人类NOX4:基因、结构、生理功能和病理意义外文翻译资料

 2022-08-08 14:44:57

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人类NOX4:基因、结构、生理功能和病理意义

摘要：

活性氧（ROS）的产生与多种疾病的发病机制有关，如心血管疾病和癌症。NADPH氧化酶是一种复合酶，被认为是ROS的主要来源之一。NOX4是NADPH氧化酶家族的七个成员之一，（NOX1, NOX2, NOX3, NOX4, NOX5, Duox1 and Duox2）近年来被广泛研究。其特殊的结构导致了以过氧化氢（H2O2）为主要产物生成。作为一种关键的氧传感器，NOX4衍生的H2O2在细胞增殖，迁移和死亡中发挥着多种的作用。研究发现，NOX4在肿瘤中表达增加，参与转移、血管生成和凋亡。内皮细胞中NOX4的表达可积极介导内皮激活，功能障碍和损伤，这些因素促进了动脉粥样硬化，高血压，心肌肥厚的发展。本文探讨了NOX4的基因、结构、生理功能和病理意义相关的实验研究。NOX4可作为心血管疾病和癌症治疗的潜在靶点，同时本文也对NOX4抑制剂进行了研究。

介绍：

众所周知，NOX家族NADPH氧化酶(NOX)以催化氧气产生活性氧的生物功能而著称。到目前为止，这个家族包括NOX1–5 和 Duox1–2。这些氮氧化物异构体在体内的分布、在细胞类型中的表达、在亚细胞结构中的定位、精确的产物以及在生理和病理中的功能是有巨大差异的。NADPH氧化酶4(NADPH oxidase 4, NOX4)最早于2001年由Shiose等人鉴定为肾脏中一种非吞噬性的新NOX。它是氮氧化物家族中唯一能合成过氧化氢(H2O2)的异构体。一般来说，NOX4在人体组织中广泛分布，在肾脏血管内高表达。NOX4的亚细胞定位是线粒体到内质网核和局灶性粘连的特异性细胞。近十年来，有关NOX4基因、结构及生理病理意义的研究取得了很大进展，现对其进行综述。

人NOX4基因：

人NOX4基因位于染色体11q14.2-q21，覆盖面积至少为265 kb，而人的NOX1、NOX2、NOX3和NOX5基因分别位于染色体Xq22、Xp21.1、6q25.3和15q23。人类NOX4基因由25个外显子组成。基因敲除研究表明，外显子1和2的缺失导致NOX4蛋白的表达，外显子4的缺失只留下第一个跨膜结构域。此外，外显子9似乎负责编码NADPH和FAD结合域，而外显子14和15也可能参与NADPH结合域的翻译。通过在mRNA水平上分析NOX4的表达，已经鉴定出四种NOX4剪接变体，即NOXB、NOXC、NOXD和NOXE，这可能解释了ROS的区段化生成和相关信号通路。一系列刺激对NOX4的转录调控作用已被证实。内皮细胞中的缺氧、高氧、高糖、剪切应力和循环应变，以及心肌细胞中的肥大刺激如血管紧张素(AngII)或苯肾上腺素已被证实为NOX4调节因子。在不同的细胞中，不同的翻译因子参与了NOX4基因的调控，包括E2F、Nrf2、HIF-1a、NF-kB、oct-1、sp3和sp1、c-jun、STAT3，其共同的分子机制是与NOX4 DNA启动子的特定位点结合。

人NOX4结构：

NOX4催化结构域的主序列为578个氨基酸，分子质量为28kDa，而完整的NOX4蛋白为66.5 kDa。通常，NOX4位于线粒体和内质网膜，分别有跨膜部分和胞外部分，而在人血管内皮细胞中，NOX4与跨膜结构域位于核浆中。与NOX家族的其他成员类似，NOX4由6个跨膜的a-螺旋组成，由5个环连接，即环a- e和一个脱氢酶(DH)结构域，DH结构域包含辅基FAD和NADPH的结合位点，是一个相对较长的细胞质c端。NOX4的原理图如图1所示。A-、C-和E -环面向腔外，可能产生ROS，而B-和D-环面向细胞膜的细胞质侧，DH结构域位于此。此外，位于第三和第五跨膜螺旋的四个保守组氨酸残基协调了两个不相同的血红素，它们依次在两个电子还原步骤中还原氧分子。删除E-loop会导致主要产物从H2O2变为超氧化物，这主要是由于这个环中有一个高度保守的组氨酸。B环是预测在NOX结构或活化中具有重要功能的保守区域之一，它通过结合DH域来提供跨膜和DH域之间的界面。质内D环的结构和潜在功能还没有被很好地理解。但是，用相应的NOX4回路替换NOX2回路会导致O2生产过剩。D环的带电残基负责FAD向氧的变化和电子转移。到目前为止，A环和C环的功能仍被广泛的了解。NOX4蛋白表达的调控也不清楚。一些文献认为，上文提到的一系列转录因子和microRNA-25和microRNA 21a-3等microRNA是在转录水平上调控NOX4的，而不是通过组装一个完整的NOX4复合物或翻译后蛋白修饰。然而，一些调节蛋白被发现通过与NOX4亚基结合来调节NOX4/p22phox复合物的活性。蛋白质二硫键异构酶(PDI)是硫氧还原蛋白超家族的伴侣，通过潜在地影响VSMC内的亚基运输和组装，正向调节NOX4活性。.聚合酶-D相互作用蛋白2 (polymerase -d- interactions protein 2, Poldip2)可通过与p22phox结合激活NOX4，调节VSMC的黏着斑翻转和力极化，导致细胞迁移和细胞骨架重塑。此外，有报道称，Tks4/5与p22phox结合，并作为p47phox类似物激活NOX1和NOX4。Hsp70负调控自发性高血压大鼠VSMCs中NOX4/p22phox复合物。TGF -b1诱导的H2O2诱导克隆-5 (Hic-5)通过促进泛素-蛋白酶体系统介导的NOX4降解，在翻译后水平负调控NOX4。

NOX4产物：

以往的研究认为O2是NOX4的主要产物，而检测到的H2O2可解释为超氧化物氧化酶转化的产物。直到2005年，直到2005年，我们才发现NOX4的H2O2含量一直居高不下，而O2在细胞外间隙几乎检测不到。NOX4具有组成性活性，可生成H2O2，而不依赖于胞质激活蛋白。然而，O2的形成仍有争议，因为它的不稳定性和细胞内潜在膜分隔的位置使其难以检测。在去除血清的VSMC中，NOX4 siRNA降低了NADPH衍生的O2的生成。最近，有报道称，NOX4产生的O2具有10%的电子通量。因此，NOX4的产物为H2O2和O2，以H2O2为主要产物。

对于NOX4衍生的ROS产生的分子机制，已经提出了几种模型。主要的“超氧化物歧化酶”理论在以前的出版物中占主导地位。正如这个模型所描述的，两个氧分子被依次还原为O₂-和第一个O₂-然后两个O₂-O2分子被SOD自发地去突变，形成一个H2O2和O2分子。然而，这个假设得到的实验数据很少。2008年，提出了一种选择机制。在该模型中，两个电子通过黄素进入血红素，依次还原了第一个电子与血红素B结合产生的O2，形成中间产物-血红素B Fe3 :O2-。它足够稳定，可以接受第二个电子形成H2O2。同时，有部分O2可以从中间体中挥发出来，这是O2产量较少的原因。最近，Nisimoto由Yukio Nisimoto根据酶动力学和热力学理论对该模型进行了修正和改进。在更新的模型中，通过NOX4的90%的电子通量产生H2O2, 10%形成O2。此外，his222(产生H2O2的临界残基)中的一个质子被捐献给中间的血红素B:O2-。这就产生了一个能量更有利的中间体——血红素B:HO2，它促进了第二个电子与另一个质子从溶剂中转移形成H2O2。这种“两个连续的单电子还原”模型似乎更有理由可行，但仍需要进一步的证据来证实。

NOX的功能：

氧化应激是抗氧化防御和过度ROS生成之间的不平衡，在调节细胞病理生理方面有多个方面。高水平的ROS可导致细胞损伤甚至细胞死亡，而低水平的ROS可作为第二信使，诱导的胞内信号通路参与细胞增殖、生长、分化等。NOX家族成员作为主要的内源性ROS来源之一，因其在细胞生理和病理反应中的重要作用而受到越来越多的关注。它们可能成为心血管疾病及相关疾病治疗的新的潜在靶点。

在最近的观察中，NOX4在细胞增殖中的作用得到了充分的证明。NOX4促进胚胎干细胞等多种细胞类型的细胞增殖，如内皮细胞，人肺动脉平滑肌细胞，肺动脉外膜成纤维细胞，骨骼肌前体细胞，前脂肪细胞，胶质瘤细胞和肝细胞。然而，潜在的机制是特定于细胞类型的。一般来说，在内皮细胞中，低水平的NOX4衍生的ROS激活了丝裂原活化蛋白激酶(MAPK)家族成员，包括p38MAPK、ERK和JNK/SAP激酶。而在人肺动脉平滑肌细胞(HPASMC)中，NOX4诱导的细胞增殖是通过TGF-b1/Smad2/3通路介导。有趣的是，TGF-b1也可诱导HPASMC中NOX4的表达和ROS的产生。因此，TGF-b1可能同时作为NOX4信号的上游和下游。此外，有证据表明，NOX4与PI3K/Akt信号通路相互作用，促进非小细胞肺癌(NSCLC)细胞的增殖和侵袭。然而，在肝细胞、肝癌细胞和体内小鼠中，NOX4减少或沉默导致细胞增殖增加，说明NOX4在肝细胞增殖中发挥了负面作用。细胞迁移在创伤愈合、胚胎发生和癌症转移等生理学方面具有重要意义。越来越多的证据表明，NOX4具有促进细胞迁移的作用。NOX4介导胰岛素样生长因子1 (IGF-I)诱导的基质金属蛋白酶(MMP)-2和MMP-9的激活，从而启动VSMC迁移。NOX4在人肺动脉内皮细胞(HPAECs)和肺微血管内皮细胞(HLMVECs)中高水平表达，下调其表达可降低高氧诱导的ROS产生和内皮细胞迁移。siRNA敲除NOX4也会破坏胶质母细胞瘤U87细胞的迁移。此外，NOX4通过与TGF-b相互作用增强细胞迁移。例如，基基质细胞通过TGF-b调控，提高NOX4衍生的ROS水平，从而提高MCF-7细胞的运动能力。此外，NOX4参与TGF-b诱导的乳腺上皮细胞的上皮-间充质转化和迁移。然而，高浓度表达的NOX4通过阻碍局灶性粘连的溶解而损害血管诱导的外膜成纤维细胞的迁移。NOX4在细胞迁移中的作用机制尚不清楚。研究发现，NOX4的调节蛋白Poldip2与NOX4相互作用，通过PDGF诱导VSMC迁移，并调节局部黏附翻转的形成和溶解，并迫其使极化。此外，过表达的Poldip2维持了NOX4来源的H2O2水平，激活RhoA-GTP和FAK，有利于局灶性黏附的形成。另一方面，在细胞突起的前缘产生H2O2然后氧化PTPs等蛋白，诱导信号级联促进迁移。然而，在大多数情况下，尚未确定H2O2氧化的确切蛋白。因此，NOX4迁移的具体分子途径有待进一步研究。

先前的报道表明,NOX4在人类动脉平滑肌细胞细胞死亡,胰腺癌细胞,白血病细胞,肺上皮细胞,星形细胞瘤细胞,肝细胞,大脑血管内皮细胞,肝癌细胞,人类脐静脉内皮细胞(HUVECs)和心脏肌细胞中扮演了重要的角色。NOX4主要通过诱导细胞凋亡介导这些细胞的细胞死亡，近年来越来越多的相关文章支持这一观点。有记录的数据表明，NOX4是TGF-b和TNF-a诱导的氧化应激导致细胞凋亡的主要来源。敲除NOX4可通过诱导细胞凋亡抵抗，完全抑制ROS对TNF-a的形成反应，并削弱TGF -b诱导的反应。通过FasL刺激产生ROS的NOX4可激活Fas，诱导肝细胞凋亡。线粒体中NOX4衍生ROS的积累可通过打开通透性过渡孔导致线粒体功能障碍，从而导致铬c的释放和凋亡的形成。NOX4基因敲低可显著降低ROS的产生，减弱caspase-3活性，并降低Bcl-2家族成员的表达水平。外源性H2O2在低剂量时也可诱导细胞凋亡，在高剂量时也可诱导坏死，说明NOX4可能具有类似的作用。虽然线粒体来源的ROS被认为是介导坏死的主要来源，但NOX4来源的ROS也与坏死细胞死亡有关，至少部分是通过TNF-a刺激引起的。

NOX4作为氧传感器：

早在1990年，NOX就被发现是氧传感器，因为氧张力改变了NOX衍生的H2O2的丰度。它提供了NOX家族成员可能是一个潜在的氧气传感器的证据。2001年，NOX4的发现表明它可以作为氧传感器和/或调节肾脏细胞生长。NOX4首先在氧感应级联中响应O2改变其化学性质，然后通过增加ROS的产生将pO2转化为氧化还原信号。例如，NOX4衍生的ROS可稳定缺氧诱导因子2- alpha; (HIF2-a)，并通过阻止N端转激活域(NTCD)和C-TCD的羟基化，增加其蛋白丰度。TASK-1是主要的氧敏感背景K 通道之一[ [96]。据报道NOX4作为氧传感器调节TASK-1的活性，因为NOX4特异性小干扰RNA (small interference RNA, siRNA)转染会消除TASK-1的氧敏感性。近年来

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