Reaktiva syrearter - Reactive oxygen species

Viktiga cellulära källor för ROS i levande icke- fotosyntetiska celler. Från en recension av Novo och Parola, 2008.

Reaktiva syrearter ( ROS ) är mycket reaktiva kemikalier som bildas av O 2 . Exempel på ROS inkluderar peroxider , superoxid , hydroxylradikal , singlet-syre och alfa-syre .

Reduktionen av molekylärt syre (O 2 ) ger superoxid ( • O-
2), som är föregångaren till de flesta andra reaktiva syrearter:

O 2 + e - → • O-
2

Dismutation av superoxid producerar väteperoxid (H 2 O 2 ):

2 H + + • O-
2+ • O-
2→ H 2 O 2 + O 2

Väteperoxid kan i sin tur delvis reduceras och därmed bilda hydroxidjoner och hydroxylradikaler ( • OH), eller helt reduceras till vatten :

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

I ett biologiskt sammanhang är ROS biprodukter av den normala metabolismen av syre . ROS har roller i cellsignalering och homeostas . ROS är inneboende för cellulär funktion och finns på låga och stationära nivåer i normala celler. I grönsaker är ROS inblandade i metaboliska processer relaterade till fotoskydd och tolerans mot olika typer av stress. ROS kan dock orsaka irreversibel skada på DNA eftersom de oxiderar och modifierar vissa cellulära komponenter och hindrar dem från att utföra sina ursprungliga funktioner. Detta tyder på att ROS har en dubbel roll; om de kommer att fungera som skadliga, skyddande eller signalerande faktorer beror på balansen mellan ROS -produktion och avfallshantering vid rätt tidpunkt och plats. Med andra ord kan syre toxicitet uppstå både från okontrollerad produktion och från ineffektiv eliminering av ROS med antioxidantsystemet. Under tider med miljöbelastning (t.ex. UV- eller värmeexponering) kan ROS -nivåerna öka dramatiskt. Detta kan resultera i betydande skador på cellstrukturer. Kumulativt kallas detta oxidativ stress . Produktionen av ROS påverkas starkt av stressfaktorsvar i växter, dessa faktorer som ökar ROS-produktionen inkluderar torka, salthalt, kylning, försvar av patogener, näringsbrist, metalltoxicitet och UV-B- strålning. ROS genereras också av exogena källor som joniserande strålning som genererar irreversibla effekter på vävnadsutveckling i både djur och växter.

Källor till ROS -produktion

Fria radikala mekanismer vid vävnadsskada. Fri radikal toxicitet inducerad av xenobiotika och efterföljande avgiftning med cellulära enzymer (avslutning).

Endogena källor

ROS produceras av biokemiska reaktioner som uppstår under andningsprocesser och fotosyntes i organeller som mitokondrier , peroxisomer och kloroplaster . Under andningsprocessen omvandlar mitokondrier energin för cellen till en användbar form, adenosintrifosfat (ATP). Processen för ATP -produktion i mitokondrier, kallad oxidativ fosforylering , involverar transport av protoner (vätejoner) över det inre mitokondriella membranet med hjälp av elektrontransportkedjan . I elektrontransportkedjan, elektroner passera genom en serie av proteiner via oxidation-reduktionsreaktioner, med varje acceptor -protein längs kedjan som har en större reduktionspotential än den föregående. Den sista destinationen för en elektron längs denna kedja är en syremolekyl. Under normala förhållanden reduceras syret för att producera vatten; Men i cirka 0,1–2% av elektronerna som passerar genom kedjan (detta antal härrör från studier i isolerade mitokondrier, även om den exakta hastigheten i levande organismer ännu inte är helt överens), reduceras syret istället för tidigt och ofullständigt för att ge superoxidradikal ( • O-
2), mest väl dokumenterat för komplex I och komplex III .

En annan källa till ROS -produktion i djurceller är elektronöverföringsreaktionerna katalyserade av mitokondriella P450 -system i steroidogena vävnader. Dessa P450 -system är beroende av överföring av elektroner från NADPH till P450. Under denna process, vissa elektroner "läcka" och reagerar med O 2 producerande superoxid. För att klara denna naturliga ROS-källa har de steroidogena vävnaderna, äggstockarna och testiklarna en stor koncentration av antioxidanter som vitamin C (askorbat) och β-karoten och antioxidant-enzymer.

Om för mycket skada förekommer i mitokondrier genomgår en cell apoptos eller programmerad celldöd.

Dessutom produceras ROS i immuncellsignalering via NOX -vägen. Fagocytiska celler som neutrofiler , eosinofiler och mononukleära fagocyter producerar ROS vid stimulering.

I kloroplaster , de karboxylering och oxygeneringsreaktioner katalyserade av RUBISCO säkerställa att funktionen hos elektrontransportkedjan (ETC) förekommer i en miljö rik på O 2 . Läckage av elektroner i ETC kommer oundvikligen att producera ROS inom kloroplasterna. ETC i fotosystem I (PSI) trodde en gång vara den enda källan till ROS i kloroplaster. Enligt Huang et al. elektronflödet från de exciterade reaktionscentra riktas till NADP och dessa reduceras till NADPH, och sedan går de in i Calvin -cykeln och reducerar den slutliga elektronacceptorn, CO 2 . I fall där det finns ett ETC överbelastning, är en del av elektronflöde avleds från ferredoxin till O 2 , som bildar superoxid fri radikal (genom Mehler reaktion ). Dessutom elektron läckage till O 2 kan också uppstå från 2Fe-2S och 4Fe-4S kluster i PSI ETC. PSII tillhandahåller emellertid också elektronläckageplatser (QA, QB) för O 2 -producerande O 2 -. Superoxid (O 2 -) genereras från PSII, istället för PSI; QB visas som platsen för generering av O 2 •-.

Exogena källor

Bildandet av ROS kan stimuleras av en mängd olika ämnen som föroreningar, tungmetaller , tobak , rök, droger, xenobiotika eller strålning. I växter kan, förutom verkan av torra abiotiska faktorer , hög temperatur, interaktion med andra levande varelser påverka produktionen av ROS.

Joniserande strålning kan generera skadliga mellanprodukter genom interaktionen med vatten, en process som kallas radiolys . Eftersom vatten omfattar 55–60% av människokroppen är sannolikheten för radiolys ganska hög under närvaro av joniserande strålning. I processen förlorar vatten en elektron och blir mycket reaktiv. Sedan genom en trestegskedjereaktion, är vatten sekventiellt omvandlas till hydroxylradikal ( • OH), väteperoxid (H 2 O 2 ), superoxidradikaler ( • O-
2), och slutligen syre (O 2 ).

Den hydroxylradikal är extremt reaktiv och omedelbart avlägsnar elektroner från vilken molekyl som helst i sin väg, svarvning denna molekyl till en fri radikal och därmed utbredning av en kedjereaktion. Men väteperoxid är faktiskt mer skadligt för DNA än hydroxylradikalen, eftersom väteperoxids lägre reaktivitet ger tillräckligt med tid för molekylen att resa in i cellens kärna och därefter reagera med makromolekyler såsom DNA.

I växter sker produktionen av ROS under händelser av abiotisk stress som leder till en minskning eller avbrott i metabolisk aktivitet. Till exempel temperaturökning, torka är faktorer som begränsar tillgängligheten av CO 2 på grund av stomatal stängning, vilket ökar produktionen av ROS, såsom O 2 ·- och 1 O 2 i kloroplaster. Produktionen av 1 O 2 i kloroplaster kan orsaka omprogrammering av uttrycket av kärngener som leder till kloros och programmerad celldöd . I fall av biotisk stress sker genereringen av ROS snabbt och svagt initialt och blir sedan mer solid och varaktig. Den första fasen av ROS-ackumulering är associerad med växtinfektion och är förmodligen oberoende av syntesen av nya ROS-genererande enzymer . Den andra fasen av ROS-ackumulering är emellertid endast associerad med infektion av icke-virulenta patogener och är ett inducerat svar beroende på ökade mRNA- transkriptionskodande enzymer.

Antioxidant enzymer

Superoxiddismutas

Huvudartikel: Superoxiddismutas

Superoxiddismutaser (SOD) är en klass av enzymer som katalyserar dismutationen av superoxid till syre och väteperoxid. Som sådan är de ett viktigt antioxidantförsvar i nästan alla celler som utsätts för syre. Hos däggdjur och de flesta kordater finns tre former av superoxiddismutas. SOD1 ligger främst i cytoplasman, SOD2 i mitokondrier och SOD3 är extracellulär. Den första är en dimer (består av två enheter), medan de andra är tetramerer (fyra subenheter). SOD1 och SOD3 innehåller koppar och zinkjoner, medan SOD2 har en manganjon i sitt reaktiva centrum. Generna finns på kromosomerna 21, 6 respektive 4 (21q22.1, 6q25.3 och 4p15.3-p15.1).

Den SOD-katalyserade dismutationen av superoxid kan skrivas med följande halvreaktioner:

  • 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 .

där M =  Cu ( n  = 1); Mn ( n  = 2); Fe ( n  = 2); Ni ( n  = 2). I denna reaktion oscillerar oxidationstillståndet för metallkatjonen mellan n och n  + 1.

Katalas , som är koncentrerat i peroxisomer som ligger bredvid mitokondrier, reagerar med väteperoxiden för att katalysera bildandet av vatten och syre. Glutationperoxidas minskar väteperoxid genom att överföra energin från de reaktiva peroxiderna till en svavelinnehållande dipeptid som kallas glutation . Svavlet i dessa enzymer fungerar som det reaktiva centrumet och bär reaktiva elektroner från peroxiden till glutation. Peroxiredoxins också försämra H 2 O 2 , inom mitokondrierna, cytosolen och kärnan.

  • 2 H 2 O 2 → 2 H 2 O + O 2 (katalas)     
  • 2GSH + H 2 O 2 → GS – SG + 2H 2 O (glutationperoxidas)     

Singlet syre

En annan typ av reaktiva syrearter är singlet -syre ( 1 O 2 ) som produceras till exempel som biprodukt av fotosyntes i växter. I närvaro av ljus och syre kan fotosensibilisatorer som klorofyll omvandla triplet ( 3 O 2 ) till singlet -syre:

Singlet -syre är mycket reaktivt, särskilt med organiska föreningar som innehåller dubbelbindningar. Den resulterande skadan som orsakas av singlet -syre minskar den fotosyntetiska effektiviteten hos kloroplaster . I växter som utsätts för överskott av ljus kan den ökade produktionen av singlet -syre resultera i celldöd. Olika ämnen som karotenoider , tokoferoler och plastokinoner som finns i kloroplaster släcker singlet -syre och skyddar mot dess toxiska effekter. Förutom direkt toxicitet verkar singlet -syre en signalmolekyl . Oxiderade produkter av β-karoten som härrör från närvaron av singlet-syre fungerar som andra budbärare som antingen kan skydda mot singlet-inducerad toxicitet eller initiera programmerad celldöd. Nivåer av jasmonat spelar en nyckelroll i beslutet mellan cellacklimatisering eller celldöd som svar på förhöjda nivåer av denna reaktiva syreart.

Skadliga effekter

ROS: s effekter på cellmetabolismen är väl dokumenterade hos en mängd olika arter. Dessa inkluderar inte bara roller i apoptos (programmerad celldöd), men också positiva effekter såsom induktion av värdförsvarsgener och mobilisering av jontransportörer . Detta innebär att de har kontroll över cellfunktionen. I synnerhet trombocyter är involverade i sår reparation och blod homeostas till utsläpp ROS rekrytera ytterligare blodplättar till platser av skada . Dessa ger också en länk till det adaptiva immunsystemet via rekrytering av leukocyter .

Reaktiva syrearter är inblandade i cellulär aktivitet för en mängd olika inflammatoriska svar inklusive kardiovaskulär sjukdom . De kan också vara inblandade i hörselnedsättning via cochleaskador orsakade av förhöjda ljudnivåer , ototoxicitet av läkemedel som cisplatin och medfödd dövhet hos både djur och människor. ROS är också inblandade i förmedling av apoptos eller programmerad celldöd och ischemisk skada. Specifika exempel inkluderar stroke och hjärtinfarkt .

I allmänhet är skadliga effekter av reaktiva syrearter på cellen oftast:

  1. skador på DNA eller RNA
  2. oxidationer av fleromättade fettsyror i lipider ( lipidperoxidation )
  3. oxidationer av aminosyror i proteiner
  4. oxidativ deaktivering av specifika enzymer genom oxidation av kofaktorer

Patogenrespons

När en växt känner igen en angripande patogen är en av de första inducerade reaktionerna att snabbt producera superoxid ( O-
2) eller väteperoxid ( H
2O
2) för att stärka cellväggen. Detta förhindrar spridning av patogenen till andra delar av växten, vilket i huvudsak bildar ett nät runt patogenen för att begränsa rörelse och reproduktion.

I däggdjursvärden induceras ROS som ett antimikrobiellt försvar. För att belysa vikten av detta försvar är personer med kronisk granulomatös sjukdom som har brister i att generera ROS mycket mottagliga för infektion av ett brett spektrum av mikrober inklusive Salmonella enterica , Staphylococcus aureus , Serratia marcescens och Aspergillus spp.

Studier av homeostas i Drosophila melanogaster tarmar har visat produktion av ROS som en nyckelkomponent i immunsvaret i flugans tarm. ROS fungerar både som en baktericid, skadar bakterie -DNA, RNA och proteiner, liksom en signalmolekyl som inducerar reparationsmekanismer i epitelet . Den uracil frisätts av mikroorganism triggar produktionen och aktiviteten av duox, ROS-producerande enzym i tarmen. Duox -aktivitet induceras enligt nivån av uracil i tarmen; under basala förhållanden nedregleras det av proteinkinaset MkP3 . Den strama regleringen av Duox undviker överdriven produktion av ROS och underlättar differentiering mellan godartade och skador-inducerande mikroorganismer i tarmen.

Det sätt på vilket ROS försvarar värden från att invadera mikrober är inte helt förstått. Ett av de mer troliga försvarssätten är skador på mikrobiellt DNA. Studier med Salmonella visade att DNA -reparationsmekanismer krävdes för att motstå dödande av ROS. En roll för ROS i antivirala försvarsmekanismer har demonstrerats via Rig-liknande helicase-1 och mitokondriellt antiviralt signalprotein. Ökade nivåer av ROS förstärker signalering genom denna mitokondriassocierade antivirala receptor för att aktivera interferonreglerande faktor (IRF) -3, IRF-7 och kärnfaktor kappa B (NF-κB), vilket resulterar i ett antiviralt tillstånd. Andningsepitelceller inducerar mitokondriellt ROS som svar på influensainfektion. Denna induktion av ROS ledde till induktion av interferon av typ III och induktion av ett antiviralt tillstånd, vilket begränsade viral replikation. I värdförsvar mot mykobakterier spelar ROS en roll, även om direkt dödande sannolikt inte är nyckelmekanismen; snarare påverkar ROS sannolikt ROS-beroende signalkontroller, såsom cytokinproduktion, autofagi och granulombildning.

Reaktiva syrearter är också inblandade i aktivering, anergi och apoptos av T -celler .

Oxidativ skada

I aeroba organismer produceras den energi som behövs för att driva biologiska funktioner i mitokondrierna via elektrontransportkedjan . Reaktiva syrearter (ROS) med potential att orsaka cellskador produceras tillsammans med frigöring av energi. ROS kan skada lipider, DNA , RNA och proteiner, vilka, i teorin, bidrar till den fysiologi av åldrande .

ROS produceras som en normal produkt av cellulär metabolism . I synnerhet, en viktig bidragsgivare till oxidativ skada är väteperoxid (H 2 O 2 ), som omvandlas från superoxid att läckor från mitokondrierna. Katalas och superoxiddismutas förbättrar de skadliga effekterna av väteperoxid respektive superoxid genom att omvandla dessa föreningar till syre och väteperoxid (som senare omvandlas till vatten), vilket resulterar i produktion av godartade molekyler . Denna omvandling är dock inte 100% effektiv och kvarvarande peroxider kvarstår i cellen. Medan ROS produceras som en produkt av normal cellfunktion, kan stora mängder orsaka skadliga effekter.

Nedsatt kognitiv funktion

Minneskapaciteten minskar med åldern, vilket märks i mänskliga degenerativa sjukdomar som Alzheimers sjukdom , som åtföljs av en ackumulering av oxidativ skada. Nuvarande studier visar att ackumulering av ROS kan minska organismens kondition eftersom oxidativ skada är en bidragande faktor till åldrande. I synnerhet kan ackumulering av oxidativ skada leda till kognitiv dysfunktion, vilket demonstrerades i en studie där gamla råttor fick mitokondriella metaboliter och sedan fick kognitiva tester . Resultaten visade att råttorna presterade bättre efter att ha fått metaboliterna, vilket tyder på att metaboliterna minskade oxidativ skada och förbättrade mitokondriell funktion. Ackumulerande oxidativ skada kan då påverka mitokondriernas effektivitet och ytterligare öka ROS -produktionens hastighet. Ackumuleringen av oxidativ skada och dess konsekvenser för åldrandet beror på den specifika vävnadstyp där skadan uppstår. Ytterligare experimentella resultat tyder på att oxidativ skada är ansvarig för åldersrelaterad nedgång i hjärnans funktion. Äldre gerbils befanns ha högre halter av oxiderat protein jämfört med yngre gerbils. Behandling av gamla och unga möss med en spin -fångstförening orsakade en minskning av nivån av oxiderade proteiner i äldre gerbils men hade ingen effekt på yngre gerbils. Dessutom utförde äldre gerbils kognitiva uppgifter bättre under behandlingen men upphörde med funktionell kapacitet när behandlingen avbröts, vilket fick oxiderade proteinnivåer att öka. Detta fick forskare att dra slutsatsen att oxidation av cellulära proteiner är potentiellt viktigt för hjärnans funktion.

Orsak till åldrande

Enligt friradikalteorin om åldrande är oxidativ skada som initieras av reaktiva syrearter en viktig bidragande faktor till den funktionella nedgången som är karakteristisk för åldrande. Medan studier på ryggradslösa djurmodeller indikerar att djur som är genetiskt manipulerade för att sakna specifika antioxidant enzymer (som SOD) i allmänhet visar en förkortad livslängd (som man kan förvänta sig av teorin), har den omvända manipulationen, som ökar nivåerna av antioxidant enzymer, gav inkonsekventa effekter på livslängden (även om vissa studier på Drosophila visar att livslängden kan ökas genom överuttryck av MnSOD eller glutationbiosyntetiserande enzymer). I motsats till denna teori kan radering av mitokondriell SOD2 förlänga livslängden hos Caenorhabditis elegans .

Hos möss är historien något liknande. Att radera antioxidant enzymer ger i allmänhet kortare livslängd, även om överuttrycksstudier inte (med vissa undantag) konsekvent har förlängt livslängden. Studie av en råttmodell av för tidigt åldrande fann ökad oxidativ stress , minskad antioxidant enzymaktivitet och väsentligt större DNA -skada i hjärnans neocortex och hippocampus hos de för tidigt åldrade råttorna än hos normalt åldrande kontrollråttor. DNA-skadan 8-OHdG är en produkt av ROS-interaktion med DNA. Många studier har visat att 8-OHdG ökar med åldern (se DNA -skadeteori om åldrande ).

Manlig infertilitet

Exponering av spermier för oxidativ stress är en viktig orsakande orsak till manlig infertilitet . DNA -fragmentering av spermier , orsakad av oxidativ stress, verkar vara en viktig faktor i etiologin för manlig infertilitet. En hög nivå av oxidativ DNA-skada 8-OHdG är associerad med onormala spermier och manlig infertilitet.

Cancer

ROS genereras och elimineras ständigt i det biologiska systemet och krävs för att driva regleringsvägar. Under normala fysiologiska förhållanden kontrollerar cellerna ROS -nivåer genom att balansera genereringen av ROS med deras eliminering genom rensningssystem. Men under oxidativa stressförhållanden kan överdriven ROS skada cellulära proteiner, lipider och DNA, vilket leder till dödliga skador i cellen som bidrar till cancerframkallande.

Cancerceller uppvisar större ROS -stress än normala celler, delvis på grund av onkogen stimulering, ökad metabolisk aktivitet och mitokondriellt fel. ROS är ett tveeggat svärd. Å ena sidan, på låga nivåer, underlättar ROS cancercellens överlevnad eftersom cellcykelprogression som drivs av tillväxtfaktorer och receptortyrosinkinaser (RTK) kräver ROS för aktivering och kronisk inflammation, en stor förmedlare av cancer, regleras av ROS. Å andra sidan kan en hög nivå av ROS undertrycka tumörtillväxt genom ihållande aktivering av cellcykelhämmare och induktion av celldöd samt åldrande genom skadliga makromolekyler. Faktum är att de flesta av de kemoterapeutiska och strålterapeutiska medlen dödar cancerceller genom att öka ROS -stressen. Cancercellernas förmåga att skilja mellan ROS som en överlevnad eller apoptotisk signal styrs av doseringen, varaktigheten, typen och platsen för ROS -produktionen. Måttliga nivåer av ROS krävs för att cancerceller ska överleva, medan överdrivna nivåer dödar dem.

Metabolisk anpassning i tumörer balanserar cellernas behov av energi med ett lika viktigt behov av makromolekylära byggstenar och stramare kontroll av redoxbalansen. Som ett resultat förbättras produktionen av NADPH kraftigt, vilket fungerar som en kofaktor för att ge reducerande effekt i många enzymatiska reaktioner för makromolekylär biosyntes och samtidigt rädda cellerna från överdriven ROS som produceras under snabb proliferation. Celler uppväger de skadliga effekterna av ROS genom att producera antioxidantmolekyler, såsom reducerad glutation (GSH) och tioredoxin (TRX), som förlitar sig på NADPH: s reducerande effekt för att upprätthålla sin verksamhet.

De flesta riskfaktorer i samband med cancer interagerar med celler genom generering av ROS. ROS aktiverar sedan olika transkriptionsfaktorer såsom kärnfaktor kappa-light-chain-enhancer av aktiverade B-celler (NF-κB), activator protein-1 (AP-1), hypoxia-inducerbar faktor-1α och signaltransducer och aktivator för transkription 3 (STAT3), vilket leder till expression av proteiner som kontrollerar inflammation; cellulär transformation; tumörcellsöverlevnad; tumörcellsproliferation; och invasion, agiogenes samt metastasering. Och ROS styr också uttrycket av olika tumörsuppressorgener som p53, retinoblastomgen (Rb) och fosfatas och tensinhomolog (PTEN).

Carcinogenes

ROS-relaterad oxidation av DNA är en av huvudorsakerna till mutationer, som kan ge flera typer av DNA-skador, inklusive icke-skrymmande (8-oxoguanin och formamidopyrimidin) och skrymmande (cyklopurin- och etenaddukter) basmodifieringar, abasiska platser, icke -konventionella enkelsträngspauser, protein-DNA-addukter och DNA/tvärbindningar inom/mellan strängar. Det har uppskattats att endogent ROS som produceras via normal cellmetabolism modifierar cirka 20 000 baser av DNA per dag i en enda cell. 8-oxoguanin är det vanligaste bland olika oxiderade nitrogena baser som observerats. Under DNA-replikering, DNA-polymeras felkopplar 8-oxoguanin med adenin, vilket leder till en G → T-transversionsmutation. Den resulterande genomiska instabiliteten bidrar direkt till cancerframkallande. Celltransformation leder till cancer och interaktion mellan atypisk PKC-ζ isoform med p47phox kontrollerar ROS-produktion och transformation från apoptotiska cancerstamceller genom blebbishield-nödprogram .

Cellproliferation

Okontrollerad spridning är ett kännetecken för cancerceller. Både exogent och endogent ROS har visat sig öka proliferationen av cancerceller. ROS: s roll för att främja tumörproliferation stöds vidare av observationen att medel med potential att hämma ROS -generering också kan hämma proliferation av cancerceller. Även om ROS kan främja tumörcellsproliferation har en stor ökning av ROS associerats med minskad proliferation av cancerceller genom induktion av G2/M -cellcykelstopp; ökad fosforylering av ataxia telangiectasia muterad (ATM), checkpoint kinas 1 (Chk 1), Chk 2; och reducerad celldelningscykel 25 homolog c (CDC25).

Celldöd

En cancercell kan dö på tre sätt: apoptos , nekros och autofagi . Överdriven ROS kan inducera apoptos genom både de yttre och inneboende vägarna. I den yttre vägen för apoptos genereras ROS av Fas-ligand som en uppströms händelse för Fas-aktivering via fosforylering, vilket är nödvändigt för efterföljande rekrytering av Fas-associerat protein med dödsdomän och caspas 8 samt apoptosinduktion. I den inneboende vägen fungerar ROS för att underlätta frisättning av cytokrom c genom att aktivera porstabiliserande proteiner (Bcl-2 och Bcl-xL) samt hämma por-destabiliserande proteiner (Bcl-2-associerat X-protein, Bcl-2-homolog antagonist/ mördare). Den inneboende vägen är också känd som caspas -kaskaden och induceras genom mitokondriell skada som utlöser frisättning av cytokrom c. DNA-skada, oxidativ stress och förlust av mitokondriell membranpotential leder till frisättning av de pro-apoptotiska proteiner som nämns ovan stimulerar apoptos. Mitokondriell skada är nära kopplad till apoptos och eftersom mitokondrier lätt kan riktas finns det potential för cancerterapi.

Den cytotoxiska karaktären hos ROS är en drivkraft bakom apoptos, men i ännu högre mängder kan ROS resultera i både apoptos och nekros, en form av okontrollerad celldöd, i cancerceller.

Många studier har visat vägar och samband mellan ROS -nivåer och apoptos, men en nyare studie har kopplat ROS -nivåer och autofagi. ROS kan också framkalla celldöd genom autofagi, vilket är en självkatabolisk process som involverar bindning av cytoplasmatiskt innehåll (uttömda eller skadade organeller och proteinaggregat) för nedbrytning i lysosomer. Därför kan autofagi också reglera cellens hälsa i tider med oxidativ stress. Autofagi kan induceras av ROS -nivåer genom många vägar i cellen i ett försök att göra sig av med skadliga organeller och förhindra skador, såsom cancerframkallande ämnen, utan att inducera apoptos. Autofagisk celldöd kan föranledas av överuttryck av autofagi där cellen smälter för mycket av sig själv i ett försök att minimera skadan och inte längre kan överleva. När denna typ av celldöd inträffar observeras vanligtvis en ökning eller förlust av kontrollen över autofagreglerande gener. Således, när en mer ingående förståelse av autofagisk celldöd har uppnåtts och dess relation till ROS, kan denna form av programmerad celldöd fungera som en framtida cancerterapi. Autofagi och apoptos är distinkta mekanismer för celldöd som orsakas av höga nivåer av ROS. Aautofagi och apoptos verkar dock sällan genom strikt oberoende vägar. Det finns ett tydligt samband mellan ROS och autofagi och en korrelation som ses mellan stora mängder ROS som leder till apoptos. Depolarisering av mitokondriemembranet är också kännetecknande för initiering av autofagi. När mitokondrier skadas och börjar släppa ut ROS, initieras autofagi för att göra sig av med den skadliga organellen. Om ett läkemedel riktar sig mot mitokondrier och skapar ROS kan autofagi göra sig av med så många mitokondrier och andra skadade organeller att cellen inte längre är livskraftig. Den omfattande mängden ROS och mitokondriell skada kan också signalera för apoptos. Balansen mellan autofagi i cellen och överhörningen mellan autofagi och apoptos förmedlad av ROS är avgörande för cellens överlevnad. Denna överhörning och sambandet mellan autofagi och apoptos kan vara en mekanism som riktas mot cancerterapier eller användas i kombinationsterapier för mycket resistenta cancerformer.

Tumörcellinvasion, angiogenes och metastasering

Efter tillväxtfaktorstimulering av RTK kan ROS utlösa aktivering av signalvägar som är involverade i cellmigration och invasion, såsom medlemmar i familjen mitogenaktiverat proteinkinas (MAPK)-extracellulärt reglerat kinas (ERK), c-jun NH-2 terminal kinas ( JNK) och p38 MAPK. ROS kan också främja migration genom att öka fosforylering av fokal adhesionskinas (FAK) p130Cas och paxilin.

Både in vitro och in vivo har ROS visat sig inducera transkriptionsfaktorer och modulera signalmolekyler som är involverade i angiogenes (MMP, VEGF) och metastaser (uppreglering av AP-1, CXCR4, AKT och nedreglering av PTEN).

Kronisk inflammation och cancer

Experimentell och epidemiologisk forskning under de senaste åren har indikerat nära samband mellan ROS, kronisk inflammation och cancer. ROS inducerar kronisk inflammation genom induktion av COX-2, inflammatoriska cytokiner (TNFα, interleukin 1 (IL-1), IL-6), kemokiner (IL-8, CXCR4) och proinflammatoriska transkriptionsfaktorer (NF-KB). Dessa kemokiner och kemokinreceptorer främjar i sin tur invasion och metastaser av olika tumörtyper.

Cancerterapi

Schemat för tillverkningsprocess och terapeutisk mekanism för termoresponsiva (MSNs@CaO2-ICG) @LA NP: er för synergistisk CDT/PDT med självförsörjning av H2O2/O2 och GSH-utarmning.

Både ROS-förhöjande och ROS-eliminerande strategier har utvecklats där den förstnämnda huvudsakligen används. Cancerceller med förhöjda ROS -nivåer är starkt beroende av antioxidantförsvaret. ROS-förhöjande läkemedel ökar ytterligare cellulär ROS-stressnivå, antingen genom direkt ROS-generation (t.ex. motexafin gadolinium, elesclomol) eller av medel som upphäver det inneboende antioxidantsystemet såsom SOD-hämmare (t.ex. ATN-224, 2-metoxiestradiol) och GSH-hämmare (t.ex. PEITC, buthioninsulfoximin (BSO)). Resultatet är en övergripande ökning av endogent ROS, som överstiger ett tröskelvärde för cellulär tolerans kan orsaka celldöd. Å andra sidan verkar normala celler ha, under lägre basal stress och reserv, en högre kapacitet att klara ytterligare ROS-genererande förolämpningar än cancerceller gör. Därför kan förhöjningen av ROS i alla celler användas för att uppnå selektiv dödning av cancerceller.

Strålbehandling är också beroende av ROS -toxicitet för att utrota tumörceller. Strålterapi använder röntgenstrålar, y-strålar samt tung partikelstrålning som protoner och neutroner för att framkalla ROS-medierad celldöd och mitotiskt misslyckande.

På grund av ROS dubbla roll har både prooxidant- och antioxidantbaserade anticancermedel utvecklats. Modulering av ROS-signalering verkar emellertid inte vara en idealisk metod på grund av anpassning av cancerceller till ROS-stress, redundanta vägar för att stödja cancertillväxt och toxicitet från ROS-genererande cancerläkemedel. Kombinationer av ROS-genererande läkemedel med läkemedel som kan bryta redoxanpassningen kan vara en bättre strategi för att öka cancercellens cytotoxicitet.

James Watson och andra har föreslagit att avsaknad av intracellulär ROS på grund av brist på fysisk träning kan bidra till den maligna utvecklingen av cancer, eftersom spikar av ROS behövs för att korrekt fälla proteiner i det endoplasmatiska retikulumet och låga ROS -nivåer därmed aspecifiskt kan hämma bildning av tumörsuppressorproteiner. Eftersom fysisk träning orsakar tillfälliga ökningar av ROS kan detta förklara varför fysisk träning är fördelaktig för cancerpatientens prognos. Dessutom inducerar höga ROS-inducerare, såsom 2-deoxi-D-glukos och kolhydratbaserade inducerare av cellulär stress, cancerceldöd mer kraftfullt eftersom de utnyttjar cancercellens höga aviditet för sockerarter.


ROS: s positiva roll i minnet

Initiering av DNA -demetylering vid ett CpG -ställe . I somatiska celler hos vuxna sker vanligtvis DNA -metylering i samband med CpG -dinukleotider ( CpG -ställen ) och bildar 5 -metylcytosin -pG eller 5mCpG. Reaktiva syrearter (ROS) kan attackera guanin vid dinukleotidstället och bilda 8-hydroxi-2'-deoxyguanosin (8-OHdG), vilket resulterar i en 5mCp-8-OHdG dinukleotidplats. Den base excision repair enzym OGG1 riktar 8-OHdG och binder till lesionen utan omedelbar excision. OGG1, närvarande vid en 5mCp-8-OHdG-plats rekryterar TET1 och TET1 oxiderar 5mC intill 8-OHdG. Detta initierar demetylering av 5 mC.
Demetylering av 5-metylcytosin (5 mC) i neuron-DNA. Som granskat 2018 oxideras 5mC i hjärnneuroner av tio-elva translokationsfamiljen (TET) av dioxygenaser ( TET1 , TET2 , TET3 ) för att generera 5-hydroximetylcytosin (5hmC). I på varandra följande steg hydroxylerar 5hmC ytterligare TET-enzymer för att generera 5-formylcytosin (5fC) och 5-karboxylcytosin (5caC). Tymin-DNA-glykosylas (TDG) känner igen de mellanliggande baserna 5fC och 5caC och skär ut den glykosidiska bindningen som resulterar i ett apyrimidiniskt ställe ( AP- ställe ). I en alternativ oxidativ deamineringsväg kan 5hmC oxidativt deamineras av aktivitetsinducerad cytidindeaminas/apolipoprotein B mRNA-redigeringskomplex (AID/APOBEC) deaminaser för att bilda 5-hydroximetyluracil (5hmU) eller 5mC kan omvandlas till tymin (Thy). 5hmU kan klyvas av TDG, enkelsträngselektivt monofunktionellt uracil-DNA-glykosylas 1 ( SMUG1 ), Nei-liknande DNA-glykosylas 1 ( NEIL1 ) eller metyl-CpG-bindande protein 4 ( MBD4 ). AP -ställen och T: G -missmatchningar repareras sedan med basexcisionsreparationsenzymer (BER) för att ge cytosin (Cyt).

Två recensioner sammanfattar den stora mängd bevis, som till stor del rapporterades mellan 1996 och 2011, för ROS: s kritiska och väsentliga roll i minnesbildningen . Ytterligare en mängd bevis tyder på att både bildande och lagring av minne beror på epigenetiska modifieringar i neuroner, inklusive förändringar i neuronal DNA -metylering . De två informationsorganen om minnesbildning verkar vara anslutna 2016 av Zhou et al., Som visade att ROS har en central roll i epigenetisk DNA -demetylering .

I kärn -DNA från däggdjur kan en metylgrupp tillsättas, med ett DNA -metyltransferas , till det femte kolet av cytosin för att bilda 5mC (se röd metylgrupp tillsatt för att bilda 5mC nära toppen av den första figuren). DNA-metyltransferaserna bildar oftast 5mC inom dinukleotidsekvensen "cytosin-fosfat-guanin" för att bilda 5mCpG. Detta tillägg är en viktig typ av epigenetisk förändring och det kan tysta genuttryck . Metylerad cytosin kan också demetyleras , en epigenetisk förändring som kan öka uttrycket av en gen. Ett viktigt enzym som är involverat i demetylering av 5mCpG är TET1 . TET1 kan emellertid endast verka på 5mCpG om ett ROS först har påverkat guaninen för att bilda 8-hydroxi-2'-deoxyguanosin (8-OHdG), vilket resulterar i en 5mCp-8-OHdG-dinukleotid (se första figuren). Dock är TET1 endast agera på 5mC delen av dinukleotiden när base excision repair enzym OGG1 binder till 8-OHdG skada utan omedelbar excision. Vidhäftning av OGG1 till 5mCp-8-OHdG-platsen rekryterar TET1 och TET1 oxiderar sedan 5mC intill 8-OHdG, som visas i den första figuren, och initierar en demetyleringsväg som visas i den andra figuren.

År 2016 Halder et al. med möss, och 2017 Duke et al. genom att använda råttor utsattes gnagarna för kontextuell rädsla , vilket orsakade ett särskilt starkt långtidsminne . 24 timmar efter konditioneringen, i hippocampus hos råttor, var uttrycket av 1 048 gener nedreglerat (vanligtvis associerat med hypermetylerade genpromotorer ) och uttrycket av 564 gener uppreglerades (ofta associerat med hypometylerade genpromotorer). 24 timmar efter träning metylerades 9,2% av generna i råttgenomet hos hippocampusneuroner . Även om hippocampus är avgörande för att lära sig ny information lagrar den inte information själv. I musförsöken av Halder sågs 1 206 differentiellt metylerade gener i hippocampus en timme efter kontextuell rädselkonditionering men dessa vändes och sågs inte efter fyra veckor. I motsats till frånvaron av långsiktiga metyleringsförändringar i hippocampus kan väsentlig differentiell metylering detekteras i kortikala neuroner under minnesunderhåll. Det fanns 1 223 differentiellt metylerade gener i den främre cingulära cortexen hos möss fyra veckor efter kontextuell rädselkonditionering.

De tusentals CpG -platser som demetyleras under minnesbildning beror på ROS i ett första steg. Det förändrade proteinuttrycket i neuroner, som delvis styrs av ROS-beroende demetylering av CpG-ställen i genpromotorer inom neuron-DNA, är centrala för minnesbildning.

Se även

Referenser

Vidare läsning

externa länkar