Антиоксидантная система респираторного тракта. 
Внутриклеточная антиоксидантная защита в респираторном тракте

Резюме. В обзоре литературы изложены современные данные о системе глутаредоксинов в функционировании внутриклеточной антиоксидантной защиты в респираторном тракте. Подробно рассмотрены глутаредоксинзависимые окислительно-восстановительные реакции.

Ключевые слова: антиоксидантная система; респираторный тракт; внутриклеточная антиоксидантная защита; обзор

Резюме. В огляді літератури викладено сучасні дані щодо системи глутаредоксинів у функціонуванні внутрішньоклітинного антиоксидантного захисту в респіраторному тракті. Детально розглянуто глутаредоксинзалежні окислювально-відновні реакції. Ключові слова: антиоксидантна система; респіраторний тракт; внутрішньоклітинний антиоксидантний захист; огляд.

Abstract. The literature review presents the current data about upon the details of glutaredoxin-dependent oxidation reaction. the glutaredoxin system in the functioning of the intracellular Keywords: antioxidant system; respiratory tract; intracellular antioxidant protection in the respiratory tract. The paper dwells antioxidant protection; review.

Введение

Для нейтрализации перекиси водорода и вторичных радикалов, образующихся во время оксидативного стресса, клетки респираторного тракта, кроме каталазы, располагают глутатионовой, селензависимыми глутаредоксиновой, тиоредоксиновой и селеннезависимой пероксиредоксиновой системами. Глутатионовая система в антиоксидантной защите органов дыхания играет центральную роль. Глутаредоксиновая система участвует в нейтрализации перекиси водорода и вторичных радикалов, образующихся во время оксидативного стресса клетки [1].

Селензависимые антиоксидантные молекулярные системы Семейство глутаредоксинов Глутаредоксиновая система состоит из глутаредоксинов (GRX), глутатиона и НАДФН-зависимой глутатионредуктазы. Глутаредоксины (GRX, КФ 1.20.4.1) представляют собой глутатионзависимые оксидоредуктазы суперсемейства тиоредоксинов с низкой молекулярной массой (9—14 кДа). В зависимости от количества цистеиновых остатков в активном центре GRX разделены на монотиольные (CGFS) и дитиольные (CP/SYC) глутаредоксины. Каталитический центр монотиольных GRX образован последовательностью Cys—Gly—Phe— Ser, а дитиольных — Cys—Pro (или Ser)—Tyr—Cys. Монотиольные GRX содержат несколько консервативных аминокислотных последовательностей, которые участвуют в связывании глутатиона. Монотиольные GRX в отличие от дитиольных характеризуются высокой степенью идентичности аминокислотных последовательностей и подразделяются на однодоменные и многодоменные протеины. Также монотиольные GRX участвуют в регуляции обмена железа, биогенеза железосерного кластера. Дитиольные GRX являются эффективными катализаторами редукции глутатионом смешанных дисульфидов. Третичная структура молекулы GRX характеризуется наличием четырех P-слоев, которые окружены тремя а-спиралями. Каталитический центр молекул глутаредоксина расположен в N-терминальном регионе на петле Pj-слоя и aj-спирали (рис. 1) [10, 17].

Наличие рядом с активным центром пары аминокислотных остатков цистеина и пролина (консенсус: TVP) и GG-мотива (консенсус: GGxdD), а также двух положительно заряженных сайтов и мотива TVP в N-терминальном регионе позволяет молекулам окисленных GRX взаимодействовать с глутатион-дисульфид-редуктазой (GSR). Перенос электронов от НАДФН-зависимой GSR на окисленный GSSG приводит к образованию восстановленного глутатиона GSH, который, в свою очередь, восстанавливает окисленный GRX [10].

Глутаредоксины представлены парой дитиольных и парой монотиольных белков. Дитиольными глутаредоксинами являются GRXj (12 кДа) с классическим Су837-Рго—Туг—Су840-мотивом активного центра и GRX2 (16 кДа) с Cys37-Ser-Tyr-Cys40мотивом в активном центре. Замена пролинового остатка на сериновый в активном мотиве GRX2 придает ему некоторые биохимические свойства, которые не отмечаются у GRXr Во-первых, он более эффективно катализирует деглутатионилирование, во-вторых, не подавляет окисление структурных цистеиновых остатков и, в-третьих, может получать электроны как от глутатиона, так и от тиоредоксинредуктазы [14]. Эффективность катализа GRX2 (kcat/KM) в процессе деглутатионилирования смешанных дисульфидов в 1,5—3 раза выше, чем у GRXj. Кроме того, GRX2 катализирует обратимое глутатионилирование белков внутренней мембраны митохондрий в зависимости от изменения соотношения GSH/GSSG. Изоформа GRX2 обнаружена в двух сплайсинговых формах — GRX2a и GRX2p [2].

Монотиольными глутаредоксинами являются и многодоменный GRX3 (protein kinase C interacting cousin of thioredoxin), и однодоменный GRX5 протеины [10].

Для каждой изоформы глутаредоксинов характерна своя преимущественная локализация. Протеин GRX1, идентифицированный впервые как GSH-зависимый донор для рибонуклеозидредуктазы, локализован преимущественно в цитоплазме, в межмембранном пространстве митохондрии, может транслоцироваться и в ядро клетки. Также GRXj находится внеклеточно — в сыворотке крови и мокроте. Протеин GRXj вносит основной вклад в образование дезоксирибонуклеотидов, восстанавливает дегидроаскорбат, участвует в клеточной дифференцировке, регуляции активности факторов транскрипции и апоптоза. Протеин GRX2 локализуется в различных отделах клетки. Его изоформа GRX2a располагается преимущественно в митохондриях, а изоформы GRX2b, GRX2c — в перинуклеарном регионе и ядре клетки. Он является эффективным катализатором обратимого деглутатионилирования белка: его каталитическая эффективность в 1,5—3 раза выше, чем у GRXj. Протеин GRX2 также является субстратом тиоредоксинредуктазы. Глутаредоксин GRX3 находится в цитоплазме, а GRX5 — в митохондриях клетки [13].

Протеины GRX1−3 являются димерами, GRX5 — тетрамером (рис. 2) [17].

Основными продуцентами внеклеточного GRX в респираторном тракте являются альвеолярные макрофаги и дифференцированные моноциты. Механизмы секреции и функции внеклеточного GRX в настоящее время остаются неизвестными. Предполагается, что внеклеточно расположенные GRX функционируют как хемокины [16].

Глутаредоксинзависимые окислительно-восстановительные реакции Субстратами для всех GRX являются дисульфиды. В отличие от тиоредоксинов для GRX характерна высокая каталитическая активность по отношению к смешанным дисульфидам. Восстановление дисульфидов, которое катализируется GRX, может проходить монотиольным и дитиольным путем, то есть при участии соответственно одного или двух цистеиновых остатков аминокислотной последовательности активного центра. При монотиольном пути восстановления дисульфидов, который получил название «деглутатионилирование», используется только цистеиновый остаток N-терминального региона GRX. Монотиольным путем происходит восстановление смешанных дисульфидов белков или глутатионилированных белков. Специфическое взаимодействие GRX с остатком GSH смешанного дисульфида — белком-S-SG приводит к образованию интермедиата GRX-S-SG, который восстанавливается с помощью глутатиона (реакция 1). Окисленный глутатион GSSG, образующийся в ходе данной реакции, восстанавливается до GSH глутатионредуктазой (реакция 2). Так как для восстановления глутатионилированных белков требуется распознавание только GS-остатков, а не субстрата в целом, монотиольный путь, обеспечивающий деглутатионилирование, является, по-видимому, наиболее общей функцией GRX [10]. Данные реакции могут быть представлены в следующем виде:

R-S-SG + GRX (SH)2 ^ R-SH + GRX-S-SG, (1) GRX-S-SG + GSH ^ GRX-(SH)2 + GSSG, (2).

где R-S-SG — смешанный дисульфид с глутатионом [18].

При дитиольном механизме восстановления дисульфидов цистеиновый остаток активного центра N-терминального региона молекулы GRX, осуществляя нуклеофильное взаимодействие, инициирует образование смешанного дисульфида. Второй свободный цистеиновый остаток С-терминального региона депротонируется и взаимодействует с атомом серы N-терминального региона, обусловливая образование окисленного фермента GRX-S2 и восстановленного субстрата (реакция 3). Окисленная форма фермента восстанавливается при взаимодействии с GSH, образуя смешанный дисульфид (между GSH и N-терминальным цистеиновым остатком активного центра), который, в свою очередь, восстанавливается второй молекулой GSH (реакция 4) [2, 12].

Дитиольный механизм:

R-S2 + GRX-(SH)2 ^ R-(SH)2 + GRX-S2, (3).

GRX-S2 + 2GSH ^ GRX-(SH)2 + GSSG [18]. (4).

Монотиольный и дитиольный механизмы GRX представлены на рис. 3 [2, 12].

Глутаредоксины функционируют в тесной связи с глутатионом и тиоредоксинами.

Другие физиологические эффекты системы глутаредоксинов Глутаредоксины принимают участие во многих процессах жизнедеятельности клетки: защите от активных радикалов, развитии апоптоза, обмене железа. Так, GRX1 участвует в дифференцировке клеток, регуляции активности транскрипционных факторов и процесса апоптоза, оказывает протекторное действие на нейроны, защищая их от апоптоза, индуцированного допамином, путем активации NF-kB, катализируя процесс деглутатионилирования, восстанавливает функциональную активность таких белков, как глицеральдегид-3фосфатдегидрогеназа, протеинтирозинфосфатаза 1 В, креатинкиназа, c-Jun, субъединица р50 NF-kB, каспаза-3. GRX2 предотвращая высвобождение цитохрома C из митохондрий и окисление кардиолипина, ингибирует развитие апоптоза клетки [2, 7].

Глутаредоксины регулируют процесс воспаления в респираторном тракте. Показано, что GRX являются необходимым компонентом в дифференциации макрофагов. Снижение концентрации GRX ассоциировано с высоким уровнем адриамицининдуцированной гибели макрофагов [3]. Протеин GRX1 обладает выраженным провоспалительным свойством. В респираторном тракте GRX1 преимущественно локализуется в эпителиоцитах бронхиального дерева и альвеолярных макрофагах [6]. Протеин GRX1 регулирует активность провоспалительных сигнальных путей, действуя на субъединицы 1кВ-киназного комплекса (IKK) фактора транскрипции NF-kB. Реализация воспалительной реакции, ассоциированной с возбуждением NF-kB, опосредована преимущественно функционированием субъединицы IKK-p. Основным механизмом действия GRXj, который изменяет функциональную активность протеинов, является деглутатионилирование. Показано, что в условиях дефицита GRXj в ответ на LPS-возбуждение отмечается слабое повышение активности фактора транскрипции NF-kB в эпителиальных клетках респираторного тракта. И дефицит активности NF-kB обусловлен S-глутатионилированием (Cys179) субъединицы IKK-p [5]. В физиологических условиях GRXj катализирует деглутатионилирование субъединицы IKK-p. Scott W. Aesif и соавт. [4] считают, что активированные кислородсодержащие метаболиты (АКМ), генерация которых ассоциирована с действием РАМР инфекционных агентов, стимулируют экспрессию GRX1 и активность NF-kB в эпителиальных клетках респираторного тракта. Процесс РАМР-ассоциированного возбуждения сопровождается повышением активности S-глутатионилирования IKK-p, что снижает активность фактора транскрипции NF-kB. По достижении определенного уровня концентрации протеина GRX1 активность GRXJ-ассоциированного.

Рисунок 4. Роль GRX1 в регуляции активности IKK-а и IKK-p в эпителиоцитах респираторного тракта [8, модификация].

Влияние протеина GRX1 на активность фактора транскрипции NF-kB связано с его дифференцированным действием на субъединицы IKK. Дефицит протеина GRX1 приводит к усилению процесса S-глутатионилирования IKK-a и IKK-p. S-глутатионилирование субъединицы IKK-p сопровождается снижением ее функциональной активности и, как следствие, ингибированием NF-kB, в то время как посттрансляционная модификация (S-глутатионилирование и фосфорилирование) IKK-a сопровождается активацией Nf-kB и модификацией хроматина, обусловленной ацетилированием гистонов в регионах провоспалительных генов. Модификации молекул IKK-a и IKK-p носят обратимый характер. Протеин GRX1, деглутатионируя IKK-p, усиливает, а деглутатионируя IKK-a, ингибирует воспалительный процесс.

Деглутатионилирования начинает преобладать над S-глутатионилированием, что сопровождается усилением активности NF-kB и повышением продукции провоспалительных цитокинов. Процесс S-глутатионилирования IKK-a взаимосвязан с фосфорилированием IKK-a и Glu-киназы, и эта функциональная связь имеет решающее значение в процессе ацетилирования Ю-гистона и Lys310-остатка протеина RelA/p65 на промоторах провоспалительных генов [9]. Поэтому S-глутатионилирование IKK-a сопровождается как фосфорилированием IKK-a, так и ацетилированием гистонов H3 и H4, в частности, в регионе промотора гена IL-6, что ведет к усилению продукции провоспалительных цитокинов (рис. 4) [8]. респираторный тракт антиоксидантный глутаредоксин В целом высокая экспрессия GRX1 в эпителиоцитах и альвеолярных макрофагах снижает активность воспалительного процесса в респираторном тракте, а низкое содержание этого протеина способствует развитию '1Ъ1-/'1Ъ2-ассоциированного воспаления и фиброза легочной ткани [6, 15].

Конфликт интересов. Авторы заявляют об отсутствии какого-либо конфликта интересов при подготовке данной статьи.

References.

• 1. Abaturov AE, Volosovets AP, Borysova TP. The Antioxidant System of the Respiratory Tract the Intracellular Antioxidant Protection in the Respiratory Tract (Part 2). Zdorov’e rebenka. 2016;6(74):121−7. doi: 10.22 141/2224−0551.6.74.2016.82 144. (in Russian).
• 2. Kalinina EV, Chernov NN, Saprin AN. Part tio peroxide and glutaredoxins in cellular redox-dependent processes. Uspehi biologicheskoy himii. 2008;48:319−31. (in Russian).
• 3. Asmis R, Wang Y, Xu L, Kisgati M, Begley JG, Mieyal JJ. A novel thiol oxidation-based mechanism for adriamycin-induced cell injury in human macrophages. FASEB J. 2005 Nov;19(13):1866−8. doi: 10.1096/fj.04−2991jje. Epub 2005 Sep 13.
• 4. Aesif SW, Anathy V, Kuipers I, Guala AS, Reiss JN, Ho YS, Janssen-Heininger YM. Ablation of glutaredoxin-1 attenuates lipopolysaccharide-induced lung inflammation and alveolar macrophage activation. Am J Respir Cell Mol Biol. 2011 Apr;44(4):491−9. doi: 10.1165/rcmb.2009;0136OC. Epub 2010 Jun 10.
• 5. Reynaert NL, van der Vliet A, Guala AS, et al. Dynamic redox control of NF-kappa B through glutaredoxin-regulated S-glutathionylation of inhibitory kappa B kinase beta. Proc Natl Acad Sci USA. 2006 Aug 29;103(35):13 086−91. doi: 10.1073/pnas.603 290 103. Epub 2006Aug 17.
• 6. Peltoniemi M, Kaarteenaho-Wiik R, Sily M, et al. Expression ofglutaredoxin is highly cell specific in human lung and is decreased by transforming growth factor-beta in vitro and in interstitial lung diseases in vivo. Hum Pathol. 2004Aug;35(8):1000−7. PMID: 15 297 967.
• 7. Rouhier N, Couturier J, Johnson MK, Jacquot JP. Glutaredoxins: roles in iron homeostasis. Trends Biochem Sci. 2010 Jan;35(1):4352. doi: 10.1016/j.tibs.2009.08.005. Epub 2009 Oct 5.
• 8. Chung S, Sundar IK, Yao H, Ho YS, Rahman I. Glutaredoxin 1 regulates cigarette smoke-mediated lung inflammation through differential modulation ofI{kappa}Bkinases in mice: impact on histone acetylation. Am J Physiol Lung Cell Mol Physiol. 2010 Aug;299(2):192 203. doi: 10.1152/ajplung.426.2009. Epub 2010May 14.
• 9. Yang SR, Valvo S, Yao H, et al. IKK alpha causes chromatin modification on pro-inflammatory genes by cigarette smoke in mouse lung. Am J Respir Cell Mol Biol. 2008 Jun;38(6):689−98. doi: 10.1165/rcmb.2007;0379OC. Epub 2008Jan 31.
• 10. Lillig CH, Berndt C, Holmgren A. Glutaredoxin systems. Biochim Biophys Acta. 2008Nov;1780(11):1304−17. doi: 10.1016/j.bbagen.2008.06.003. Epub 2008 Jun 18.
• 11. Mieyal JJ, Gallogly MM, Qanungo S, Sabens EA, Shelton MD. Molecular mechanisms and clinical implications of reversible protein S-glutathionylation. Antioxid Redox Signal. 2008 Nov;10(11):194 188. doi: 10.1089/ars.2008.2089.
• 12. Prasad VR, Tripathi BN, Sethumadhavan R. Distinct role of non-covalent interactions to the function and structural stability of glutaredoxins: a multifunctional redox protein. Int J Bioinform Res Appl. 2010;6(3):241−59. doi: 10.1504/IJBRA.2010.34 073.
• 13. Ahsan MK, Lekli I, Ray D, Yodoi J, Das DK. Redox regulation of cell survival by the thioredoxin superfamily: an implication of redox gene therapy in the heart. Antioxid Redox Signal. 2009 Nov;11(11):2741−58. doi: 10.1089/ARS.2009.2683.
• 14. Johansson C, Kavanagh KL, Gileadi O, Oppermann U. Reversible sequestration of active site cysteines in a 2Fe-2S-bridged dimer provides a mechanism for glutaredoxin 2 regulation in human mitochondria. J Biol Chem. 2007Feb 2;282(5):3077−82. doi: 10.1074/ jbc. M608179200. Epub 2006Nov 22.
• 15. Reynaert NL, Wouters EF, Janssen-Heininger YM. Modulation of glutaredoxin-1 expression in a mouse model of allergic airway disease. Am J Respir Cell Mol Biol. 2007Feb;36(2):147−51. doi: 10.1165/rcmb.2006;0259RC. Epub 2006Sep 15.
• 16. Shelton MD, Mieyal JJ. Regulation by reversible S-glutathionylation: molecular targets implicated in inflammatory diseases.
• 17. Mol Cells. 2008 May 31;25(3):332−46. Epub 2008 May 16. PMCID: PMC3367451.
• 18. Johansson C, Roos AK, Montano SJ, et al. The crystal structure of human GLRX5: iron-sulfur cluster co-ordination, tetrameric assembly and monomer activity. Biochem J. 2011 Jan 15;433(2):30 311. doi: 10.1042/BJ20101286.
• 19. Holmgren A, Johansson C, Berndt C, L nn ME, Hudemann C, Lillig CH. Thiol redox control via thioredoxin andglutaredoxin systems. Biochem Soc Trans. 2005Dec;33(Pt 6):1375−7. doi: 10.1042/ BST20051375.