TrxR

TRXR

Die Thioredoxin-Reduktase (TrxR) ist das zentrale funktionelle Protein des Thioredoxin-Systems und kommt in zahlreichen Spezies von Prokaryoten bis hin zu Säugetieren weit verbreitet vor. TrxR gehört zur Familie der Pyridinnukleotid-/Disulfid-Oxidoreduktasen. TrxR überträgt Elektronen hauptsächlich über Redoxreaktionen und trägt damit zur Abschwächung der oxidativen Stressantwort des Organismus bei. Sie stellt einen wesentlichen Mechanismus zur Abwehr oxidativer Stressschäden dar, die durch endogene und exogene Faktoren verursacht werden. Gleichzeitig ist sie an verschiedenen physiologischen Prozessen beteiligt, darunter Kohlenhydratsynthese, Insulinproduktion, Fettstoffwechsel sowie an Entstehung und Progression chronischer Entzündungen, Tumorerkrankungen, Atherosklerose und weiterer Erkrankungen.

Einführung

Das Thioredoxin-(Trx)-System ist ein in vielen Spezies ubiquitär vorkommendes Disulfid-Reduktase-System. Es besteht aus Thioredoxin (Trx), Thioredoxin-Reduktase (TrxR) und reduziertem Coenzym II. TrxR ist derzeit das einzige bekannte Enzym, das Trx reduziert, und reguliert über seine Disulfidreduktase-Aktivität das Gleichgewicht von Dithiol-/Disulfidbindungen in Proteinen. Die Aufrechterhaltung eines dynamischen Gleichgewichts zwischen der Reduktionskapazität von TrxR und oxidativem Stress ist ein Schlüsselfaktor für die physiologische Homöostase. Zu den Faktoren des oxidativen Stresses zählen Superoxid-Ionen, Hydroxylradikale, Wasserstoffperoxid und weitere reaktive Sauerstoffspezies. Reaktive Sauerstoffspezies (ROS) sind üblicherweise in allen aeroben Zellen vorhanden. Das antioxidative System des Organismus bildet mit endogenen oder exogenen ROS ein dynamisches Gleichgewicht. Werden übermäßig ROS gebildet oder sind Antioxidanzien erschöpft, wird dieses Gleichgewicht gestört und es kommt zu Schädigungen.

Struktur von TrxR

TrxR gehört zur Familie der selenhaltigen Pyridinnukleotid-Disulfid-Oxidoreduktasen und umfasst die konservierte Redox-katalytische Stelle Cys-Val-Asn-Val-Gly-Cys sowie die C-terminale Sequenz Cys-SeCys- (SeCys ist Selenocystein). Die katalytische Stelle von TrxR ist zwischen verschiedenen Spezies konserviert. Mit der Evolution von niedrigeren zu höher entwickelten Organismen haben sich jedoch Struktur und katalytischer Mechanismus von TrxR verändert. Bei prokaryotischer TrxR ist der Disulfidring mit der Flavinoberfläche gekoppelt; dabei wird das Disulfid reduziert und gleichzeitig das Flavin oxidiert. Das NADP(H) der TrxR ist jedoch weit vom Flavinring entfernt, und das Cystein (Disulfid) der aktiven Stelle ist in NADP(H) vergraben und kann nicht mit Trx reagieren. Während des Elektronentransfers rotiert NADP(H) um 67° in Richtung der FAD-Domäne, wodurch die zuvor verborgene aktive Stelle für das Substrat exponiert wird; schließlich werden die Elektronen auf das Substrat übertragen und dieses reduziert.

Klassifikation von TrxR

TrxR verschiedener Spezies ist in unterschiedlichen Geweben verteilt, und auch die katalytischen Mechanismen unterscheiden sich. Diese Verteilung sowie die unterschiedlichen katalytischen Systeme spiegeln die verschiedenen Evolutionsformen und den Evolutionsverlauf von TrxR wider. TRXR wird in zwei Kategorien eingeteilt: hochmolekulare TrxR (H-TrxR) und niedermolekulare TrxR (L-TrxR). H-TrxR besitzt drei Domänen: FAD-Domäne, NADPH-Domäne und C-terminale Interface-Domäne. Die C-terminale Redoxsequenz der H-TrxR wird weiter in Typ I und Typ II unterteilt. Typ-I-TrxR bezeichnet die Sequenz X-Cys1-Cys2-X mit benachbarten Disulfidbindungen. Typ I kann weiter in zwei Subtypen untergliedert werden: TrxR des Typs Ia besitzen ein tetrapeptidisches C-terminales Redoxzentrum der Sequenz GCUG, wobei U eine seltene Aminosäure ist, Selenocystein (SEC), z. B. humanes TrxR1 (NP-8773733 1); das C-terminale Redoxzentrum lautet X-Cys1-Cys2sec-X. Bei TrxR des Typs Ib wird der Sec-Rest in der Tetrapeptidsequenz durch konventionelles Cystein (Cys) ersetzt [9], z. B. humanes TrxR1 (2ZZ0-A); das C-terminale Redoxzentrum lautet X-Cys1-Cys2-X. L-TrxR besitzt zwei Domänen und enthält nur FAD- und NADPH-Domänen, weist jedoch keine C-terminale Interface-Domäne auf.

Funktion von TrxR

Durch die Reduktion von Trx erfüllt TrxR Funktionen wie die Reduktion von DNA, die Beeinflussung des Selenstoffwechsels, antioxidative Wirkung, Regulation des Zellwachstums sowie die Regulation der Apoptose und beeinflusst damit zellbiologische Funktionen. Das Trx/TrxR-System spielt eine wichtige Rolle in physiologischen Prozessen wie der Funktion des Fettgewebes, dem Kohlenhydratstoffwechsel, der Insulinproduktion und -sensitivität, der Blutdruckregulation, Entzündungsprozessen, der chemotaktischen Aktivität von Makrophagen sowie der Atherosklerose. Gleichzeitig ist das Thioredoxin-System aufgrund seiner zentralen Rolle und vielfältigen Funktionen in Tumorentstehung und -progression zu einem der attraktivsten Targets für die Entwicklung onkologischer Arzneimittel geworden.

Fazit

TrxR ist das zentrale funktionelle Protein des Trx-Systems und ist an einem breiten Spektrum biologischer Aktivitäten von Prokaryoten bis zu Säugetieren und weiteren Spezies beteiligt. Die Untersuchung ihrer Struktur und Funktion kann nicht nur das Verständnis der Evolution von Spezies vertiefen, sondern auch die Forschung und Entwicklung krankheitsbezogener Therapietechnologien beschleunigen. Die Struktur von TrxR bildet eine wesentliche Grundlage für ihre biologische Funktion. Obwohl die Kristallstruktur von TrxR von Prokaryoten bis zu Säugetieren teilweise aufgeklärt wurde, sind Struktur und Funktion von TrxR in einigen Spezies (Babesia) noch nicht eindeutig. Daher kann die beschleunigte Forschung zur Struktur und Funktion von TrxR in solchen Spezies das Verständnis von TrxR über die Evolutionsgeschichte von Organismen hinweg erweitern und zugleich eine theoretische Grundlage für Prävention und Kontrolle solcher Pathogene liefern sowie die Entwicklung zielgerichteter TrxR-bezogener Arzneimittel beschleunigen.

Referenzen