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大连医科大学学者揭示PRDX3参与肠缺血/再灌注损伤的确切机制


    

肠道缺血再灌注(I/R)所致损伤常见于多种临床疾病,严重时可威胁患者的生命。肠道I/R包括粘膜屏障损伤和细菌移位,最初发生在肠道,也是全身炎症反应综合征(SIRS)和多器官功能障碍综合征(MODS)的诱因。过氧化氢诱导的线粒体氧化损伤在肠道I/R损伤中起着重要的作用,PRDX3是一种有效的过氧化氢清除剂,可保护细胞免受线粒体氧化损伤与凋亡。然而,PRDX3在肠道I/R损伤中的作用尚不清楚。

 

2019年10月12日,大连医科大学附属第二医院田晓峰课题组Redox Biology杂志上在线发表了题为“SIRT3-mediated deacetylation of PRDX3 alleviates mitochondrial oxidative damage and apoptosis induced by intestinal ischemia/reperfusion injury”的文章,首次证实了PRDX3在肠I/R损伤中的重要作用,即SIRT3介导的PRDX3去乙酰化可减轻肠I/R诱发的线粒体氧化损伤和细胞凋亡。

 

线粒体中积累的活性氧,主要由·O2−和过氧化氢组成,是细胞内氧化应激的主要来源。线粒体内的过氧化氢容易通过膜扩散,增强不同类型的氧化应激并破坏细胞大分子,例如蛋白质、脂类和核酸,田晓峰课题组证实了线粒体过氧化氢增加及其后续的有害效应在肠道I/R损伤中起重要作用,因此,清除线粒体内的过氧化氢可能是减轻I/R诱发的ROS积累和细胞凋亡的有效策略。

 

过氧化氢主要通过过氧化氢酶、谷胱甘肽过氧化物酶(GPx)和过氧化物酶(PRDX)家族成员去除,PRDX3、GPx1和GPx4是该家族在线粒体中的主要成员。以往的研究表明,PRDX3过表达可清除过量的过氧化氢,保护细胞免受过氧化氢诱导的细胞凋亡。研究人员通过肠系膜上动脉阻塞建立小鼠肠I/R模型,对Caco-2细胞进行缺氧/复氧(H/R)模拟体内I/R。他们首先发现在I/R损伤后和H/R损伤后的Caco-2细胞中PRDX3表达降低。此外,在Caco-2细胞中,PRDX3的过表达降低了H/R诱发的线粒体氧化损伤和细胞凋亡水平,因此,他们假设PRDX3通过减少线粒体过氧化氢和细胞凋亡来保护肠免受I/R损伤。

 

 PRDX3减轻肠I/R线粒体氧化损伤和细胞凋亡

图1. PRDX3减轻肠I/R线粒体氧化损伤和细胞凋亡

 

PRDX3翻译后修饰已有多种报道,包括乙酰化、泛素化、丙二酰化和琥珀酰化。该研究主要探究去乙酰化对PRDX3活性的影响。Sirtuin-3(SIRT3),一种主要在线粒体表达的高度保守的烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD+)依赖的去乙酰化酶。调节参与脂肪酸氧化、氧化磷酸化和抗氧化反应体系的几个线粒体蛋白质的功能。许多证据表明SIRT3在线粒体稳态和活性氧处理中的作用,在一些I/R模型中验证了SIRT3在线粒体中的保护作用。然而,SIRT3不能立即清除ROS,PRDX3被可逆的乙酰化修饰。因此,研究人员推测SIRT3通过去乙酰化PRDX3在肠I/R损伤中发挥作用。

 

PRDX3乙酰化在肠I/R损伤中起着重要作用

图2. PRDX3乙酰化在肠I/R损伤中起着重要作用

 

进一步的研究表明,SIRT3在肠I/R损伤和H/R损伤后Caco-2细胞表达呈时间依赖性下降,与PRDX3乙酰化呈负相关。此外,SIRT3直接结合和脱乙酰基化PRDX3,通过coIP和IP实验证明了这一点。更重要的是,在SIRT3敲低实验中,NAM不能增加PRDX3的乙酰化。这些结果表明,SIRT3是NAD+依赖性脱乙酰基酶,其脱乙酰并增加PRDX3的活性。然而,机制研究表明,这种脱乙酰的详细机制需要进一步阐明。

 

肠道中PRDX3被SIRT3脱乙酰基

图3. 肠道中PRDX3被SIRT3脱乙酰基

 

先前的高通量人类蛋白质组学评估表明,SIRT3可以通过靶向PRDX3赖氨酸残基上的K83、K91、K253或K196位点来使PRDX3去乙酰化。通过IP实验筛选这些乙酰化的潜在位点,发现SIRT3对Caco-2细胞中PRDX3上的K253位点去乙酰化。此外,缺氧12h后复氧4h的Caco-2细胞中PRDX3上的赖氨酸残基K253突变为精氨酸(K253R),增加了它的二聚化。转染K253R质粒的Caco-2细胞线粒体损伤程度和凋亡明显降低,转染K253Q质粒可消除PRDX3过表达的保护作用。对临床患者缺血小肠的分析进一步证实了SIRT3与PRDX3的相关性。

 

 SIRT3和PRDX3在临床患者缺血性肠道中的表达

图4. SIRT3和PRDX3在临床患者缺血性肠道中的表达

 

总而言之,该研究首次证实了PRDX3在肠I/R损伤中的重要作用。结果表明,SIRT3对PRDX3上的K253残基的去乙酰化作用,提高了H/R损伤后Caco-2细胞中PRDX3的活性。这些结果表明SIRT3/PRDX3是肠I/R损伤的重要信号通路,为肠I/R损伤提供了新的治疗靶点。

 

原文检索:

SIRT3-mediated deacetylation of PRDX3 alleviates mitochondrial oxidative damage and apoptosis induced by intestinal ischemia/reperfusion injury.

DOI:https://doi.org/10.1016/j.redox.2019.101343

 

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