REDOX järjestelmästä Tioredoksiini (2014)

http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/23899494

Free Radic Biol Med. 2014 Jan;66:75-87. doi: 10.1016/j.freeradbiomed.2013.07.036. Epub 2013 Jul 27.

The thioredoxin antioxidant system.

Lu J¹, Holmgren A².

Abstract

•  Tioredoksiinijärjestelmään kuuluu NADPH, tioredoksiinireduktaasi (TrxR) ja tioredoksiini (Trx) ja tämä REDOX- järjestelmä on avainasemassa kehon puolustautuessa oksidatiivista stressiä vastaan  , sillä se vaikuttaa disulfidireduktaasiaktiivisuudellaan  ja säätelemällä  ditiolien ja disulfidien tasapainoa   (2SH/ SS)

The thioredoxin (Trx) system, which is composed of NADPH, thioredoxin reductase (TrxR), and thioredoxin, is a key antioxidant system in defense against oxidative stress through its disulfide reductase activity regulating protein dithiol/disulfide balance.

•  Trx- järjestelmä  tuottaa elektroneja tioleista riippuville peroksidaaseille (peroksiredoxiineille)  reaktiivisten  happilajien ja typppilajien  poistamiseksi nopeaan tahtiin.
•  Trx- antioksidanttifunktioitten osuutta nähdään myös DNA:n ja proteiinien korjausjärjestelmissä kun  se redusoi RNA-reduktaasia, metioniinisulfoxidireduktaaseja ja säätelee monien REDOX- herkkien transkriptiotekijöitten aktiivisuutta.
• Lisäksi  Trx- järjestelmällä on osansa ihmisen immuunivasteessa, virusinfektioissa ja solukuolemassa, joka seuraa   tioredoksiinin kanssa vuorovaikuttaneen  proteiinin kautta.
• Imettäväissoluissa kontrolloi soluun REDOX- miljöötä  yhdessä   (a) sytosoliset ja mitokondriaaliset  tioredoksiinisysteemit, joissa  Trx- reduktaasit ovat raskasmolekyylisiä selenoentsyymejä ja (b) glutationi(GSH)- glutaredoksiini(Grh)-  järjestelmä (NADPH,glutationireduktaasi, GSH ja Grx).

The Trx system provides the electrons to thiol-dependent peroxidases (peroxiredoxins) to remove reactive oxygen and nitrogen species with a fast reaction rate. Trx antioxidant functions are also shown by involvement in DNA and protein repair by reducing ribonucleotide reductase, methionine sulfoxide reductases, and regulating the activity of many redox-sensitive transcription factors. Moreover, Trx systems play critical roles in the immune response, virus infection, and cell death via interaction with thioredoxin-interacting protein. In mammalian cells, the cytosolic and mitochondrial Trx systems, in which TrxRs are high molecular weight selenoenzymes, together with the glutathione-glutaredoxin (Grx) system  (NADPH, glutathione reductase, GSH, and Grx) control the cellular redox environment.  

Äskettäin on havaittu että imettäväisissä  tioredoksiini (Trx) järjestelmä ja glutationi (GSH)järjestelmä  voivat  tuottaa elektroneja ristiin rastiin  ja toimia  kuin backup- systeemi toisillensa.

•  Mutta bakteereilla on  sitä vastoin  pienimolekulaarisempia TrxR entsyymeitä ja niitten reaktiomekanismi poikkeaa imettäväisten mekanismeista. Monilla bakteerilajeilla on spesifisiä tiolista (-SH)  riippuvia antioksidanttisysteemeitä ja Trx- järjestelmän merkitys niitten antioksidanttipuolustuksessa on erilainen.  Erityisesti  joistain bakteereista puuttuu GSH-Grx-järjestelmä: Näitä ovat  Helicobacter  pylori, Mycobacterium tuberculosis ja Staphylococcus aureus. Sen takia niiden järjestelmä on riippuvainen Trx- järjestelmästä elossapysymiseksi oksidanttistressissä. Tässä onkin strateginen mahdollisuus  tuhota  nämä bakteerit kohdistamalla niiden TrxR-Trx- järjestelmään. 
  

Recently mammalian thioredoxin and glutathione systems have been found to be able to provide the electrons crossly and to serve as a backup system for each other. In contrast, bacteria TrxRs are low molecular weight enzymes with a structure and reaction mechanism distinct from mammalian TrxR. Many bacterial species possess specific thiol-dependent antioxidant systems, and the significance of the Trx system in the defense against oxidative stress is different. Particularly, the absence of a GSH-Grx system in some pathogenic bacteria such as Helicobacter pylori, Mycobacterium tuberculosis, and Staphylococcus aureus makes the bacterial Trx system essential for survival under oxidative stress. This provides an opportunity to kill these bacteria by targeting the TrxR-Trx system.
Copyright © 2013 Elsevier Inc. All rights reserved.

KEYWORDS:

GPx; ; Glutathione peroxidise
GR; Glutathione reductase;
GSH; Glutathione;
GST; Glutathione transferase;
Grx; Glutaredoxin;
H. pylori; Helicobacter pylori;
M. tuberculosis; Mycobacterium tuberculosis; Mycoredoxin; Mycothione; Mycothione reductase
 Methionine-O-sulfoxide reductase; Methionine-S-sulfoxide reductase;
NADPH; Nicotinamide adenine dinucleotide phosphate;
Nrf2; Nuclear factor erythroid-related factor 2;
 PDI; Protein disulfide isomerase;
RNR; Ribonucleotide reductase;
 S. aureus; Staphylococcus aureus
 Thiol peroxidase;
TrxR,  Thioredoxin;
 Thioredoxin glutathione reductase;
Thioredoxin interacting protein;
TrxR, Thioredoxin reductase;
ROS,  reactive oxygen species;

REDOX-järjestelmä. Tioredokxiini (Trx), TrxR ja NADPH Väitöskirja tioredoksiinireuktaasista TrxR . Seleeni.

LÄHDE Björkhem Bergman Linda.

Thioredoxin reductase and selenium in carcinogenesis and multidrug resistance.

URI: http://hdl.handle.net/10616/43240 Registreringsdatum: 2004-05-21

Karolinska Institutet 2004 ISBN917349-954-4.

Yhteenveto

• TAUSTA. Tioredoxiinisysteemi käsittää tioredoksiinin  , tioredoksiinireduktaasin ( pelkistäjän) (TrxR) ja NADPH:n ja se on REDOX- systeemi, yksi niistä ja tärkeä kehon puolustautuessa oksidatiiviselta stressiltä ja se osallistuu useihin soluprosesseihin kuten apoptoosiin ja solun proliferaatioon. Lisäksi TrxR on selenoentsyymi ja seleeniaineenvaihdunnan avainentsyymi.
  

 Sammanfattning:
The thioredoxin system, comprising thioredoxin, thioredoxin reductase (TrxR) and NADPH, is a redox system of great importance in the defence against oxidative stress and is involved in the regulation of several cellular processes, such as apoptosis and cell proliferation. In addition, TrxR is a selenoenzyme and is a key enzyme in selenium metabolism.

• TARKOITUS: Tutkimuksen tarkoituksena on selvittää TrR- entsyymin osuus syövän kehittymisessä ja terapiaresistenteissä syöpäsoluissa ja tutkia seleeniyhdisteiden tuumorinmuodostusta ennaltaehkäiseviä vaikutuksia ja sytotoksisuutta.
  

The aim of this study was to elucidate the role of TrxR in carcinogenesis and in resistant cancer cells and to investigate the tumor preventive effects and the cytotoxicity of selenium compounds.

• MENETELMÄT ja TULOKSET: Tässä työssä määritettiin tioredoksiinireduktaasin sijainti solun sisällä ja rekisteröitiin sen aktiivisuuksien muutokset koe-eläimissä, joihin oli kemiallisesti indusoitu maksasyövän kehitys. Normaaliin maksaan verrattuna premaligneissa neoplastisissa maksaleesioissa tioredoxiinireduktaasin (TrxR) entsyymiaktiivisuutta ja sen lähetti-RNA:n ilmenemää havaittiin olevan neljä kertaa enemmän. Solusytoplasman puolella olevan tioredoxiinireduktaasin (TrxR) aktiivisuus lisääntyi maksakudoksessa karsinogeneesiprosessin aikana verrattuna kontrollikudoksiin, kun taas mitokondrian puolella olevan tioredoksiinireduktaasin (TrxR) aktiivisuus laski.
  

In this study we have defined the subcellular localisation and recorded activity alterations of TrxR in a rat model for chemically induced hepatocarcinogenesis. Enzymatic activity as well as mRNA expression of TrxR was found to be four times higher in premalignant neoplastic liver lesions than in normal liver. The cytosolic TrxR activity increased in the premalignant liver tissue during the carcinogenetic process compared to control tissue whereas the mitochondrial activity decreased.

• Kun alettiin antaa seleniittiä syövän induktiovaiheessa, preneoplastisten maksakyhmyjen fraktion tilavuus väheni ja samalla maksavaurioalueen soluproliferaatio aleni. Seleniitin antaminen progredioitumisen aikana johti vähempään tuumorifraktion volyymiin ja tuumorien sisässä tapahtuvan proliferaation vähenemiseen.
  

During the promotion phase selenite administration significantly decreased the volume fraction of preneoplastic liver nodules in parallel with a decrease in cell proliferation in the lesions. Selenite administration during the progression phase resulted in a lower volume fraction of liver tumors and a decreased proliferation within the tumors.

• Jos rajoitettiin seleniitin anto vain dietyylinitrosaminin aloitusvaiheeseen, ei nähty preneoplastisissa maksaleesioissa volyymifraktioitten luvussa mitään vaikutusta.
  

If the selenite treatment was limited to the phase of diethylnitrosamine initiation only, no effect was seen on the number or volume fraction of preneoplastic liver lesions.

• Yrityksessään löytää uusia terapeuttisia strategioita tavallisia kemoterapioita kohtaan muodostuneeseen syöpäresistenssiin tämä tutkijaryhmä tutki seleniitin sytotoksisia vaikutuksia monilääkeresistentteihin syöpäsoluihin. Lääkeresistentit syöpäsolut osoittautuivat olevan huomattavasti herkempiä seleniitin sytotoksisuudelle kuin lääkkeille herkät syöpäsolut.
  

In an attempt to find new therapeutic strategies to cancers resistant to common chemotherapy we have examined the cytotoxic effect of selenite in multidrug resistant cancer cells. Drugresistant cells appeared to be considerably more sensitive to selenite cytotoxicity than drugsensitive cells.

• Jatkotutkimuksissa kävi ilmi kaspaasista riippumattoman seleenitin indusoiman apoptoosin läsnäolo lääkeresistenteissä soluissa. Lääkeresistenteissä soluissa havaittu seleniittiherkkyys ei johtunut ylössäätyneestä tioredoksiinireduktaasista (TrxR) , jota taas lääkeherkissä soluissa oli havaittavissa seleniittialtistuksen aikana.
  

Further studies showed presence of caspase-independent selenite-induced apoptosis in the drug-resistant cells. The selenite sensitivity observed in the drug-resistant cells was not associated with the up-regulation of TrxR seen in the drug-sensitive cells during selenite exposure.

• Jatkotutkimuksissa selviteltiin tioredoksiinireduktaasin (TrxR) osuutta seleniittin sytotoksisessa vaikutuksessa ja käytettiin soluja, joissa tämä entsyymi oli tehty ylisäätyneeksi. TxrR:n ylisäätymistä ilmentäneissä soluissa oli kohonnutta resistenssiä seleniitin sytotoksisuutta kohtaan verrattuna kontrollisoluihin. Kun oli esi-inkuboitu seleniitillä matalassa, entsyymin kyllästävän annoksen pitoisuudessa, seurasi jopa vielä suurempi resistenssi seleniittitoksisuuta kohtaan.
  

To further investigate the role of TrxR in selenite cytotoxicity, we used cells over-expressing this enzyme. The TrxR over-expressing cells showed an increased resistance towards selenite cytotoxicity compared to control cells. After preincubation with selenite, in a low, enzymesaturating dose, an even higher resistance against selenite toxicity was obtained.

• JOHTOPÄÄTÖS. Nämä saadut tiedot osoittavat, että tioredoksiinireduktaasi on tärkeä entsyymi pahanlaatuisissa maksakasvannaisleesioissa ja että seleenilisällä voidaan estää karsinogeenistä prosessia syövän alkuunlähtövaiheissa ja sen progredioituessa. Lisäksi tutkijat raportoivat seleenin indusoimaa apoptoosia tapahtuvan lääkeresistenteissä soluissa ja etta tioredoksiinireduktaasin aktiivisuuden lisääntymä vaikutti kriittisesti(!!) solun resistenssiin seleenisytotoksisuutta kohtaan.
  

In conclusion, our data suggest that TrxR is important in neoplastic liver lesions and demonstrate that selenium supplementation prevent the carcinogenetic process both during the promotion and progression phases. Moreover, we report selenite-induced apoptosis occurring in the drug-resistant cells and an increase in TrxR activity appears to be crucial for cell resistance against selenium cytotoxicity.

Ingående artiklar:
I. Bjorkhem L, Teclebrhan H, Kesen E, Olsson JM, Eriksson LC, Bjornstedt M (2001). "Increased levels of cytosolic thioredoxin reductase activity and mRNA in rat liver nodules. " J Hepatol 35(2): 259-64
Pubmed

II. Bjorkhem-Bergman L, Torndal UB, Eken S, Nystrom C, Olsson JM, Capitanio A, Larsen EH, Bjornstedt M, Eriksson LC (2004). "Selenite prevents tumor development in a rat model for chemical carcinogenesis." (Manuscript)

III. Bjorkhem-Bergman L, Jonsson K, Eriksson LC, Olsson JM, Lehmann S, Paul C, Bjornstedt M (2002). "Drug-resistant human lung cancer cells are more sensitive to selenium cytotoxicity. Effects on thioredoxin reductase and glutathione reductase. " Biochem Pharmacol 63(10): 1875-84
Pubmed

IV. Jonsson-Videsater K, Bjorkhem-Bergman L, Hossain A, Soderberg A, Eriksson LC, Paul C, Rosen A, Bjornstedt M (2004). "Selenite-induced apoptosis in doxorubicin-resistant cells and effects on the thioredoxin system. " Biochem Pharmacol 67(3): 513-22
Pubmed

V. Madeja Z, Sroka J, Nystrom C, Bjorkhem-Bergman L, Nordman T, Damdimopoulos A, Nalvarte I, Eriksson LC, Spyrou G, Olsson JM, Bjornstedt M (2004). "The role of thioredoxin reductase activity in selenium induced cytotoxicity." (Submitted)
View record in Web of Science®

URI: http://hdl.handle.net/10616/43240

Registreringsdatum: 2004-05-21

Publiceringsår: 2004

ISBN: 91-7349-954-4

URI:

http://hdl.handle.net/10616/43240
Suomennosta 12.5. 2015