Trx1在維持心臟功能和氧化還原平衡中發揮著怎樣作用？

　　硫氧還蛋白-1(Thioredoxin-1,Trx1)是細胞內一種重要的巰基-二硫鍵氧化還原酶,在細胞內氧化還原狀態的調控及抵抗氧化應激損傷過程中發揮重要的作用。Trx1的心臟保護作用已通過Trx1的心臟特異性過表達和Trx1顯性負效應得到證實。Trx1完全性基因敲除小鼠的胚胎在妊娠3.5d死亡(E3.5)，因此Trx1在早期胚胎發育中起著至關重要的作用。部分由于早期胚胎的致死性，內源性Trx1的病理生理作用還沒有用功能缺失模型來闡明。

　　2019年10月4日，美國羅格斯大學新澤西醫學院的Junichi Sadoshima課題組在Cardiovascular Research雜志上發表了題為“Thioredoxin-1 maintains mitochondrial function via mTOR signaling in the heart”的文章，使用心臟特異性的Trx1敲除小鼠（由賽業生物構建）首次證明內源性Trx1在維持心臟功能和氧化還原平衡中發揮著重要的作用，并賦予心臟抗壓的能力。Trx1在心臟中的保護效應主要通過體內mTOR的降低來介導。

　　Trx1通過特定的底物或結合蛋白調節細胞信號轉導，包括凋亡信號調節激酶1(ASK1)、磷酸酶張力蛋白同源物（PTEN）、Ⅱ型組蛋白去乙酰化酶(HDACs)、半胱氨酸蛋白酶、AMP活化蛋白激酶（AMPKIN）和雷帕霉素靶蛋白(mTOR)。Trx1通過直接結合對ASK1負調控；而Trx1則通過還原特定半胱氨酸殘基來維持PTEN、Ⅱ型HDACs、AMPKα和mTOR的功能。Ⅱ型HDACs在預防心肌肥大方面發揮著重要的作用，而AMPKα和mTOR則具有抗壓作用。

　　mTOR是包括mTORC1和mTORC2的蛋白質復合物中的進化保守的絲氨酸/蘇氨酸激酶和催化亞單位，其調節細胞生長、存活和mRNA翻譯。此外，mTOR通過調節核編碼的線粒體基因的轉錄和翻譯在線粒體能量的產生中起著至關重要的作用。Junichi Sadoshima課題組之前的研究已經證明mTOR是Trx1的主要底物之一。在培養的心肌細胞中，在過氧化氫（H2O2）的存在下，Cys1483通過分子間生成二硫鍵抑制mTOR，而Trx1可以阻止mTOR的抑制。表達mTOR-C1483F（一種抗氧化突變）的細胞，可防止mTOR中H2O2誘導的分子間二硫鍵形成，從而抑制mTOR和下游信號傳導機制，包括線粒體基因表達。因此，在Cys1483中通過氧化抑制mTOR，而Trx1保護mTOR免受氧化和失活。然而，在沒有外源氧化劑（如H2O2）的情況下，單獨下調內源性Trx1是否在Cys1483處誘導氧化尚不清楚。此外，Trx1-mTOR途徑（Trx1的多個靶點之一）在基線和應激期間調節心功能和代謝方面的重要性從未被體內實驗證實。

　　于是研究人員就構建了心臟特異性的Trx1敲除小鼠，Trx1cKO小鼠存活，但中位生存期為25.5天。它們發生心力衰竭，表現為收縮功能障礙、心肌肥大、纖維化增加和凋亡細胞死亡。多種標志物一致表明氧化應激增加，RNA測序顯示能量產生相關基因下調。這些小鼠的線粒體形態異常明顯。雖然雜合子Trx1cKO小鼠沒有表現出任何顯著的基線表型，但是加重了壓力超負荷引起的心功能障礙和代謝基因的下調。在Trx1CKO小鼠中，mTOR更容易被氧化，mTOR底物如S6K和4EBP1磷酸化受損。證明心臟內源性Trx1對于心臟功能、動物存活和線粒體功能是不可缺少的。

圖1. 心臟特異性的Trx1敲除小鼠心臟變大、收縮功能障礙

　　體內和體外實驗表明，通過Cys1483對Trx1介導的mTOR調節在維持線粒體功能方面起著至關重要的作用，因此代表了在心肌細胞中介導內源性Trx1功能的主要信號通路。

圖2.Trx1通過阻止mTOR在Cys1483處的氧化來部分維持mTOR的功能，從而維持代謝基因的表達

　　總之，該研究首次證明Trx1在基線期維持成年心臟中的泵血功能和氧化還原平衡，并具有抗壓作用。通過無偏基因表達分析（unbiased gene expression analyses），進一步證明內源性Trx1是代謝基因表達的重要介質。目前的研究表明，體內心肌細胞特異性下調內源性Trx1的主要導致線粒體功能障礙。此外，該研究還發現Cys1483的mTOR氧化可介導Trx1下調引起的心肌細胞線粒體功能障礙。