文摘
活性氧(ROS)是细胞信号生成的无所不在地哺乳动物细胞,但他们也相对不平衡引发的疾病通过细胞内受损DNA, RNA,蛋白质和脂质。NADPH氧化酶类(NOX)是唯一已知的酶家族唯一作用产生活性氧。氧化氮生理功能关注主机防御,细胞信号,调节基因表达和细胞分化。另一方面,氮氧化物活动导致广泛的病理过程,包括心血管疾病、神经退化、器官衰竭和癌症。因此针对这些酶ROS来源的天然化合物,在不影响生理氧化还原状态,可能是一个重要的工具。本文总结了当前状态的知识在生理和病理上氮酶的作用,概述了当前可用的NADPH氧化酶抑制剂源自天然提取物多酚等。
1。ROS参与细胞病理生理学
氧化应激是一种分子放松管制在活性氧(ROS)代谢参与了一些疾病的发病机理。氧化应激不再被视为一个简单的失衡的生产和清除活性氧,但作为一个功能的酶参与活性氧的生产(1]。
活性氧,如过氧化物、过氧化氢和过氧硝酸盐是所有哺乳动物细胞产生的,几十年来被公认为是导致细胞损伤的氧化和硝化反应的大分子,如DNA, RNA,蛋白质和脂质。此外,ROS也可以促进细胞信号通路调节生长因子和转录因子,因此,调节细胞增殖、分化和细胞凋亡2),这是很重要的对细胞的正常运作流程(3]。在生理浓度促进来自受体酪氨酸激酶信号转导和转录等因素NF-E2-related因子2 (Nrf-2)导致抗氧化基因表达4]。
一个不成对电子的不稳定性在其价电子层引起过氧化物的反应活性高。过氧化物与许多病理过程,包括癌症、心血管疾病(如动脉粥样硬化和中风),由于微生物感染和急性和慢性疾病。过氧化物可以直接或间接地破坏DNA通过氧化5),直接灭活细胞抗氧化剂过氧化氢酶等酶,谷胱甘肽过氧化物酶(6),并激活促炎核因子jB (NF-jB) [7]。
然而,其他过氧化物产生活性氧,拥有不同的氧化还原化学反应,和,因此,不同的生理和病理生理作用。例如,超氧化物正在迅速减少,自发和酶学,H2O2。与过氧化物,H2O2没有净电荷;如此,更多的脂溶性,通过膜的细胞器和细胞与扩散的潜力达到网站远离它的源头。H2O2修改通过半胱氨酸氧化细胞蛋白质,蛋氨酸(8),和遗传物质9]。然而,也许H的主要危险特性2O2在其产生更多的活性分子的能力。例如,在过渡金属的存在,H2O2可以生成高活性哦•。哦•高活性和将不加选择地氧化DNA的核苷酸导致优惠和病变(审查[10]],在致癌过程。脂类的氧化哦•可能影响许多生理过程和引起细胞功能障碍,如氧化的脂质过氧化反应(11),在心血管疾病(12]。
最重要的一个在生物学和快速的氧化还原反应是超氧化物和一氧化氮(NO)之间彻底引起ONOO−。ONOO−是一种氧化和硝化分子一直与癌症13)和其他急性(14)和慢性(15)的疾病。肿瘤细胞ROS水平控制在一个特定的方式,它强调小说的发展的重要性ROS-targeted抗癌疗法。
与每一个机制参与正常细胞功能和疾病的发展,战略,以抵消ROS必须考虑他们的重要性在有机体的正常功能1]。
进一步了解氧化应激之间的生物机制,肿瘤的生长和转移可能导致癌症治疗的进步。
例如,血管生成是肿瘤生长和转移的另一个重要因素,在血管生成调节ROS有关键作用[16]。
毕竟,一个新兴的概念表明,ROS调节肿瘤免疫细胞功能渗透到环境,刺激血管生成(2]。
这些氧化过程涉及许多疾病除了癌症。
生产过剩的活性氧参与发展的许多疾病,包括帕金森症等神经系统(17和阿尔茨海默病18)、精神分裂症等精神疾病(19)和双相情感障碍(20.),而大多数心血管疾病(21]。
2。NADPH氧化酶类作为活性氧的来源
一些酶产生活性氧,包括线粒体电子传递链,一氧化氮合成酶(着),细胞色素P450还原酶和黄嘌呤氧化酶。然而,对于所有这些系统,ROS生产发生作为副产品的主要酶的催化功能/系统或功能失调的变体的酶。相比之下,NADPH氧化酶类是唯一的酶的主要功能是生成过氧化物/ ROS [2]。氮氧化物家庭蛋白质催化,electrontransporting NADPH氧化酶酶复杂的子单元。氮氧化物家族由7名成员组成,NOX1-5,和两个双氧化酶类(Duox) Duox1和Duox2(表1)。NOX亚型包含时尚和NADPH绑定网站,两个血红素分子和六个跨膜(22)与胞质N和c终端生成α螺旋。的Duox亚型也包含相同的域;然而,七分之一跨膜域和过氧化物酶同源性。
各组织差异表达和调控,有不同的亚细胞的本地化(了23])。NOX1、NOX2 NOX5似乎产生超氧化物NOX4为主,主要是H2O2(24]。所有氮氧化物亚型已报告绑定到一个或多个附加组件。p22phox NOX1-4似乎普遍约束力的合作伙伴。NOX1和2也将小GTPase, Rac。此外,NOX1胞质亚基结合,氮氧化物组织者1 (NOXO1)和氮氧化物催化剂1 (NOXA1)。NOX2结合各自的同系物,p47phox p67phox,胞质蛋白,p40phox [22,25]。NOX4据报道,绑定到聚合酶(DNA-directed) delta-interacting蛋白2 (PolDip2) [26]。
除了这些氮氧化物约束力的合作伙伴,建立酪氨酸激酶的底物与4/5 SH3域(Tks4/5) [27)和蛋白二硫化物异构酶(PDI)最近建议绑定NOX1和4 (28]。两个成熟因素具体Duox (DuoxA1和DuoxA2)也被描述(22]。
氮氧化合物催化亚基不同监管:NOXA1 NOX1激活(中扮演着重要角色29日),p67phox NOX2 [30.为NOX5[],钙调蛋白31日]。
相比之下,NOX4由活跃,观察和调制的表达可能是一个重大的活动。
ROS产生的氮氧化合物已经被证明能够影响所有其他可能的来源的活性氧,导致功能障碍,进一步增加活性氧生成,形成氧化应激的恶性循环。例如,增加一代NADPH氧化酶引起线粒体氧化损伤通过内线粒体膜结构的变化和干扰流电子传递链中增强活性氧产量(32]。
3所示。氮氧化物和病理生理学
涉及NADPH氧化酶的氧化剂信号在细胞生物学重要角色参与细胞内信号的细胞分化和增殖。这些机制是重要的组织修复和肿瘤发生过程中细胞增殖发生,但是当控制不好ROS的生成是危险的。事实上,NADPH oxidase-mediated细胞增殖一直在观察范围广泛的细胞类型包括血管,肾脏,肝脏,骨骼肌前兆,新生儿心脏细胞,肺上皮细胞、胃粘膜,大脑小胶质细胞,和各种各样的癌症细胞。例如,氮氧化物可能刺激Akt激活也通过灭活磷酸酶PTEN的直接负面调节器PI3K / Akt通路(33]。因此,NADPH oxidase-mediated氧化还原信号放大不同的信号通路可能触发在组织修复过程中如细胞增殖、伤口愈合、血管生成、纤维化。最近的研究还表明,NADPH氧化酶参与了干细胞的分化和增殖。目前,对是否ROS调节不同的信号通路在干细胞和分化细胞ROS是否扮演着不同的角色在这些细胞(16]。因此,调制NADPH氧化酶可能显著影响再生医学和组织工程,如心脏肌肉增长。
首先,细胞压力可能会诱发NOX-dependent ROS生成警报系统,驱动细胞成一个相对压力状态通过集成和放大压力信号,作为预处理对细胞的进一步挑战[34]。氮氧化物的双刃剑特性增加了另一个层面的复杂性这种酶的治疗目标。NOX-mediated氧化还原信号的机制可能是通过预防缺血再灌注损伤和提高耐应力加速伤口愈合,或避免压力诱导的细胞毒性iper-proliferative疾病,如癌症。因此,治疗调制氮氧化物活动开发考虑的疾病,疾病的阶段,组织定位区域,NOX亚型,氮氧化物胞内定位。
4所示。氮氧化物和疾病
NADPH氧化酶已收到关注作为氧化应激导致血管疾病的主要原因。此外不同氮单元已建议在癌症中发挥作用,肺纤维化、中风、心力衰竭、糖尿病和神经退行性疾病(22]。NOX-derived ROS可能导致病理学通过微分方法:例如,空间局限的ROS水平干扰特定信号通路,和高水平(局部或全身性)直接细胞毒性,引起细胞凋亡,或令人不安的redox-sensitive信号级联。
4.1。血管疾病
NADPH氧化酶类组织中广泛表达,但超氧化物阴离子的主要来源在脉管系统(1]。因此,类似于ROS,氮氧化物都有利和有害作用的蛋白质。他们是重要的信号分子,调节血管张力,表达、增殖、迁移和分化。另一方面,心血管疾病的风险因素和血管性疾病增加活性氧,导致动脉粥样硬化,血管功能障碍,高血压,血管肥大和血栓形成。
低和空间限制ROS生产过剩,NOX1迁移到小窝,那里是一个很好的候选人原因以挪士解偶联和内皮功能障碍,这通常是增加血压和增强血小板聚集作为早期介入动脉粥样硬化的发展(35]。
4.2。癌症
NOX1、NOX2 NOX4被表达在多种肿瘤细胞类型(见表1)。肿瘤细胞产生大量的活性氧(36,37]NADPH氧化酶类,以促进自己的增殖,增殖信号调节激酶,如细胞生存因素,如Akt和mek erk通路(38]。
最近,癌症干细胞的作用(二者)在肿瘤进展和转移吸引了太多的关注,因为二者是不可分离的部分病理生理的转移机制和化疗/抗辐射性[16]。到目前为止,分子事件管理二者的生存和自我更新是缺乏定义的,但是ROS调制和癌症干细胞代谢之间的联系似乎有基础。干细胞以及二者已知驻留在利基市场特点是低ROS,一个关键因素在维持干细胞自我更新等属性。多个信号通路在正常干细胞和二者可以调节ROS水平和对二者可以利用。说明二者的ROS函数将丰富我们的知识的癌症发展和转移。
此外,ROS也被证明通过释放和行动的tumor-derived调节血管生成生长因子诱导血管内皮细胞增殖。事实上,肿瘤细胞内ROS生产极大地促进旁分泌生长因子的释放,如VEGF及其受体的表达,VEGF receptor-1,反过来,刺激细胞增殖,迁移和管附近形成内皮细胞(34]。NADPH氧化酶在内皮细胞与生长因子合作,如肿瘤VEGF发布,刺激血管内皮细胞增殖和血管生成。因此,氮氧化物ROS在肿瘤和内皮来源可能是抗血管新生治疗新靶点。
4.3。炎症
吞噬细胞的氧化破裂一直认为促炎,导致细胞和组织破坏。最近发现挑战这个炎症活性氧的作用,现在ROS也称调节免疫反应和细胞增殖,并确定t细胞autoreactivity。NOX2-derived活性氧,抑制antigen-dependent t细胞反应,显著降低实验性关节炎大鼠和小鼠的严重程度(39]。事实上,关于这些慢性炎性疾病(类风湿性关节炎)有越来越多的证据表明,ROS能经常帮助调节炎症,确保它不会变得过于漫长的(参见审查(40]]。
回想起来,这也是由慢性肉芽肿性疾病的病理(吞噬细胞的特点是天生的缺陷生成NADPH氧化酶),存在感染的风险增加,由于无法杀死某些微生物;这除了是一个严重的失调和延长炎症。因此,停止ROS生产可以是有害的。另一方面,ROS能引起严重的软骨损伤和核转录因子红细胞2 p4-5-related因子2的能力提高内源性抗氧化防御反应炎症可能扮演了一个重要的改善作用。同样在脓毒症可能是真的;一些ROS可能帮助但太多可以造成伤害(参见评审(40]]。
最后,NADPH oxidase-derived ROS也至关重要的球员anti-immunity调节肿瘤专业的子集免疫细胞如巨噬细胞和T淋巴细胞。因此,氮氧化合物分子之间的联系可能是小说慢性炎症和血管生成在肿瘤(2]。
NOX2与先天免疫反应(41),包括真菌感染(42)和适应性免疫反应的T细胞和抗原递呈细胞(43]。因此,NOX2抑制导致疾病的改善涉及一个重要的炎症反应。另一方面,NOX2必须保存的基本免疫功能(35]。
4.4。器官衰竭
ROS通常认为发挥重要作用在器官衰竭的病理生理学22]。例如,在肝脏和肠道组织损伤,有一些迹象致病的作用NOX2-derived ROS的中性粒细胞(44,45]。
对高水平的NOX4产生的ROS,他们可以直接细胞毒性或导致细胞凋亡诱导心脏缺血性中风。另一方面,关于心脏的NOX4角色压力过载,NOX4可能负责的急性损伤的心脏的心肌细胞和亚急性保护通过促进血管生成(35]。
4.5。中枢神经系统疾病
4.5.1。缺血性中风
在全球脑缺血再灌注损伤的沙鼠模型,由apocynin强烈减少氮氧化物抑制海马损伤(46]。NOX2-deficient中风大小显著降低小鼠(47),同时增加NOX2表达式在糖尿病大鼠与缺血性脑损伤加重(48]。
4.5.2。阿尔茨海默病、帕金森病和艾滋病痴呆
NOX2似乎在炎症性神经退化疾病,包括阿尔茨海默病和帕金森病(49,50]。在阿尔茨海默病的情况下,淀粉样前体蛋白片段释放神经元激活NOX2端依赖由小神经胶质细胞ROS生成导致邻近神经元的死亡(51]。一些研究显示类似的机制,涉及NOX2帕金森病(52,53]。
小胶质细胞的激活也被认为是发展的一个关键元素痴呆(54],NOX2激活的角色在痴呆动物模型已经提出(55]。
小胶质NOX2-derived ROS也被卷入脱髓鞘疾病的进展通过吞噬作用的髓和髓鞘损伤(56]。在室周的脑栓塞,NOX2-derived超氧化物和诱导一氧化氮synthase-derived一氧化氮导致peroxynitrate的形成,从而杀害oligodendrites [57]。
5。抗氧化治疗
经典,氧化应激已经定义为内源性活性氧化合物的生产之间的不平衡和细胞的抗氧化潜力58]。
但低或明显缺乏临床ROS-scavenging方法并不完全解释的有效性。它可以是由于部分删除选中ROS-scavengers有害的成品。此外,抗氧化剂,包括维生素、超氧化物阴离子反应是比不慢。此外,它没有考虑细胞事件导致疾病主要发生在个别细胞隔间(3]。
5.1。氮氧化合物抑制(见表2)
活性氧的主要来源包括氧化还原酶如呼吸链、黄嘌呤氧化酶,lipooxygenase,环氧酶、和NADPH氧化酶类,这些系统不断地相互作用。由于复杂机制的激活NADPH氧化酶类,这些酶可以针对不同水平的活动。首先,降低NADPH氧化酶表达可以抑制它们。此外,NADPH氧化酶的活化可以减少阻塞其胞质单元的易位,当礼物,膜。
p47phox亚基的另一种可能是抑制,通过使用PKC抑制剂防止其磷酸化或阻断其绑定到其他单元。减少信号转导和抑制Rac 1易位减少ROS生成[也得到了证实3]。
使用了一些化合物,包括apocynin二苯基碘鎓(DPI)和4 - (2-aminoethyl) -benzensulfonylfluorid (AEBSF)。然而,它已成为明显的,这些抑制剂不特定的氮氧化物(59),而不是针对单一NOX亚型选择性。
第一个抑制剂用于模型研究diphenyliodonium (DPI),这是非常有效的(尽管在微摩尔的范围内),但缺乏特异性。DPI普遍黄素蛋白抑制剂,抑制,例如,黄嘌呤氧化酶和以挪士(60- - - - - -62年),以及胆碱酯酶和钙泵(63年]。
AEBSF主要是一种丝氨酸蛋白酶抑制剂(64年]。然而它最大的缺点是毒性。
后来的研究涉及apocynin,一种天然的NADPH氧化酶抑制剂最初隔绝的根源Picrorhiza kurroa。Apocynin不能作为选择性NADPH氧化酶抑制剂使用由于其直接抗氧化剂和几个脱靶效应(60]。Apocynin是一个可以阻止NADPH氧化酶的口头活性剂组装膜,但是需要与过氧化物酶的活化反应,因此立即不工作(65年]。Apocynin减少活性氧产量模型,关节炎,哮喘,高血压,废除血管的增加和防止内皮功能障碍(66年]。然而,apocynin不是特定的影响,因为据报道影响花生四烯酸代谢(67年),增加谷胱甘肽合成,激活AP-1转录因子(68年]。此外,它最近被证明是一个直接ROS的拾荒者,在特定的实验条件(69年]。
天然抗氧化剂的使用代表氮氧化物抑制一种很有前途的新方法。多酚代表超过10000种化合物发生自然食物和多酚的建议富裕(绿茶/红酒/水果/蔬菜/全谷物食品)饮食在预防心血管疾病仍然是有效的70年]。发现茶多酚,除了著名的超氧化物自由基清除能力,降低NADPH氧化酶活性(71年在许多组织包括血管和血小板(72年]。此外,小说的多酚类化合物正在接受调查,缺乏典型的过氧化物清除属性和直接抑制NADPH氧化酶。
最近的研究小檗碱、植物生物碱(73年),发现NADPH氧化酶活性的抑制和减少gp91phox mRNA表达在巨噬细胞。同时,大黄素,大黄,大黄酸的活性成分提取,减少ROS生成(74年]。类似的效果观察治疗3 - (4′-hydroxyl-3′, 5′-dimethoxyphenyl)丙酸(HDMPPA)泡菜的活性成分,鞣花酸、多酚存在于水果和坚果(75年],dihomo -γ亚麻酸(ω6)酸(76年]。
类黄酮的抑制作用(山柰酚,莫林,槲皮素和非瑟酮)观察中性粒细胞呼吸爆发的由帕格尼斯et al。77年早在1986年。
银杏叶提取物含有类黄酮等化合物,测试了Pincemail et al。78年]对释放活性氧的影响(超氧化物阴离子自由基、过氧化氢和氢氧自由基)在人类中性粒细胞刺激的可溶性受体激动剂。提取减慢的耗氧量(呼吸爆发)刺激细胞NADPH氧化酶的抑制作用[79年]。提取也可以减少中性粒细胞中髓过氧化物酶的活性。此外,自由基清除活性。
更多的取代基羟基的类黄酮是一种重要的结构特征对活性氧的清除活性,而c - 2, 3双键(中槲皮素和白藜芦醇)可能是重要的抑制吞噬细胞的活性氧产量(80年]。
木兰的树皮被用于东方医学治疗各种补救措施,包括一些神经系统疾病(81年]。(Mag),和厚朴酚进行了自由基(鸿)是多酚类化合物的同分异构体厚朴树皮,并被确认为主要活性成分表现出抗氧化,抗炎和神经保护作用。据报道,暴露鸿和镁为24小时神经元没有改变神经元的生存能力,但是这两个化合物抑制过氧化物生产,涉及NADPH氧化酶途径。这项研究强调了重要作用的NADPH氧化酶在中介在神经元和小胶质细胞氧化应激和公布了干扰素的作用γ在刺激ERK1/2 / MAPK信号通路NADPH氧化酶的活化小胶质细胞。鸿和杂志提供氧化或抗炎效果,至少部分通过抑制干扰素γ全身p-ERK1/2及其下游通路(81年]。
孵化的人类神经母细胞瘤细胞极性的蓝莓分数阻碍脂质筏合并成大域扰乱氮氧化物装配其中和废除ROS生产(82年]。事实上,这种氮氧化合物抑制原油蓝莓提取物生物活性划分polyphenol-devoid一部分缺乏任何multisubunit氮氧化合物的抗氧化能力和预防适当的组装复杂干扰大的合并脂质筏域。
Prodigiosin、微生物色素和一些衍生品抑制氮氧化物活动最有可能通过扰乱Rac功能(83年,84年,抑制生物碱氮氧化物的青藤碱还不清楚在最好的情况下(85年]。
oxygen-glucose剥夺和复氧(OGD / R)模型中,预处理与绿茶多酚(GTPP)及其活性成分,epigallocatechin-3-gallate (EGCG),保护PC12细胞随后OGD / R-induced细胞死亡(86年,87年]。GTPP刺激层粘连蛋白受体,从而诱发NADPH oxidase-dependent代活性氧,进而诱发激活PKC对引起的细胞死亡导致预处理OGD / R。
白藜芦醇是一种天然多酚,vasoprotective影响糖尿病动物模型,抑制高葡萄糖(HG)诱导内皮细胞氧化应激。据报道,通过NF - HG诱导内皮细胞凋亡κB / NADPH氧化酶/ ROS通路,从而抑制了白藜芦醇(88年,89年]。
其他氮抑制剂脉管2870、脉管3947,gk - 136901, plumbagin,多酚衍生物S17834 [90年]。
Plumbagin,基于植物的萘醌,已被证明对抗癌的动物和antiatherosclerosis效果。Plumbagin抑制NADPH-dependent过氧化物生产细胞株表达NOX4氧化酶(91年]。尽管其确切的作用机制仍不清楚,但包含napthoquinone结构内的分子可能负责其活性氧清除能力(90年]。Plumbagin抑制NOX4的活动时间和剂量依赖性的方式在HEK293细胞和LN229细胞直接与NOX4交互和抑制其活动91年]。
事实上,plumbagin报道施加对骨肉瘤细胞抗癌活性诱导proapoptotic信号和调制引起诱导细胞凋亡的细胞内ROS (92年]。此外plumbagin-induced AMPK活化可能的关键中介plumbagin的抗肿瘤活性93年]。
此外,PI5K-1B ROS生成中起着至关重要的作用,可能是一个新的分子的目标plumbagin [94年]。最后,plumbagin可以发挥其功能消耗谷胱甘肽(GSH)含量增加导致活性氧生成(95年]。
Celastrol是生物活性化合物从药用植物中提取雷公藤。Celastrol用于治疗炎症条件和显示的好处在模型的神经退行性疾病,癌症,和关节炎,虽然其作用机理不完全理解。作者表明,celastrol氮氧化物酶的一般是一个强有力的抑制剂对NOX1和NOX2增加力量。此外,抑制NOX1和NOX2介导通过行动的小说模式,即抑制胞质单元和膜之间的功能联系flavocytochrome [96年]。
6。结论
越来越多的证据清楚地表明,NADPH氧化酶类分子目标至关重要的饮食生物活性制剂预防和治疗不同的疾病。
具体的发展和无毒的NADPH氧化酶类抑制剂及其氧化还原信号网络(激酶、转录因子和基因)可以提供有用的治疗策略治疗依赖于氧化应激过程,如癌症和其他退化性疾病。
事实上,经典抗氧化疗法以来,已证明不足ROS生理学的重要性被忽视了导致缺乏临床医学方面的好处。的确,进一步研究选择性分子抑制剂干扰NADPH氧化酶激活是必要的。功能失调的选择性针对NADPH氧化酶同系物似乎是最合适的方法,有可能是更有效的比与非选择性抗氧化剂只有ROS清除属性。
氮氧化物酶,然而,在每个同种型非常复杂,带有大量的具体目标。需要更多的信息关于这些蛋白质是针对不同亚细胞的隔间,这个运输过程监管。
不过,令人鼓舞的是,单一的生物活性膳食代理最能直接或间接的影响,即使不是全部,无数的目标在家庭氮氧化物。此外,许多这些特工的饮食似乎表现出某种程度的特异性细胞氧化还原管制而unaffecting正常细胞的平衡。此外,一些单代理的保护作用可能会加强和/或主体性由其他饮食代理。同时鼓励,需要考虑的因素有很多,依然存在,如适当剂量的每个代理的问题,适当的接触时间和持续时间,细胞类型特异性的重要性,每个代理的相对生物利用度,和潜在的副作用和交互。
利益冲突
作者没有直接金融与商业身份的关系本文提到可能会导致利益冲突。
承认
这项工作是由MIUR主要支持,2009年,项目,200938 xjla_002。