活性氧与信号转导
基金项目:国家重点基础研究发展规划项目(NO.G2000057004)
【摘要】 活性氧(reactive oxygen species，ROS)是氧分子的部分还原代谢产物的总称，如超氧阴离子(O 2- )、羟自由基(HO · )和过氧化氢(H 2 O 2 )等。研究表明:ROS具有很高的生物活性，作为第二信使，它们在多种细胞因子生物活性的启动过程中发挥着重要的作用。本文对配体介导生成ROS在信号转导中的作用及其作用机制进行了综述。
【文献标识码】 A 【文章编号】1609-6614(2004)06-0521-04
Reactive oxygen species and signaling transduction
Yang Jie，Zhu Qinglei，Wang Shiwen.
, 百拇医药
Institute of Geriatric Cardiology，General Hospital of PLA，Beijing，100853.
【Abstract】 Reacive oxygen species(ROS)are referred as the partially reduced metabolites，such as superoxˉide anion(O 2- )，hydroxyl radical(HO · )，and hydrogen peroxide(H 2 O 2 )etc.Recent studies have suggested that ROS possess high biological activities.Bing second messages，they play crucial roles in the initiation of biological acˉtivities of many cytokines.In this review，wediscussed the actions and mechanisms of ligand-induced generated NOS in signaling transduction.
, 百拇医药
活性氧(reactive oxygen species，ROS)是细胞新陈代谢的副产物之一。最近研究发现在生长因子和细胞因子介导的正常生理信号转导过程中，特异的质膜氧化酶可生成ROS，后者可作为第二信使参与多种因子细胞生物学效应的启动。本文重点阐明配体介导生成ROS的细胞效应及ROS作为信号分子的作用机制。
1 ROS的化学性质
活性氧是外源性氧化剂或细胞内有氧代谢过程中产生的具有很高生物活性的含氧化合物的总称，包括超氧阴离子(O 2- )、过氧化氢(H 2 O 2 )、羟自由基(HO · )、一氧化氮(NO)等。超氧阴离子是一种重要的ROS，它由氧分子接受一个电子而形成。O 2 在水溶液中易发生歧化反应生成H 2 O 2 ，在酸性环境中高浓度O 2 的质子化产物HO ·2 更易发生此反应。因此在生理条件下，一旦形成超氧化物自由基，过氧化氢必然产生。与O 2 不同，H 2O 2 不是自由基，而是一种更稳定的分子。在一般情况下，生物体内产生的H 2 O 2 常被过氧化氢酶和谷胱甘肽过氧化物酶清除，如果得不到及时清除，它可透过细胞膜，若膜外有Fe2+ 或Cu + 等金属离子存在时可生成HO · 。羟自由基是化学性质最活泼的活性氧，具有很强的氧化作用，其寿命极短，可与周围的生物分子反应，产生不同反应性的二级自由基 [1] 。由此可见，活性氧之间在一定条件下是可以相互转变的。
, 百拇医药
2 生物体内ROS的来源
生物体不断地通过非酶反应与酶反应产生ROS，但在抗氧化酶及外源性和内源性抗氧化剂的协同作用下又不断地被清除，因而在生理情况下活性氧维持在一个非常低且稳定的水平。
生成ROS的酶很多，作为信号分子的ROS主要来源于细胞质膜上的NADPH氧化酶，该酶催化O 2 接受一个电子还原为O 2- ，可迅速升高或降低细胞内ROS的水平，将刺激信号快速传入核内 [2] 。
在生成ROS的细胞器中，线粒体是胞内活性氧的主要来源之一，由于线粒体消耗90%的生物利用的氧，其中2%通过呼吸链电子漏被电子还原成ROS。
一些可溶性酶如黄嘌呤氧化酶、醛氧化酶、二氢乳清酸脱氢酶、黄素蛋白脱氢酶、色氨酸双氧酶也可催化生成ROS。研究较多的是生成O 2- 的黄嘌呤氧化酶。另外，一些小分子如多巴胺、肾上腺素、黄素、对苯二酚等氧化时也可生成胞内ROS。在多数情况下，这种氧化反应的直接产物是O 2- 。
, 百拇医药
3 配体-受体诱导生成的ROS在信号转导中的作用
在配体与受体相互作用及激动剂处理细胞的过程中，发现很多生理现象的发生均与活性氧有一定的关系，现概述如下。
3.1 细胞因子受体 细胞因子受体是指可与相应细胞因子结合，存在于细胞膜或胞浆内的大分子蛋白质，它们没有酶的活性，也不直接与离子通道或G-蛋白相连。已有报道多种细胞因子如TNF-α、IL-1、IFN-γ等在与相应受体相互作用时可刺激细胞生成ROS，后者在参与细胞因子生物学效应中发挥着重要的作用。
TNF-α与其受体相互作用诱导的信号转导十分复杂，其主要途径之一是诱导转录因子NF-κB的活化，而NF-κB的激活和NF-κB介导的基因转录均需要ROS的参与。Mann [3] 等研究表明当用低浓度TNF-α处理人乳腺癌MCF-7细胞时，NF-κB活性明显上升;而在Mn-SOD过表达的细胞中，NF-κB则未被活化，即使TNF-α的浓度加大100倍，也未发现NF-κB的激活，提示在此过程中ROS介导了NF-κB的激活。另外，TNF-α诱导的细胞粘附分子、IL-8的表达、趋化因子的产生以及心肌细胞肥大等生物学效应均依赖于ROS。
, 百拇医药
IL-1通过氧化还原反应调控细胞功能的作用与TNF-α相似。IL-1和TNF-α处理牛软骨细胞时观察到氨基末端激酶(c-Jun N-termnal kinase，JNK)的活性迅速上升，外加抗氧化剂则使JNK的活化程度大大下降，表明ROS参与介导此反应的发生。
NADPH氧化酶对抵御病原菌有重要作用，最近的研究表明:作为吞噬细胞NADPH氧化酶的激活因子，IFN-γ可刺激环氧化酶依赖性的过氧化物产生，从而抑制细菌生长。
3.2 具有酪氨酸激酶活性的受体 生长因子与具有酪氨酸激酶活性的受体结合时可生成胞内ROS，后者在促有丝分裂信号转导过程中发挥着重要的作用。Sundaresan等 [4] 证实血小板衍生生长因子(platelet derived growth factor，PDGF)可瞬时增高胞内H 2 O 2 的浓度，且在激活转录因子的信号转导子和转录激活子家族(signal transducer and activitor of transcription，STAT)的过程中依赖于H 2 O 2 的存在。另外PDGF在调控基因表达时还依赖于O 2-。
, 百拇医药
Bae等 [5] 发现在A547细胞中表皮生长因子(epidermal growth factor，EGF)与具有酪氨酸激酶活性的受体结合也可诱导生成胞内H 2 O 2 ，在EGF诱导蛋白酪氨酸磷酸化的过程中H 2 O 2 起抑制蛋白酪氨酸磷酸酶活性的作用。在角质细胞系中EGF在增加胞内Ca 2+ 水平的同时，也增加胞内ROS。EGF诱导生成的ROS还可抑制G蛋白耦联受体参与的信号转导途径。EGF促进肿瘤形成、扩散及对鼠乳腺癌的入侵作用均与其诱导的过氧化物生成有关。
碱性FGF(FGF-2)可刺激黄素蛋白氧化酶生成胞内H 2 O 2 ，此反应在软骨细胞中可诱导c-Fos。最近研究表明，肝细胞生长因子在肿瘤细胞中可刺激生成ROS，从而阻止有丝分裂，介导细胞凋亡 [6] 。
3.3 具有丝氨酸/苏氨酸激酶的受体 TGF-β超家族成员是通过与具有丝氨酸/苏氨酸激酶活性的受体结合而发挥作用的。作为TGF-β超家族成员中的一员，TGF-β 1 可通过刺激ROS的产生参与生长抑制、细胞凋亡、细胞转化、胶原纤维合成等。Shibanumu等 [7] 研究了鼠造骨细胞内ROS的产生和它对TGF-β 1 诱导早期生长应答基因(early growth response，egr-1)的作用，结果发现胞外的过氧化氢酶可阻碍TGF-β 1 诱导的胞内H 2 O 2 增加及egr-1基因表达。
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3.4 G-蛋白耦联的受体 G-蛋白耦联受体是一大族细胞表面受体，在不同的细胞系中很多配体与这些受体结合可产生ROS。这些配体包括血管紧张素Ⅱ(angiotensin，ANG-Ⅱ)、5-羟色胺(5-hydroxytryptamine，5-HT)、缓激肽、凝血酶、内皮素(endothelin，ET)。
ANG-Ⅱ是一种血管活性肽，除血管收缩作用外，还可使血管平滑肌增生肥大。在培养的血管平滑肌细胞、肾小球系膜细胞、内皮细胞和肾近端小管细胞中ANG-Ⅱ可刺激上述细胞生成ROS。ROS介导的ANG-Ⅱ的生理功能包括血管加压作用、平滑肌细胞肥大、诱导胰岛素样生长因子受体的表达、生成IL-6等。
5-HT与ANG-Ⅱ相似，是一种血管活性肽，可介导平滑肌细胞增生肥大，在神经细胞中行使神经递质的功能。据报道，在鼠脑纹状体组织中5-HT的运输与氧化物生成有关，5-HT运输体的激活可介导3，4-亚甲基去氧甲基苯丙胺诱导的ROS生成及脑5-HT的损耗 [8] 。最近的研究表明在平滑肌细胞和鼠肺纤维原细胞中，5-HT诱导的O 2- 生成可激活P42/P44MAPK途径，使细胞增生 [9] 。 与ANG-Ⅱ和5-HT不同，缓激酶通过释放介质如NO . 介导血管舒张，已有报道它可在血管内皮细胞和人类角化细胞中生成ROS，在内皮细胞中通过缓激酶生成ROS与花生四烯酸代谢有关，也有报道在缓激酶诱导的脑细动脉血管扩张中OH 。 起潜在作用。
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疑血酶和ET-1是有效的血管平滑肌细胞有丝分裂原，通过G蛋白耦联受体传导信号，在内皮细胞和血管平滑肌细胞中凝血酶可诱导生成ROS。Patterson等 [10] 最近的研究表明凝血酶在血管平滑肌细胞中可刺激O 2- 和H 2 O 2 生成，这一过程与凝血酶诱导的细胞分裂中的NADPH氧化酶活性有关。有研究表明，ET-1可增加心肌细胞内ROS的生成，这一过程依赖于P21 Ras 途径，该研究还发现ET-1诱导产生的ROS对c-Fos表达是必需的，其它研究表明，ROS也可介导ET-1收缩心肌的作用。
3.5 离子通道型受体 离子通道型受体通过配体受体复合物形成的离子通道瞬间的开和闭来介导电兴奋细胞之间的快速突触信号传导，此类典型的配体为神经递质，如乙酰胆碱、5-HT、谷氨酸盐、氨基乙酸、γ-氨基丁酸等。与上述讨论的受体相比，我们对离子通道型受体介导的ROS信号转导知之甚少。但ROS通过一些兴奋性神经递质介导神经细胞死亡的作用引起人们越来越大的兴趣。如谷氨酸盐可诱导神经细胞产生ROS。Sensi等 [11] 研究表明这些细胞中ROS生成是胞内Zn 2+ 介导的线粒体去极化的结果。乙酰胆碱可激活ATP-敏感的K + 离子通道，增加线粒体ROS，后者可参与乙酰胆碱预处理的心肌细胞的信号转导。
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4 ROS作用的靶位点
虽然有很多信号转导途径与ROS有关，但ROS作用的靶分子却不很清楚，有证据表明氧化还原调节可能发生在从受体到核的信号转导途径中的多重水平。
蛋白激酶和磷酸酶本身是氧化应激的靶位点，从而引起酶、受体、转录因子等多种蛋白质的磷酸化。ROS可刺激许多细胞系的蛋白质磷酸化作用，外源性H 2 O 2 可诱导酪氨酸磷酸化，激活PDGF-α、PDGF-β、EGF受体。Knebel等 [12] 证实这些作用的机制与ROS介导酪氨酸磷酸酶失活，抑制PTKs去磷酸作用有关。
因多数生长因子和细胞因子在细胞膜上或附近生成ROS，所以磷脂代谢物是潜在的氧化还原信号的重要靶分子。氧化剂处理的细胞发生脂质过氧化后，最终导致膜结构的物理特性改变，而膜结构的改变足以激活磷脂酶。磷脂酶A 2 (PLA 2 )的活性对抗氧化物十分敏感，有报道认为维生素E可抑制经氧化剂预处理的细胞PLA 2 的活性，表明PLA 2 是ROS作用的靶分子。
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ROS通过增加细胞内Ca 2+ 浓度介导信号转导，因此Ca 2+ 通道和Ca 2+ 泵均有可能是ROS的作用位点。O 2 和H 2 O 2 能抑制内质网上依赖ATP的Ca 2+ 泵的活性，从而导致内质网的Ca 2+ 流向胞浆。有研究表明ROS可直接作用于Ca 2+ 通道，Roveri等 [13] 证实H 2 O 2 可刺激肌浆网中三磷酸肌醇敏感的Ca 2+ 存储池的改变，从而调整胞内Ca 2+ 浓度，使信号级联传递。
MAP激酶家族可分为ERK激酶、JNK/SAP激酶、P38激酶、大MAP激酶(BMK/ERK 5 )，所有MAP激酶都含有对ROS和氧化剂敏感的位点，目前对其具体机制尚不清楚。Wilmer等 [14] 表明在人类肾小球系膜细胞中，抗氧化剂可抑制IL-1诱导的ERK2和JNK的活化，提示配体刺激生成的ROS可能介导这一效应。
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NF-γB，一种调控多种免疫和炎性应答基因表达的转录因子，可对氧化物的刺激作出反应。Satriano等 [15] 发现:在鼠血管系膜细胞中黄嘌呤氧化酶系统产生的O 2- 可激活NF-γB，而抗氧化剂PDTC可清除自由基，从而抑制NF-γB激活，表明ROS可以激活转录因子NF-γB。
AP-1是c-Fos和c-Jun蛋白构成的异二聚体，它处于活性状态时可与DNA序列特异性结合。AP-1对胞内氧化还原的状态十分敏感，它受氧化应激激活后表现为AP-1亚基蛋白质的表达增加和AP-1异二聚体结合DNA的活性增加。Maki等 [16] 报道，大鼠近端小管上皮细胞黄嘌呤/黄嘌呤氧化酶系统产生的O 2- 对c-fos基因表达十分重要。
5 ROS的作用机制
通常认为ROS信号转导有两种主要的作用机制:(1)改变细胞内氧化还原状态;(2)氧化修饰蛋白。
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5.1 改变细胞内氧化还原状态 与胞外环境相比，通常细胞内维持在强“还原”状态。这主要靠GSH和TRX这两种巯基氧化还原反应系统来维持。除上述作用外，两系统还参与细胞的信号转导。
已有报道，通过改变总的GSH水平和GSSG/GSH，可以调控氧化还原的信号转导。细胞GSH减少与血管内皮细胞增殖减少和纤维原细胞增殖增多有关。研究表明:TGF-β 1 抑制血管内皮细胞生长可能与GSH减少有关，胞内巯基含量增多可以部分逆转上述抑制作用。
TRX是一种多功能的小分子蛋白，在活性位点中有两个氧化还原反应激活的半胱氨酸(Cys-Gly-Pro-Cys)。最近有证据表明TRX通过直接与蛋白结合来调控蛋白活性。Saitoh等 [17] 表明TRX可与ASK-1(apotosis signal-regˉulating kinase)氨基末端区域结合而抑制ASK-1，而ROS则可通过降低TRX以激活ASK-1。
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5.2 氧化修饰蛋白 ROS可以通过修饰蛋白中关键氨基酸位点，以改变蛋白质的结构和功能，从而参与信号转导。到目前为止，关于半胱氨酸残基氧化修饰的研究最确切。单个半胱氨酸残基中的巯基(-SH)可被氧化形成-SOH、-SO 2 H、-SO 3 H或-SSG的衍生物，如果半胱氨酸位于酶的结构域中，此反应可改变酶的活性;若其位于DNA结合序列中，则可改变转录因子结合NDA的能力。
同一蛋白质中两个或多个半胱氨酸残基被氧化形成分子内二硫键，由此可改变蛋白质的构象。分子内二硫键的形成对酶活性的调节十分重要，Gopalakrishna等 [18] 表明PKC结构域中的半胱氨酸残基之间易发生氧化还原反应形成二硫化物，从而调控PCK的活性。
两个相同或不同蛋白质中的半胱氨酸发生氧化反应可形成二硫化物，从而导致同二聚化或异二聚化作用。Gotoch和Cooper [19] 研究表明ROS可诱导ASK-1产生二聚化从而介导TNF- 激活ASK-1。TNF- 还可通过复合物中氧化依赖的TRX的解离调节ASK-1的活性。因而，TNF- 在通过氧化还原作用调控ASK-1活性时，ROS有两种不同的调节途径:诱导激酶中调节蛋白的解离;直接作用于介导二聚化的激酶。
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6 结束语
现代细胞生物学、生物化学及分子生物学的快速发展使人们对ROS的生物学意义有了一些新的认识，ROS可以通过多种途径进行信号转导，因此它可作为第二信使调节生命活动过程，其中最重要的是调节基因表达，但其具体机制仍有待进一步研究和阐明，弄清楚ROS与基因表达的关系对阐明疾病的发病机制及研制新的治疗措施有着重要的意义。
参考文献
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作者单位:100853北京解放军总医院老年心血管病研究所
(编辑罗 彬), http://www.100md.com
【摘要】 活性氧(reactive oxygen species，ROS)是氧分子的部分还原代谢产物的总称，如超氧阴离子(O 2- )、羟自由基(HO · )和过氧化氢(H 2 O 2 )等。研究表明:ROS具有很高的生物活性，作为第二信使，它们在多种细胞因子生物活性的启动过程中发挥着重要的作用。本文对配体介导生成ROS在信号转导中的作用及其作用机制进行了综述。
【文献标识码】 A 【文章编号】1609-6614(2004)06-0521-04
Reactive oxygen species and signaling transduction
Yang Jie，Zhu Qinglei，Wang Shiwen.
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Institute of Geriatric Cardiology，General Hospital of PLA，Beijing，100853.
【Abstract】 Reacive oxygen species(ROS)are referred as the partially reduced metabolites，such as superoxˉide anion(O 2- )，hydroxyl radical(HO · )，and hydrogen peroxide(H 2 O 2 )etc.Recent studies have suggested that ROS possess high biological activities.Bing second messages，they play crucial roles in the initiation of biological acˉtivities of many cytokines.In this review，wediscussed the actions and mechanisms of ligand-induced generated NOS in signaling transduction.
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活性氧(reactive oxygen species，ROS)是细胞新陈代谢的副产物之一。最近研究发现在生长因子和细胞因子介导的正常生理信号转导过程中，特异的质膜氧化酶可生成ROS，后者可作为第二信使参与多种因子细胞生物学效应的启动。本文重点阐明配体介导生成ROS的细胞效应及ROS作为信号分子的作用机制。
1 ROS的化学性质
活性氧是外源性氧化剂或细胞内有氧代谢过程中产生的具有很高生物活性的含氧化合物的总称，包括超氧阴离子(O 2- )、过氧化氢(H 2 O 2 )、羟自由基(HO · )、一氧化氮(NO)等。超氧阴离子是一种重要的ROS，它由氧分子接受一个电子而形成。O 2 在水溶液中易发生歧化反应生成H 2 O 2 ，在酸性环境中高浓度O 2 的质子化产物HO ·2 更易发生此反应。因此在生理条件下，一旦形成超氧化物自由基，过氧化氢必然产生。与O 2 不同，H 2O 2 不是自由基，而是一种更稳定的分子。在一般情况下，生物体内产生的H 2 O 2 常被过氧化氢酶和谷胱甘肽过氧化物酶清除，如果得不到及时清除，它可透过细胞膜，若膜外有Fe2+ 或Cu + 等金属离子存在时可生成HO · 。羟自由基是化学性质最活泼的活性氧，具有很强的氧化作用，其寿命极短，可与周围的生物分子反应，产生不同反应性的二级自由基 [1] 。由此可见，活性氧之间在一定条件下是可以相互转变的。
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2 生物体内ROS的来源
生物体不断地通过非酶反应与酶反应产生ROS，但在抗氧化酶及外源性和内源性抗氧化剂的协同作用下又不断地被清除，因而在生理情况下活性氧维持在一个非常低且稳定的水平。
生成ROS的酶很多，作为信号分子的ROS主要来源于细胞质膜上的NADPH氧化酶，该酶催化O 2 接受一个电子还原为O 2- ，可迅速升高或降低细胞内ROS的水平，将刺激信号快速传入核内 [2] 。
在生成ROS的细胞器中，线粒体是胞内活性氧的主要来源之一，由于线粒体消耗90%的生物利用的氧，其中2%通过呼吸链电子漏被电子还原成ROS。
一些可溶性酶如黄嘌呤氧化酶、醛氧化酶、二氢乳清酸脱氢酶、黄素蛋白脱氢酶、色氨酸双氧酶也可催化生成ROS。研究较多的是生成O 2- 的黄嘌呤氧化酶。另外，一些小分子如多巴胺、肾上腺素、黄素、对苯二酚等氧化时也可生成胞内ROS。在多数情况下，这种氧化反应的直接产物是O 2- 。
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3 配体-受体诱导生成的ROS在信号转导中的作用
在配体与受体相互作用及激动剂处理细胞的过程中，发现很多生理现象的发生均与活性氧有一定的关系，现概述如下。
3.1 细胞因子受体 细胞因子受体是指可与相应细胞因子结合，存在于细胞膜或胞浆内的大分子蛋白质，它们没有酶的活性，也不直接与离子通道或G-蛋白相连。已有报道多种细胞因子如TNF-α、IL-1、IFN-γ等在与相应受体相互作用时可刺激细胞生成ROS，后者在参与细胞因子生物学效应中发挥着重要的作用。
TNF-α与其受体相互作用诱导的信号转导十分复杂，其主要途径之一是诱导转录因子NF-κB的活化，而NF-κB的激活和NF-κB介导的基因转录均需要ROS的参与。Mann [3] 等研究表明当用低浓度TNF-α处理人乳腺癌MCF-7细胞时，NF-κB活性明显上升;而在Mn-SOD过表达的细胞中，NF-κB则未被活化，即使TNF-α的浓度加大100倍，也未发现NF-κB的激活，提示在此过程中ROS介导了NF-κB的激活。另外，TNF-α诱导的细胞粘附分子、IL-8的表达、趋化因子的产生以及心肌细胞肥大等生物学效应均依赖于ROS。
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IL-1通过氧化还原反应调控细胞功能的作用与TNF-α相似。IL-1和TNF-α处理牛软骨细胞时观察到氨基末端激酶(c-Jun N-termnal kinase，JNK)的活性迅速上升，外加抗氧化剂则使JNK的活化程度大大下降，表明ROS参与介导此反应的发生。
NADPH氧化酶对抵御病原菌有重要作用，最近的研究表明:作为吞噬细胞NADPH氧化酶的激活因子，IFN-γ可刺激环氧化酶依赖性的过氧化物产生，从而抑制细菌生长。
3.2 具有酪氨酸激酶活性的受体 生长因子与具有酪氨酸激酶活性的受体结合时可生成胞内ROS，后者在促有丝分裂信号转导过程中发挥着重要的作用。Sundaresan等 [4] 证实血小板衍生生长因子(platelet derived growth factor，PDGF)可瞬时增高胞内H 2 O 2 的浓度，且在激活转录因子的信号转导子和转录激活子家族(signal transducer and activitor of transcription，STAT)的过程中依赖于H 2 O 2 的存在。另外PDGF在调控基因表达时还依赖于O 2-。
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Bae等 [5] 发现在A547细胞中表皮生长因子(epidermal growth factor，EGF)与具有酪氨酸激酶活性的受体结合也可诱导生成胞内H 2 O 2 ，在EGF诱导蛋白酪氨酸磷酸化的过程中H 2 O 2 起抑制蛋白酪氨酸磷酸酶活性的作用。在角质细胞系中EGF在增加胞内Ca 2+ 水平的同时，也增加胞内ROS。EGF诱导生成的ROS还可抑制G蛋白耦联受体参与的信号转导途径。EGF促进肿瘤形成、扩散及对鼠乳腺癌的入侵作用均与其诱导的过氧化物生成有关。
碱性FGF(FGF-2)可刺激黄素蛋白氧化酶生成胞内H 2 O 2 ，此反应在软骨细胞中可诱导c-Fos。最近研究表明，肝细胞生长因子在肿瘤细胞中可刺激生成ROS，从而阻止有丝分裂，介导细胞凋亡 [6] 。
3.3 具有丝氨酸/苏氨酸激酶的受体 TGF-β超家族成员是通过与具有丝氨酸/苏氨酸激酶活性的受体结合而发挥作用的。作为TGF-β超家族成员中的一员，TGF-β 1 可通过刺激ROS的产生参与生长抑制、细胞凋亡、细胞转化、胶原纤维合成等。Shibanumu等 [7] 研究了鼠造骨细胞内ROS的产生和它对TGF-β 1 诱导早期生长应答基因(early growth response，egr-1)的作用，结果发现胞外的过氧化氢酶可阻碍TGF-β 1 诱导的胞内H 2 O 2 增加及egr-1基因表达。
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3.4 G-蛋白耦联的受体 G-蛋白耦联受体是一大族细胞表面受体，在不同的细胞系中很多配体与这些受体结合可产生ROS。这些配体包括血管紧张素Ⅱ(angiotensin，ANG-Ⅱ)、5-羟色胺(5-hydroxytryptamine，5-HT)、缓激肽、凝血酶、内皮素(endothelin，ET)。
ANG-Ⅱ是一种血管活性肽，除血管收缩作用外，还可使血管平滑肌增生肥大。在培养的血管平滑肌细胞、肾小球系膜细胞、内皮细胞和肾近端小管细胞中ANG-Ⅱ可刺激上述细胞生成ROS。ROS介导的ANG-Ⅱ的生理功能包括血管加压作用、平滑肌细胞肥大、诱导胰岛素样生长因子受体的表达、生成IL-6等。
5-HT与ANG-Ⅱ相似，是一种血管活性肽，可介导平滑肌细胞增生肥大，在神经细胞中行使神经递质的功能。据报道，在鼠脑纹状体组织中5-HT的运输与氧化物生成有关，5-HT运输体的激活可介导3，4-亚甲基去氧甲基苯丙胺诱导的ROS生成及脑5-HT的损耗 [8] 。最近的研究表明在平滑肌细胞和鼠肺纤维原细胞中，5-HT诱导的O 2- 生成可激活P42/P44MAPK途径，使细胞增生 [9] 。 与ANG-Ⅱ和5-HT不同，缓激酶通过释放介质如NO . 介导血管舒张，已有报道它可在血管内皮细胞和人类角化细胞中生成ROS，在内皮细胞中通过缓激酶生成ROS与花生四烯酸代谢有关，也有报道在缓激酶诱导的脑细动脉血管扩张中OH 。 起潜在作用。
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疑血酶和ET-1是有效的血管平滑肌细胞有丝分裂原，通过G蛋白耦联受体传导信号，在内皮细胞和血管平滑肌细胞中凝血酶可诱导生成ROS。Patterson等 [10] 最近的研究表明凝血酶在血管平滑肌细胞中可刺激O 2- 和H 2 O 2 生成，这一过程与凝血酶诱导的细胞分裂中的NADPH氧化酶活性有关。有研究表明，ET-1可增加心肌细胞内ROS的生成，这一过程依赖于P21 Ras 途径，该研究还发现ET-1诱导产生的ROS对c-Fos表达是必需的，其它研究表明，ROS也可介导ET-1收缩心肌的作用。
3.5 离子通道型受体 离子通道型受体通过配体受体复合物形成的离子通道瞬间的开和闭来介导电兴奋细胞之间的快速突触信号传导，此类典型的配体为神经递质，如乙酰胆碱、5-HT、谷氨酸盐、氨基乙酸、γ-氨基丁酸等。与上述讨论的受体相比，我们对离子通道型受体介导的ROS信号转导知之甚少。但ROS通过一些兴奋性神经递质介导神经细胞死亡的作用引起人们越来越大的兴趣。如谷氨酸盐可诱导神经细胞产生ROS。Sensi等 [11] 研究表明这些细胞中ROS生成是胞内Zn 2+ 介导的线粒体去极化的结果。乙酰胆碱可激活ATP-敏感的K + 离子通道，增加线粒体ROS，后者可参与乙酰胆碱预处理的心肌细胞的信号转导。
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4 ROS作用的靶位点
虽然有很多信号转导途径与ROS有关，但ROS作用的靶分子却不很清楚，有证据表明氧化还原调节可能发生在从受体到核的信号转导途径中的多重水平。
蛋白激酶和磷酸酶本身是氧化应激的靶位点，从而引起酶、受体、转录因子等多种蛋白质的磷酸化。ROS可刺激许多细胞系的蛋白质磷酸化作用，外源性H 2 O 2 可诱导酪氨酸磷酸化，激活PDGF-α、PDGF-β、EGF受体。Knebel等 [12] 证实这些作用的机制与ROS介导酪氨酸磷酸酶失活，抑制PTKs去磷酸作用有关。
因多数生长因子和细胞因子在细胞膜上或附近生成ROS，所以磷脂代谢物是潜在的氧化还原信号的重要靶分子。氧化剂处理的细胞发生脂质过氧化后，最终导致膜结构的物理特性改变，而膜结构的改变足以激活磷脂酶。磷脂酶A 2 (PLA 2 )的活性对抗氧化物十分敏感，有报道认为维生素E可抑制经氧化剂预处理的细胞PLA 2 的活性，表明PLA 2 是ROS作用的靶分子。
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ROS通过增加细胞内Ca 2+ 浓度介导信号转导，因此Ca 2+ 通道和Ca 2+ 泵均有可能是ROS的作用位点。O 2 和H 2 O 2 能抑制内质网上依赖ATP的Ca 2+ 泵的活性，从而导致内质网的Ca 2+ 流向胞浆。有研究表明ROS可直接作用于Ca 2+ 通道，Roveri等 [13] 证实H 2 O 2 可刺激肌浆网中三磷酸肌醇敏感的Ca 2+ 存储池的改变，从而调整胞内Ca 2+ 浓度，使信号级联传递。
MAP激酶家族可分为ERK激酶、JNK/SAP激酶、P38激酶、大MAP激酶(BMK/ERK 5 )，所有MAP激酶都含有对ROS和氧化剂敏感的位点，目前对其具体机制尚不清楚。Wilmer等 [14] 表明在人类肾小球系膜细胞中，抗氧化剂可抑制IL-1诱导的ERK2和JNK的活化，提示配体刺激生成的ROS可能介导这一效应。
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NF-γB，一种调控多种免疫和炎性应答基因表达的转录因子，可对氧化物的刺激作出反应。Satriano等 [15] 发现:在鼠血管系膜细胞中黄嘌呤氧化酶系统产生的O 2- 可激活NF-γB，而抗氧化剂PDTC可清除自由基，从而抑制NF-γB激活，表明ROS可以激活转录因子NF-γB。
AP-1是c-Fos和c-Jun蛋白构成的异二聚体，它处于活性状态时可与DNA序列特异性结合。AP-1对胞内氧化还原的状态十分敏感，它受氧化应激激活后表现为AP-1亚基蛋白质的表达增加和AP-1异二聚体结合DNA的活性增加。Maki等 [16] 报道，大鼠近端小管上皮细胞黄嘌呤/黄嘌呤氧化酶系统产生的O 2- 对c-fos基因表达十分重要。
5 ROS的作用机制
通常认为ROS信号转导有两种主要的作用机制:(1)改变细胞内氧化还原状态;(2)氧化修饰蛋白。
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5.1 改变细胞内氧化还原状态 与胞外环境相比，通常细胞内维持在强“还原”状态。这主要靠GSH和TRX这两种巯基氧化还原反应系统来维持。除上述作用外，两系统还参与细胞的信号转导。
已有报道，通过改变总的GSH水平和GSSG/GSH，可以调控氧化还原的信号转导。细胞GSH减少与血管内皮细胞增殖减少和纤维原细胞增殖增多有关。研究表明:TGF-β 1 抑制血管内皮细胞生长可能与GSH减少有关，胞内巯基含量增多可以部分逆转上述抑制作用。
TRX是一种多功能的小分子蛋白，在活性位点中有两个氧化还原反应激活的半胱氨酸(Cys-Gly-Pro-Cys)。最近有证据表明TRX通过直接与蛋白结合来调控蛋白活性。Saitoh等 [17] 表明TRX可与ASK-1(apotosis signal-regˉulating kinase)氨基末端区域结合而抑制ASK-1，而ROS则可通过降低TRX以激活ASK-1。
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5.2 氧化修饰蛋白 ROS可以通过修饰蛋白中关键氨基酸位点，以改变蛋白质的结构和功能，从而参与信号转导。到目前为止，关于半胱氨酸残基氧化修饰的研究最确切。单个半胱氨酸残基中的巯基(-SH)可被氧化形成-SOH、-SO 2 H、-SO 3 H或-SSG的衍生物，如果半胱氨酸位于酶的结构域中，此反应可改变酶的活性;若其位于DNA结合序列中，则可改变转录因子结合NDA的能力。
同一蛋白质中两个或多个半胱氨酸残基被氧化形成分子内二硫键，由此可改变蛋白质的构象。分子内二硫键的形成对酶活性的调节十分重要，Gopalakrishna等 [18] 表明PKC结构域中的半胱氨酸残基之间易发生氧化还原反应形成二硫化物，从而调控PCK的活性。
两个相同或不同蛋白质中的半胱氨酸发生氧化反应可形成二硫化物，从而导致同二聚化或异二聚化作用。Gotoch和Cooper [19] 研究表明ROS可诱导ASK-1产生二聚化从而介导TNF- 激活ASK-1。TNF- 还可通过复合物中氧化依赖的TRX的解离调节ASK-1的活性。因而，TNF- 在通过氧化还原作用调控ASK-1活性时，ROS有两种不同的调节途径:诱导激酶中调节蛋白的解离;直接作用于介导二聚化的激酶。
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6 结束语
现代细胞生物学、生物化学及分子生物学的快速发展使人们对ROS的生物学意义有了一些新的认识，ROS可以通过多种途径进行信号转导，因此它可作为第二信使调节生命活动过程，其中最重要的是调节基因表达，但其具体机制仍有待进一步研究和阐明，弄清楚ROS与基因表达的关系对阐明疾病的发病机制及研制新的治疗措施有着重要的意义。
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作者单位:100853北京解放军总医院老年心血管病研究所
(编辑罗 彬), http://www.100md.com