图3
HIF-1α是另一个重要的通过Ref-1受Trx调控的转录因子，它控制着缺氧应激反应基因的表达。HIF-1中的HIF-1α亚基的单个半胱氨酸残的氧化还原修复对于HIF-1与CBP/p300共同激活剂间的直接相互作用是非常必要的,这会通过低氧反应元素(HRE)增加目的基因的表达。Trx,通过Ref-1,是间接作用于这一修复过程(图3)。
Trx也可以在没有Ref-1的情况下直接作用于一些转录因子。例如,Trx可以通过激活核转录因子(NF)-κB影响细胞凋亡，核转录因子(NF)-κB调节抗细胞死亡基因的表达。在细胞质中,ROS介导抑制剂IκB的降解来激活NF-κB细胞核转导。Trx是一种抗氧化剂并在细胞质清除活性氧,从而抑制IκB的降解。然而,为了应对NF-κB活化刺激，Trx从细胞质转移到细胞核,在细胞核Trx会激活DNA链上的NF-κB基因(图3)。Trx直接催化降解NF-κB的一个半胱氨酸并允许NF-κB依赖基因的表达。此外,Trx通过与ASK-1（细胞凋亡信号调控激酶-1）相关联直接跟细胞凋亡通路相互作用,ASK-1是MAPKKK家族的一员。降低Trx与ASK-1在氧化还原依赖的方式下的生理作用,并抑制其活性。当Trx被ROS氧化后它与ASK-1解离来,然后被激活以引导凋亡信号转导(图3)。这种ROS诱导凋亡是对氧化应激的一种防御机制。
五、硫氧还蛋白和氧化应激
当Trx氧化应激时,在某种程度上,减少细胞内蛋白质和降低活性氧的水平抗氧化防御的一部分。在应对氧化应激时，Trx也会转移到细胞核,它能通过氧化还原修复发挥转录因子的调控功能。通过调节一些转录因子的活性Trx可以影响
很多重要的细胞功能以应对氧化应激,包括DNA修复,细胞生长与增殖和细胞凋亡。 已经证实,Trx基因的表达受氧化应激诱导,这种诱导现象主要由Trx启动子中Nrf2与ARE元素相连结来调节。TrxR和Prx启动子也包含ARE元素，它是负责在应对氧化应激时的诱导表达。值得注意的是,在处于还原态的Trx可以增强Nrf2与ARE的连结,从而激活它。此外,Ref-1在应对氧化应激反应时表达上调。因此氧化应激会导致Trx水平的升高,进而激活转录因子诱导更高水平的Trx和其他抗氧化剂。
众所周知的是,癌症细胞与正常细胞相比处于氧化应激升高状态。增加的氧化损伤的DNA基质已经发现存在于许多癌组织中。此外,已经发现在体外人类肿瘤细胞系比非转化细胞系产生相对大量的活性氧,从而使这些细胞保持持久的氧化应激状态。这些在癌组织细胞中高含量的ROS通常与含有极高浓度的Trx和其他氧化还原控制蛋白质结合在一起,这将在稍后讨论(参见硫氧还蛋白和癌症)。 六、硫氧还蛋白和缺氧
一个细胞内的氧气水平低于正常水平的氧张力时会发生缺氧。尽管缺氧通常会打破细胞氧化还原体内平衡对细胞产生危害,但它确实有一些有益的作用。例如,在胚胎形成时会发生缺氧现象,缺氧信号被认为是胚胎正常发育所必需的条件。
在对低氧反应中, HIF-1（低氧诱导因子）蛋白质是稳态的并会诱导一些基因的表达,这些基因功能改善通过血管生成和红细胞生成来提高氧合作用。HIF-1的可用性是主要取决于HIF-1α亚基,通常是由于其快速、氧依赖性的降解而处于抑制状态,而HIF-1β亚基不受氧气水平的调控。在缺氧时,HIF-1α蛋白质处于稳定状态,转移到细胞核,与HIF-1β形成二聚物绑定到目标DNA序列的启动子或不同的基因的增强子区域(图1b)。
HIF-1的蛋白质也受除了缺氧其他许多因素调控,包括致癌基因,生长因子,很矛盾的自由基如超氧阴离子、过氧化氢和一氧化氮。例如,裸露的一氧化氮基团已被证明在含氧量正常情况下HIF-1α中特定的半胱氨酸残基亚基转化成硝基甲苯磺酸酐,从而抑制其降解。此外,在人类293细胞过氧化氢的调节机制会诱导HIF-1α提高稳定性和HRE（缺氧反应因素）-荧光素酶在含氧量正常条件下的表达。因此,ROS能使HIF-1α在含氧量正常条件下更加稳定(图4)。
图4 硫氧还蛋白(Trx)和ROS在缺氧性应激中的反应。在正常含氧量条件下HIF-1α在胞质中降解而在缺氧条件下HIF-1α变得稳定并转移到细胞核中。在低氧条件下，胞质过氧化氢的存在对HIF-1α的稳定是必要的。在细胞核中,还原条件对HIF-1与DNA绑定是很必要的。在细胞核中，Trx促使Ref-1减少而减少了HIF-1α亚基,然后与HIF-1β共聚陈二聚体形成HIF-1。HIF-1蛋白质与HRE元素绑定而诱导靶基因转录。红线显示一个抑制效应。红十字表示非功能性的线粒体。
图4
越来越多的证据表明,线粒体中形成ROS也与HIF-1α在低氧环境的稳定性相关联,尽管增加的ROS似乎比发生在氧化应激反应程度小得多。一项研究表明,细胞中含有非功能性线粒体不能在低氧反应中增加HIF-1α含量。另一项研究使用RNAi（核糖核酸干扰）来抑制复杂III线粒体中Rieske铁硫蛋白的表达，表明ROS形成和HIF-1α表达水平在低氧环境下将会减少。然而,添加过氧化氢到细胞导致了增加了HIF-1α蛋白在缺氧。同样,在人类293细胞中过氧化氢在缺氧条件下被抑制,通过过氧化氢酶过表达、使HRE（缺氧反应元素）-荧光素酶的表达受到抑制(图4)。这些观测结果表明,过氧化氢在细胞中的存在对于HIF-1α在低氧条件下的稳定是必要的。
相比之下,几项研究表明, HIF-1与DNA在细胞核的绑定需要减少条件。例
如,HIF-1与过氧化氢或二酰胺的纯化处理降低了HIF-1与DNA结合活性。然而,在之前添加二硫苏糖醇(DTT)会避免这个效应(图4)。这些结果表明,HIF-1本身对氧化还原很敏感。实际上,正如前面所提到的,抗氧化蛋白Trx和 Ref-1已被证明在缺氧条件下能通过调制HIF-1α亚基的单个半胱氨酸残基来提高HIF-1的转录活性的(图4)。此外,一个突变的Ref-1中的目标半胱氨酸残基在遇到羟基自由基时能阻止HIF-1α活性降低。这些结果表明,Trx在缺氧性应激反应中扮演重要的角色。
此外,证据表明,Trx在缺氧条件下影响HIF-1的表达已被几项细胞中Trx过表达的研究中证明。这些细胞显示增加了HIF-1α水平、增强了HIF-1与DNA绑定连结和增加了HIF-1靶基因的活性,如血管内皮生长因子(VEGF)和环氧合酶-2
（COX-2)。相反,研究使用惰性的氧化还原Trx可以清晰地显示出HIF-1α蛋白水平的减少。此外,Trx和TrxR抑制剂已被证明下调HIF-1α的表达及其后续活性,这进一步强调了Trx在调控HIF-1α表达中的作用。
这些结果也与其它研究结果表明Trx和相关的氧化还原蛋白质在低氧条件下表达上调相一致。例如,当HT-29细胞处于低氧条件下，Trx和TrxR mRNA的表达分别各自增加了14倍和4倍。在肺癌细胞Trx和Prx在缺氧条件下他们的mRNA和蛋白质含量都被上调。肿瘤微组织与宫颈癌活检标本中也发现Trx和Ref-1的表达在低氧条件下上调。然而,低氧条件下Trx的诱导机制尚不完全清楚。Trx没有证据表明这种效应是受HIF-1调节。
总之,这些结果表明缺氧和氧化还原控制调控过程存在重要纽带并表明在缺氧条件下ROS和Trx在调控HIF-1表达方面至少与经典缺氧条件下的诱导通路调节有同样重要的作用。 七、硫氧还蛋白和癌症
人们普遍认为,氧化应激和缺氧应激都是肿瘤的特征。这些情况可以部分解释为肿瘤增长过速,而其血管网络也快速增长,因此缺乏氧气和营养物质。含氧水平的降低影响着HIF-1的稳定性和活性,进而诱导如血管生成这样的过程发生。尽管血管生成发生在几乎所有人类的实体肿瘤,它的效率不高,从而导致氧气运输在空间和时间上的不足。因此,一些肿瘤组织区域可能会慢性缺氧,而其他的肿瘤区域可能会循环缺氧,由于不规则氧气流通导致其在缺氧和再氧合的状态中切换。再氧化阶段紧跟缺氧应激出现无意中导致了氧化应激。
因为癌症细胞通常处在高氧化应激或缺氧应激状态下,他们还高水平表达包括Trx,Prx和Ref-1的抗氧化蛋白也就不奇怪了。例如,Trx的表达在几个原发性的癌症中会升高,包括肺癌、子宫颈癌、胰腺癌、结直肠癌、肝癌、胃癌和乳腺癌。Trx和相关蛋白质的上调表达已假设为肿瘤恶性增殖与良性细胞增殖的动态的氧化还原变化的标志。
一些研究表明,Trx的过表达促进了癌症细胞的生长,无论是通过直接刺激癌细胞生长或通过抑制肿瘤细胞凋亡。在这些研究中,MCF-7乳腺癌细胞被氧化还原惰性的Trx构造转染。Trx的蛋白质以一种不活跃的方式在在各个构造中产生。转染的MCF-7细胞接种到免疫缺陷的小鼠体内后，几乎完全抑制肿瘤的形成，癌细胞的逆转表型转换也是明显的。另一项研究表明,MCF-7细胞在以剂量依赖的方式用三氧化二砷(ATO)处理时生长会受到抑制。MCF-7细胞的抑制生长与失活的TrxR有关,导致Trx氧化和整个Trx系统的失活。此外,最近的一个体内研究进一步凸显Trx在促进癌细胞生长的重要性。两个人类肺癌细胞株,表达高或低的Trx水平,肿瘤生长的程度与皮下注射的严重联合免疫缺陷（SCID）小鼠被感染的组织细胞中Trx的水平相关。这些细胞中Trx低水平表达催生小肿瘤,而细胞中Trx高水平表达会催生出更大的肿瘤。总的来说,这些研究表明,Trx在促进癌细胞生长中有一个活跃的作用,其表达也不仅仅对癌症进展有重要影响。
在体外和体内Trx高水平的表达都与高度攻击性和转移性肿瘤的活性有密切
