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.     

细胞的氧化还原平衡调控及巯基修饰

生物大分子的功能受细胞氧化还原环境影响和调控,细胞内氧化还原平衡的维持对于细胞的正常生长至关重要,与多种生理和病理过程密切相关。现将细胞内氧化还原平衡体系、氧化还原调控的主要信号通路及生物学过程、活性氧及活性氮通过蛋白质巯基修饰发挥生物学功能的分子机制,尤其是巯基亚硝基化修饰机制,以及还原应激效应的最新研究予以综述。     

运动与衰老:线粒体功能和氧化还原的调控

衰老与线粒体功能衰退和氧化还原失衡紧密相关。随着年龄的增加,肌肉线粒体的DNA丰度和蛋白质的合成不断的下降,线粒体代谢过程中的副产物自由基增加导致脂质,蛋白质和核酸等大分子的氧化损伤不断累积。衰老相关的线粒体功能的下降和氧化还原失衡影响运动功能,导致胰岛素抵抗和神经退行性疾病,因而对于调节寿命起到重要的作用。因而线粒体可能是决定寿命的重要因素。大量研究证实长期运动训练可以很大程度预防和改善衰老相关疾病,其机制可能是通过促进线粒体生成和激活内源性抗氧化防御体系而提高线粒体功能和调控氧化还原平衡。因此,长期的运动训练预防衰老相关疾病和提高老年人的生命质量很可能是通过调控线粒体功能和氧化还原平衡而发挥作用。     

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。     

DNA损伤监测及修复相关酶与细胞衰老

衰老是细胞的重要生命现象之一,衰老假说之一认为细胞中残留DNA损伤的积累可加速细胞的衰老.因此,细胞内DNA损伤监测及修复系统的正常运行与细胞衰老调控密切相关,DNA损伤监测及修复相关酶如PARP、DNA-PK、ATM、p53等在细胞衰老中的调控作用日益受到广泛关注.研究这些蛋白质分子间的相互作用及其在细胞衰老过程中的调控功能,有利于揭示DNA损伤应激、损伤修复调控与细胞衰老之间的内在联系,为抗衰老研究及从衰老角度治疗肿瘤提供新的思路.     

microRNA在衰老性肌萎缩和运动干预中的调节作用

衰老性肌萎缩症是由于衰老所致的骨骼肌质量减少及功能减退的增龄性机能退化症,运动干预是其防治的最有效措施之一。研究表明,microRNAs (miRNAs)作为基因表达的调控因子,通过调节骨骼肌发育(增殖、分化)、线粒体生物发生、蛋白质合成与降解、炎症反应和代谢途径来维持衰老骨骼肌细胞稳态。此外,运动可改变miRNAs表达水平,调节骨骼肌细胞的代谢平衡,从而改善衰老相关的骨骼肌质量、组成和功能的变化。本文综述了miRNAs在衰老性肌萎缩症中的调节机制,阐述在运动条件下miRNAs在衰老性肌萎缩症中的调控作用和分子机制,以期为预防和治疗衰老性肌萎缩症提供新的思路。     

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。     

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。     

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。     

苹果酸酶1及其对疾病调控的研究进展

苹果酸酶1(malic enzyme 1,ME1)是调节苹果酸代谢的关键酶,主要的生物学功能是维持细胞内氧化还原稳态、调节细胞能量代谢和合成生物分子,可影响细胞生长、分化、增殖和衰老等重要生命活动。近年来的研究表明,ME1与多种疾病的发生发展密切相关,且目前作为多种疾病潜在的治疗靶点备受关注。因此,本文将针对ME1的结构、生物学功能和转录调控机制以及与疾病的关系进行综述。     

衰老相关的蛋白稳态失衡

健康细胞利用一系列蛋白质质量调控网络来维持自身蛋白质组的稳定性和功能性,即维持蛋白稳态。但是在衰老过程中普遍出现蛋白稳态失衡的现象,其主要表现是蛋白质合成、折叠和降解之间的平衡被破坏。造成衰老相关蛋白稳态失衡的原因主要有：(1)应激反应相关途径的转录受到抑制;(2)蛋白酶体活性降低和自噬功能出现障碍;(3)核糖体翻译暂停。另外,在衰老过程中细胞主要通过蛋白稳态网络的分子伴侣、蛋白酶体、自噬系统等对蛋白稳态进行调节。本文对衰老过程中造成蛋白稳态失衡的诱因以及蛋白稳态调控的途径进行综述,以期为衰老研究和解决老年健康问题开拓新思路。     

端粒(酶)调控衰老和肿瘤的相关研究进展

衰老与肿瘤的相互调控是人类研究中重要的课题之一,二者均由细胞损伤造成,且都受细胞损伤应激调节基因的调控。衰老可以作为抑制肿瘤的天然屏障,肿瘤的增殖机制可以作为对抗衰老的重要手段。在二者平衡的寻求中,端粒及端粒酶发挥了不可忽视的作用。端粒酶作为逆转录酶保持了细胞中"分子时钟"——端粒的长度,减少了染色体损伤,从而保证了细胞分裂的持续进行。端粒酶在调控端粒长度的同时,还可以通过影响线粒体功能从而影响细胞代谢水平,在这个过程中,重要的抑癌基因p53起到了重要作用。鉴于端粒及端粒酶的重要调节作用,寻求衰老及肿瘤的平衡从而达到同时对抗衰老及肿瘤变得更加可行。本文探讨同时调节衰老与肿瘤的重要靶点之间的关系,为更好地寻找衰老与肿瘤的平衡打下基础。     

肿瘤抑制基因与衰老的研究进展

衰老是生物界普遍存在的一种自然现象,是多因素错综复杂的过程。衰老相关基因研究成为近年来的热点,目前已发现与细胞衰老过程密切相关的基因包括细胞周期调控基因、端粒酶调控基因、生长抑制基因以及核酸、蛋白质合成与修复基因等。此外,部分反式作用转录因子包括肿瘤抑制基因(P16,P53,P21)、沉默信息调节因子家族、增殖细胞核抗原等的活性变化与衰老也高度有关。P16、P53和P21基因参与肿瘤发生、发展的周期调控,其表达使肿瘤细胞发生不可逆的凋亡,若缺失或突变与肿瘤的发生高相关。同时,作为细胞增生过程中的负调控因子,P16、P53和P21基因表达调控细胞周期进程和细胞凋亡过程,若缺失或突变会使细胞分裂复制、细胞内和细胞间的运输及通讯功能丧失,最后将导致细胞衰老、死亡或被其它细胞清除。本文就P16、P53、P21基因与衰老的相关研究进展作一综述。     

端粒和端粒酶与衰老研究

衰老是一种多因素的复合调控过程,表现为染色体端粒长度的改变、DNA损伤、DNA的甲基化和细胞的氧化损伤等,并已形成了许多学说,而端粒学说成为衰老研究的热点之一.对与衰老紧密相关的因素———端粒、端粒酶的结构及其与衰老关系的研究进展进行综述,阐明对端粒—端粒酶的作用将会在抗衰老方面有着十分重要的理论价值及实际意义.     

cAMP信号与动物细胞线粒体功能

线粒体是真核生物细胞内重要的细胞器,主要功能是通过氧化磷酸化作用为细胞生命活动提供能量,并与细胞的生长、发育及衰老等重要生物过程密切相关。许多研究表明,线粒体蛋白质的磷酸化在调控氧化代谢方面发挥了重要作用,而且环腺苷一磷酸(cyclic adenosine monophosphate,c AMP)依赖的蛋白激酶A(protein kinase A,PKA)信号通路参与了该过程的调控,但c AMP/PKA信号通路在调控线粒体代谢方面的作用一直存在争议。因此,该文综述了线粒体内c AMP的来源、线粒体c AMP信号系统及对c AMP对线粒体功能的调控,旨在为全面了解c AMP/PKA信号通路在调控线粒体功能方面的作用提供具体参考。     

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。     

跨组织线粒体应激信号交流调控机体衰老研究进展

线粒体内蛋白质稳态的平衡对于细胞正常的生理功能非常关键。线粒体蛋白稳态失衡时,细胞会启动应激反应机制,即线粒体未折叠蛋白反应(mitochondrial unfolded protein response,UPRmt),修复线粒体功能,平衡细胞内稳态。尽管线粒体的严重损伤对机体是有害的,但在线虫(Caenorhabditis elegans)、果蝇(Drosophila melanogaste)及小鼠(Mus musculus)中都有研究表明线粒体的轻微损伤可以通过激活UPRmt,促进寿命延长。有趣的是,在没有直接经历线粒体损伤的细胞或组织中,UPRmt也能以非自主方式被诱导。不同组织间可以通过名为“mitokine”的细胞因子进行UPRmt的跨组织调控,系统性地协调机体整体的压力适应能力和抗衰老能力。该调控机制与衰老相关神经退行性疾病、癌症等多种疾病密切相关,近年来有关研究与日俱增。本文系统总结了线粒体应激及其组织间通讯的机制,并介绍了跨组织线粒体应激交流信号“mitokine”调控衰老进程的最新研究进展,以期为跨组织信号调控和机体衰老等研究提供参考。     

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。     

翻译后修饰蛋白质组学研究的技术策略

 蛋白质组学早期研究的绝大部分工作是在关注细胞不同生长时期或是疾病、分裂素刺激下的蛋白质表达水平变化.然而,许多至关重要的生命进程不仅由蛋白质的相对丰度控制,更重要的是被那些时空特异分布的可逆翻译后修饰控制的,揭示翻译后修饰发生规律是理解蛋白质复杂多样的生物功能的一个重要前提.由于翻译后修饰蛋白质在样本中含量低且动态范围广,其相关研究极具挑战性,亲和富集、多维分离等技术与生物质谱的结合为翻译后修饰蛋白质组学的发展提供了契机,目前,已进行规模化研究的蛋白质翻译后修饰主要有四大类,其中磷酸化和糖基化研究较多.本文针对大规模翻译后的修饰蛋白质的分析策略和技术路线,如蛋白质的磷酸化修饰, 糖基化修饰, 泛素化修饰,基于蛋白质氧化还原状态进行的氧化还原修饰和其它修饰像乙酰化、甲基化、脂基化修饰等进行了综述.     

NAD~+/NADH代谢机制研究进展

NAD+/NADH是细胞能量代谢所必需的辅酶,小到细胞的各种生命活动,大到整个生命结构的平衡,都需要能量来维持。同时,细胞的氧化还原状态,特别是NAD+/NADH的水平直接影响着细胞的节律、衰老、癌变和死亡等重大生命过程。故而有关细胞内NAD+或NADH代谢的研究近年在国际上形成了一个新的热点。我们以NAD+/NADH代谢为重点,综述国内外关于该机制的研究现状。