活性酸素種

ROSは、ミトコンドリア、ペルオキシソーム、葉緑体などの細胞小器官での呼吸と光合成の過程で生成されます。^{[ 14 ] [ 20 ] [ 21 ] [ 22 ]}呼吸の過程で、ミトコンドリアは細胞のためのエネルギーを使用可能な形であるアデノシン三リン酸（ATP）に変換します。ミトコンドリアでのATP生成の過程は酸化的リン酸化と呼ばれ、電子伝達系を介してプロトン（水素イオン）がミトコンドリア内膜を横切って輸送されます。電子伝達系では、電子は酸化還元反応を介して一連のタンパク質を通過し、鎖に沿った各受容体タンパク質は前のものよりも高い還元電位を持っています。この鎖に沿った電子の最後の目的地は酸素分子です。通常の状態では、酸素は還元されて水が生成されます。しかし、鎖を通過する電子の約0.1～2%（この数値は単離ミトコンドリアの研究から得られたものですが、生体内での正確な速度はまだ完全には合意されていません）では、酸素が時期尚早かつ不完全に還元されてスーパーオキシドラジカル（^• O ⁻ ₂ ）が生成されます。これは複合体Iと複合体IIIで最もよく文書化されています。^{[ 23 ]}

動物細胞におけるROS生成のもう1つの源は、ステロイド生成組織のミトコンドリアP450システムによって触媒される電子伝達反応である。^{[ 24 ]}これらのP450システムは、 NADPH からP450への電子伝達に依存している。この過程で、一部の電子が「漏れ」、O2と反応して_{スーパーオキシドを生成する。この天然のROS源に対処するために、ステロイド生成組織である卵巣と精巣には、}ビタミンC（アスコルビン酸）やβ-カロテンなどの抗酸化物質と抗酸化酵素が高濃度で存在する。 ^{[ 25 ]}

ミトコンドリアに過度の損傷があると、細胞はアポトーシスまたはプログラム細胞死を起こします。^{[ 26 ] [ 27 ]}

さらに、ROSはNOX経路を介して免疫細胞のシグナル伝達で産生される。好中球、好酸球、単核食細胞などの食細胞は刺激を受けるとROSを産生する。^{[ 28 ] [ 29 ]}

葉緑体では、ルビスコによって触媒されるカルボキシル化反応と酸素化反応により、電子伝達系（ETC）の機能が酸素が豊富な環境で行われることが保証されます_。ETCでの電子の漏洩は、必然的に葉緑体内で活性酸素種（ROS）を生成します。^{[ 14 ]}光化学系I （PSI） のETCは、かつて葉緑体内のROSの唯一の発生源であると考えられていました。励起された反応中心からの電子の流れはNADPに向けられ、NADPはNADPHに還元され、その後カルビン回路に入り、最終電子受容体であるCO2を還元します_。 [ ^{30 ] ETC}が過負荷になった場合、電子の流れの一部がフェレドキシンから_O2に迂回され、スーパーオキシドフリーラジカル（メーラー反応による）が形成されます。さらに、PSI ETC の 2Fe-2S および 4Fe-4S クラスターからもO _{2への電子漏洩が発生する可能性があります。ただし、PSII も O 2} -を生成する O ₂ - の電子漏洩場所 (QA、QB) を提供します。^{[ 31 ] [ 32 ]}スーパーオキシド (O _{2 -) は PSI ではなく PSII から生成されます。QB は O 2} •-の生成場所として示されています。 ^{[ 31 ]}

ROSの生成は、汚染物質、重金属^{[ 19 ]}、 アレルゲン、タバコの煙、薬物、殺虫剤、オゾン、農薬、毒素、紫外線^{[ 33 ]}など、さまざまな因子によって刺激される可能性があります。植物では、乾燥した非生物的要因の作用に加えて、高温、他の生物との相互作用がROSの生成に影響を与える可能性があります。

電離放射線は、水との相互作用によって有害な中間体を生成することがあり、この過程は放射線分解と呼ばれます。人体の55～60%は水で構成されているため、電離放射線が存在すると放射線分解が起こる可能性は非常に高くなります。この過程で、水は電子を失って非常に反応性が高くなります。その後、3段階の連鎖反応を経て、水は順次ヒドロキシルラジカル（^• OH）、過酸化水素（H₂O₂ _）、スーパーオキシドラジカル（^• _O₂⁻）、そして最終的には酸素（O₂ _）に変換され^ます。

ヒドロキシルラジカルは非常に反応性が高く、その経路にあるあらゆる分子から電子を即座に奪い取り、その分子をフリーラジカルに変えて連鎖反応を引き起こします。しかし、過酸化水素はヒドロキシルラジカルよりもDNAに大きなダメージを与えます。なぜなら、過酸化水素は反応性が低いため、分子が細胞核内へ移動し、DNAなどの高分子と反応するのに十分な時間があるからです。

植物では、ROS の生成は、代謝活動の低下または中断につながる非生物的ストレスのイベント中に発生します。たとえば、温度の上昇、干ばつは、気孔の閉鎖によりCO ₂の利用可能性を制限する要因であり、葉緑体内のO ₂ ·- や¹ O ₂などの ROS の生成を増加させます。 ^{[ 34 ] [ 35 ]葉緑体内の1} O ₂の生成は、核遺伝子の発現の再プログラムを引き起こし、クロロシスやプログラム細胞死につながる可能性があります。^{[ 35 ]} 生物的ストレスの場合、ROS の生成は最初は迅速かつ弱く発生し、その後、より強固で持続的になります。^{[ 36 ]} ROS 蓄積の最初の段階は植物感染に関連しており、おそらく新しい ROS 生成酵素の合成とは無関係です。しかし、ROS蓄積の第2段階は、非病原性病原体による感染にのみ関連しており、酵素をコードするmRNA転写の増加に依存する誘導応答である。

スーパーオキシドジスムターゼ（SOD）は、スーパーオキシドを酸素と過酸化水素に不均化する反応を触媒する酵素群です。そのため、酸素にさらされるほぼすべての細胞において重要な抗酸化防御機構となっています。哺乳類とほとんどの脊索動物には、3種類のスーパーオキシドジスムターゼが存在します。SOD1は主に細胞質に、SOD2はミトコンドリアに、SOD3は細胞外に存在します。SOD1は二量体（2つのサブユニットから構成される）ですが、SOD2とSOD3は四量体（4つのサブユニットから構成される）です。SOD1とSOD3は銅イオンと亜鉛イオンを含み、SOD2は反応中心にマンガンイオンを含んでいます。これらの遺伝子は、それぞれ21番染色体、6番染色体、4番染色体（21q22.1、6q25.3、4p15.3-p15.1）に位置しています。

SOD触媒によるスーパーオキシドの不均化反応は、以下の半反応式で表すことができる。

${\displaystyle {\begin{aligned}&{\ce {M}}^{(n+1)+}+{\ce {O2- ->[SOD]}}\ {\ce {M}}^{n+}+{\ce {O2}}\\&{\ce {M}}^{n+}+{\ce {O2- + 2H+ ->[] [SOD]}}\ {\ce {M}}^{(n+1)+}+{\ce {H2O2}}\end{整列}}}$

ここで、M  = Cu ( n = 1 ); Mn ( n = 2 ); Fe ( n = 2 ); Ni ( n = 2 ) である。この反応では、金属カチオンの酸化状態はnとn + 1の間で振動する。 

ミトコンドリアの隣に位置するペルオキシソームに濃縮されているカタラーゼは、過酸化水素と反応して水と酸素の生成を触媒します。グルタチオンペルオキシダーゼは、反応性過酸化物のエネルギーをグルタチオンと呼ばれる硫黄含有トリペプチドに伝達することで過酸化水素を還元します。これらの酵素に含まれる硫黄は反応中心として働き、過酸化物からグルタチオンへ反応性電子を運びます。ペルオキシレドキシン_もまた、ミトコンドリア、細胞質、核内で過酸化水素を分解し_ます。

${\displaystyle {\begin{aligned}&{\ce {2H2O2->[{\text{カタラーゼ}}]2H2O{}+O2}}\\&{\ce {2GSH{}+H2O2->[][{\text{グルタチオン}} \atop {\text{ペルオキシダーゼ}}]GS-SG{}+2H2O}}\end{aligned}}}$

植物が攻撃してくる病原体を認識すると、最初に誘発される反応の1つは、スーパーオキシド（O ^- ₂）または過酸化水素（H）を急速に生成することです。₂ O₂）細胞壁を強化する。これにより、病原体が植物の他の部分に広がるのを防ぎ、実質的に病原体の周囲に網目を形成して移動と繁殖を制限する。

哺乳類宿主では、ROSは抗菌防御として誘導される。^{[ 28 ]}この防御の重要性を強調するために、 ROSの生成に欠陥のある慢性肉芽腫症患者は、サルモネラ菌、黄色ブドウ球菌、セラチア・マルセセンス、アスペルギルス属菌など、広範囲の微生物による感染に対して非常に感受性が高い。

ショウジョウバエの腸の恒常性に関する研究では、ROSの産生がハエの腸における免疫応答の重要な構成要素であることが示されている。ROSは、細菌のDNA、RNA、タンパク質を損傷する殺菌剤として作用するだけでなく、上皮の修復機構を誘導するシグナル伝達分子としても作用する。^{[ 40 ]}微生物によって放出されたウラシルは、腸内のROS産生酵素であるDUOXの産生と活性を誘発する。DUOX活性は腸内のウラシルのレベルに応じて誘導され、基礎状態ではタンパク質キナーゼMkP3によって下方制御される。DUOXの厳密な制御により、ROSの過剰産生が回避され、腸内の良性微生物と損傷誘発性微生物の区別が容易になる。^{[ 41 ]}

ROSが宿主を侵入微生物から守る仕組みは完全には解明されていない。最も可能性の高い防御様式の1つは、微生物のDNAへの損傷である。サルモネラ菌を用いた研究では、ROSによる殺傷に抵抗するにはDNA修復機構が必要であることが示された。抗ウイルス防御機構におけるROSの役割は、Rig様ヘリカーゼ-1およびミトコンドリア抗ウイルスシグナル伝達タンパク質を介して実証されている。ROSレベルの上昇は、このミトコンドリア関連抗ウイルス受容体を介したシグナル伝達を増強し、インターフェロン調節因子（IRF）-3、IRF-7、および核因子κB（NF-κB）を活性化し、抗ウイルス状態をもたらす。^{[ 42 ]}呼吸器上皮細胞は、インフルエンザ感染に応答してミトコンドリアROSを誘導する。このROSの誘導は、III型インターフェロンの誘導と抗ウイルス状態の誘導につながり、ウイルス複製を制限する。^{[ 43 ]}マイコバクテリアに対する宿主防御において、ROSは役割を果たしているが、直接的な殺傷が主要なメカニズムではない可能性が高い。むしろ、ROSはサイトカイン産生、オートファジー、肉芽腫形成などのROS依存性シグナル制御に影響を与える可能性が高い。^{[ 44 ] [ 45 ]}

活性酸素種はT細胞の活性化、アネルギー、アポトーシスにも関与している。^{[ 46 ]}

好気性生物では、生物学的機能に必要なエネルギーはミトコンドリアの電子伝達系によって生成されます。エネルギー放出に伴い、細胞損傷を引き起こす可能性のある活性酸素種（ROS）も生成されます。ROSは脂質、 DNA、RNA 、タンパク質を損傷する可能性があり、理論的には老化の生理機能に寄与します。

ROSは細胞代謝の正常な産物として生成されます。特に、酸化損傷の主な原因の一つは過酸化水素（H₂O₂ _）であり、これはミトコンドリアから漏れ出したスーパーオキシドから変換されます。カタラーゼとスーパーオキシドジスムターゼは、それぞれ過酸化水素とスーパーオキシドの損傷作用を軽減し、これらの化合物を酸素と過酸化水素（後に水に変換される）に変換することで、無害な分子を生成します。しかし、この変換は100%効率的ではなく、残留過酸化物が細胞内に残ります。ROSは正常な細胞機能の産物として生成されますが、過剰な量は有害な影響を引き起こす可能性があります。^{[ 47 ]}

がん細胞は、アポトーシス、壊死、オートファジーの3 つの方法で死滅します。過剰な ROS は、外因性経路と内因性経路の両方を通じてアポトーシスを誘導することができます。^{[ 48 ]}アポトーシスの外因性経路では、ROS は Fas リガンドによって生成され、リン酸化による Fas 活性化の上流イベントとなります。これは、その後の Fas 関連タンパク質とカスパーゼ 8 のリクルート、およびアポトーシス誘導に必要です。内因性経路では、ROS は、孔安定化タンパク質 (Bcl-2 および Bcl-xL) を活性化し、孔不安定化タンパク質 (Bcl-2 関連 X タンパク質、Bcl-2 相同アンタゴニスト/キラー) を阻害することにより、シトクロム c の放出を促進する機能を持ちます。^{[ 49 ]}内在性経路はカスパーゼカスケードとも呼ばれ、ミトコンドリアの損傷によって誘導され、シトクロムcの放出を引き起こします。DNA損傷、酸化ストレス、ミトコンドリア膜電位の喪失は、上述のプロアポトーシス蛋白質の放出につながり、アポトーシスを刺激します。^{[ 50 ]}ミトコンドリアの損傷はアポトーシスと密接に関連しており、ミトコンドリアは容易に標的とできるため、癌治療の可能性を秘めています。^{[ 51 ]}

ROSの細胞毒性はアポトーシスの原動力となるが、さらに高濃度になると、ROSはがん細胞においてアポトーシスとネクローシス（制御不能な細胞死の一形態）の両方を引き起こす可能性がある。^{[ 52 ]}

数多くの研究がROSレベルとアポトーシスの間の経路と関連性を示してきたが、より新しい研究の流れではROSレベルとオートファジーが関連付けられている。^{[ 53 ]} ROSはオートファジーを介して細胞死を誘導することもある。オートファジーは、細胞質内容物（疲弊または損傷した細胞小器官およびタンパク質凝集体）をリソソームで分解するために隔離する自己異化プロセスである。^{[ 54 ]}したがって、オートファジーは酸化ストレス時に細胞の健康を調節することもできる。オートファジーは、細胞内の多くの経路を介してROSレベルによって誘導され、アポトーシスを誘導することなく、有害な細胞小器官を除去し、発がん物質などの損傷を防ぐことができる。^{[ 55 ]}オートファジーによる細胞死は、オートファジーの過剰発現によって促進される可能性があり、その場合、細胞は損傷を最小限に抑えようとして自分自身を過剰に消化し、もはや生存できなくなる。このタイプの細胞死が発生すると、オートファジー制御遺伝子の制御の増加または喪失が同時に観察されることが多い。^{[ 56 ]}したがって、オートファジー細胞死とそのROSとの関係についてより深く理解すれば、この形態のプログラム細胞死は将来の癌治療に役立つ可能性がある。オートファジーとアポトーシスは、高レベルのROSによって引き起こされる細胞死の異なるメカニズムである。しかし、オートファジーとアポトーシスは、厳密に独立した経路で作用することはまれである。ROSとオートファジーの間には明確なつながりがあり、過剰な量のROSがアポトーシスにつながるという相関関係が見られる。^{[ 55 ]}ミトコンドリア膜の脱分極も、オートファジーの開始の特徴である。ミトコンドリアが損傷してROSを放出し始めると、損傷したオルガネラを除去するためにオートファジーが開始される。薬剤がミトコンドリアを標的として活性酸素種（ROS）を生成する場合、オートファジーによってミトコンドリアやその他の損傷した細胞小器官が大量に除去され、細胞が生存できなくなる可能性がある。大量のROSとミトコンドリアの損傷は、アポトーシスを誘導するシグナルにもなり得る。細胞内のオートファジーのバランス、およびROSによって媒介されるオートファジーとアポトーシスのクロストークは、細胞の生存にとって極めて重要である。このオートファジーとアポトーシスのクロストークと関連性は、がん治療の標的となるメカニズム、あるいは難治性がんに対する併用療法に利用できるメカニズムとなり得る。

ROS 上昇戦略と ROS 除去戦略の両方が開発されており、前者が主に使用されています。 ROS レベルが上昇した癌細胞は、抗酸化防御システムに大きく依存しています。 ROS 上昇薬は、直接 ROS を生成するか (例: モテキサフィン ガドリニウム、エレスクロモール)、または SOD 阻害剤 (例: ATN-224、2-メトキシエストラジオール) や GSH 阻害剤 (例: PEITC、ブチオニン スルホキシミン (BSO)) などの固有の抗酸化システムを阻害する薬剤によって、細胞の ROS ストレスレベルをさらに上昇させます。 その結果、内因性 ROS が全体的に増加し、細胞が許容できる閾値を超えると、細胞死を誘発する可能性があります。^{[ 57 ]}一方、正常細胞は、基礎ストレスと予備力が低いため、癌細胞よりも ROS 生成の追加的な障害に対処する能力が高いようです。^{[ 58 ]}したがって、すべての細胞におけるROSの上昇を利用して、癌細胞を選択的に殺傷することができる。

ジェームズ・ワトソン^{[ 59 ]}や他の研究者^{[ 60 ]}は、運動不足による細胞内ROSの不足が癌の悪性進行に寄与する可能性があると提唱している。これは、小胞体内でタンパク質を正しく折り畳むにはROSの急増が必要であり、ROSレベルが低いと腫瘍抑制タンパク質の形成が非特異的に阻害される可能性があるためである。^{[ 60 ]}運動は一時的にROSの急増を引き起こすため、これが運動が癌患者の予後に有益である理由を説明できるかもしれない。^{[ 61 ]}さらに、2-デオキシ-D-グルコースや炭水化物ベースの細胞ストレス誘導物質などのROS誘導物質は、癌細胞の糖に対する高い親和性を利用するため、癌細胞死をより強力に誘導する。^{[ 62 ]}