硫氧还蛋白研究进展

王全富, 苗 苗, 侯艳华, 史永磊, 韩 涵, 吴莹莹, 严天奇, 曲俊杰

哈尔滨工业大学(威海)海洋科学与技术学院,山东 威海 264209



硫氧还蛋白研究进展

王全富, 苗 苗, 侯艳华*, 史永磊, 韩 涵, 吴莹莹, 严天奇, 曲俊杰

哈尔滨工业大学(威海)海洋科学与技术学院,山东 威海 264209

硫氧还蛋白(Trx)是一类广泛存在于真核及原核生物体内的小分子多功能蛋白质。Trx具有调节细胞的生长、抑制细胞凋亡及调节基因转录等功能，并且它与硫氧还蛋白还原酶(TrxR)、烟酰腺嘌呤二核苷磷酸(NADPH)共同构成了生物体内重要的硫氧还蛋白系统，对维持体内稳定的氧化还原状态具有重要的作用。以Trx为对象，综述了其结构特点、分类分布及其生物学活性等方面的研究现状，以期为相关研究提供参考。

硫氧还蛋白；结构；分类；分布；生物活性

硫氧还蛋白(thioredoxin，Trx)广泛分布于微生物、植物和动物体内，是一种热稳定的低分子量酸性蛋白，分子量一般在12 kDa左右。Trx在绝大多数生物中都具有保守性，一般具保守的活性位点Cys-Gly-Pro-Cys，能够通过还原胞内靶蛋白中的二硫键(-S-S-)参与细胞内一系列生理生化反应，行使着各种不同的生理功能[1]。Trx、TrxR和NADPH三者共同构成了机体重要的抗氧化系统——硫氧还蛋白系统，该系统中的Trx和TrxR都含有两个相邻的半胱氨酸保守序列，所形成的可逆二硫键对Trx和TrxR发挥还原剂作用有重要影响。在信号传导或是保持细胞质蛋白还原态方面，硫氧还蛋白系统成为一种主要的调控机制[2]。该系统的存在可以避免核酸、蛋白和细胞膜的完整性受损，这对生物体可以在有氧环境中生存起着至关重要的作用[3]。除抗氧化功能外，Trx还具有许多其他的生物活性正在被陆续发现，如抑制凋亡、转录调节、趋化因子和细胞因子等。

1 Trx的结构及其特点

大多数物种的Trx蛋白氨基酸序列长度为105～110个氨基酸不等，并且与大肠杆菌Trx有27%～69%的序列相似性，大肠杆菌Trx的蛋白空间结构是一种紧密连接的小分子球形蛋白质，内含一个由5个β-折叠形成的疏水中心区域，及4个α-螺旋围绕核心的终末端，其中第2个β-折叠与第2个α-螺旋被活性位点保守序列Cys32-Gly-Pro-Cys35所连接，如图1所示[4]。

图1 大肠杆菌Trx的结构[4]Fig.1 Structure of Trx in E.coli[4]注：Cys32和Cys35为活性位点

由于保守序列Cys-Gly-Pro-Cys(C-G-P-C)的存在，对Trx三维结构的稳定性有着重要的作用，同时Trx的氧化还原活性也与其有关，在参与氧化还原反应过程中，还原态的Trx通过巯基[-(SH)2]供氢还原其蛋白上的二硫键，即两个半胱氨酸经过可逆的氧化过程，将自身的巯基转化为二硫键，同时将还原力传给含有二硫键的底物。被氧化的Trx可通过硫氧还蛋白系统中的NADPH供氢催化还原，还原态Trx会再一次还原靶蛋白。Ejiri等[5]通过对细菌和真核细胞的实验鉴定，首次发现Trx的靶蛋白是核苷酸还原酶、3′-磷酸腺苷-5′-焦磷酸还原酶和甲硫氨酸亚砜还原酶。Nishiyama等[6]从酵母双杂交系统中分离得到一种内源性的Trx抑制物——Trx结合蛋白(TBP-2)，TBP-2能够与还原态的Trx发生结合，作用于其催化活性中心，从而对还原态Trx的还原活性产生抑制。而在人和其他哺乳动物体内的Trx保守序列上还含有另外3个Cys残基，分别是Cys62、Cys69和Cys73，这些Cys残基能够可逆地催化氧化还原反应，并且赋予Trx独特的生物学活性。

2 Trx的分类及分布

2.1 微生物中的Trx

目前，科研人员已对部分微生物细胞中的Trx基因及其表达的Trx蛋白产物开展了一系列的研究，具有代表性的是大肠杆菌的Trx基因。在大肠杆菌中，Trx主要有Trx-1和Trx-2两种类型，分别由TrxA和TrxC基因编码，其中Trx-1在微生物Anacystisnidulans、Bacillussubtilis、Rhodobactersphaeroides和Synechocystissp.中被相继发现[7]。在酵母中Trx以一种独立的NADP-硫氧还蛋白系统形式在线粒体中普遍存在，它在酵母中能够还原硫酸盐和甲硫氨砜。王晓慧等[8]成功克隆了黑曲霉硫氧还蛋白系统中的Trx基因，其全长为324 bp，分子量为11.912 kDa，对其第Cys33～Cys37位保守区的活性位点实施定点突变证实，Cys33和Cys37为活性催化位点。

Laurent等于1964年首次在大肠杆菌中发现了Trx可以用作核苷酸还原酶的氢供体[9]之后，人们也相继对植物、动物的Trx进行了大量的研究。研究发现，在各类生物中都普遍存在着Trx，研究者们对它们的类别与特征展开了越来越深入的研究。Trx由多基因编码，分布在不同种类生物、同种生物中的不同类细胞以及同类细胞不同位置的Trx，其种类都会产生一定差异性。其中植物的Trx最为复杂，比如在拟南芥的整个基因组中发现至少有20个编码Trx的全基因序列[10]。目前，有关Trx的数量、种类及表达调控研究正在不断深入。

2.2 植物中的Trx

近些年，人们对植物的硫氧还蛋白系统展开了全面的研究，发现在烟草、杨树、松树、番茄、大豆和小麦等高等植物中，Trx具有多样性与复杂性。张帆等[11]从普通小麦中克隆了一个位于5BS染色体的Trx 超家族新基因TaNRX，该基因与小麦的抗旱机制有关。

目前根据氨基酸序列的不同，可将Trx分为6大类：Trxo、Trxm、Trxf、Trxh、Trxx、Trxy。其中，Trxm、Trxf和Trxh广泛存在于高等植物中[12]，Trxm、Trxf、Trxx和Trxy分布于叶绿体中，由于编码基因序列的差异性，使得它们中N-末端的相应氨基酸会折叠产生一个延伸区，推断该延伸区很可能就是运输肽，其可识别进入叶绿体。Collin等[13]已经通过融合绿色荧光蛋白(GFP)实验证实了拟南芥中的Trxm、Trxf和Trxx在叶绿体中的分布位置。

Trxm分布于需氧的原核生物、藻类、单子叶植物及双子叶植物中，由于其最初用作依赖于NADPH的苹果酸脱氢酶的催化剂[14]，所以称之为Trxm，与原核生物的Trxs有高度相似性。大部分植物和绿藻中的Trxm由核酸编码，红藻的Trxm由叶绿体基因组编码，这是其原核生物内共生起源的有利证据[14]。Trxo是较晚发现的一种Trx，它可以通过还原二硫键控制部分线粒体蛋白的活动。多种h型的Trx在高等植物中都有分布，主要存在于细胞质中，由于Trxh在功能和组织分布上较为复杂，除了草本模式植物拟南芥的研究较多外，对小麦的研究已有报道，曹玲珑等[15]利用酵母双杂交系统研究与Trxh相互作用的未知蛋白，从而为植物抗逆机制研究提供了理论基础。

2.3 动物中的Trx

2.3.1 昆虫中的Trx 双翅昆虫(如黑腹果蝇和冈比亚按蚊)缺失一种谷胱甘肽还原酶，所以，存在于双翅昆虫的Trx已被证实具备更为广泛的功能，关于对其重组表达的研究已有报道[16]。由于Trx可以通过其本身一对保守的半胱氨酸残基参与多种重要的抗氧化和还原调控过程，因此，Kim等[17]利用氧化胁迫对昆虫抗氧化酶类的研究发现，当昆虫遭受H2O2、百草枯(农药)、极端环境温度或是微生物侵染迫害时，它们的Trx基因会高效表达。

Kim等[18]通过对桑蚕B.mori的Trx基因测序分析，结果发现，BmTrx与其他昆虫的Trx一样，在氨基酸序列的同样位置具有一致的保守活性位点(CGPC)；BmTrx基因在所有验证的组织内都能表达出BmTrx蛋白，这表明BmTrx蛋白是普遍存在的，即使在有细菌或病毒侵染的昆虫细胞中，也会表达大小约12 kDa的BmTrx短肽，依据其特性，将该蛋白视为昆虫各类Trx中的一类。

2.3.2 其他动物中的Trx 人们对动物体内的Trx研究发现，其主要有2种类型，即Trx1和Trx2，Trx1存在于细胞核和细胞浆内，Trx2存在于线粒体中，由于Trx2仅存在于线粒体中，因此被视为线粒体特异性蛋白质。众所周知，所有的Trx都具有1个保守活性位点：Cys-Gly(Ala)-Pro-Cys，其中的2个半胱氨酸残基具有氧化还原活性，它们可以借助电子和质子的转移形成可逆的二硫键，在细胞内对一系列的生理代谢发挥着不同的功能。梁鹏等[19]研究发现，哺乳动物Trx的结构与大肠杆菌的结构另一个不同之处是，半胱氨酸残基还会存在于哺乳动物Trx活性位点的外侧，而且当Trx聚集和失活时，此残基则被氧化成二硫键。哺乳动物的Trx被Moore首次报道后，人类的Trx也相继得到研究。研究发现，人类和其他哺乳动物的Trx除了含有Cys32和Cys35外，还有Cys62、Cys69和Cys73另外3个半胱氨酸残基，同样能够可逆催化各种氧化还原反应，从而使人类和哺乳动物的Trx具备了独特的生物学特征。人类的多个细胞因子样分子，比如成人T-细胞白血病变细胞分化因子(ADF)、妊娠早期因子以及由EB病毒感染B-成淋巴细胞后产生的类白细胞介素-1(IL-1)细胞素，均被归为硫氧还蛋白类。

3 Trx的生物学活性

Trx在生物学功能方面的复杂多样性主要取决于其结构的多样性。目前已发现，Trx与10多个不同的生化代谢系统/途径相关联，是参与细胞内应答反应中多种胁迫的重要调节因子。在各生物体中，具有可逆二硫键氧化还原力的Trx主要涉及的生理功能：生物和非生物胁迫应答与调控、细胞内和细胞间信号传导、叶绿体光合酶类及其他酶类活性、转录因子活性、细胞凋亡和免疫应答及DNA结合活性等。

绝大多数细胞内生理生化反应的顺利进行，都需要一个正常稳定的胞内氧化还原平衡环境，包括DNA合成、酶活调控和基因表达及调控[20]。可是，当生物遭受氧化逆境胁迫等压力时，一般会伴随有活性氧类物质(reactive oxygen species， ROS)的大量产生，比如超氧化物阴离子、过氧化氢和羟基基团。为了避免ROS的毒害，现生存的生物体已经进化生成各种酶保护系统，其中的Trx即是参与去除细胞内ROS毒害的重要功能蛋白之一，它被认为是氧化应激作用的生物标志物[21]，Trx通过与过氧化物氧化还原酶的交互作用来共同清除ROS，从而发挥抗氧化应激作用[22]，并维持细胞的氧化还原平衡环境。

此外，Trx在不同种类的生物体中也具有其独特性，石岩岩等[23]研究发现在人体胃部的幽门螺杆菌中，Trx具有抗氧化和氮化应激等作用，从而保护菌体长期定植于胃内，并且Trx还可能与菌体致病作用有关。在植物叶绿体中，Trx能够特异调控二硫化物，来调节受光活化的卡尔文循环，Pasternak等[24]已经证实Rhodobacter的Trx参与光合作用基因的还原依赖性调控。在哺乳动物中，Trx对多种转录因子的活性有一定的调节作用，即能够抑制或激活不同转录因子的活性，同时对转录因子的表达也起到促进作用[25]；还原态的Trx可以与凋亡信号激酶1(ASK-1)直接结合抑制其活性，进而减少ASK1对p38MAK和JNK上游的MAPKKK的激活作用发挥抗凋亡效应，进而调控细胞凋亡[26]；除此之外，在妊娠、分娩及心血管疾病，以及硅肺病、动脉粥样硬化、肺缺血再灌注损伤等多种人类疾病中，Trx均具有一定的治疗和保护功能。

4 展望

近几年的研究发现，Trx能够与信号分子如ASK-1、PTEN(抑癌基因)、TXNIP(Trx结合蛋白)发生交互作用，从而进行细胞调控，这说明Trx细胞信号传导起到重要作用[27,28]，对抗肿瘤的研究将有重要意义。同时硫氧还蛋白功能定位及其在抗氧化应激和细胞信号传导过程中的作用仍不是十分清楚，有待进一步研究。

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Progress on Thioredoxin

WANG Quan-fu,MIAO Miao,HOU Yan-hua*,SHI Yong-lei,HAN Han,WU Ying-ying,YAN Tian-qi,Qu Jun-jie

SchoolofMarineScienceandTechnology,HarbinInstituteofTechnologyatWeihai,ShandongWeihai264209,China

Thioredoxin (Trx) is a kind of small-molecule multifunctional protein which exists widely in eukaryotic and prokaryotic organisms.It has functions of the regulation of cell growth,the inhibition of cell apoptosis and the regulation of gene transcription.Trx composes the thioredoxin system which plays an important role in maintaining redox-active stability in body with thioredoxin reductase (TrxR) and nicotinamide adenine nucleoside two phosphate (NADPH).This paper summarized the structural features,classification,distribution,biological and activity of Trx,which was expected to provide reference for related research.

thioredoxin; structure; classification; distribution; biological activity

2015-03-20; 接受日期：2015-04-16

国家自然科学基金项目(31100037)；山东省自然科学基金(ZR2011CM003)资助。

王全富，副教授，博士，研究方向为海洋环境微生物学。E-mail：wangquanfu2000@126.com。*通信作者：侯艳华，副教授，博士，研究方向为极端环境微生物。E-mail：marry7718@163.com。

10.3969/j.issn.2095-2341.2015.03.08