哺乳動物GSTP1 基因研究進展

王 晶，曹 陽，魏銘宏，吳思惠，呂香州，趙玉民,3*

（1.延邊大學農學院，吉林延邊 133002；2.吉林省農業科學院，吉林長春 130033；3.農業農村部肉牛遺傳育種重點實驗室，吉林長春 130033；4.吉林省肉牛繁育及養殖技術科技創新中心，吉林長春 130033）

谷胱甘肽硫轉移酶P1（Glutathione S-Transferase Pi 1，GSTP1）也稱為GST3、FAEES3 和DFN7，是谷胱甘肽硫轉移酶家族（GSTs）的重要成員，廣泛表達于人體組織，也分布于植物、昆蟲和細菌等多種物種體內。GSTP1 是蛋白質的硫代谷胱甘肽化循環中的關鍵調控酶,是參與異生物質代謝的重要基因[1]。同時，GSTP1在人類腫瘤、癌癥等臨床方面是一個預測不良的標記基因,也是影響動物肉品質性狀的候選基因。GSTP1在細胞解毒和抗氧化應激、調節谷胱甘肽與不同疏水和親電化合物的結合以及以還原型谷胱甘肽為媒介還原有機過氧化物的反應中發揮關鍵作用[2]。本文綜述了GSTP1基因的定位、結構、表達、分子機制及GSTP1 參與的代謝反應，為深入研究GSTP1基因提供參考。

1 GSTP1 基因的概述

谷胱甘肽硫轉移酶P（Glutathione S-Transferase Pi，GSTP）屬于谷胱甘肽代謝酶超家族中的硫轉移酶家族[3]。GSTP 以同型或異型二聚體的形式存在[4]，并被細分為A、M、P、S、T、Z 和O 7 個類別[5]。GSTP由細胞質蛋白（CGSTS）、線粒體蛋白（kGSTs）和微粒體蛋白（花生酸和谷胱甘肽代謝中的膜相關蛋白MAPEG）3 個超家族蛋白組成[6]。谷胱甘肽硫轉移酶的P 類由谷胱甘肽硫轉移酶1（GSTP1）、谷胱甘肽硫轉移酶2（GSTP2）和谷胱甘肽硫轉移酶3（GSTP3）組成，其中GSTP1 主要位于細胞質中，在細胞核、線粒體和內質網中也有發現[7]。

GSTP1 屬于谷胱甘肽轉移酶家族中的P 類，約占GST 家族酶活性的90%[8]。在人體組織中，GSTP1位于11 號染色體的長臂13 區的2 號亞區上（圖1），基因全長2.8 kb，編碼210 個氨基酸，共有7 個外顯子[9]，主要在食道、腎臟、十二指腸、甲狀腺等組織廣泛表達。

圖1 GSTP1 基因在基因組中的位置（來自Geen Cards)

2 GSTP1 基因的結構及作用機制

GSTP1 二聚酶的每個亞單位都有一個活性位點，該位點由親水性谷胱甘肽結合位點（G 位點）和相鄰的疏水性氫位點（H 位點）2 個不同功能區組成（圖2）[5]。

圖2 谷胱甘肽硫轉移酶的2 個結合位點

G 點代表谷胱甘肽結合位點，H 點代表底物結合位點。不同谷胱甘肽硫轉移酶氨基酸殘基中不同的G-和H-位點發揮不同的功能[10]。GSTP1能夠通過催化作用特異性結合谷胱甘肽或谷胱甘肽類似物[11]。GSTP1在谷胱甘肽巰基的谷胱甘肽硫代氨基酸殘基和常規親電物質之間的氫位置起促進催化的作用。因此，GSTP1基因的特異性常用來指導特異性谷胱甘肽轉移酶抑制劑的開發[12]。

GSTs 具有過氧化物酶、異構酶和硫醇轉移酶的酶活性，并具有非催化功能，如非底物配體結合和信號過程的調節。其中，P 類酶中的GSTP1 是研究最多的蛋白激酶阻遏物。蛋白激酶參與應激反應、細胞增殖和凋亡。Falomir 等[2]證明GSTP1 是不同組織中細胞蛋白質谷胱甘肽化/去谷胱甘肽化循環的主要參與者，并激發了對其選擇性和功能性靶標的“搜尋”。當敲除GSTP1基因并將細胞暴露于活性氧時，全部可識別的單個蛋白質的硫代谷胱甘肽化減少[13]。對于GSTP1表達減少或缺失的細胞，細胞硫代谷胱甘肽化的總水平顯著降低，這表明GSTP1基因可能是前向反應的致病因素[14]。

蛋白質硫代谷胱甘肽化可以自發進行，也可以酶促進行[7]。非酶反應進行方式[7]（圖3）：①蛋白質硫醇（PSH）和谷胱甘肽二硫化物（GSSG）之間的硫醇-二硫化物交換產生谷胱甘肽。② PSH 被活性氧氧化成亞磺酸（PSOH），亞磺酸隨后與谷胱甘肽快速反應形成硫醇-二硫化物（PSSG），從而防止靶蛋白過度氧化成亞磺酸（SO2H）并最終生成磺酸（SO3H），磺酸通常不可逆地使蛋白失活；因此，SOH 基團的硫代谷胱甘肽化可以防止靶蛋白過度氧化。因此通過這種機制，在體內自發的硫代谷胱甘肽化會發生得相當慢。③PSH 被氧化成與谷胱甘肽快速反應的噻吩基，形成噻吩基谷胱甘肽中間體,然后與O2反應形成PSSG；同樣，GS.可以與PSH 反應形成PSSG。噻吩基介導的蛋白質S-谷胱甘肽化被認為發生在體內，可能涉及谷氧還蛋白1和2（Grx1 和Grx2）。④ 一氧化氮誘導硫谷胱甘肽化。一氧化氮本身是一種弱硫醇氧化劑，然而，通過二次反應生成活性氮物質（RNS），可以促進硫代亞硝?；≒SNO）或硫代谷胱甘肽化（PSSG）。PSH 可能通過亞硝基谷胱甘肽（GSNO)被修飾成為PSNO 和（或）PSSG。蛋白質的谷胱甘肽化反應可以自發發生，但是GSTP 的催化活性大大提高了此反應的速率和程度。

圖3 蛋白質S-谷胱甘肽化和去谷胱甘肽化循環

雖然在某些情況下，蛋白質硫代谷胱甘肽化可以自發發生，但其速率和數量可以通過谷胱甘肽硫轉移酶的催化活性大大提高，其中主要是由GSTP1 發揮作用[15]。除了谷胱甘肽化，GSTP1 還在MAPK 通路中發揮調節作用,突出顯示一階GSTP1 的鏈接作用（圖4）[16]。

圖4 GSTP1 在MAPK 通路中網路圖（箭頭對應于直接的物理交互）

谷胱甘肽化伴隨的構像變化導致應激活化蛋白激酶（JNK）的釋放和激活，通過線粒體途徑觸發細胞凋亡過程。因此，GSTP1 的線粒體定位可能與氧化應激和呼吸調節之間的聯系有關[17]。由JNK 直接調節的轉錄因子C-Jun 也可以通過在巰基谷胱甘肽和一氧化氮存在下修飾其包含在脫氧核糖核酸結合結構域中的半胱氨酸殘基來調節，形成硫代亞硝基谷胱甘肽。GSTP1 可能導致細胞核中C-Jun 的改變，并可能通過調節細胞應激反應及后續步驟影響線粒體功能。網路的幾個組成部分對IKK 復合體的調節也將通過神經營養因子κb 對腫瘤壞死因子α1 的表達提供反饋調節。調節同一途徑的幾個步驟，包括受體和轉錄因子，GSTP1基因可以在不同的網路中發揮作用，并有效調節細胞的生理狀況[16]。

3 GSTP1 基因的生理功能

GSTP1的主要作用之一是保護細胞免受外來物質和氧化應激產物的侵害，使親電和疏水底物以及活性氧物質與谷胱甘肽（GSH）結合[18]。由于GSH 是哺乳動物細胞中最普遍的非蛋白硫醇，GSTs 能夠將廣譜分子轉化為毒性更小、水溶性更強的化合物，從而更容易消除[19]。除了催化解毒之外，GSTP1還具有伴侶功能、一氧化氮途徑的調節、多種激酶信號途徑的調節以及參與蛋白質S-谷胱甘肽化的正向反應等特性[9]。

3.1GSTP1的催化功能 GSTP1 屬于一個多基因的硫轉移酶家族，通過與親核巰基還原型谷胱甘肽結合來解毒親電物質[17]。GSTP1 通過調節谷氨酸對硫磷的水平來保護細胞免受活性氧的侵害，其作用是作為c-Jun 氮末端激酶（C-JNK）催化活性的內源性調節劑，并調節蛋白質的硫代谷胱甘肽化[19]。硫谷胱甘肽化是蛋白質半胱氨酸殘基的特異性翻譯后修飾，借此谷氨酸對硫磷可逆地與巰基結合（PSH），產生硫谷胱甘肽化蛋白質（PSSG）[20]。

3.2 GSTP1 在神經元中的保護作用 GSTP1 是一種保護神經的抗氧化酶，在轉錄水平上由抗氧化主要調節劑Nrf2 的相關因子調節。在生理條件下，細胞質蛋白Keap1 將Nrf2 隔離在細胞質中，并驅動它進行蛋白酶體降解。氧化和親電反應通過修飾Keap1 的反應性半胱氨酸殘基來破壞Nrf2 與Keap1 的相互作用，從而使Nrf2 逃離蛋白酶體，增加GSTP1 的表達[20]。在1-甲基-4-苯基-1，2，3，6-四氫吡啶（MPTP）誘導氧化應激時，GSTP1 在體內加強了Keap1 的硫谷胱甘肽化。Keap1的硫代谷胱甘肽化導致Nrf2 活化，隨后增加GSTP1 的表達。這種正反饋機制表明GSTP1 在大腦中發揮抗氧化保護作用[21]。

3.3 GSTP1 與藥物的相關性 GSTP1 催化半胱氨酸殘基的硫谷胱甘肽化，改變某些靶蛋白的結構或功能特征[22]。GSTP1 是一種雌激素受體駐留蛋白，它同時具有協同作用和催化功能。Satoh[23]通過氧化還原的蛋白質組分析，鑒定了一組協同參與內質網應激調節的蛋白質（免疫球蛋白重鏈結合蛋白（BiP）、蛋白質二硫鍵異構酶（PDI）、鈣連接蛋白、鈣網蛋白、內質網、肌/內質網鈣腺苷三磷酸腺苷酶[.SERCA]），它們分別與GSTP1共免疫沉淀（意味著蛋白質復合物形成），并產生活性氧物質誘導硫谷胱甘肽化。GSTP1 在細胞器內催化雌激素受體蛋白的對硫磷化，可以為基于氧化還原的信號和調節未折疊蛋白反應的途徑之間的聯系提供紐帶，為確定某些藥物殺死癌細胞的作用機制提供重要依據。

GSTP1 是參與異生物質代謝第二階段的解毒酶，通過催化谷胱甘肽與多種親電底物的結合，參與維持細胞完整性、氧化應激和防止脫氧核糖核酸損傷[24]。GSTP1 通過順鉑-谷胱甘肽加合物的形成直接參與順鉑的解毒，這表明GSTP1 可能在獲得對這種鉑化合物的抗性中起作用。GSTP1 的表達可由轉錄因子調節，包括活化蛋白-1（AP-1）和核因子NF-E2 相關因子2（Nrf2），以響應苯丁酸氮芥、環磷酰胺、順鉑、DOX和米托蒽醌等多種抗癌藥物[18]。因此，GSTP1 介導的化療耐藥性可能不限于與順鉑和相關抗癌藥物有聯系，值得進一步研究。

3.4GSTP1基因啟動子甲基化GSTP1催化谷胱甘肽清除異生物質，GSTP1基因啟動子的甲基化與誘導肝損傷的氧化應激有關。Fan 等[25]研究發現，慢性乙型肝炎患者存在GSTP1啟動子的高甲基化，慢性乙型肝炎患者GSTP1啟動子甲基化與脫氧核糖核酸1、脫氧核糖核酸3a、腫瘤壞死因子α、丙二醛、血紅蛋白eAg、谷丙轉氨酶、谷草轉氨酶和丙氨酸氨基轉移酶（TBIL）呈正相關。因此，乙型肝炎病毒（HBV）感染可能通過激活脫氧核糖核酸1 和脫氧核糖核酸3a 等因子誘導GSTP1啟動子甲基化，證明GSTP1高甲基化與陽性慢性乙型肝炎患者的脫氧核糖核酸1、脫氧核糖核酸3a 等因子的過表達和氧化應激有關。因此，甲基化的GSTP1基因可能會作為陽性慢性乙型肝炎血清轉化的生物標志基因[26]。

GSTP1基因的轉錄沉默是通過與超甲基化啟動子結合的甲基-CpG 結合結構域2 蛋白的作用介導的。GSTP1基因啟動子區的CpG 高甲基化導致解毒酶的下調，并與野生型表型相關。GSTP1基因甲基化失活導致GSTP1 酶形成減少，從而降低其對腫瘤細胞的緩沖能力[27]。CpG 啟動子高甲基化導致的GSTP1基因表觀遺傳學沉默與蛋白質表達、淋巴結轉移、腫瘤分期和腫瘤分級的顯著損失相關，它還與黃體酮和雌激素受體狀態呈正相關[28]。

3.5GSTP1基因對牛肉肉色的影響 肉色的生化基礎由肌紅蛋白、血紅蛋白、細胞色素和其他色素的濃度和氧化還原狀態決定[21]。肌紅蛋白是與脫氧肌紅蛋白（DOMb，紫色）及其衍生物氧化肌紅蛋白（OMb，櫻桃紅）和甲肌紅蛋白相關的主要蛋白質色素。谷胱甘肽是一種重要的還原劑三肽，與自由基相互作用，在過氧化物酶降解H2O2的過程中起輔助作用，對牛血紅蛋白減少有作用，因此谷胱甘肽影響細胞內的氧化過程[2]。GSTP1 參與谷胱甘肽循環，在細胞解毒和抗氧化應激方面發揮一定作用，有利于動物死后肉色色素的穩定性[29]。由于每個特定密碼子序列的折疊不盡相同，基因編碼區突變的累積數量可能導致蛋白質的結構變化。在這種情況下，AC 單體型將產生具有更高活性的GSTP1，導致脂質氧化過程中產生的活性物質濃度更低，防止肌肉的色素蛋白（Mb）氧化，從而保持肌肉的顏色穩定[30]。

4 總結及展望

GSTP1基因在哺乳動物中發揮非常重要的作用，已有研究發現所有哺乳動物的GSTP1基因與谷胱甘肽的結合都發生在G 位點上，結合后并激活谷胱甘肽硫醇鹽的陰離子，用于催化與各種親電試劑的結合。除了催化解毒之外，GSTP1 還具有抗氧化、一氧化氮途徑的調節、多種激酶信號途徑的調節以及參與蛋白質S-谷胱甘肽化的正向反應等特性。隨著生物科學技術的發展，許多研究發現GSTs 與各類代謝疾病的治療以及畜產品肉質等緊密相關，因此對GSTP1基因的深入研究，不僅有助于對人類疾病的研究還能夠在肉制品質研究方面提供參考依據，提高畜牧養殖的經濟效益。