Інформація призначена тільки для фахівців сфери охорони здоров'я, осіб,
які мають вищу або середню спеціальну медичну освіту.

Підтвердіть, що Ви є фахівцем у сфері охорони здоров'я.

Журнал "Здоров`я дитини" 8 (76) 2016

Повернутися до номеру

Антиоксидантная система респираторного тракта. Внутриклеточная антиоксидантная защита в респираторном тракте (часть 4)

Автори: Абатуров А.Е.(1), Волосовец А.П.(2), Борисова Т.П.(1)
(1) — ГУ «Днепропетровская медицинская академия Министерства здравоохранения Украины», г. Днепр, Украина
(2) — Национальный медицинский университет им. А.А. Богомольца, г. Киев, Украина

Рубрики: Педіатрія/Неонатологія

Розділи: Довідник фахівця

Версія для друку


Резюме

В огляді літератури викладені сучасні дані щодо системи тіоредоксину у функціонуванні внутрішньоклітинного антиоксидантного захисту в респіраторному тракті. Детально розглянуто тіоредоксинзалежні окислювально-відновні реакції. Подано інші фізіологічні ефекти системи тіоредоксину — антиапоптотична та протизапальна дія.

В обзоре литературы изложены современные данные о системе тиоредоксинов в функционировании внутриклеточной антиоксидантной защиты в респираторном тракте. Подробно рассмотрены тиоредоксинзависимые окислительно-восстановительные реакции. Представлены другие физиологические эффекты системы тиоредоксинов — антиапоптотическое и провоспалительное действие.

In the literature review, the current data about the thioredoxin system in the functioning of the intracellular antioxidant protection in the respiratory tract are outlined. The details of thioredoxin-dependent oxidation reaction are described. Other physiological effects of thioredoxin system — antiapoptotic and proinflammatory action are presented.


Ключові слова

антиоксидантна система; респіраторний тракт; внутрішньоклітинний антиоксидантний захист; огляд

антиоксидантная система; респираторный тракт; внутриклеточная антиоксидантная защита; обзор

antioxidant system; respiratory tract; intracellular antioxidant protection; review

Статья опубликована на с. 94-100

 

Введение

В системе внутриклеточной антиоксидатной защиты в первую линию «обороны» входит тиоредоксиновая система, которая также участвует в регуляции нескольких сигнальных внутриклеточных путей, обеспечивающих жизнедеятельность клетки [27].

Система тиоредоксинов

Семейство тиоредоксинов
Тиоредоксины эволюционировали как шаперонподобные протеины, которые участвуют в поддержании структуры белков, содержащих дитиольный активный центр. Система тиоредоксина, новыми представителями которой являются тиоредоксинредуктаза (TRXR) и тиоредоксины (TRX), последовательно передающие электроны с никотинамидадениндинуклеотидфосфата (НАДФH), осуществляет инактивацию перекиси водорода (H2O2) и перекисей липидов. К системе тиоредоксина относятся и другие протеины, в частности TRX-связанный протеин 14 кДа (TRP14), который активирует PTEN; TRX-связанный протеин 32 (TRP32)/TRX-подобный протеин 1 (TXL-1), TRX-подобный протеин 2 (TXL-2), который обладает уникальной способностью ассоциироваться с микротрубочками реснитчатого эпителия. В эндоплазматической сети клетки локализуются такие представители семейства TRX, как дисульфидная изомераза (PDI), кальций-связывающий протеин 1 (CaBP1), ERp72, ERdj5/JPDI и TRX-связанный трансмембранный протеин (TMX), который участвует в поддержании молекулярной структуры белков, подобно шаперонам. В ядре клетки локализуется еще один представитель семейства TRX — нуклеоредоксин (NRX), регулирующий окислительно-восстановительное состояние факторов транскрипции NF-kB, AP-1, CREB [21]. В широком смысле система тиоредоксинов может включать в себя и пероксиредоксины — тиоредоксины восстанавливают пероксиредоксины, которые в последующем катализируют разложение H2O2 [27]. Система тиоредоксина не только выполняет антиоксидантную роль, но и участвует в процессах выживания клетки, в частности оказывая антиапоптотическое действие [17, 28]. Тиоредоксины являются важнейшим компонентом антиоксидантной защиты респираторного тракта [22]. 
Тиоредоксины (КФ 1.8.4.8) — убиквитарные, полифункциональные низкомолекулярные белки, обладающие устойчивой молекулярной структурой к высокой температуре. Важной характеристикой молекул TRX является наличие в их активном каталитическом центре канонического Cys-Gly-Pro-Cys (CGPC)-мотива. Цистеиновые остатки данного мотива могут образовывать обратимые дисульфидные связи, что позволяет TRX участвовать в окислительно-восстановительных реакциях дисульфидов. Цистеиновые остатки CGPC-мотива, разрывая дисульфидные связи в окисленных протеиновых субстратах TRX, окисляются и образуют дисульфидные связи между собой. Под влиянием TRXR происходит обратный процесс, в результате которого цистеиновые остатки CGPC-мотива восстанавливаются [4, 23]. 
Третичная структура TRX состоит из пяти β-нитей, окруженных четырьмя α-спиралями. В N-терминальном регионе располагаются β1α1β2α2β3 и в С-терминальном регионе — β4β5α4 структуры, которые связаны между собой α3-спиралью. β-нити в N-терминальном регионе расположены параллельно, а в С-терминальном регионе — антипараллельно. Каталитический CGPC-мотив находится на поверхности белка в α2-спирали N-терминального региона молекулы [7]. 
Тиоредоксины в организме человека представлены тремя изомерами: цитоплазматическим TRX1, митохондриальным TRX2 и p32TRXL (TRX спермы). Молекула TRX1 состоит из 105 аминокислотных остатков, молекулярная масса около 12 кДа. Несмотря на то, что молекула TRX1 не имеет ядерной локализации, этот белок обнаруживается в ядре некоторых нормальных и опухолевых клеток. В отличие от митохондриального протеина TRX2 молекула цитоплазматического TRX1 в дополнение к двум цистеиновым остаткам, локализованным в активном центре (CGPC мотиве), содержит еще три цистеиновых остатка [1, 27]. В молекуле TRX1 два из дополнительных цистеиновых остатка (Cys62 и Cys69) располагаются на α3-спирали, а третий (Cys73) — в непосредственной близости к мотиву CGPC активного сайта. Дополнительные цистеиновые остатки участвуют в посттрансляционной модификации, в частности в глутатионилировании и S-нитрозилировании [7]. Молекула TRX2 синтезируется в виде предшественника, молекула которого состоит из 166 аминокислотных остатков с молекулярной массой около 18 кДа. В последующем происходит отщепление 60 аминокислотных остатков N-терминального региона молекулы. Молекулярная масса зрелого протеина TRX2 составляет 12,2 кДа. Митохондриальная TRX2-система включает TRX2, TRXR2, НАДФ и пероксиредоксин-3 [7, 10, 27]. 
Третья форма TRX — p32TRXL состоит из 289 аминокислотных остатков и экспрессируется во всех тканях человека, но, похоже, не восстанавливается TRXR. Функции p32TRXL изучены недостаточно. Протеины TRX1 и TRX2 могут находиться и в экстрацеллюлярном пространстве. Секретируемый TRX1 действует как фактор хемотаксиса нейтрофилов, моноцитов и Т-клеток [27].
Протеин TRX1 в результате посттрансляционной модификации, что заключается в усечении последовательности С-терминального региона в 10 кДа, преобразуется в тиоредоксин 80 (TRX80), который секретируется во внеклеточное пространство и стимулирует пролиферацию моноцитов в периферической крови [14]. Экспрессия TRX1 индуцируется H2O2, TNF-α, эстрогенами, простагландином E1, циклическим аденозинмонофосфатом, ультрафиолетовым излучением и высокой температурой. Активация фактора теплового шока 2 (HSF2) сопровождается усилением транскрипции гена TRX1 [2].
Тиоредоксинредуктаза (КФ 1.8.1.9) является НАДФН-зависимым гомодимером флавопротеидной оксидоредуктазы (с одним флавинадениндинуклеотидом на субъединицу), которая восстанавливает окисленный активный центр TRX [4, 8, 23]. 
Молекулы TRXR содержат две аминокислотных последовательности, организующие активные каталитические центры. Одна последовательность Cys59-Val-Asn-Val-Gly-Cys64 содержится в N-терминальном регионе, а другая — Gly-Cys497-SeCys498-Gly — в С-терминальном регионе молекулы. Предполагается, что ион селена повышает эффективность работы фермента при низких значениях рН и расширяет спектр восстанавливаемых соединений. Тиоредоксинредуктаза представлена тремя изомерами — TRXR1, TRXR2, TRXR3. Гомодимер TRXR1 локализуется в цитоплазме и ядре клетки, TRXR2 — в митохондриях; TRX1 располагается в цитоплазме клетки и может транслоцироваться в ядро, TRX2 локализуется в митохондриях (рис. 1). Изомер TRXR3 или тиоредоксинглутатионредуктаза катализирует восстановление как TRX, так и окисленного глутатиона (GSSG) [1, 4, 23]. 
Тиоредоксинзависимые окислительно-восстановительные реакции
Протеины TRX являются донорами электронов для таких ферментов, как рибонуклеотидредуктаза, метионинсульфоксидредуктаза и пероксиредоксины. Тиоредоксины, которые характеризуются низким уровнем окислительно-восстановительного потенциала, восстанавливают дисульфиды окисленной протеиновой молекулы при помощи двух цистеиновых остатков Cys-Gly-Pro-Cys активного центра. Окисленная молекула TRX более стабильна, чем восстановленная структура TRX. Разница в стабильности между окисленным и восстановленным состояниями TRX является движущей силой редокс-реакции. Механизм каталитического цикла TRXR включает процесс восстановления TRX с участием НАДФН, сходный с аналогичным процессом для глутатионредуктазы. Вначале осуществляется перенос электрона с НАДФН через флавинадениндинуклеотид на дисульфид активного центра TRXR, который образован остатками Cys в положении 59 и 64 в N-терминальном регионе молекулы. Затем в димерном ферменте электроны переносятся от образовавшегося дитиола одной субъединицы на Cys497-SeCys498 С-терминального региона другой субъединицы молекулы фермента (рис. 2) [1, 11, 14]. Таким образом, реакция соответствует уравнениям:
Такой перенос электронов на другую субъединицу может иметь место и при восстановлении GSSG глутатионредуктазой. С-терминальный SEC участвует в восстановлении многочисленных субстратов TRXR1. Перекись водорода, перекиси, включая гидроперекиси липидов, могут непосредственно восстанавливаться TRXR1. Посредством этого механизма TRXR1 функционирует как путь ферментативной детоксикации гидроперекисей липидов [3, 18]. 
Другие физиологические эффекты системы тиоредоксинов
Помимо поддержания окислительно-восстановительного баланса тиоредоксины участвуют в регуляции нескольких сигнальных внутриклеточных путей, регулируя жизнедеятельность клетки (табл. 1). 
Так, восстановленная форма протеина TRX1 может связываться с апоптотической сигнал-регулируемой киназой 1 (apoptosis signal-regulating kinase 1 — ASK1), ключевым компонентом сигнальных путей индуцированного апоптоза, и подавлять ее активность, тем самым выполняя антиапоптотическую роль. Связывание молекулы TRX1 с ASK1 обусловлено образованием цистеиновыми остатками (Cys32 и Cys35) в каталитическом центре двух дисульфидных мостиков. В результате действия избыточного количества активированных кислородсодержащих метаболитов разрушается смешанная дисульфидная связь и происходит высвобождение ASK1. В последующем ASK1 подвергается полной гомоолигомеризации, в результате которой происходит аутофосфорилирование аминокислотного остатка Thr838, расположенного в киназном домене. Данные изменения в структуре молекулы обусловливают активацию ASK1 (рис. 3) [7, 17, 20]. 
Киназа ASK1 относится к митогенактивируемым протеинкиназам (МАРК). Каскад МАРК включает в себя три последовательно активируемых протеинкиназы: митогенактивируемую киназу киназы протеинкиназы (MAP3K/MAPKKK), митогенактивируемую киназу протеинкиназы (MAP2K/MAPKK) и МАРК. ASK1 является MAP3K, которая активирует MAP2K (MKK4/MKK7 и MKK3/MKK6), что приводит к возбуждению JNK и p38 соответственно. У млекопитающих идентифицированы три основные подгруппы МАРК: экстрацеллюлярные регулируемые киназы (ERK1/2) и стресс-активируемые с-Jun NH2-терминальные киназы (JNK-1/2/3), p38 (p38-α/-β/-γ/-δ) и ERK5. Молекулы различных групп МАРК структурно похожи, но выполняют разные функции. Киназа ERK регулирует преимущественно рост и дифференцировку клеток, JNK и p38 — пролиферацию и дифференциацию, миграцию и апоптоз клеток [6, 16, 30]. 
В регуляции запрограммированной гибели клеток определенную роль играет и TRX2, который, ингибируя высвобождение цитохрома C из митохондрий, подавляет активность каспазозависимого пути апоптоза [21, 24].
TRX1 регулирует активность супрессора опухоли р53, ингибитора 1A циклинзависимой киназы p21, транскрипционных факторов APEX1, AP-1, NF-κB, HIF-1α, Sp1 и Sp3, влияя на процессы роста, дифференцировки, апоптоза, выживания клетки, на воспаление, ангиогенез, канцерогенез [5]. Внеклеточно локализованный TRX1 оказывает выраженное противовоспалительное действие [14]. TRX1 ингибирует секрецию фактора миграции макрофагов и эотаксина, что, соответственно, приводит к подавлению рекрутирования нейтрофилов и эозинофилов в регионы воспаления. Под влиянием TRX1 происходит сравнимое снижение активности Th1- и Th2-ассоциированных цитокиновых ответов [15, 25, 26, 29]. В то же время TRX80 и внутриядерно локализованный TRX1 индуцируют воспалительный процесс (рис. 4). 
В частности, при гриппозной инфекции H1N1, которая, как правило, сопровождается развитием оксидантного стресса, TRX1 после транслокации в ядро клетки нейтрализует перекись водорода, что уменьшает ингибицию фактора транскрипции NF-kB, обусловленную процессом окисления. Внутриядерно расположенный протеин TRX1 может не только увеличивать, но и через APEX1/Ref-1 подавлять трансактивность NF-kB. Однако в целом активирующее действие TRX1 на воспалительный процесс преобладает над ингибирующим. Под влиянием внутриядерного TRX1 происходит усиление продукции провоспалительных цитокинов и общевоспалительной реакции, определяющей тяжесть заболевания [19]. 
Протеин TRX80 стимулирует экспрессию CD14, CD40, CD54, CD86, секрецию IL-12, IL-1, IL-6, CXCL8/IL-8 и TNF-α мононуклеарными клетками периферической крови, способствуя развитию Th1-ответа [13, 17]. Внеклеточно локализованный TRX1 ингибирует активность механизмов, участвующих в ремоделировании стенки бронхов. Известно, что активированные кислородсодержащие метаболиты индуцируют продукцию TGF-β1, под действием которого повышается экспрессия рецепторов эпидермального фактора роста (EGFR). Возбуждение EGF-ассоциированного сигнального пути обусловливает возбуждение киназы p21, которая активирует пролиферацию и репарацию эпителиальных клеток респираторного тракта. В то же время под влиянием активированных кислородсодержащих метаболитов происходит фосфорилирование ASK1 и JNK, p38, активность которых предопределяет развитие апоптоза клетки. TRX, подавляя продукцию TGF-β1 и активность p21, ASK1, JNK, снижает активность ремоделирования стенок бронхов (рис. 5) [12]. 
Системы глутатиона и тиоредоксинов, несмотря на то, что их функции во многом близки друг к другу, представляют собой независимые молекулярные формирования (табл. 2). 
Конфликт интересов. Авторы заявляют об отсутствии какого-либо конфликта интересов при подготовке данной статьи.

Список літератури

1. Калинина Е.В. Участие тио-, перокси- и глутаредоксинов в клеточных редокс-зависимых процессах / Е.В. Калинина, Н.Н. Чернов, А.Н. Саприн // Успехи биологической химии. — 2008. — ​Т. 48. — ​С. 319-331.

2. Ago T. Thioredoxin and ventricular remodeling / T. Ago, J. Sadoshima // J. Mol. Cell. Cardiol. — 2006. — ​Vol. 41, № 5. — ​P. 762-773. — ​DOI: 10.1016/j.yjmcc.2006.08.006.

3. Arnér E.S. Physiological functions of thioredoxin and thioredoxin reductase / E.S. Arnér, A. Holmgren // Eur. J. Biochem. — 2000. — ​Vol. 267, № 20. — ​P. 6102-6109. — ​PMID: 11012661.

4. Arnér E.S. Focus on mammalian thioredoxin reductases-important selenoproteins with versatile functions // Biochim. Biophys. Acta. — 2009. — ​Vol. 1790, № 6. — ​P. 495-526. — ​DOI: 10.1016/j.bbagen.2009.01.014. — ​Epub 2009 Feb 11.

5. Biaglow J.E. The thioredoxin reductase/thioredoxin system: novel redox targets for cancer therapy / J.E. Biaglow, R.A. Miller // Cancer Biol. Ther. — 2005. — ​Vol. 4, № 1. — ​P. 6-13. — ​PMID: 15684606.

6. Cargnello M. Activation and function of the MAPKs and their substrates, the MAPK-activated protein kinases / M. Cargnello, P.P. Roux // Microbiol. Mol. Biol. Rev. — 2011. — ​Vol. 75, № 1. — ​P. 50-83. — ​DOI: 10.1128/MMBR.00031-10.

7. Collet J.F. Structure, function, and mechanism of thioredoxin proteins / J.F. Collet, J. Messens // Antioxid. Redox Signal. — 2010. — ​Vol. 13, № 8. — ​P. 1205-1216. — ​DOI: 10.1089/ars.2010.3114.

8. Crystal structure of the human thioredoxin reductase-thioredoxin complex/ K. Fritz-Wolf, S. Kehr, M. Stumpf et al. // Nat. Commun. — 2011. — ​Vol. 2. — ​P. 383. — ​DOI: 10.1038/ncomms1382.

9. Finkel T. Signal transduction by reactive oxygen species // J. Cell. Biol. — 2011. — ​Vol. 194, № 1. — ​P. 7-15. — ​DOI: 10.1083/jcb.201102095.

10. Hall G. Structure of human thioredoxin exhibits a large conformational change / G. Hall, J. Emsley // Protein Sci. — 2010. — ​Vol. 19, № 9. — ​P. 1807-1811. — ​DOI: 10.1002/pro.466.

11. Hondal R.J. Using chemical approaches to study selenoproteins-focus on thioredoxin reductases // Biochim. Biophys Acta. — 2009. — ​Vol. 1790, № 11. — ​P. 1501-1512. — ​DOI: 10.1016/j.bbagen.2009.04.015. — ​Epub 2009 May 4.

12. Huang G. Regulation of JNK and p38 MAPK in the immune system: signal integration, propagation and termination / G. Huang, L.Z. Shi, H. Chi // Cytokine. — 2009. — ​Vol. 48, № 3. — ​P. 161-169. — ​DOI: 10.1016/j.cyto.2009.08.002. — ​Epub. 2009 Sep 8.

13. Identification of human thioredoxin as a novel IFN-gamma-induced factor: mechanism of induction and its role in cytokine production / S.H. Kim, J. Oh, J.Y. Choi et al. // BMC Immunol. — 2008. — ​Vol. 9. — ​P. 64. — ​DOI: 10.1186/1471-2172-9-64.

14. Nakamura H. Thioredoxin and its related molecules: update 2005 // Antioxid. Redox Signal. — 2005. — ​Vol. 7, № 5–6. — ​P. 823-828. — ​DOI: 10.1089/ars.2005.7.823.

15. Nakamura H. Extracellular functions of thioredoxin // Novartis Found Symp. — 2008. — ​Vol. 291. — ​P. 184-192. — ​PMID: 18575274.

16. Pathophysiological roles of ASK1-MAP kinase signaling pathways / H. Nagai, T. Noguchi, K. Takeda, H. Ichijo // J. Biochem. Mol. Biol. — 2007. — ​Vol. 40, № 1. — ​P. 1-6. — 17244475.

17. Pekkari K. Truncated thioredoxin: physiological functions and mechanism / K. Pekkari, A. Holmgren // Antioxid. Redox Signal. — 2004. — ​Vol. 6, № 1. — ​P. 53-61. — ​DOI: 10.1089/152308604771978345.

18. Prast-Nielsen S. Thioredoxin glutathione reductase: its role in redox biology and potential as a target for drugs against neglected diseases / S. Prast-Nielsen, H.H. Huang, D.L. Williams // Biochim. Biophys. Acta. — 2011. — ​Vol. 1810, № 12. — ​P. 1262-1271. — ​DOI: 10.1016/j.bbagen.2011.06.024. — ​Epub. 2011 Jul 14.

19. Protein Cysteines Map to Functional Networks According to Steady-state Level of Oxidation / Y.M. Go, D.M. Duong, J. Peng, D.P. Jones // J. Proteomics Bioinform. — 2011. — ​Vol. 4, № 10. — ​P. 196-209. — ​DOI: 10.4172/jpb.1000190.

20. Ray P.D. Reactive oxygen species (ROS) homeostasis and redox regulation in cellular signaling / P.D. Ray, B.W. Huang, Y. Tsuji // Cell. Signal. — 2012. — ​Vol. 24, № 5. — ​P. 981-990. — ​DOI: 10.1016/j.cellsig.2012.01.008. — ​Epub. 2012 Jan 20.

21. Redox regulation of cell survival by the thioredoxin superfamily: an implication of redox gene therapy in the heart / M.K. Ahsan, I. Lekli, D. Ray et al. // Antioxid. Redox Signal. — 2009. — ​Vol. 11, № 11. — ​P. 2741-2758. — ​DOI: 10.1089/ARS.2009.2683.

22. Role of thioredoxin in lung disease / J. Xu, T. Li, H. Wu, T. Xu // Pulm. Pharmacol. Ther. — 2012. — ​Vol. 25, № 2. — ​P. 154-162. — ​DOI: 10.1016/j.pupt.2012.01.002. — ​Epub. 2012 Jan 25.

23. Small molecule inhibitors of mammalian thioredoxin reductase / W. Cai, L. Zhang, Y. Song et al. // Free Radic. Biol. Med. — 2012. — ​Vol. 52, № 2. — ​P. 257-265. — ​DOI: 10.1016/j.freeradbiomed.2011.10.447. — ​Epub. 2011, Oct 21.

24. The emerging role of the thioredoxin system in angiogenesis / L.L. Dunn, A.M. Buckle, J.P. Cooke, M.K. Ng // Arterioscler. Thromb. Vasc. Biol. — 2010. — ​Vol. 30, № 11. — ​P. 2089-2098. — ​DOI: 10.1161/ATVBAHA.110.209643. — ​Epub. 2010 Aug 26.

25. Thioredoxin suppresses airway inflammation independently of systemic Th1/Th2 immune modulation / M. Torii, L. Wang, N. Ma et al. // Eur. J. Immunol. — 2010. — ​Vol. 40, № 3. — ​P. 787-796. — ​DOI: 10.1002/eji.200939724.

26. Thioredoxin 1 delivery as new therapeutics/ H. Nakamura, Y. Hoshino, H. Okuyama et al. // Adv. Drug. Deliv. Rev. — 2009. — ​Vol. 61, № 4. — ​P. 303-309. — ​PMID: 19385090.

27. Thioredoxin and its role in toxicology / W.H. Watson, X. Yang, Y.E. Choi et al. // Toxicol. Sci. — 2004. — ​Vol. 78, № 1. — ​P. 3-14. — ​DOI: 10.1093/toxsci/kfh050.

28. Thioredoxins and glutaredoxins: unifying elements in redox biology / Y. Meyer, B.B. Buchanan, F. Vignols, J.P. Reichheld // Annu. Rev. Genet. — 2009. — ​Vol. 43. — ​P. 335-367. — ​DOI: 10.1146/annurev-genet‑102108-134201.

29. Thioredoxin in allergic inflammation / W. Ito, N. Kobayashi, M. Takeda et al. // Int. Arch. Allergy Immunol. — 2011. — ​Vol. 155, Suppl. 1. — ​P. 142-146. — ​DOI: 10.1159/000327501. — ​Epub. 2011 Jun 1.

30. Thioredoxin overexpression modulates remodeling factors in stress responses to cigarette smoke / Y.L. Huang, C.Y. Chuang, F.C. Sung, C.Y. Chen // J. Toxicol. Environ. Health A. — 2008. — ​Vol. 71,  № 22. — ​P. 1490-1498. — ​DOI: 10.1080/15287390802350030.


Повернутися до номеру