Specii reactive de oxigen - Reactive oxygen species

Principalele surse celulare de ROS în celulele non- fotosintetice vii . Dintr-o recenzie a lui Novo și Parola, 2008.

Speciile de oxigen reactiv ( ROS ) sunt substanțe chimice foarte reactive formate din O 2 . Exemple de ROS includ peroxizi , superoxizi , radical hidroxil , oxigen singulet și alfa-oxigen .

Reducerea oxigenului molecular (O 2 ) produce superoxid ( O-
2
), care este precursorul celor mai multe alte specii reactive de oxigen:

O 2 + e -O-
2

Demutarea superoxidului produce peroxid de hidrogen (H 2 O 2 ):

2 H + + O-
2
+ O-
2
→ H 2 O 2 + O 2

La rândul său, peroxidul de hidrogen poate fi parțial redus, formând astfel ioni hidroxid și radicali hidroxil ( OH) sau complet redus la apă :

H 2 O 2 + e - → HO - + OH
2 H + + 2 e - + H 2 O 2 → 2 H 2 O

În context biologic, ROS sunt produse secundare ale metabolismului normal al oxigenului . ROS au roluri în semnalizarea celulară și homeostazie . ROS sunt intrinseci funcționării celulare și sunt prezente la niveluri scăzute și staționare în celulele normale. La legume, ROS sunt implicate în procesele metabolice legate de fotoprotecție și toleranță la diferite tipuri de stres. Cu toate acestea, ROS poate provoca daune ireversibile ADN-ului, deoarece acestea oxidează și modifică unele componente celulare și le împiedică să își îndeplinească funcțiile originale. Acest lucru sugerează că ROS are un rol dublu; dacă vor acționa ca factori nocivi, de protecție sau de semnalizare depinde de echilibrul dintre producția și eliminarea ROS la momentul și locul potrivit. Cu alte cuvinte, toxicitatea oxigenului poate apărea atât din producția necontrolată, cât și din eliminarea ineficientă a ROS de către sistemul antioxidant. În perioadele de stres ambiental (de exemplu, expunerea la radiații UV sau la căldură), nivelurile ROS pot crește dramatic. Acest lucru poate duce la deteriorarea semnificativă a structurilor celulare. În mod cumulativ, acest lucru este cunoscut sub numele de stres oxidativ . Producția de ROS este puternic influențată de răspunsurile factorilor de stres la plante, acești factori care cresc producția de ROS includ seceta, salinitatea, răcirea, apărarea agenților patogeni, deficiența de nutrienți, toxicitatea metalelor și radiația UV-B . ROS sunt, de asemenea, generate de surse exogene, cum ar fi radiațiile ionizante care generează efecte ireversibile în dezvoltarea țesuturilor atât la animale, cât și la plante.

Surse de producție ROS

Mecanisme de radicali liberi în leziunile țesuturilor. Toxicitatea radicalilor liberi indusă de xenobiotice și detoxifierea ulterioară de către enzimele celulare (terminare).

Surse endogene

ROS sunt produse de reacțiile biochimice care apar în timpul proceselor de respirație și fotosinteză în organite, cum ar fi mitocondriile , peroxizomii și cloroplastele . În timpul procesului de respirație, mitocondriile convertesc energia pentru celulă într-o formă utilizabilă, adenozin trifosfat (ATP). Procesul de producție a ATP în mitocondrii, denumit fosforilare oxidativă , implică transportul protonilor (ioni de hidrogen) prin membrana mitocondrială internă prin intermediul lanțului de transport al electronilor . În lanțul de transport al electronilor, electronii sunt trecuți printr-o serie de proteine prin reacții de oxidare-reducere, fiecare proteină acceptor de -a lungul lanțului având un potențial de reducere mai mare decât precedentul. Ultima destinație pentru un electron de-a lungul acestui lanț este o moleculă de oxigen. În condiții normale, oxigenul este redus pentru a produce apă; cu toate acestea, în aproximativ 0,1-2% din electronii care trec prin lanț (acest număr derivă din studii efectuate în mitocondriile izolate, deși rata exactă în organismele vii nu este încă pe deplin convenită), oxigenul este redus prematur și incomplet pentru a da radical superoxid ( O-
2
), cel mai bine documentat pentru Complexul I și Complexul III .

O altă sursă de producție a ROS în celulele animale este reacțiile de transfer de electroni catalizate de sistemele mitocondriale P450 din țesuturile steroidogene . Aceste sisteme P450 sunt dependente de transferul de electroni de la NADPH la P450. In timpul acestui proces, unii electroni „scurge“ și reacționează cu O 2 producând superoxid. Pentru a face față acestei surse naturale de ROS, țesuturile steroidogene, ovarul și testiculul, au o concentrație mare de antioxidanți precum vitamina C (ascorbat) și β-caroten și enzime anti-oxidante.

Dacă sunt prezente prea multe daune în mitocondrii, o celulă suferă apoptoză sau moarte celulară programată.

În plus, ROS sunt produse în semnalizarea celulelor imune prin calea NOX . Celulele fagocitare cum ar fi neutrofilele , eozinofilele și fagocitele mononucleare produc ROS atunci când sunt stimulate.

În cloroplaste , reacțiile de carboxilare și oxigenare catalizate de rubisco asigură funcționarea lanțului de transport al electronilor (ETC) într-un mediu bogat în O 2 . Scurgerea de electroni în ETC va produce inevitabil ROS în cloroplaste. ETC în fotosistemul I (PSI) s-a crezut cândva ca fiind singura sursă de ROS în cloroplaste. Potrivit lui Huang și colab. fluxul de electroni din centrele de reacție excitate este direcționat către NADP și aceștia sunt reduși la NADPH, apoi intră în ciclul Calvin și reduc acceptorul final de electroni, CO 2 . În cazurile în care există o supraîncărcare ETC, o parte din fluxul de electroni este deviat de la feredoxină la O 2 , formând radicalul liber superoxid (prin reacția Mehler ). În plus, scurgerea de electroni către O 2 poate apărea și din grupurile 2Fe-2S și 4Fe-4S din PSI ETC. Cu toate acestea, PSII prevede locații de scurgere de electroni (QA, QB) pentru O 2 -producatoare O 2 -. Superoxidul (O 2 -) este generat din PSII, în loc de PSI; QB este afișat ca locație pentru generarea de O 2 • -.

Surse exogene

Formarea ROS poate fi stimulată de o varietate de agenți precum poluanți, metale grele , tutun , fum, droguri, xenobiotice sau radiații. La plante, pe lângă acțiunea factorilor abiotici uscați , temperatura ridicată, interacțiunea cu alte ființe vii poate influența producția de ROS.

Radiațiile ionizante pot genera intermediari dăunători prin interacțiunea cu apa, un proces numit radioliză . Deoarece apa cuprinde 55-60% din corpul uman, probabilitatea de radioliză este destul de mare în prezența radiațiilor ionizante. În acest proces, apa pierde un electron și devine extrem de reactivă. Apoi printr-o reacție în lanț în trei etape, apa este convertită secvențial în radical hidroxil ( OH), peroxid de hidrogen (H 2 O 2 ), radical superoxid ( O-
2
) și, în cele din urmă, oxigen (O 2 ).

Radicalul hidroxil este extrem de reactiv și elimină imediat electronii din orice moleculă în calea sa, transformarea acestei molecule într - un radical liber și de înmulțire , astfel , o reacție în lanț. Cu toate acestea, peroxidul de hidrogen este de fapt mai dăunător ADN-ului decât radicalul hidroxil, deoarece reactivitatea redusă a peroxidului de hidrogen oferă suficient timp pentru ca molecula să se deplaseze în nucleul celulei, reacționând ulterior cu macromolecule precum ADN-ul.

La plante, producția de ROS are loc în timpul evenimentelor de stres abiotic care duc la reducerea sau întreruperea activității metabolice. De exemplu, creșterea temperaturii, seceta sunt factori care limitează disponibilitatea CO 2 datorită închiderii stomatale , crescând producția de ROS, cum ar fi O 2 · - și 1 O 2 în cloroplaste. Producerea de 1 O 2 în cloroplaste poate provoca reprogramarea expresiei genelor nucleului care duce la cloroză și moarte celulară programată . În cazurile de stres biotic, generarea ROS apare inițial rapid și slab și apoi devine mai solidă și mai durabilă. Prima fază a acumulării ROS este asociată cu infecția plantelor și este probabil independentă de sinteza noilor enzime generatoare de ROS . Cu toate acestea, a doua fază a acumulării ROS este asociată numai cu infecția cu agenți patogeni non-virulenți și este un răspuns indus, dependent de creșterea transcripției ARNm care codifică enzimele.

Enzime antioxidante

Superoxid dismutază

Superoxidul dismutaze (SOD) este o clasă de enzime care catalizează dismutarea superoxidului în oxigen și peroxid de hidrogen. Ca atare, acestea reprezintă o apărare antioxidantă importantă în aproape toate celulele expuse la oxigen. La mamifere și la majoritatea cordatelor, sunt prezente trei forme de superoxid dismutază. SOD1 este localizat în principal în citoplasmă, SOD2 în mitocondrii și SOD3 este extracelular. Primul este un dimer (este format din două unități), în timp ce celelalte sunt tetramere (patru subunități). SOD1 și SOD3 conțin ioni de cupru și zinc, în timp ce SOD2 are un ion de mangan în centrul său reactiv. Genele sunt localizate pe cromozomii 21, 6 și respectiv 4 (21q22.1, 6q25.3 și 4p15.3-p15.1).

Catalizat-SOD dismutare de superoxid pot fi scrise cu următoarele jumătăți de reacții:

  • M ( n +1) +  - SOD + O-
    2
    → M n + - SOD + O 2
  • M n + - SOD + O-
    2
    + 2H + → M ( n +1) + - SOD + H 2 O 2 .

unde M =  Cu ( n  = 1); Mn ( n  = 2); Fe ( n  = 2); Ni ( n  = 2). În această reacție, starea de oxidare a cationului metalic oscilează între n și n  + 1.

Catalaza , care este concentrată în peroxizomi situați lângă mitocondrii, reacționează cu peroxidul de hidrogen pentru a cataliza formarea apei și a oxigenului. Glutation peroxidaza reduce peroxidul de hidrogen prin transferarea energiei peroxizilor reactivi la o dipeptidă cu conținut de sulf numită glutation . Sulful conținut de aceste enzime acționează ca centrul reactiv, transportând electronii reactivi din peroxid către glutation. Peroxiredoxins De asemenea , degrade H 2 O 2 , în interiorul mitocondriile, citosol și nucleu.

  • 2 H 2 O 2 → 2 H 2 O + O 2 (catalază)     
  • 2GSH + H 2 O 2 → GS – SG + 2H 2 O (glutation peroxidază)     

Oxigen singlet

Un alt tip de specie reactivă de oxigen este oxigenul singlet ( 1 O 2 ) care este produs de exemplu ca produs secundar al fotosintezei la plante. În prezența luminii și a oxigenului, fotosensibilizatorii precum clorofila pot transforma tripletul ( 3 O 2 ) în oxigen singulet:

Oxigenul singlet este foarte reactiv, în special în cazul compușilor organici care conțin legături duble. Deteriorarea rezultată cauzată de oxigenul singlet reduce eficiența fotosintetică a cloroplastelor . La plantele expuse la exces de lumină, producția crescută de oxigen singlet poate duce la moartea celulelor. Diferite substanțe, cum ar fi carotenoidele , tocoferolii și plastochinonele conținute în cloroplaste sting oxigenul singlet și protejează împotriva efectelor sale toxice. În plus față de toxicitatea directă, oxigenul singlet acționează ca o moleculă de semnalizare . Produsele oxidate de β-caroten provenite din prezența oxigenului singlet acționează ca al doilea mesager care poate proteja împotriva toxicității induse de oxigen singlet sau poate iniția moartea celulară programată. Nivelurile de iasmonat joacă un rol cheie în decizia dintre aclimatarea celulară sau moartea celulei ca răspuns la niveluri ridicate ale acestei specii reactive de oxigen.

Efecte dăunătoare

Efectele ROS asupra metabolismului celular sunt bine documentate la o varietate de specii. Acestea includ nu numai roluri în apoptoză (moarte celulară programată), ci și efecte pozitive, cum ar fi inducerea genelor de apărare a gazdei și mobilizarea transportorilor de ioni . Acest lucru îi implică în controlul funcției celulare. În special, trombocitele implicate în repararea plăgilor și homeostazia sângelui eliberează ROS pentru a recruta trombocite suplimentare în locurile de rănire . Acestea oferă, de asemenea, o legătură cu sistemul imunitar adaptiv prin recrutarea leucocitelor .

Speciile reactive de oxigen sunt implicate în activitatea celulară la o varietate de răspunsuri inflamatorii, inclusiv la boli cardiovasculare . Ele pot fi, de asemenea, implicate în deficiențe de auz prin leziuni cohleare induse de niveluri sonore ridicate , în ototoxicitatea medicamentelor cum ar fi cisplatina și în surzenia congenitală atât la animale, cât și la oameni. ROS sunt, de asemenea, implicate în medierea apoptozei sau a morții celulare programate și a leziunilor ischemice . Exemple specifice includ accident vascular cerebral și atac de cord .

În general, efectele nocive ale speciilor reactive de oxigen asupra celulei sunt cel mai adesea:

  1. deteriorarea ADN-ului sau ARN-ului
  2. oxidarea acizilor grași polinesaturați din lipide ( peroxidarea lipidelor )
  3. oxidările aminoacizilor din proteine
  4. dezactivarea oxidativă a enzimelor specifice prin oxidarea co-factorilor

Răspunsul agentului patogen

Când o plantă recunoaște un agent patogen atacant, una dintre primele reacții induse este producerea rapidă de superoxid ( O-
2
) sau peroxid de hidrogen ( H
2
O
2
) pentru întărirea peretelui celular. Acest lucru previne răspândirea agentului patogen în alte părți ale plantei, formând în esență o plasă în jurul agentului patogen pentru a restricționa mișcarea și reproducerea.

La gazda mamiferelor, ROS este indus ca o apărare antimicrobiană. Pentru a evidenția importanța acestei apărări, indivizii cu boală granulomatoasă cronică care au deficiențe în generarea ROS, sunt extrem de sensibili la infecția de către o gamă largă de microbi, inclusiv Salmonella enterica , Staphylococcus aureus , Serratia marcescens și Aspergillus spp.

Studiile asupra homeostaziei intestinelor Drosophila melanogaster au arătat producerea ROS ca o componentă cheie a răspunsului imunitar în intestinul mustei. ROS acționează atât ca bactericid, deteriorând ADN-ul bacterian, ARN și proteine, cât și o moleculă de semnalizare care induce mecanisme de reparare a epiteliului . Uracil eliberat de microorganisme declanșează producerea și activitatea Duox, enzima ROS-producatoare in intestin. Activitatea Duox este indusă în funcție de nivelul uracilului din intestin; în condiții bazale, este reglat în jos de protein kinaza MkP3 . Reglarea strictă a Duox evită producția excesivă de ROS și facilitează diferențierea între microorganismele benigne și cele care provoacă daune în intestin.

Modul în care ROS apără gazda de microbii invadatori nu este pe deplin înțeles. Unul dintre cele mai probabile moduri de apărare este deteriorarea ADN-ului microbian. Studiile folosind Salmonella au demonstrat că mecanismele de reparare a ADN-ului erau necesare pentru a rezista uciderii de către ROS. Un rol pentru ROS în mecanismele de apărare antivirale a fost demonstrat prin intermediul helicazei-1 Rig-like și a proteinei de semnalizare antivirale mitocondriale. Nivelurile crescute de ROS potențează semnalizarea prin acest receptor antiviral asociat mitocondriilor pentru a activa factorul de reglare a interferonului (IRF) -3, IRF-7 și factorul nuclear kappa B (NF-κB), rezultând o stare antivirală. Celulele epiteliale respiratorii induc ROS mitocondrial ca răspuns la infecția gripală. Această inducție a ROS a condus la inducerea interferonului de tip III și la inducerea unei stări antivirale, limitând replicarea virală. În apărarea gazdei împotriva micobacteriilor, ROS joacă un rol, deși uciderea directă nu este probabil mecanismul cheie; mai degrabă, ROS afectează probabil controalele de semnalizare dependente de ROS, cum ar fi producția de citokine, autofagia și formarea granulomului.

Specii reactive de oxigen sunt , de asemenea , implicate în activarea, anergia si apoptoza celulelor T .

Daune oxidative

În organismele aerobe energia necesară pentru alimentarea funcțiilor biologice este produsă în mitocondrii prin intermediul lanțului de transport al electronilor . Specii reactive de oxigen (ROS) cu potențial de a provoca leziuni celulare sunt produse împreună cu eliberarea de energie. ROS pot deteriora lipide, ADN , ARN și proteine, care, în teorie, contribuie la fiziologia de îmbătrânire .

ROS sunt produse ca un produs normal al metabolismului celular . În special, un factor major la deteriorarea oxidativă este peroxidul de hidrogen (H 2 O 2 ), care este transformat din superoxid care se scurge din mitocondrii. Catalaza și superoxidul dismutază ameliorează efectele dăunătoare ale peroxidului de hidrogen și respectiv ale superoxidului, transformând acești compuși în oxigen și peroxid de hidrogen (care ulterior este transformat în apă), rezultând în producerea de molecule benigne . Cu toate acestea, această conversie nu este 100% eficientă, iar peroxizii reziduali persistă în celulă. În timp ce ROS sunt produse ca un produs al funcționării celulare normale, cantități excesive pot provoca efecte dăunătoare.

Afectarea funcției cognitive

Capacitățile de memorie scad odată cu înaintarea în vârstă, evidentă în bolile degenerative umane, cum ar fi boala Alzheimer , care este însoțită de o acumulare de daune oxidative. Studiile actuale demonstrează că acumularea de ROS poate reduce capacitatea de sănătate a unui organism, deoarece leziunile oxidative contribuie la senescență. În special, acumularea de leziuni oxidative poate duce la disfuncții cognitive, după cum s-a demonstrat într-un studiu în care șobolanilor vechi li s-au administrat metaboliți mitocondriali și apoi li s-au făcut teste cognitive . Rezultatele au arătat că șobolanii au avut rezultate mai bune după ce au primit metaboliții, sugerând că metaboliții au redus daunele oxidative și au îmbunătățit funcția mitocondrială. Acumularea daunelor oxidative poate afecta apoi eficiența mitocondriilor și poate crește în continuare rata producției de ROS. Acumularea de daune oxidative și implicațiile sale pentru îmbătrânire depinde de tipul de țesut special în care se produce dauna. Rezultate experimentale suplimentare sugerează că deteriorarea oxidativă este responsabilă de declinul funcționării creierului legat de vârstă . S-a constatat că gerbilele mai vechi au niveluri mai ridicate de proteine ​​oxidate în comparație cu gerbilele mai tinere. Tratamentul șoarecilor bătrâni și tineri cu un compus de captare a spinului a cauzat o scădere a nivelului de proteine ​​oxidate la gerbilele mai vechi, dar nu a avut efect asupra gerbilelor mai tinere. În plus, gerbilele mai vechi au îndeplinit sarcinile cognitive mai bine în timpul tratamentului, dar au încetat capacitatea funcțională când tratamentul a fost întrerupt, determinând creșterea nivelului de proteine ​​oxidate. Acest lucru i-a determinat pe cercetători să concluzioneze că oxidarea proteinelor celulare este potențial importantă pentru funcția creierului.

Cauza îmbătrânirii

Conform teoriei radicalilor liberi a îmbătrânirii , daunele oxidative inițiate de speciile reactive de oxigen contribuie major la declinul funcțional caracteristic îmbătrânirii. În timp ce studiile efectuate pe modele de nevertebrate indică faptul că animalele proiectate genetic pentru a nu avea enzime antioxidante specifice (cum ar fi SOD), în general, arată o durată de viață scurtată (așa cum ne-am aștepta din teorie), manipularea inversă, creșterea nivelului de enzime antioxidante, a avut a produs efecte inconsistente asupra duratei de viață (deși unele studii efectuate pe Drosophila arată că durata de viață poate fi crescută prin supraexprimarea MnSOD sau a enzimelor biosintezante ale glutationului). De asemenea, contrar acestei teorii, ștergerea SOD2 mitocondrială poate prelungi durata de viață în Caenorhabditis elegans .

La șoareci, povestea este oarecum similară. Ștergerea enzimelor antioxidante, în general, dă o durată de viață mai scurtă, deși studiile de supraexpresie nu au extins (cu unele excepții) durata de viață constantă. Studiul unui model de șobolan de îmbătrânire prematură a constatat stres oxidativ crescut , activitate enzimatică antioxidantă redusă și leziuni substanțial mai mari ale ADN-ului în creierul neocortex și hipocampus al șobolanilor în vârstă prematură decât la șobolanii martori în vârstă normală. Deteriorarea ADN-ului 8-OHdG este un produs al interacțiunii ROS cu ADN-ul. Numeroase studii au arătat că 8-OHdG crește odată cu înaintarea în vârstă (vezi teoria deteriorării ADN a îmbătrânirii ).

Infertilitatea masculină

Expunerea spermatozoizilor la stres oxidativ este un agent cauzal major al infertilității masculine . Fragmentarea ADN-ului spermei , cauzată de stresul oxidativ, pare a fi un factor important în etiologia infertilității masculine. Un nivel ridicat de deteriorare a ADN-ului oxidativ 8-OHdG este asociat cu spermatozoizi anormali și infertilitate masculină.

Cancer

ROS sunt generate în mod constant și eliminate în sistemul biologic și sunt necesare pentru a conduce căi de reglementare. În condiții fiziologice normale, celulele controlează nivelurile ROS prin echilibrarea generației ROS cu eliminarea lor prin sisteme de eliminare. Dar în condiții de stres oxidativ, ROSul excesiv poate deteriora proteinele celulare, lipidele și ADN-ul, ducând la leziuni fatale în celulă care contribuie la carcinogeneză.

Celulele canceroase prezintă un stres ROS mai mare decât celulele normale, parțial datorită stimulării oncogene, activității metabolice crescute și defecțiunilor mitocondriale. ROS este o sabie cu două tăișuri. Pe de o parte, la niveluri scăzute, ROS facilitează supraviețuirea celulelor canceroase, deoarece progresia ciclului celular determinată de factorii de creștere și receptorii tirozin kinaze (RTK) necesită ROS pentru activare și inflamația cronică, un mediator major al cancerului, este reglementată de ROS. Pe de altă parte, un nivel ridicat de ROS poate suprima creșterea tumorii prin activarea susținută a inhibitorului ciclului celular și inducerea morții celulare, precum și prin senescență prin deteriorarea macromoleculelor. De fapt, majoritatea agenților chimioterapeutici și radioterapeutici distrug celulele canceroase prin creșterea stresului ROS. Capacitatea celulelor canceroase de a distinge între ROS ca supraviețuire sau semnal apoptotic este controlată de doza, durata, tipul și locul de producție al ROS. Pentru ca celulele canceroase să supraviețuiască sunt necesare niveluri modeste de ROS, în timp ce nivelurile excesive le omoară.

Adaptarea metabolică în tumori echilibrează necesitatea de energie a celulelor, cu o nevoie la fel de importantă pentru blocurile macromoleculare și un control mai strict al echilibrului redox. Ca rezultat, producția de NADPH este mult îmbunătățită, care funcționează ca un cofactor pentru a oferi putere de reducere în multe reacții enzimatice pentru biosinteza macromoleculară și, în același timp, pentru salvarea celulelor de ROS excesiv produs în timpul proliferării rapide. Celulele contrabalansează efectele dăunătoare ale ROS prin producerea de molecule antioxidante, cum ar fi glutationul redus (GSH) și tioredoxina (TRX), care se bazează pe puterea de reducere a NADPH pentru a-și menține activitățile.

Majoritatea factorilor de risc asociați cu cancerul interacționează cu celulele prin generarea ROS. ROS activează apoi diferiți factori de transcripție, cum ar fi factorul nuclear kappa-amplificator al lanțului ușor al celulelor B activate (NF-κB), proteina activatoare-1 (AP-1), factorul inductibil al hipoxiei-1α și traductorul de semnal și activatorul transcripției 3 (STAT3), ducând la exprimarea proteinelor care controlează inflamația; transformare celulară; supraviețuirea celulelor tumorale; proliferarea celulelor tumorale; și invazia, agiogeneza, precum și metastaza. Și ROS controlează, de asemenea, expresia diferitelor gene supresoare tumorale, cum ar fi p53, gena retinoblastomului (Rb) și omologul fosfatazei și tensinei (PTEN).

Carcinogeneză

Oxidarea ADN-ului legată de ROS este una dintre principalele cauze ale mutațiilor, care pot produce mai multe tipuri de leziuni ale ADN-ului, inclusiv modificări de bază non-voluminoase (8-oxoguanină și formamidopirimidină) și voluminoase (ciclopurină și etenoaducte), site-uri abasice, -pauze convenționale monocatenare, aducturi proteină-ADN și legături încrucișate ADN intra / interstrand. S-a estimat că ROSul endogen produs prin metabolismul celular normal modifică aproximativ 20.000 de baze de ADN pe zi într-o singură celulă. 8-oxoguanina este cea mai abundentă dintre diferitele baze nitrogene oxidate observate. În timpul replicării ADN-ului, ADN-polimeraza afectează greșit 8-oxoguanina cu adenina, ducând la o mutație de transformare G → T. Instabilitatea genomică rezultată contribuie direct la carcinogeneză. Transformarea celulară duce la apariția cancerului și la interacțiunea izoformei atipice PKC-with cu p47phox controlează producția ROS și transformarea din celulele stem apoptotice ale cancerului prin programul de urgență blebbishield .

Proliferarea celulelor

Proliferarea necontrolată este un semn distinctiv al celulelor canceroase. S-a dovedit că atât ROS exogen cât și endogen crește proliferarea celulelor canceroase. Rolul ROS în promovarea proliferării tumorale este susținut în continuare de observația că agenții cu potențial de a inhiba generarea ROS pot inhiba, de asemenea, proliferarea celulelor canceroase. Deși ROS poate promova proliferarea celulelor tumorale, o creștere mare a ROS a fost asociată cu proliferarea redusă a celulelor canceroase prin inducerea stopului ciclului celular G2 / M; fosforilarea crescută a ataxiei telangiectaziei mutate (ATM), punct de control kinază 1 (Chk 1), Chk 2; și ciclul de diviziune celulară redus 25 omolog c (CDC25).

Moartea celulelor

O celulă canceroasă poate muri în trei moduri: apoptoză , necroză și autofagie . ROSul excesiv poate induce apoptoza atât prin căile extrinseci, cât și prin cele intrinseci. În calea extrinsecă a apoptozei, ROS sunt generate de ligand Fas ca eveniment în amonte pentru activarea Fas prin fosforilare, care este necesară pentru recrutarea ulterioară a proteinei asociate Fas cu domeniul morții și caspaza 8, precum și inducerea apoptozei. În calea intrinsecă, funcția ROS pentru a facilita eliberarea citocromului c prin activarea proteinelor stabilizatoare de pori (Bcl-2 și Bcl-xL), precum și prin inhibarea proteinelor destabilizante ale porilor (proteina X asociată cu Bcl-2, antagonist omolog Bcl-2 / ucigaş). Calea intrinsecă este, de asemenea, cunoscută sub numele de cascadă caspază și este indusă prin leziuni mitocondriale care declanșează eliberarea citocromului c. Deteriorarea ADN-ului, stresul oxidativ și pierderea potențialului membranei mitocondriale duc la eliberarea proteinelor pro-apoptotice menționate mai sus, stimulând apoptoza. Afectarea mitocondrială este strâns legată de apoptoză și întrucât mitocondriile sunt ușor vizate, există potențial pentru terapia cancerului.

Natura citotoxică a ROS este o forță motrice în spatele apoptozei, dar în cantități chiar mai mari, ROS poate duce atât la apoptoză, cât și la necroză, o formă de moarte necontrolată a celulelor, în celulele canceroase.

Numeroase studii au arătat căile și asocierile dintre nivelurile ROS și apoptoza, dar o nouă linie de studiu a conectat nivelurile ROS și autofagia. ROS poate induce, de asemenea, moartea celulară prin autofagie, care este un proces auto-catabolic care implică sechestrarea conținutului citoplasmatic (organite epuizate sau deteriorate și agregate proteice) pentru degradare în lizozomi. Prin urmare, autofagia poate regla sănătatea celulei în perioadele de stres oxidativ. Autofagia poate fi indusă de nivelurile ROS prin multe căi din celulă, în încercarea de a elimina organele dăunătoare și de a preveni deteriorarea, cum ar fi agenții cancerigeni, fără a induce apoptoza. Moartea celulelor autofagice poate fi determinată de supraexprimarea autofagiei, în care celula digeră prea mult din sine în încercarea de a minimiza daunele și nu mai poate supraviețui. Când apare acest tip de moarte celulară, se observă în mod obișnuit o creștere sau o pierdere a controlului genelor care reglează autofagia. Astfel, odată ce se obține o înțelegere mai aprofundată a morții celulelor autofagice și relația sa cu ROS, această formă de moarte celulară programată poate servi ca o viitoare terapie împotriva cancerului. Autofagia și apoptoza sunt mecanisme distincte pentru moartea celulară provocate de nivelurile ridicate de ROS. Totuși, autofagia și apoptoza acționează rar prin căi strict independente. Există o legătură clară între ROS și autofagie și o corelație observată între cantități excesive de ROS care duc la apoptoză. Depolarizarea membranei mitocondriale este, de asemenea, caracteristică inițierii autofagiei. Când mitocondriile sunt deteriorate și încep să elibereze ROS, se inițiază autofagia pentru a elimina organul dăunător. Dacă un medicament vizează mitocondriile și creează ROS, autofagia poate elimina atât de multe mitocondrii și alte organite deteriorate încât celula nu mai este viabilă. Cantitatea extinsă de ROS și leziunile mitocondriale pot semnaliza și apoptoza. Echilibrul autofagiei în interiorul celulei și diafragma dintre autofagie și apoptoză mediată de ROS este crucial pentru supraviețuirea unei celule. Această diafragmă și legătura dintre autofagie și apoptoză ar putea fi un mecanism vizat de terapiile împotriva cancerului sau utilizat în terapii combinate pentru cancerele foarte rezistente.

Invazia celulelor tumorale, angiogeneza și metastaza

După stimularea factorului de creștere a RTK-urilor, ROS poate declanșa activarea căilor de semnalizare implicate în migrația și invazia celulară, cum ar fi membrii familiei protein kinază activată mitogen (MAPK) - kinază reglată extracelulară (ERK), kinază terminală NH-2 c-jun ( JNK) și p38 MAPK. ROS poate promova, de asemenea, migrarea prin mărirea fosforilării kinazei de adeziune focală (FAK) p130Cas și paxilin.

Atât in vitro, cât și in vivo, s-a demonstrat că ROS induce factori de transcripție și modulează moleculele de semnalizare implicate în angiogeneză (MMP, VEGF) și metastaze (reglarea în sus a AP-1, CXCR4, AKT și reglarea în jos a PTEN).

Inflamație cronică și cancer

Cercetările experimentale și epidemiologice din ultimii ani au indicat asocieri strânse între ROS, inflamație cronică și cancer. ROS induce inflamația cronică prin inducerea COX-2, citokinele inflamatorii (TNFα, interleukina 1 (IL-1), IL-6), chemokinele (IL-8, CXCR4) și factorii de transcripție proinflamatori (NF-κB). Aceste chemokine și receptori de chemokine, la rândul lor, promovează invazia și metastaza diferitelor tipuri de tumori.

Terapia cancerului

Schema procesului de fabricație și mecanismul terapeutic al termo-responsive (MSNs @ CaO2-ICG) @LA NPs pentru CDT / PDT sinergic cu autoalimentare H2O2 / O2 și epuizare GSH.

Ambele strategii de ridicare a ROS și de eliminare a ROS au fost dezvoltate, primele fiind utilizate în mod predominant. Celulele canceroase cu niveluri crescute de ROS depind în mare măsură de sistemul de apărare antioxidant. Medicamentele care ridică ROS cresc în continuare nivelul de stres ROS celular, fie prin generarea directă de ROS (de exemplu, motexafin gadolinium, elesclomol), fie prin agenți care abrogă sistemul antioxidant inerent, cum ar fi inhibitorul SOD (de exemplu, ATN-224, 2-metoxiestradiol) și inhibitorul GSH (de exemplu, PEITC, butionina sulfoximină (BSO)). Rezultatul este o creștere generală a ROS endogen, care, atunci când este peste un prag de toleranță celular, poate induce moartea celulelor. Pe de altă parte, celulele normale par să aibă, sub stres și rezerve bazale mai mici, o capacitate mai mare de a face față insultelor suplimentare generatoare de ROS decât fac celulele canceroase. Prin urmare, creșterea ROS în toate celulele poate fi utilizată pentru a realiza uciderea selectivă a celulelor canceroase.

Radioterapia se bazează, de asemenea, pe toxicitatea ROS pentru eradicarea celulelor tumorale. Radioterapia utilizează raze X, raze γ, precum și radiații cu particule grele, cum ar fi protoni și neutroni, pentru a induce moartea celulară mediată de ROS și eșecul mitotic.

Datorită rolului dublu al ROS, s-au dezvoltat atât agenți anticanceroși pe bază de prooxidanți, cât și antioxidanți. Cu toate acestea, doar modularea semnalizării ROS pare să nu fie o abordare ideală datorită adaptării celulelor canceroase la stresul ROS, căi redundante pentru susținerea creșterii cancerului și a toxicității de la medicamentele anticanceroase generatoare de ROS. Combinațiile de medicamente generatoare de ROS cu produse farmaceutice care pot rupe adaptarea redox ar putea fi o strategie mai bună pentru îmbunătățirea citotoxicității celulelor canceroase.

James Watson și alții au propus că lipsa ROS intracelular din cauza lipsei exercițiului fizic poate contribui la progresia malignă a cancerului, deoarece sunt necesare vârfuri de ROS pentru a plia corect proteinele din reticulul endoplasmatic și nivelurile scăzute de ROS pot, astfel, să împiedice în mod specific formarea proteinelor supresoare tumorale. Deoarece exercițiul fizic induce vârfuri temporare de ROS, acest lucru poate explica de ce exercițiul fizic este benefic pentru prognosticul pacienților cu cancer. Mai mult, inductorii mari de ROS, precum 2-deoxi-D-glucoza și inductorii de stres celular pe bază de carbohidrați induc moartea celulelor canceroase mai puternic, deoarece exploatează aviditatea mare a celulelor canceroase pentru zaharuri.


Rolul pozitiv al ROS în memorie

Inițierea demetilării ADN la un situs CpG . În celulele somatice adulte metilarea ADN-ului are loc de obicei în contextul dinucleotidelor CpG ( situsuri CpG ), formând 5-metilcitozină -pG sau 5mCpG. Speciile reactive de oxigen (ROS) pot ataca guanina la locul dinucleotidelor, formând 8-hidroxi-2'-deoxiguanozină (8-OHdG), rezultând un situs de 5mCp-8-OHdG dinucleotid. Excizie repararea enzimei OGG1 vizeaza 8 OHdG si se leaga la leziune fără excizie imediată. OGG1, prezent la un sit de 5mCp-8-OHdG recrutează TET1 și TET1 oxidează 5mC adiacent de 8-OHdG. Aceasta inițiază demetilarea a 5mC.
Demetilarea 5-metil - citozină (5mC) în ADN - ul neuron. După cum a fost analizat în 2018, în neuronii cerebrali, 5mC este oxidată de familia de dioxigenaze de zece-unsprezece translocații (TET) ( TET1 , TET2 , TET3 ) pentru a genera 5-hidroximetilcitozină (5hmC). În etape succesive, enzimele TET hidroxilează în continuare 5hmC pentru a genera 5-formilcitozină (5fC) și 5-carboxilcitozină (5caC). Timina-ADN glicozilaza (TDG) recunoaște bazele intermediare 5fC și 5caC și excizează legătura glicozidică rezultând un situs pirimidinic ( situs AP ). Într-o cale alternativă de dezaminare oxidativă, 5hmC pot fi dezaminate oxidativ prin citidină deaminază / complexul de editare a ARNm apolipoproteinei B (ARN / APOBEC) deaminaze induse de activitate pentru a forma 5-hidroximetiluracil (5hmU) sau 5mC pot fi transformate în timină (Thy). 5hmU poate fi scindat de TDG, uracil-ADN glicozilază monofuncțională monocatenară selectivă 1 ( SMUG1 ), ADN glicozilază 1 Nei-Like ( NEIL1 ) sau proteină de legare metil-CpG 4 ( MBD4 ). Siturile AP și nepotrivirile T: G sunt apoi reparate prin enzime de reparare a exciziei de bază (BER) pentru a produce citozină (Cyt).

Două recenzii rezumă marele corp de dovezi, raportate în mare parte între 1996 și 2011, pentru rolul esențial și esențial al ROS în formarea memoriei . Un corp suplimentar de dovezi indică faptul că atât formarea, cât și stocarea memoriei depind de modificările epigenetice ale neuronilor, inclusiv de modificările metilării ADN-ului neuronal . Cele două corpuri de informații despre formarea memoriei par să fie conectate în 2016 prin lucrarea lui Zhou și colab., Care au arătat că ROS au un rol central în demetilarea epigenetică a ADN-ului .

În ADN-ul nuclear de mamifere, o grupare metil poate fi adăugată, printr-o ADN metiltransferază , la cel de-al cincilea carbon al citozinei pentru a forma 5mC (a se vedea gruparea metil roșie adăugată pentru a forma 5mC în partea de sus a primei figuri). Metiltransferazele ADN formează cel mai adesea 5mC în secvența dinucleotidică „citozină-fosfat-guanină” pentru a forma 5mCpG. Această adăugare este un tip major de alterare epigenetică și poate reduce la tăcere expresia genelor . Citozina metilată poate fi, de asemenea , demetilată , o modificare epigenetică care poate crește expresia unei gene. O enzimă majoră implicată în demetilarea a 5mCpG este TET1 . Cu toate acestea, TET1 poate acționa pe 5mCpG numai dacă un ROS a acționat mai întâi asupra guaninei pentru a forma 8-hidroxi-2'-deoxiguanozină (8-OHdG), rezultând o dinucleotidă de 5mCp-8-OHdG (vezi prima figură). Cu toate acestea, TET1 este capabil să acționeze asupra părții de 5mC a dinucleotidei numai atunci când enzima de reparare a exciziei de bază OGG1 se leagă de leziunea 8-OHdG fără excizie imediată. Aderența OGG1 la site-ul 5mCp-8-OHdG recrutează TET1 și TET1 apoi oxidează 5mC adiacent la 8-OHdG, așa cum se arată în prima figură, inițiind o cale de demetilare prezentată în a doua figură.

În 2016 Halder și colab. folosind șoareci, iar în 2017 Duke și colab. folosind șobolani, a supus rozătoarele la condiționarea fricii contextuale , provocând o memorie pe termen lung deosebit de puternică . La 24 de ore după condiționare, în hipocampul șobolanilor, expresia a 1.048 gene a fost reglată în jos (de obicei asociată cu promotori de gene hipermetilate ) și expresia a 564 gene a fost reglată în sus (adesea asociată cu promotori de genă hipometilată). La 24 de ore după antrenament, 9,2% din genele din genomul șobolanului neuronilor hipocampului au fost metilate diferențial. Cu toate acestea, în timp ce hipocampul este esențial pentru învățarea de informații noi, acesta nu stochează informațiile în sine. În experimentele efectuate la șoareci cu Halder, 1.206 de gene metilate diferențial au fost observate în hipocampus la o oră după condiționarea contextuală a fricii, dar acestea au fost inversate și nu au fost văzute după patru săptămâni. Spre deosebire de absența modificărilor de metilare pe termen lung în hipocampus, metilarea diferențială substanțială ar putea fi detectată în neuronii corticali în timpul menținerii memoriei. Au existat 1.223 de gene metilate diferențial în cortexul cingulat anterior al șoarecilor la patru săptămâni după condiționarea contextuală a fricii.

Mii de site-uri CpG demetilate în timpul formării memoriei depind de ROS într-o etapă inițială. Expresia proteinei modificate în neuroni, controlată parțial de demetilarea dependentă de ROS a siturilor CpG în promotorii genici din ADN-ul neuronului, este centrală în formarea memoriei.

Vezi si

Referințe

Lecturi suplimentare

linkuri externe