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血红素氧合酶抗损伤作用的研究进展
时间：2010-08-23 17:52:39 来源： 作者：
| 血红素氧合酶(hemeoxygenase，HO) 是一种血红素降解的催化酶，在NADPH 和细胞色素P-450还原酶及分子氧作用下，HO催化血红素降解为胆绿素、CO和铁，前者还原成胆红素后具有很强的抗氧化能力，后者是一种重要的信使分子。近年研究发现，HO-1及其酶解产物胆红素、CO 共同发挥着抗炎、抗氧化、抑制细胞凋亡和扩血管、改善组织微循环等作用，广泛参与心、脑、肺、肝、肾等组织细胞的抗氧化应激损伤，是机体最重要的内源性保护体系之一，尤其是其组织器官的保护作用已逐渐成为目前研究的一个热点。本文阐述血红素氧合酶在体内抗损伤作用的研究进展。 1 血红素氧合酶的生物学特性 迄今为止已发现3种HO的同工酶，即HO-1、HO-2和HO-3。3种同工酶有一个共存的保守基序即“HO标记区”，但3种不同基因表达产物的结构、组织分布和功能调节几乎没有共性。 1.1 HO–1 为诱导型，HO-1基因内含有HSE元件，与HSP70和应激蛋白P32结构类似，所以有人将其归入HSP 家族，亦称为HSP32，分子量为32kD，热休克处理在引起HSP70表达上调的同时也导致HO-1的表达上调，且热休克对大鼠心肌线粒体呼吸功能的保护作用与这两种应激蛋白均有关。生理状态下，在网状内皮细胞系统和骨髓表达，肝脏、脾脏中高浓度存在，可被多种物质或刺激因素诱导表达，如热休克、重金属、血红素及其衍生物、炎性刺激、应激、生物激素、低氧等应激状态均可使细胞内HO-1的活性上调，而多数金属卟啉是HO-1的抑制剂，如锌原卟啉及锡原卟啉等，可抑制HO-1的表达和活性。 现已证实HO-1是一种应激蛋白，HO-1在正常情况下低表达或不表达，但在应激状态下HO-1适量表达可以减轻细胞损伤、蛋白质氧化及脂质过氧化，减轻血管紧张素Ⅱ引起的内皮细胞损伤，对血管损伤的修复有潜在保护作用。研究表明，CO诱导HO-1活性增强可减轻内皮细胞的氧化损伤和凋亡，降低培养的内皮细胞对过氧化氢造成的氧化性损伤的敏感性，血红素诱导的HO-1活性增加可减少过氧亚硝基引起的主动脉内皮细胞的凋亡，离体的灌注心脏以及体内骨骼肌的缺血-再灌注损伤，HO-1表达增强还有助于提高内皮细胞对抗氧化性损伤的能力。 诱导HO-1表达的分子调节机制十分复杂。目前已经确定HO-1的编码基因定位于人染色体22q12，含5个外显子，长约14 kb，研究发现，人HO-1基因启动区所特有的(GT)n微卫星结构的长度直接影响HO-1基因的转录水平，(GT)n越长，即GT二核苷酸序列重复数越多，HO-1 基因转录和表达的水平就越低。体外实验表明HO-1基因启动子微卫星影响HO-1的转录，在同等程度的氧化应激作用下，GT重复<25次者，HO-1基因转录增加；而GT重复≥29 次者，则转录水平增加不明显，因此GT 重复次数可间接反映人体内HO－1的表达水平，由此可见，HO-1的表达可以在转录水平和蛋白水平调控。 1.2 HO-2 为非诱导型，分子量为36kD，也称原生型HO，定位于人染色体16p13.3，与HO-1基因不同，HO-2是生理状态下HO的主要存在形式，存在于大多数组织的内皮细胞和神经元细胞的线粒体内，主要分布于中枢神经系统、血管内皮、前列腺和睾丸中，以脑组织和前列腺中含量最高。目前仅知肾上腺皮质激素可诱导HO-2 的表达，蛋白激酶C对HO-2的磷酸化也可增强HO-2在培养脑细胞中的活性，故推测HO-2可能主要是调控神经系统的功能。 1.3 HO-3 结构型，分子量为33kD，存在于脑、肝脏、脾脏、睾丸和肾脏等器官中，与HO-2有90%的氨基酸同源性，可在所有的组织中原生性表达。HO-3催化血红素的能力很低，主要作用可能为介导HO与血红素的结合。虽然HO-3的功能还有待进一步的探索，但它与HO-2存在形式及组成成分明显类似，提示它亦可能与细胞血红素依赖性功能调控有关。 这三种HO同工酶是不同的基因产物，HO-1和HO-2都有降解血红素的能力， 二者之间有58%的氨基酸同源性，其二级结构则100%同源，故推测HO-2可能主要在正常生理状态下发挥调节作用，而HO-1则主要在应激状态下保护细胞和组织，对抗应激反应，HO-3的功能尚不十分清楚。 2 血红素氧合酶系统 血红素氧合酶是目前发现生物体内最易被诱导产生的抗氧化酶类，其抗氧化作用与它的催化分解产物即胆绿素、胆红素、NO、铁离子和铁蛋白有关。 2. 1 胆绿素和胆红素 体内胆绿素在胆绿素还原酶作用下很快转化为胆红素，胆红素在正常血清浓度时是一种很强的内源性抗氧化剂， 能直接清除过氧基团和超氧自由基，抑制脂质过氧化反应，增强VitC与VitE的抗氧化能力，并通过恢复细胞内抗氧化与致氧化之间的平衡减轻细胞的损伤。在细胞培养液中加入胆红素可明显增强细胞抗氧化损伤能力，逆转过氧化氢引起的内皮细胞氧化。研究发现给大鼠输注胆红素，可明显减轻缺血再灌注损导致的肠损伤。 James等发现在离体大鼠心肌缺血再灌注损伤模型中心肌组织HO-1表达和活性增高与胆红素含量的增加呈正相关性，并且100 nmol•L-1的胆红素即能恢复大鼠的心肌功能，缩小梗死面积，进一步证实HO-1源性的胆红素在心肌损伤中的保护作用。胆红素还能通过抑制蛋白激酶C，发挥细胞保护作用。 胆绿素、胆红素通过抑制体内补体激活与瀑布反应，从而保护组织细胞免遭补体活化介导的炎性损伤。胆绿素可抑制iNOS、环氧化酶、细胞间黏附分子、IL-6、IL-1β的表达，间接抑制炎症反应。 HO-1的表达还伴有铁蛋白的协同诱导，后者通过螯合铁离子而阻止其经fenton 反应参与后续的自由基生成和氧化损伤。 Suzuki等对大鼠蛛网膜下腔出血的研究发现，HO-1 催化血红素的代谢产物胆红素具有很强的抗氧化作用，能拮抗脑缺血、缺氧、再灌注过程中产生的大量自由基；释放的铁能诱导铁蛋白生成，而铁蛋白中活性铁的隔离可使细胞从氧化损伤的超敏状态转为低敏状态，从而发挥对脑损伤的保护作用。Le等的体外实验表明，HO-1在保护神经元免受氧化应激引起的损伤中起着重要作用，HO-1具有抗氧化性脑损伤的作用 2. 2 CO 研究证实CO也是体内一种重要的细胞信使分子，在体内有着重要的生理作用。人类和哺乳动物的内源性CO主要来源于两条途径：一为依赖NADP的微粒体脂质过氧化；二为依赖NADPH的HO催化血红素氧化分解。内源性CO可在血管内皮细胞、平滑肌细胞及神经元细胞生成，并作用于内皮细胞、血管平滑肌细胞、神经元细胞及血小板，具有调节血管张力、抑制血管平滑肌细胞增殖、抑制血小板聚集等效应。 2.2.1 CO 与NO： CO 与NO 都是气体分子，都可以激活可溶性鸟苷酸环化酶，升高细胞内cGMP而发挥作用，在生理状态下NO在血管扩张中可能起重要作用，而在缺氧和内皮损伤时，CO的产生量却大幅度提高，可抑制iNOS 的活性及产生，减轻组织损伤，部分取代NO的扩血管作用。 CO在体内与NO形成代谢环路，即NO可诱导诱导型HO-1生成CO，而CO又反馈抑制诱导型iNOS产生NO，因而iNOS/NO和HO-1/CO系统的交互作用已经成为机体应激状态下损伤/抗损伤内在机制之一，HO-1/CO共同参与机体多种病理生理过程，诱导HO-1/CO系统细胞保护效应已成为机体应激状态下抗损伤的重要调节机制。 2.2.2 CO的细胞保护作用：CO适量表达可以减轻细胞损伤，减少蛋白质氧化和脂质过氧化而发挥细胞保护作用，保护许多器官的细胞机构以免受缺血和氧化应激的损害；CO在应激状态下可保护肝脏微循环，并因可促进血管舒张而在调节心血管系统的紧张度方面发挥作用。Amersi等利用特制的体外灌流装置，分别在灌流液中补充300ppm CO平衡的空气和单纯补充空气来观察CO对肝细胞的保护作用。结果，CO组谷草转氨酶水平明显低于对照组，对照组灌流1h出现肝窦和中央静脉充血合并广泛的小叶中心肿胀和坏死，而CO组肝脏结构正常，无肝窦及中央静脉充血和小叶中心肿胀、坏死。 Otterbein研究发现，低剂量CO(1/2000致死量)可大大提高动物肺对高浓度氧损伤的耐受性。实验中单纯接受72 h 98%O2吸入的大鼠全部死亡，而同时吸入250～500ppm CO的大鼠全部存活；预先给予HO抑制剂的大鼠表现出更为严重的肺损伤。吸入CO 能明显减轻高浓度氧所致的胸腔积液、肺水肿和中性粒细胞在肺中的聚集，使细胞凋亡指数下降，未见任何副作用。CO的此种保护作用可能与其抗炎症细胞浸润、抗内皮细胞凋亡有关。CO可能是一种潜在的抗炎物质，可通过P38MAPK信号转导途径下调脂多糖诱导的前炎性细胞因子如TNF-α，IL-1β，巨噬细胞炎症蛋白-1β和上调抗炎因子IL-10的表达及抗内皮细胞凋亡等，并在HO-1的细胞保护作用中起到重要作用。HO-1高表达的转基因鼠中，致炎细胞因子含量明显下降，缺氧引起的肺炎性反应、肺动脉高压、血管壁增生等均受到抑制，肺组织比正常鼠更能耐受低氧。Zhang等利用选择性p38MA KP 抑制剂证实CO 抑制Fas/ FasL 的表达，进而抑制Caspase3、8、9 的激活及PARP)裂解及线粒体细胞色素C的释放，选择性调节Bcl-2家族蛋白成员，增加Bcl-XL、Bcl-2的表达。 2.2.3. CO舒血管作用：已有充分的实验证据证明CO作为血管源性舒血管物质可以舒张血管平滑肌，调节血管张力和血流。Graser等研究发现用CO处理可引起血管舒张，剥去内皮可降低血管紧张性对CO的反应，认为CO有类似于一氧化氮(NO)或内皮舒血管因子的作用。 2.2.4 CO与细胞因子：有研究发现低氧可引起ET-1、血小板源生长因子-β(PDGF-β)、IL-1、VEGF等表达增加，减少CO产生量，导致血管功能紊乱，增加内皮细胞通透性和凝血功能。在缺氧条件下，血管平滑肌细胞产生的CO 可通过抑制分裂素、ET-1、PDGF-β和VEGF等细胞因子而间接调节平滑肌细胞增生。 2. 3 铁和铁蛋白 铁是多种细胞色素和氧化还原依赖性蛋白的必需的辅助因子，过量的铁有细胞毒性，可通过Fenton 反应参与活性氧如超氧阴离子和过氧化氢的生成，而铁蛋白的生成则有助于预防铁介导的细胞毒性。HO-1可能参与铁的生理调节，HO-1缺陷可同时引起缺铁性贫血和肝铁过载支持以上推论，最近还发现培养细胞中HO-1的保护作用可能与细胞铁外流增加有关。机体中游离铁能够加强氧化应激，在血管内皮细胞氧化应激中，铁蛋白是一种细胞保护物质。 3.血红素氧合酶的作用 3.1 HO-1 在组织器官损伤中的作用 HO-1的适量表达，可以减轻组织损伤。HO-1作为细胞保护因子起到抗氧化应激及损伤作用，并且这种作用在多种动物模型及组织器官的体内、外实验中均被证实。研究报道，在大鼠冠脉缺血/再灌注模型中，将SD大鼠全身预热15min(肛温42℃) ，实验前室温恢复24h，再行冠状动脉阻塞45min后开放冠状动脉再灌注3h，以心肌梗死大小和血清肌酸激酶活性评估心肌损伤的程度，测定心肌组织中HO-l mRNA和蛋白质的表达。热预处理组减少再灌注时心肌梗死的面积和肌酸激酶释放，该作用被ZnPP-IX( HO抑制剂)和亚甲蓝安全阻断，热应激增加HO-l mRNA 和蛋白质表达，但该作用不被亚甲蓝阻断。 3.2 HO-1在炎症反应中的作用 研究发现，在角叉菜胶引起的胸膜炎中HO-1活性明显升高，且HO-1的表达增加与炎症消退有关，用HO-1诱导剂可显著抑制炎症反应，而用HO-1抑制剂则可使炎症恶化，在急性炎症反应中表现尤为明显。另有研究发现，用HO-1诱导剂可显著减轻中毒性肾炎和肾小球肾炎病程中的炎症细胞浸润、蛋白尿、肾小球血栓形成和肾小管损害，提示HO-1表达增加对肾脏具有保护作用。 Uehara等研究发现，在脂多糖引起的大鼠低位肠炎中HO-1的表达增加与炎症消退有关，用谷氨酰胺诱导肠黏膜上皮细胞HO-1mRNA和蛋白表达增高可显著抑制黏膜损伤、炎症反应和细胞凋亡，同时减少了内毒素血症的死亡率；而其抑制剂则可加剧炎症反应和增加死亡率. 3.3 HO-1的抗凋亡作用 Otterbein等在培养的大鼠成纤维细胞中加入HO-1诱导剂可抑制由TNF-α引起的细胞凋亡，而用HO-1抑制剂可抑制HO-1的抗凋亡作用。Katori等在研究大鼠心脏移植过程中发现，应用HO-1诱导剂钴卟啉增加HO-1表达，可引起抗凋亡基因Bcl-2 和Bag-1的表达，从而抑制移植心脏的细胞凋亡，而联合应用HO-1抑制剂锌卟啉则可逆转钴卟啉引起的抗凋亡作用。 4 问题与展望 HO在体内分布非常广泛，功能也很复杂，已被称为“细胞保护的旗帜”，对HO保护作用机制的研究虽然已逐渐成为当前热点。HO-1适量表达能够减少细胞死亡，蛋白质氧化及脂质过氧化，促进细胞增殖，而过量表达则会促进乳酸脱氢酶的释放，降低谷胱甘肽转移酶活性，破坏细胞膜完整性。因此，HO-1的抗氧化作用存在最佳表达阈值。此外，HO-1的底物或诱导剂均可能对机体产生一定的不良反应，故HO-1如何应用于临床的治疗和预防还有待更深入的研究。 综上所述，HO-1作为一种有催化活性的应激蛋白有着广泛的生物学活性，机体处于氧化应激状态时，HO-1高效表达，保护机体免受损伤。所以，HO-1在氧化应激中的作用值得进一步研究。随着研究的不断深入，HO-1的作用机制日渐明朗，将可能开辟一个新的药物研究领域， 如用“非应激”刺激物在靶器官特异性诱导HO-1基因表达可能是今后治疗性干预氧化性损伤的新的有开发前景的方法，如环核苷酸( cGMP) 和心房利尿肽(ANP)类受体促进剂， 可明显增加细胞内cGMP水平， 或许是符合这一要求的化合物，它们可特异性诱导HO-1在肝细胞和培养的内皮细胞上表达， 并已显示具有保护内皮细胞对抗肿瘤坏死因子α介导的细胞毒性以及肝细胞对抗氧化应激引起的缺血再灌注损伤等作用。但尚需深入研究调控各种刺激因素诱导HO-1 基因转录与表达的分子学机制及其意义。 |
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