硒蛋白家族及其功能的研究进展

刘 哲，张 峰，梁建斌，于德斌，武 瑞

（1.黑龙江八一农垦大学生命科学技术学院，黑龙江 大庆163319；2.大庆油田总医院，黑龙江 大庆163331；3.黑龙江八一农垦大学动物科学技术学院，黑龙江 大庆163319）

硒(Se)是对人类健康非常重要的微量元素，其功能涉及甲状腺激素代谢、预防神经退行性病变和癌症，以及免疫反应。硒的生物学效应的主要通过硒蛋白的产生，硒蛋白参与免疫细胞激活、增殖和分化，驱动天然免疫与适应性免疫。研究硒蛋白的作用机理，对掌握硒蛋白调控生物合成和代谢尤为重要。

1 Se的生物活性及其功能

非常低或高的硒水平都是有害或致命的。硒在机体内主要以含硒酶和硒蛋白质两种活性物质存在。硒代氨基酸主要是硒代蛋氨酸(Se-Met)和硒代半胱氨酸(Se-Cys；Sec)。人类摄取Se主要是Se-Met，通过小分子量硒化合物发挥它的生物效应。亚硒酸盐和Se-Met可能代谢成甲基硒化合物，癌症特有的硒化合物，例如，甲基硒酸在弥漫型B淋巴瘤细胞系可能抑制组蛋白脱乙酰酶(HDAC)活性[1]。饮食中缺乏硒会导致免疫功能障碍和炎症，硒通过硒蛋白表达对巨噬细胞运转产生影响，从而影响免疫和组织内环境平衡。

2 硒蛋白的合成

硒蛋白的生物合成需编码Sec的UGA码、特殊的tRNA、硒代半胱氨酸插入序列（SECIS）元件和辅助翻译的蛋白因子。这个过程是由丝氨酸(Ser)结合tRNA(tRNA(Ser)Sec)来生成Ser-tRNA Sec。SertRNA Sec的Ser残基是磷酸化酶,使用单硒磷酸作为供体的Se转化为硒代半胱氨酸tRNA Sec（SectRNA Sec）。Sec-tRNA Sec转移Sec进入，生成硒蛋白[2]。这个机制需要专门的CIS元素出现在硒蛋白mRNA（即SECIS）和蛋白质因子（包括SECIS-结合蛋白2和硒代半胱氨酸翻译延长因子及其他），由此产生含Sec氨基酸蛋白质，为各种生物利用。

3 硒蛋白家族

3.1 硒蛋白概述 已知25个人类基因编码硒蛋白（Selenoprotein）[2]，其中24种硒蛋白存在于鼠中。硒蛋白表达对于生存是至关重要的，缺乏Sec tRNA的老鼠，导致胚胎死亡[3]。尽管不同硒蛋白的生物功能各异，但其生化基础主要是Sec的氧化还原活性，如GPx参与调节胞内氧化还原平衡，TrxR调节二硫键与巯基的平衡、参与胞内氧化还原信号传导；Sep15参与内质网上二硫键的形成；Dio通过氧化还原调节甲状腺激素代谢；SelP通过抗氧化在脑神经细胞中发挥作用；SelR是蛋氨酸亚砜还原酶；SelW、SelM、SelH等通过氧化还原作用参与各种生理环节。硒蛋白I可能参与磷脂生物合成；硒蛋白N参与有关RyR内质网的钙动员；硒磷酸合成酶参与所有硒蛋白的合成。非硒蛋白表达也影响硒的可用性，其机制目前还不清楚。硒蛋白的表达和功能与硒水平关系尚不明确，某些硒蛋白不受硒摄入的影响。

3.2 硒蛋白家族

3.2.1 谷胱甘肽过氧化物酶 谷胱甘肽过氧化物酶（glutathione peroxidase，GSH-Px，GPx）活性与Se摄入量有关，GPx是最典型的含硒酶，GPx的主要作用是促进氢过氧化物代谢，减少对机体的损伤。GPx利用其位于活性中心的Se来消除活性氧（ROS），包括过氧化氢(H2O2)和磷脂氢过氧化物。

人类谷胱甘肽过氧化物酶（GPx）有8个亚型，其中GPx1-6包含Se。在哺乳动物第一个被识别的硒蛋白是GPx1（细胞型，CGPx）。其他成员包括GPx2（胃肠型；GPx-GI），GPX3（血浆型；eGPx），GPx4（磷脂型；PHGPx）。CGPx的活性由肝脏中Se水平调节，表达在各类细胞的胞浆。GPx1和GPx4在大多数组织中表达，也包括一些免疫组织和细胞[4]。GPx2主要表达在胃肠道上皮，在胃肠道细胞检测不到cGPxmRNA，说明GPx2在保护消化道脂质过氧化毒性损伤中起主要作用；GPx3合成在肾、心和甲状腺。只有GPx3在循环分泌用于血浆，定位于细胞外。人类GPx3占总血浆Se的20%～40%。PHGPx是一种保护脂膜的抗氧化酶,可直接减少脂质过氧化物，下调环氧化酶的活性，说明其对活性氧的调控起重要作用。GPx6是一种人类硒蛋白，它定位在嗅觉上皮和胚胎组织[4]。

3.2.2 硫氧还蛋白还原酶 硫氧还蛋白还原酶(TXNRD，TrxR，TR)是另一个硒蛋白家族的子族，TR1-3是含硒的黄素酶，含有一个SeCys，其主要功能是还原小分子蛋白质硫氧还蛋白(thioredoxin，TXN或TRX)和二硫键异构酶等。TXN是微弱的氧化还原活性蛋白，分布于哺乳动物各种组织。TR1是一种胞浆酶，定位于细胞质/核，对维护免疫细胞氧化还原尤为重要，减少TXN1；TR1是细胞中最丰富的TR同功酶。在小鼠巨噬细胞中，通过活化的脂多糖(LPS)刺激可以上调TR1[5]。研究表明，TR1在许多癌症中超表达[6]。TR2是一种线粒体酶，它是TR羧基端域和氨基端谷氧还蛋白域融合体，TR2具有GSH还原功能，减少TXN2。睾丸特有的TXNRD3具有青春期依赖性。TXNRDs的活性与体内硒含量密切相关。研究发现，TXN/TXNRD系统与体内细胞氧化还原反应、核酸代谢、细胞生长及肿瘤发生有关[7]。

3.2.3 脱碘酶 脱碘酶包括DIO1、DIO2和DIO3。脱碘酶是甲状腺代谢T4向T3活性形式转化的催化酶，硒是该酶的活性成分。四碘甲状腺原氨酸（T4）激素原通过DIO1或DIO2活化成三碘甲状腺氨酸（T3）或向反甲状腺素转化。甲状腺分泌的甲状腺素以T4为主，T3极少，T3是真正起作用的活性甲状腺素，活性是T4的5～8倍。硒缺乏降低脱碘酶的活性，从而改变甲状腺激素代谢，表现为T4向T3转化受阻。

DIO1比DIO2、DIO3对缺硒更敏感，缺硒大鼠DIO1活力下降90%，而DIO2下降了50%。3种脱碘酶在许多组织中表达，但在免疫细胞中表达很少。甲状腺激素水平会影响全身组织硒蛋白合成，所以脱碘酶间接影响免疫反应。

3.2.4 硒蛋白P(SELP或SEPP1) SELP是一种细胞外的糖蛋白，几乎所有组织中都有发现。1977年Herrman从血浆中纯化得到SELP。SELP独特之处在于它含有多个Se残基，其倒数第二Sec残基被误解为停止密码子。其水平受Se水平影响远比其他硒蛋白小。

SELP是一种硒转运蛋白，影响全身Se平衡，特别是睾丸和大脑[8]。在小鼠研究表明，雌性肝SELP表达与雄性相比较高[9]。SELP还执行重要的抗氧化功能，这对于某些免疫功能尤其重要。另外，SELP富含组氨酸、半胱氨酸，这些氨基酸可以调控其与重金属结合。SELP还可以分解氧化亚硝酸盐。

3.2.5 硒蛋白K和硒蛋白S SELK和SELS是两种内质网(ER)跨膜蛋白，是与免疫相关的硒蛋白。这两种蛋白在ER应激保护细胞扮演重要作用[10]。最近研究表明，SELK在免疫细胞激活中促进Ca2+流量[11]。

SELS1最初是从糖尿病鼠中得到克隆的，葡萄糖能够抑制SELS的表达，而且SEPS1能与血清淀粉样蛋白A(SAA)相互作用，表明SelS可能与2-型糖尿病、炎症有关[12]。

3.2.6 硒蛋白R 硒蛋白R（SELR）又称蛋氨酸-R-亚砜还原酶B1（MsrB1），是一种具有氧化还原活性的硒蛋白，主要位于细胞核与细胞质内。SELR通过其4个半胱氨酸残基结合锌，使结合的锌参与蛋氨酸亚砜的催化还原。

3.2.7 硒蛋白15 1998年硒蛋白15(Sep15)被发现于人类T细胞。Sep15表达受饮食硒调节，在若干组织中均表达。Sep15被发现存在于一个UDP-葡萄糖复合体：糖蛋白葡糖基转移酶(UGTR)，它参与蛋白质折叠的质量控制，定位在细胞内质网[13]。最近研究显示，Sep15可能在UGTR的糖蛋白基底的减少或异构化二硫键发挥作用[14]。Sep15基因由五个外显子和四个内含子组成，定位在染色体1p31上，它的基因座在人类癌症上经常丢失或突变[15]。人类Sep15基因在3′UTR发生811(C/T)和1 125(A/G)两个多态核苷酸位点，其中1 125(A/G)位点存在SECIS成分，其多态性体现了Sep15对硒补充和Sec纳入蛋白质的不同反应[16]。在恶性间皮细胞瘤发现Sep15下调超过50%，说明其抑制肿瘤细胞增长。在恶性间皮细胞瘤细胞系中，亚硒酸盐诱导细胞凋亡依赖于Sep15。敲除Sep15的癌细胞对硒几乎不反应[17]。在结肠癌细胞株敲除Sep15逆转了癌症特性，表明Sep15在结肠癌有双重作用。

4 展望

大多数硒蛋白是为组织和细胞保障其正确功能，包括免疫反应。还有一些硒蛋白功能仍然未知，如硒蛋白O,硒蛋白V，硒蛋白T。不是所有硒蛋白都在高等生物中表达，许多硒蛋白起源于低等真核生物，在陆地生物减少或完全丢失，这是一个未知的环境因素。1993 Burk RF，Hill KE估计动物体内存在50～100种硒蛋白，未知的含硒蛋白结构和生物学功能将是今后探索的热点课题。

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