Reaktiiviset happilajit - Reactive oxygen species

Tärkeimmät solujen ROS-lähteet elävissä ei- fotosynteettisissä soluissa. Novon ja Parolan arvostelusta, 2008.

Reaktiiviset happilajit ( ROS ) ovat erittäin reaktiivisia kemikaaleja, jotka muodostuvat O 2: sta . Esimerkkejä ROS: ista ovat peroksidit , superoksidi , hydroksyyliradikaali , singlettihappi ja alfa-happi .

Molekyylihapen (O 2 ) pelkistys tuottaa superoksidia ( • O)-
2), joka on useimpien muiden reaktiivisten happilajien edeltäjä :

O 2 + e - → • O-
2

Superoksidin hajottaminen tuottaa vetyperoksidia (H 2 O 2 ):

2 H + + • O-
2+ • O-
2→ H 2 O 2 + O 2

Vetyperoksidi voi puolestaan ​​pelkistyä osittain muodostaen siten hydroksidi -ioneja ja hydroksyyliradikaaleja ( • OH) tai pelkistyä kokonaan veteen :

H 2 O 2 + e - → HO - + • OH
2 H + + 2 e - + H 2 O 2 → 2 H 2 O

Biologisessa kontekstissa ROS ovat hapen normaalin aineenvaihdunnan sivutuotteita . ROS: lla on roolia solun signaloinnissa ja homeostaasissa . ROS ovat luontaisia ​​solutoiminnalle, ja niitä esiintyy alhaisilla ja kiinteillä tasoilla normaaleissa soluissa. Vihanneksissa ROS osallistuu aineenvaihduntaprosesseihin, jotka liittyvät valonsuojaukseen ja sietokykyyn erilaisille stressityypeille. ROS voi kuitenkin aiheuttaa peruuttamatonta vahinkoa DNA: lle, koska ne hapettavat ja muuttavat joitain solukomponentteja ja estävät niitä suorittamasta alkuperäisiä toimintojaan. Tämä viittaa siihen, että ROS: lla on kaksi roolia; Se, toimivatko ne haitallisina, suojaavina vai signaloivina tekijöinä, riippuu ROS -tuotannon ja -hävittämisen välisestä tasapainosta oikeaan aikaan ja paikassa. Toisin sanoen happimyrkyllisyys voi syntyä sekä hallitsemattomasta tuotannosta että ROS: n tehottomasta poistamisesta antioksidanttijärjestelmän avulla. Ympäristörasituksen aikana (esim. UV- tai kuumuus) ROS -tasot voivat nousta dramaattisesti. Tämä voi aiheuttaa merkittävää vahinkoa solurakenteille. Tämä tunnetaan kumulatiivisesti oksidatiivisena stressinä . ROS: n tuotantoon vaikuttavat voimakkaasti kasvien stressitekijävasteet. Näitä ROS-tuotantoa lisääviä tekijöitä ovat kuivuus, suolapitoisuus, jäähdytys, taudinaiheuttajien puolustus, ravinteiden puute, metallimyrkyllisyys ja UV-B- säteily. ROS syntyy myös ulkoisista lähteistä, kuten ionisoivasta säteilystä, joka aiheuttaa peruuttamattomia vaikutuksia kudosten kehitykseen sekä eläimissä että kasveissa.

ROS -tuotannon lähteet

Vapaiden radikaalien mekanismit kudosvaurioissa. Ksenobioottien aiheuttama vapaiden radikaalien myrkyllisyys ja sitä seuraava solun entsyymien vieroitus (terminaatio).

Endogeeniset lähteet

ROS syntyy biokemiallisissa reaktioissa, jotka tapahtuvat hengitys- ja fotosynteesiprosessien aikana organelleissa, kuten mitokondrioissa , peroksisomeissa ja kloroplasteissa . Hengitysprosessin aikana mitokondriot muuttavat solun energian käyttökelpoiseksi muotoksi, adenosiinitrifosfaatiksi (ATP). ATP: n tuotantoprosessi mitokondrioissa, jota kutsutaan oksidatiiviseksi fosforylaatioksi , sisältää protonien (vetyionien) kuljettamisen mitokondrioiden sisäkalvon läpi elektronien siirtoketjun avulla . Elektronin kuljetusketjun, elektronit läpi sarjan proteiinien kautta hapetus-pelkistys-reaktioita, kunkin vastaanottajan proteiinin pitkin ketjua, jolla on suurempi pelkistyspotentiaali kuin edellinen. Tämän ketjun elektronin viimeinen kohde on happimolekyyli. Normaaleissa olosuhteissa happi vähenee veden tuottamiseksi; kuitenkin noin 0,1–2%: ssa ketjun läpi kulkevista elektroneista (tämä luku johtuu tutkimuksista eristetyissä mitokondrioissa, vaikka elävien organismien tarkasta nopeudesta ei ole vielä täysin sovittu), happi sen sijaan vähenee ennenaikaisesti ja epätäydellisesti. superoksidiradikaali ( • O-
2), parhaiten dokumentoitu kompleksin I ja kompleksin III osalta .

Toinen ROS -tuotannon lähde eläinsoluissa on elektronien siirtoreaktiot, jotka katalysoivat mitokondrioiden P450 -järjestelmät steroidogeenisissä kudoksissa. Nämä P450 -järjestelmät ovat riippuvaisia ​​elektronien siirtymisestä NADPH: sta P450: een. Tämän prosessin aikana, jotkut elektronit "vuotaa" ja reagoivat O 2 tuottaa superoksidia. Selviytyäkseen tämän luonnollisen ROS-lähteen kanssa steroidogeenisissä kudoksissa, munasarjoissa ja kiveksissä on suuri pitoisuus antioksidantteja , kuten C-vitamiinia (askorbaatti) ja β-karoteenia ja antioksidantteja.

Jos mitokondrioissa on liikaa vahinkoa, solulle tehdään apoptoosi tai ohjelmoitu solukuolema.

Lisäksi ROS tuotetaan immuunisolujen signaloinnissa NOX -reitin kautta. Fagosyyttiset solut, kuten neutrofiilit , eosinofiilit ja mononukleaariset fagosyytit, tuottavat ROS: a, kun niitä stimuloidaan.

In viherhiukkasia , karboksyloimalla ja hapetus katalysoimien Rubisco varmistaa, että toiminta elektroninsiirtoketju (ETC) esiintyy ympäristössä runsaasti O 2 . Elektronien vuoto ETC: ssä aiheuttaa väistämättä ROS: ää kloroplasteissa. Valokuvajärjestelmän I (PSI) ETC: n uskottiin aikoinaan olevan ainoa ROS -lähde kloroplasteissa. Mukaan Huang et ai. elektronien virtaus virittyneistä reaktiokeskuksista ohjataan NADP: hen ja nämä pelkistetään NADPH: ksi, ja sitten ne siirtyvät Calvin -sykliin ja vähentävät lopullista elektronin vastaanottajaa CO 2 . Tapauksissa, joissa on olemassa ETC ylikuormitus, osa elektronin virtaus ohjataan kohteesta ferredoksiini O 2 , joka muodostaa superoksidi vapaiden radikaalien (jota Mehler reaktio ). Lisäksi elektronivuoto O 2: een voi tapahtua myös PSI ETC: n 2Fe-2S- ja 4Fe-4S-klustereista. Kuitenkin, PSII myös elektroni vuoto paikoissa (QA, QB) O 2 tuottavia O 2 -. Superoksidi (O 2 -) generoidaan PSII, sen sijaan, että PSI; QB näkyy O 2 • --tuotannon paikkana .

Eksogeeniset lähteet

ROS: n muodostumista voidaan stimuloida erilaisilla aineilla, kuten epäpuhtauksilla, raskasmetalleilla , tupakalla , savulla, huumeilla, ksenobiooteilla tai säteilyllä. Kasveissa kuivan abioottisen tekijän vaikutuksen lisäksi korkea lämpötila, vuorovaikutus muiden elävien olentojen kanssa voi vaikuttaa ROS: n tuotantoon.

Ionisoiva säteily voi tuottaa vahingollisia välituotteita vuorovaikutuksessa veden kanssa, jota kutsutaan radiolyysiksi . Koska vesi muodostaa 55–60% ihmiskehosta, radiolyysin todennäköisyys on melko korkea ionisoivan säteilyn läsnä ollessa. Prosessissa vesi menettää elektronin ja muuttuu erittäin reaktiiviseksi. Sitten kolmivaiheisen ketjureaktion kautta vesi muuttuu peräkkäin hydroksyyliradikaaliksi ( • OH), vetyperoksidiksi (H 2 O 2 ), superoksidiradikaaliksi ( • O-
2) ja lopulta happi (O 2 ).

Hydroksyyliradikaali on erittäin reaktiivinen ja välittömästi poistaa elektronit mikä tahansa molekyyli, sen tiellä, kääntämällä että molekyylin vapaan radikaalin ja siten lisäys ketjureaktion. Kuitenkin, vetyperoksidi on oikeastaan enemmän vahingoittaa DNA: ta kuin hydroksyyliradikaali, koska alempi reaktiivisuus vetyperoksidin tarjoaa riittävästi aikaa molekyylin matkustaa tumaan solun, sen jälkeen reagoimaan makromolekyylit, kuten DNA: ta.

Kasveissa ROS: n tuotanto tapahtuu abioottisen stressin aikana, mikä johtaa aineenvaihdunnan vähenemiseen tai keskeytymiseen. Esimerkiksi, lämpötilan nousu, kuivuus ovat tekijöitä, jotka rajoittavat saatavuus CO 2 takia ilmarakojen sulkemisen, lisäämällä ROS-tuotantoon, kuten O 2 · - ja 1 O 2 kloroplasteissa. Tuotannon 1 O 2 kloroplasteissa voi aiheuttaa uudelleenohjelmointi ilmentymisen ydin geenien johtaa kloroosia ja ohjelmoitua solukuolemaa . Bioottisen stressin tapauksessa ROS: n syntyminen tapahtuu aluksi nopeasti ja heikosti ja muuttuu sitten kiinteämmäksi ja kestävämmäksi. ROS: n kertymisen ensimmäinen vaihe liittyy kasvien infektioon ja on luultavasti riippumaton uusien ROS: ta tuottavien entsyymien synteesistä . Kuitenkin ROS: n kertymisen toinen vaihe liittyy vain ei-virulenttien patogeenien aiheuttamaan infektioon ja on indusoitu vaste, joka riippuu lisääntyneistä mRNA- transkriptiota koodaavista entsyymeistä.

Antioksidanttiset entsyymit

Superoksididismutaasi

Pääartikkeli: Superoksididismutaasi

Superoksididismutaasit (SOD) ovat entsyymiluokka, joka katalysoi superoksidin hajoamisen hapeksi ja vetyperoksidiksi. Sellaisena ne ovat tärkeä antioksidanttisuoja lähes kaikissa soluille, jotka ovat alttiina hapelle. Nisäkkäissä ja useimmissa sointuissa esiintyy kolme superoksididismutaasin muotoa. SOD1 sijaitsee pääasiassa sytoplasmassa, SOD2 mitokondrioissa ja SOD3 on solunulkoinen. Ensimmäinen on dimeeri (koostuu kahdesta yksiköstä), kun taas muut ovat tetrameerejä (neljä alayksikköä). SOD1 ja SOD3 sisältävät kupari- ja sinkki -ioneja, kun taas SOD2: n reaktiivisessa keskuksessa on mangaani -ioni. Geenit sijaitsevat vastaavasti kromosomeissa 21, 6 ja 4 (21q22.1, 6q25.3 ja 4p15.3-p15.1).

SOD-katalysoitu jakaantumisen ja superoksidi voidaan kirjoittaa seuraavat puoli-reaktiot:

  • M ( n + 1) +  - SOD + O-
    2    → M n + - SOD + O 2
  • M n + - SOD + O-
    2    + 2H + → M ( n + 1) + - SOD + H 2 O 2 .

jossa M =  Cu ( n  = 1); Mn ( n  = 2); Fe ( n  = 2); Ni ( n  = 2). Tässä reaktiossa metallikationin hapetustila värähtelee välillä n ja n  + 1.

Katalaasi , joka on keskittynyt mitokondrioiden vieressä sijaitseviin peroksisomeihin , reagoi vetyperoksidin kanssa veden ja hapen muodostumisen katalysoimiseksi. Glutationiperoksidaasi vähentää vetyperoksidia siirtämällä reaktiivisten peroksidien energian rikkiä sisältävään dipeptidiin nimeltä glutationi . Näiden entsyymien sisältämä rikki toimii reaktiivisena keskuksena ja kuljettaa reaktiivisia elektroneja peroksidista glutationiin. Peroxiredoxins myös hajota H 2 O 2 , mitokondrioissa, sytosolissa, ja ydin.

  • 2 H 2 O 2 → 2 H 2 O + O 2 (katalaasi)     
  • 2GSH + H 2 O 2 → GS – SG + 2H 2 O (glutationiperoksidaasi)     

Yksittäinen happi

Toinen reaktiivisten happilajien tyyppi on yksittäinen happi ( 1 O 2 ), joka syntyy esimerkiksi kasvien fotosynteesin sivutuotteena . Valon ja hapen läsnä ollessa valoherkistimet , kuten klorofylli, voivat muuntaa tripletin ( 3 O 2 ) singlettihapoksi:

Singletin happi on erittäin reaktiivinen erityisesti orgaanisten yhdisteiden kanssa, jotka sisältävät kaksoissidoksia. Tästä johtuva singlettihapen aiheuttama vahinko heikentää kloroplastien fotosynteesin tehokkuutta . Kasveissa, jotka ovat alttiina liialliselle valolle, singlettihapen lisääntynyt tuotanto voi johtaa solukuolemaan. Kloroplastien sisältämät erilaiset aineet, kuten karotenoidit , tokoferolit ja plastokinonit, tukahduttavat yksittäishapen ja suojaavat sen myrkyllisiltä vaikutuksilta. Suoran myrkyllisyyden lisäksi singlettihappi toimii signaloivana molekyylinä. Singletin hapen läsnäolosta johtuvat β-karoteenin hapettuneet tuotteet toimivat toisina sanansaattajina, jotka voivat joko suojata singlettihapen aiheuttamaa toksisuutta vastaan ​​tai käynnistää ohjelmoidun solukuoleman. Tasot jasmonate avainasemassa päätöksessä välillä solu totuttamistiedot tai solukuolemaa vasteena kohonneet tämä reaktiivisten happilajien.

Vaurioittavat vaikutukset

ROS: n vaikutukset solujen aineenvaihduntaan ovat hyvin dokumentoituja eri lajeilla. Näihin kuuluvat ei vain rooleja apoptoosin (ohjelmoidun solukuoleman), mutta myös myönteisiä vaikutuksia, kuten induktio isännän puolustuksessa geenien ja aktivoimalla ioni kuljettajat . Tämä merkitsee niitä solutoiminnan hallintaan. Erityisesti haavan korjaamiseen ja veren homeostaasiin osallistuvat verihiutaleet vapauttavat ROS: n rekrytoidakseen lisää verihiutaleita loukkaantumispaikoille . Nämä tarjoavat myös linkin adaptiiviseen immuunijärjestelmään leukosyyttien värväyksen kautta .

Reaktiiviset happilajit osallistuvat solutoimintaan erilaisiin tulehdusreaktioihin, mukaan lukien sydän- ja verisuonitaudit . Ne voivat myös olla osallisina kuulon heikkeneminen kautta simpukan aiheuttaman vaurion kohonneet melutason , ja ototoksisuutta lääkkeiden, kuten sisplatiinin ja synnynnäinen kuurous sekä eläimillä että ihmisillä. ROS liittyy myös apoptoosin tai ohjelmoidun solukuoleman ja iskeemisen vamman välitykseen. Erityisiä esimerkkejä ovat aivohalvaus ja sydänkohtaus .

Yleensä reaktiivisten happilajien haitalliset vaikutukset soluun ovat useimmiten:

  1. DNA: n tai RNA: n vaurioituminen
  2. monityydyttymättömien rasvahappojen hapettuminen lipideissä ( lipidiperoksidaatio )
  3. aminohappojen hapettuminen proteiineissa
  4. tiettyjen entsyymien oksidatiivinen deaktivointi kaasutekijöiden hapetuksella

Patogeeninen vaste

Kun kasvi tunnistaa hyökkäävän taudinaiheuttajan, yksi ensimmäisistä reaktioista on nopeasti tuottaa superoksidia ( O-
2) tai vetyperoksidia ( H
2O
2) soluseinän vahvistamiseksi. Tämä estää taudinaiheuttajan leviämisen muihin kasvin osiin muodostaen olennaisesti verkon taudinaiheuttajan ympärille liikkumisen ja lisääntymisen rajoittamiseksi.

Nisäkkään isännässä ROS indusoidaan mikrobilääkkeenä. Tämän puolustuksen tärkeyden korostamiseksi yksilöt, joilla on krooninen granulomatoottinen sairaus ja joilla on puutteita ROS: n tuottamisessa, ovat erittäin alttiita useiden mikrobien, mukaan lukien Salmonella enterica , Staphylococcus aureus , Serratia marcescens ja Aspergillus spp.

Drosophila melanogasterin suoliston homeostaasia koskevat tutkimukset ovat osoittaneet, että ROS: n tuotanto on keskeinen osa immuunivastetta kärpäsen suolistossa. ROS toimii sekä bakteereja tappavana aineena, vahingoittaen bakteerien DNA: ta, RNA: ta ja proteiineja että signalointimolekyyliä, joka saa aikaan epiteelin korjausmekanismeja . Urasiili vapautuu mikro-organismin laukaisee tuotannon ja aktiivisuuden Duox, ROS tuottavat entsyymiä, suolessa. Duox -aktiivisuus indusoidaan urasiilipitoisuuden mukaan suolessa; perusolosuhteissa sitä säätelee proteiinikinaasi MkP3 . Duoxin tiukka säätö estää ROS: n liiallisen tuotannon ja helpottaa hyvänlaatuisten ja vaurioita aiheuttavien mikro-organismien erottamista suolistossa.

Tapa, jolla ROS puolustaa isäntää hyökkäävältä mikrobilta, ei ole täysin ymmärretty. Yksi todennäköisimmistä puolustusmuodoista on mikrobien DNA: n vaurioituminen. Salmonella -tutkimukset osoittivat, että DNA: n korjausmekanismeja vaadittiin vastustamaan ROS: n tappamista. ROS: n rooli virusten vastaisissa puolustusmekanismeissa on osoitettu Rig-kaltaisen helikaasi-1: n ja mitokondrioiden antiviraalisen signalointiproteiinin kautta. Lisääntyneet ROS-tasot tehostavat signalointia tämän mitokondrioihin liittyvän viruslääkereseptorin kautta aktivoimaan interferonin säätelytekijä (IRF) -3, IRF-7 ja ydintekijä kappa B (NF-κB), mikä johtaa viruslääkkeeseen. Hengityselinten epiteelisolut indusoivat mitokondrioiden ROS: ia vasteena influenssainfektioon. Tämä ROS: n induktio johti tyypin III interferonin induktioon ja viruslääkkeen indusointiin, mikä rajoitti viruksen replikaatiota. Isännän puolustuksessa mykobakteereja vastaan ​​ROS: lla on roolinsa, vaikka suora tappaminen ei todennäköisesti ole avainmekanismi; pikemminkin ROS todennäköisesti vaikuttaa ROS-riippuvaisiin signalointikontrolleihin, kuten sytokiinituotantoon, autofagiaan ja granulooman muodostumiseen.

Reaktiiviset happilajit liittyvät myös T -solujen aktivoitumiseen, anergiaan ja apoptoosiin .

Hapettavat vauriot

On aerobinen energiaa, joka tarvitaan polttoaineen biologisia toimintoja on tuotettu mitokondrioissa kautta elektroninsiirtoketju . Reaktiivisia happilajeja (ROS), jotka voivat aiheuttaa soluvaurioita, syntyy yhdessä energian vapautumisen kanssa. ROS voi vahingoittaa lipidejä, DNA , RNA: ta , ja proteiinit, jotka teoriassa, se auttaa rainan fysiologian ja ikääntymisen .

ROS -soluja tuotetaan solujen aineenvaihdunnan normaalina tuotteena . Erityisesti yksi merkittävä syy oksidatiivisiin vaurioihin on vetyperoksidi (H 2 O 2 ), joka muuttuu mitokondrioista vuotavasta superoksidista . Katalaasi ja superoksididismutaasi parantavat vetyperoksidin ja superoksidin vahingollisia vaikutuksia muuttamalla nämä yhdisteet hapeksi ja vetyperoksidiksi (joka myöhemmin muuttuu veteen), mikä johtaa hyvänlaatuisten molekyylien tuotantoon . Tämä muuntaminen ei kuitenkaan ole 100% tehokasta ja jäännösperoksidit pysyvät solussa. Vaikka ROS -soluja tuotetaan normaalin solutoiminnan tuotteena, liialliset määrät voivat aiheuttaa haitallisia vaikutuksia.

Kognitiivisen toiminnan heikkeneminen

Muistikyky heikkenee iän myötä, mikä näkyy ihmisten rappeuttavissa sairauksissa, kuten Alzheimerin taudissa , johon liittyy hapettumisvaurioiden kertyminen. Nykyiset tutkimukset osoittavat, että ROS: n kertyminen voi heikentää organismin kuntoa, koska oksidatiiviset vauriot vaikuttavat ikääntymiseen. Erityisesti oksidatiivisten vaurioiden kertyminen voi johtaa kognitiivisiin toimintahäiriöihin, kuten on osoitettu tutkimuksessa, jossa vanhoille rotille annettiin mitokondrioiden metaboliitteja ja sitten kognitiivisia testejä . Tulokset osoittivat, että rotat menestyivät paremmin metaboliittien vastaanottamisen jälkeen, mikä viittaa siihen, että metaboliitit vähentävät oksidatiivisia vaurioita ja parantavat mitokondrioiden toimintaa. Kerääntyvät oksidatiiviset vauriot voivat sitten vaikuttaa mitokondrioiden tehokkuuteen ja lisätä edelleen ROS -tuotantoa. Oksidatiivisten vaurioiden kertyminen ja sen vaikutukset ikääntymiseen riippuvat siitä kudostyypistä, jossa vahinko tapahtuu. Muut kokeelliset tulokset viittaavat siihen, että oksidatiiviset vauriot ovat vastuussa ikään liittyvästä aivotoiminnan heikkenemisestä . Vanhemmilla gerbiileillä havaittiin olevan enemmän hapettunutta proteiinia kuin nuoremmilla gerbiileillä. Kohtelu vanhat ja nuoret hiiret kanssa spinnisieppausaineiden yhdiste vähensi tason hapettuneen proteiinien vanhemmilla antilooppirotissa mutta ei ollut vaikutusta nuorempi gerbiilit. Lisäksi vanhemmat gerbiilit suorittivat kognitiivisia tehtäviä paremmin hoidon aikana, mutta lopettivat toimintakykynsä, kun hoito lopetettiin, mikä aiheutti hapettuneen proteiinipitoisuuden nousun. Tämä johti tutkijoiden johtopäätökseen, että soluproteiinien hapettuminen on mahdollisesti tärkeää aivotoiminnalle.

Ikääntymisen syy

Vanhojen vapaiden radikaalien teorian mukaan reaktiivisten happilajien käynnistämät hapettumisvauriot vaikuttavat merkittävästi ikääntymiselle ominaiseen toimintahäiriöön. Vaikka selkärangattomilla malleilla tehdyt tutkimukset osoittavat, että eläimet, jotka on geneettisesti muokattu spesifisten antioksidanttisten entsyymien (kuten SOD) puuttumiseksi, osoittavat yleensä lyhyempää elinikää (kuten teoriasta voisi odottaa), päinvastainen manipulointi, joka lisää antioksidanttisten entsyymien määrää, on tuotti epäjohdonmukaisia ​​vaikutuksia elinikään (vaikka jotkut Drosophila -tutkimukset osoittavat, että elinikää voidaan pidentää MnSOD: n tai glutationia biosynteesivien entsyymien yliekspressiolla). Toisin kuin tämä teoria, mitokondrioiden SOD2: n poistaminen voi pidentää Caenorhabditis elegansin elinikää .

Hiirillä tarina on hieman samanlainen. Antioksidanttisten entsyymien poistaminen yleensä lyhentää elinikää, vaikka yliekspressiotutkimukset eivät ole (joitakin poikkeuksia lukuun ottamatta) jatkuvasti pidentäneet elinikää. Ennenaikaisen ikääntymisen rotamallin tutkimuksessa havaittiin lisääntynyttä oksidatiivista stressiä , vähentynyttä antioksidanttientsyymiaktiivisuutta ja huomattavasti suurempia DNA -vaurioita ennenaikaisesti ikääntyneiden rottien aivojen neokorteksissa ja hippokampuksessa kuin normaalisti ikääntyvillä kontrollirotilla. DNA-vaurio 8-OHdG on ROS-vuorovaikutuksen tuote DNA: n kanssa. Lukuisat tutkimukset ovat osoittaneet, että 8-OHdG lisääntyy iän myötä (ks . Ikääntymisen DNA -vaurioteoria ).

Miesten hedelmättömyys

Altistuminen siittiösolujen oksidatiivisen stressin on merkittävä aiheuttava tekijä miesten hedelmättömyys . Oksidatiivisen stressin aiheuttama sperman DNA -sirpaleisuus näyttää olevan tärkeä tekijä miesten hedelmättömyyden etiologiassa. Korkea hapetus- DNA-vaurio 8-OHdG liittyy epänormaaleihin siittiöihin ja miesten hedelmättömyyteen.

Syöpä

ROS syntyy ja eliminoituu jatkuvasti biologisessa järjestelmässä, ja niitä vaaditaan sääntelyreittien ajamiseen. Normaaleissa fysiologisissa olosuhteissa solut kontrolloivat ROS -tasoja tasapainottamalla ROS: n syntymistä ja niiden poistamista puhdistusjärjestelmillä. Mutta oksidatiivisissa stressiolosuhteissa liiallinen ROS voi vahingoittaa soluproteiineja, lipidejä ja DNA: ta, mikä johtaa kuolemaan johtaviin vaurioihin solussa, jotka edistävät karsinogeneesiä.

Syöpäsoluilla on suurempi ROS -stressi kuin normaaleilla soluilla, osittain onkogeenisen stimulaation, lisääntyneen metabolisen aktiivisuuden ja mitokondrioiden toimintahäiriön vuoksi. ROS on kaksiteräinen miekka. Toisaalta alhaisilla tasoilla ROS helpottaa syöpäsolujen selviytymistä, koska kasvutekijöiden ja reseptorityrosiinikinaasien (RTK) ohjaama solusyklin eteneminen vaatii ROS: n aktivoitumista ja krooninen tulehdus, joka on merkittävä syövän välittäjä, on ROS: n säätelemä. Toisaalta korkea ROS-taso voi tukahduttaa kasvaimen kasvun solusyklin estäjän jatkuvan aktivoinnin ja solukuoleman indusoinnin sekä ikääntymisen vahingoittamalla makromolekyylejä. Itse asiassa suurin osa kemoterapeuttisista ja sädehoidollisista aineista tappaa syöpäsoluja lisäämällä ROS -stressiä. Syöpäsolujen kykyä erottaa ROS eloonjäämisen tai apoptoottisena signaalina ohjataan annoksella, kestolla, tyypillä ja ROS -tuotantopaikalla. ROS -tasot ovat vaatimattomia syöpäsolujen selviytymiseksi, kun taas liialliset tasot tappavat ne.

Metabolinen sopeutuminen kasvaimissa tasapainottaa solujen energiantarpeen yhtä tärkeän makromolekulaaristen rakennuspalikoiden tarpeen ja redoksitasapainon tiukemman hallinnan kanssa. Tämän seurauksena NADPH: n tuotanto paranee merkittävästi, mikä toimii kofaktorina vähentämään monien entsymaattisten reaktioiden makromolekyylibiosynteesiä ja samalla pelastaa solut liialliselta ROS: lta, joka muodostuu nopean lisääntymisen aikana. Solut tasapainottavat ROS: n haitallisia vaikutuksia tuottamalla antioksidanttimolekyylejä, kuten pelkistettyä glutationia (GSH) ja tioredoksiinia (TRX), jotka tukevat NADPH: n pelkistävää voimaa ylläpitääkseen toimintaansa.

Useimmat syöpään liittyvät riskitekijät ovat vuorovaikutuksessa solujen kanssa ROS: n syntymisen kautta. ROS aktivoi sitten erilaisia ​​transkriptiotekijöitä, kuten aktivoitujen B-solujen kappa-kevytketjun tehostajan (NF-KB), aktivaattoriproteiini-1 (AP-1), hypoksia-indusoituvan tekijä-1a: n sekä transkription signaalinmuuntimen ja aktivaattorin 3 (STAT3), mikä johtaa tulehdusta kontrolloivien proteiinien ilmentymiseen; solujen transformaatio; kasvainsolujen eloonjääminen; kasvainsolujen lisääntyminen; ja hyökkäys, agiogeneesi sekä etäpesäkkeet. Ja ROS kontrolloi myös eri tuumorisuppressorigeenien, kuten p53, retinoblastoomageeni (Rb) ja fosfataasi- ja tensiinihomologi (PTEN), ilmentymistä.

Karsinogeneesi

ROS: een liittyvä DNA: n hapettuminen on yksi mutaatioiden pääasiallisista syistä, jotka voivat aiheuttaa monenlaisia ​​DNA-vaurioita, mukaan lukien ei-suurikokoiset (8-oksoguaniini ja formamidopyrimidiini) ja suuret (syklopuriini- ja etenoadduktit) emäsmuutokset, abasiset kohdat, ei -perinteiset yksijuosteiset katkokset, proteiini-DNA-adduktit ja sisäiset/interstrand-DNA-silloitukset. On arvioitu, että normaalilla solujen aineenvaihdunnalla tuotettu endogeeninen ROS muuttaa noin 20 000 DNA -emästä päivässä yhdessä solussa. 8-oksoguaniini on yleisin havaituista hapetetuista nitrogeenisistä emäksistä. DNA-replikaation aikana DNA-polymeraasi yhdistää 8-oksoguaniinin väärin adeniinin kanssa, mikä johtaa G → T-transversiomutaatioon. Tuloksena oleva genominen epävakaus vaikuttaa suoraan karsinogeneesiin. Solujen transformaatio johtaa syöpään ja epätyypillisen PKC-ζ-isoformin vuorovaikutus p47phoxin kanssa ohjaa ROS-tuotantoa ja transformaatiota apoptoottisista syövän kantasoluista blebbishield-hätäohjelman kautta .

Solujen lisääntyminen

Hallitsematon lisääntyminen on syöpäsolujen tunnusmerkki. Sekä eksogeenisen että endogeenisen ROS: n on osoitettu tehostavan syöpäsolujen lisääntymistä. ROS: n roolia tuumorin lisääntymisen edistämisessä tukee edelleen havainto, että aineet, jotka voivat estää ROS: n muodostumista, voivat myös estää syöpäsolujen lisääntymistä. Vaikka ROS voi edistää kasvainsolujen lisääntymistä, suuri ROS: n kasvu on liittynyt vähentyneeseen syöpäsolujen lisääntymiseen indusoimalla G2/M -solusyklin pysäytys; lisääntynyt ataksia -telangiektasia -mutaatio (ATM), tarkistuspiste -kinaasi 1 (Chk 1), Chk 2; ja lyhennetty solujakautumissykli 25 homologi c (CDC25).

Solukuolema

Syöpäsolu voi kuolla kolmella tavalla: apoptoosi , nekroosi ja autofagia . Liiallinen ROS voi aiheuttaa apoptoosia sekä ulkoisten että sisäisten reittien kautta. Apoptoosin ulkoisella reitillä Fas-ligandi muodostaa ROS: n ylävirtaan Fas-aktivoimiseksi fosforylaation kautta, mikä on välttämätöntä Fas-assosioituneen proteiinin myöhemmäksi rekrytoimiseksi kuoleman domeenilla ja kaspaasilla 8 sekä apoptoosin induktioon. Sisäisellä reitillä ROS-toiminto helpottaa sytokromi c: n vapautumista aktivoimalla huokosia stabiloivia proteiineja (Bcl-2 ja Bcl-xL) sekä estämällä huokosia epävakauttavia proteiineja (Bcl-2: een liittyvä X-proteiini, Bcl-2-homologinen antagonisti/ tappaja). Luontainen reitti tunnetaan myös nimellä kaspaasikaskadi ja se syntyy mitokondrioiden vaurioiden kautta, jotka laukaisevat sytokromi c: n vapautumisen. DNA-vauriot, oksidatiivinen stressi ja mitokondrioiden kalvopotentiaalin menetys johtavat edellä mainittujen apoptoottisten proteiinien vapautumiseen, jotka stimuloivat apoptoosia. Mitokondrioiden vauriot liittyvät läheisesti apoptoosiin, ja koska mitokondriot on helppo kohdistaa, syöpähoito on mahdollista.

ROS: n sytotoksinen luonne on apoptoosin liikkeellepaneva voima, mutta vielä suuremmissa määrissä ROS voi aiheuttaa sekä apoptoosia että nekroosia, hallitsemattoman solukuoleman muodon, syöpäsoluissa.

Lukuisat tutkimukset ovat osoittaneet polkuja ja yhteyksiä ROS -tasojen ja apoptoosin välillä, mutta uudempi tutkimuslinja on yhdistänyt ROS -tasot ja autofagian. ROS voi myös aiheuttaa solukuoleman autofagian kautta. Siksi autofagia voi myös säätää solun terveyttä oksidatiivisen stressin aikoina. ROS -tasot voivat indusoida autofagiaa solun monien reittien kautta yrittäessään hävittää haitallisia organelleja ja estää vaurioita, kuten syöpää aiheuttavia aineita, aiheuttamatta apoptoosia. Autofaginen solukuolema voi johtua autofagian liiallisesta ilmentymisestä, jossa solu pilkkoo liikaa itsestään yrittääkseen minimoida vauriot eikä voi enää selviytyä. Kun tämäntyyppinen solukuolema tapahtuu, autofagiaa säätelevien geenien hallinnan lisääntyminen tai menetys havaitaan yleisesti yhdessä. Näin ollen, kun autofagisen solukuoleman syvällisempi ymmärrys ja sen suhde ROS: iin on saavutettu, tämä ohjelmoidun solukuoleman muoto voi toimia tulevaisuudessa syöpähoidona. Autofagia ja apoptoosi ovat erillisiä mekanismeja solukuolemalle, jonka korkeat ROS -tasot aiheuttavat. Aautofagia ja apoptoosi toimivat kuitenkin harvoin tiukasti riippumattomien reittien kautta. ROS: n ja autofagian välillä on selvä yhteys ja apoptoosiin johtavien liiallisten ROS -määrien välinen korrelaatio. Mitokondrioiden kalvon depolarisaatio on myös ominaista autofagian alkamiselle. Kun mitokondriot ovat vaurioituneet ja alkavat vapauttaa ROS: a, aloitetaan autofagia vahingollisten organellien hävittämiseksi. Jos lääke kohdistuu mitokondrioihin ja luo ROS: n, autofagia voi hävittää niin paljon mitokondrioita ja muita vaurioituneita organelleja, että solu ei ole enää elinkelpoinen. Suuri määrä ROS: ää ja mitokondrioiden vaurioita voi myös olla merkki apoptoosista. Autofagian tasapaino solussa ja ylikuuluminen autofagian ja ROS: n välittämän apoptoosin välillä on ratkaisevan tärkeää solun selviytymiselle. Tämä ylikuuluminen ja yhteys autofagian ja apoptoosin välillä voivat olla mekanismi, joka kohdistuu syöpähoitoihin tai jota käytetään yhdistelmähoidoissa erittäin vastustuskykyisille syöpille.

Kasvainsolujen hyökkäys, angiogeneesi ja etäpesäkkeet

RTK: iden kasvutekijästimulaation jälkeen ROS voi laukaista solujen migraatioon ja hyökkäykseen liittyvien signalointireittien aktivoitumisen, kuten mitogeeniaktiivisen proteiinikinaasin (MAPK) perheen jäsenet-solunulkoisen säännellyn kinaasin (ERK), c-jun NH-2-terminaalikinaasin ( JNK) ja p38 MAPK. ROS voi myös edistää migraatiota lisäämällä fokaalisen adheesiokinaasin (FAK) p130Cas ja paxilin fosforylaatiota.

Sekä in vitro että in vivo ROS: n on osoitettu indusoivan transkriptiotekijöitä ja moduloivan signalointimolekyylejä, jotka osallistuvat angiogeneesiin (MMP, VEGF) ja metastaaseihin (AP-1: n, CXCR4: n, AKT: n ja PTEN: n alentaminen).

Krooninen tulehdus ja syöpä

Kokeellinen ja epidemiologinen tutkimus viime vuosien aikana on osoittanut läheisiä yhteyksiä ROS: n, kroonisen tulehduksen ja syövän välillä. ROS indusoi kroonista tulehdusta indusoimalla COX-2: n, tulehdukselliset sytokiinit (TNFa, interleukiini 1 (IL-1), IL-6), kemokiinit (IL-8, CXCR4) ja tulehdusta edistävät transkriptiotekijät (NF-κB). Nämä kemokiinit ja kemokiinireseptorit puolestaan ​​edistävät erilaisten kasvaintyyppien hyökkäystä ja etäpesäkkeitä.

Syöpähoito

Kaavio valmistusprosessista ja lämpöresponsiivisten (MSNs@CaO2-ICG) @LA NP -laitteiden valmistusprosessista ja terapeuttisesta mekanismista synergistisen CDT/PDT: n ja H2O2/O2-itsehuollon ja GSH: n ehtymisen vuoksi.

Sekä ROS-kohotus- että ROS-eliminointistrategioita on kehitetty, ja ensimmäistä käytetään pääasiassa. Syöpäsolut, joilla on kohonnut ROS -taso, riippuvat voimakkaasti antioksidanttisesta puolustusjärjestelmästä. ROS-kohottavat lääkkeet lisäävät edelleen solujen ROS-stressitasoa joko suoran ROS-sukupolven (esim. Motexafin gadolinium, elesclomol) tai aineiden avulla, jotka kumoavat luontaisen antioksidanttijärjestelmän, kuten SOD-estäjä (esim. ATN-224, 2-metoksiestradioli) ja GSH-estäjä (esim. PEITC, butioniinisulfoksimiini (BSO)). Tuloksena on endogeenisen ROS: n yleinen nousu, joka solujen siedettävyysrajan ylittyessä voi aiheuttaa solukuoleman. Toisaalta normaaleilla soluilla näyttää olevan alhaisempi peruskuormitus ja varanto, suurempi kapasiteetti selviytyä ROS: ää tuottavista loukkauksista kuin syöpäsolut. Siksi ROS: n kohoamista kaikissa soluissa voidaan käyttää syöpäsolujen selektiivisen tappamisen saavuttamiseen.

Sädehoito perustuu myös ROS -toksisuuteen kasvainsolujen hävittämiseksi. Sädehoito käyttää röntgensäteitä, y-säteitä sekä raskaita hiukkassäteilyjä, kuten protoneja ja neutroneja, indusoimaan ROS-välitteistä solukuolemaa ja mitoottista epäonnistumista.

ROS: n kaksinaisen roolin vuoksi on kehitetty sekä prooksidantteja että antioksidantteihin perustuvia syöpälääkkeitä. Kuitenkin ROS-signaloinnin modulointi yksin ei näytä olevan ihanteellinen lähestymistapa, koska syöpäsolut ovat sopeutuneet ROS-stressiin, tarpeettomat reitit syövän kasvun tukemiseksi ja ROS: ta tuottavien syöpälääkkeiden toksisuus. ROS: ta tuottavien lääkkeiden yhdistelmät lääkkeiden kanssa, jotka voivat rikkoa redox-sopeutumisen, voivat olla parempi strategia syöpäsolujen sytotoksisuuden parantamiseksi.

James Watson ja muut ovat ehdottaneet, että solunsisäisen ROS: n puute liikunnan puutteen vuoksi voi edistää syövän pahanlaatuista etenemistä, koska ROS -piikkejä tarvitaan proteiinien oikeaan taittamiseen endoplasmaattisessa retikulumissa ja alhaiset ROS -tasot voivat siten vaikeuttaa tuumorisuppressoriproteiinien muodostuminen. Koska liikunta aiheuttaa väliaikaisia ​​ROS -piikkejä, tämä voi selittää, miksi liikunta on hyödyllistä syöpäpotilaiden ennusteelle. Lisäksi korkeat ROS-induktorit, kuten 2-deoksi-D-glukoosi ja hiilihydraattipohjaiset solun stressin indusoijat indusoivat syöpäsolukuoleman voimakkaammin, koska ne hyödyntävät syöpäsolun korkeaa sokeripitoisuutta.


ROS: n positiivinen rooli muistissa

Aloittamista DNA-demetylaation yhdellä CpG- . Aikuisilla somaattisilla soluilla DNA -metylaatio tapahtuu tyypillisesti CpG -dinukleotidien yhteydessä ( CpG -kohdat ), jolloin muodostuu 5 -metyylisytosiini -pG tai 5 mCpG. Reaktiiviset happilajit (ROS) voivat hyökätä guaniiniin dinukleotidikohdassa muodostaen 8-hydroksi-2'-deoksiguanosiinia (8-OHdG) ja tuloksena 5mCp-8-OHdG-dinukleotidikohta. Emäksen leikkaus-korjaus entsyymi OGG1 suunnattu 8-OHdG ja sitoutuu vaurion ilman välitöntä leikkaaminen. OGG1, joka on läsnä 5 mCp-8-OHdG-paikassa, rekrytoi TET1- ja TET1-hapettavat 5 mC 8-OHdG: n vieressä. Tämä käynnistää 5 mC: n demetylaation.
Demetylaation 5-metyylisytosiinin (5mC) on neuroni-DNA. Kuten vuonna 2018 tarkasteltiin, aivojen neuroneissa 5 mC hapetetaan kymmenen yksitoista translokaatio (TET) dioksigenaasiperheen ( TET1 , TET2 , TET3 ) avulla 5-hydroksimetyylisytosiinin (5hmC) tuottamiseksi. Peräkkäisissä vaiheissa TET-entsyymit hydroksyloivat edelleen 5hmC: tä muodostaen 5-formyylisytosiinia (5fC) ja 5-karboksyylisytosiinia (5caC). Tymiini-DNA-glykosylaasi (TDG) tunnistaa väliemäkset 5fC ja 5caC ja leikkaa glykosidisidoksen, mikä johtaa apyrimidiinikohtaan ( AP-kohta ). Vaihtoehtoisessa oksidatiivinen deaminaatio reitin, 5hmC voidaan hapettavasti deaminoituu, jonka aktiivisuus aiheuttama sytidiinideaminaasin / apolipoproteiini B-mRNA: n muokkaamisen kompleksi (AID / APOBEC) deaminaaseja muodostamiseksi 5-hydroxymethyluracil (5hmU) tai 5mC voidaan muuntaa tymiini (Thy). 5hmU voidaan pilkkoa TDG: llä, yksijuosteisella selektiivisellä monofunktionaalisella urasiili-DNA-glykosylaasilla 1 ( SMUG1 ), Nein kaltaisella DNA-glykosylaasilla 1 ( NEIL1 ) tai metyyli-CpG: tä sitovalla proteiinilla 4 ( MBD4 ). AP -kohdat ja T: G -yhteensopimattomuudet korjataan sitten emäksen leikkauskorjaus (BER) -entsyymeillä, jolloin saadaan sytosiini (Cyt).

Kahdessa katsauksessa on yhteenveto suuresta joukosta todisteita, jotka raportoitiin suurelta osin vuosien 1996 ja 2011 välillä ROS: n kriittisestä ja olennaisesta roolista muistinmuodostuksessa . Muita todisteita osoittaa, että sekä muistin muodostuminen että varastointi riippuvat neuronien epigeneettisistä muutoksista, mukaan lukien muutokset hermosolujen DNA -metylaatiossa . Muistinmuodostusta koskevat kaksi tietokokonaisuutta näyttävät liittyvän vuonna 2016 Zhou et ai., Joka osoitti, että ROS: lla on keskeinen rooli epigeneettisessä DNA: n demetylaatiossa .

Nisäkkään tuman DNA: han, metyyliryhmä voidaan lisätä, jonka DNA-metyylitransferaasia , 5th hiili sytosiini muodostamiseksi 5mC (ks punainen metyyliryhmä lisättiin muodostamiseksi 5mC yläosassa ensimmäinen luku). DNA-metyylitransferaasit muodostavat useimmiten 5 mC dinukleotidisekvenssissä "sytosiini-fosfaatti-guaniini" 5 mCpG: n muodostamiseksi. Tämä lisäys on merkittävä epigeneettisen muutoksen tyyppi ja se voi hiljentää geenin ilmentymisen . Metyloitu sytosiini voidaan myös demetyloida , epigeneettinen muutos, joka voi lisätä geenin ilmentymistä. Tärkein entsyymi, joka osallistuu 5mCpG: n demetylointiin, on TET1 . TET1 kykenee kuitenkin vaikuttamaan vain 5 mCpG: hen, jos ROS on ensin vaikuttanut guaniiniin muodostaen 8-hydroksi-2'-deoksiguanosiinia (8-OHdG), jolloin tuloksena on 5mCp-8-OHdG-dinukleotidi (katso ensimmäinen kuva). TET1 kykenee kuitenkin vaikuttamaan dinukleotidin 5 mC osaan vain, kun emäksen poistamisen korjaava entsyymi OGG1 sitoutuu 8-OHdG-leesioon ilman välitöntä poistamista. OGG1: n kiinnittyminen 5mCp-8-OHdG-paikkaan rekrytoi TET1: n ja TET1: n ja hapettaa sitten 5 mC: n 8-OHdG: n vieressä, kuten ensimmäisessä kuvassa, ja käynnistää toisessa kuvassa esitetyn demetylaatioreitin.

Vuonna 2016 Halder et ai. käyttämällä hiiriä, ja vuonna 2017 Duke et ai. rotilla käytti jyrsijöitä kontekstuaalisen pelon ehdollistamiseen aiheuttaen erityisen vahvan pitkäaikaisen muistin muodostumisen. 24 tuntia rottien hippokampussa 24 tuntia hoidon jälkeen 1048 geenin ilmentyminen oli alisäädetty (liittyy yleensä hypermetyloituihin geenipromoottoreihin ) ja 564 geenin ilmentyminen tehostettiin (usein liittyy hypometyloituihin geenipromoottoreihin). 24 tuntia koulutuksen jälkeen 9,2% hippokampuksen neuronien rotan genomin geeneistä metyloitiin eri tavalla. Hippokampus on kuitenkin välttämätön uuden tiedon oppimiseen, mutta se ei tallenna itse tietoja. Halderin hiirikokeissa havaittiin 1206 eri tavalla metyloitua geeniä hippokampuksessa tunti kontekstin mukaisen pelon säätelyn jälkeen, mutta nämä käännettiin, eikä niitä nähty neljän viikon kuluttua. Toisin kuin pitkäaikaisia ​​metylaatiomuutoksia ei ole hipokampuksessa, aivokuoren neuroneissa voidaan havaita huomattavaa differentiaalista metylaatiota muistin ylläpidon aikana. Hiirien etuosan cingulaarisessa kuorissa oli 1223 eri tavalla metyloitua geeniä neljä viikkoa kontekstuaalisen pelon käsittelyn jälkeen.

Tuhannet CpG -kohdat, jotka demetyloidaan muistinmuodostuksen aikana, riippuvat ROS: sta alkuvaiheessa. Muuttunut proteiinin ekspressio neuroneissa, jota ohjaa osittain COS-kohtien ROS-riippuvainen demetylaatio neuronien DNA: n geenipromoottoreissa, ovat keskeisiä muistinmuodostuksessa.

Katso myös

Viitteet

Lue lisää

Ulkoiset linkit