《Biochimie》：Structural and functional analysis of the bifunctional thioredoxin glutathione reductase -TGR- from the white shrimp
Penaeus vannamei, and redox responses under hypoxia
编辑推荐：
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P. vannamei 使用 TGR 作为桥梁酶，连接硫氧还蛋白和谷胱甘肽代谢途径
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P. vannamei 使用 TGR 作为桥梁酶，连接硫氧还蛋白和谷胱甘肽代谢途径
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Platyhelminthes 和 P. vannamei 中的 TGR 的相似性表明它也可以还原 GSSG 和 Trx-SS
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TGR 基因表达在缺氧条件下增加，GR 活性在复氧过程中增强
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复氧 6 小时后的 GSH/GSSG 比率和 TBARS 水平与常氧 6 小时时相似
引言
水产养殖是全球增长最快的食品生产系统之一。白虾 Penaeus vannamei 是全球主要的商业水产物种，几乎所有产量都来自水产养殖 [1]。在水生生态系统中，氧气水平具有异质性，并会受到物理、化学和生物因素的影响而波动。氧气的变化源于全球水温的变化、海平面上升、水文制度的变化以及水生生态系统中的循环模式变化。这些变化会破坏自然栖息地和养殖场，降低动物的存活率 [2, 3]。此外，在封闭环境中（如水产养殖场），高密度的生物体会造成缺氧条件 [4, 5]，这强调了充足的水质氧化的重要性，尤其是在养殖像虾这样的高活跃性生物时。大多数养殖水产品的推荐溶解氧（DO）浓度在 4 到 5 mg O2/L 之间，较低的 DO 会导致生长减缓和死亡率增加 [6]。溶解氧的变化会影响许多动物，包括对虾 (Macrobrachium nipponense [7, 8] 和 P. vannamei [9, 10])，影响其生理机能、免疫功能和抗氧化反应 [11]。
谷胱甘肽 (GSH) 是调节动物细胞氧化还原稳态最重要的细胞抗氧化剂之一 [12, 13]。GSH/GSSG 比率是最常用的应激反应标志物之一。氧化型谷胱甘肽 (GSSG) 通过谷胱甘肽还原酶 (GR) 在 NADPH 的作用下被还原回 GSH，以维持稳定的 GSH/GSSG 比率 [14]。所有动物都进化出了高效的酶系统来循环利用这种抗氧化剂的氧化形式 [15]。GSH 通过谷胱甘肽过氧化物酶和过氧还原蛋白参与活性氧 (ROS) 的酶促清除过程。此外，它还作为谷胱甘肽 S-转移酶的底物，帮助结合亲电物质，促进内源性化合物和外源物质的新陈代谢和解毒 [16, 17, 18]。
谷胱甘肽的抗氧化功能已在一些甲壳类动物中进行了研究。然而，对于参与 GSH 循环的所有酶的研究尚未完成。虽然已经评估了甲壳类动物在各种应激条件下的 GR 活性 [19, 20, 21]，但据我们所知，GR 酶的特性尚未得到充分研究。GR 在不同生物体间的差异很大 [15]；在 GR 缺失的情况下，其他类似的酶和硫醇对于维持氧化还原稳态同样重要。其他吡啶核苷酸二硫化物氧化还原酶（如硫氧还蛋白还原酶 (TR)）被认为起源于 GR 的共同祖先 [22, 23]。在一些与甲壳类动物同门的昆虫中，GSSG 的还原由硫氧还蛋白系统完成，其中 GSSG 由硫氧还蛋白 (Trx) 还原，而氧化型硫氧还蛋白 (Trx-SS) 则通过 TR 和 NADPH 的作用重新还原。然而，在这些昆虫中，TR 不能直接还原 GSSG [24]。与 GR 不同，针对甲壳类动物在各种应激条件下 TR 酶的研究已经从单纯测量酶活性扩展到了酶的特性分析和基因表达分析 [26, 28]。
除了 TR 之外，还有一种具有双重功能的经济酶：硫氧还蛋白谷胱甘肽还原酶 (TGR) [29]。TGR 和 TR 之间的区别很重要，因为这两种酶在结构上有高达 80% 的相似性。TGR 酶的起源尚无明确解释，但据推测 TGR 是 TR 的同源物，其主要区别在于 C 末端区域的延伸 [22]。然而，已有研究表明某些生物体同时缺乏 TR 和 GR 酶，完全依赖 TGR 来维持 GSH 和 Trx 代谢途径 [30]。因此，这种酶对于抵御氧化应激至关重要，是这些生物体应激反应的关键组成部分 [31, 32]。最初在第 P. vannamei 中寻找典型的 GR 时只发现了一个 TGR 基因，这促使本研究专注于表征这种双功能酶，将其与其他 TGR 进行比较，并分析其在短期缺氧和复氧条件下的表达和活性。
章节摘录
TGR 的鉴定和 cDNA 克隆
为了鉴定 P. vannamei 中的 TGR 序列，我们在 NCBI 数据库中使用桡足类动物 Tigriopus japonicus (DQ531048.1) 的 GR 作为查询进行 tBLASTn 检索。分析在 nr/nt、est 和 TSA 数据库中进行。在 P. vannamei 基因组中找到了一个匹配序列，登录号为 XM_027357384.2，LOC113806268。该序列被用来设计引物，通过 PCR 从 cDNA（互补 DNA）中扩增 TGR 核苷酸序列。cDNA 是从总 RNA 合成的。
从 P. vannamei 中克隆和测序硫氧还蛋白谷胱甘肽还原酶
硫氧还蛋白谷胱甘肽还原酶的编码 DNA 序列来自肝胰腺，并提交至 GenBank，登录号为 PZ497886。该基因的开放阅读框 (ORF) 长 1989 bp，编码一个包含 662 个氨基酸的蛋白质，以甲硫氨酸密码子 (ATG) 开始并以 TAG 终止密码子结束。5’ 端包含一段 198 bp 的序列，可在 N 端编码 66 个氨基酸，其线粒体定位序列 (MTS) 的概率为 0.91（图 1）。3’ UTR 长 604 bp，包含 SECIS 元件。
讨论：
硫氧还蛋白谷胱甘肽还原酶属于吡啶核苷酸二硫化物氧化还原酶家族，包括 TR、GR 和其他酶 [22]。在缺乏典型 GR 和/或 TR 的生物体中，这种酶通过整合两个关键系统来维持氧化还原稳态 [15, 31]。在本研究中，我们在 P. vannamei 的 GenBank 数据中未找到任何编码典型 GR 或 TR 的序列，但发现了编码 TGR 的序列。这一发现与此前的研究结果相反。
结论
在这项研究中，从白虾 P. vannamei 中克隆了线粒体硫氧还蛋白谷胱甘肽还原酶的编码序列 (CDS)。结果表明，TGR 可能参与了该生物体中 Trx-SS 和 GSSG 的循环系统。三维模型显示 TGR 与 SmTGR 在结构上有相似性，后者也具有还原 GSSG 和 Trx-SS 的能力。TGR 在短期缺氧应激期间的表达增加，约一小时后，在复氧过程中 GR 活性增强。
CRediT 作者贡献声明
Silvia Gomez-Jimenez： 写作、审阅与编辑、监督、资源获取。 Lilia Leyva-Carrillo： 写作、审阅与编辑、验证、形式分析。 Alma B Peregrino-Uriarte： 写作、审阅与编辑、验证、方法学、研究、形式分析。 Jesus A. Rosas-Anaya： 写作、审阅与编辑、可视化、研究、形式分析。 Grelda A. Moran-Ya?ez： 初稿撰写、研究、形式分析。 Gloria Yepiz-Plascencia： 写作——
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
本研究由 SECIHTI（科学、人文、技术和创新秘书处）提供的 CBF2023-2024-595 资金支持。
利益冲突声明
? 作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
? 作者是 Comparative Biochemistry and Physiology Part A 的编委会成员/主编/副主编/客座编辑，未参与本文的编辑审查或发表决定。
我们感谢 SECIHTI 提供的博士奖学金给 GAMY。同时感谢来自海洋无脊椎动物生理学实验室 (CIAD) 的 Luis Adrián Gámez Alejo 和 Julio César Apodaca 在虾类生物实验中的帮助。
Grelda A. Morán-Yá?ez | Adelmo Rosas-Anaya | Ama B. Peregrino-Uriarte | Silvia Gómez-Jiménez | Humberto González-Ríos | Laura Camacho-Jiménez | Gloria Yepiz-Plascencia
