全 文 ：第24卷 第6期
2012年6月
生命科学
Chinese Bulletin of Life Sciences
Vol. 24, No. 6
Jun., 2012
网络出版时间：2012-4-26 14:15
网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/31.1600.Q.20120426.1415.004.html
文章编号：1004-0374(2012)06-0568-10
NOX家族蛋白的研究进展
韩晓燕1，高丽萍1， 刘　箐2*
(1 兰州大学基础医学院生物化学与分子生物学研究所，兰州 730000；2 上海理工大学医疗器械与食品学院，上海 200093)
摘　要：NADPH氧化酶催化亚基 gp91phox(NOX2)及其同源物 NOX1、NOX3、NOX4、NOX5、DUOX1和
DUOX2统称为 NOX家族，它们作为 NADPH酶的核心亚基，是该酶发挥作用的关键。NOX家族几乎存
在于所有的细胞，吞噬细胞中 NADPH氧化酶生成的 ROS主要起细胞防御功能，与此不同的是非吞噬细胞
中 NADPH氧化酶产生的 ROS作为信号分子，参与机体内信号转导途径，调节细胞分化、增殖、衰老和凋
亡等活动；当 NOX家族蛋白异常表达，ROS水平急剧增加时，则能诱导机体内多种疾病的发生。
关键词：NOX家族；ROS；表达；结构；活化；功能
中图分类号：Q554 文献标志码：A
The development of NOX family proteins
HAN Xiao-Yan1, GAO Li-Ping1, LIU Qing2*
(1 Department of Biochemistry and Molecular Biology, School of Basic Medical Sciences, Lanzhou University,
Lanzhou 730000, China; 2 School of Medical Instrument and Food Engineering, University of Shanghai
for Science and Technology, Shanghai 200093, China)
Abstract: The catalytic subunit gp91phox (NOX2) of NADPH oxidase and its homologues NOX1, NOX3, NOX4,
NOX5, DUOX1 and DUOX2 are collectively referred to as the NOX family. NOX family proteins play a key role
in NADPH oxidase function as the core subunits of the NADPH enzyme. In recent years, a large number of studies
show that NOX family proteins exist in almost all cells. NADPH oxidase-generated ROS plays a cellular defense
function in the phagocytic cells, the difference is that the ROS is generated by NOX family in non-phagocytic cells
as a signaling molecule, involving in signal transduction and regulating cell differentiation, proliferation, senescence
and apoptosis. When the abnormal expression of NOX family proteins lead to a sharp increase in ROS levels, the
oxidative stress can induce many diseases.
Key words: NOX family; ROS; structure; expression; activation; function
收稿日期：2012-03-13； 修回日期：2012-04-05
基金项目：国家自然科学基金项目 ( 3 0 8 7 0 5 8 6，
KJCX1-YW-004-2)；国家重点基础研究发展计划
(“973”项目) (2010CB83-4200)
*通信作者：E-mail: ciqql@sohu.com
NADPH氧化酶是由膜亚基 gp91phox(即 NOX2)
和 p22phox， 胞浆亚基 p47phox、p67phox、p40phox和小分
子 GTPase结合蛋白 Rac等组成的酶复合体，其催
化亚基 gp91phox及其同源物 NOX1 、NOX3、NOX4、
NOX5、DUOX1和 DUOX2被称为 NOX家族，该
家族蛋白分布于几乎所有的器官、组织和细胞 [1-2]。
NOX家族蛋白的主要生物学功能是产生 ROS，该
途径生成的 ROS能维持细胞的正常生理活动 [3]，
但在异常状态下，如机体受到环境中的超细微颗粒
物 UFPs[4]、生长因子、细胞因子、炎症介质、钙离
子 (Ca2+)，以及重金属镉 [5]、铬 [6]等刺激时，NOX
蛋白过表达产生大量的 ROS。研究发现，机体内增
加的ROS引起的氧化压力与机体多种疾病，如肿瘤、
动脉粥样硬化、高血压、再灌注后狭窄等心血管疾
病以及阿尔茨海默病、老年痴呆症等老年性疾病密
切相关，所以，NOX家族致病机理的研究在临床
疾病的预防、诊断和治疗中有重要的意义。本文对
NOX家族的表达、结构、活化模式及其功能做一
韩晓燕，等：NOX家族蛋白的研究进展第6期 569
概述。
1　NOX家族及其亚基定位及表达
1.1　NOX1
人类 NOX1基因又名MOX1 (mitogenic oxidase
1, 有丝分裂氧化酶 1)或 NOH1(NADPH oxidase homo-
logue 1, NADPH氧化酶同源物 1)基因，位于 X染
色体 q22。NOX1蛋白含有 564个氨基酸，是哺乳
动物中第一个被确认为 gp91phox同源物的氧化酶，
与 NOX2有 60%的同源性 [7]。NOX1在结肠上皮
细胞内有丰富表达，不仅调节与组织增生和细胞分
化相关的信号转导，还参与机体宿主防御 [8]；
NOX1在血管平滑肌细胞、内皮细胞、破骨细胞、
周细胞、肺上皮细胞以及子宫、胎盘、前列腺等细
胞和组织中有低水平表达，但前列腺癌和结直肠癌
等肿瘤组织及细胞中有高表达 [9-10]。
1.2　NOX2
NOX2是 NADPH氧化酶的典型代表，其基因
位于 X染色体 p21.1。NOX2蛋白含有 570个氨基
酸，是吞噬细胞呼吸爆发时发现的 NADPH氧化酶
的催化亚基，除在吞噬细胞中有丰富的表达外，在
心肌细胞、神经元、骨骼肌细胞、肝细胞、内皮细
胞和定向造血干细胞等非吞噬细胞中也有分布；
在检测机体各个器官中 NOX家族亚型 mRNA的组
织分布时发现，NOX2在机体内的分布是最广泛的，
如卵巢、胎盘、甲状腺、小肠、结肠、脾、胰腺、
前列腺和睾丸等组织中均有分布 [7]。
1.3　NOX3
人类 NOX3基因定位于 6号染色体 q25.1-26，
其蛋白含有 568个氨基酸，与 NOX2有 56%的氨
基酸序列同源性 [7]。最初 NOX3被定义为在一些胚
胎组织如肝脏和肾脏中表达的酶，但现已证明
NOX3是位于内耳的一种 NADPH氧化酶，在内耳
的耳蜗、前庭的感觉上皮和螺旋神经节内有丰富的
表达；胎儿脾脏、胎儿肾脏、头盖骨和大脑等组织
中有较低水平的表达 [11]。鼠内耳中丰富表达的
NOX3是耳石形成必不可少的，可能原理是 NOX3
产生的 ROS调节二酪氨酸与细胞外蛋白发生交联，
形成蛋白质沉淀，最终形成耳石的钙化中心。
NOX3突变可造成耳石形成障碍，使鼠出现头部倾
斜的表型；但 NOX3与人类耳石的形成无必然联系，
可能与药物如顺铂所致的耳毒性有关 [12]。
1.4　NOX4
人类 NOX4基因位于 11号染色体 q14.2-q21，
含有 578个氨基酸，与 NOX2仅有 39%的同源性 [7]。
NOX4在胚胎和成年肾脏中有较高表达，又被命名
为 ReNOX。人肾组织 NOX4 mRNA检测显示，其
在髓质集合管和肾乳头上皮细胞高水平表达，在肾
单位的远曲小管表达，但在肾小球内的表达水平较
低 [13]。除了肾脏组织外，NOX4在破骨细胞、内皮
细胞、平滑肌细胞、造血干细胞、成纤维细胞、角
蛋白细胞、黑素瘤细胞、神经元以及胰腺、胎盘和
胚胎肝组织等细胞和组织内也有表达 [14]。
1.5　NOX5
人类 NOX5基因位于 15号染色体 q22.31，其
蛋白由 565个氨基酸组成，与 NOX2的同源性最
低，仅为 22%~27%[15]。NOX5有六个剪接变构体，
分别为 NOX5α、NOX5β、NOX5γ、NOX5δ、NOX5ε
或 NOX5-S和 NOX5ζ。通常说的 NOX5实质上是
NOX5γ变构体，其有最长的编码序列，因此一般
被作为参照序列。NOX5在脾脏、淋巴结和睾丸中
有较高水平的表达，在淋巴结内的表达主要集中于
T、B淋巴细胞；在血管平滑肌、骨髓、胰腺、胎盘、
卵巢、子宫、胃和各种胎儿的生理性组织中有表达。
NOX5还在部分肿瘤细胞中有丰富的表达，如卵巢
透明细胞癌 ES-2细胞、宫颈癌细胞以及巴雷特食
管腺癌细胞中均有较高的表达。研究证明，肿瘤细
胞中丰富表达的 NOX5与肿瘤的进展密切相关 [16]。
1.6　DUOX1/2
人类 DUOX1和 DUOX2亚型基因分别位于
15号染色体 q21和 15号染色体 q15.3-q21，其蛋白
分别由 1 551和 1 548个氨基酸组成 [7]。DUOX1和
DUOX2蛋白的氨基酸序列有 83%的相似性，而
DUOX蛋白的氨基酸序列与 NOX2有 50%的同源
性 [17]。DUOX1和 DUOX2均在甲状腺内大量表达。
但 DUOX1在气道上皮和前列腺内也有表达，而
DUOX2在唾液腺的管道内、直肠的黏膜层，包括
十二指肠、结肠和盲肠在内的全程胃肠道管道以及
气道上皮和前列腺中均有表达 [18]。分布于甲状腺细
胞质膜顶部滤泡腔内的 DUOX蛋白，能提供甲状
腺球蛋白酪氨酸残基交联和甲状腺过氧化物酶介导
的碘化作用所需的 H2O2，并能调节甲状腺激素的合
成；胃肠道和呼吸道内分布的 DUOX可能与炎性
刺激引起的宿主防御有关。
1.7　调节亚基
1.7.1　p22phox
人 p22phox基因位于 16号染色体 q24，其蛋白
相对分子质量约 22 000，由 195个氨基酸组成 [7]。
生命科学 第24卷570
跨膜亚基 p22phox有两个主要功能：一是与 NOX蛋
白结合，维持 NOX蛋白的稳定性；二是与组织亚
基相互作用，完成 NADPH氧化酶复合体的组装。
研究发现，p22phox在 NOX1、NOX2、NOX3和 NOX4
四个 NOX亚型活化时发挥一定作用，转染实验敲
除 p22phox后会导致 NOX1~4复合体的活性降低，但
NOX5的活性不受影响 [19]。p22phox在成人和胎儿的
多数组织中都有分布，如大脑、心脏、肾脏、肝脏、
肺、脾和甲状腺等 [20]。
1.7.2　p47phox 和NOXO1
NOXO1是 p47phox 的同源物，两者在 NOX活
化过程中发挥组织作用，因此都被称为组织亚基。
p47phox 和 NOXO1基因分别位于 7号染色体 q11.23
和 16号染色体 p13.3，相对分子质量分别约为 47 000
和 41 000，分别由 390和 370个氨基酸组成。p47phox
在骨髓细胞内高度表达，在睾丸、内耳、神经元、
肝细胞、肝星形细胞、肾小球系膜细胞、内皮细
胞和血管平滑肌细胞等组织和细胞中有低水平的
表达 [7]；而 NOXO1不仅在结肠内有高水平的表达，
而且在睾丸、子宫、肝、胰腺、肾脏和内耳等组织
中均有表达 [21]。NOXO1在结肠和内耳内的丰富表
达，与 NOX1和 NOX3在该两种组织中的高表达
有一定的相关性。
1.7.3　p67phox和NOXA1
NOXA1是 p67phox的同源物，两者调节了 NOX
活化及装配的过程，因此被称为调节亚基。p67phox
和 NOXA1基因分别位于 1号染色体 q25和 9号染色
体 q34.3，其蛋白相对分子质量约为 67 000和 51 000，
分别由 562和 483个氨基酸组成。p67phox在吞噬细
胞、淋巴细胞、肾小球系膜细胞、内皮细胞、神经元、
星状细胞、肾脏和肝星形细胞中有表达 [7]，而
NOXA1在脾脏、内耳、胃、结肠、小肠、子宫、前
列腺、肺、甲状腺、唾液腺 [22]、荷兰猪的胃粘膜细
胞 [23]、基底动脉的内皮细胞 [24]等组织和细胞中有
表达。
1.7.4　p40phox
人 p40phox基因位于 22号染色体 q1,3.1，其蛋
白相对分子质量大约为 40 000，由 339个氨基酸组
成 [7]。p40phox在吞噬细胞、淋巴细胞以及其他一些
表达 NOX2的细胞内有丰富表达，但在丰富表达
NOX2的血管细胞内没有发现 p40phox，同时 p40phox
表达较高的神经细胞内也没有发现 NOX2。研究表
明，p40phox在 p47phox缺失时，协同 p67phox和 Rac参
与了 NOX2的活化，可能的机制是 p40phox能够与膜
亚基 p22phox结合 [25]。p40phox不是 NOX2活化过程
中必不可少的亚基，它的存在能够促进 NOX2活化；
在 NOX1、NOX3和 NOX4活化复合体的组装过程
中 p40phox不发挥作用，所以 p40phox可能仅存在于表
达 NOX2的细胞中。
1.7.5　Rac
Rac1、Rac2、Rac3和 RhoG共同组成 Rac GTP
酶家族，研究发现 Rac1和 RhoG在机体内广泛表达，
Rac2只在造血干细胞中有表达，Rac3的表达最初
被确定为仅限于神经系统，但现在认为多数组织中
都有表达 [26]。Rac 参与调控 NOX1和 NOX3的活
化过程，但在 NOX3活化中是否发挥作用还有争议。
目前仍没有证据表明 Rac参与 NOX4和 NOX5及
DUOX等活化的数据。
2　NOX家族及其亚基的结构
2.1　NOX和DUOX的结构
NOX蛋白结构的特异性决定了家族各成员的
活性、功能等的差异，七个成员根据其蛋白质分子
的结构不同分为三组 [27]，NOX家族三组蛋白结构
示意图如图 1所示。
第一组由 NOX1~4四个 NOX蛋白组成，它们
的蛋白分子包括两大结构域：部分伸向胞浆的 C末
端和疏水跨膜区 N末端。其中 C末端有一个黄素
图1 NOX和DUOX的结构示意图[28]
韩晓燕，等：NOX家族蛋白的研究进展第6期 571
蛋白脱氢酶区，包含 NADPH-和 FAD-结合位点；
N末端有六个保守的跨膜区，也叫跨膜 α单环。其
中在第三个和第五个跨膜区各有两个结合亚铁血红
素的保守组氨酸残基，为带有两个不均衡血红素的
铁提供了支撑轴和远端配体。跨膜螺旋组氨酸残基
的模型表明，两个血红素大概位于膜内外的小叶上，
并且垂直于膜双层，为氧上丢失的电子经过细胞质
NADPH和 FAD，穿过膜到达血红素，最后穿透细
胞形成活性氧提供了通道。
NOX5单独被列为第二组，除包含有 NOX1~4
的结构域外，还在 N末端有四个 EF手结构域，此
结构域被认为是钙离子 (Ca2+)的结合位点，认为钙
离子的结合改变了 EF手结构，使其更易与催化区
域结合。
NOX家族蛋白的第三组是 DUOX氧化酶，它
不仅包含 NOX1~5的结构域 (与 NOX5不同的是，
其有两个 EF手结构 )，而且还在 N末端有一个髓
过氧化物酶样胞外域，即图 1中的类超氧化物酶样
区域，也称第七个跨膜区，因此称 DUOX酶为双
功能氧化酶。
2.2　调节亚基的结构
调节亚基是 NOX酶复合体形成及活化所必需
的，其结构示意图如图 2 [29]。p22phox 的 N末端与
NOX结合，C 末端有一个结合 p47phox的脯氨酸富
集区 (proline rich region, PRR)。
磷酸化的 p47phox是 NOX活化组装过程中的
触发器，包含多元的 C末端 PRR区和自动抑制区
(auto-inhibitory region, AIR)、中间的 bis-SH3区 (Src
homology 3, Src同源 3结构区 )和 N末端的吞噬细
胞氧化酶区 (phagocytic cell oxidation, PX)。其中 AIR
区包含多个丝氨酸残基，是磷酸化的激发位点。
NOXO1与 p47phox不同的是缺少多元的自动抑制
区和调节磷酸化的位点。当外源性刺激存在时，
p47phox的 AIR区丝氨酸残基磷酸化，同时 PRR区
与 p67phox和 p40phox的 SH3区结合，组织胞质亚基
向胞膜迁移。
p67phox和 NOXA1仅有 28%的同源性，结构上
都包括 C末端的 SH3区、一个较保守的 PB1(Phox
and Bem 1)区、一个高度保守的活化区 (activation
domain, AD)和 N末端的 TPR(tetratricopeptide repeats)
区。其中 SH3区结合 p47phox，而 PB1区与 p40phox
的 PB1区的结合调节了 p40phox与 PHOX调节蛋白
复合物的结合，TPR区有 Rac GTPase的结合位点。
但与 p67phox不同的是，NOXA1的类 PB1结构缺少
一个保守的赖氨酸残基，所以不能与 p40phox结合。
p40phox的结构包括一个 SH3区、一个 PX区和
一个 PB1区，其 SH3区域能够与 p67phox C末端的
SH3区域一起竞争结合 p47phox的 PRR区，表明一些
结合亚基的重排可能发生在组装或是活化过程中。
3　NOX家族的活化
只有当 NOX家族蛋白亚型与跨膜亚基和胞浆
亚基结合，并组装成有活性的复合体后才能发挥其
生物学功能，其中胞浆亚基向胞膜迁移后与 NOX
蛋白组装成复合体是 NOX蛋白活化的基础。不同
的细胞亚基在 NOX酶复合体组装及活化的过程中
发挥不同的作用。其中 p22phox是膜结合亚基，不仅
参与了 NOX蛋白的固定，而且招募胞质亚基
p67phox、p47phox、p40phox和胞质小分子 GTP酶结合
蛋白 Rac向胞膜移动。p67phox的 N末端具有分别与
图2 NOX家族调节亚基的结构示意图[30]
生命科学 第24卷572
小分子 GTP酶结合蛋白 Rac和 p40phox结合的区域，
从而诱导了 Rac和 p40phox向细胞膜的迁移。p47phox
C末端的PRR区可以与p67phox C末端的SH3区结合，
从而发挥募集胞质亚基 p67phox、p40phox和 Rac的作
用。p40 phox的 PX区与膜磷脂紧密结合，在 NOX2
的活化过程中发挥招募蛋白质复合物的作用 [28]。
3.1　NOX2的活化——NADPH氧化酶活化的经典
模式
吞噬细胞 NADPH氧化酶通常是静息的，当机
体受到外界胁迫因子，如射线、紫外线、重金属、
环境污染及细菌等刺激时，NADPH氧化酶胞质亚
基 p47phox发生磷酸化，导致其构象改变，分子间的
紧密结合打开，AIR区被释放，同时 SH3区和 PX
区暴露出来，随后 p67phox利用其 C末端的 SH3区
结合 p47phox的 PRR区，磷酸化的 p47phox携带 p67phox、
p40phox和 Rac向细胞膜迁移，最后利用 N末端暴
露的 SH3区与伸向胞质中的 p22phox的 PRR区结合，
最终实现胞膜亚基单位与胞质亚基单位在细胞膜
上的集合与装配，在胞膜上形成有活性的 NADPH
氧化酶复合体 [31]，该复合体组装并产生超氧化物
的示意图如图 3所示。某些静息的非吞噬细胞中也
有 NOX2的表达，活化模式是相同的，只是活性
比较低。
3.2　NOX1的活化
NOX1的活化需要膜亚基 p22phox及胞质亚基
NOXO1/p47phox、NOXA1/p67phox 和 Rac1，p40phox 不
参与 NOX1的活化。当 p47phox缺失时，由于 NOXO1
磷酸化调节位点的缺失和 PX区与静息细胞膜结合
能力的丧失，NOX1的活化依赖 NOXA1的活化区
域；但当 NOX1活化时，亚基 NOXO1仍旧会与
p22phox的 PRR区结合。当 NOXO1缺失时，Rac1
被激活，Rac-GTP结合 NOXA1的 TPR区域，最
终 NOX1被 Rac-GTP调控活化。与经典的 NOX2-
p47phox-p67phox-Rac活化系统需要蛋白磷酸化和脂质
磷酸化不同，NOX1活化系统中 Rac1鸟苷酸的改变
可能是目前唯一被确定的活化触发点，但是 NOX1
通过 Rac1的活化仅在细胞内 NOXO1和 NOXA1
水平较低时发生 [32]。除了NOXO1和NOXA1，NOX1
还表现出一种独特的能力，即当细胞中 NOXO1伴
随 p67phox表达，或是 NOXA1伴随 p47phox表达时也
能活化，但异源亚基调节的 NOX1活性要比同源亚
基调节的低 [33]。
3.3　NOX3的活化
NOX3在 p22phox存在而其他调节亚基缺失的情
况下能产生少量的 ROS，因为 NOX3能与 p22phox
单独形成一个复合物，但调节亚基的存在能够明显
增加 NOX3的活性。NOX3活化时，亚基的调控根
据物种的不同而各异，人的 NOXO1在 NOXA1或
p67phox缺失时能够调节 NOX3的活化，但鼠的 NOX3
活化同时需要 NOXO1和 NOXA1。目前的研究发
现 Rac1在 NOX3活化调节中不发挥作用，因为
Rac1的显性失活和组成型激活突变形式均不会影响
NOX3的活化 [34]。
3.4　NOX4的活化
在遇到佛波酯 (phorbol-12-myristate-13-acetate,
PMA)或钙离子这样的刺激源时，NOX4均能表现
出高度的活性，而且 NOX4的活性不受调节亚基
p47phox/NOXO1、p67phox/NOXA1和 Rac的影响，仅
与 p22phox有密切的相关性。与 NOX1~3活化模式
不同的是，NOX4活化不依赖 p22phox的 PRR区，
这可能与 p47phox或 NOXO1的缺失有关。免疫共沉
淀结果表明 NOX4与 p22phox共定位于人的肾组织，
图3 吞噬细胞NADPH氧化酶NOX2的组装活化[2]
韩晓燕，等：NOX家族蛋白的研究进展第6期 573
这些发现表明 NOX4-p22phox复合体在没有其他调
节亚基辅助时也能产生 ROS，其他一些研究也表
明一些细胞中 NOX4能够被迅速激活，但机制仍
不清楚。例如，胰岛素在 5 min内能够激活 NOX4
产生 ROS，这一迅速的反应只能靠 NOX4蛋白表
达量增加来解释，而脂多糖通过 TLR受体信号级
联在 30 min后才能激活 NOX4[35]。
3.5　NOX5的活化
除了 NOX1~4的基础 NOX催化结构外，NOX5
在 N末端还有四个结合钙离子的 EF-手结构，研究
认为钙离子的结合改变了 EF手结构，使其更易与
催化区域结合，这一过程促使电子从 NADPH转移
到氧形成超氧化物，所以单独存在的钙离子就能
激活 NOX5，但只有在钙离子浓度比生理环境中的
钙离子浓度高时才能诱导NOX5的活化。研究表明，
PMA能够触发 NOX5 T494和 S498的磷酸化，增
加其对钙离子的敏感性，所以 NOX5的活化可能涉
及钙离子和氨基酸残基磷酸化通路两个方面的相
互协调 [36-37]。
3.6　DUOX1/2的活化
人的 DUOX酶类似于 NOX5，包含 EF手结构，
虽然是两个而不是四个，但不影响与钙离子的结合。
钙离子结合区域的存在解释了在丰富表达 DUOX
的甲状腺细胞和人类支气管细胞中钙离子触发了
ROS的产生。报道显示人类 DUOX2能够与 p22phox
结合，但 p22phox对 DUOX酶的活化仅发挥很小的
作用，甚至不起作用。在经典的 NADPH氧化酶活
化模式中，p22phox是 NOX2糖基化和膜上定位所必
需的，所以与 DUOX蛋白相关的 p22phox也可能发
挥类似的作用 [38-39]。
4　NOX家族的功能
4.1　NOX家族的功能
虽然不同的 NOX亚型可能有物种、哺乳动物
和组织分布的差异，但 NOX家族分布的广泛性决
定了其蛋白功能的全面性。生理过程中的 NOX蛋
白参与调控细胞生长、分化、凋亡和细胞骨架重塑，
而且某些 NOX亚型具有特殊功能，如宿主防御
(NOX2)、内耳中耳石的形成 (NOX3)、甲状腺激素
的合成 (DUOX2)和血管张力的调控 (NOX2)等。
NOX家族亚基过表达或是缺失与机体多个器官疾
病的发生有一定的相关性。NOX源性的 ROS牵涉
到的疾病有慢性肉芽肿疾病、阿尔茨海默病、胃肠
道炎症、高血压、动脉粥样硬化、肿瘤、甲状腺功
能减退及囊肿性纤维化、类风湿性关节炎和糖尿病
等 [40]。
NADPH氧化酶的 NOX家族主要通过活化后
生成的 ROS来完成生理病理功能。吞噬细胞的
NADPH氧化酶在静息细胞中没有活性，在病原微
生物、炎症介质、外界因子等刺激时活化产生的
ROS与机体宿主防御有关。与吞噬细胞 NADPH氧
化酶不同的是，非吞噬细胞 NADPH氧化酶在生理
条件下保持一定的活性，产生胞内胞外的 ROS。通
过此途径产生的 ROS并不主要起细胞防御功能，
而是作为“信号分子”和“基因表达开关”参与了
细胞分化、增殖、凋亡 (细胞内源性的 ROS)及细
胞间的信号通路的调控 (细胞外源性的 ROS)。当
收到胞外因子的刺激信息时，NOX家族蛋白过表
达，产生过量的 ROS，与人体疾病的发生发展有密
切的关系 [41]。
4.2　生成ROS的主要途径
ROS是一类在需氧代谢和有氧环境中形成，
在分子组成上含有氧，且比氧自身有更高化学活性
的物质总称。机体内的 ROS有许多种来源，其主
要的生成途径包括环氧化酶、细胞色素 p450、内皮
一氧化氮合酶 (nitric oxide synthase, NOS)、脂肪氧
化酶、线粒体呼吸、NADPH氧化酶 NOX家族、
黄嘌呤氧化酶 (xanthine oxidase, XO)和髓过氧化物
酶 (MPO)等 [42]。
4.3　ROS的分类
化学因素 (氧化还原反应、电子传递、金属离
子催化、药物等 )、物理因素 (射线、光、热等 )和
生物因素 (酶的催化 )都可诱导细胞内产生高浓度
的 ROS；同时，许多细胞在氧化应激或是生理代谢
过程中均能产生一定量的 ROS。机体产生的这些
ROS有两种类型：一种是外层分子轨道包含一个或
多个未成对电子的自由基 ROS，包括超氧阴离子自
由基 (O2
•−)、羟自由基 (•OH)、过氧亚硝酸盐自由基
(peroxynitrite, ONOO−)和次氯酸盐自由基 (hypochlorite,
OCl−)等；另一种是不包含未配对电子，但通过化
学反应可转换成自由基 ROS的非自由基 ROS，包
括过氧化氢 (hydrogen peroxide, H2O2)、单态氧、臭
氧和氢过氧化物等 [43]。各种活性氧的生成过程如图
4所示。机体内 NADPH氧化酶 NOX家族活化产
生的 ROS主要是 O2
•−，而 H2O2和 •OH分别是 O2
•−
和 H2O2的产物。
O2
•−是 NOX蛋白活化的主要产物，通过分子
氧一个电子的缺失而形成，具有高度的活性，但寿
生命科学 第24卷574
命较短，通常在水溶液中不会发生有害反应，当自
发或通过锰超氧化物歧化酶 (superoxide dismutase,
SOD)催化生成 H2O2及金属离子将 H2O2催化生
成 •OH时才表现出毒性。由于 O2
•−带有负电荷，
因此不能穿透细胞膜，而是通过特定的电压离子
通道转运到胞质中，作为信号分子参与细胞内信号
转导。O2
•−与一氧化氮 (nitric oxide, NO)反应产生
的 ONOO-，也是一种参与硝化反应的强氧化剂 [45]。
理论上讲，SOD和 NO都为 O2
•−的清除剂，但 O2
•−
通过 SOD生成 H2O2的速率仅为 O2
•−与 NO反应速
率的三分之一。
4.4　ROS的功能
迄今为止，国内外的研究均已证实 ROS的作
用存在剂量 -效应关系，如海春旭 [46]研究表明，加
入或通过一定体系激发产生 ROS，其产生的量对细
胞的发展和归宿具有剂量 -效应影响。当 ROS剂量
较低时，可改变细胞功能或活性状态；中等剂量可
导致细胞凋亡；剂量过高时则可造成细胞结构的损
伤，甚至导致细胞死亡。这些研究结果提示，ROS
对细胞功能的影响存在一定的剂量 -效应关系。
4.4.1　ROS与细胞进展
ROS参与机体内的信号转导，与细胞的发展
及归宿密不可分。ROS是机体生理功能的基础，通
过直接反应调节多种信号转导、修饰蛋白结构、转
录因子和基因，并调节它们的功能。ROS参与细胞
生长、分化、凋亡信号和酶活性的调控，通过刺激
炎性因子的产生而参与炎症反应，清除病原微生物
和外源物质。生长因子、细胞因子或是 G蛋白偶联
PHOX：吞噬细胞氧化酶区；MPO：髓过氧化物酶；SOD：超氧化物歧化酶。
图4 活性氧的生成[44]
图5 ROS与细胞发展[47]
受体激动剂活化分泌可以引起细胞内超氧化物和过
氧化氢的瞬时升高，而 ROS特异性抑制剂或是
H2O2清除剂能够阻断血小板衍生生长因子 (platelet
derived growth factor, PDGF)、表皮生长因子 (epidermal
growth factor, EGF)和 血管紧张素 II(angiotensin II,
Ang II)等诱导的信号。所以 ROS可能调节生长因
子和其他因子的信号通路，也可能增强了信号转导
作用 [43]。
ROS的作用是双刃剑，适量的 ROS的增加可
以促进细胞增殖、分化和凋亡；当 ROS生成量超
过机体调节能力时，则会触发细胞死亡 (图 5)[47]。
丝裂原活化蛋白激酶 (mitogen-activated protein kinases,
MAPKs)信号转导通路在细胞增殖、分化、凋亡等
韩晓燕，等：NOX家族蛋白的研究进展第6期 575
生物学反应过程中具有至关重要的作用，包括胞外
信号调节激酶 (extracellular signal-regulated kinase,
ERK)、c-Jun 氨基末端激酶 (c-Jun N-terminal kinase,
JNK)和p38MAPK三个成员 [48]。ROS作为信号分子，
通过调节 ERK1/2通路及核转录因子 (nuclear factor-
κB, NF-κB)的活化促进细胞增殖和分化 [49]，而中度
增加的 ROS可诱导细胞凋亡。目前为止发现的
ROS诱导细胞凋亡的途径有很多条，如 ROS可以
诱导神经酰胺的生成、JNK的活化、P13激酶调节
蛋白 P85的表达等从而引发细胞凋亡途径 [50]。高浓
度 ROS对细胞有直接杀伤作用，如机体吞噬细胞
能够通过过氧化氢清除入侵的病原微生物和外源物
质；高浓度 ROS可使 caspase失活，甚至造成细胞
坏死等。总之，如图 6所示，ROS激活MAPKs通
路，促进了细胞进展。
4.4.2　ROS诱导的损伤
细胞内大量增加的 ROS(主要有超氧阴离子自
由基、羟自由基和过氧化氢 )能使细胞内主要成份，
如 DNA、蛋白质和脂质受到严重的氧化损伤。其
中 DNA受损是最常见的一种类型，主要有嘌呤和
嘧啶碱基、DNA-蛋白质交联的改变以及寡核苷酸
链和碱基位点的断裂等 [51]；蛋白质损伤是 ROS诱
导肽链裂解，进而导致氨基酸侧链直接发生氧化修
饰；而脂质发生过氧化后，会降低生物膜的流动性，
并增加细胞膜的通透性。瞬时急剧增加的 ROS引
起细胞内大量氧化反应，最终导致细胞坏死，甚至
死亡 [52]。
ROS诱导的氧化压力对细胞大分子造成的严
重损伤持续存在时，可能会引起机体器官生理功能
障碍。当机体受到血管病理刺激因子、炎症介质、
钙离子、UFPs及药物等刺激时，机体内过表达的
NOX蛋白活化，产生过量的 ROS。持续增高的
ROS诱导的氧化压力与炎症、肿瘤、心血管疾病、
糖尿病肾病及肺部缺血 /再灌注损伤等机体多种疾
病的发生发展有密切的关系。
5　结语
尽管 NADPH氧化酶 NOX家族及其所产生的
ROS受到越来越多的关注，但 NOX蛋白亚单位分
布及结构、活性调控机制、有效的特异性抑制剂及
在肿瘤、心血管等老年性疾病发生中的作用还有待
研究。基因敲除和敲入动物模型实验以及高质量抗
体如单克隆抗体的应用，有望在 NOX家族的研究
中发挥重要作用。由于 NOX家族诱导了多种疾病
的发生、发展，所以靶向作用于 NOX的药物在各
种疾病的治疗中被期待能够广泛使用，NOX蛋白
特异性抑制剂的应用有望为肿瘤的临床治疗提供新
思路。而 NOX作为肿瘤放疗增敏的潜在靶点，将
MAPKK: MAPK激酶; MAP3K: 一种MAPKK激酶; MEK1/2、MKK4/7和MKK3/6: MAPKKs家族成员。
图6 ROS激活的MAPKs通路与细胞进展
生命科学 第24卷576
可能为提高肿瘤放疗敏感性作出巨大的贡献。
[参　考　文　献]
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