哺乳動物GSTP1 基因研究進(jìn)展

王 晶，曹 陽，魏銘宏，吳思惠，呂香州，趙玉民,3*

（1.延邊大學(xué)農(nóng)學(xué)院，吉林延邊 133002；2.吉林省農(nóng)業(yè)科學(xué)院，吉林長春 130033；3.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部肉牛遺傳育種重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林長春 130033；4.吉林省肉牛繁育及養(yǎng)殖技術(shù)科技創(chuàng)新中心，吉林長春 130033）

谷胱甘肽硫轉(zhuǎn)移酶P1（Glutathione S-Transferase Pi 1，GSTP1）也稱為GST3、FAEES3 和DFN7，是谷胱甘肽硫轉(zhuǎn)移酶家族（GSTs）的重要成員，廣泛表達(dá)于人體組織，也分布于植物、昆蟲和細(xì)菌等多種物種體內(nèi)。GSTP1 是蛋白質(zhì)的硫代谷胱甘肽化循環(huán)中的關(guān)鍵調(diào)控酶,是參與異生物質(zhì)代謝的重要基因[1]。同時，GSTP1在人類腫瘤、癌癥等臨床方面是一個預(yù)測不良的標(biāo)記基因,也是影響動物肉品質(zhì)性狀的候選基因。GSTP1在細(xì)胞解毒和抗氧化應(yīng)激、調(diào)節(jié)谷胱甘肽與不同疏水和親電化合物的結(jié)合以及以還原型谷胱甘肽為媒介還原有機(jī)過氧化物的反應(yīng)中發(fā)揮關(guān)鍵作用[2]。本文綜述了GSTP1基因的定位、結(jié)構(gòu)、表達(dá)、分子機(jī)制及GSTP1 參與的代謝反應(yīng)，為深入研究GSTP1基因提供參考。

1 GSTP1 基因的概述

谷胱甘肽硫轉(zhuǎn)移酶P（Glutathione S-Transferase Pi，GSTP）屬于谷胱甘肽代謝酶超家族中的硫轉(zhuǎn)移酶家族[3]。GSTP 以同型或異型二聚體的形式存在[4]，并被細(xì)分為A、M、P、S、T、Z 和O 7 個類別[5]。GSTP由細(xì)胞質(zhì)蛋白（CGSTS）、線粒體蛋白（kGSTs）和微粒體蛋白（花生酸和谷胱甘肽代謝中的膜相關(guān)蛋白MAPEG）3 個超家族蛋白組成[6]。谷胱甘肽硫轉(zhuǎn)移酶的P 類由谷胱甘肽硫轉(zhuǎn)移酶1（GSTP1）、谷胱甘肽硫轉(zhuǎn)移酶2（GSTP2）和谷胱甘肽硫轉(zhuǎn)移酶3（GSTP3）組成，其中GSTP1 主要位于細(xì)胞質(zhì)中，在細(xì)胞核、線粒體和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中也有發(fā)現(xiàn)[7]。

GSTP1 屬于谷胱甘肽轉(zhuǎn)移酶家族中的P 類，約占GST 家族酶活性的90%[8]。在人體組織中，GSTP1位于11 號染色體的長臂13 區(qū)的2 號亞區(qū)上（圖1），基因全長2.8 kb，編碼210 個氨基酸，共有7 個外顯子[9]，主要在食道、腎臟、十二指腸、甲狀腺等組織廣泛表達(dá)。

圖1 GSTP1 基因在基因組中的位置（來自Geen Cards)

2 GSTP1 基因的結(jié)構(gòu)及作用機(jī)制

GSTP1 二聚酶的每個亞單位都有一個活性位點(diǎn)，該位點(diǎn)由親水性谷胱甘肽結(jié)合位點(diǎn)（G 位點(diǎn)）和相鄰的疏水性氫位點(diǎn)（H 位點(diǎn)）2 個不同功能區(qū)組成（圖2）[5]。

圖2 谷胱甘肽硫轉(zhuǎn)移酶的2 個結(jié)合位點(diǎn)

G 點(diǎn)代表谷胱甘肽結(jié)合位點(diǎn)，H 點(diǎn)代表底物結(jié)合位點(diǎn)。不同谷胱甘肽硫轉(zhuǎn)移酶氨基酸殘基中不同的G-和H-位點(diǎn)發(fā)揮不同的功能[10]。GSTP1能夠通過催化作用特異性結(jié)合谷胱甘肽或谷胱甘肽類似物[11]。GSTP1在谷胱甘肽巰基的谷胱甘肽硫代氨基酸殘基和常規(guī)親電物質(zhì)之間的氫位置起促進(jìn)催化的作用。因此，GSTP1基因的特異性常用來指導(dǎo)特異性谷胱甘肽轉(zhuǎn)移酶抑制劑的開發(fā)[12]。

GSTs 具有過氧化物酶、異構(gòu)酶和硫醇轉(zhuǎn)移酶的酶活性，并具有非催化功能，如非底物配體結(jié)合和信號過程的調(diào)節(jié)。其中，P 類酶中的GSTP1 是研究最多的蛋白激酶阻遏物。蛋白激酶參與應(yīng)激反應(yīng)、細(xì)胞增殖和凋亡。Falomir 等[2]證明GSTP1 是不同組織中細(xì)胞蛋白質(zhì)谷胱甘肽化/去谷胱甘肽化循環(huán)的主要參與者，并激發(fā)了對其選擇性和功能性靶標(biāo)的“搜尋”。當(dāng)敲除GSTP1基因并將細(xì)胞暴露于活性氧時，全部可識別的單個蛋白質(zhì)的硫代谷胱甘肽化減少[13]。對于GSTP1表達(dá)減少或缺失的細(xì)胞，細(xì)胞硫代谷胱甘肽化的總水平顯著降低，這表明GSTP1基因可能是前向反應(yīng)的致病因素[14]。

蛋白質(zhì)硫代谷胱甘肽化可以自發(fā)進(jìn)行，也可以酶促進(jìn)行[7]。非酶反應(yīng)進(jìn)行方式[7]（圖3）：①蛋白質(zhì)硫醇（PSH）和谷胱甘肽二硫化物（GSSG）之間的硫醇-二硫化物交換產(chǎn)生谷胱甘肽。② PSH 被活性氧氧化成亞磺酸（PSOH），亞磺酸隨后與谷胱甘肽快速反應(yīng)形成硫醇-二硫化物（PSSG），從而防止靶蛋白過度氧化成亞磺酸（SO2H）并最終生成磺酸（SO3H），磺酸通常不可逆地使蛋白失活；因此，SOH 基團(tuán)的硫代谷胱甘肽化可以防止靶蛋白過度氧化。因此通過這種機(jī)制，在體內(nèi)自發(fā)的硫代谷胱甘肽化會發(fā)生得相當(dāng)慢。③PSH 被氧化成與谷胱甘肽快速反應(yīng)的噻吩基，形成噻吩基谷胱甘肽中間體,然后與O2反應(yīng)形成PSSG；同樣，GS.可以與PSH 反應(yīng)形成PSSG。噻吩基介導(dǎo)的蛋白質(zhì)S-谷胱甘肽化被認(rèn)為發(fā)生在體內(nèi)，可能涉及谷氧還蛋白1和2（Grx1 和Grx2）。④ 一氧化氮誘導(dǎo)硫谷胱甘肽化。一氧化氮本身是一種弱硫醇氧化劑，然而，通過二次反應(yīng)生成活性氮物質(zhì)（RNS），可以促進(jìn)硫代亞硝?；≒SNO）或硫代谷胱甘肽化（PSSG）。PSH 可能通過亞硝基谷胱甘肽（GSNO)被修飾成為PSNO 和（或）PSSG。蛋白質(zhì)的谷胱甘肽化反應(yīng)可以自發(fā)發(fā)生，但是GSTP 的催化活性大大提高了此反應(yīng)的速率和程度。

圖3 蛋白質(zhì)S-谷胱甘肽化和去谷胱甘肽化循環(huán)

雖然在某些情況下，蛋白質(zhì)硫代谷胱甘肽化可以自發(fā)發(fā)生，但其速率和數(shù)量可以通過谷胱甘肽硫轉(zhuǎn)移酶的催化活性大大提高，其中主要是由GSTP1 發(fā)揮作用[15]。除了谷胱甘肽化，GSTP1 還在MAPK 通路中發(fā)揮調(diào)節(jié)作用,突出顯示一階GSTP1 的鏈接作用（圖4）[16]。

圖4 GSTP1 在MAPK 通路中網(wǎng)路圖（箭頭對應(yīng)于直接的物理交互）

谷胱甘肽化伴隨的構(gòu)像變化導(dǎo)致應(yīng)激活化蛋白激酶（JNK）的釋放和激活，通過線粒體途徑觸發(fā)細(xì)胞凋亡過程。因此，GSTP1 的線粒體定位可能與氧化應(yīng)激和呼吸調(diào)節(jié)之間的聯(lián)系有關(guān)[17]。由JNK 直接調(diào)節(jié)的轉(zhuǎn)錄因子C-Jun 也可以通過在巰基谷胱甘肽和一氧化氮存在下修飾其包含在脫氧核糖核酸結(jié)合結(jié)構(gòu)域中的半胱氨酸殘基來調(diào)節(jié)，形成硫代亞硝基谷胱甘肽。GSTP1 可能導(dǎo)致細(xì)胞核中C-Jun 的改變，并可能通過調(diào)節(jié)細(xì)胞應(yīng)激反應(yīng)及后續(xù)步驟影響線粒體功能。網(wǎng)路的幾個組成部分對IKK 復(fù)合體的調(diào)節(jié)也將通過神經(jīng)營養(yǎng)因子κb 對腫瘤壞死因子α1 的表達(dá)提供反饋調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)同一途徑的幾個步驟，包括受體和轉(zhuǎn)錄因子，GSTP1基因可以在不同的網(wǎng)路中發(fā)揮作用，并有效調(diào)節(jié)細(xì)胞的生理狀況[16]。

3 GSTP1 基因的生理功能

GSTP1的主要作用之一是保護(hù)細(xì)胞免受外來物質(zhì)和氧化應(yīng)激產(chǎn)物的侵害，使親電和疏水底物以及活性氧物質(zhì)與谷胱甘肽（GSH）結(jié)合[18]。由于GSH 是哺乳動物細(xì)胞中最普遍的非蛋白硫醇，GSTs 能夠?qū)V譜分子轉(zhuǎn)化為毒性更小、水溶性更強(qiáng)的化合物，從而更容易消除[19]。除了催化解毒之外，GSTP1還具有伴侶功能、一氧化氮途徑的調(diào)節(jié)、多種激酶信號途徑的調(diào)節(jié)以及參與蛋白質(zhì)S-谷胱甘肽化的正向反應(yīng)等特性[9]。

3.1GSTP1的催化功能 GSTP1 屬于一個多基因的硫轉(zhuǎn)移酶家族，通過與親核巰基還原型谷胱甘肽結(jié)合來解毒親電物質(zhì)[17]。GSTP1 通過調(diào)節(jié)谷氨酸對硫磷的水平來保護(hù)細(xì)胞免受活性氧的侵害，其作用是作為c-Jun 氮末端激酶（C-JNK）催化活性的內(nèi)源性調(diào)節(jié)劑，并調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)的硫代谷胱甘肽化[19]。硫谷胱甘肽化是蛋白質(zhì)半胱氨酸殘基的特異性翻譯后修飾，借此谷氨酸對硫磷可逆地與巰基結(jié)合（PSH），產(chǎn)生硫谷胱甘肽化蛋白質(zhì)（PSSG）[20]。

3.2 GSTP1 在神經(jīng)元中的保護(hù)作用 GSTP1 是一種保護(hù)神經(jīng)的抗氧化酶，在轉(zhuǎn)錄水平上由抗氧化主要調(diào)節(jié)劑Nrf2 的相關(guān)因子調(diào)節(jié)。在生理?xiàng)l件下，細(xì)胞質(zhì)蛋白Keap1 將Nrf2 隔離在細(xì)胞質(zhì)中，并驅(qū)動它進(jìn)行蛋白酶體降解。氧化和親電反應(yīng)通過修飾Keap1 的反應(yīng)性半胱氨酸殘基來破壞Nrf2 與Keap1 的相互作用，從而使Nrf2 逃離蛋白酶體，增加GSTP1 的表達(dá)[20]。在1-甲基-4-苯基-1，2，3，6-四氫吡啶（MPTP）誘導(dǎo)氧化應(yīng)激時，GSTP1 在體內(nèi)加強(qiáng)了Keap1 的硫谷胱甘肽化。Keap1的硫代谷胱甘肽化導(dǎo)致Nrf2 活化，隨后增加GSTP1 的表達(dá)。這種正反饋機(jī)制表明GSTP1 在大腦中發(fā)揮抗氧化保護(hù)作用[21]。

3.3 GSTP1 與藥物的相關(guān)性 GSTP1 催化半胱氨酸殘基的硫谷胱甘肽化，改變某些靶蛋白的結(jié)構(gòu)或功能特征[22]。GSTP1 是一種雌激素受體駐留蛋白，它同時具有協(xié)同作用和催化功能。Satoh[23]通過氧化還原的蛋白質(zhì)組分析，鑒定了一組協(xié)同參與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激調(diào)節(jié)的蛋白質(zhì)（免疫球蛋白重鏈結(jié)合蛋白（BiP）、蛋白質(zhì)二硫鍵異構(gòu)酶（PDI）、鈣連接蛋白、鈣網(wǎng)蛋白、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、肌/內(nèi)質(zhì)網(wǎng)鈣腺苷三磷酸腺苷酶[.SERCA]），它們分別與GSTP1共免疫沉淀（意味著蛋白質(zhì)復(fù)合物形成），并產(chǎn)生活性氧物質(zhì)誘導(dǎo)硫谷胱甘肽化。GSTP1 在細(xì)胞器內(nèi)催化雌激素受體蛋白的對硫磷化，可以為基于氧化還原的信號和調(diào)節(jié)未折疊蛋白反應(yīng)的途徑之間的聯(lián)系提供紐帶，為確定某些藥物殺死癌細(xì)胞的作用機(jī)制提供重要依據(jù)。

GSTP1 是參與異生物質(zhì)代謝第二階段的解毒酶，通過催化谷胱甘肽與多種親電底物的結(jié)合，參與維持細(xì)胞完整性、氧化應(yīng)激和防止脫氧核糖核酸損傷[24]。GSTP1 通過順鉑-谷胱甘肽加合物的形成直接參與順鉑的解毒，這表明GSTP1 可能在獲得對這種鉑化合物的抗性中起作用。GSTP1 的表達(dá)可由轉(zhuǎn)錄因子調(diào)節(jié)，包括活化蛋白-1（AP-1）和核因子NF-E2 相關(guān)因子2（Nrf2），以響應(yīng)苯丁酸氮芥、環(huán)磷酰胺、順鉑、DOX和米托蒽醌等多種抗癌藥物[18]。因此，GSTP1 介導(dǎo)的化療耐藥性可能不限于與順鉑和相關(guān)抗癌藥物有聯(lián)系，值得進(jìn)一步研究。

3.4GSTP1基因啟動子甲基化GSTP1催化谷胱甘肽清除異生物質(zhì)，GSTP1基因啟動子的甲基化與誘導(dǎo)肝損傷的氧化應(yīng)激有關(guān)。Fan 等[25]研究發(fā)現(xiàn)，慢性乙型肝炎患者存在GSTP1啟動子的高甲基化，慢性乙型肝炎患者GSTP1啟動子甲基化與脫氧核糖核酸1、脫氧核糖核酸3a、腫瘤壞死因子α、丙二醛、血紅蛋白eAg、谷丙轉(zhuǎn)氨酶、谷草轉(zhuǎn)氨酶和丙氨酸氨基轉(zhuǎn)移酶（TBIL）呈正相關(guān)。因此，乙型肝炎病毒（HBV）感染可能通過激活脫氧核糖核酸1 和脫氧核糖核酸3a 等因子誘導(dǎo)GSTP1啟動子甲基化，證明GSTP1高甲基化與陽性慢性乙型肝炎患者的脫氧核糖核酸1、脫氧核糖核酸3a 等因子的過表達(dá)和氧化應(yīng)激有關(guān)。因此，甲基化的GSTP1基因可能會作為陽性慢性乙型肝炎血清轉(zhuǎn)化的生物標(biāo)志基因[26]。

GSTP1基因的轉(zhuǎn)錄沉默是通過與超甲基化啟動子結(jié)合的甲基-CpG 結(jié)合結(jié)構(gòu)域2 蛋白的作用介導(dǎo)的。GSTP1基因啟動子區(qū)的CpG 高甲基化導(dǎo)致解毒酶的下調(diào)，并與野生型表型相關(guān)。GSTP1基因甲基化失活導(dǎo)致GSTP1 酶形成減少，從而降低其對腫瘤細(xì)胞的緩沖能力[27]。CpG 啟動子高甲基化導(dǎo)致的GSTP1基因表觀遺傳學(xué)沉默與蛋白質(zhì)表達(dá)、淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移、腫瘤分期和腫瘤分級的顯著損失相關(guān)，它還與黃體酮和雌激素受體狀態(tài)呈正相關(guān)[28]。

3.5GSTP1基因?qū)εＨ馊馍挠绊?肉色的生化基礎(chǔ)由肌紅蛋白、血紅蛋白、細(xì)胞色素和其他色素的濃度和氧化還原狀態(tài)決定[21]。肌紅蛋白是與脫氧肌紅蛋白（DOMb，紫色）及其衍生物氧化肌紅蛋白（OMb，櫻桃紅）和甲肌紅蛋白相關(guān)的主要蛋白質(zhì)色素。谷胱甘肽是一種重要的還原劑三肽，與自由基相互作用，在過氧化物酶降解H2O2的過程中起輔助作用，對牛血紅蛋白減少有作用，因此谷胱甘肽影響細(xì)胞內(nèi)的氧化過程[2]。GSTP1 參與谷胱甘肽循環(huán)，在細(xì)胞解毒和抗氧化應(yīng)激方面發(fā)揮一定作用，有利于動物死后肉色色素的穩(wěn)定性[29]。由于每個特定密碼子序列的折疊不盡相同，基因編碼區(qū)突變的累積數(shù)量可能導(dǎo)致蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)變化。在這種情況下，AC 單體型將產(chǎn)生具有更高活性的GSTP1，導(dǎo)致脂質(zhì)氧化過程中產(chǎn)生的活性物質(zhì)濃度更低，防止肌肉的色素蛋白（Mb）氧化，從而保持肌肉的顏色穩(wěn)定[30]。

4 總結(jié)及展望

GSTP1基因在哺乳動物中發(fā)揮非常重要的作用，已有研究發(fā)現(xiàn)所有哺乳動物的GSTP1基因與谷胱甘肽的結(jié)合都發(fā)生在G 位點(diǎn)上，結(jié)合后并激活谷胱甘肽硫醇鹽的陰離子，用于催化與各種親電試劑的結(jié)合。除了催化解毒之外，GSTP1 還具有抗氧化、一氧化氮途徑的調(diào)節(jié)、多種激酶信號途徑的調(diào)節(jié)以及參與蛋白質(zhì)S-谷胱甘肽化的正向反應(yīng)等特性。隨著生物科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，許多研究發(fā)現(xiàn)GSTs 與各類代謝疾病的治療以及畜產(chǎn)品肉質(zhì)等緊密相關(guān)，因此對GSTP1基因的深入研究，不僅有助于對人類疾病的研究還能夠在肉制品質(zhì)研究方面提供參考依據(jù)，提高畜牧養(yǎng)殖的經(jīng)濟(jì)效益。