ROS如何影响蛋白羰基化？

ROS（活性氧相关物质）在糖尿病发生发展中扮演着重要诱导角色，比如，与肥胖费糖尿病人相比，肥胖糖尿病患者的脂肪组织产生更多的双氧水。另外，不同部位的ROS含量不同，比如，心脏周围的脂肪的ROS比皮下脂肪多。

图1 脂肪细胞内产生ROS的酶

线粒体电子传递链，是主要的ROS生产家。其中，呼吸链的复合体1和复合体III产生超氧阳离子。再在其他superoxide dismutase作用下，生成更为稳定的双氧水。ERO1是内质网蛋白质蛋白二硫键氧化酶，调控蛋白质的组装和折叠。内质网产生的ROS，内质网应该是胞质ROS的主要源头。NADPH氧化酶，有7个成员：Nox1, Nox2,Nox3, Nox4, Nox5, Duo1, and Duo2。其中，Nox4主要在脂肪细胞起作用，产生双氧水。肥胖小鼠的脂肪组织以及用脂肪酸或葡萄糖刺激脂肪细胞系，都使得Nox4表达升高，ROS升高。脂肪组织的巨噬细胞则较多NOX2，且脂多糖（LPS）或者饱和脂肪酸刺激会增加ROS。

少量的ROS对机体有好处。比如，抗氧化酶SOD2缺失的小鼠反而不会太胖，因是初期少量的ROS激活了线粒体增生，体内很多线粒体一起消耗能量。所以，很瘦！

 羟自由基是双氧水的一个主要命运，是ROS与羰基化的重要连接。经过芬顿反应(Fenton)被转化而来，羟自由基氧化性极强。体内没有对应的酶对它失活，一般它通过攻击多不饱和脂肪酸链抢得一个电子，形成H₂O。多不饱和脂肪酸链多位于膜上，所以，羟自由基最终损坏膜结构。

图2 fenton 反应除了产生1 摩尔的OH·自由基外,还伴随着生成1 摩尔的过氧自由基O2·，但是过氧自由基的氧化电势只有1.3 V左右，所以，在芬顿试剂中起主要氧化作用的是OH·自由基。

羟自由基攻击多不饱和脂肪酸，生成4-羟基壬烯醛(4-hydroxynonenal，4-HNE)和4-羟基己烯醛(4-hydroxyhexenal, 4-HHE)。4-HNE和4-HHE在乙醛脱氢酶（aldehyde dehydrogenase）和醛酮还原酶（aldoketoreductase, AKR）和GSH转移酶的作用下被降解。其中，被GSH修饰的脂类分泌到胞外，可以刺激巨噬细胞产生炎症反应。

当体内4-HNE和4-HHE过多的时候，攻击蛋白质的赖氨酸(lysine)、组氨酸(histidine)和半胱氨酸(cysteine)，形成蛋白质羰基化，该过程不可逆。羰基化的蛋白蛋白一般丧失功能。

图3 脂类过氧化导致蛋白羰基化修饰，进而调控生理功能

羰基化蛋白鉴定方法

羰基化蛋白的醛基或者酮基与2,4-二硝基苯肼(2,4-dinitrophenylhydrazine,DNPH)衍生化，生成稳定的二硝基苯腙(dinitrophenyl hydrazone,DNP)。二硝基苯腙呈黄色，可以用酶标仪检测二硝基苯腙的生产量，进而得出羰基化蛋白的量。此外，可以用抗体检测，也可以跑蛋白胶-质谱鉴定羰基化蛋白。二硝基苯腙在酸性条件下，可以水解为原来的醛酮。

图4 酮基和DNPH生成DNP

抗羰基化药物

L-carnosine, 别名：肌肽，β丙氨酰-L-组氨酸，是二肽，以毫摩尔级别存在于体内。口服可以抗氧化，抗癫痫和抗肿瘤，对自闭症有用。但是，血清中含降解酶，一定程度上限制了口服的作用。Carnosine可以与体内活性醛反应，从而降低蛋白羰基化。一些研究组对carnosine进行改造，使得不被降解，在动物体内有效，但是，人体临床效果待测。

图5 肌肽的结构图

引文

1.      Hauck, A.K., et al., Adipose oxidative stress and protein carbonylation. J Biol Chem,2019. 294(4): p. 1083-1088.

2.      Frohnert, B.I., et al., Glutathionylated Lipid Aldehydes AreProducts of Adipocyte Oxidative Stress and Activators of MacrophageInflammation. Diabetes, 2014. 63(1):p. 89-100.

3.      Anderson, E.J., et al., A carnosine analog mitigates metabolicdisorders of obesity by reducing carbonyl stress. J Clin Invest, 2018. 128(12): p. 5280-5293.