硫氧还蛋白还原酶研究进展

张 笑天(综述)  熊咏民(审校)

(西安交通大学医学院地方病研究所环境与相关基因教育部重点实验室， 陕西 西安 710061)

摘要 ： 硫氧还蛋 白还原酶是一种NADPH依赖的包含FAD结构域的二聚体硒酶，属于毗啶核苷酸一二硫化物氧化还原酶家族成员。它和硫氧还蛋 白、NADPH共同构成了硫氧还蛋白系统 。TrxR有很多生物学功能 ，与人类某些疾病的发病机制也密切相关。

关键词 ： 硫氧还蛋 白还原酶 ； 硫氧还蛋 白系统； 硒酶

中囝分类号 ； QSS  文献标识码 ： A  文章编号 ： lOOl一 8883(2005)04- 0148-05

 

硫氧还蛋白还原酶 (thioredoxin reductase，TrxR)是一种NADPH依赖的包含FAD 结构域的二聚体硒酶 ， 属于吡啶核苷酸一 二硫化物氧化还原酶家族成员，分为TrxRl、TrxR 2、TrxR3三种 。其主要功能是催化NADPH将小分子蛋 白之硫氧还蛋白 (thioredoxin ，Trx )上 的一 S2还原 成 (一 SH )2 的反应， 即维持 Trx 的还原型，而 Trx 在氧化还原调节和抗氧化防御中有着重要作用 。TrxR 的底物专一性不强， 除Trx 外许多内生的和外来的化合物，如维生素 K、硫辛酸 、DTNB和四氧嘧啶、磷脂氢过氧化物等，都可被TrxR还原。

1 TrxR 的结构

TrxR1是3种同工酶的一种，它主要存在于细胞浆中，哺乳动物的TrxR已经被纯化分离，据估计牛和大鼠肝脏的TrxR分子量均约为58kDa，来源于人胎 盘组织的TrxR分子量约为65kDa。人的TrxR1基因位于染色体的12q23--~q24．1，其开放阅读框架有1650bp，编码495个氨基酸n 。它的cD-N A序列与原核生物的 TrxR 相比具有31的相似性，与谷胱甘肽还原酶 (GSHR)相比具有44％的序列相似性，都具有保守的一 Cyc— Val— A sn— Val— Gly—Cyc一 氧化还原活性部位，且都存在于其FAD结构域中，然而大肠杆菌的TrxR中该序列则存在于NADPH 结构域内。在TrxRl的C末端含有一个硒代 半胱氨酸 (SeC ys)残基，其被密码子UGA所翻译，在正常情况下它是翻译终止密码子，但当它在TrxR1mRNA的3'-非翻译区2181~ 2226bp之间的SECIS元件中出现时，可以增加SeCys的插入。SeCys可以和其他底物的活性部位密切接 触 ，对TrxR1的活性极为重要 。TrxR1的核心启动子位于一l15～+167bp之间，它的GC碱基增加，缺乏TATA 盒子和CCAAT盒子 ，包含了连接Oct一1转录因子的POU元件和连接Sp1和Sp2的2个位置 。研究者在牛的动脉内皮细胞中(BAEC)用镉和TNF—a诱导TrxRl的表达，实验表明镉可以促进人TrxRl基因的5'-端 (一1692"~+49bp)的启动子活性 ，NF· E2一 related factor一 2 (Nrf2)亦能增加TrxR1启动子的活性，但变异的Nrf2过量表达可以通过抗氧化反应元件抑制镉诱导的TrxR1启动子的活性。

TrxR2主要存在于线粒体中，通过位于N一末端的线粒体目标序列(MTS )直接进入线粒体，进入线粒体后，被剪切生成成熟的蛋白。人TrxR2基因位于22ql1．2，其开放阅读框架有1566bp，编码521个氨基酸，分子量约为56．2kDa 。其二级结构含有一个 a螺旋及8片层，与TrxR1具有84的序列相似性 。线粒体除了能够在细胞内以ATP形式产生大部分能量外，它还参与了细胞的凋亡过程 。细胞色素c和凋亡诱导因子是表达在线粒体膜间的一类蛋白质， 在一系列的刺激下可以从膜上释放并在凋亡中起到了重要的作用 。现研究表 明，细胞色素C在体外可以有效的被TrxR1和TrxR2还原，TrxR2不仅能够用NADPH作为辅助因子，而且用 NADH参与反应。过量表达TrxR2的HEK一293细胞比对照细胞有更强的抵抗线粒体复合物3诱导的毒性的作用“ TrxR2在造血功能，心脏病的发展和心脏的功能方面也有着重要作用。TrxR3主要存在于睾丸组织中，分子量为57kDa左右。它的N末端有一个含硫活性元件的谷胱甘肽区域，能直接催化还原型谷胱甘肽和硫氧还蛋白。TrxR3与TrxR1、TrxR2有52～53同源性 。哺乳动物睾丸特异性硫氧还蛋白系统由仅表达在3种精细胞 (Sptrx一 1，Sptrx一 2， and Sptrx一 3)上的3种硫氧还蛋白和一种在睾丸组织中高表达的硫氧还蛋白组成 ，但它也表达在肺和其他的一些纤毛组织中。这些研究表明，TrxR3与男性生育和双丸状癌的有一定的相关性 。硫氧还蛋白还原酶和硫氧还蛋白及NADPH共同组成了一个有效的蛋白还原系统，称为硫氧还蛋白系统 。它和谷胱甘肽系统有很多相似之处， 但也有着不同的功能特性 。它在机体氧化还原调节和抗氧化防御中，细胞增殖和生存过 程中及信号转导中起到重要作用，资料显示它在胚胎的形成和发生过程中同样发挥着重要作用。

TrxR3主要存在于搞完组织中，分子量为57kDa左右。它的N末端有一个含硫活性原件的谷胱甘肽区域，能直接催化还原型谷胱甘肽合萼硫氧还蛋白。TrxR3与TrxR1、TrxR2有52%-53%的同源性。哺乳动物睾丸特异性硫氧还蛋白系统又仅表达在3种精细胞（Sptrx-1，Sptrx-2，and Sptrx-3）上的3中硫氧还蛋白和一种在睾丸组织中高表达的硫氧还蛋白组成，但他也表达在肺和其他的一些纤毛组织中。这些研究表明，TrxR3与男性生育和双丸状癌有一定相关性。

硫氧还蛋白还原酶和硫氧还蛋白及NADPH共同组成了一个有效的蛋白还原系统，成为硫氧还蛋白系统。它和谷胱甘肽系统有很多相似之处，但也有着不同的功能特性。它在机体氧化还原调节和抗氧化防御中，细胞增殖和生存过程中及信号转导中起到重要作用，资料显示它在胚胎的形成和发生过程中同样发挥着重要作用。

2 硫氧还蛋白还原酶硒半胱氨酸的插入机理

在已知的所有硒蛋白中，硒半胱氨酸都是由终止密码子UGA介导插入到蛋白质中的，UGA在正常状况下是作为蛋白质翻译的终止密码子而存在的。在硒蛋白mRNA3`端非翻译区域（3`URT）中存在一个茎环结构（SECTS），该结构在翻译过程中能使丝氨酰-tRNA上的反密码子UCA与密码子交错配对。丝氨酰-tRNA在一系列酶的催化下成成SeCys-tRNA，后者在SECIS的作用下与硒蛋白mRNA上的UGA交错配对，将SeCys-tRNA上携带的硒半胱氨选插入 到蛋白质中。

不同生物的SECIS元件在核苷酸序列上保守性较差，但是都能形成类似的茎环结构，2个螺旋区及其中间的内环结构。SECIS元件中心位于螺旋2和内环的连接处，包含4个非Watson-Crick碱基对，其中间的2个碱基对G.A/AG，几乎在所有真核生物硒蛋白的mRNA中都是保守的。