文摘
秀丽隐杆线虫是一个功能强大的生物模型,实验研究是非常宝贵的,因为它可以用来概括大多数人类疾病代谢或基因组水平在活的有机体内。这种生物包含许多关键部件与代谢和氧化应激相关的网络可以让我们增加和集成信息理解复杂疾病的原因和机制。氧化应激是一种病因,影响许多人类疾病,包括糖尿病。秀丽隐杆线虫显示非常相似的分子基地和细胞通路的哺乳动物。缺陷在胰岛素/胰岛素样生长因子- 1信号通路或增加ROS水平诱导守恒的第二阶段解毒反应通过SKN-1途径对抗氧化应激。然而,值得注意的是,除了ROS的不利影响,他们已经被提议作为第二信使,触发mitohormetic反应减弱氧化压力的负面影响。在此,我们简要描述的重要性秀丽隐杆线虫作为实验模型系统研究代谢紊乱与氧化应激和背后的分子机制相关病理生理学。
1。介绍
糖尿病是一种代谢紊乱,影响全世界数以百万计的人,大大有助于全球死亡率(1]。糖尿病的特征是可怜的葡萄糖稳态的控制。尽管许多进步在理解糖尿病的病理生理学,其患病率继续增长,部分原因是生活方式的改变和增加整体寿命。多样化的研究表明氧化应激参与糖尿病并发症的发展(2- - - - - -4]。这部分原因进展发生在高葡萄糖浓度糖尿病导致葡萄糖氧化通过三羧酸循环(柠檬酸),进而生成电子给体(NADH FADH2)呼吸链(RC),因此引起生产过剩的活性氧(ROS)。这种活性氧过剩引发的不良反应调制一些代谢和信号通路,加重糖尿病并发症(5]。因此,人们迫切需要新的预防和治疗这种疾病的方法。大多数研究使用啮齿动物模型执行1型或2型糖尿病,高血糖诱导通过遗传、药物或饮食操纵。然而,有一个巨大的知识差距的致病机制导致糖尿病并发症和治疗,防止适当的治疗干预措施的发展。改进的理解机制,调节人类的许多代谢途径需要研究利用生物模型,概括的大多数方面人类疾病表型或基因水平在活的有机体内。蠕虫秀丽隐杆线虫代表一个相关模型在分子水平上阐明代谢调节机制,匹配甚至改进可用的哺乳动物模型。在本文中,我们将提供证据之间的相似之处秀丽隐杆线虫和哺乳动物的说明可能导致与人类疾病的分子途径。
2。氧化保护系统秀丽隐杆线虫
2.1。的概述秀丽隐杆线虫
研究使用的数量秀丽隐杆线虫作为一个模型系统大幅增加在最近几十年。兴趣线虫突然飙升的原因很多。首先,秀丽隐杆线虫完全是第一个动物的基因组测序(6]。第二,据估计,超过一半的秀丽隐杆线虫基因同源基因与人类疾病(7,8]。第三,这个模型生物体维持在简单的实验条件下在实验室和有一个光学透明的身体上,适合使用荧光探针可视化在线虫中氧化应激在活的有机体内(9,10]。秀丽隐杆线虫包含许多细胞类型,代表复杂的多细胞动物的主要组织,如肌肉,肠道,紧张,上皮组织(11]。然而,谨慎是必要的,因为这种生物展览从哺乳动物重要的差异;例如,它并不拥有一个循环系统,这可能会限制其效用模型对一些疾病。尽管这种差异,秀丽隐杆线虫与哺乳动物共享许多相似之处,包括信号通路,如胰岛素/胰岛素样生长因子- 1 (IIS)信号通路(12]。总之,秀丽隐杆线虫学习是一个非常有用的系统有机集成的氧化应激反应13]。
2.2。方面的系统之间共享哺乳动物和线粒体秀丽隐杆线虫
在哺乳动物中,主要从营养代谢机械产生能量的线粒体,使ATP形成整个身体通过氧化磷酸化(OXPHOS),一个系统,由几个氧化还原反应耦合的RC ATP合成(14]。通常,线粒体RC, OXPHOS的最终途径,包括五个大分子酶复合物(电流-电压),从减少催化转移电子等价物(NADH或琥珀酸)从克雷布斯循环链(15]。这些蛋白在进化过程中高度保守的(16),包括NADH-coenzyme Q(公鸡;也称为泛醌)还原酶(复杂的);succinate-CoQ还原酶(复杂II);CoQ-cytochrome c还原酶(复杂III);细胞色素c氧化酶(复杂IV);V)和ATP合酶(复杂。泛醌和细胞色素c是两个自由扩散分子调解之间的电子转移复合物(17]。
在较低的真核生物,如秀丽隐杆线虫电子运输系统的功能,它的大小,它的遗传内容类似于哺乳动物(18,19]。最近,李等人描述使用猎枪的蛋白质组学方法来识别线粒体蛋白质秀丽隐杆线虫405年,发现秀丽隐杆线虫线粒体蛋白质拥有人类的同源染色体,表明真核生物之间的相对较高的线粒体蛋白质的保护(20.]。有趣的是,在几个线粒体突变组件(统称为麻省理工学院(Mit)突变体)可以破坏线粒体电子传递链和施加各种影响寿命的秀丽隐杆线虫。基因突变的nuo-1,这对线粒体编码复杂的我,展览标志特征复杂的我在哺乳动物系统功能障碍。这些属性包括乳酸酸中毒,减少线粒体呼吸、过敏症外源氧化压力(氧过多或百草枯),和减少寿命,可以想象由于氧化应激升高(21]。相反,突变的isp-1和nuo-6基因编码的子单元的配合物我和三世,分别增加寿命没有影响ATP水平(22]。一般来说,可用日期的信息表明,线虫的RC新陈代谢和生物能学非常类似于哺乳动物的,和几个中介能量代谢的途径也守恒秀丽隐杆线虫(18,20.,23- - - - - -25]。
3所示。机械与氧化应激秀丽隐杆线虫
除了生物能量学活动,OXPHOS系统被认为是主要的内源性细胞活性氧的来源(26,27),从而导致线粒体损伤和可能引发不同的病态与氧化还原信号(28]。因此,一个基本的概念这些分子如何产生活性氧和线粒体功能是至关重要的对于理解一系列目前重要的病态。校长ROS包括超氧化物阴离子()、过氧化氢(H2O2),和氢氧自由基(HO)•)。通常的主要生成活性氧物种,通过一个氧气分子之间的相互作用和NADPH氧化酶或其他组件(黄素、醌类和硫醇)并通过氧化应激导致细胞损伤(29日]。细胞氧化还原内稳态之间的微妙的平衡是由一组生产活性氧和抗氧化系统。许多抗氧化酶,如超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)、谷胱甘肽过氧化物酶(GPx)和抗氧化蛋白(插件可以),已确定以抵御活性氧过剩[30.- - - - - -32)(图1)。
3.1。草皮
在哺乳动物中,SOD酶家族代表的第一行抗氧化防御活性氧。SOD转换到H2O2,随后被转化为水的猫,GPx或插件可以(33]。SOD是唯一能解毒酶超氧化物(34),存在于各种细胞的隔间。SOD1(铜/ ZnSOD)是主要的过氧化物清除剂局部在细胞质中,线粒体膜间隙,细胞核和溶酶体。SOD2 (MnSOD)和SOD3本地化在线粒体和细胞外基质,分别为(29日]。
与哺乳动物相似,秀丽隐杆线虫拥有六个SOD亚型;两个是线粒体(称为MnSODs)和编码sod-2和sod-3基因;两个是胞质(铜/ ZnSODs)和编码sod-1和sod-5;和两个预测是细胞外铜/ ZnSOD亚型,这两个编码sod-4(表1)。sod-2和sod-1高度表达在正常发展。sod-3和sod-5小亚型的表达水平增加在多尔阶段(35,36]。有几个研究小组消除个人的表达草皮每个基因的基因,发现删除显示很少或没有不利的影响秀丽隐杆线虫寿命(37- - - - - -40]。最近,Van Raamsdonk和海克米证明秀丽隐杆线虫包含4倍的突变基因sod-1、sod-2 sod-3 sod-4,sod-5(sod - 12345)表现出正常的寿命,但SOD活性急性压力也需要生存。此外,他们的结果表明,过氧化物不仅是一种有毒的副产品的新陈代谢也卷入了一场ROS-mediated信号机制,可能导致增加寿命。同样的问题研究也认为氧化应激是衰老的主要原因41]。
3.2。猫
猫是一个小时2O2氧化还原酶heme-containing酶,可去除H2O2在氧化应激生成氧气和水。猫活动增加有助于克服组织新陈代谢的损害减少了有毒的H水平2O2(53]。
的秀丽隐杆线虫基因组具有三过氧化氢酶基因,编码ctl-1, ctl-2,ctl-3(54]。ctl-1胞质,而ctl-2和ctl-3过氧化物酶病(表1)。ctl-1和ctl-2在生物的寿命(中发挥的作用44,45),而ctl-3仍无特征。类似于SOD、过氧化氢酶的功能因为损失的寿命是模棱两可的ctl-2缩短了寿命(44];然而,其他研究表明,氧化应激引起的饮食限制增加过氧化氢酶活性(55]。
3.3。GPx
GPx是一个家庭的一般术语的多个同功酶(GPx1-8)催化降低H2O2或氧化脂质水使用谷胱甘肽(GSH)作为电子供体49,56]。
在人类,秀丽隐杆线虫包含几个对应GPx基因(gpx-1来gpx-8),但是关于这些蛋白质有限的数据是可用的。gpx-1(F26E4.12)编码磷脂氢过氧化物GPx人类GPx4的相同器官。的gpx-1预计酶催化磷脂氢过氧化物的还原使用谷胱甘肽因为损失gpx-1活动通过RNAi细胞水平的增加导致不饱和醛4-hydroxynonenal (4-HNE),脂质过氧化产物(50]。
3.4。销售税
消费税是另一组细胞解毒酶催化外源性和内源性化合物的共轭谷胱甘肽,以防止氧化应激损伤(57]。
的秀丽隐杆线虫基因组包含50岁以上假定的消费税(52]。其中,三个消费税,称为Ce -GST-p24(K08F4.7) CeGSTP2-2 (gst-10),GSTO-1 (C29E4.7)调节氧化应激反应(表1)[52]。事实上,这三个基因的单独的过度导致一些压力诱导阻力增加,如胡桃酮、百草枯、氢过氧化枯烯,沉默的消费税通过RNAi导致敏感性增加上述prooxidant化合物(58- - - - - -60]。
3.5。插件可以
插件可以是蛋白质的无处不在的大家庭拥有cysteine-containing氧化还原活性中心(61年,62年)利用peroxidatic半胱氨酸减少水氢过氧化物和释放。这些酶的分类根据其半胱氨酸内容:有one-cysteine(插件可以VI)和two-cysteine抗氧化蛋白(I-IV, V)插件可以作为信号在特定位置调节器通过调节当地ROS水平redox-dependent方式(29日]。
的秀丽隐杆线虫基因组的基因:包括三个插件可以prdx-2、prdx-3和prdx-6(不应混淆插件可以,或过氧化物酶病膜蛋白,基因);然而,只有两个基因已经被研究。PRDX-2是一种酶,防止H的毒性作用2O2;然而,同样值得注意的是:这种蛋白质的损失引发的抗氧化能力显然通过信号机制,增加其他抗氧化剂的水平和第二阶段解毒酶(48)的方式独立于SKN-1通路,提到以后。然而,尽管他们抵抗某些形式的氧化应激增加,prdx-2变异动物都是短暂的,这表明prdx-2可以促进长寿和防止环境应力通过不同的机制48]。然而,没有发现对氧化应激的影响prdx-3,但它确实显示线粒体解偶联活动,表明其重要性在能量代谢47]。
4所示。氧化应激和疾病
考虑到广泛的氧化物种生成的细胞中,很明显,许多生物分子(DNA、蛋白质、脂类和其他人)容易受到活性氧的攻击。这种损坏可能导致或加剧一些代谢疾病。尽管哺乳动物进化距离,秀丽隐杆线虫代表一个适当的模型来补充在体外和在活的有机体内氧化应激的脊椎动物模型。该模型系统提供了洞察信号转导途径的分子机制,如氧化应激和IIS途径,影响许多人类疾病,包括糖尿病(63年,64年]。在糖尿病患者中,一些代谢异常包括线粒体生产过剩和增加形成先进的糖化终端产品(年龄)和脂质过氧化作用的低密度脂蛋白(LDL)通过superoxide-dependent通路,导致一些影响有毒有机物(65年,66年]。与哺乳动物相似,Schlotterer等人最近提议秀丽隐杆线虫代表一个合适的生物研究葡萄糖毒性,因为暴露线虫高葡萄糖浓度对寿命产生不利的影响,增加活性氧产量和年龄修改的线粒体蛋白质胰岛素pathway-independent方式(67年]。
4.1。核因子E2-Related因子(NRF-2)信号通路抵御氧化应激和代谢疾病
真核细胞具有Nrf-2信号通路抵御氧化应激诱导二期解毒基因的表达(68年,69年]。Nrf-2是一个基本的亮氨酸zipper-containing转录因子结合抗氧化反应元素(是)序列在特定基因的启动子区域调节抗氧化反应系统(70年]。在正常生理条件下,Nrf-2被绑定到灭活Kelch-like ECH-associating蛋白1 (Keap1)在细胞质中。然而,在氧化应激,Nrf-2 Keap1释放并转移到细胞核,它结合在哪里和transactivates基因对应的解毒和抗氧化酶等γ谷酰基半胱氨酸连接酶(γgcl)、胱氨酸、谷氨酸转运体(xCT),μ销售税,血红素oxygenase-1 (HO-1),和其他(71年- - - - - -73年]。此外,Nrf-2一直建议参与能源相关疾病,如糖尿病和肥胖74年]。例如,缺乏Nrf-2基因体外糖尿病小鼠表现出增加氧化应激和血糖水平,最有可能通过增强gluconeogenic基因的mRNA表达(glucose-6-phosphatase和磷酸烯醇丙酮酸carboxykinase)和减少糖酵解基因的表达(丙酮酸激酶)74年]。类似于食源性肥胖老鼠,使用oltipraz Nrf-2的激活,合成dithiolethione、触发器的规定通过Nrf-2解毒酶(75年),改善胰岛素抵抗和肥胖和降低氧化应激(76年]。此外,本构Nrf-2激活抑制脂质积累在白色脂肪组织,抑制脂肪生成,诱导胰岛素抵抗和葡萄糖耐受不良,增加肝脂肪变性地蜡(ob / ob)小鼠(77年]。因此,它是转录因子Nrf2猜测,除了保护生物体免受氧化应激的作用,可以预防糖尿病的一个关键目标。
4.2。抗氧化应激通过SKN-1和IIS通路秀丽隐杆线虫
在秀丽隐杆线虫,SKN-1是哺乳动物的直接同源Nrf-2也能够激活水平升高或氧化应激等化合物H2O2、百草枯和胡桃酮通过第二阶段解毒基因转录的感应78年,79年]。事实上,它是建议寿命的增加秀丽隐杆线虫热量限制下发生由于SKN-1激活通过提高压力造成公差降低IIS途径活性(80年,81年]。SKN-1的监管机制不同于哺乳动物,因为秀丽隐杆线虫不具备辨认Keap1蛋白质。另外,秀丽隐杆线虫表达WDR-23, Keap1的蛋白质,作为同族体,通过促进核易位(82年)和绑定的SKN-1网站(83年]。SKN-1活动是由磷酸化。因此,在基底条件下抑制磷酸化AKT-1/2和SGK-1 SKN-1 (IIS通路的关键部件)灭活维持它的胞质(79年]。相反,氧化应激条件下或减少IIS途径活性(由热量限制),PMK-1蛋白(哺乳动物的直接同源p38 MAPK)磷酸化SKN-1促进核易位和随后引发第二阶段解毒基因的转录,等gcs-1(编码γ谷酰基半胱氨酸合成酶),gst-10(谷胱甘肽S-transferase编码亚型)sod-1(编码SOD) [79年,84年,85年(图)来生成活性氧反应2)。另一个活性氧保护机制是授予通过IIS DAF-16通路,负责监管MnSOD基因表达(86年]。证据证明缺陷IIS途径改变细胞能量代谢的水平(例如,葡萄糖摄取)和激活DAF-16,增加的基因表达sod-3,进而触发线粒体的抗氧化系统的活性(81年)(图2)。因此,基于上述的研究结果,秀丽隐杆线虫是一个有用的模式生物研究的角色SKN-1和IIS通路为主监管机构对氧化应激的细胞防御系统。
5。ROS作为第二信使的角色(Mitohormesis)和疾病
如前所述,ROS一直与细胞损伤有关。然而,不同的研究挑战ROS的概念只是有害的;相反,他们已经被提议作为第二信使,触发转录和代谢变化,启动一个程序的一种适应性ROS信号减弱的副作用反应氧化应激(92年,93年]。ROS的积极作用已经在人类和发现秀丽隐杆线虫。健康的年轻人接受体育锻炼有效增加活性氧的生产,从而抵消胰岛素抵抗[94年]。这些发现符合mitohormesis的概念,在运动性氧化应激导致的一种适应性反应,促进内源性抗氧化防御(94年]。这种适应性反应ROS,通常被称为线粒体毒物兴奋效应、激效反应或mitohormesis [95年),导致补偿生物过程的初始破坏后体内平衡(96年]。证实了类似的效果秀丽隐杆线虫(图2);当这种线虫处于一个活跃的增长和营养消费状态,ROS水平升高激活其应激反应和延缓衰老97年]。
已经提出ROS作为第二信使在轻微的压力条件下,进而增强活力,在某种程度上,因为线粒体ROS生产各种信号通路改变,功能作为一个报警系统,警报细胞在一定压力和响应的方式对应的强度检测到损伤。事实上,ROS作为信号中间促进细胞适应某些类型的压力,尽管它还有待澄清ROS对维持体内平衡很重要没有氧化应激(49]。因此,它是合理的,在线粒体活动和环境,因此,ROS生产增强(如糖尿病或锻炼),激效反应可能激活增加活性氧的产量,移植ROS-neutralizing酶的表达,比如SOD2 GPx。这种反应包括,部分的转录因子SNK-1 / Nrf-2促进上述酶的转录(图2)[98年]。值得注意的是激效反应可能解释为什么,因为环境危险因素或生活方式,并不是所有的个体倾向于开发糖尿病最终进步明显的疾病。总之,暂时性的增加水平的氧化应激可能改善,而不是恶化压力反应,反映出一种潜在的促进健康的过程,以防止代谢疾病,胰岛素抵抗和糖尿病等与mitohormesis的概念是一致的。
从历史上看,主要理论关于氧化应激是ROS-induced分子损伤的积累大大加剧了许多人类疾病,包括糖尿病、心血管疾病、动脉粥样硬化、癌症和老化(99年]。上述的特点秀丽隐杆线虫呈现一个健壮的模型系统研究氧化应激,这个模型可以大大有助于我们理解线粒体的作用和氧化应激的集成网络管理的健康细胞和有机体。
6。结束语
尽管广泛使用各种生物模型的研究,有许多悬而未决的问题关于氧化应激之间的联系和代谢疾病的发病机理。因此,发展的人类疾病的动物模型作为模型已经迎来了代谢疾病的研究。的秀丽隐杆线虫模型系统提供了几个不同的优势,包括其简单的操作和维护在实验室和人类基因同源性较高,便于多个研究代谢和分子水平。尽管线虫和人类之间的重要差异,必须考虑,研究使用秀丽隐杆线虫可能大大有助于获得的知识从古典模型生物体通过促进生成的结果,不能用整个有机体在活的有机体内和小说的识别和合理治疗。从本质上说,这些发现秀丽隐杆线虫本文中描述表明类似的策略对抗氧化应激,和秀丽隐杆线虫可以作为一个强大的模型系统描述的遗传和分子机制可能参与人体代谢疾病,如糖尿病。
利益冲突
作者宣称没有利益冲突有关的出版。