A 25-kDa antioxidant enzyme that provides protection against oxidation systems capable of generating reactive oxygen and sulfur species has previously been identified. The nature of the oxidant eliminated by, and the physiological source of reducing equivalents for, this enzyme, however, were not known. The 25-kDa enzyme is now shown to be a peroxidase that reduces H2O2 and alkyl hydroperoxides with the use of hydrogens provided by thioredoxin, thioredoxin reductase, and NADPH. This protein is the first peroxidase to be identified that uses thioredoxin as the immediate hydrogen donor and is thus named thioredoxin peroxidase (TPx). TPx exists as a dimer of identical 25-kDa subunits that contain 2 cysteine residues, Cys47 and Cys170. Cys47-SH appears to be the site of oxidation by peroxides, and the oxidized Cys47 probably reacts with Cys170-SH of the other subunit to form an intermolecular disulfide. Mutant TPx proteins lacking either Cys47 or Cys170, therefore, do not exhibit thioredoxin-coupled peroxidase activity. The TPx disulfide is specifically reduced by thioredoxin, but can also be reduced (less effectively) by a small molecular size thiol. The Saccharomyces cerevisiae thioredoxin reductase gene was also cloned and sequenced, and the deduced amino sequence was shown to be 51% identical with that of the Escherichia coli enzyme.

A cDNA corresponding to a thiol-specific antioxidant enzyme (TSA) was isolated from a rat brain cDNA library with the use of antibodies to bovine TSA. The cDNA clone encoded an open reading frame capable of encoding a 198-residue polypeptide. The rat and yeast TSA proteins show significant sequence homology to the 21-kDa component (AhpC) of Salmonella typhimurium alkyl hydroperoxide reductase, and we have found that AhpC exhibits TSA activity. AhpC and TSA define a family of > 25 different proteins present in organisms from all kingdoms. The similarity among the family members extends over the entire sequence and ranges between 23% and 98% identity. A majority of the members of the AhpC/TSA family contain two conserved cysteines. At least eight of the genes encoding AhpC/TSA-like polypeptides are found in proximity to genes encoding other oxidoreductase activities, and the expression of several of the homologs has been correlated with pathogenicity. We suggest that the AhpC/TSA family represents a widely distributed class of antioxidant enzymes. We also report that a second family of proteins, defined by the 57-kDa component (AhpF) of alkyl hydroperoxide reductase and by thioredoxin reductase, has expanded to include six additional members.

Mammalian tissues express three immunologically distinct peroxiredoxin (Prx) proteins (Prx I, II, and III), which are the products of distinct genes. With the use of recombinant proteins Prx I, II, and III, all have now been shown to possess peroxidase activity and to rely on Trx as a source of reducing equivalents for the reduction of H2O2. Prx I and II are cytosolic proteins, whereas Prx III is localized in mitochondria. Transient overexpression of Prx I or II in cultured cells showed that they were able to eliminate the intracellular H2O2 generated in response to growth factors. Moreover, the activation of nuclear factor kappaB (NFkappaB) induced by extracellularly added H2O2 or tumor necrosis factor-alpha was blocked by overproduction of Prx II. These results suggest that, together with glutathione peroxidase and catalase, Prx enzymes likely play an important role in eliminating peroxides generated during metabolism. In addition, Prx I and II might participate in the signaling cascades of growth factors and tumor necrosis factor-alpha by regulating the intracellular concentration of H2O2.

The active-site cysteine of peroxiredoxins is selectively oxidized to cysteine sulfinic acid during catalysis, which leads to inactivation of peroxidase activity. This oxidation was thought to be irreversible. However, by metabolic labeling of mammalian cells with 35 S, we show that the sulfinic form of peroxiredoxin I, produced during the exposure of cells to H 2 O 2 , is rapidly reduced to the catalytically active thiol form. The mammalian cells' ability to reduce protein sulfinic acid might serve as a mechanism to repair oxidatively damaged proteins or represent a new type of cyclic modification by which the function of various proteins is regulated.