HClO。HClO能夠氧化蛋白質(zhì)中的酪氨酸,生成3-Cl-Tyr。大量的研究證明,多種疾病的發(fā)生發(fā)展?fàn)顟B(tài)與體內(nèi)3-Cl-Tyr 的生成水平關(guān)系密切。    2.13-Cl-Tyr與帕金森氏病(Parkinsons disease, PD)研究表明,在PD病人,以及用1-甲基-4-苯基-1, 2, 3, 6-四氫吡啶(1-methyl-4-phenyl-1, 2, 3, 6-tetrahydro

15、pyridine, MPTP)復(fù)制的PD動(dòng)物模型的大腦中,有高水平的3-Cl-Tyr。同時(shí),黑質(zhì)致密部和神經(jīng)終端區(qū)域的MPO表達(dá)明顯增高,進(jìn)一步驗(yàn)證了MPO與3-Cl-Tyr生成的關(guān)聯(lián)性。    2.23-Cl-Tyr與哮喘研究表明,哮喘病人體內(nèi)的3-Cl- Tyr水平增高。此外,哮喘病人的支氣管灌洗液以及尿中均有高濃度的3-Cl-Tyr。值得一提的是從哮喘病人體內(nèi)獲得的中性粒細(xì)胞,當(dāng)用細(xì)菌肽刺激時(shí),釋放的MPO 量增多,且 MPO釋放的濃度與哮喘病人肺功能相關(guān)。    2.33-Cl-Tyr與動(dòng)脈粥樣硬化研究表明

16、,含有3-Cl-Tyr 殘基的高密度脂蛋白(high density lipop rotein, HDL )和低密度脂蛋白(low density lipop rotein,LDL)與動(dòng)脈粥樣硬化的形成和病理過程相關(guān)聯(lián)。動(dòng)脈粥樣硬化患者血管內(nèi)膜LDL中的3-Cl-Tyr的水平,以及冠心病病人血漿的HDL 中的3-Cl- Tyr水平,與健康人相比均明顯增高,且3-Cl-Tyr還能夠通過降低內(nèi)皮依賴性的血管舒張和內(nèi)皮型NO合酶(endothelial nitric oxide synthase, eNOS)的表達(dá)而導(dǎo)致內(nèi)皮功能異常。此外,游離3-Cl-Tyr能呈濃度及時(shí)間依賴性地增加人AoSMC

17、的遷移,作用機(jī)制與3-NT相似。    2.43-Cl-Tyr與其它疾病的關(guān)系Cheng等研究表明, 急性心肌梗死病人,與正常對(duì)照組相比,病人的白細(xì)胞、血漿 MPO以及3-Cl-Tyr水平明顯增高。且血漿MPO 水平與3- Cl-Tyr呈正相關(guān)。另外,有呼吸功能異常的早產(chǎn)兒氣管抽吸物中、患有囊性纖維化病人的痰中, 3-Cl-Tyr含量都較高。在神經(jīng)變性性疾病發(fā)生病變的大腦區(qū)域同樣有很高的3-Cl-Tyr 水平。體外研究表明,把心內(nèi)膜上皮細(xì)胞和臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞與H2O2(60mol·L-1)共孵育一定時(shí)間,細(xì)胞中會(huì)有3-Cl-Tyr生成。此外,用H

18、OCl處理過的平滑肌細(xì)胞,也會(huì)有大量的3-Cl-Tyr生成,而當(dāng)加入維生素C時(shí), 3-Cl-Tyr的生成量會(huì)減少,證明抗氧化劑可以減少3-Cl-Tyr的生成,減輕蛋白質(zhì)的氧化損傷,從而起到保護(hù)機(jī)體的作用。    3蛋白質(zhì)蛋氨酸的氧化及其與疾病的關(guān)系    蛋白質(zhì)的蛋氨酸(methionine,Met)殘基能夠被多種類型的ROS氧化,生成S構(gòu)型的蛋氨酸亞砜(Met-S(O)和R構(gòu)型的蛋氨酸亞砜(Met-R (O),導(dǎo)致蛋白功能的降低或喪失。與其它氨基酸殘基的氧化不同(除半胱氨酸外),Met-S (O) 和Met-R(

19、O)能夠分別被蛋氨酸亞砜還原酶(methionine sul- foxide reductase,Msr)A(MsrA)和B (MsrB)還原成Met。    由于Met很容易被氧化,因此,MsrA和MsrB酶在維護(hù)蛋白內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)中發(fā)揮著重要作用。大量研究證實(shí),機(jī)體內(nèi) Msr的活性與多種疾病關(guān)系密切。    3.1Met氧化與缺血/再灌注損傷對(duì)心臟缺血/再灌注損傷的大鼠左心室線粒體及細(xì)胞溶質(zhì)研究,與對(duì)照組相比,在線粒體,Msr的活性在缺血30 min后降低,且再灌注30 min 后降低更多,而當(dāng)再灌注60 min時(shí)

20、,可以部分地恢復(fù)Msr 的活性。與之相比,細(xì)胞溶質(zhì)的Msr活性不受局部缺血的影響。推測(cè)原因,可能是由于線粒體是產(chǎn)生自由基的場(chǎng)所, 短時(shí)間的缺血及再灌注造成的損傷對(duì)溶質(zhì)中Msr影響較小。    3.2Met氧化與衰老大量研究證實(shí),衰老的過程伴隨著蛋白質(zhì)氧化,同時(shí),蛋白質(zhì)的氧化在某種程度上也促進(jìn)著衰老的進(jìn)程,Bulvik等研究表明,MsrA mRNA在衰老大鼠的心臟中明顯增高,但是MsrA的活性卻明顯降低。推測(cè)MsrA mRNA的高表達(dá),是針對(duì)增高的氧化應(yīng)激所產(chǎn)生的一種保護(hù)性反應(yīng)。其它研究發(fā)現(xiàn),由突變導(dǎo)致的小鼠體內(nèi)的Msr失活,可以使小鼠的壽命縮短40%。而

21、Msr在蒼蠅中的過度表達(dá),能夠使其壽命幾乎成倍的延長(zhǎng);此外,在患有白內(nèi)障的老年人的晶狀體中,-晶體蛋白與內(nèi)在的薄膜部分,隨年齡的增長(zhǎng),蛋氨酸亞砜(MetO)會(huì)有很大程度的增加(占總Met 的2/3),但是對(duì)于健康志愿者,MetO只是輕度的升高;以上研究證明,Met的氧化與衰老關(guān)系密切,Msr的活性增高及含量增加,可以在一定程度上改善衰老的狀態(tài)。    3.3Met氧化與其它疾病的關(guān)系Fomenko等對(duì)MsrB1 基因敲除的小鼠研究表明,小鼠肝臟和腎臟中的MsrB活性明顯降低。同時(shí),肝臟和腎臟中丙二醛、蛋白羰基化及蛋白質(zhì)MetO水平增高。其它研究證實(shí),缺失

22、MsrA基因的大腸桿菌、酵母、小鼠或者人的晶狀體細(xì)胞會(huì)導(dǎo)致增高水平的氧化應(yīng)激。相比較來說,Msr的高表達(dá)可以增加機(jī)體對(duì)氧化應(yīng)激的抵抗能力,并且增加細(xì)胞的存活率。譬如,Msr存在于眼睛的晶狀體,可以保護(hù)晶狀體免受氧化應(yīng)激的損傷。線粒體MsrB2的高表達(dá)能夠保護(hù)白血球過多癥細(xì)胞抵御細(xì)胞死亡誘導(dǎo)的氧化應(yīng)激以及蛋白損傷。    4其它氨基酸殘基的氧化與疾病的關(guān)系    4.1苯丙氨酸的氧化及其與疾病的關(guān)系蛋白質(zhì)中的苯丙氨酸的氧化亦與多種疾病關(guān)系密切。具有強(qiáng)氧化活性的羥基能把L-苯丙氨酸氧化成間羥基酪氨酸(m-tyrosin

23、e)和鄰羥基酪氨酸(o-tyrosine)。研究者常把間羥基酪氨酸作為氧化苯丙氨酸的標(biāo)志物用于評(píng)價(jià)組織蛋白的氧化程度。有研究表明,在老年人的晶狀體蛋白中,有很高的間羥基酪氨酸水平。另外,動(dòng)物實(shí)驗(yàn)研究證實(shí),在經(jīng)過疲勞訓(xùn)練的動(dòng)物模型的線粒體中,以及在心臟經(jīng)受缺血/再灌注損傷的動(dòng)物血液及糖尿病大鼠的視網(wǎng)膜組織中,間羥基酪氨酸的含量也較高。體外研究表明,高濃度的間羥基酪氨酸會(huì)對(duì)中國倉鼠卵巢細(xì)胞(Chinese-hamster ovary, CHO)產(chǎn)生細(xì)胞毒性,將間羥基酪氨酸和CHO細(xì)胞共培養(yǎng),會(huì)呈濃度依賴性地抑制菌落的形成。將CHO細(xì)胞和不同濃度的間羥基酪氨酸共培養(yǎng)24 h,在很大程度上抑制了CHO細(xì)胞還原MTS(3-(4, 5-dimeth- ylthiazol-zyl)-5-(3-carboxymethox