谷胱甘肽过氧化酶4蛋白结构、功能及其在器官缺血再灌注损伤中的作用研究进展2026

谷胱甘肽过氧化酶4蛋白结构、功能及其在器官缺血再灌注损伤中的作用研究进展20262012年Dixon等发现一种新的细胞死亡方式——铁死亡，其参与多种疾病的发生、发展过程，如肿瘤、器官缺血再灌注、神经系统疾病（帕金森）、代谢性疾病和免疫性疾病等。谷胱甘肽过氧化酶（glutathioneperoxidase,GPX）4可以抑制细胞因各种氧化应激条件引起的死亡，是调控铁死亡的重要物质。缺血再灌注损伤（ischemiareperfusioninjury,IRI）指组织、器官缺血一段时间后恢复血流，不仅未能使其功能恢复，反而加重功能障碍和结构损伤，甚至发生不可逆的损伤，是影响脑卒中、缺血性心肌病、器官移植等患者术后生存率的主要危险因素。基于铁死亡与IRI的联系，本文就铁死亡主要调控分子——GPX4的分子结构、功能及其在IRI中的作用进行综述，以期寻找提高器官移植患者术后生存率、降低脑卒中及缺血性心肌病等患者病死率的新治疗方案。1GPX4的分子结构与功能1.1GPX4的分子结构GPX4是一种四聚体硒蛋白，相对分子质量约为19×103，由170个氨基酸组成，属于谷胱甘肽过氧化物酶之一，是目前哺乳动物体内唯一能够将磷脂氢过氧化物和胆固醇氢过氧化物还原为磷脂醇和胆固醇的抗氧化酶，可有效抑制细胞铁死亡、维持细胞膜的稳定性。编码GPX4的基因位于人体19号染色体上（19P13.3），基因总跨度为2.8kb，共包括7个外显子。人体内GPX4主要包含3种亚型（cGPX4、mGPX4、snGPX4），分别存在于胞质、线粒体和精子核中。Ingold等指出，GPX4的活性位点为硒代半胱氨酸，其生理作用的实现依赖硒元素；研究对比了含硒代半胱氨酸GPX4小鼠与不含硒代半胱氨酸GPX4小鼠的生存时间，结果发现，后者虽然可以正常生长发育，但普遍于断奶前死亡；由此推断，哺乳动物出生后的一些神经元发育需要含硒代半胱氨酸GPX4的参与，GPX4是哺乳动物体内一种特殊的硒蛋白，其功能不能被其他氧化还原酶取代。在哺乳动物体内GPX4蛋白的合成率低，合成过程中消耗的能量大。这种分子结构使得GPX4具有诸多生物学功能，进而起到减轻IRI的作用。1.2GPX4的功能1.2.1GPX4与氧化应激GPX4是一种膜相关的磷脂过氧化物酶，属于GPX家族。1982年Ursini等在猪肝脏中提纯出一种蛋白质（GPX4），并发现这种蛋白质与以往的GPX不同，因其可以阻断大鼠肝脏线粒体和微粒体的脂质过氧化过程，通过将有毒的脂质过氧化物转化为无毒的脂质醇，以稳定细胞膜。GPX4对过氧化物的降解主要包括以下几个反应过程，其反应中心位点为硒代半胱氨酸（硒醇）：①过氧化氢或有机氢过氧化物与硒醇反应生成硒酸和相应的醇；②硒酸与谷胱甘肽（glutathione,GSH）反应得到硒代硫化物和H2O；③硒代硫化物再次与GSH反应生成硒醇和氧化GSH。GPX4这种抗氧化作用对于维持细胞和机体正常生理功能至关重要。1.2.2GPX4与铁死亡铁死亡是一种非凋亡性的细胞死亡方式，主要形态学表现为细胞膜完整性丧失、胞质肿胀、线粒体膜密度增加、线粒体嵴减少或消失。铁死亡机制研究是目前多种疾病机制研究的热点问题。在铁死亡产生的诸多机制中，GPX4的抑制被认为是诱导铁死亡的中心节点。GPX4对铁死亡的调控主要依赖核转录因子红系2相关因子2（nuclearfactorerythroid2relatedfactor2,Nrf2）/胱氨酸/谷氨酸反向转运体（Systemxc−）轴实现。Systemxc−是体内重要的抗氧化通路，由糖基化的重链溶质载体家族3成员2蛋白和非糖基化的溶质载体家族7成员11（solutecarrierfamily7member11,SLC7A11）蛋白组成，是体内谷氨酸和胱氨酸的转运蛋白。被Systemxc−转运至细胞内的胱氨酸会迅速还原为半胱氨酸，参与GPX4调节底物GSH的合成。GPX4借助GSH将脂质过氧化物进行还原，达到抑制铁死亡的目的。1.2.3GPX4与神经元发育GPX4对于哺乳动物胚胎期的神经元发育以及成年后神经元的健康维持至关重要。Imai等研究指出，GPX4可以保护哺乳动物在胚胎期免受辐射和氧化损伤，不含GPX4的胚胎多于妊娠中期死亡。Ingold等的研究进一步指出，缺少GPX4蛋白的小鼠早期死亡可能与神经元发育不良有关。Chen等的研究证实了GPX4在成年小鼠神经系统健康维持方面的重要性，通过他莫昔芬治疗消除成年小鼠体内的GPX4，在治疗8d后小鼠出现了严重的肌肉萎缩，并迅速瘫痪，同时病理学检查显示其脊髓运动神经元发生了严重退化，但是大脑皮质神经元无明显改变。GPX4对神经元发育的调节机制与铁死亡密不可分，同时也是引起癫痫发作、脑缺血再灌注损伤（cerebralischemiareperfusioninjury,CIRI）、阿尔茨海默病等多种神经系统疾病的原因之一。1.2.4GPX4与免疫应答GPX4通过多种途径参与机体免疫应答，其缺乏会导致免疫力退化及炎症发生。Schwärzler等研究显示，小鼠脂肪细胞中GPX4活性缺失时，会自发引起细胞脂质发生过氧化，同时表达大量炎症因子，如肿瘤坏死因子α、白细胞介素1β、白细胞介素6和白细胞介素8同系物趋化因子（CXC基序）配体1。与野生型小鼠比较，缺乏GPX4的小鼠全身会出现轻度炎症表现；由此推断，脂肪细胞中GPX4具有改善机体代谢失调、防治炎症的作用，这种作用机制与铁死亡并不相关。干扰素基因刺激因子对于检测胞质DNA、启动针对微生物感染和肿瘤的先天免疫应答至关重要。Jia等研究显示，GPX4通过维持脂质的氧化还原稳态来促进干扰素基因刺激因子活化。GPX4缺乏会抑制环磷酸鸟苷腺苷合成酶干扰素基因刺激因子途径和单纯疱疹病毒1诱导的先天抗病毒免疫应答，导致单纯疱疹病毒1在体内复制繁殖。此外，GPX4还可以通过调节中性粒细胞铁死亡诱导自身免疫，通过抑制CD4T+细胞铁死亡增强细胞免疫功能。GPX4对免疫应答的调节同时也是克罗恩病、溃疡性结肠炎、骨关节炎症等疾病的发病机制之一。GPX4的氧化还原结构使得其在神经元发育、铁死亡、免疫应答等诸多生物学功能中起着重要作用。目前研究显示，GPX4改善IRI的作用主要依赖于对铁死亡的调控。GPX4的其他生物学功能是否在IRI的发生、发展中发挥作用有待更多的研究论证，同时也是IRI领域研究的重点。2GPX4与器官IRI2.1GPX4与CIRI早期脑组织缺血再灌注后会释放大量活性氧（reactiveoxygenspecies,ROS）和炎症因子，进而导致脑组织的二次损伤（即CIRI）。逆转缺血性脑卒中患者接受再灌注治疗后的CIRI是改善患者预后、提高生活质量的关键。CIRI的发生与多种细胞死亡机制有关，包括细胞凋亡、坏死、坏死性凋亡、自噬、铁死亡等。其中铁死亡在CIRI的发生、发展过程中起着关键作用，铁死亡通过芬顿反应造成细胞膜中不饱和脂质过氧化，破坏细胞膜完整性，同时ROS及多种炎症因子进一步破坏DNA结构，最终导致脑损伤的不可逆转性。GPX4的表达可以大量减少过氧化脂质及ROS的堆积，因此是CIRI治疗中的重要靶点。CIRI目前的治疗手段主要包括药物治疗及非药物治疗。黄芩素、三叶苷、金合欢素等多种中药成分已被证实在CIRI中具有重要疗效。其中黄芩素（5，6，7三羟基黄酮）是从一种名为贝加尔湖黄芩的传统中药中分离出来的主要生物活性成分，具有逆转CIRI的作用。Li等的研究显示，黄芩素的主要作用靶点为GPX4/长链酰基辅酶A合成酶4/长链酰基辅酶A合成酶3信号轴，可呈剂量相关性促进小鼠细胞内GPX4的表达，进而抑制铁死亡，改善CIRI。GPX4的表达升高，同时促进GSH的产生。GPX4可以利用GSH催化脂质过氧化成醇，减少有毒的过氧化脂质积累，抑制脑损伤进展。Liu等的研究同样证实了GPX4的高表达在逆转IRI中的重要作用。除药物治疗外，缺血性脑卒中患者通常需要进行早期运动康复训练，这被认为是降低此类患者术后病死率、加快康复的关键。有研究显示，运动训练可以通过调节体内SLC7A11/GPX4轴，促进细胞GPX4表达，抑制铁死亡，进而减轻CIRI。多位学者的研究同样显示，GPX4是减轻CIRI的重要作用靶点，这种逆转IRI的作用主要依赖于GPX4对铁死亡的调控。这为开发有效治疗脑卒中的方案提供了新方向。2.2GPX4与心肌缺血再灌注损伤（myocardialischemiareperfusioninjury,MIRI）MIRI是缺血性心脏病患者冠状动脉血流恢复后出现心肌功能障碍、结构损伤和电活动紊乱的根本原因，其发生机制涉及氧化应激、ROS堆积、钙超载及ATP生成障碍等多种病理状态。GPX4作为机体重要的过氧化物酶可以有效减少ROS堆积，减轻机体氧化应激状态，因此可以作为MIRI潜在的治疗靶点。目前，药物治疗是治疗MIRI的主要手段，具有减轻MIRI作用的药物有镇静类药物（右美托咪定）及多种中药（如柚皮素、参麦、白藜芦醇等）。胡俊凯等发现，右美托咪定预处理可以减轻小鼠MIRI，其机制为右美托咪定通过下调长链酰基辅酶A合成酶4蛋白水平，减少机体内脂质过氧化物的生成，并通过上调GPX4水平抑制铁死亡，进而产生心肌保护作用。此外，一些中药也具有同样作用，柚皮素是一种黄酮类化合物，可以通过作用于GPX4进而改善MIRI。Xu等研究显示，在小鼠MIRI模型中，心肌细胞内Nrf2、SLC7A11、GPX4等蛋白水平显著降低，这提示MIRI过程可能有铁死亡参与；将MIRI细胞经柚皮素处理，细胞内Nrf2、SLC7A11、GPX4等蛋白水平显著升高，并与柚皮素呈剂量依赖性，说明柚皮素减轻MIRI的机制是通过作用于Nrf2/Systemxc−/GPX4轴实现的。除柚皮素外，有研究发现，参麦、白藜芦醇同样具有减轻大鼠MIRI的作用，两者均可以通过上调GPX4水平进而逆转MIRI。总之，GPX4的高表达有助于逆转MIRI，这种作用机制依赖于GPX4对铁死亡的调控。2.3GPX4与肺缺血再灌注损伤（lungischemiareperfusioninjury,LIRI）LIRI常见于体外循环手术、肺移植、肺栓塞等病理生理状态，同时也是影响肺移植患者术后生存率的重要因素。Zhang等研究证实，Nrf2的高表达可显著减轻LIRI。GPX4是Nrf2转录途径介导的重要因子，因此可以推测GPX4分子的高表达有助于逆转LIRI。王赟等将54只健康大鼠分作3组进行实验，其中LIRI+Nrf2激动剂组肺组织中GSH、GPX4水平明显升高，肺组织病理损伤减轻。这与徐标等的研究结果相同，他们应用纳美芬对缺血肺组织进行处理后发现，肺组织内GPX4显著增高，Fe2+浓度和促铁死亡蛋白长链酰基辅酶A合成酶4表达下降，肺上皮细胞线粒体收缩程度和线粒体膜密度减轻，这说明纳美芬可以通过提高GPX4水平逆转LIRI。此外，黄酮类化合物芹菜素也可以通过提高小鼠肺组织内GPX4分子表达水平减轻LIRI，这种调控可能与芹菜素应用剂量呈正相关。总之，GPX4的高表达可能可以减轻LIRI，是提高肺移植患者术后生存率的关键。2.4GPX4与肠道缺血再灌注损伤（intestinalischemiareperfusioninjury,IIRI）肠道可以维持机体内环境稳定和正常生理功能，具有吸收营养物质、清除毒素、维持免疫应答和释放激素等作用。临床上，创伤性休克、严重感染和严重烧伤等多种疾病均会导致肠道缺血，缺血的肠道在血液再灌注时会释放大量内毒素和炎症因子，引起IIRI。IIRI对患者全身病理生理状态的影响远大于原发性肠道损伤。研究显示，IIRI通常会导致其本身及其远端器官如心、肺、肝等器官的功能障碍，进而引起多发性器官衰竭。因此预防、治疗IIRI是改善患者预后、加快术后康复的关键。一些中药成分（如白藜芦醇、青蒿琥酯等）对IIRI具有治疗效果，此外，肠道菌群自身的代谢产物也可以在一定程度上逆转IIRI。Deng等将RSL3（一种GPX4蛋白抑制剂）应用在小鼠IIRI模型中，结果显示RSL3处理组的小鼠肠道组织病理损伤评分显著增加，存活率降低，这说明GPX4的水平与逆转IIRI有关。同时，该研究证实了肠道菌群的代谢产物可以通过增强GPX4的表达，进而抑制铁死亡，逆转IIRI。Wang等的研究同样证实了GPX4可以作为防治IIRI的治疗靶点。研究显示，IIRI主要发生在再灌注期间，在此期间GPX4及GSH表达下降，细胞发生铁死亡。白藜芦醇可以通过激活沉默信息调节因子2相关酶类3，增加GPX4及GSH表达，进而改善IIRI。总之，GPX4与IIRI发生、发展有着密切联系，然而目前相关研究较少，GPX4防治IIRI的具体作用机制及干预时点有待深入探讨。2.5GPX4与肾缺血再灌注损伤（renalischemiareperfusioninjury,RIRI）RIRI是一种急性炎症性疾病，被认为是导致急性肾损伤（acutekidneyinjury,AKI）的主要原因之一。临床上，肾移植、低血容量性休克和感染等均会导致RIRI。防治RIRI对于AKI患者的治疗和预后具有重要意义。Sun等研究显示，GPX4的泛素化会加重RIRI导致的AKI，在体外RIRI模型中，再灌注的肾组织会产生大量的三基序蛋白21，三基序蛋白21介导GPX4发生泛素化，增加机体ROS的产生，促进细胞内铁的积累，进而发生