哺乳动物GSTP1 基因研究进展

王 晶，曹 阳，魏铭宏，吴思惠，吕香州，赵玉民,3*

（1.延边大学农学院，吉林延边 133002；2.吉林省农业科学院，吉林长春 130033；3.农业农村部肉牛遗传育种重点实验室，吉林长春 130033；4.吉林省肉牛繁育及养殖技术科技创新中心，吉林长春 130033）

谷胱甘肽硫转移酶P1（Glutathione S-Transferase Pi 1，GSTP1）也称为GST3、FAEES3 和DFN7，是谷胱甘肽硫转移酶家族（GSTs）的重要成员，广泛表达于人体组织，也分布于植物、昆虫和细菌等多种物种体内。GSTP1 是蛋白质的硫代谷胱甘肽化循环中的关键调控酶,是参与异生物质代谢的重要基因[1]。同时，GSTP1在人类肿瘤、癌症等临床方面是一个预测不良的标记基因,也是影响动物肉品质性状的候选基因。GSTP1在细胞解毒和抗氧化应激、调节谷胱甘肽与不同疏水和亲电化合物的结合以及以还原型谷胱甘肽为媒介还原有机过氧化物的反应中发挥关键作用[2]。本文综述了GSTP1基因的定位、结构、表达、分子机制及GSTP1 参与的代谢反应，为深入研究GSTP1基因提供参考。

1 GSTP1 基因的概述

谷胱甘肽硫转移酶P（Glutathione S-Transferase Pi，GSTP）属于谷胱甘肽代谢酶超家族中的硫转移酶家族[3]。GSTP 以同型或异型二聚体的形式存在[4]，并被细分为A、M、P、S、T、Z 和O 7 个类别[5]。GSTP由细胞质蛋白（CGSTS）、线粒体蛋白（kGSTs）和微粒体蛋白（花生酸和谷胱甘肽代谢中的膜相关蛋白MAPEG）3 个超家族蛋白组成[6]。谷胱甘肽硫转移酶的P 类由谷胱甘肽硫转移酶1（GSTP1）、谷胱甘肽硫转移酶2（GSTP2）和谷胱甘肽硫转移酶3（GSTP3）组成，其中GSTP1 主要位于细胞质中，在细胞核、线粒体和内质网中也有发现[7]。

GSTP1 属于谷胱甘肽转移酶家族中的P 类，约占GST 家族酶活性的90%[8]。在人体组织中，GSTP1位于11 号染色体的长臂13 区的2 号亚区上（图1），基因全长2.8 kb，编码210 个氨基酸，共有7 个外显子[9]，主要在食道、肾脏、十二指肠、甲状腺等组织广泛表达。

图1 GSTP1 基因在基因组中的位置（来自Geen Cards)

2 GSTP1 基因的结构及作用机制

GSTP1 二聚酶的每个亚单位都有一个活性位点，该位点由亲水性谷胱甘肽结合位点（G 位点）和相邻的疏水性氢位点（H 位点）2 个不同功能区组成（图2）[5]。

图2 谷胱甘肽硫转移酶的2 个结合位点

G 点代表谷胱甘肽结合位点，H 点代表底物结合位点。不同谷胱甘肽硫转移酶氨基酸残基中不同的G-和H-位点发挥不同的功能[10]。GSTP1能够通过催化作用特异性结合谷胱甘肽或谷胱甘肽类似物[11]。GSTP1在谷胱甘肽巯基的谷胱甘肽硫代氨基酸残基和常规亲电物质之间的氢位置起促进催化的作用。因此，GSTP1基因的特异性常用来指导特异性谷胱甘肽转移酶抑制剂的开发[12]。

GSTs 具有过氧化物酶、异构酶和硫醇转移酶的酶活性，并具有非催化功能，如非底物配体结合和信号过程的调节。其中，P 类酶中的GSTP1 是研究最多的蛋白激酶阻遏物。蛋白激酶参与应激反应、细胞增殖和凋亡。Falomir 等[2]证明GSTP1 是不同组织中细胞蛋白质谷胱甘肽化/去谷胱甘肽化循环的主要参与者，并激发了对其选择性和功能性靶标的“搜寻”。当敲除GSTP1基因并将细胞暴露于活性氧时，全部可识别的单个蛋白质的硫代谷胱甘肽化减少[13]。对于GSTP1表达减少或缺失的细胞，细胞硫代谷胱甘肽化的总水平显著降低，这表明GSTP1基因可能是前向反应的致病因素[14]。

蛋白质硫代谷胱甘肽化可以自发进行，也可以酶促进行[7]。非酶反应进行方式[7]（图3）：①蛋白质硫醇（PSH）和谷胱甘肽二硫化物（GSSG）之间的硫醇-二硫化物交换产生谷胱甘肽。② PSH 被活性氧氧化成亚磺酸（PSOH），亚磺酸随后与谷胱甘肽快速反应形成硫醇-二硫化物（PSSG），从而防止靶蛋白过度氧化成亚磺酸（SO2H）并最终生成磺酸（SO3H），磺酸通常不可逆地使蛋白失活；因此，SOH 基团的硫代谷胱甘肽化可以防止靶蛋白过度氧化。因此通过这种机制，在体内自发的硫代谷胱甘肽化会发生得相当慢。③PSH 被氧化成与谷胱甘肽快速反应的噻吩基，形成噻吩基谷胱甘肽中间体,然后与O2反应形成PSSG；同样，GS.可以与PSH 反应形成PSSG。噻吩基介导的蛋白质S-谷胱甘肽化被认为发生在体内，可能涉及谷氧还蛋白1和2（Grx1 和Grx2）。④ 一氧化氮诱导硫谷胱甘肽化。一氧化氮本身是一种弱硫醇氧化剂，然而，通过二次反应生成活性氮物质（RNS），可以促进硫代亚硝酰化（PSNO）或硫代谷胱甘肽化（PSSG）。PSH 可能通过亚硝基谷胱甘肽（GSNO)被修饰成为PSNO 和（或）PSSG。蛋白质的谷胱甘肽化反应可以自发发生，但是GSTP 的催化活性大大提高了此反应的速率和程度。

图3 蛋白质S-谷胱甘肽化和去谷胱甘肽化循环

虽然在某些情况下，蛋白质硫代谷胱甘肽化可以自发发生，但其速率和数量可以通过谷胱甘肽硫转移酶的催化活性大大提高，其中主要是由GSTP1 发挥作用[15]。除了谷胱甘肽化，GSTP1 还在MAPK 通路中发挥调节作用,突出显示一阶GSTP1 的链接作用（图4）[16]。

图4 GSTP1 在MAPK 通路中网路图（箭头对应于直接的物理交互）

谷胱甘肽化伴随的构像变化导致应激活化蛋白激酶（JNK）的释放和激活，通过线粒体途径触发细胞凋亡过程。因此，GSTP1 的线粒体定位可能与氧化应激和呼吸调节之间的联系有关[17]。由JNK 直接调节的转录因子C-Jun 也可以通过在巯基谷胱甘肽和一氧化氮存在下修饰其包含在脱氧核糖核酸结合结构域中的半胱氨酸残基来调节，形成硫代亚硝基谷胱甘肽。GSTP1 可能导致细胞核中C-Jun 的改变，并可能通过调节细胞应激反应及后续步骤影响线粒体功能。网路的几个组成部分对IKK 复合体的调节也将通过神经营养因子κb 对肿瘤坏死因子α1 的表达提供反馈调节。调节同一途径的几个步骤，包括受体和转录因子，GSTP1基因可以在不同的网路中发挥作用，并有效调节细胞的生理状况[16]。

3 GSTP1 基因的生理功能

GSTP1的主要作用之一是保护细胞免受外来物质和氧化应激产物的侵害，使亲电和疏水底物以及活性氧物质与谷胱甘肽（GSH）结合[18]。由于GSH 是哺乳动物细胞中最普遍的非蛋白硫醇，GSTs 能够将广谱分子转化为毒性更小、水溶性更强的化合物，从而更容易消除[19]。除了催化解毒之外，GSTP1还具有伴侣功能、一氧化氮途径的调节、多种激酶信号途径的调节以及参与蛋白质S-谷胱甘肽化的正向反应等特性[9]。

3.1GSTP1的催化功能 GSTP1 属于一个多基因的硫转移酶家族，通过与亲核巯基还原型谷胱甘肽结合来解毒亲电物质[17]。GSTP1 通过调节谷氨酸对硫磷的水平来保护细胞免受活性氧的侵害，其作用是作为c-Jun 氮末端激酶（C-JNK）催化活性的内源性调节剂，并调节蛋白质的硫代谷胱甘肽化[19]。硫谷胱甘肽化是蛋白质半胱氨酸残基的特异性翻译后修饰，借此谷氨酸对硫磷可逆地与巯基结合（PSH），产生硫谷胱甘肽化蛋白质（PSSG）[20]。

3.2 GSTP1 在神经元中的保护作用 GSTP1 是一种保护神经的抗氧化酶，在转录水平上由抗氧化主要调节剂Nrf2 的相关因子调节。在生理条件下，细胞质蛋白Keap1 将Nrf2 隔离在细胞质中，并驱动它进行蛋白酶体降解。氧化和亲电反应通过修饰Keap1 的反应性半胱氨酸残基来破坏Nrf2 与Keap1 的相互作用，从而使Nrf2 逃离蛋白酶体，增加GSTP1 的表达[20]。在1-甲基-4-苯基-1，2，3，6-四氢吡啶（MPTP）诱导氧化应激时，GSTP1 在体内加强了Keap1 的硫谷胱甘肽化。Keap1的硫代谷胱甘肽化导致Nrf2 活化，随后增加GSTP1 的表达。这种正反馈机制表明GSTP1 在大脑中发挥抗氧化保护作用[21]。

3.3 GSTP1 与药物的相关性 GSTP1 催化半胱氨酸残基的硫谷胱甘肽化，改变某些靶蛋白的结构或功能特征[22]。GSTP1 是一种雌激素受体驻留蛋白，它同时具有协同作用和催化功能。Satoh[23]通过氧化还原的蛋白质组分析，鉴定了一组协同参与内质网应激调节的蛋白质（免疫球蛋白重链结合蛋白（BiP）、蛋白质二硫键异构酶（PDI）、钙连接蛋白、钙网蛋白、内质网、肌/内质网钙腺苷三磷酸腺苷酶[.SERCA]），它们分别与GSTP1共免疫沉淀（意味着蛋白质复合物形成），并产生活性氧物质诱导硫谷胱甘肽化。GSTP1 在细胞器内催化雌激素受体蛋白的对硫磷化，可以为基于氧化还原的信号和调节未折叠蛋白反应的途径之间的联系提供纽带，为确定某些药物杀死癌细胞的作用机制提供重要依据。

GSTP1 是参与异生物质代谢第二阶段的解毒酶，通过催化谷胱甘肽与多种亲电底物的结合，参与维持细胞完整性、氧化应激和防止脱氧核糖核酸损伤[24]。GSTP1 通过顺铂-谷胱甘肽加合物的形成直接参与顺铂的解毒，这表明GSTP1 可能在获得对这种铂化合物的抗性中起作用。GSTP1 的表达可由转录因子调节，包括活化蛋白-1（AP-1）和核因子NF-E2 相关因子2（Nrf2），以响应苯丁酸氮芥、环磷酰胺、顺铂、DOX和米托蒽醌等多种抗癌药物[18]。因此，GSTP1 介导的化疗耐药性可能不限于与顺铂和相关抗癌药物有联系，值得进一步研究。

3.4GSTP1基因启动子甲基化GSTP1催化谷胱甘肽清除异生物质，GSTP1基因启动子的甲基化与诱导肝损伤的氧化应激有关。Fan 等[25]研究发现，慢性乙型肝炎患者存在GSTP1启动子的高甲基化，慢性乙型肝炎患者GSTP1启动子甲基化与脱氧核糖核酸1、脱氧核糖核酸3a、肿瘤坏死因子α、丙二醛、血红蛋白eAg、谷丙转氨酶、谷草转氨酶和丙氨酸氨基转移酶（TBIL）呈正相关。因此，乙型肝炎病毒（HBV）感染可能通过激活脱氧核糖核酸1 和脱氧核糖核酸3a 等因子诱导GSTP1启动子甲基化，证明GSTP1高甲基化与阳性慢性乙型肝炎患者的脱氧核糖核酸1、脱氧核糖核酸3a 等因子的过表达和氧化应激有关。因此，甲基化的GSTP1基因可能会作为阳性慢性乙型肝炎血清转化的生物标志基因[26]。

GSTP1基因的转录沉默是通过与超甲基化启动子结合的甲基-CpG 结合结构域2 蛋白的作用介导的。GSTP1基因启动子区的CpG 高甲基化导致解毒酶的下调，并与野生型表型相关。GSTP1基因甲基化失活导致GSTP1 酶形成减少，从而降低其对肿瘤细胞的缓冲能力[27]。CpG 启动子高甲基化导致的GSTP1基因表观遗传学沉默与蛋白质表达、淋巴结转移、肿瘤分期和肿瘤分级的显著损失相关，它还与黄体酮和雌激素受体状态呈正相关[28]。

3.5GSTP1基因对牛肉肉色的影响 肉色的生化基础由肌红蛋白、血红蛋白、细胞色素和其他色素的浓度和氧化还原状态决定[21]。肌红蛋白是与脱氧肌红蛋白（DOMb，紫色）及其衍生物氧化肌红蛋白（OMb，樱桃红）和甲肌红蛋白相关的主要蛋白质色素。谷胱甘肽是一种重要的还原剂三肽，与自由基相互作用，在过氧化物酶降解H2O2的过程中起辅助作用，对牛血红蛋白减少有作用，因此谷胱甘肽影响细胞内的氧化过程[2]。GSTP1 参与谷胱甘肽循环，在细胞解毒和抗氧化应激方面发挥一定作用，有利于动物死后肉色色素的稳定性[29]。由于每个特定密码子序列的折叠不尽相同，基因编码区突变的累积数量可能导致蛋白质的结构变化。在这种情况下，AC 单体型将产生具有更高活性的GSTP1，导致脂质氧化过程中产生的活性物质浓度更低，防止肌肉的色素蛋白（Mb）氧化，从而保持肌肉的颜色稳定[30]。

4 总结及展望

GSTP1基因在哺乳动物中发挥非常重要的作用，已有研究发现所有哺乳动物的GSTP1基因与谷胱甘肽的结合都发生在G 位点上，结合后并激活谷胱甘肽硫醇盐的阴离子，用于催化与各种亲电试剂的结合。除了催化解毒之外，GSTP1 还具有抗氧化、一氧化氮途径的调节、多种激酶信号途径的调节以及参与蛋白质S-谷胱甘肽化的正向反应等特性。随着生物科学技术的发展，许多研究发现GSTs 与各类代谢疾病的治疗以及畜产品肉质等紧密相关，因此对GSTP1基因的深入研究，不仅有助于对人类疾病的研究还能够在肉制品质研究方面提供参考依据，提高畜牧养殖的经济效益。