Fomenko, Dmitri E.;Marino, Stefano M.;Gladyshev, Vadim N.
Molecules and Cells
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제26권3호
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pp.228-235
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2008
Thiol-dependent redox systems are involved in regulation of diverse biological processes, such as response to stress, signal transduction, and protein folding. The thiol-based redox control is provided by mechanistically similar, but structurally distinct families of enzymes known as thiol oxidoreductases. Many such enzymes have been characterized, but identities and functions of the entire sets of thiol oxidoreductases in organisms are not known. Extreme sequence and structural divergence makes identification of these proteins difficult. Thiol oxidoreductases contain a redox-active cysteine residue, or its functional analog selenocysteine, in their active sites. Here, we describe computational methods for in silico prediction of thiol oxidoreductases in nucleotide and protein sequence databases and identification of their redox-active cysteines. We discuss different functional categories of cysteine residues, describe methods for discrimination between catalytic and noncatalytic and between redox and non-redox cysteine residues and highlight unique properties of the redox-active cysteines based on evolutionary conservation, secondary and three-dimensional structures, and sporadic replacement of cysteines with catalytically superior selenocysteine residues.
Cellular redox state is known to be perturbed during ischemia and that $Ca^{2+}$ and $K^2$ channels have been shown to have functional thiol groups. In this study, the properties of thiol redox modulation of the ATP-sensitive $K^2$ ($K_{ATP}$) channel were examined in rabbit ventricular myocytes. Rabbit ventricular myocytes were isolated using a Langendorff column for coronary perfusion and collagenase. Single-channel currents were measured in excised membrane patch configuration of patch-clamp technique. The thiol oxidizing agent 5,5'-dithio-bis-(2-nitro-benzoic acid) (DTNB) inhibited the channel activity, and the inhibitory effect of DTNB was reversed by dithiothreitol (disulfide reducing agent; DTT). DTT itself did not have any effect on the channel activity. However, in the patches excised from the metabolically compromised cells, DTT increased the channel activity. DTT had no effect on the inhibitory action by ATP, showing that thiol oxidation was not involved in the blocking mechanism of ATP. There were no statistical difference in the single channel conductance for the oxidized and reduced states of the channel. Analysis of the open and closed time distributions showed that DTNB had no effect on open and closed time distributions shorter than 4 ms. On the other hand, DTNB decreased the life time of bursts and increased the interburst interval. N-ethylmaleimide (NEM), a substance that reacts with thiol groups of cystein residues in proteins, induced irreversible closure of the channel. The thiol oxidizing agents (DTNB, NEM) inhibited of the $K_{ATP}$ channel only, when added to the cytoplasmic side. The results suggested that metabolism-induced changes in the thiol redox can also modulate $K_{ATP}$ channel activity and that a modulatory site of thiol redox may be located on the cytoplasmic side of the $K_{ATP}$ channel in rabbit ventricular myocytes.
The field of redox proteomics focuses to a large extent on analyzing cysteine oxidation in proteins under different experimental conditions and states of diseases. The identification and localization of oxidized cysteines within the cellular milieu is critical for understanding the redox regulation of proteins under physiological and pathophysiological conditions, and it will in turn provide important information that are potentially useful for the development of novel strategies in the treatment and prevention of diseases associated with oxidative stress. Antioxidant enzymes that catalyze oxidation/reduction processes are able to serve as redox biomarkers in various human diseases, and they are key regulators controlling the redox state of functional proteins. Redox regulators with antioxidant properties related to active mediators, cellular organelles, and the surrounding environments are all connected within a network and are involved in diseases related to redox imbalance including cancer, ischemia/reperfusion injury, neurodegenerative diseases, as well as normal aging. In this review, we will briefly look at the selected aspects of oxidative thiol modification in antioxidant enzymes and thiol oxidation in proteins affected by redox control of antioxidant enzymes and their relation to disease. [BMB Reports 2015; 48(4): 200-208]
Photosynthesis is a highly robust process allowing for rapid adjustment to changing environmental conditions. The efficient acclimation depends on balanced redox metabolism and control of reactive oxygen species release which triggers signaling cascades and potentially detrimental oxidation reactions. Thiol peroxidases of the peroxiredoxin and glutathione peroxidase type, and ascorbate peroxidases are the main peroxide detoxifying enzymes of the chloroplast. They use different electron donors and are linked to distinct redox networks. In addition, the peroxiredoxins serve functions in redox regulation and retrograde signaling. The complexity of plastid peroxidases is discussed in context of suborganellar localization, substrate preference, metabolic coupling, protein abundance, activity regulation, interactions, signaling functions, and the conditional requirement for high antioxidant capacity. Thus the review provides an opinion on the advantage of linking detoxification of peroxides to different enzymatic systems and implementing mechanisms for their inactivation to enforce signal propagation within and from the chloroplast.
A challenge in the redox field is the elucidation of the molecular mechanisms, by which $H_2O_2$ mediates signal transduction in cells. This is relevant since redox pathways are disturbed in some pathologies. The transcription factor OxyR is the $H_2O_2$ sensor in bacteria, whereas Cys-based peroxidases are involved in the perception of this oxidant in eukaryotic cells. Three possible mechanisms may be involved in $H_2O_2$ signaling that are not mutually exclusive. In the simplest pathway, $H_2O_2$ signals through direct oxidation of the signaling protein, such as a phosphatase or a transcription factor. Although signaling proteins are frequently observed in the oxidized state in biological systems, in most cases their direct oxidation by $H_2O_2$ is too slow ($10^1M^{-1}s^{-1}$ range) to outcompete Cys-based peroxidases and glutathione. In some particular cellular compartments (such as vicinity of NADPH oxidases), it is possible that a signaling protein faces extremely high $H_2O_2$ concentrations, making the direct oxidation feasible. Alternatively, high $H_2O_2$ levels can hyperoxidize peroxiredoxins leading to local building up of $H_2O_2$ that then could oxidize a signaling protein (floodgate hypothesis). In a second model, $H_2O_2$ oxidizes Cys-based peroxidases that then through thiol-disulfide reshuffling would transmit the oxidized equivalents to the signaling protein. The third model of signaling is centered on the reducing substrate of Cys-based peroxidases that in most cases is thioredoxin. Is this model, peroxiredoxins would signal by modulating the thioredoxin redox status. More kinetic data is required to allow the identification of the complex network of thiol switches.
$\sigma$$\^$R/ is a sigma factor responsible for inducing the thioredoxin system in response to oxidative stress in Streptomyces coelicolor. RsrA, an anti-sigma factor, specifically binds to $\sigma$$\^$R/ and inhibits $\sigma$$\^$R/-directed transcription under reducing conditions. Exposure to H$_2$O$_2$ or thiol-specific oxidant diamide dissociates $\sigma$$\^$R/-RsrA complex. The redox-dependent regulation of $\sigma$$\^$R/-RsrA binding has been reported to involve thiol-disulfide exchange in RsrA, which contains 7 cysteines in 105 amino acid residues.(omitted)
Park, Hee-Jeong;Kang, Sang-Won;Rhee, Sue-Goo;Ryu, Seong-Eon
한국생물물리학회:학술대회논문집
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한국생물물리학회 1997년도 학술발표회
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pp.15-15
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1997
Recent studies indicate that hydrogen peroxide (H$_2$O$_2$), which is one of the reactive oxygen species involved in the oxidative stress, is an intracellular secondary messenger in the signal transduction. A novel family of thiol specific antioxidant (TSA) enzymes with a peroxidase activity shows no sequence homology to previously known antioxidant enzymes.(omitted)
Cell death pathways such as apoptosis can be activated in response to oxidative stress, enabling the disposal of damaged cells. In contrast, controlled intracellular redox events are proposed to be a significant event during apoptosis signaling, regardless of the initiating stimulus. In this scenario oxidants act as second messengers, mediating the post-translational modification of specific regulatory proteins. The exact mechanism of this signaling is unclear, but increased understanding offers the potential to promote or inhibit apoptosis through modulating the redox environment of cells. Peroxiredoxins are thiol peroxidases that remove hydroperoxides, and are also emerging as important players in cellular redox signaling. This review discusses the potential role of peroxiredoxins in the regulation of apoptosis, and also their ability to act as biomarkers of redox changes during the initiation and progression of cell death.
한국독성학회 2001년도 International Symposium on Signal transduction in Toxicology
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pp.84-88
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2001
Human Thioredoxin (TRX) with with redox-active dithiol (C-C-Y-C-) in the active site has been cloned as adult T cell leukemia derived factor produced by HTLV-I transformed cells. Thioredoxin (TRX) is one of the major components of the thiol-reducing system and plays multiple roles in cellular processes such as proliferation, apoptosis and gene expression.(omitted)
Christwardana, Marcelinus;Chung, Yongjin;Tannia, Daniel Chris;Kwon, Yongchai
Korean Journal of Chemical Engineering
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제35권12호
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pp.2421-2429
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2018
Thiol-based self-assembled anchor linked to glucose oxidase (GOx) and gold nanoparticle (GNP) cluster is suggested to enhance the performance of glucose biosensor. By the adoption of thiol-based anchors, the activity of biocatalyst consisting of GOx, GNP, polyethyleneimine (PEI) and carbon nanotube (CNT) is improved because they play a crucial role in preventing the leaching out of GOx. They also promote electron collection and transfer, and this is due to a strong hydrophobic interaction between the active site of GOx and the aromatic ring of anchor, while the effect is optimized with the use of thiophenol anchor due to its simple configuration. Based on that, it is quantified that by the adoption of thiophenol as anchor, the current density of flavin adenine dinucleotide (FAD) redox reaction increases about 42%, electron transfer rate constant ($k_s$) is $9.1{\pm}0.1s^{-1}$ and the value is 26% higher than that of catalyst that does not use the anchor structure.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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