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動物化學防御系統的核心組分探究

來源:原創論文網 添加時間:2020-02-20

  摘    要: 化學防御系統是生物抵御環境中化學脅迫和維持內環境穩態的重要機制,由長期進化出的一系列基因家族、蛋白和相關反應通路組成。該系統的核心組分包括:(1)受體和配體激活轉錄因子,其負責感知有毒化合物;(2)生物轉化酶,其通過氧化、還原和結合反應使有毒物質的毒性降低,增加親水性,使化合物更易排出;(3)外排轉運蛋白,其負責將外源物質或生物轉化產生的代謝物排出細胞;(4)抗氧化酶,其作用是保護細胞免受外部和內部產生的活性氧或自由基的傷害。本綜述對動物化學防御系統的組成及作用機制進行概述,為研究海洋無脊椎動物的化學防御系統提供參考。

  關鍵詞: 化學防御系統; 配體激活轉錄因子; 生物轉化酶; ABC轉運蛋白; 化學脅迫;

  Abstract: Animal chemical defensome is made up of an array of gene families, proteins and pathways, which plays an important role in responding to xenobiotic stress in the environment and maintaining cellular homeostasis. The core components of the chemical defensome are:(1) soluble receptors and ligand activated transcription factors, which receive and sense toxicants and tissue damage;(2) biotransformation enzymes, that transform chemicals to less toxic and excretable metabolites by oxidation, reduction and conjugation reactions;(3) efflux transporters, that export toxicants or metabolites generated by biotransformation from the cell;(4) antioxidant enzymes,that protect against ROS or other radicals. In this review we summarize the composition and mechanism of animal chemical defensome, and provide reference for the study of chemical defensome in marine invertebrates.

  Keyword: chemical defensome; ligand activated transcription factors; biotransformation enzyme; ABC transporter; chemical stress;

  動物生存面臨的一個重要問題是,當受到外源異生物質或內源有毒物質的脅迫時,如何維持其內環境穩態。為應對這一生存挑戰,動物進化出一系列基因家族和反應通路以保護和修復機體免受有毒化學物質的損害。這一系列基因家族、蛋白和反應通路組成的綜合網絡稱為化學防御系統(Chemical defensome)。生物化學防御系統理論上大致包括如下核心組分:(1)可溶性受體(Soluble receptor)和配體激活轉錄因子(Ligand-activated transcription factor),其作用是接收和感知毒性物質和機體損傷,它們是一類化學感受器;(2)生物轉化酶(Biotransformation enzymes),其功能是使化學物質的毒性降低,這些酶作用于底物的方式包括氧化反應、還原反應和結合反應,以增加毒性物質的親水性,從而使這些物質更容易從體內代謝排出;(3)外排轉運蛋白 (Efflux transporter),其作用是將外源異生物質或生物轉化后的代謝物排出細胞;(4)抗氧化酶(Antioxidant enzymes),其作用是保護細胞免受代謝產生的內源性活性氧(ROS)及其它自由基的傷害[1,2,3](見圖1);瘜W防御系統的各組分之間相互協作,抵御環境中外源異生物質如重金屬、多環芳烴、植物毒素等對動物的傷害,同時也參與消除內源信號分子(如類固醇)以及內源性毒素(如活性氧ROS、脂質過氧化物和血紅素降解產物等),維持細胞內穩態[1,2,3]。在多細胞動物中,化學防御相關的基因家族存在基因冗余且進化較為保守,約占基因組含量的1%~3%[2,3,4]。目前,對化學防御機制的研究主要聚焦脊椎動物,特別是哺乳動物,而海洋無脊椎動物的相關研究較為匱乏。與脊椎動物相比,海洋無脊椎動物的許多化學防御基因家族往往出現成員多樣化和擴張,但這些成員的化學防御機制仍不清楚[2,3]。本綜述概述了動物化學防御系統的核心組分及作用機制,為今后深入研究海洋無脊椎動物的化學防御系統提供參考。

  1、 受體和配體激活轉錄因子

  受體和配體激活轉錄因子作為化學感受器,在化學防御系統中的作用是接收和感知有機化合物,并調控轉運蛋白和生物轉化酶的表達。該組分主要包含bHLH-PAS家族蛋白、核受體(Nuclear receptor,NR)家族蛋白以及bZIP家族蛋白。
 

動物化學防御系統的核心組分探究
 

  1.1 、bHLH-PAS家族

  bHLH-PAS家族由一系列轉錄因子組成,因具有特征性的bHLH功能域和PAS功能域而得名。該家族成員參與包括發育、建立和維持晝夜節律以及感知環境變化(如低氧、荷爾蒙和外源異生物質等)在內的多種重要生理過程。其中,芳香烴受體(AhR)、芳香烴受體核轉運蛋白(ARNT)和低氧誘導因子(HIF1α)是重要的化學受體蛋白。

  圖1 化學防御系統的組成和調控網絡
圖1 化學防御系統的組成和調控網絡

  Fig.1 Organization and regulatory network of animal chemical defensome

  根據Goldstone等[2]修改。

  Modified from Goldstone et al[2].

  AhR是bHLH-PAS家族中最重要的化學感受器。作為具有配體依賴性的轉錄因子,AhR可被多種內源性或外源性配體激活,這些配體包括多環芳香烴(PAHs,如苯并芘、苯并蒽)、多氯聯苯(PCBs)、鹵代多環碳氫類化合物(如二惡英TCDD、聯二苯)、吲哚類、食物來源的黃酮類及藥物制品(如奧美拉唑)等[7,8,9,10]。未與配體結合時,AhR定位于細胞質中,且與細胞質中的一些分子伴侶結合并處于失活狀態。當AhR與進入細胞的TCDD、PCBs等配體結合后,分子伴侶解離,并導致AhR從細胞質轉移到細胞核,與細胞核中的ARNT形成異源二聚體。AhR-ARNT二聚體識別并結合下游靶基因啟動子區域的應答元件(AHRE、DRE或XRE),從而啟動包括細胞色素P450酶家族基因(如CYP1A1, CYP1A2, CYP1B1),以及其他化學防御基因在內的下游靶基因的轉錄,調動化學防御系統對毒物進行生物轉化和排出[10,11,12,13]

  AhR-CYP信號通路是明確的介導脊椎動物化學防御的重要機制。而無脊椎動物是否同脊椎動物一樣,依賴AhR-CYP信號通路抵御外源有毒物質的傷害仍有爭議[14,15]。Hahn[14]認為,脊椎動物AhR通過基因復制致使該基因獲得能夠與二惡英等外源物質結合的能力。而無脊椎動物的原型AhR在動物發育過程中發揮重要作用,但不具有與這些典型脊椎動物AhR配體結合的能力[14]。然而,新近研究表明,在苯并(a)芘、PCB126和TBT這些典型脊椎動物AhR配體的刺激下,劍水蚤(Tigriopus japonicus)[15]和櫛孔扇貝(Chlamys farreri)[16]的AhR和ARNT基因均上調表達,且櫛孔扇貝的CYP1A1以及雌激素受體基因的表達也被激活,暗示這兩種海洋無脊椎動物中可能存在潛在的AhR-CYP信號通路。

  1.2 、核受體超家族

  核受體(NR)超家族由一系列配體激活的轉錄因子組成,并且是多細胞動物特有的轉錄因子,在原生生物、藻類、真菌或植物中均未發現。核受體參與多種重要生理過程,如生長發育、細胞分化、新陳代謝以及脅迫應答等[17,18]。核受體超家族成員具有特征性結構,即具有一個包含AF-1激活域的可變N端區域,一個高度保守的DNA結合域(DBD)、一個鉸鏈區、一個包含AF-2激活域的配體結合域(LBD)。其中,AF-1激活域介導配體非依賴性轉錄激活,而AF-2激活域介導配體依賴性轉錄激活。重要的化學防御相關核受體存在于NR1H和NR1I亞家族中,包括脊椎動物的孕甾烷X受體(PXR)、組成型雄甾烷受體(CAR)、肝X受體(LXR)、法尼酯X受體(FXR)和維生素D受體(VDR),這些核受體能被多種內毒素和外源物質激活,調控包括細胞色素P450酶家族基因(如CYP2s、CYP3s、CYP4s)、結合作用酶(UGT、SULT)以及轉運蛋白基因的表達。其他參與化學防御的核受體還包括過氧化物酶體增殖因子激活受體(PPARs)、雌激素受體(ER)和視黃質X受體(RXR)[19,20]。

  PXR和CAR是核受體中最重要的外源異生物質感受器。由于PXR和CAR的激活依賴于配體的選擇,而不同物種的PXR和CAR的配體結合域的氨基酸序列有差異,因而這2種核受體在解毒功能方面具有物種差異性。對人和小鼠的研究表明,PXR和CAR主要在肝臟和消化道中表達,且這兩種核受體具有一些相似的功能特征[21]。對人的PXR和CAR研究表明,這兩種核受體所調控的生物轉化酶和轉運蛋白類型有部分是相同(如CYP2B6、CYP3A4、UGT1A1、DMR1和MRP2等),并且這兩種核受體也可以被相同的化合物激活,例如鎮靜劑苯巴比妥米那[21,22]。當被配體激活后,PXR和CAR都能夠與視黃質X受體(RXR)形成異二聚體,并分別通過識別靶基因啟動子區域的PXR應答元件(PXRRE)和苯巴比妥應答元件(PBREM)調控下游基因表達[23]。這些應答元件由不同的重復基序AG(G/T)TCA組成,包括由3~5個核苷酸間隔的正向重復序列(DR3、DR4、DR5),由6個核苷酸間隔或沒有核苷酸間隔的外翻轉重復序列(ER6、ER0),以及由6個或8個核苷酸間隔的反向重復序列(IR6、IR8)和基序DR-(5n + 4)[24]。PXR和CAR還會分別調控不同的靶基因,如PXR能夠調控生物轉化酶CYP7A、CYP4F12、UGT1A6、SULT2A1和轉運蛋白OATP1A2的基因表達,而CAR能夠調控生物轉化酶CYP1A1、CYP1A2、UGT2B1、SULT1E1和轉運蛋白OATP1B3的基因表達。此外,通過轉錄調控和翻譯后調控,可精確控制PXR和CAR的激活。PXR和CAR的亞細胞定位以及與輔因子的相互作用可影響它們的轉錄活性,而翻譯后水平的調控可通過磷酸化、泛素化和乙;瘜崿F[21]。

  1.3、 bZIP家族

  bZIP(Basic leucine zipper)超家族是最大的轉錄因子家族之一,其成員參與生長發育、細胞分化和凋亡、應對環境脅迫和氧化應激等多種生理過程。該家族蛋白具有典型的bZIP結構域,其包含與特異DNA序列結合的區域,以及負責將bZIP蛋白二聚化的亮氨酸拉鏈[25]。脊椎動物化學防御系統中,參與介導抗氧化應激反應的轉錄因子主要是bZIP家族成員,包括CNC-bZIP家族蛋白(核因子紅系2因子NF-E2以及其相關因子NRF1和NRF2,BACH蛋白BACH1和BACH2),和小分子Maf(sMaf)家族蛋白(MafF、MafG、MafK)。由于CNC-bZIP蛋白不能作為單體與DNA結合,sMaf 則成為這些蛋白不可或缺的重要異二聚體伴侶[25,26,27,28,29]。

  Nrf2-Keap1-ARE信號通路在調控外源性的氧化應激機制中發揮關鍵作用,是化學防御系統的重要組成部分。Nrf2通常存在于哺乳動物細胞質中,并與內源性抑制蛋白Keap1(Kelch-like ECH associated protein1)結合形成聚合物。Keap1通過泛素蛋白酶體途徑促進Nrf2降解,使細胞內Nrf2含量維持較低水平[29,30]。當細胞受到氧化或化學脅迫時,Nrf2 與Keap1解離并避免Keap1介導的蛋白水解消化。Nrf2轉移進入細胞核,與核內的sMaf形成異二聚體,通過識別并結合靶基因上的抗氧化反應元件ARE(5’-TGACNNNGC-3’),啟動下游靶基因(抗氧化酶基因和生物轉化酶基因等)的轉錄,例如醌氧化還原酶-1(NQO-1)、超氧化物歧化酶(SOD)、血紅素加氧酶-1(NO-1)、谷氨酸半胱氨酸連接酶(GCL)及谷胱甘肽S-轉移酶(GST)等酶的基因。此外,越來越多的證據表明Nrf2除了參與抗氧化應激反應,在調節與細胞代謝、增殖和分化相關基因的表達方面也發揮重要作用[28,29,30,31,32]。與Nrf2類似,Nrf1在維持細胞內環境穩態中也起到關鍵作用,同時在發育和細胞增殖過程中也扮演重要角色。Nrf1的全面缺失會導致嚴重的氧化應激,還會導致基因組不穩定、胚胎致死和發育障礙[25,26,29]。

  與Nrf蛋白不同,Bach(BTB and CNC homology)蛋白作為轉錄阻遏蛋白行使功能,在氧化應激反應中維持血紅素穩態方面發揮重要作用。Bach和Nrf2相互競爭結合sMaf蛋白形成異二聚體,分別導致抑制或激活靶基因(例如血紅素加氧酶-1基因)表達[34,35]。

  2、 生物轉化酶

  生物轉化酶是化學防御系統的核心組分。疏水化合物在這些酶的作用下,通過一系列生化反應,轉化為更親水的衍生物,以促使它們從生物體中排除。生物轉化過程通常被分為兩個階段,即I相反應和II相反應。I相反應進行水解、氧化和還原反應,通過添加或暴露官能團(如羥基、巰基、羧基和氨基),將化合物轉化為極性代謝物,提高其水溶性。參與I相反應的酶包括細胞色素P450(CYPs)、黃素蛋白單氧酶(MFOs)、醇脫氫酶(ADHs)、醛脫氫酶(ALDHs)等。II相反應目的是進一步增加化合物(通常是I相代謝物)與內源性生物分子的水溶性以及降低I相代謝物的毒性。II相反應主要進行結合和還原反應,包括葡萄糖醛酸化、硫酸化、甲基化、乙;、谷胱甘肽結合和氨基酸結合反應。參與II相反應的酶包括葡萄糖醛酸轉移酶(UGTs)、谷胱甘肽S-硫轉移酶(GSTs)、硫酸基轉移酶(SULTs)、N-乙酰轉移酶(NATs)和甲基轉移酶(MTs)、醛酮還原酶(AKRs)、環氧化物水解酶(EPHXs)以及NAD(P)H∶醌氧化還原酶(NQOs)等[36,37,38,39,40,41]。這部分將介紹最重要的兩類生物轉化酶,細胞色素P450和葡萄糖醛酸轉移酶,這兩類酶負責代謝90%以上的依賴肝臟清除的藥物[39]。

  2.1 、細胞色素P450超家族

  細胞色素P450(CYPs)超家族由一系列血紅素蛋白組成,廣泛存在于動物、植物、真菌、原生動物、細菌和古生菌中。在哺乳動物中,CYPs存在于幾乎所有組織中,尤其在肝臟和小腸中表達量最高。肝臟中的膜結合型CYP酶結合在微粒體上,在膽汁酸的合成以及藥物、環境污染物和致癌物等外來化合物的代謝過程中起著至關重要的作用[37,42,43]。CYPs也存在于產生類固醇的組織中的線粒體內膜上,如腎上腺皮質、睪丸、卵巢、乳房和胎盤,并參與內源性類固醇激素的合成和降解。此外,CYPs在維生素代謝、不飽和脂肪酸氧化、膽固醇合成,以及維持大腦膽固醇穩態和消除類維生素A等方面也發揮重要作用?傊,CYPs在細胞代謝和維持細胞穩態中起著核心作用[42,43,44,45,46]。

  CYP酶的活性部位含有血紅素-鐵離子(Fe3+)中心,鐵離子通過半胱氨酸硫酸配體與蛋白結合,該半胱氨酸和一些側位殘基在CYPs中高度保守。作為一種末端加氧酶,CYPs通過血紅素中的鐵離子傳遞電子,氧化各種底物。CYPs具有廣泛的底物特異性,可催化多種氧化還原反應,包括羥基化、雜原子氧化、脫烷基、環氧化反應等。參與生物轉化外源異生物質、化學物質和藥物的CYP酶主要集中在CYP1-CYP4家族中。對人CYPs的研究表明,參與外源物質和藥物代謝的成員包括CYP1A1、1A2、2A6、2A13、1B1、2B1、2B2、2B6、2C8、2C9、2C18、2C19、2D6、2E1、2F1、3A4、3A5、3A7、4A9、4B11、4B1、4F2和4F3[37,42,47]。其中,CYP3A4是人類藥物代謝中最重要的CYP酶。通過誘導,CYP3A4在肝臟中的表達量可增加60%以上,且在大多數已知代謝途徑的藥物中,CYP3A4都參與代謝過程[47]。

  值得注意的是,作為I相反應的重要酶類,CYP酶能夠催化致癌物前體或藥物前體,使其活化成為親電性的致癌物,而II相代謝酶如谷胱甘肽S-轉移酶(GSTs)和醌還原酶(QRs)能夠將這些有毒代謝物轉化為無毒物質。然而,當這些有毒代謝中間產物從II相解毒系統逃逸,會與生物大分子(如DNA、RNA和蛋白質)相互作用,將最終導致藥物不良反應(Adverse drug reactions,ADR),這一現象是藥物治療和藥物開發過程所面臨的主要障礙[47,48,49]。CYP1A是已明確的在代謝過程中會產生致癌物的酶類,能夠將活化多環芳烴和其他致癌物及毒物。人類CYP1A亞家族有兩個成員:CYP1A1和CYP1A2[47]。CYP1A1是苯并芘羥化酶,該酶主要存在于肝外組織,只有在誘導(如吸煙)后才大量存在于肝內。CYP1A2主要存在于肝臟,其底物為芳香胺和多環芳烴,能夠活化包括雜環胺和芳香族胺、某些硝基芳香族化合物或黃曲霉毒素(B1)等[44,47,48,49]。

  CYPs基因的遺傳多態性和表觀遺傳變化可能是導致疾病易感性和藥物療效在個體間和種族間差異的原因。研究表明,CYP同工酶在多個等位基因變異中表現出多態性,其頻率在不同群體間存在差異[50]。而表觀遺傳機制如DNA甲基化和組蛋白修飾,可針對啟動子區域或上游轉錄因子(如PXR和VDR)來調控CYPs基因表達[42,50]。此外,CYPs表達的個體間差異還受miRNA控制,miRNA調控CYPs潛在位點的概率取決于3’-UTR區域的大小,調控的程度與該區域的長度成正比。mRNA靶結合位點或miRNA前體的基因變化也可導致CYP表達變化[50,51]。

  2.2 、UDP-葡萄糖醛酸轉移酶

  UDP-葡萄糖醛酸轉移酶(UGTs)超家族由一系列膜結合酶組成,其功能是將糖基(即葡萄糖,葡糖萄醛酸,木糖,半乳糖等)共價連接到親脂性底物上。其中,葡萄糖醛酸化反應是UGTs最主要的催化反應,即催化來自于UDP-葡萄糖醛酸 (UDPGA)的葡萄醛酸共價連接到底物上。通過葡萄糖醛酸化反應,UGTs參與許多外源物質(如藥物、化學致癌物、環境污染物和食物)和內源物質(如膽紅素、類固醇激素、甲狀腺激素、膽汁酸和脂溶性維生素)的代謝[39,40,41]。在人類中,約40%~70%的臨床藥物受到UGTs參與的葡萄糖醛酸化反應的影響。許多親核試劑可成為葡萄糖醛酸化的受體,包括脂肪族醇、酚、羧酸、芳香族和脂肪族胺、硫醇等。所有哺乳動物中都存在一定程度的葡萄糖醛酸化反應,但在酶底物選擇性和葡萄糖醛酸化反應速率上,不同物種間存在顯著差異[39,40]。

  UGTs是一類復雜的超家族酶,不同的成員具有明顯的底物選擇性和抑制劑選擇性。人的UGT酶共有22個成員,被劃分為4個家族,分別為UGT1、UGT2、UGT3和UGT8。其中,最有效的利用UDPGA作為糖基供體的UGT酶屬于UGT1和UGT2家族,這兩個家族在藥物代謝方面發揮非常重要的作用。與UGT1和UGT2家族不同,UGT3家族成員主要位于胸腺、睪丸和腎臟中,在肝臟和腸道中幾乎無法檢測到其表達。UGT3酶一般不活躍于利用UDPGA作為糖基供體,而是利用UDP-葡萄糖、UDP-N-乙酰葡糖胺或UDP-半乳糖作為糖基供體。研究表明,UGT3酶很可能在藥物和外源物質代謝方面并不發揮重要作用。類似的,UGT8A1利用UDP-半乳糖作為糖基供體,因此也不太可能對藥物代謝有顯著的作用[39,52,53]。

  3、 轉運蛋白

  跨膜轉運蛋白介導內源性和外源性物質進入細胞以及從細胞中清除,這些跨膜轉運蛋白主要來自ATP結合盒式蛋白(ATP-binding cassette transporter,ABC)超家族和溶質轉運蛋白(Solute carrier, SLC)超家族。SLCs是一類攝入型或雙向運輸型轉運蛋白,其成員有機陰離子轉運多肽(OATPs)、有機陰離子轉運體(OATs)和有機陽離子轉運體(OCTs)能夠介導細胞對外源物質的攝入。而ABC轉運蛋白則主要負責藥物和代謝產物從細胞中的清除和排出。除此之外,ABC轉運蛋白也是化學防御系統的第一道防線,能夠抵御親水脂性的和略微親脂性的化合物進入細胞[54]。

  ABC轉運蛋白廣泛存在于原核生物和真核生物中,是一類利用ATP水解產生的能量驅動底物跨膜轉運的蛋白,可跨細胞膜運輸多種底物(例如離子、糖、氨基酸、脂質、脂多糖、肽、金屬、毒性代謝物和外源物質等)。ABC轉運蛋白特征性結構包含ATP結合結構域(也稱為核苷酸結合結構域,Nucleotide-binding domain,NBD)和跨膜結構域(Transmembrane domain,TMD)。NBD能夠結合并水解ATP,為底物運輸提供能量。而TMD由5~6個跨膜螺旋組成,其決定了底物的特異性[55,56,57]。根據結構域組成和系統樹分析,真核生物的ABC轉運蛋白被分為八個亞家族(A-H)。根據功能,ABC轉運蛋白可分為攝入蛋白、外排蛋白和非轉運蛋白(亞家族E和F),非轉運蛋白主要參與核糖體生成和翻譯調控。其中,參與外源物質和藥物排出的重要成員包括p-糖蛋白(Pgp/ABCB1)、多耐藥相關蛋白2(MRP2/ABCC2)和乳腺癌耐藥蛋白(BGRP/ABCG2),這些蛋白也被統稱為多耐藥性轉運蛋白,會減弱一些藥物的治療療效[54,55,56]。

  p-糖蛋白(Pgp/ABCB1,也稱為MRP1)首次在腫瘤細胞對抗抗腫瘤藥物的研究中被發現,存在于幾乎所有屏障組織中,并且Pgp在腸道中的表達量高于肝臟,很可能主要在腸道和血腦屏障中發揮作用。該轉運蛋白介導多種類型外源物質的清除,并在底物特異性方面與其他外排型轉運蛋白如MRP2和MRP3的底物有部分相同。多數能被Pgp轉運的藥物,同時也是生物轉化酶CYP3A4的底物[54,58]。MRP2(ABCC2)轉運蛋白在肝臟和腎臟中均有表達,其底物主要為藥物代謝產物,包括甲氨蝶呤、對乙酰氨基酚-葡糖苷、依托泊苷等[54]。在膽汁淤積的情況下,MRP2還負責從肝細胞中排出膽鹽,以緩解細胞內高濃度膽鹽的毒性作用[59]。MRP2還負責膽紅素和其他膽汁成分的排出。當患者的ABCC2基因多態性導致MRP2功能喪失,患者會罹患Dubin-Johnson綜合征,表現為結合型高膽紅素血癥[54]。BCRP(ABCG2)首次在化療中被發現,具有廣泛的底物特異性,并在肝臟、腸道和腎臟等多種組織中表達。與Pgp和MPR2不同,BCRP作為半轉運體(只有1個NBD結構域和1個TMD結構域)需要形成同源或異源二聚體發揮功能[54,55]。

  4 、抗氧化酶及其他組分

  活性氧(Reactive oxygen species,ROS),包括超氧化物、過氧化氫和羥基自由基,由多種細胞過程衍生而來。適當的ROS對于生物體的正常生理功能是必需的。然而,過量的氧化還原活性物質可導致生物大分子的損傷,抑制細胞酶的活性,并通過激活激酶和半胱天冬酶級聯誘導細胞凋亡。為了消除細胞內過量的氧化還原活性物質,生物進化出一系列抗氧化的酶和信號通路?寡趸赴ǔ趸锲缁(SOD)、過氧化氫酶(CAT)和過氧化物酶(包括谷胱甘肽過氧化物酶GPX、過氧化物酶PRDXs和硫氧還蛋白TXNs)。其中,最重要且研究最多的是抗氧化酶SOD。目前在哺乳動物中鑒定出3種不同的SOD:銅-鋅超氧化物歧化酶(Cu/ZnSOD,由sod1基因編碼)、錳超氧化物歧化酶(MnSOD,由sod2基因編碼)和細胞外超氧化物歧化酶(ECSOD,由sod3基因編碼)。這些SOD酶的功能相似,但其蛋白結構、染色體定位、金屬輔因子需求、基因分布等特征存在明顯不同[60]。

  脊椎動物體內參與金屬脫毒的蛋白主要為金屬硫蛋白(MTs)。金屬硫蛋白能與內源金屬離子(如鋅、銅、硒)和外源有害重金屬(如鎘、汞、銀、砷)結合,負責轉運金屬離子或將有害重金屬排出細胞外。金屬硫蛋白的多態性從魚類到哺乳動物較為保守,都包含4個成員簇(MT1至MT4)。迄今為止報道的所有魚類MT蛋白也具有與哺乳動物MT蛋白相同的結構和功能特征。金屬硫蛋白與金屬離子結合后,可調節金屬離子在細胞內的濃度或將其清除出細胞外。例如,哺乳動物MTs在其β結構域中結合3個Zn離子,在α結構域中結合4個Zn離子。通過對Zn離子的結合和釋放,金屬硫蛋白可以調節體內的鋅離子水平。除此之外,MTs還參與調控氧化應激,MTs的半胱氨酸殘基可以捕獲有害的氧化物自由基(超氧化物和羥基自由基),使得其半胱氨酸殘基被氧化成胱氨酸,與半胱氨酸結合的金屬離子被釋放到細胞外[61]。

  熱休克蛋白(HSPs)除了參與熱應激反應,還參與多種有害物質的脅迫應答,包括重金屬(如鎘和砷)和自由基等。熱休克蛋白按照蛋白的大小共分為五類,分別為HSP110、HSP90、HSP70、HSP60 和小分子熱休克蛋白(sHSP)。HSPs通常不直接參與化學防御,而是作為分子伴侶與其他化學防御蛋白相互作用;當這些化學防御蛋白處于非天然構象時,HSP識別并與之結合,幫助其折疊、組裝或定位于合適的細胞器上[62]。

  5、 總結和展望

  化學防御系統是動物抵御環境中的化學脅迫和維持內環境穩態的重要機制,由長期進化出的一系列基因家族、蛋白和相關反應通路組成。該系統的核心組分包括化學感受器、生物轉化酶、轉運蛋白以及抗氧化酶等,不同組分相互配合負責化學感知、生物轉化以及排出有毒化學物質等生理過程;瘜W防御相關的基因家族往往表現出基因冗余以及功能的多樣性,這些家族成員往往不僅參與化學防御,還參與多種基礎且關鍵的生理過程,如生長發育、細胞增殖分化、營養吸收和代謝等。目前對動物化學防御機制的研究,主要聚焦哺乳動物,特別是人類自身的藥物治療、藥物代謝以及抗藥性等方面的研究。而無脊椎動物,特別是海洋無脊椎動物的化學防御系統組成和機制仍缺乏系統了解。未來的研究可更多的探索海洋無脊椎動物以及位于進化節點的海洋生物的化學防御機制,從進化角度豐富對這古老且重要的防御機制的認識。

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