站在巨人的肩膀上
硒作为哺乳动物必需微量元素的发现，源于Klaus Schwarz等先驱在20世纪50年代的营养学研究。他们发现，一种被称为“因子3”的物质可以防止大鼠的饮食性肝变性和鸡的渗出性素质，该物质后来被鉴定为硒。这解释了为何欧洲与北美的酵母因生长基质不同而导致硒含量差异，进而影响实验动物健康。August Böck则在细菌中阐明了完整的硒蛋白生物合成途径，为后续研究奠定了基础。
硒缺乏或硒蛋白缺陷影响的器官系统
多项经典观察揭示了硒及其蛋白质在特定器官中的关键作用。在骨骼肌、心脏和血管系统中，严重的硒（常伴随维生素E）缺乏会导致家禽的出血性素质、牲畜的营养性肌病（白肌病），并可能引发人类的地方性心肌病——克山病。首例被确定的特定硒蛋白遗传病是SELENON相关性肌病，致病突变影响了Sec掺入蛋白，即使多肽链其余部分完整，功能也已丧失。
在血液与免疫系统中，克山病可能因柯萨奇病毒感染在硒缺乏条件下加剧毒性而被恶化。动物实验显示，硒状态低下或Gpx1基因失活会使组织损伤更严重。有趣的是，硒蛋白生物合成的关键酶——硒磷酸合成酶，最初是在活化的CD4+ T细胞中作为诱导基因被克隆的。早在认识到谷胱甘肽过氧化物酶（GPX）是首个哺乳动物硒酶之前，人们就发现硒缺乏会诱发大鼠溶血。
甲状腺激素代谢
第二个被鉴定的哺乳动物硒酶是I型碘甲腺原氨酸脱碘酶（DIO1）。1990年，三个独立研究小组证明DIO1是一种硒酶，并克隆了其cDNA，再次揭示了开放阅读框中编码Sec的UGA密码子。甲状腺主要产生非活性激素原甲状腺素（T4 ），生物活性激素是3，3’，5-三碘甲腺原氨酸（T3 ）。T4 转化为T3 需要5’-脱碘酶活性（由DIO1或DIO2催化），而DIO3则通过将T4 和T3 分别转化为反T3 （rT3 ）和3，3’-二碘甲腺原氨酸（T2 ）来使其失活。因此，脱碘酶家族的硒酶是以组织和阶段特异性方式调节甲状腺激素作用的关键调节因子。有趣的是，发育决策，例如肌肉干细胞增殖、内耳和视网膜的成熟，也受DIO2和DIO3表达的调节。鉴于甲状腺激素在许多器官发育和代谢调节中的核心作用，硒可用性受损可能影响多个器官系统。
癌症与铁死亡
营养预防癌症试验（NPC）是该领域极具影响力的研究。这是一项随机、双盲、安慰剂对照研究，涉及超过1300名有皮肤癌病史的男性，调查了平均7.7年硒补充剂的效果。研究报告总体癌症发病率降低了25%，前列腺癌发病率降低了63%，并在后续7年的随访中得到确认。
历史上，硒对癌症的保护作用与其抗氧化功能有关。由于早期人类硒蛋白被鉴定为能够还原活性氧的谷胱甘肽过氧化物酶，人们认为低硒会削弱DNA保护并增加突变负荷。支持这一观点的是，与较低酶活性相关的GPX1多态性（Pro198Leu，rs1050450）与癌症风险增加有关。与此概念一致，在前列腺癌高风险等位基因携带者中，前列腺癌风险与硒状态呈负相关。
硒状态与癌症发病率之间的U形关系可能反映了两种机制：在低硒水平下，抗氧化防御受损，突变负荷增加；在高硒水平下，某些肿瘤可能受益于某些硒酶的过表达。例如，在人类细胞中发现的第三种硒酶（家族）是硫氧还蛋白还原酶（TXNRD1），这是一种能够调节细胞氧化还原状态的酶。TXNRD1在某些类型的癌症中过表达，且其表达水平与预后呈负相关。最后，在异种移植模型中显示抑制TXNRD1可以抑制肿瘤生长。然而，癌症的发生不仅是一个细胞自主过程，也受微环境和免疫系统反应的调节。因此，一直难以确定导致肿瘤形成的那个单一的硒依赖性过程。
精子发生与生育
严重的硒缺乏长期以来与男性不育有关，这一点现在已在分子水平上得到很好的理解。硒酶GPX4在精子中扮演着独特的结构角色。在精子的中段，GPX4通过其自身的氧化酶活性广泛交联，稳定了线粒体鞘。破坏硒向睾丸的运输，无论是通过删除血浆硒蛋白SELENOP或其内吞受体LRP8，都会导致小鼠出现特征性的“弯折精子”表型和雄性不育。在携带GPX4中Sec46Ser突变（特异性破坏线粒体亚型）的小鼠中也观察到类似表型。
最近，另一种精子富集的硒蛋白TXNRD3被证明对正常精子活力和受精至关重要。小鼠中TXNRD3的缺失不仅会降低精子游动速度和受精率，还会导致精子中段弯曲缺陷。
大脑发育与变性
早期病例报告将低血浆硒或GPX活性降低与顽固性儿童癫痫联系起来。此前，在完全肠外营养导致硒缺乏的患者中已注意到神经系统衰退。然而，在缺乏硒如何进入大脑及其在大脑中可能的作用概念之前，这些观察结果一直令人困惑。
一个突破性的发现是Selenop基因敲除小鼠表现出进行性运动障碍和癫痫发作，并伴有大脑硒水平急剧降低。这项及后续研究阐明，LRP8和LRP2受体介导了SELENOP跨血脑屏障的摄取。
神经元特异性敲除硒蛋白生物合成因子或特定硒蛋白基因，重现了在Selenop缺失小鼠中观察到的硒缺乏表型，并揭示了对PVALB+ GABA能中间神经元特别敏感。这些抑制性神经元的功能障碍与观察到的癫痫表型相符，并且这些缺陷源于大脑内部的细胞自主过程，而非外周疾病的继发效应。在这些模型中，PVALB+ 神经元的缺失总是伴随着星形胶质细胞增生。引人注目的是，狗体内自然发生的SELENOP基因缺失会导致几乎相同的神经系统综合征，包括小脑性共济失调和脑萎缩，这证实了这些机制在哺乳动物中是保守的。
硒蛋白生物合成和代谢简要总结
a. 经典的硒蛋白生物合成途径
硒蛋白的特征是在翻译过程中掺入稀有氨基酸硒代半胱氨酸（Sec）。在结构上，Sec类似于半胱氨酸，只是硫原子被硒取代。在真核生物中，Sec在特定的UGA密码子处共翻译插入，而UGA通常表示翻译终止。这个过程需要专用的tRNA（tRNA[Ser]Sec ）和一组专门的翻译因子。
Ser[Sec] into Sec-tRNASer[Sec] . Transfer RNA Sec is aminoacylated with Ser by seryl-tRNA synthetase (SARS) followed by phosphorylation through phosphoseryl-tRNA kinase (PSTK). Sec-tRNASer[Sec] is bound by elongation factor Sec (EFSEC) to allow translation of a UGA/Sec codon in selenoprotein mRNAs. Selenoprotein mRNAs are characterized by the selenocysteine insertion sequence (SECIS) element in the 3’-untranslated region, which is recognized by SECIS-binding protein 2 (SECISBP2). Some selenoprotein mRNAs also contain the selenocysteine redefinition element (SRE) closely 3’ to the UGA/Sec codon, which can also enhance translation of the UGA codon as Sec. Selenium can be mobilized from Sec by selenocysteine lyase (SCLY). Some SECIS elements are bound by SECISBP2L protein.">
一个关键的机制性见解是，Sec通常不会以游离氨基酸形式存在于胞质溶胶中；相反，它是在其对应的tRNA[Ser]Sec 上直接合成的：由于与经典丝氨酸tRNA的结构相似性，tRNA[Ser]Sec 首先被丝氨酰-tRNA合成酶（SARS）用丝氨酸氨酰化。接着，结合的丝氨酸被O-磷酰丝氨酸-tRNA激酶（PSTK）磷酸化，产生磷酸丝氨酸（pSer）-tRNA[Ser]Sec 。下一步需要硒磷酸。硒磷酸合成酶2（SEPHS2，本身也是一种硒蛋白）从硒化物和ATP生成硒磷酸，然后硒代半胱氨酸合酶（SEPSECS）利用硒磷酸将tRNA上的磷酸丝氨酸转化为Sec，得到Sec-tRNA[Ser]Sec 。由于游离的硒代半胱氨酸具有化学反应性且因其高亲核性而具有潜在毒性，这种“在tRNA上”的合成确保了其在翻译中的即时利用，并最大限度地减少了游离胞质Sec库。
尽管tRNA[Ser]Sec 与SARS有相互作用，但其结构上不同于经典的tRNA。它不与通用的真核延伸因子eEF1A相互作用，而是需要专用的延伸因子EFSEC（由EEFSEC编码）。
一个基本问题是核糖体如何区分UGA/Sec密码子和更常见的UGA/终止密码子（在哺乳动物中约有一半的蛋白质以此信号终止翻译）。在真核生物中，这是通过硒代半胱氨酸插入序列（SECIS）元件实现的，该元件是硒蛋白mRNA 3‘非翻译区的一种茎环RNA结构。所有25个已知的人类硒蛋白基因都具有SECIS元件特征。
SECIS元件被SECIS结合蛋白2（SECISBP2）识别并结合，SECISBP2桥接了核糖体和EFSEC，从而使得Sec能够在UGA密码子处插入。没有SECISBP2，硒蛋白合成效率低下，尽管在条件性Secisbp2敲除小鼠的肝细胞中某些硒蛋白仍有残留表达。
b. 硒的转运和代谢机制
肝脏在全身体硒分布和稳态中起着核心作用。
3CSeH) or urine. Selenoprotein P (SELENOP) distributes selenium in the body and its uptake is mediated by endocytic receptors. The kidney produces plasma GPX (GPX3) as the second abundant plasma selenoprotein. Organs can locally produce SELENOP and directly take it up again in the “SELENOP cycle” which effectively traps selenium in the compartment (e.g. within the brain).">
其关键功能之一是向血浆中分泌硒蛋白P（SELENOP）。SELENOP的特殊之处在于其在人体中最多可携带12个硒代半胱氨酸残基，使其既能作为硒转运蛋白，也能作为硒的储存形式。SELENOP通过属于低密度脂蛋白受体相关蛋白（LRP）家族的内吞受体被细胞摄取，最主要的是LRP8和LRP2。受体的表达模式创造了硒输送的层级——例如，高亲和力受体LRP8的表达确保了硒优先分配给大脑和睾丸，使它们即使在膳食硒限制条件下也能在一定时间内维持其硒含量。肝脏可以积累大量的GPX1，可能超过过氧化物酶活性所需。据推测，GPX1是一个安全、易于动员的硒储存库。最近发现，硒糖，无论是游离形式还是与蛋白质结合的形式，可能构成了肝脏中其余生物可利用的硒。这个储备库可以缓冲生物体对抗膳食硒摄入的波动。像1β-甲基硒-N-乙酰-D-半乳糖胺这样的硒糖被排泄到尿液中，并可能具有尚未完全了解的额外生物学功能。当硒供应超过代谢需求时，硒会逐渐甲基化。单和二甲基硒可以通过肺部呼出，而三甲基硒则通过尿液排出。过量硒的逐步甲基化是由硫嘌呤-S-甲基转移酶（TSMT）和吲哚乙胺-N-甲基转移酶（INMT）介导的。
一些器官，特别是大脑，会局部产生SELENOP，将其分泌到细胞间隙，然后通过LRP8介导的内吞作用重新吸收。这种“SELENOP循环”有助于将硒截留在关键组织中，使它们对每日膳食硒摄入的依赖性降低。
为了合成新的硒蛋白，硒可以从蛋白水解降解的硒蛋白（如SELENOP或GPX1）中回收。硒代半胱氨酸裂解酶（SCLY）催化硒从Sec中释放，为硒磷酸合成提供底物。
硒也可以通过硒代甲硫氨酸（SeMet）进入硒蛋白生物合成途径，SeMet构成了植物和富硒酵母中总甲硫氨酸库的一小部分。通过转硫途径，SeMet可以转化为硒代半胱氨酸，因为相关的酶不区分SeMet。膳食硒补充剂通常提供SeMet或无机形式的硒，如亚硒酸盐或硒酸盐，所有这些形式都具有高生物利用度。无机硒被认为在谷胱甘肽（GSH）存在下被还原，形成硒代谷胱甘肽。亚硒酸盐和硒代二谷胱甘肽可以通过TXNRD1系统还原为硒化物。
人类硒蛋白及硒蛋白代谢的先天性错误
硒蛋白编码基因或其生物合成所需因子的遗传缺陷可导致与膳食硒缺乏症状重叠的疾病，尽管硒摄入量可能正常。在此，我们重点介绍几例在关键概念背景下的例子。
a. 硒蛋白的遗传变异
首个被鉴定的硒蛋白基因致病变异是SELENON中的功能缺失突变。该疾病现在称为SELENON相关性肌病，因为几种临床实体最终被证明是由SELENON突变引起的——通常相同的突变甚至会产生不同的临床表现。特别有趣的是在SELENON mRNA的UGA/Sec密码子紧邻3‘端的所谓硒代半胱氨酸重定义元件（SRE）中发现了几个突变。该疾病已在转基因小鼠和斑马鱼中成功建模，证实了SELENON在骨骼肌中的重要作用。其机制可能是SELENON是ER管腔中的Ca2+ 传感器，调节SERCA泵。然而，SELENON相关性肌病并不引起克山病，因此要么存在一个加剧疾病的混杂因素，要么有另一种硒蛋白与心肌病相关。
硫氧还蛋白还原酶2（TXNRD2）通常被认为是减少线粒体TXN2的线粒体酶。具有TXNRD2杂合突变的个体与扩张型心肌病相关，这与在心脏特异性Txnrd2敲除小鼠中显示心脏衰竭的研究一致。相比之下，包括纯合过早截短突变在内的突变被多次报道会导致家族性糖皮质激素缺乏症，但这些患者中没有报道扩张型心肌病。肾上腺细胞研究表明，TXNRD2是肾上腺（可能还有睾丸）类固醇生物合成和线粒体氧化还原平衡所必需的。这可能解释了为什么类固醇生成细胞对TXNRD2功能丧失特别敏感。
TXNRD1中的致病性突变已在全身性癫痫患者中被描述，这与早期低硒状态与癫痫易感性之间的关联一致。尽管小鼠中完全的Txnrd1敲除是致命的，但神经元特异性删除Txnrd1会影响小脑发育，但不会产生自发性癫痫。
GPX4中的功能丧失变异导致一种特别严重的表型疾病，最初被描述为Sedagathian型脊椎干骺端发育不良（SSMD），这是一种涉及围产期骨骼异常和心肺衰竭的疾病。表型变异性可能反映了突变性质以及维生素E、泛醌或维生素K等补偿性氧化还原系统活性之间的差异。在小鼠中，纯合Gpx4缺失会导致胚胎致死，并且诱导的组织特异性敲除会触发受影响器官的铁死亡。
乙醇胺磷酸转移酶1（EPT1，也称为SELENOI）中的突变损害了磷脂酰乙醇胺和缩醛磷脂酰乙醇胺的生物合成，导致严重的复杂性痉挛性截瘫。PE在大脑中富集，其生物合成涉及DAG与CDP-乙醇胺通过EPT1或CEPT1（胆碱/乙醇胺磷酸转移酶）的偶联。这两种酶位于不同的细胞区室，且CEPT1不能完全补偿EPT1/SELENOI的缺失。缩醛磷脂酰乙醇胺在髓鞘中尤其重要，它构成了PE的大部分。髓鞘形成是发育的晚期事件，可能解释了为什么EPT1/SELENOI缺陷导致的表型比GPX4缺陷出现得晚。
b. 生物合成机器的遗传变异
硒蛋白生物合成遗传学的一个里程碑是发现了携带SECISBP2突变的患者。出乎意料的是，这些患者因生长迟缓和骨龄延迟而被诊断，并且发现该表型是由脱碘酶活性降低引起的。考虑到扩展的甲状腺功能测试，数据显示（肝脏）DIO1活性降低，这解释了rT3 和T4 水平的升高。此外，垂体对T4 挑战的反应迟钝表明至少在垂体中DIO2活性降低。血浆硒蛋白GPX3和SELENOP也降低了。从那时起，发现了更多具有这种表型的患者，但也有一些患者表现出额外的临床症状。这些症状包括肌病——让人联想到SELENON相关性肌病——听力障碍、无精子症、紫外线敏感性增加和免疫功能受损，甚至有一名患者出现精神和运动协调发育障碍。听力障碍可能直接由DIO2在内耳发育中的作用来解释，正如在小鼠中所示。SECISBP2 N端结构域的移码突变不会导致完全的功能丧失，因为可以在下游AUG密码子处起始，并且该蛋白质的C端部分似乎包含SECIS结合和Sec掺入所需的所有结构域。据报道，T3 和生长激素治疗改善了一名患者的生长。同一名患者接受了α-生育酚治疗，该治疗改善了脂质过氧化标志物并增加了白细胞计数。一个新发现是，一部分携带SECISBP2突变的患者会形成主动脉瘤。目前看来，在患者中，硒蛋白表达的中度受损通过甲状腺激素轴的变化以及生长和骨成熟延迟得以揭示。在更严重的情况下，肌病和轻度听力障碍会叠加在这些症状之上，只有最严重的突变才会导致神经发育缺陷。在报告的神经系统发现中，常有运动和智力残疾，有些出现癫痫发作。其中一些患者接受了T3 治疗以防止发育迟缓。对神经元特异性Secisbp2基因失活小鼠的研究表明，大脑中硒蛋白的表达只是部分降低，但会导致癫痫发作、肌张力障碍和协调缺陷。因此，最初报告的SECISBP2患者的轻微表型不能简单地用SECISBP2L的代偿来解释。
缺失的部分
迄今为止，两个必需的硒蛋白生物合成因子中的突变尚未在人类或小鼠模型中报道：SEPHS2（它本身是一种硒蛋白）和PSTK。如果有人敢于预测，受这些基因致病变异影响的患者很可能类似于携带SEPSECS或EEFSEC突变的患者。此外，考虑到tRNA[Ser]Sec 基因中存在低态启动子突变的小鼠模型，tRNA[Ser]Sec 的更严重突变也可能导致神经系统表型。
硒代谢和作用的新兴方面
A. 硒蛋白生物合成
SECISBP2L：具有特殊功能的旁系同源物
SECIS结合蛋白2（SECISBP2L）的一个旁系同源物在十多年前被鉴定出来。最初的研究表明，至少在SECISBP2存在的情况下，它对哺乳动物细胞中硒蛋白生物合成的贡献很小，而没有SECISBP2基因的无脊椎动物的SECISBP2L能够指导硒蛋白翻译。然而，在小鼠肝细胞中删除Secisbp2后，仍有残留的硒蛋白表达。最近，斑马鱼实验表明，在缺乏sbp2的情况下，仍可以合成一部分硒蛋白——这种能力在sbp2/sbp2l双突变体中丧失了。结果表明，斑马鱼的sbp2l可以与某些硒蛋白的SECIS元件相互作用并促进硒蛋白生物合成。如果sbp2和sbp2l受到差异调节，这种机制可能在硒缺乏条件下部分促成硒蛋白表达的层级。
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