活性氧類的生物學(xué)功能研究

周潔 鳳琦 楊晨 朱源森 頡亞生

摘 要 活性氧類（ROS）是機體中一類重要的自由基，離子微小，性質(zhì)活躍。ROS是正常氧代謝的副產(chǎn)物，并且對細胞信號傳導(dǎo)，和機體穩(wěn)態(tài)維持起很大作用。同時，活性氧的過度積累也會嚴重損壞細胞結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致細胞凋亡等不良反應(yīng)。本文就活性氧的生物學(xué)功能展開討論，具體說明活性氧類物質(zhì)在細胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)、細胞代謝、細胞增殖及死亡中的重要作用。

關(guān)鍵詞 活性氧類；信號轉(zhuǎn)導(dǎo)；細胞增殖；凋亡

前言

活性氧類物質(zhì)是機體進行氧化還原反應(yīng)的產(chǎn)物，種類較多，主要有：O2-，HO2-，H2O2，·OH，以及LO·，LOO·，LOOH等，通過氧代謝產(chǎn)生（圖1）?；钚匝酰≧OS）在人體生理和病理生理過程中起著至關(guān)重要的作用。ROS一度被認為幾乎完全來自線粒體代謝，事實上，雖然線粒體功能正常，最終的氧電子受體被還原為水，但在病理條件下，電子可能過早地漏出系統(tǒng)并生成ROS?，F(xiàn)證明，細胞內(nèi)的ROS的產(chǎn)生與NADPH氧化酶有很大關(guān)系。ROS在細胞凋亡中起了重要作用，作為胞內(nèi)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)分子參與細胞凋亡過程[1-2]。除凋亡之外，活性氧類還有許多其他功能。以常見的過氧化氫為例，高濃度的過氧化氫可以誘導(dǎo)細胞凋亡，而低濃度的過氧化氫卻可以促進細胞增殖。其在信號轉(zhuǎn)導(dǎo)方面也有不可忽視的作用。

O2在被還原為H2O的過程中，每次只接受一個電子，中間過程產(chǎn)生超氧陰離子（O2-）、過氧化氫（H2O2）、羥基自由基（·OH）等活性中間產(chǎn)物。

1 活性氧積累引起的細胞凋亡

1.1 活性氧引起細胞凋亡的機制

細胞凋亡是一種程序性細胞死亡，它在正常發(fā)育的調(diào)節(jié)、受損細胞的清除和多細胞生物體內(nèi)平衡的維持中扮演重要角色[3]。過氧化氫誘導(dǎo)細胞凋亡具有時間和劑量的依賴性[4]。過氧化氫同時通過死亡受體途徑和線粒體途徑誘導(dǎo)細胞凋亡[5]。內(nèi)源性和外源性細胞凋亡途徑都匯聚在一個級聯(lián)的胱天蛋白酶，然后引起細胞凋亡現(xiàn)象[6-7]。

（1）死亡受體途徑

Fas為同源三聚體，死亡受體接收死亡信號（過氧化氫刺激等），啟動死亡結(jié)構(gòu)域（DD）之后，可誘導(dǎo)Fas三聚體化，F(xiàn)as的死亡結(jié)構(gòu)域與相關(guān)蛋白的FADD結(jié)合，兩者相互作用，使其死亡作用結(jié)構(gòu)域（DED）與caspase-8/caspase-10作用，F(xiàn)as寡聚化導(dǎo)致DISC的形成及caspase-8/caspase-10寡聚化。caspase-8/caspase-10自身剪接后被激活，從而使下游的caspase-3/caspase-7被激活，caspase-3又可激活caspase-6，產(chǎn)生級聯(lián)反應(yīng)，引起細胞凋亡[8-10]。

（2）線粒體途徑

線粒體途徑是通過線粒體釋放凋亡信號的內(nèi)在途徑啟動的。相比之下，線粒體途徑需要釋放線粒體細胞色素C和一個大型的多蛋白復(fù)合體，包括細胞色素C和caspase-9前體。這與線粒體膜的通透性轉(zhuǎn)運孔的開關(guān)有關(guān)。Bax和Bak是直接的Bcl-2家族的促凋亡的線粒體外膜通透性因子，存在于非凋亡細胞的細胞質(zhì)中和凋亡細胞的線粒體中它們可以嵌入線粒體外膜，寡聚化，形成孔洞[5]。氧化作用及自由基對線粒體膜的氧化性損傷可導(dǎo)致上述孔洞的形成。

孔洞形成后，細胞色素C及凋亡誘導(dǎo)因子（AIF）等釋放到細胞質(zhì)中。在ATP的作用下，APAF-1的C端WD-40重復(fù)序列形成多聚復(fù)合物。復(fù)合物利用APAF-1的N端CARD區(qū)募集caspase-9前體，并使其剪接活化。Caspase-9將水解激活下游的caspases，特別是負責細胞凋亡、破壞的 caspases 3和7，caspase-3在DNA片段化中起著重要作用。因此，產(chǎn)生caspase的級聯(lián)反應(yīng)，引起細胞凋亡。

1.2 細胞的自我損傷防御機制

在經(jīng)典模型中，抗凋亡蛋白家族成員，如Bcl-2等，在抑制線粒體凋亡途徑中起著關(guān)鍵的作用。Bcl-2， Bcl-xL 和 Mcl-1，三種蛋白協(xié)同作用，改變了線粒體外膜的通透性，阻止細胞凋亡。Bcl-2直接作用于BH結(jié)構(gòu)域（Bcl-2同源域，它決定了Bcl-2家族結(jié)構(gòu)和功能的同源性），從而抑制Bax和Bak的活性。凋亡前體BH3-only蛋白能促進Bax的活性，可直接作用于Bax，或者抑制抗凋亡物質(zhì)，如Bcl-2家族成員，解除其對Bax的阻遏作用，使Bax被激活。

此外，其他的凋亡抑制因子（IAPS）也具有抑制細胞凋亡的作用。IAPs 蛋白通過BIR 結(jié)構(gòu)域直接與Caspase 的IBM 結(jié)合，抑制Caspase3/7/9 的催化活性，阻斷細胞凋亡進程。

2 低濃度活性氧類促進細胞增殖

細胞增殖是機體重要的生命特征，細胞增殖異常往往與疾病的發(fā)生有關(guān)。增殖的促進與細胞周期檢測點、周期蛋白、細胞周期蛋白依賴性激酶（CDKs）、細胞周期蛋白依賴性激酶抑制劑（CKIs）等有重要關(guān)系。

活性氧會誘導(dǎo)細胞凋亡已被廣泛認可，但研究表明極低濃度的外源活性氧加入培養(yǎng)基，會使一些細胞出現(xiàn)增殖的現(xiàn)象，例如：人成纖維細胞、上皮細胞、成骨細胞等。有研究表明，給大鼠主動脈平滑肌細胞中轉(zhuǎn)入以腺病毒為載體的過氧化氫酶的cDNA（AdCat）或控制基因，AdCat轉(zhuǎn)染導(dǎo)致細胞內(nèi)定位于過氧化物酶體的過氧化氫酶蛋白的劑量依賴性增加，與對照組相比細胞內(nèi)H2O2的濃度降低。這表明，過氧化氫酶過表達抑制平滑肌增殖，同時增加細胞凋亡率，內(nèi)源性產(chǎn)生的H2O2對血管平滑肌細胞的存活和增殖有重要的調(diào)節(jié)作用。也有研究表明，低濃度的H2O2 對mESCs 有明顯的促增殖作用。活性氧類促進細胞增殖的方式主要有激活轉(zhuǎn)錄因子（如NF-κB）、激活MAP激酶家族等。

研究表明，ROS水平在細胞周期內(nèi)呈規(guī)律性變化。ROS水平在G1期較低，隨著細胞周期進程ROS水平也在不斷上升，到M期達到峰值，細胞分裂后ROS水平急劇下降到G1期的較低水平。

3 活性氧類在細胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)中的作用

cox誘導(dǎo)合成前列腺素（PG）。PG通過MRP4從細胞釋放，這是第一個限速步驟。前列腺素激活G蛋白受體，通過腺苷酸環(huán)化酶（AC）激活環(huán)磷酸腺苷（cAMP）的途徑，增加CFTR活性即第二個限速步驟，并增加黏膜纖毛清除功能（MCC）。

4 結(jié)束語

長期以來，ROS被認作是細胞代謝的毒性物質(zhì)，可誘導(dǎo)細胞凋亡。目前，越來越多的證據(jù)顯示，ROS是信號通路的正常成分。從胚胎的發(fā)育到細胞的死亡，都有它的參與。ROS在細胞內(nèi)發(fā)揮作用需要很多分子的精密配合。研究ROS在細胞增殖、凋亡以及信號轉(zhuǎn)導(dǎo)中的作用，對于癌癥及其他疾病的治療，有及其重大的作用。

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