全 文 ：第27卷 第3期
2015年3月
生命科学
Chinese Bulletin of Life Sciences
Vol. 27, No. 3
Mar., 2015
文章编号：1004-0374(2015)03-0374-09
DOI: 10.13376/j.cbls/2015049
收稿日期：2015-01-15
基金项目：国家杰出青年科学基金项目(31225012)；国家自然科学基金重点项目(31030023)
*通信作者：E-mail: changchen@moon.ibp.ac.cn
细胞的氧化还原平衡调控及巯基修饰
乔新华1,2，胡明曦1,2，张玉英1,2，李亚子1,2，陈　畅1,2*
(1 中国科学院生物物理研究所生物大分子国家重点实验室，北京 100101；2 中国科学院大学, 北京 100049)
摘　要：生物大分子的功能受细胞氧化还原环境影响和调控，细胞内氧化还原平衡的维持对于细胞的正常
生长至关重要，与多种生理和病理过程密切相关。现将细胞内氧化还原平衡体系、氧化还原调控的主要信
号通路及生物学过程、活性氧及活性氮通过蛋白质巯基修饰发挥生物学功能的分子机制，尤其是巯基亚硝
基化修饰机制，以及还原应激效应的最新研究予以综述。
关键词：氧化还原平衡；活性氧；活性氮；巯基修饰；巯基亚硝基化修饰；还原应激
中图分类号：Q25 文献标志码：A
Cellular redox regulation and thiol modification
QIAO Xin-Hua1,2, HU Ming-Xi1,2, ZHANG Yu-Ying1,2, LI Ya-Zi1,2, CHEN Chang1,2*
(1 National Laboratory of Biomacromolecules, Institute of Biophysics, Chinese
Academy of Sciences, Beijing 100101, China; 2 University of the Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)
Abstract: Biomacromolecules are regulated by cellular redox status. Redox homeostasis is very important for
normal cellular maintenance and normal physiological functions. In this review, we will introduce cellular redox
regulation system, redox-regulated signal transduction pathways and processes, the crosstalk between reactive
oxygen/nitrogen species (ROS/RNS) and protein through thiol modification, particularly S-nitrosation
(S-nitrosylation), and the effect of reductive stress.
Key words: redox homeostasis; reactive oxygen species (ROS); reactive nitrogen species (RNS); thiol modification;
S-nitrosation (S-nitrosylation); reductive stress
在生命科学研究中，蛋白质、DNA等生物大
分子一直是研究的主要对象。但是，这些生物大分
陈畅，中国科学院生物物理研究所研究员，国家杰出青年科学基金获得
者，生物大分子国家重点实验室副主任，国家重大科学研究计划项目首席科
学家。中国生物物理学会自由基生物学与医学专业委员会副主任，学术期刊
Free Radical Research、Redox Biology编委，Biophysics Report副主编。主要
研究方向为细胞氧化还原调控的分子机理，包括氧化还原调控与衰老及相关
疾病；一氧化氮与蛋白质巯基亚硝基化修饰及其他巯基修饰和细胞质量控制；
缺氧与疾病。在 Nat Commun、Cell Res、Free Radical Biol Med等杂志发表论
文 55篇，已授权第一发明人国家发明专利 2项，应邀撰写自由基生物学相关
著作章节，多次在国际会议作邀请报告。
子的功能受细胞氧化还原环境调控，其生理功能的
正常行使依赖于稳定的胞内氧化还原状态。大量证
乔新华，等：细胞的氧化还原平衡调控及巯基修饰第3期 375
据表明，氧化还原平衡的调控与细胞信号转导、转
录调控、蛋白质功能调节、细胞命运决定等密切相
关，体内氧化还原状态的失衡会导致衰老以及多种
重要疾病的产生，包括神经退行性疾病 [1]、精神类
疾病 [2]、心血管疾病 [3]、糖尿病 [4]、自身免疫疾病 [5]、
肿瘤 [6]等。因此，细胞氧化还原平衡的调控和分子
机制研究至关重要。
1　细胞氧化还原平衡的维持
正常情况下，细胞内有一套完整的氧化系统和
还原系统。氧化系统主要包括活性氧 /活性氮
(reactive oxygen/nitrogen species, ROS/RNS)两大家
族，其中活性氧 (ROS)主要包括 O2−•、 HO•、HO2•、
H2O2、
1O2 、 RO•、ROO• (R是烷基 )等，活性氮 (RNS)
主要包括 NO、ONOO−、NO+、 N2O3等。还原系统
主要包括大分子抗氧化酶类和小分子抗氧化剂等。
二硫键异构酶 PDI及热休克蛋白也在氧化还原平衡
调控中有重要作用。细胞内主要的氧化还原平衡系
统包括谷胱甘肽氧化还原系统、吡啶核苷酸氧化还
原系统和硫氧还蛋白 /谷氧还蛋白系统。
1.1　谷胱甘肽氧化还原系统
谷胱甘肽 (GSH)作为细胞中含量最为丰富的
含巯基小分子，由谷氨酰胺、半胱氨酸和甘氨酸所
组成，分为氧化型谷胱甘肽 (GSSG)和还原型谷胱
甘肽 (GSH)两种形式，主要分布在细胞质、线粒体、
内质网和细胞核 [7]。其中，细胞质、线粒体和细胞
核的总体氧化还原状态偏向于还原，而内质网中总
体环境更为氧化，以便为含二硫键蛋白质的正确折
叠提供条件。谷胱甘肽可以通过谷氨酰胺半胱氨酸
连接酶 (glutamate-cysteine ligase, GCL)和谷胱甘肽
合酶合成。谷胱甘肽还原酶 (glutathione reductase,
GR)能够利用烟酰胺腺嘌呤二核苷磷酸 (NADPH)
催化氧化型谷胱甘肽 (GSSG)还原为 GSH，使胞内
环境偏向还原，增加细胞的抗氧化能力。GSH还是
谷胱甘肽过氧化酶 (glutathione peroxidase, GPX)的
电子供体，有效还原多种过氧化物；同时，谷胱甘
肽巯基转移酶 (glutathione S-transferase, GST)也具
有谷胱甘肽依赖的过氧化物酶活性 [8]。
1.2　吡啶核苷酸氧化还原系统
细胞内另一类重要的氧化还原小分子是吡啶
类核苷酸，包括还原与氧化型的 NADH/NAD+和
NADPH/NADP+，其氧化还原状态与其他的氧化还
原系统紧密相关 [7]。吡啶类核苷酸涉及能量代谢、
线粒体功能、钙平衡、氧化应激、细胞死亡、免疫
应答乃至细胞衰老等多个生物过程 [9]。针对酵母
衰老时程的研究表明，衰老过程早期细胞内的
NADPH急剧减少，继而引发 NADPH依赖的氧化
还原酶 (如硫氧还蛋白还原酶、谷氧还蛋白还原酶
等 )氧化失活，造成细胞氧化还原严重失衡，含巯
基蛋白质大量被氧化 [10]。NADPH、GSH等氧化还
原小分子的水平改变，也会影响以其为电子供体的
氧化还原酶的活性，从而进一步影响细胞的氧化损
伤清除能力。
1.3　硫氧还蛋白/谷氧还蛋白系统
除了小分子氧化还原系统，细胞中还存在两个
主要的氧化还原酶系统：硫氧还蛋白系统和谷氧还
蛋白系统。硫氧还蛋白 (thioredoxin, Trx)是一个氧
化还原酶家族，能够可逆地还原二硫键，它能够降
低细胞氧化应激水平，提高细胞抗氧化能力。氧化
后的 Trx可以通过硫氧还蛋白还原酶 (thioredoxin
reductase, Trxr)进行还原再生。Trxr是一种含硒蛋白，
它对 Trx的还原依赖于 NADPH [11]。谷氧还蛋白
(glutaredoxin, Grx)最早发现于 Trx缺陷的大肠杆菌
体内。按照酶活中心的氨基酸构成，可以分为单巯
基和双巯基两种类型 [12]。双巯基 Grx具有与 Trx相
似的功能，能够打开蛋白质的二硫键；然而，Grx
更为主要的功能是还原蛋白质的谷胱甘肽化修饰，
这一功能仅需要酶活中心的单个巯基即可实现 [13]。
因此，谷氧还蛋白不仅仅是硫氧还蛋白系统的补充，
而且扩大了细胞内氧化还原酶系统的调控范围 [14]。
2　氧化还原介导的信号转导
线粒体呼吸链电子传递、内质网氧化折叠、以
及环氧合酶、脂肪氧合酶、细胞色素 P450单加氧酶、
黄嘌呤氧化酶、NADH/NADPH氧化酶等的活化，
均是细胞内重要的 ROS来源 [15]。越来越多的研究
证据表明，ROS能够作为信号分子参与细胞的信号
转导与调控 [16]，细胞中也存在多条信号通路，能够
感知 ROS及其引发的氧化还原变化，转导、激活
下游效应。
2.1　MAPK信号通路
细胞分裂素激活的蛋白激酶级联放大通路
(MAPK信号通路 )是磷酸化信号转导中经典的信号
通路之一。在哺乳动物细胞中存在 3个主要的
MAPK信号通路，分别是 ERK通路、JNK通路和
p38 MAPK信号通路。当细胞遭遇氧化损伤、紫外
线或 γ-射线照射、热激、渗透压刺激，或者肿瘤坏
死因子 (TNF)、白细胞介素 (IL-1)、表皮生长因子
杰出女科学家专刊 第27卷376
(EGF)等细胞因子作用时，均能够诱导细胞产生大
量的 ROS，而MAPK信号通路的激活可能与 ROS
有关 [17-18]。研究人员总结了 ROS能够激活MAPK
通路的证据，包括在多种细胞类型中能够诱导产生
ROS的刺激条件均能够激活MAPK通路，添加抗
氧化物或者抑制 ROS产生的酶类能够抑制MAPK
通路的激活。而 ROS激活MAPK通路的机制可能
是 ROS对MAPK信号通路中的激酶进行氧化修饰，
以及促进MAPK磷酸酶 (MKPs)的失活或者降解 [19]。
2.2　PTEN-PI3K-Akt信号通路
PTEN-PI3K-Akt信号通路是另外一条重要的受
氧化还原调控的信号通路，许多重要的细胞生物学
过程都与这条信号通路相关，如细胞生长、增殖、
迁移等，该信号通路的失常可能会引发心力衰竭、
高血压等疾病 [20]。PI3K通过催化 4,5-二磷酸 -磷
脂酰肌醇磷酸化生成 3,4,5-三磷酸 -磷脂酰肌醇，
后者进一步磷酸化丝氨酸残基激活下游 Akt信号通
路。细胞内主要的 PI3K信号通路调控蛋白是 PTEN
(phosphatase and tensin homolog)，它通过去除磷脂
酰肌醇 3位的磷酸基团或者将 PI3K底物蛋白去磷
酸化，实现对 PI3K的抑制作用。PTEN活性受到
磷酸化调控；同时，半胱氨酸残基的氧化修饰也能
够抑制其酶活。Kang等 [21]研究表明，上述两种调
控机制均受到氧化还原调控，当细胞内 ROS水平
升高，两种调控机制共同作用，最终导致PTEN失活，
激活 PI3K-Akt信号通路。针对 PTEN缺陷细胞的
研究也表明，ROS介导的 PI3K-Akt通路激活很大
程度上依赖于 PTEN[22-23]。
2.3　PKC信号通路
Gopalakrishna和 Jaken[24]研究表明，多种抗氧
化剂均能够抑制蛋白激酶 C (protein kinase C, PKC)
依赖的细胞效应。因此，可以推测，PKC也是一个
重要的氧化还原调控靶点。PKC是一个磷脂依赖的
丝氨酸 /苏氨酸激酶家族，参与调控细胞有丝分裂、
细胞黏附、凋亡、血管新生、细胞侵袭与转移等多
个过程。PKC家族的全部成员均含有 N端调控结
构域和 C端催化结构域，而这两个结构域中均含有
半胱氨酸富集区。有假说认为，ROS介导 PKC激
活的机制可能就是 ROS对 PKC调控结构域 Cys-富
集区域进行选择性修饰，从而降低了调控区对催化
结构域的活性抑制 [17]。
除了通过氧化修饰等方式调控信号通路，ROS
对于细胞信号转导的特异性调控还可能源自于产生
ROS的酶类的不同定位。NADPH氧化酶 (Nox)作
为细胞内主要的 ROS来源，能够通过 ROS激活下
游的多种氧化还原信号通路，调控多种细胞类型中
的生物学效应 [25-27]。Nox是一类利用 NADPH为电
子供体的膜结合蛋白，其产生的 ROS能够发挥第
二信使的作用，参与调控包括细胞生长、分化、凋亡、
细胞骨架重排、细胞应激、耐受以及组织修复等多
种生理过程 [28]。Nox家族的不同成员由于其定位的
不同，所发挥的功能也不尽相同。Nox2能够通过
胞吐作用向胞外分泌 ROS；而 Nox1则能够诱导细
胞内吞；其他 Nox蛋白产生的 ROS则主要驻留在
Nox蛋白定位的膜结构或小泡中，并以此为起点进
入细胞质 [29]。
3　氧化还原调控的生物学过程
细胞的氧化还原状态变化不仅能够调控信号通
路，还可能通过氧化还原修饰影响细胞内氧化还原
敏感蛋白质的功能，从而进一步调控蛋白质质量控
制、转录因子调控、表观遗传调控等生物学过程。
3.1　氧化还原与蛋白质质量控制
大多数分泌蛋白和细胞表面蛋白均含有二硫
键，这部分蛋白需要经过内质网的氧化折叠过程，
形成正确的二硫键，才能发挥正确的功能。这一过
程是由蛋白质二硫键异构酶 (PDI)、内质网氧化还
原酶 (Ero1)、过氧化物还原酶 4 (Prdx4)等多种蛋白
协同完成。PDI家族蛋白均含有至少1个Trx结构域，
介导底物蛋白二硫键的形成。还原态的 PDI由 Ero1
进行再氧化，同时还原氧气产生过氧化氢。Ero1蛋
白在内质网中受到严格调控，以防止 ROS的过度
产生。Ero1反应产生的过氧化氢由内质网定位的
Prdx4蛋白进行清除；同时，Prdx4也能够有效氧化
PDI蛋白，提高内质网氧化折叠效率 [30]。参与氧化
折叠的蛋白质受到氧化还原的调控，有研究认为细
胞质内偏向还原的 GSH水平对于 Ero1介导的氧化
折叠起到了限制作用 [31]，而 GSH不仅参与内质网
中二硫键的形成，也对细胞内的氧化还原状态起平
衡调控作用，以保护细胞免受氧化应激 [30,32]。
蛋白质合成、折叠过程中出现的异常蛋白或代
谢过程中产生的损伤、冗余蛋白，需要通过特定的
蛋白质降解途径进行降解，避免蛋白质聚集对细胞
产生进一步损害。自噬 -溶酶体降解通路是细胞内
主要的蛋白质降解途径之一。需要降解的底物蛋白、
线粒体等细胞器由自噬小体包裹，与溶酶体进一步
融合形成自噬 -溶酶体，之后通过溶酶体内包含的
降解酶类进行降解。自噬降解途径与氧化还原密切
乔新华，等：细胞的氧化还原平衡调控及巯基修饰第3期 377
相关，细胞经由自噬途径去除损伤线粒体，能够减
少胞内 ROS产生，防止氧化损伤的发生 [33]。饥饿诱
导自噬过程中需要 ROS作为信号分子进行调控 [34]，
而形成自噬小体所需的蛋白酶 Atg4能够被过氧化
氢氧化，促进自噬的发生 [35-36]。
3.2　氧化还原与转录因子调控
活性氧能够通过改变细胞的氧化还原状态激活
某些氧化还原敏感的转录因子，NF-κB就是一类重
要的氧化还原敏感转录因子，参与调控细胞凋亡、
自噬、组织衰退等过程。氧化应激能够促进 NF-κB
入核，并通过上调下游的环氧酶 (COX-2)和诱导型
一氧化氮合酶 (iNOS)，产生新的 ROS和 RNS，进
一步增强 NF-κB的活性 [37]。Hutter和 Greene[38]研
究表明，氧化还原状态的变化能够改变转录因子结
合 DNA的能力，如氧化还原状态的微小改变就能
够影响 AP-1与 DNA的结合。而在细胞增殖等过程
中，GSH水平的改变则有可能通过影响转录因子的
活性调控基因的表达。
除了小分子信号的直接调控，转录因子也可以
作为氧化还原相关信号通路的下游效应分子，参与
氧化还原相关过程。这些信号通路中研究最为广泛
的是胰岛素 /胰岛素样生长因子 -1 (IGF-1)信号通
路。在线虫中发现的著名“长寿”基因 daf-2就是
哺乳动物胰岛素 /IGF-1信号受体的同源蛋白。胰岛
素信号通过 PI3K/AKT通路激活下游通路，胰岛素信
号通路的阻断会激活 FoxO，延缓衰老；而该信号通路
的过度激活则会活化NF-κB信号，加速衰老进程 [39-40]。
FoxO家族是一类重要的转录因子，参与细胞周期
调控、清除自由基、细胞凋亡、细胞命运决定等过
程 [41]。FoxO的活性受到胰岛素信号通路的紧密调控；
另外，其蛋白质序列中的半胱氨酸能够感知环境中
的氧化还原状态，发生 ROS介导的翻译后修饰 [42-43]。
此外，细胞中还存在一类转录因子，能够直接
调控氧化还原相关基因，维持胞内氧化还原的平衡
或者参与相关信号调控，其中研究最为深入的是
Nrf-2。Nrf-2调控的下游基因包括抗氧化酶、分子
伴侣、GSH合成相关酶类、蛋白酶体以及其他转录
因子 [44]。正常生长状态下，Nrf-2与 Keap-1结合，
定位于细胞质中；当细胞遭遇氧化应激、有毒物质
等刺激时，Keap-1的半胱氨酸位点发生修饰，
Nrf-2解离入核，诱导下游 GSH合成酶类及抗氧化
相关基因转录 [45]。
3.3　氧化还原与表观遗传调控
表观遗传修饰的氧化还原调控一方面来自细胞
的氧化应激，如缺氧、活性氧、活性氮；另一方面
来自于细胞代谢产生的氧化还原中间体，如 NAD＋、
S-腺苷甲硫氨酸 (SAM)、2-酮戊二酸等。细胞三羧
酸循环 (TCA)可以产生中间物 2-羟戊二酸 (2-HG)，
2-HG可以导致胞内的氧化应激，通过直接或间接
的作用使表观遗传相关酶的功能紊乱 [46]。氧化应激
条件下细胞内的 GSH会减少，由甲硫氨酸代谢产
生的 SAM也会减少，使 DNA处于低甲基化状态
而改变了细胞的表观遗传修饰 [47]。ROS可以直接
调控表观遗传修饰相关酶，有报道表明 H2O2可以
降低胞内 Dicer的表达 [48]。氧化应激可以直接调节
组蛋白去乙酰化酶 (HDAC)的活性，如 H2O2可以
使 HDAC的酪氨酸发生硝化而使白细胞介素 -8 (IL-
8)启动子区的 H4组蛋白的乙酰化信号增强 [49]。
Andreazza[50]研究活性氧在精神疾病中的作用时发
现，ROS可以直接氧化胞嘧啶和鸟嘌呤，这作为一
种表观遗传学修饰的信号可以进一步降低 DNA的
甲基化。在阿尔茨海默症 (AD)的早期就发现线粒
体功能异常，且细胞已处于氧化应激的环境，这导
致起神经保护作用的去乙酰化酶 (SIRT1)功能降低，
导致 tau蛋白的高度磷酸化和认知功能障碍 [51]。在
氧化应激条件下，H2O2处理的 SH-SY5Y细胞模型
中，H2O2一方面通过减少甲基转移酶 (DNMTs)的
含量，使参与合成淀粉样蛋白 β (Aβ)的基因的启动
子区的 DNA甲基化水平下降，导致 Aβ的表达增加；
另一方面通过上调甲基转移酶 p300/CBP和下调去
甲基化酶 HDAC3的表达而促进该区域的组蛋白发
生乙酰化 [52]。一氧化氮通过蛋白质巯基亚硝基化影
响 SIRT1蛋白结合锌的能力，抑制 SIRT1，从而增
强 NF-κB蛋白亚基和 p53激活，在炎症发生中起重
要作用 [53]。细胞的氧化还原平衡调控总结如图1所示。
4　氧化还原依赖的蛋白质巯基修饰
20世纪 70~80年代，自由基生物学主要以研
究活性氧及活性氮的损伤作用为主：蛋白质的氧化
损伤、脂质过氧化、DNA氧化损伤断裂等。进入
20世纪 90年代，氧化应激参与细胞信号转导的生
理功能逐渐被认识。随着氧化还原调控在生理和病
理过程中的广泛作用的研究深入，一个新的问题引
起学界思考：这些看似如此简单的活性氧、活性氮
小分子如何具有如此广泛的生物学功能。氧化还原
依赖的蛋白质巯基翻译后修饰回答了这个问题：活
性氧及活性氮直接作用蛋白质中氧化还原敏感的氨
基酸 (主要是半胱氨酸、色氨酸、酪氨酸等 )，从
杰出女科学家专刊 第27卷378
而调控细胞信号转导。蛋白质巯基亚硝基化修饰的
研究大大促进了这个领域的发展。所谓蛋白质亚硝
基化修饰是指一氧化氮及其衍生物通过对蛋白质的
半胱氨酸自由巯基修饰，将 -SH转变为 -SNO，通
过改变蛋白质的构象、活性、稳定性、定位、组装
等影响蛋白质的功能，是一种典型的氧化还原依赖
的蛋白质翻译后修饰 [54]。这种翻译后修饰可逆、靶
点特异 [55]，与磷酸化修饰有许多相同靶蛋白，是一
氧化氮得以广泛参与细胞信号转导的重要途径。该
修饰与磷酸化修饰一样，是进化上高度保守的并影
响细胞诸多方面生理活性的一种蛋白质翻译后修
饰；但由于检测方法和特异性认识方面的限制，这
种修饰的研究远远落后于磷酸化修饰研究。实际上，
蛋白质巯基修饰不止是巯基亚硝基化，还有多种巯
基相关的修饰，如巯基谷胱甘肽化 -SSG、巯基氧
化 -SOxH、分子内 /间二硫键 -S-S-、巯基棕榈酰化
修饰等。巯基的中度氧化可以产生次磺酸 (-SOH)、
分子内 /间二硫键和 -SNO，这些可逆的氧化一般
被认为参与信号转导的调控。次磺酸很不稳定，可
与自由巯基反应生成二硫键；而在强氧化条件下，
半胱氨酸巯基可以被直接氧化为亚磺酸 (-SO2H)或
者磺酸 (-SO3H)。
下面以蛋白质巯基亚硝基化修饰为例来介绍巯
基修饰如何调控蛋白质功能。巯基亚硝基化对蛋白
质定位的调控：NO通过亚硝基化修饰调控 DNA
碱基切除修复蛋白脱嘌呤 /脱嘧啶核酸内切酶
(APE1)的核输出 [56]；巯基亚硝基化对蛋白质 -蛋
白质相互作用的调控：NO通过对经典核输出受体
蛋 白 CRM1 (chromosomal region maintenance 1) 的
亚硝基化修饰，抑制了其与核输出信号NES的结合，
导致对经典核输出通路的抑制 [57]；巯基亚硝基化对
其他翻译后修饰的调控：Sumo化 E3连接酶 Pias3
的巯基亚硝基化促使其经泛素途径降解，导致细胞
Sumo化整体水平的降低 [58]；巯基亚硝基化对蛋白
质活性的调控：激酶与磷酸酶的亚硝基化导致活性
改变，直接影响了磷酸化信号的传递 , 如 PKC[59]、
PTEN[60]等的亚硝基化修饰。巯基亚硝基化还参与
调控细胞命运决定 [61]、影响神经细胞分化和神经新
生 [62]、调控炎症小体活化 [63]及学习记忆 [64]。同一
蛋白靶点也可能发生多种氧化修饰，如在糖尿病、
癌症、心血管疾病中均发现蛋白酪氨酸磷酸酶 (PTP)
催化位点半胱氨酸可以被过氧化氢、单线态氧、氧
化型谷胱甘肽、脂质过氧化物、一氧化氮等多种氧
化还原活性小分子可逆修饰从而抑制其活性 [65]。
P53半胱氨酸巯基也会被氧化、谷胱甘肽化修饰，
从而影响 P53的功能及其下游通路 [66]。
内源或外源诱导产生的活性氧、活性氮与生物大分子相互作用，介导下游氧化还原敏感的信号通路进行信号传递。细胞信号
转导能够进一步激活氧化还原敏感的转录因子，上调谷胱甘肽合成、DNA修复、分子伴侣、自噬、蛋白酶体降解通路等基因
的表达，从而清除活性氧及其造成的氧化损伤，维持细胞正常生长。而当活性氧大量产生，对细胞造成的损伤无法逆转，则
会激活细胞凋亡相关通路，导致细胞死亡。
图1　细胞的氧化还原平衡调控
乔新华，等：细胞的氧化还原平衡调控及巯基修饰第3期 379
关于蛋白质巯基亚硝基化检测方法常用的有生
物素转化方法 (biotin-switch technique, BST)[67]及提
高了鉴定特异性的不可逆生物素标记法 (irreversible
biotinylation procedures, IBP)[68]；适合细胞体系內源
亚硝基化定量检测的 endogenous SNO quantification
(ESNOQ)方法 [69]；适合组织样品亚硝基化定量检
测的 ICAT (isotope-coded affinity tag method)-switch
方法 [70]以及不受样品类型限制的无标记定量检测
方法 S-nitrothiols spectral counting(SNOSC)方法 [71]。
亚硝基化数据库的建立为该领域的研究提供了很好
的信息来源和平台 [72-73]。
5　还原应激效应
1956年，Denham Harmanenh提出了自由基衰
老理论 (the free radical theory of aging)，指出新陈代
谢的产物 ROS的积累引起机体损伤而导致衰老，
尤其是线粒体产生的活性氧是罪魁祸首。但是，
ROS 在衰老过程中具体扮演了什么角色一直存在争
论。近年来越来越多的学者研究认为，ROS主要是
通过介导信号转导通路去应对由于衰老引起的细胞
损伤，也就是说衰老的进程会加速 ROS的产生，
去行使信号转导功能，帮助缓解细胞压力 [74]。这个
观点有很多研究支持。在线虫研究中，饮食限制和
抑制胰岛素信号通路会产生长寿表型，都与 ROS
水平的一定程度上升相关 [75-76]。通过线粒体呼吸链
相关的基因突变或百草枯药物处理线虫，可以促进
线粒体 ROS的产生，延长线虫的寿命 [77]，同时伴
随线虫有产卵量下降，进食、排便及运动缓慢的表
型。Yee等 [78]揭示了此效应的机制：线粒体 ROS
可以激活凋亡通路，从而去应对线粒体功能异常的
伤害，降低 ATP的产生和利用，对机体是一种保护
措施，从而延长寿命。ROS在细胞中的量需要精确
调控，小鼠精元干细胞就需要产生 ROS来激活
MAPK和 JNK通路从而实现自我更新 [79]。可见，
氧化应激有特定的生理功能，提示还原应激可能影
响细胞的功能。
还原应激是指机体的电子压力或还原当量的异
常升高，如 GSH、NADPH及 NADH等的升高，而
机体不能有效缓解这种电子压力而引起细胞内氧化
还原状态失衡的一种状态 [80-81]。还原应激很多是在
病理进程中产生的，可能是一些疾病的分子机制，
提示我们要慎重思考正常生命活动或疾病治疗过程
中还原剂的使用方法及剂量。Sayin等 [82]给肺癌模
型的小鼠服用 5~50倍日常建议剂量的维生素 E和
NAC(N-乙酰半胱氨酸 )，结果发现和对照组相比，
这两种抗氧化物质都可以促进肿瘤发生 (增加 3倍
左右 )，而小鼠因为肿瘤死亡的时间也早于对照2倍。
实验表明抗氧化剂通过降低 ROS水平、p53蛋白表
达量及 DNA损伤从而促进肿瘤的生长。α晶状体
球蛋白 B (αB-crystallin)是一种小分子热休克蛋白，
可以防止细胞骨架蛋白聚集，在小鼠心脏特异性过
表达此基因突变体，心肌的 6-磷酸葡萄糖脱氢酶
(G6PD)高表达，导致 GSH水平显著升高，心肌处
于还原应激状态，引起蛋白质聚集，出现心肌症表
型；而干预 G6PD的水平可以挽回小鼠后代的心肌
症表型，并且显著降低蛋白质的聚集 [83]。另外，
Zhang等 [84]在小鼠的心脏特异过表达 HSP27(热休
克蛋白 27，具有抗氧化的作用 )，GSH/GSSG水平
显著升高，细胞处于还原应激状态，最终引发了小
鼠的心肌症，提示还原应激是心肌症发生的重要
因素。
有些疾病最终的氧化应激状态是由前期的还原
应激引起的。慢性高血糖症会逐渐引起胰岛素抵抗
和胰岛素分泌障碍，大多数研究认为此过程与活性
氧及氧化应激相关。最近研究表明，高血糖症最初
会引起 NADH的升高，造成还原应激。NADH是
电子供体，线粒体复合物 I是其循环的主要部位，
NADH积累会导致线粒体呼吸链电子压力，电子泄
漏与氧结合，导致线粒体产生更多的活性氧，因此，
还原应激导致氧化应激产生是疾病进程的根源 [85]。
此外，AD患者的氧化应激的水平是高的。Badia等 [86]
研究表明，ApoE 4/4和 ApoE 3/4基因携带者是患
阿尔兹海默症的高风险的一类人群，而患者在发展
为 AD之前体内为还原应激状态，推测这种 AD发
病进程中的氧化应激是由还原应激导致的。这提示
在病程早期，引起还原应激的分子可以作为疾病预
防和治疗的靶标。
6　结语
细胞的氧化还原平衡为胞内各种生物大分子行
使正常功能提供了稳定的微环境，氧化还原状态变
化将直接影响蛋白质的功能，特别是氧化还原敏感
的含巯基蛋白质的功能。因此，细胞氧化还原调控
不再是简单的“自由基衰老学说”，也不再是简单
的抗氧化，氧化还原活性小分子与生物大分子的
crosstalk是揭示细胞氧化还原调控的本质。氧化还
原平衡体系的全面揭示、氧化还原相关基因的调控
机制、氧化还原依赖的蛋白质巯基修饰与信号转导、
杰出女科学家专刊 第27卷380
生物大分子氧化损伤的累积与清除以及氧化还原平
衡的系统调控是细胞氧化还原生物学领域研究的重
要内容。
[参　考　文　献]
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