Hệ thống hóa các gene chống oxi hóa ở người

Daniel P. Gelain, Rodrigo J. S. Dalmolin, Vanessa L. Belau, Jose C. F. Moreira, Fabio Klamt, Mauro A. A. Castro (2009): "A systematic review of human antioxidant genes", Frontiers in Bioscience 14, 4457-4463

Link bài gốc: https://drive.google.com/open?id=1nHeXwP_ZQqGhANYpXNQxnspwVw9PGMYq

Biên dịch: Phạm Ngọc Sơn

1. Tóm tắt

Việc duy trì giữa tạo ra và trung hòa các gốc tự do là yếu tố sống còn đối với mọi tế bào. Các hệ thống chống oxi hoa của tế bào giúp duy trì trạng thái oxi hóa khử ổn định trong các điều kiện sinh lý và bệnh lý. Do đó, rất nhiều nghiên cứu đã thực hiện nhằm giúp chúng ta có cái nhìn rõ ràng hơn về cơ chế và chứng năng của các thành phần của hệ thống chống oxi hóa của tế bào cũng như mối quan hệ giữa các yếu tố. Tuy nhiên, định nghĩa “hệ thống chống oxi hóa” hiện nay đang khá rộng và có nhiều khái niệm mang tính tương đối, không có sự đồng thuận về phân loại chứng năng của các thành phần. Ở đây, dựa trên các tiêu chí nhất định như chức năng enzyme chống oxi hóa, tham gia vào phản ứng oxi hóa khử và các tương tác phân tử liên quan trực tiếp đến hoạt động chống oxi hóa, chúng tôi liệt kê các gene chống oxi hóa ở người bao gồm cả các sản phẩm của chúng. Các tiêu chí này được thảo luận dựa trên các mối quan hệ giữa gene/protein và các chất chống oxi hóa được liệt kê. Hơn nữa, ở trang web: http://www.ufrgs.br/icbs/hag, chúng tôi đã cung cấp mô hình network các gene chống oxi hóa ở người, mô hình này có thể được dùng như một công cụ tham chiếu để truy cập vào các nguồn cơ sở dữ liệu khác (ví dụ: RefSeq, Ensembl, HGNC và NCBI Entrez).

2. Giới thiệu

Các gốc tự do và các phân tử liên quan nằm ở mọi nơi trong tế bào và đóng vai trò thiết yếu trong các quá trình sinh học. Các tế bào có các cơ chế riêng giúp duy trì cân bằng giữa sản sinh và trung hòa các gốc tự do, khi cán cân này bị mất thăng bằng, sẽ dẫn đến tình trạng được gọi là “stress oxi hóa”. Mặc dù khái niệm “stress oxi hóa” thường được sử dụng để phản ánh các thương tổn gây ra bởi gốc tự do chứa oxi (ROS) và gốc tự do chứa nito (RNS), nhưng gần đây, người ta tách riêng các thương tổn do nito hóa gây ra và gọi là “stress nito hóa” [1]. Ở đây, như đã nói ở trên, chúng tôi sẽ mô tả hai loại thương tổn này dưới cùng một tên gọi là “stress oxi hóa”.

Theo định nghĩa, stress oxi hóa dẫn đến các thương tổn trên các đại phân tử như lipid, protein, và DNA. Rất nhiều loại ROS và RNS có khả năng khuếch tán cao và tham gia điều tiết các hoạt động sinh lý, do đó, chúng được xem là đóng vai trò như những phân tử tín hiệu quan trọng. Đối với H₂O₂ và nitric oxide, đây là các phân tử tín hiệu quan trọng trong nhiều quá trình sinh lý như phân bào, điều hòa co mạch, hơn nữa, chúng cũng đồng thời là các tiền chất của các gốc tự do có hoạt tính sinh học cao (và độc tính cao) như hydroxyl radical và peroxynitrite [2]. Các gốc tự do ROS/RNS được sinh ra ngay trong phản ứng sinh học như thực bào, chuỗi vận chuyển điện tử,... Sự thay đổi trong các phản ứng này có thể làm tăng lượng ROS/RNS trong tế bào, từ đó là tăng các đáp ứng viêm và ảnh hưởng đến hoạt động chức năng của ty thể.

Để tránh các hậu quả khôn lường của stress oxi hóa, tế bào đã phát triển rất nhiều các cơ chế tự vệ bao gồm kháng độc, enzyme chống oxi hóa, enzyme sửa chữa, hệ thống thiol-redox. Bên cạnh đó, chúng cũng sử dụng các sản phẩm thứ cấp và các chất ngoại sinh để tăng khả năng chống oxi hóa hoặc trung hòa ROS/RNS. Các chất chống oxi hóa enzyme và phi enzyme của tế bào tạo thành hệ thống chống oxi hóa, và chúng ràng buộc nhau trong một mạng lưới phức tạp nhằm duy trì giữ hình thành và trung hòa ROS/RNS [3]. Đa số các chất chống oxi hóa là enzyme của hệ thống này được gọi là “enzyme chống oxi hóa” (ví dụ như catalase, superoxide dismutase, glutathione peroxidase). Rất nhiều công trình nghiên cứu được thực hiện nhằm đánh giá hoạt độ và biểu hiện của các enzyme chống oxi hóa trong các điều kiện sinh lý khác nhau như một thông số chống oxi hóa trong điều kiện xác định. Hơn nữa, hoạt độ và biểu hiện cũng các enzyme chống oxi hóa cũng được kiểm chứng trong các điều kiện bệnh lý như xơ vữa động mạch, cao huyết áp, viêm, Parkinson và Alzheimer, tiểu đường type 2, ung thư và nhiều dạng bệnh khác, các bệnh này đều có liên quan đến sự mất cân bằng giữa sản xuất và trung hòa ROS/RNS của tế bào [4]. Thực tế, sự giảm biểu hiện và hoạt độ của các enzyme chống oxi hóa có thể làm tăng khả năng mắc một số bệnh liên quan, ví dụ như sự giảm biểu hiện enzyme superoxide dismutase và catalase ở một số bệnh ung thư [5, 6].

Tuy nhiên, khái niệm hệ thống enzyme chống oxi hóa cũng chưa thật chính xác, vì có rất nhiều enzyme tham gia duy trì cân bằng trạng thái oxi hóa khử một cách gián tiếp, hoặc không tương tác trực tiếp với các gốc tự do hoặc chỉ là đệm oxi hóa khử. Trong khi đó, khái niệm enzyme chống oxi hóa thường được gán cho các enzyme phản ứng trực tiếp với các gốc tự do và chúng thường là các chất chính có tác dụng chuyển hóa các gốc tự do về trạng thái không độc hoặc ít độc hơn [3].

Trong nghiên cứu gần đây, chúng tôi đã đưa ra một danh sách các gene chống oxi hóa ở người dựa trên các dữ liệu đã công bố về bộ gene người. Trong bài báo này, chúng tôi đã phân cá gene thành hai nhóm: i) các gene mã hóa cho các enzyme chống oxi hóa như đã định nghĩa ở trên; và ii) các gene mà sản phẩm của chúng không phải là enzyme nhưng lại phản ứng trực tiếp với các gốc tự do, ví dụ như các protein chứa thiol. Công trình này được xây dựng dựa trên 63 gene chống oxi hóa ở người, được phân thành 3 nhóm chức năng: peroxidase, superoxide dismutase, và các protein thiol-redox. Dựa trên các tiêu chí phân loại, nghiên cứu này này sẽ mô tả các chất và sản phẩm của các gene cũng như mối tương tác của chúng trong hệ thống chống oxi hóa. Chúng tôi hy vọng, hệ thống gene chống oxi hóa này sẽ làm sáng tỏ hệ thống cũng như các đặc điểm của cơ chế chống oxi hóa ở người.

3. Tìm kiếm các gene chống oxi hóa

3.1. Cơ sở dữ liệu và lựa chọn thông tin

Để tìm kiếm các gene liên quan đến khả năng nống oxi hóa, chúng tôi đã sử dụng cơ sở dữ liệu Gene Ontology (http://www.geneontology.org/) vào tháng 9 năm 2007. Tiêu chí để tìm kiếm bao gồm các chỉ tiêu về mối quan hệ giữa ROS/RNS với sản phẩm do gene mã hóa (theo GO:0006800 và các tài liệu liên quan). Kết quả được rà soát lại để bổ sung và xác định lại các gene chống oxi hóa dựa trên các công trình đã công bố. Để xác định các gene chức năng, chúng tôi sử dụng cơ sở dữ liệu STRING (http://string.embl.de/) [7], đây là công cụ tin sinh học để xây dựng mạng lưới các gene chức năng. Các gene được xem là đạt tiêu chuẩn nếu chúng được xác định dựa trên các tiêu chuẩn định danh gene người theo cơ sở dữ liệu HGNC (http://string.embl.de/) [8].

3.2. Xác định gene chống oxi hóa và các tiêu chuẩn xác định

Rất khó để định nghĩa rõ ràng và chính xác thế nào là một chất chống oxi hóa. Rất nhiều chất không tham gia vào quá trình chống oxi hóa trong điều kiện sinh lý bình thường, nhưng chúng lại đóng vai trò quan trọng khi tế bào rơi vào trạng thái stress oxi hóa, ví dụ như uric acid, albumin, bilirubin. Bên cạnh đó, các enzyme chống oxi hóa khác và các chất phi enzyme, như transferrin và metallothionein, có thể tác động tới trạng thái oxi hóa khử của tế bào dựa vào các quá trình chuyển hóa vật chất liên quan đến gốc tự do như chuyển hóa ion sắt và đồng. Mở rộng định nghĩa về chất chống oxi hóa, chúng tôi sử dụng các tiêu chí sau để xây dựng danh sách gene chống oxi hóa ở người:

1. Các gene mà sản phẩm của chúng được xem là các enzyme chống oxi cơ bản. Các enzyme này xúc tác cho các phản ứng loại bỏ gốc tự do, chuyển hóa gốc tự do về dạng không độc hoặc ít độc hơn, và không có chức năng nào khác ngoài chức năng trên.

2. Các gene mà sản phẩm của chúng không phải là enzyme chống oxi hóa, nhưng chúng có chức năng chống oxi hóa. Các protein này hoạt động như một co-factor hoặc co-substrate của các enzyme chống oxi hóa trong phản ứng oxi hóa khử, hoặc có tương tác đặc biệt và không thể thiếu đối với các enzyme này, Các gene như vậy được xem là có chức năng chống oxi hóa phi enzyme.

3. Các gene mà sản phẩm của chúng tham gia vào các phản ứng sinh lý khác, nhưng có tương tác với các gốc tự do hoặc có thể chuyển hóa chúng về dạng không độc hoặc ít độc hơn qua qua các phản ứng oxi hóa khử. Các protein này ban đầu không được phân vào nhóm các chất chống oxi hóa, và chỉ sau này, khi đã có các bằng chứng không thể chối cãi về khả năng trung hòa gốc tự do một cách trực tiếp của mình, chúng mới được công nhận.

4. Gồm các gene mà sản phẩm của chúng có tương tác đặc biệt với các gene kể trên, và đóng vai trò quan trọng trong việc giúp các chất chống oxi hóa hoạt động chức năng.

Bằng các tiêu chí trên, chúng tôi có gắng tập trung vào các gene mà sản phẩm của chúng tham gia vào quá trình loại bỏ gốc tự do thông qua tương tác trực tiếp với các gốc này, hoặc thông qua các chaperone hoặc co-factor của chúng; từ đó loại ra các protein chỉ đóng vai trò duy trì trạng thái oxi hóa khử của tế bào như đã đề cập ở trên. Tuy nhiên, mục tiêu của chúng tôi chủ yếu là các gene mà sản phẩm của chúng chỉ có một chức năng là chống oxi hóa. Ngoài ra, các gene là các isoform/isogene của các gene chống oxi hóa cũng được liệt kê trong hệ thống này.

4. Danh sách gene chống oxi hóa ở người

Danh sách các gene chống oxi hóa ở người được tìm kiếm dựa trên cơ sở dữ liệu và các tiêu chí đã mô tả ở bảng 1. Danh sách này được công bố trên trang web: http://www.ufrgs.br/icbs/hag. Các gene được phân thành 3 nhóm: superoxide dismutase (4 gene), peroxidase (17 gene), và protein thiol-redox (42 gene).

4.1. Superoxide dismutase

Superoxide dismutase (SOD) là enzyme đầu tiên được ghi nhận là có chức năng chống oxi hóa và chúng được công nhận là một họ enzyme có chức năng chuyên biệt. Các enzyme này chuyển hóa 2 phần tử superoxide radical thành H₂O₂ và O₂, và giữ ổn định H₂O₂, trước khi phân tử này được tiếp tục chuyển hóa bởi catalase hoặc glutathione peroxidase. Trong bài báo này, chúng tôi liệt kê 3 gene mã hóa cho 3 loại SOD khác nhau ở người: SOD1 (mã hóa cho Cu/Zn- superoxide dismutase ở nhân và tế bào chất), SOD2 (Mã hóa cho Mn-superoxide dismutase ở ty thể) và SOD3 (mã hóa cho superoxide dismutase ngoại bào). Bên cạnh đó, chúng tôi cũng liệt kê trong nhóm này, các gene Copper chaperone cho SOD- CCS gene, đây là gene mã hóa cho protein vận chuyển đồng cho SOD1 để hoạt động chức năng [9]. Protein này có thể không được liệt kê vào nhóm chất chống oxi hóa, nhưng chúng có một chức năng đặc thù là vận chuyển đồng cho SOD1, nhờ vây mà SOD1 mới có thể hoạt đông chức năng. Do đó, sản phẩm của gene này có chức năng đặc thù và liên quan trực tiếp đến hoạt động chức năng của SOD1, nên chúng tôi quyết định đưa CCS vào trong danh sách này như một thành viên của nhóm SOD.

4.2. Peroxidase

Nhóm này bao gồm nhiều gene, mã hóa cho nhiều loại protein với đặc điểm chung: chúng có chức năng như các hydroperoxide và các peroxide giải độc hữu cơ. Tuy nhiên, một số peroxide lại trực tiếp tham gia vào quá trình tạo các phẩn tử có độ độc cao, bằng cách sử dụng hydroperoxide như một cơ chất tạo gốc tự do để diệt khuẩn. Ví dụ, myeloperoxidase, enzyme xúc tác cho phản ứng:

H₂O₂ + Cl^- à HOCl + OH^-

Lượng HOCl được sinh ra từ phản ứng này đóng vai trò quan trong trong quá trình tiêu diệt vi khuẩn bằng thực bào. Tuy vậy, HOCl là một gốc tự do mạnh và có thể gây ra các thương tôn cho các phân tuwrsinh học theo cả cách trực tiếp và giám tiếp. HOCl là một chất oxi hóa và có khả năng khởi động quá trình chết theo chu trình. Ở bệnh nhân Alzheimer và tim mạch, enzyme myeloperoxidase có hoạt độ cao hơn mức bình thường. Trong sữa và nước bọt, enzyme lactoperoxidase cũng có vai trò tương tự như vậy.

Mặc dù enzyme myeloperoxidase và lactoperoxidase đều xúc tác cho các phản ứng tạo ra các phẩn tư có tính oxi hóa cao, nhưng trong đa số các giáo trình, các enzyme này thường được phân vào các nhóm enzyme khác nhau cũng như chức năng khác nhau, ví dụ như glutathione peroxidase. Điều này có cơ chế hình thành gốc peroxide của 2 enzyme này không giống nhau, nhưng ở trong cồng trình này, chúng tôi dựa vào các tiêu chí ở trên và liệt kê 2 enzyme này thuộc cùng một nhóm gene chống oxi hóa.

4.3. Protein thiol-redox

Đây có lẽ là nhóm có nhiều thay đổi nhất trong tương lại, khi con người thay đổi cách nhìn nhận và phân loại các gene chống oxi hóa. Nguyên nhân là do các lượng protein được tạo thành liên tục tăng lên và có vai trò quan trọng trong quá trình chống oxi thông qua phản ứng thiol-redox. Các gene này được nhóm lại do chúng có chung phương thức trung hòa gốc tự do: 1) oxi hóa gốc cysteine, tạo nên cấu trúc disulfide, và 2) khử các cầu disulfide này bằng các protein đặc hiệu (ví dụ như glutaredoxin hay thioredoxin reductase) sử dụng các co-factor đặc hiệu (glutathione dạng khử, thioredoxin, hoặc NADPH). Mặc dù tất cả các protein chứa cysteine đều bị oxi hóa bởi nhóm thiol khi tế bào rơi vào trạng thái stress oxi hóa, nhưng một số protein cũng đóng vai trò như “đệm thiol-redox”. Ví dụ như metallothionein, đây là một protein giàu cysteine và hoạt động như một chất chống oxi hóa, nhưng bên cạnh đó, chúng cũng được biết đến với vai trò thu thập các ion kim loại [11]. Tuy nhiên, gần đây, nhiều ý kiến cho rằng các gốc cysteine này không chỉ là một yếu tố phân loại protein vì chúng có chức năng thiol-redox, mà còn bởi cysteine có khả năng oxi không giống nhau trong các điều kiện khác nhau [3]. Trong tương lai, chính vì nguyên nhân này mà nhiều gene mới sẽ được bổ sung vào nhóm gene này.

Bảng 1: Các gene chống oxi hóa ở người

Gene Group1	Gene Symbol2	Gene Name2	Chromosome	RefSeq ID	Entrez ID
Peroxidases	CAT	catalase	11p13	NM_001752	847
Peroxidases	CP	ceruloplasmin (ferroxidase)	3q23-q25	NM_000096	1356
Peroxidases	GPX1	glutathione peroxidase 1	3p21.3	NM_000581	2876
Peroxidases	GPX2	glutathione peroxidase 2 (gastrointestinal)	14q24.1	NM_002083	2877
Peroxidases	GPX3	glutathione peroxidase 3 (plasma)	5q23	NM_002084	2878
Peroxidases	GPX4	glutathione peroxidase 4 (phospholipid hydroperoxidase)	19p13.3	NM_002085	2879
Peroxidases	GPX5	glutathione peroxidase 5 (epididymal androgen-related protein)	6p22.1	NM_001509	2880
Peroxidases	GPX6	glutathione peroxidase 6 (olfactory)	6p22.1	NM_182701	257202
Peroxidases	GPX7	glutathione peroxidase 7	1p32	NM_015696	2882
Peroxidases	LPO	lactoperoxidase	17q23.1	NM_006151	4025
Peroxidases	MPO	myeloperoxidase	17q21.3-q23	NM_000250	4353
Peroxidases	PRDX1	peroxiredoxin 1	1p34.1	NM_181697	5052
Peroxidases	PRDX2	peroxiredoxin 2	19p13.2	NM_181737	7001
Peroxidases	PRDX3	peroxiredoxin 3	10q25-q26	NM_006793	10935
Peroxidases	PRDX4	peroxiredoxin 4	X	NM_006406	10549
Peroxidases	PRDX5	peroxiredoxin 5	11q13	NM_181651	25824
Peroxidases	PRDX6	peroxiredoxin 6	1q24.1	NM_004905	9588
Sup. dismutases	CCS	copper chaperone for superoxide dismutase	11	NM_005125	9973
Sup. dismutases	SOD1	superoxide dismutase 1, soluble (amyotrophic lateral sclerosis 1 (adult))	21q22.11	NM_000454	6647
Sup. dismutases	SOD2	superoxide dismutase 2, mitochondrial	6q25	NM_000636	6648
Sup. dismutases	SOD3	superoxide dismutase 3, extracellular	4pter-q21	NM_003102	6649
Thiol redox	GLRX	glutaredoxin (thioltransferase)	5q14	NM_002064	2745
Thiol redox	GLRX2	glutaredoxin 2	1p31.2-q31.3	NM_016066	51022
Thiol redox	GLRX3	glutaredoxin 3	10q26	NM_006541	10539
Thiol redox	GLRX5	glutaredoxin 5	14q32.2	NM_016417	51218
Thiol redox	GSR	glutathione reductase	8p21.1	NM_000637	2936
Thiol redox	MSRA	methionine sulfoxide reductase A	8p23.1	NM_012331	4482
Thiol redox	MT1A	metallothionein 1A	16q13	NM_005946	4489
Thiol redox	MT1B	metallothionein 1B	16q13	NM_005947	4490
Thiol redox	MT1E	metallothionein 1E	16q13	NM_175617	4493
Thiol redox	MT1F	metallothionein 1F	16q13	NM_005949	4494
Thiol redox	MT1G	metallothionein 1G	16q13	NM_005950	4495
Thiol redox	MT1H	metallothionein 1H	16q13	NM_005951	4496
Thiol redox	MT1M	metallothionein 1M	16q13	NM_176870	4499
Thiol redox	MT1X	metallothionein 1X	16q13	NM_005952	4501
Thiol redox	MT2A	metallothionein 2A	16q13	NM_005953	4502
Thiol redox	NXNL1	nucleoredoxin-like 1	19p13.12	NM_138454	115861
Thiol redox	PDIA6	protein disulfide isomerase family A, member 6	2p25.1	NM_005742	10130
Thiol redox	SEPP1	selenoprotein P, plasma, 1	5q31	NM_005410	6414
Thiol redox	SRXN1	sulfiredoxin 1 homolog (S. cerevisiae)	20p13	NM_080725	140809
Thiol redox	TXN	thioredoxin	9q31	NM_003329	7295
Thiol redox	TXN2	thioredoxin 2	22q13.1	NM_012473	25828
Thiol redox	TXNDC1	thioredoxin domain containing 1	14q22.1	NM_030755	81542
Thiol redox	TXNDC10	thioredoxin domain containing 10	18q22	NM_019022	54495
Thiol redox	TXNDC11	thioredoxin domain containing 11	16p13.13	NM_015914	51061
Thiol redox	TXNDC12	thioredoxin domain containing 12 (endoplasmic reticulum)	1p32.3	NM_015913	51060
Thiol redox	TXNDC13	thioredoxin domain containing 13	20p12	NM_021156	56255
Thiol redox	TXNDC14	thioredoxin domain containing 14	11cen-q22.3	NM_015959	51075
Thiol redox	TXNDC17	thioredoxin domain containing 17	17p13.2	NM_032731	84817
Thiol redox	TXNDC2	thioredoxin domain-containing 2 (spermatozoa)	18p11.31-p11.2	XM_942162	84203
Thiol redox	TXNDC3	thioredoxin domain containing 3 (spermatozoa)	7p15.2	NM_016616	51314
Thiol redox	TXNDC4	thioredoxin domain containing 4 (endoplasmic reticulum)	9q22.33	XM_088476	23071
Thiol redox	TXNDC5	thioredoxin domain containing 5	6p24.3	NM_030810	81567
Thiol redox	TXNDC6	thioredoxin domain containing 6	3q22.3	NM_178130	347736
Thiol redox	TXNDC8	thioredoxin domain containing 8 (spermatozoa)	9q31.3	NM_001003936	255220
Thiol redox	TXNDC9	thioredoxin domain containing 9	2q11.2	NM_005783	10190
Thiol redox	TXNIP	thioredoxin interacting protein	1q11	NM_006472	10628
Thiol redox	TXNL1	thioredoxin-like 1	18q21.1-18q21.32	NM_004786	9352
Thiol redox	TXNL4A	thioredoxin-like 4A	18q23	NM_006701	10907
Thiol redox	TXNL4B	thioredoxin-like 4B	16q22.2	NM_017853	54957
Thiol redox	TXNRD1	thioredoxin reductase 1	12q23-q24.1	NM_003330	7296
Thiol redox	TXNRD2	thioredoxin reductase 2	22q11.21	NM_006440	10587
Thiol redox	TXNRD3	thioredoxin reductase 3	3p13-q13.33	XM_051264	114112

5. Hệ thống các gene/protein/hoạt chất liên quan đến chống oxi hóa

Khi phân tích các protein tham gia phản ứng oxi hóa khử, chúng tôi thấy rằng có rất nhiều gene có tương tác với nhau. Một số sản phẩm của gene sử dụng chung hoạt chất, một số gene khác thì tạo ra các sản phẩm chuyển hóa sản phẩm của gene khác, trong khi một số sản phẩm của các gene có cả hai đặc điểm này. Điều này khiến chúng tôi đặt ra giả thiết rằng các gene chống oxi hóa của người trong danh sách này có thể tương tác với nhau theo mạng lưới tương tác protein-protein, hoạt chất-protein, sản phẩm-protein, và hoạt chất-sản phẩm. Do đó, chúng tôi đã thử kiểm chứng các tương tác này bằng cách sử dụng các công cụ sinh học. Lý thuyết để xây dựng mô hình mạng lưới các gene chống oxi hóa rất đơn giản, nhưng không thể thay thế, các phản ứng hoạt chất/ sản phẩm của các gene chống oxi các gene chống oxi hóa là yếu tố để xây dựng các mối quan hệ. Do đó, mạng lưới này được xây dựng thông qua hai bước.

Bước đầu tiên, chúng tôi xây dựng các tương tác protein-protein liên quan tới các gene chống oxi hóa. Quá trình này được thực hiện trên cơ sở dữ liệu STRING [7] với thông số đưa vào “cơ sở dữ liệu”, “thực nghiệm”, và với độ tin cậy 7-% [12]. Mỗi gene được xác định trong cơ sở dữ liệu dựa trên HUGO ID [8] và Ensembl peptide ID [13] (www.ufrgs.br/icbs/hag). Ở hướng tiếp cận khác, trình tự amino acid của protein cho trước được để xác định các trình tự được đưa vào. Kết quả tìm kiếm được lưu thành file dữ liệu “tab-delimited text fields” và được mô tả quan hệ bằng phần mềm Medusa [14] (phần mềm tối ưu để xử lý dữ liệu tương tác protein từ cơ sở dữ liệu STRING).

Tiếp đó, dữ liệu protein được liên kết với các hoạt chất nhằm tạo thành một mạng lưới protein/hoạt chất. Để đạt được mục đích này, chúng tôi đã tìm kiếm các hoạt chất có thể liên quan tới sản phẩm của gene trong cơ sở dữ liệu KEGG [15] (http://www.genome.jp/kegg/). File kết quả hoàn chỉnh gồm ID, dữ liệu tương tác và tên hoạt chất, các thông số này có thể tra cứu trên www.ufrgs.br/icbs/hag. Hình 1 là đồ thị mô tả mạng lưới của chúng tôi, cùng với đó là các đặc điểm liên quan và các tiêu chí phân loại. Đầu tiên, một nhóm các gene mã hóa cho protein thiol-redox và peroxidase liên kết với các phân tử có chứa nhóm thiol dạng oxi hóa (R-S-S-R) và dạng khử (R-SH). Ngoài ra, nhóm SOD cũng có liên kết với nhóm peroxidase thông qua mối tương tác với hydrogen peroxide và oxy. 4 thành viên của nhóm SOD phân riêng với chức năng riêng, không giống những SOD còn lại trong nhóm. Đồ thị này cũng gợi ý rằng các protein thiol-redox còn một chức năng khác, liên quan tới mối quan hệ giằ từng gene với các hoạt chất và sản phẩm (sulfide dạng khử và oxi hóa).

Nhóm peroxidase cũng có một nhóm bị tách riêng, chúng mã hóa cho protein nhưng không tương tác với nhớm thiol, do đó, chúng không liên quan đến các protein thiol-redox thông qua các tương tác với hoạt chất. nhóm này gồm lactoperoxidase, myeloperoxidase, catalase, và ceruloplasmin. Các protein này thể hiện những tính chất rất đặc thù và khác với các thành viên khác trong nhóm peroxidase: Đầu tiên, lactoperoxidase và myeloperoxidase có khả năng oxi rất mạnh nhằm đáp ứng với nhiệm vụ tiêu diệt vi sinh vật của chúng. Ceruloplasma cũng nằm trong danh sách này vì chúng được ghi nhận là có hoạt động như peroxidase ở một số trường hợp đặc biệt, nhưng đây không phải là chức năng cơ bản của protein này [16]. Ở một khía cạnh khác, catalase lại được biết đến với vai trò phân hủy H₂O₂ trong tế bào, đặc biệt là trong peroxisome. Catalase không hoạt động như một peroxidase, nó không sử dụng H₂O₂ để oxi hóa các chất khác. Trong đa số các giáo trình, catalase thường được phân thành một nhóm riêng, mặc dù ở người, nó chỉ có 1 gene mã hóa. Tuy nhiên, catalase xúc tác như một enzyme peroxidase, nó tham gia vào peroxide hóa các kim loại bên ngoài [17]. Do đó, chúng tôi đã đưa gene này vào nhóm peroxidase.

Cần chú ý rằng, mô hình này được xây dựng dựa trên các tiêu chí ở trên, và dựa trên sự khác biệt về chức năng không chỉ giữa các gene trong các nhóm mà còn giữa các gene trong cùng 1 nhóm, mà điển hình là nhóm peroxidase. Rất có thể, trong tương lại, hệ thống này có thể được sử dụng để xem xét, phân loại các gene chống oxi hóa ở người.

Hình 1: Hệ thống gene chống oxi hóa ở người

6. Ứng dụng và triển vọng trong tương lai

Phân loại gene không phải một nhiệm vụ đơn giản. Sản phẩm của các gene thông thường sẽ đảm nhiệm nhiều chức năng khác nhau, phản ánh các mối quan hệ ràng buộc của genome. Ở đây, chúng tôi cung cấp một mô hình mạng lưới các gene chống oxi hóa và phân loại các gene thành các nhóm riêng. Hướng tiếp cận này có thể được sử dụng để phân tích đặc điểm cả các gene chống oxi hóa. Với mục tiêu này, chúng tôi đã đưa các thông tin thu được lên trang web HAG (Human Antioxidant Genes website), trang web này được thiết kế để tìm kiếm thông tin cơ sở dữ liệu, tạo thuận lời cho việc phân tích dữ liệu về hệ thống chống oxi hóa ở người. Việc đánh giá mô hình biểu hiện của hệ thống gene chống oxi ở người trên các transciptome từ các bệnh có liên quna đến stress oxi hóa có thể cho chúng ta những hiểu biết mới về vai trò của gốc tự do trong điều kiện bệnh lý. Hướng tiếp cận này có thể được sử dụng trong nghiên cứu transcriptome từ tế bào nuôi cấy trong các điều kiện khác nhau.

7. Lời cảm ơn

Chúng tôi chân thành cảm ơn các tổ chức CNPq, PROPESQ/UFRGS, CAPES và FAPERGS của Brazil đã cung cấp tài chính cho nghiên cứu này.

8. Tài liệu tham khảo

Athena A. Andreadis, Stanley L. Hazen, Suzy A. A. Comhair and Serpil C. Erzurum: Oxidative and nitrosative events in asthma. Free Radic Biol Med 35, 213-225 (2003)
Igor B. Afanas'ev: Signaling functions of free radicals superoxide & nitric oxide under physiological & pathological conditions. Mol Biotechnol 37, 2-4 (2007)
Barry Halliwell and John Gutteridge: Antioxidant defenses: endogenous and diet derived. In: Free Radicals in Biology and Medice. Eds: Barry Halliwell and John Gutteridge, Oxford University Press, New York (2007)
Petr Jezek and Lydie Hlavata: Mitochondria in homeostasis of reactive oxygen species in cell, tissues, and organism. Int J Biochem Cell Biol 37, 2478-2503 (2005)
José M. Matés and Francisca Sánchez-Jiménez: Antioxidant enzymes and their implications in pathophysiologic processes. Front Biosci 4, D339-D345 (1999)
Gilberto Pérez Trueba, Gregorio Martínez Sánchez and Atilia Giuliani: Oxygen free radical and antioxidant defense mechanism in cancer. Front Biosci 9, 2029-2044 (2004)
Christian von Mering, Lars J. Jensen, Michael Kuhn, Samuel Chaffron, Tobias Doerks, Beate Kruger, Berend Snel and Peer Bork: STRING 7--recent developments in the integration and prediction of protein interactions. Nucl Acids Res 35, D358-D362 (2007)
Hester M. Wain, Michael J. Lush, Fabrice Ducluzeau, Varsha K. Khodiyar and Sue Povey: Genew: the Human Gene Nomenclature Database, 2004 updates. Nucl Acids Res 32, D255-D257 (2004)
T. D. Rae, P. J. Schmidt, R. A. Pufahl, V. C. Culotta and T. V. O'Halloran: Undetectable intracellular free copper: the requirement of a copper chaperone for superoxide dismutase. Science 284, 805-808 (1999)
Britton Chance, Helmut Sies and Alberto Boveris: Hydroperoxide metabolism in mammalian organs. Physiol Rev 59, 527-605 (1979)
Xiaoyan Li, Hainan Chen and Paul N. Epstein: Metallothionein Protects Islets from Hypoxia and Extends Islet Graft Survival by Scavenging Most Kinds of Reactive Oxygen Species. J Biol Chem 279, 765-771 (2004)
Mauro A. A. Castro, Jose C. M. Mombach, Rita M. C. de Almeida and Jose C. F. Moreira: Impaired expression of NER gene network in sporadic solid tumors. Nucl Acids Res 35, 1859-1867 (2007)
E. Birney, D. Andrews, M. Caccamo, Y. Chen, L. Clarke, G. Coates, T. Cox, F. Cunningham, V. Curwen, T. Cutts, T. Down, R. Durbin, X. M. Fernandez-Suarez, P. Flicek, S. Graf, M. Hammond, J. Herrero, K. Howe, V. Iyer, K. Jekosch, A. Kahari, A. Kasprzyk, D. Keefe, F. Kokocinski, E. Kulesha, D. London, I. Longden, C. Melsopp, P. Meidl, B. Overduin, A. Parker, G. Proctor, A. Prlic, M. Rae, D. Rios, S. Redmond, M. Schuster, I. Sealy, S. Searle, J. Severin, G. Slater, D. Smedley, J. Smith, A. Stabenau, J. Stalker, S. Trevanion, A. Ureta-Vidal, J. Vogel, S. White, C. Woodwark and T. J. P. Hubbard: Ensembl 2006. Nucl Acids Res 34, D556-D561 (2006)
Sean D. Hooper and Peer Bork: Medusa: a simple tool for interaction graph analysis. Bioinformatics 21, 4432- 4433 (2005)
Minoru Kanehisa, Susumu Goto, Masahiro Hattori, Kiyoko F. Aoki-Kinoshita, Masumi Itoh, Shuichi Kawashima, Toshiaki Katayama, Michihiro Araki and Mika Hirakawa: From genomics to chemical genomics: new developments in KEGG. Nucl Acids Res 34, D354- D357 (2006)
Joe Healy, Keith Tipton. Ceruloplasmin and what it might do. J Neural Transm 114, 777 81 (2207)
Britton Chance, Helmut Sies, Alberto Boveris. Hydroperoxide metabolism in mammalian organs. Physiol Rev 59, 527-605 (1979).