亚细胞区室氧化还原状态的调控及其对细胞的影响

细胞氧化还原状态(redox status)或氧化还原势能(redox potential)是细胞重要的生理指标之一,它的稳态影响细胞的功能活动和生命活动。氧化还原状态主要指细胞的活性氧(reactive oxygen species,ROS)水平,受活性氧生成系统与清除系统共同调控,同时也能够对下游大分子、亚细胞区室及细胞增殖、分化和凋亡等产生影响。虽然对分子及细胞水平的氧化还原调控及其对细胞整体的影响研究相对较多,但对细胞器自身或亚细胞区室水平的关注不多,这些变化在细胞整体应激应答中的贡献也不清楚。该文简介细胞内主要的ROS生成系统与清除系统,并对目前各亚细胞区室的氧化还原状态及其调控的研究和认识进行主要综述,以期能够深入而全面地理解细胞的氧化还原调控及其影响。     

细胞氧化还原调控与衰老

利用酵母、线虫、果蝇、小鼠等模式生物进行的研究表明,细胞的衰老过程与氧化还原紧密相关.伴随衰老,细胞内GSSG水平升高,GSH、NADPH等水平降低,而氧化还原状态变化将直接影响蛋白质的功能,特别是氧化还原敏感的含巯基蛋白质的功能,从而影响细胞信号转导和细胞命运.氧化还原失衡可能是衰老发生的重要因素.本综述将从氧化还原平衡与衰老、氧化还原调控与信号转导及衰老、氧化损伤与衰老等方面阐述细胞氧化还原调控与衰老研究的最新进展,提出并探讨氧化还原平衡的维持、氧化还原平衡的系统调控及氧化还原调控的个体化等延缓衰老及健康衰老的新策略.     

综述: 细胞氧化还原调控与衰老

利用酵母、线虫、果蝇、小鼠等模式生物进行的研究表明,细胞的衰老过程与氧化还原紧密相关.伴随衰老,细胞内GSSG水平升高,GSH、NADPH等水平降低,而氧化还原状态变化将直接影响蛋白质的功能,特别是氧化还原敏感的含巯基蛋白质的功能,从而影响细胞信号转导和细胞命运.氧化还原失衡可能是衰老发生的重要因素.本综述将从氧化还原平衡与衰老、氧化还原调控与信号转导及衰老、氧化损伤与衰老等方面阐述细胞氧化还原调控与衰老研究的最新进展,提出并探讨氧化还原平衡的维持、氧化还原平衡的系统调控及氧化还原调控的个体化等延缓衰老及健康衰老的新策略.     

硫氧化还原蛋白与细胞内的氧化还原调控

细胞内氧化还原状态直接影响细胞的生存、活化和增殖。硫氧化还原蛋白是一个具有氧化还原活性的小分子蛋白质,它和NADPH以及硫氧化还原蛋白还原酶一起协同作用,组成蛋白质的一个重要的还原体系。这个还原体系还与谷胱甘肽等共同控制细胞的氧化还原状态,对维持和调节细胞的氧化还原内环境有着重要的作用。而另一方面,细胞的氧化还原状态又可以通过对多种信号分子的作用直接影响细胞的多种生理功能。     

硫氧化还原蛋白与细胞内的氧化还原调控

细胞内氧化还原状态直接影响细胞的生存、活化和增殖。硫氧化还原蛋白是一个具有氧化还原活性的小分子蛋白质,它和ＮＡＤＰＨ以及硫氧化还原蛋白还原酶一起协同作用,组成蛋白质的一个重要的还原体系。这个还原体系还与谷胱甘肽等共同控制细胞的氧化还原状态,对维持和调节细胞的氧化还原内环境有着重要的作用。而另一方面,细胞的氧化还原状态又可以通过对多种信号分子的作用直接影响细胞的多种生理功能。     

谷氧还蛋白系统及其对细胞氧化还原态势的调控

细胞内氧化还原调控主要是由谷氧还蛋白系统和硫氧还蛋白系统完成。谷氧还蛋白属于硫氧还蛋白超家族,广泛分布在各种生物体内。作为一种巯基转移酶,它能够催化巯基．二硫键交换反应或者还原蛋白质谷胱甘肽二硫化物,以维持胞内的氧化还原态势。谷氧蛋白系统参与氧化胁迫、蛋白修饰、信号转导、细胞调亡和细胞分化等多种生物过程。对其体内作用靶蛋白的研究,有助于阐明谷氧还蛋白在整个细胞氧化还原网络的重要调控作用。     

氧化还原与细胞凋亡的关联

细胞内氧化还原状态与细胞凋亡相互关联的机理仍然存在很大争议。细胞内氧化还原状态的改变促进了氧自由基(ROS)的产生和凋亡诱导因子的激活,致使细胞凋亡的同时又加剧了细胞内氧化还原状态的改变。通过激活细胞凋亡信号激酶(ASK-1)、氧化还原转录因子NF-κB、AP-1及Caspase激活,揭示了细胞内氧化还原状态伴随细胞凋亡的不同阶段。     

琥珀酸细胞色素c还原酶系中细胞色素b的多相氧化还原反应

呼吸链中从泛醌到细胞色素c一段一向受到人们的重视。尤其是细胞色素b的动力学行为,虽然文献上报道很多但结果却不一致。早在工929年Keilin就已经观察到细胞色素b的氧化还原速度比细胞色素系统其它组份都慢一些。1952年Chance也观察到这一现象。但他发现在不具氧化磷酸化能力的制剂中细胞色素b的还原速度才比c_1或c慢,而在具有氧化磷酸化能力的制剂中细胞色素b的还原速度并不比c_1慢。于是他认为也许是磷酸化系统受到损害而影响到细胞色素b的还原速度。Chance还发现b的还原在动力学上是快慢两相。后来有一些作者也都报道了b的两相还原现象。     

硫氧还蛋白的结构及在生物抗氧化中的功能

硫氧还蛋白(thioredoxin,Trx)是广泛存在于原核与真核生物体内的氧化还原调节蛋白。Trx通过对目标蛋白质进行还原,从而调节机体的氧化还原平衡。Trx与硫氧还蛋白还原酶(thioredoxin reductase,TrxR)及NADPH共同组成硫氧还蛋白系统参与众多生理过程。细胞中的活性氧是导致生物氧化胁迫的一个主要方面。Trx可以通过对细胞内被氧化的二硫键的还原来修复机体的氧化损伤,并通过这种方式防止机体衰老。同时,Trx系统可以与其它氧化还原系统如谷胱甘肽(GSH)系统协调配合,并消除体内过多的活性氧。     

细胞工厂氧化还原状态的荧光探针检测与调控

氧化还原反应贯穿于细胞的整个生命历程,与细胞的新陈代谢息息相关。细胞的氧化还原平衡对细胞的能量代谢、生长代谢及合成代谢有着重要的影响。因此,细胞氧化还原状态的实时监测以及调控对于细胞工厂的高效生产有着重要意义。由于参与氧化还原反应的物质种类多、活性高、寿命短且相关代谢网络复杂,氧化还原状态的实时监测与调控一直是研究的热点与难点。本文中,笔者通过对影响细胞氧化还原反应的代谢物进行分析,以基因编码的荧光探针为主,介绍了检测细胞氧化还原状态的荧光探针,并阐述了调控氧化还原状态的常用方法及其在细胞工厂中的应用,为更好地实现细胞工厂的高效生物转化奠定基础。     

杜氏盐藻细胞质膜氧化还原系统与K^＋吸收

杜氏盐藻（Ｄｕｎａｌｉｅｌｌａ ｓａｌｉｎａ）细胞表面存在氧化ＮＡＤＨ 与还原Ｆｅ（ＣＮ）３－６ 的氧化还原系统（ｒｅｄｏｘｓｙｓｔｅｍ ）。该系统在氧化ＮＡＤＨ 时,抑制Ｋ＋ 的吸收,在还原Ｆｅ（ＣＮ）３－６ 时, 促进Ｋ＋ 的吸收,当ＮＡＤＨ 同时存在时, 促进效应最显著, 高达７３５％ 。外源ＮＡＤＨ 促进藻细胞的氧吸收达１６５％ ,而使胞质ｐＨ 下降; 当ＮＡＤＨ 存在时, Ｆｅ（ＣＮ）３－６ 被快速地还原, 同时藻细胞膜外酸化程度增加。质膜Ｈ＋ －ＡＴＰａｓｅ和氧化还原系统的典型抑制剂都不同程度地抑制Ｋ＋ 吸收; 并且钒酸盐对Ｋ＋ 吸收的抑制可以被加入ＮＡＤＨ 和Ｆｅ（ＣＮ）３－６ 而部分恢复, 表明质膜Ｈ＋ －ＡＴＰａｓｅ和氧化还原系统共同参与了细胞Ｋ＋ 的吸收过程     

植物细胞质膜氧化还原系统与信号转导

介绍了植物细胞质膜上存在的氧化还原系统的构成及其与信号转导途径相关的功能,并着重介绍该系统对已知的信号转导途径的影响及其可能的作用方式,指出质膜上存在的氧化还原系统对于植物细胞的信号转导具有重要意义。     

硫氧还蛋白系统与高氧肺损伤

动物实验和临床研究表明,长期高浓度供氧可引起新生儿尤其早产儿产生氧化应激性损伤,多数学者认为这种氧化应激损伤在高氧肺损伤发生发展中起关键作用. 高氧时,氧化应激对肺泡Ⅱ型上皮细胞(alveolar epithelial cell type Ⅱ,AECⅡ)的影响包括对肺泡上皮细胞的损伤和对肺泡上皮细胞的保护.AECⅡ存活与凋亡有赖于细胞内的氧化还原状态, 通过改变细胞内的氧化还原状态可干预氧化应激.硫氧还蛋白系统( thioredoxin system )在生物体内通过抗氧化和氧化还原调节, 在基因表达、信号转导、细胞生长、细胞凋亡等方面起重要作用.     

氧化还原伴侣工程：P450低效问题的解决方案之一

细胞色素P450酶(CYPs或P450s)可将O₂的一个原子插入有机底物同时将另一个原子还原为水，广泛参与各种合成代谢和分解代谢过程，所以一直以来都是生物技术领域关注的焦点。在催化循环底物的氧化依赖于氧化还原伴侣向血红素铁传递电子，因此电子转移是P450s催化过程中的限速步骤。利用不同方法优化蛋白质-蛋白质相互作用以提高P450系统的电子转移效率，被称为“氧化还原伴侣工程”，是目前工程化P450s的重要手段之一，并取得了卓有成效的进展。本文将着重介绍关于氧化还原伴侣组分替换组装、P450酶与氧化还原伴侣融合及P450酶与氧化还原伴侣作用界面修饰等方面的进展，期望为未来该方面的工作提供一定的指导作用。     

植物质膜氧化还原系统的生理作用

植物质膜氧化还原系统的生理作用陈思学,焦新之（中国科学院上海植物生理研究所上海２０００３２）细胞质膜氧化还原系统是指存在于质膜中的电子传递链（包括电子供体氧化酶、电子载体和电子受体还原酶等）,通过氧化还原酶的作用和电子载体的氧化和还原反应,将电子从供...     

植物氧化胁迫信号应答的研究进展

干旱、盐害以及极端温度等非生物胁迫是影响植物生长发育的重要因子。植物在遭受胁迫时，活性氧的快速积累导致胞内氧化还原稳态被打破，进一步诱导产生次级氧化胁迫损伤。除了初级非生物胁迫胁迫信号外,植物细胞也需要产生一系列的次级氧化胁迫信号。氧化还原信号的感知与传递在植物氧化胁迫应答过程中发挥重要的作用，其生物化学基础是功能蛋白质发生的氧化还原翻译后修饰，分别又由多种具有氧化还原活性的小分子介导。本文综述了近年来植物氧化还原信号的研究进展，展望了未来的研究方向，以期为研究植物氧化胁迫应答及氧化还原信号转导提供参考。     

ROS 的信息分子功能

ROS在机体内主要由NADPH氧化酶系统产生,ROS作为信息分子对细胞功能如细胞生长,转化,凋亡,转录和衰老的调节及相关信息传递等方面的研究,在90年代后期有了明显的进展。并从细胞内环境的氧化还原状态变化和蛋白质的氧化修饰角度初步探讨了ROS参与信息传递的机理。     

氧化还原信号转导的分子机制

氧化还原调控参与多种生物学过程,包括细胞增殖、分化和凋亡等的细胞信号转导和基因表达调控,因而在细胞生命活动中扮演着非常重要的角色。细胞内各种氧化还原介质,如活性氧(reactive oxygen species,ROS)和活性氮(reactive nitrogen species,RNS)等,能对多种蛋白质在半胱氨酸残基上进行可逆性修饰。ROS或RNS对靶蛋白的氧化还原修饰方式主要有巯基／二硫键转换反应、S-亚硝基化及谷胱甘肽化等,这些修饰方式构成了胞内氧化还原信号转导的主要机制。     

TDRS与靶向性新型抗菌策略

硫醇相关的氧化还原系统(thiol-dependent redox system, TDRS)由硫氧还蛋白系统(thioredoxin system, Trx system)和谷胱甘肽系统(glutaredoxin system, GSH system)组成,存在于多种生物体内,共同维持细胞内氧化还原平衡。原核生物细胞Trx系统中的硫氧还蛋白还原酶(thioredoxin reductase, TrxR)在结构和功能上与哺乳动物TrxR存在着天然差异。这些差异导致了细胞在相同药物作用下发生截然相反的氧化还原反应,使其可以成为潜在的抗菌作用靶点。此外,TrxR作为细菌看家基因trxB编码的蛋白,难以发生突变,故不易产生耐药性,是理想的新型抗菌靶标。本文就TDRS特别是Trx系统靶向性的新型抗菌策略作一综述。     

硫氧还蛋白-1(Trx1)氧化还原状态的检测

硫氧还蛋白-1(thioredoxin-1,Trx1)是一种广泛存在于生物体内的氧化还原调节蛋白,其氧化还原状态的变化是细胞内发挥氧化还原调控作用的重要过程.本文建立了Trx1氧化还原状态的检测方法—氧化还原蛋白免疫印迹法(redox Western blot),即通过碘乙酸(IAA)标记Trx1,根据蛋白所带负电荷的不同,达到分离蛋白氧化与还原状态的目的,并根据能斯特方程计算出相应的氧化还原电势.本方法是在蛋白免疫印迹(Western blot)的基础上建立的,具有低成本、易操作的特点.实验中分别采用H2O2和DTT处理样本,利用此方法检测了细胞裂解液中、细胞内及过表达Trx1氧化还原电势的变化;并检测了HEK293细胞不同生长时期Trx1的氧化还原状态.