Reactive oxygen species (ROS) homeo

Reactive oxygen species (ROS) homeostasis and redox regulation in cellular signaling

Paul D. Ray, Bo-Wen Huang, Yoshiaki Tsuji ⁎
Department of Environmental and Molecular Toxicology, North Carolina State University, Campus Box 7633, Raleigh, NC 27695-7633, United States


article info abstract

Article history: Reactive oxygen species (ROS) are generated during mitochondrial oxidative metabolism as well as in cellu-

Received 19 December 2011
Accepted 13 January 2012
Available online 20 January 2012

Keywords:
Reactive oxygen species
MAPK
Shc
Nrf2 ATM Iron

lar response to xenobiotics, cytokines, and bacterial invasion. Oxidative stress refers to the imbalance due to excess ROS or oxidants over the capability of the cell to mount an effective antioxidant response. Oxidative stress results in macromolecular damage and is implicated in various disease states such as atherosclerosis, diabetes, cancer, neurodegeneration, and aging. Paradoxically, accumulating evidence indicates that ROS also serve as critical signaling molecules in cell proliferation and survival. While there is a large body of research demonstrating the general effect of oxidative stress on signaling pathways, less is known about
the initial and direct regulation of signaling molecules by ROS, or what we term the "oxidative interface."
Cellular ROS sensing and metabolism are tightly regulated by a variety of proteins involved in the redox
(reduction/oxidation) mechanism. This review focuses on the molecular mechanisms through which ROS directly interact with critical signaling molecules to initiate signaling in a broad variety of cellular processes, such as proliferation and survival (MAP kinases, PI3 kinase, PTEN, and protein tyrosine phosphatases), ROS homeostasis and antioxidant gene regulation (thioredoxin, peroxiredoxin, Ref-1, and Nrf-2), mitochondrial
oxidative stress, apoptosis, and aging (p66Shc), iron homeostasis through iron-sulfur cluster proteins
(IRE-IRP), and ATM-regulated DNA damage response.
© 2012 Elsevier Inc. All rights reserved.




Contents

1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 981 2. Regulation of MAPK signaling pathways by ROS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 982 3. Regulation of PI3K signaling pathways by ROS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 983 4. Nrf2 and Ref1-mediated redox cellular signaling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 984 5. Regulation of p66Shc, mitochondrial oxidative stress, and aging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 985
6. Regulation of the IRE-IRP system and iron homeostasis by ROS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 986
7. ROS and DNA-damage response . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 988
8. Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 988
Acknowledgment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 988 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 988





1. Introduction

Reactive oxygen species (ROS), such as superoxide anion (O), 2
hydrogen peroxide (H2O2), and hydroxyl radical (HO•), consist of rad-
ical and non-radical oxygen species formed by the partial reduction of
oxygen. Cellular ROS are generated endogenously as in the process of mitochondrial oxidative phosphorylation, or they may arise from interactions with exogenous sources such as xenobiotic compounds.

⁎ Corresponding author. Tel.: + 1 919 513 1106; fax: + 1 919 515 7169.
E-mail address: [e-mail] (Y. Tsuji).

0898-6568/$ - see front matter © 2012 Elsevier Inc. All rights reserved.
doi:10.1016/j.cellsig.2012.01.008





When ROS overwhelm the cellular antioxidant defense system, whether through an increase in ROS levels or a decrease in the cellu- lar antioxidant capacity, oxidative stress occurs. Oxidative stress results in direct or indirect ROS-mediated damage of nucleic acids, proteins, and lipids, and has been implicated in carcinogenesis [1], neurodegeneration [2,3], atherosclerosis, diabetes [4], and aging [5]. However, ROS involvement in the pathogenesis of disease states is
not confined to macromolecular damage. There is increasing evidence
that ROS signaling contributes to disease. For example, ROS have been
shown to promote tumor metastasis through gene activation [6]. While there exists ample evidence demonstrating the role of ROS in

Kết quả (Việt) 1:

Phản ứng oxy loài (ROS) homeostasis và redox quy định trong tín hiệu tế bào Paul D. Ray, Bo-Wen Huang, Yoshiaki Tsuji ⁎ Của môi trường và phân tử Toxicology, North Carolina State University, khuôn viên hộp 7633, Raleigh, NC 27695-7633, Hoa Kỳ Bài viết thông tin tóm tắt Bài viết lịch sử: phản ứng oxy loài (ROS) được tạo ra trong ti thể oxy hóa trao đổi chất cũng như trong cellu - Đã nhận được ngày 19 tháng 12 năm 2011 Được chấp nhận ngày 13 tháng 1 năm 2012 Có sẵn trực tuyến 20 tháng 1 năm 2012 Từ khoá: Phản ứng oxy loài MAPK SHC Nrf2 ATM sắt Lar các phản ứng để xenobiotics, phân bào và vi khuẩn tấn công. Stress oxy hóa đề cập đến sự mất cân bằng do dư thừa ROS hay oxy hóa hơn khả năng của các tế bào để gắn kết một phản ứng chống oxy hóa hiệu quả. Stress oxy hóa dẫn đến thiệt hại phân tử và liên quan đến các tiểu bang bệnh như xơ vữa động mạch, tiểu đường, ung thư, neurodegeneration, và lão hóa. Nghịch lý, tích lũy các bằng chứng cho thấy rằng ROS cũng phục vụ như là các phân tử tín hiệu quan trọng trong sự gia tăng tế bào và sự sống còn. Trong khi có một cơ thể lớn của nghiên cứu chứng minh tác dụng chung của stress oxy hóa về báo hiệu đường, ít được biết về Các quy định ban đầu và trực tiếp của tín hiệu phân tử bởi ROS, hoặc những gì chúng tôi hạn giao diện oxy hóa"." ROS cảm biến tế bào và sự trao đổi chất chặt chẽ được quy định bởi một loạt các protein tham gia vào redox cơ chế (giảm/quá trình oxy hóa). Nhận xét này tập trung vào các cơ chế phân tử mà qua đó ROS trực tiếp tương tác với các phân tử tín hiệu quan trọng để bắt đầu truyền tín hiệu trong một loạt rộng lớn các quá trình di động, chẳng hạn như phổ biến và sự sống còn (đồ kinase, PI3 kinase, PT và protein tyrosine phosphatases), ROS homeostasis và chất chống oxy hoá gen quy định (thioredoxin, peroxiredoxin, Ref-1 và Nrf-2), ti thể stress oxy hóa, lão hóa (p66Shc), và quá trình chết rụng homeostasis sắt thông qua các cụm sao lưu huỳnh sắt protein (IRE-IRP), và máy ATM quy định DNA thiệt hại đáp ứng. © 2012 Elsevier Inc Tất cả các quyền. Nội dung 1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 981 2. Quy định về báo hiệu đường bởi ROS............................................. MAPK 982 3. Quy định của PI3K tín hiệu đường bởi ROS.............................................. 983 4. Nrf2 và redox Ref1 qua trung gian tế bào tín hiệu............................................. 984 5. Các quy định của p66Shc, ti thể căng thẳng oxy hoá và lão hóa.................................... . 985 6. quy định IRE-IRP hệ thống và sắt homeostasis bởi ROS...................................... 986 7. ROS and DNA-damage response . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 988 8. Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 988 Acknowledgment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 988 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 988 1. Introduction Reactive oxygen species (ROS), such as superoxide anion (O), 2hydrogen peroxide (H2O2), and hydroxyl radical (HO•), consist of rad- ical and non-radical oxygen species formed by the partial reduction of oxygen. Cellular ROS are generated endogenously as in the process of mitochondrial oxidative phosphorylation, or they may arise from interactions with exogenous sources such as xenobiotic compounds. ⁎ Corresponding author. Tel.: + 1 919 513 1106; fax: + 1 919 515 7169. E-mail address: [e-mail] (Y. Tsuji). 0898-6568/$ - see front matter © 2012 Elsevier Inc. All rights reserved. doi:10.1016/j.cellsig.2012.01.008 Khi ROS áp đảo hệ thống phòng thủ chống oxi hóa tế bào, cho dù là thông qua sự gia tăng mức độ ROS hoặc giảm sức chứa chất chống oxy hoá cellu-lar, stress oxy hóa xảy ra. Stress oxy hóa kết quả trực tiếp hoặc gián tiếp qua trung gian ROS thiệt hại các axit nucleic, protein và chất béo, và đã bị dính líu trong carcinogenesis [1], neurodegeneration [2,3], xơ vữa động mạch, bệnh tiểu đường [4], và lão hóa [5]. Tuy nhiên, ROS tham gia trong bệnh sinh của bệnh tiểu bang là không hạn chế thiệt hại phân tử. Đó là bằng chứng ngày càng tăng tín hiệu ROS đó góp phần vào bệnh. Ví dụ, ROS đã Hiển thị để thúc đẩy các khối u di căn thông qua các gen kích hoạt [6]. Trong khi có dư dật bằng chứng chứng tỏ vai trò của ROS trong

Kết quả (Việt) 2:

Loài ôxy phản ứng (ROS) homeostasis và oxi hóa khử quy định trong tín hiệu tế bào Paul D. Ray, Bo-Wen Huang, Yoshiaki Tsuji ⁎ cục Môi trường và phân tử chất độc, Đại học bang Bắc Carolina, Campus Box 7633, Raleigh, NC 27.695-7.633, Hoa Hoa thông tin bài viết trừu tượng Điều lịch sử: các loài ôxy phản ứng (ROS) được tạo ra trong quá trình trao đổi chất oxy hóa ty lạp thể cũng như trong cellu- nhận 19 tháng 12 năm 2011 được chấp nhận ngày 13 tháng 1 năm 2012 hiện có sẵn trực tuyến ngày 20 tháng một năm 2012 Từ khóa: loài ôxy phản ứng MAPK SHC Nrf2 ATM sắt phản ứng lar để xenobiotics, cytokine, và cuộc xâm lược của vi khuẩn. Stress oxy hóa đề cập đến sự mất cân bằng do thừa ROS hoặc oxy hóa trong khả năng của tế bào để gắn kết một phản ứng chống oxy hóa hiệu quả. Kết quả stress oxy hóa thiệt hại phân tử và liên quan đến tình trạng bệnh khác nhau như xơ vữa động mạch, tiểu đường, ung thư, thoái hóa thần kinh, và lão hóa. Nghịch lý thay, nhiều bằng chứng chỉ ra rằng ROS cũng phục vụ các phân tử tín hiệu là rất quan trọng trong sự tăng sinh tế bào và tồn tại. Trong khi có một cơ thể lớn các nghiên cứu chứng minh hiệu quả chung của stress oxy hóa trên đường tín hiệu ít được biết về các quy định ban đầu và trực tiếp của phân tử tín hiệu của ROS, hoặc những gì chúng tôi gọi là "giao diện oxy hóa." Cellular ROS cảm nhận và sự trao đổi chất là quản lý chặt chẽ bởi một loạt các protein tham gia vào việc oxi hóa khử (giảm / oxy hóa) cơ chế. Đánh giá này tập trung vào các cơ chế phân tử mà qua đó ROS trực tiếp tương tác với các phân tử tín hiệu quan trọng để bắt đầu tín hiệu trong một loạt rộng rãi các quá trình tế bào, chẳng hạn như sự phát triển và tồn tại (MAP kinase, PI3 kinase, PTEN, và protein phosphatase tyrosine), ROS homeostasis và điều hòa gen chống oxy hóa (thioredoxin, peroxiredoxin, Ref-1, và NRF-2), ti thể căng thẳng oxy hóa, quá trình apoptosis, và lão hóa (p66Shc), homeostasis sắt thông qua protein cụm sắt-lưu huỳnh (IRE-IRP), và thiệt hại DNA ATM-quy phản ứng. © 2012 Elsevier Inc. Tất cả quyền được bảo lưu. Nội dung 1. Giới thiệu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 981 2. Quy định của MAPK trình truyền tín hiệu bằng ROS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 982 3. Quy định của PI3K trình truyền tín hiệu bằng ROS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 983 4. Nrf2 và Ref1 qua trung gian tín hiệu tế bào oxi hóa khử. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 984 5. Quy định của p66Shc, căng thẳng oxy hóa của ty lạp thể, và lão hóa. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 985 6. Quy định của hệ thống IRE-IRP và homeostasis sắt bởi ROS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 986 7. ROS và phản ứng DNA thiệt hại. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 988 8. Kết luận. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 988 Xác Nhận. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 988 Tài liệu tham khảo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 988 1. Giới thiệu các loài ôxy phản ứng (ROS), chẳng hạn như superoxide anion (O), 2 hydro peroxide (H2O2), và gốc hydroxyl (HO •), bao gồm rad- loài ôxy ical và không triệt để hình thành bởi các phần giảm oxy. Cellular ROS được tạo ra nội sinh như trong quá trình phosphoryl hóa oxy hóa ty lạp thể, hoặc họ có thể phát sinh từ các tương tác với các nguồn ngoại sinh như hợp chất xenobiotic. ⁎ Tương ứng với tác giả. Tel .: + 1 919 513 1106; fax: + 1 919 515 7169. địa chỉ E-mail: [e-mail] (Y. Tsuji). 0898-6568 / $ - xem vấn đề trước © 2012 Elsevier Inc. Tất cả quyền được bảo lưu. doi: 10,1016 / j.cellsig. 2012.01.008 Khi ROS áp đảo hệ thống phòng thủ chống oxy hóa tế bào, có thể thông qua sự gia tăng nồng độ ROS hoặc giảm khả năng chống oxy hóa lar cellu-, căng thẳng oxy hóa xảy ra. Kết quả stress oxy hóa trong trực tiếp hoặc gián tiếp thiệt hại ROS qua trung gian của các axit nucleic, protein, lipid, và đã được liên quan đến ung thư [1], thoái hóa thần kinh [2,3], xơ vữa động mạch, tiểu đường [4], và lão hóa [5]. Tuy nhiên, sự tham gia của ROS trong sinh bệnh học của tình trạng bệnh được không chỉ giới hạn thiệt hại phân tử. Ngày càng có nhiều bằng chứng rằng ROS tín hiệu góp phần vào bệnh. Ví dụ, ROS đã được hiển thị để thúc đẩy sự di căn của khối u thông qua gen kích hoạt [6]. Trong khi đó tồn tại nhiều bằng chứng chứng minh vai trò của ROS trong