蛋白质特殊氧化与疾病关系的研究

1、蛋白质特殊氧化与疾病关系的研究作者：wangyu    科研信息来源：文献资料    点击数：135    更新时间：2009-7-3关键词：抗氧化剂,活性氮自由基,高血压,动脉粥样硬化,恶性肿瘤,蛋白质健康网讯：    氧化应激状态下,机体内强氧化剂与抗氧化剂的平衡遭到破坏,体内过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)会导致蛋白质氧化及组织损伤。蛋白质不仅是生物体的重要组成部分,而且在生命活动中还担负着多种重要功能,对蛋白质的氧化损伤势必会引发或加重疾病。研究已经证实,高血压、动脉粥样硬化、衰老、恶性肿瘤、糖尿病、哮喘、白内障等众多疾病与蛋白质的氧化损伤关系紧密, 且某些氧化产物在一定程度上又可以反映疾病的发展及状态。    导致蛋白质氧化损伤的因素除ROS和RNS外,还有紫外线、脂质过氧化物(丙二醛、丙烯醛)、氧化还原酶(黄嘌呤氧化酶、髓过氧化物酶(myeloperoxidase,MPO)、P450酶)等。   

3、60;蛋白质的氧化方式有多种类型,可分为断裂肽键的氧化反应和对侧链修饰的氧化反应。根据氧化产物的不同又可以把后者分为特殊及普遍的氧化反应。特殊的氧化反应是    氧化应激状态下,机体内强氧化剂与抗氧化剂的平衡遭到破坏,体内过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)会导致蛋白质氧化及组织损伤。蛋白质不仅是生物体的重要组成部分,而且在生命活动中还担负着多种重要功能,对蛋白质的氧化损伤势必会引发或加重疾病。研究已经证实,高血压、

4、动脉粥样硬化、衰老、恶性肿瘤、糖尿病、哮喘、白内障等众多疾病与蛋白质的氧化损伤关系紧密, 且某些氧化产物在一定程度上又可以反映疾病的发展及状态。    导致蛋白质氧化损伤的因素除ROS和RNS外,还有紫外线、脂质过氧化物(丙二醛、丙烯醛)、氧化还原酶(黄嘌呤氧化酶、髓过氧化物酶(myeloperoxidase,MPO)、P450酶)等。    蛋白质的氧化方式有多种类型,可分为断裂肽键的氧化反应和对侧链修饰的氧化反应。根据氧化产物的不同又可以把后者分为特殊及普遍的氧化反应。特殊的氧化反应是指由于氨基酸残基的多样性会

5、导致氧化产物的多样性,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) ,蛋氨酸生成亚砜,色氨酸氧化生成N-甲酰基犬尿氨酸或犬尿氨酸等;普遍的氧化反应生成羰基(Fig1)。深入研究蛋白质氧化和疾病的关系,将会为相关疾病的防治提供理论依据。    在此,我们对蛋白质特殊氧化与疾病的关系作一综述, 希望能为相关研究提供一些参考。    1蛋白质酪氨酸硝基化生成3-NT与疾病的关系   &

6、#160;在生物体内,当巨噬细胞、神经细胞、内皮细胞等细胞中一氧化氮自由基(NO)与超氧阴离子(O2·-)同时产生时, 二者可迅速反应生成过氧亚硝基离子(ONOO-) 。ONOO - 能够直接硝基化蛋白质中的酪氨酸,生成32NT。此外,含血红素蛋白的过氧化物酶(如:MPO、嗜曙红细胞过氧化物酶) 以及亚铁血红素(Heme),可以直接催化NO2-和H2O2体系,硝基化蛋白质,生成3-NT。硝基化的酪氨酸因不能被磷酸化而直接影响多条信号转导通路,此外, 32NT本身也具有细胞毒性。大量研究证实, 3-NT与多种疾病关系密切。    1.1蛋白质酪氨

7、酸硝基化与动脉粥样硬化动脉粥样硬化是以动脉血管壁变硬变厚为特征的多因素性疾病,是心脏病和中风的主要病因。多项研究指出,动脉粥样硬化发生和发展过程伴随着3-NT的生成及水平的增高。众所周知,血管平滑肌细胞的迁移,是包括动脉粥样硬化在内的多种心血管疾病发病机制中新内膜形成的主要过程。研究证实,游离的 3-NT可以通过激活人动脉平滑肌细胞(aortic smooth muscle cell,AoSMC)的细胞外信号调节酶1和2(ERK1/2)信号通路,以及上调与细胞迁移紧密相关的一些因子(如血小板衍生生长因子受体B基质金属蛋白酶2等)的mRNA及蛋白表达,同时增加ROS的生成,从而促进AoSMC的迁

8、移。进一步会影响相关疾病的发生与发展。    1.2蛋白质酪氨酸硝基化与高血压高血压是一种慢性心血管疾病,常影响机体内的多个组织器官。研究发现,高血压病人颈动脉斑块中存在着酪氨酸的硝基化,且高血压伴有早晨高血压波动病人与无早晨高血压波动的病人相比,前者的颈动脉斑块中含有更多的3-NT。此外,动物实验研究表明, 自发性高血压大鼠(spontaneously hypertensive rat, SHR)体内存在着氧化应激,在SHR损伤的动脉、小动脉以及梗死的脑组织中, 3-NT的水平明显高于魏- 凯二氏大鼠(Wistar2Kyoto,WKY)。此外,慢性肾功

9、能衰竭伴有高血压的Sp rague Dawley(SD)大鼠也有较高的丙二醛(MDA) 及组织3-NT水平。而对于灌注血管紧张素而诱导产生高血压的大鼠,肾中的锰超氧化物歧化酶(manganese superox- ide dismutase,MnSOD)硝基化后,活性降低约50% ,MnSOD 抗氧化活性降低,会加剧肾的氧化应激程度,从而进一步影响疾病的发展进程。    1.3蛋白质酪氨酸硝基化与神经系统疾病用电击足底、禁食、冰水游泳、热应激等方法建立的慢性不可预见性应激大鼠模型。免疫组织化学染色显示,大鼠脑皮质神经细胞各细胞层均能检测到3-NT,特别是

10、锥体层细胞最为明显(对照组没有检测到3-NT)。用闭塞中脑动脉的方法复制的局灶性脑缺血大鼠模型。在同侧纹状体和皮层溶胶中检测到 3-NT,而经过治疗的大鼠, 3-NT生成明显减少。在神经系统疾病的相关实验研究中,对3-NT的定位和定量,可以部分地反映疾病容易损伤的神经位点,以及病理损伤的严重程度, 从而为此类疾病的临床预防和治疗提供相应的理论及科研依据。    1.4蛋白质酪氨酸硝基化与肿瘤研究表明,蛋白质酪氨酸硝基化后会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,会失去结合DNA的能力。另外,在艾滋病相关的卡波济氏肉瘤(AIDS-rel

11、ated Kaposis sarcoma, AIDS-KS)细胞中,存在着MnSOD酪氨酸的硝基化。其它研究证实,在肺癌、鳞状上皮细胞癌和腺癌中,蛋白的酪氨酸硝基化程度明显增高。且肿瘤内部酪氨酸硝基化程度更强,而在无肿瘤的区域几乎检测不到3-NT。以上研究结果表明,蛋白质硝基化与肿瘤的发生发展过程关系密切。    1.5蛋白质酪氨酸硝基化与富含亚铁血红素(Heme)组织及器官的疾病肌红蛋白(一种血红素蛋白)主要存在于骨骼肌和心脏中,通过对心脏、骨骼肌、脑、肝、肾组织匀浆研究发现,当H2O2和NO2-存在时,只在心脏和骨骼肌匀浆中检测到了3-NT。如果加入

12、外源性的Heme,就可以使脑、肝、肾中的蛋白硝基化。进一步的研究证明,过氧化物酶(包括 MPO、乳过氧化物酶、甲状腺过氧化物酶等),均含有血红素同源性结构,而血红素含有原卟啉铁复合物结构。有研究者指出,含铁卟啉的蛋白质可能都是通过四价铁中间态方式,催化NO2-/H2O2生成活性氮,从而导致酪氨酸硝基化。而且这个反应在生理病理过程中存在的可能性程度要远大于ONOO-引起的蛋白质硝基化。此种原因导致的蛋白质硝基化,在富含铁卟啉化合物结构的组织中(如心脏、骨骼肌)会更易发生,所以应该重视富含亚铁血红素的组织及器官的相关疾病与蛋白质酪氨酸硝基化的关联性。    

13、1.6蛋白质酪氨酸硝基化与其它疾病研究证实,在哮喘病人呼吸道上皮细胞中,存在着酪氨酸的硝基化。甚至在哮喘病人呼出的气体中,也能够检测到3-NT。动物实验也证实,对于呼吸道致敏的小鼠,在气管上皮细胞中检测到3- NT。在致敏的肺中也有较高的3-NT 水平。Parastatidis 等研究证实,冠心病模型小鼠血浆中硝基化的纤维蛋白素原增加,且链是最容易被硝基化的位点。此外,有研究者证实,全身脂肪含量与血管内皮细胞蛋白中的3-NT水平呈正比,进一步的提示体内脂肪含量与相关疾病的关联性。    2蛋白质酪氨酸氧化生成3-Cl-Tyr与疾病的关系 

14、60;  H2O2在MPO存在的情况下,能够氧化氯化物生成次氯酸(hypochlorous acid, HClO);此外,中性粒细胞也可以生成 HClO。HClO能够氧化蛋白质中的酪氨酸,生成3-Cl-Tyr。大量的研究证明,多种疾病的发生发展状态与体内3-Cl-Tyr 的生成水平关系密切。    2.13-Cl-Tyr与帕金森氏病(Parkinsons disease, PD)研究表明,在PD病人,以及用1-甲基-4-苯基-1, 2, 3, 6-四氢吡啶(1-methyl-4-phenyl-1, 2, 3, 6-tetrahydro

15、pyridine, MPTP)复制的PD动物模型的大脑中,有高水平的3-Cl-Tyr。同时,黑质致密部和神经终端区域的MPO表达明显增高,进一步验证了MPO与3-Cl-Tyr生成的关联性。    2.23-Cl-Tyr与哮喘研究表明,哮喘病人体内的3-Cl- Tyr水平增高。此外,哮喘病人的支气管灌洗液以及尿中均有高浓度的3-Cl-Tyr。值得一提的是从哮喘病人体内获得的中性粒细胞,当用细菌肽刺激时,释放的MPO 量增多,且 MPO释放的浓度与哮喘病人肺功能相关。    2.33-Cl-Tyr与动脉粥样硬化研究表明

16、,含有3-Cl-Tyr 残基的高密度脂蛋白(high density lipop rotein, HDL )和低密度脂蛋白(low density lipop rotein,LDL)与动脉粥样硬化的形成和病理过程相关联。动脉粥样硬化患者血管内膜LDL中的3-Cl-Tyr的水平,以及冠心病病人血浆的HDL 中的3-Cl- Tyr水平,与健康人相比均明显增高,且3-Cl-Tyr还能够通过降低内皮依赖性的血管舒张和内皮型NO合酶(endothelial nitric oxide synthase, eNOS)的表达而导致内皮功能异常。此外,游离3-Cl-Tyr能呈浓度及时间依赖性地增加人AoSMC

17、的迁移,作用机制与3-NT相似。    2.43-Cl-Tyr与其它疾病的关系Cheng等研究表明, 急性心肌梗死病人,与正常对照组相比,病人的白细胞、血浆 MPO以及3-Cl-Tyr水平明显增高。且血浆MPO 水平与3- Cl-Tyr呈正相关。另外,有呼吸功能异常的早产儿气管抽吸物中、患有囊性纤维化病人的痰中, 3-Cl-Tyr含量都较高。在神经变性性疾病发生病变的大脑区域同样有很高的3-Cl-Tyr 水平。体外研究表明,把心内膜上皮细胞和脐静脉内皮细胞与H2O2(60mol·L-1)共孵育一定时间,细胞中会有3-Cl-Tyr生成。此外,用H

18、OCl处理过的平滑肌细胞,也会有大量的3-Cl-Tyr生成,而当加入维生素C时, 3-Cl-Tyr的生成量会减少,证明抗氧化剂可以减少3-Cl-Tyr的生成,减轻蛋白质的氧化损伤,从而起到保护机体的作用。    3蛋白质蛋氨酸的氧化及其与疾病的关系    蛋白质的蛋氨酸(methionine,Met)残基能够被多种类型的ROS氧化,生成S构型的蛋氨酸亚砜(Met-S(O)和R构型的蛋氨酸亚砜(Met-R (O),导致蛋白功能的降低或丧失。与其它氨基酸残基的氧化不同(除半胱氨酸外),Met-S (O) 和Met-R(

19、O)能够分别被蛋氨酸亚砜还原酶(methionine sul- foxide reductase,Msr)A(MsrA)和B (MsrB)还原成Met。    由于Met很容易被氧化,因此,MsrA和MsrB酶在维护蛋白内环境稳态中发挥着重要作用。大量研究证实,机体内 Msr的活性与多种疾病关系密切。    3.1Met氧化与缺血/再灌注损伤对心脏缺血/再灌注损伤的大鼠左心室线粒体及细胞溶质研究,与对照组相比,在线粒体,Msr的活性在缺血30 min后降低,且再灌注30 min 后降低更多,而当再灌注60 min时

20、,可以部分地恢复Msr 的活性。与之相比,细胞溶质的Msr活性不受局部缺血的影响。推测原因,可能是由于线粒体是产生自由基的场所, 短时间的缺血及再灌注造成的损伤对溶质中Msr影响较小。    3.2Met氧化与衰老大量研究证实,衰老的过程伴随着蛋白质氧化,同时,蛋白质的氧化在某种程度上也促进着衰老的进程,Bulvik等研究表明,MsrA mRNA在衰老大鼠的心脏中明显增高,但是MsrA的活性却明显降低。推测MsrA mRNA的高表达,是针对增高的氧化应激所产生的一种保护性反应。其它研究发现,由突变导致的小鼠体内的Msr失活,可以使小鼠的寿命缩短40%。而

21、Msr在苍蝇中的过度表达,能够使其寿命几乎成倍的延长;此外,在患有白内障的老年人的晶状体中,-晶体蛋白与内在的薄膜部分,随年龄的增长,蛋氨酸亚砜(MetO)会有很大程度的增加(占总Met 的2/3),但是对于健康志愿者,MetO只是轻度的升高;以上研究证明,Met的氧化与衰老关系密切,Msr的活性增高及含量增加,可以在一定程度上改善衰老的状态。    3.3Met氧化与其它疾病的关系Fomenko等对MsrB1 基因敲除的小鼠研究表明,小鼠肝脏和肾脏中的MsrB活性明显降低。同时,肝脏和肾脏中丙二醛、蛋白羰基化及蛋白质MetO水平增高。其它研究证实,缺失

22、MsrA基因的大肠杆菌、酵母、小鼠或者人的晶状体细胞会导致增高水平的氧化应激。相比较来说,Msr的高表达可以增加机体对氧化应激的抵抗能力,并且增加细胞的存活率。譬如,Msr存在于眼睛的晶状体,可以保护晶状体免受氧化应激的损伤。线粒体MsrB2的高表达能够保护白血球过多症细胞抵御细胞死亡诱导的氧化应激以及蛋白损伤。    4其它氨基酸残基的氧化与疾病的关系    4.1苯丙氨酸的氧化及其与疾病的关系蛋白质中的苯丙氨酸的氧化亦与多种疾病关系密切。具有强氧化活性的羟基能把L-苯丙氨酸氧化成间羟基酪氨酸(m-tyrosin

23、e)和邻羟基酪氨酸(o-tyrosine)。研究者常把间羟基酪氨酸作为氧化苯丙氨酸的标志物用于评价组织蛋白的氧化程度。有研究表明,在老年人的晶状体蛋白中,有很高的间羟基酪氨酸水平。另外,动物实验研究证实,在经过疲劳训练的动物模型的线粒体中,以及在心脏经受缺血/再灌注损伤的动物血液及糖尿病大鼠的视网膜组织中,间羟基酪氨酸的含量也较高。体外研究表明,高浓度的间羟基酪氨酸会对中国仓鼠卵巢细胞(Chinese-hamster ovary, CHO)产生细胞毒性,将间羟基酪氨酸和CHO细胞共培养,会呈浓度依赖性地抑制菌落的形成。将CHO细胞和不同浓度的间羟基酪氨酸共培养24 h,在很大程度上抑制了CHO细胞还原MTS(3-(4, 5-dimeth- ylthiazol-zyl)-5-(3-carboxymethox