[關(guān)鍵詞] 腦紅蛋白;缺血缺氧;神經(jīng)保護(hù)

文章編號(hào):1003-1383(2009)04-0492-03

中圖分類號(hào):R 338

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

doi:10.3969/j.issn.1003-1383.2009.04.069

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氧是機(jī)體新陳代謝和維持生存的必要因素，人們很早就知道血紅蛋白(Hb)和肌紅蛋白(Mb)是機(jī)體氧的轉(zhuǎn)運(yùn)與儲(chǔ)存、線粒體耗氧產(chǎn)能及清除多余氧等過程中的關(guān)鍵物質(zhì)。而對(duì)高耗氧的腦組織，人們一直都未能發(fā)現(xiàn)能夠促進(jìn)神經(jīng)系統(tǒng)氧利用的關(guān)鍵分子。腦紅蛋白(Ngb)是德國(guó)科學(xué)家Burmester T等[1]在2000年首次發(fā)現(xiàn)的存在于人和小鼠腦組織內(nèi)，功能上類似于肌紅蛋白的攜氧球蛋白。含量雖低，僅占腦組織蛋白的0.01%左右[1]，但與腦的氧供應(yīng)密切相關(guān)，在分子水平上調(diào)節(jié)腦組織氧的供應(yīng)狀態(tài)，近年來逐漸成了神經(jīng)科學(xué)研究的熱點(diǎn)。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)其做了較為深入的研究，現(xiàn)就腦紅蛋白的分子結(jié)構(gòu)、在機(jī)體中的分布及功能和相關(guān)研究進(jìn)展作一簡(jiǎn)要介紹。

一、腦紅蛋白的結(jié)構(gòu)

腦紅蛋白主要以單體形式存在，由151個(gè)氨基酸組成，相對(duì)分子量為17KD，有少量腦紅蛋白為多聚體，主要為二聚體，極少為四聚體，二聚體以二硫鍵相連。在生理狀態(tài)下Ngb以還原狀態(tài)即脫氧形式(F8His2+-E7His)存在，其結(jié)構(gòu)為6配體，人和小鼠 Ngb是球蛋白當(dāng)中第一個(gè)具有6個(gè)配體的單體蛋白[2]。Ngb與Hb、Mb均為含鐵卟啉的蛋白，但在基因組成和蛋白結(jié)構(gòu)等方面與Hb、Mb有較大差異。Ngb基因在高級(jí)脊椎動(dòng)物中是一種高度保守的基因，序列同源性分析表明，大鼠和小鼠Ngb基因序列同源性為96%，與人類Ngb同源性為88%，但與脊椎動(dòng)物其他球蛋白則有很低的同源性，與Mb序列一致性<21%，與Hb一致性<25%。國(guó)內(nèi)張成崗等[3]用RTPCR法首先克隆了Ngb基因，人Ngb基因約長(zhǎng)8041bp，放射原位標(biāo)記發(fā)現(xiàn)人Ngb位于14q24染色體上。Ngb具有獨(dú)特的外顯子和內(nèi)含子結(jié)構(gòu)，有4個(gè)外顯子和3個(gè)內(nèi)含子，其中3個(gè)內(nèi)含子分別位于B122、E110、和G70，與 Hb、Mb比較，E110為其獨(dú)特的內(nèi)含子，該基因的啟動(dòng)子區(qū)域含有幾個(gè)潛在的轉(zhuǎn)錄因子SP1的結(jié)合位點(diǎn)。同時(shí)Ngb還具有經(jīng)典螺旋三折疊結(jié)構(gòu)特性[4]，基本結(jié)構(gòu)是一個(gè)血紅素結(jié)構(gòu)和蛋白質(zhì)肽鏈。

二、腦紅蛋白的分布

腦紅蛋白廣泛存在于動(dòng)物器官組織中。在哺乳動(dòng)物中，目前已經(jīng)在小鼠、大鼠和人中發(fā)現(xiàn)了Ngb，Burmester等[1]用Northern雜交和原位雜交技術(shù)證實(shí)腦紅蛋白在小鼠和人腦組織中腦前葉、下丘腦和丘腦等處表達(dá)最強(qiáng)。鄧美玉等[5～6]用原位雜交及免疫組化技術(shù)分析發(fā)現(xiàn)，Ngb mRNA陽(yáng)性細(xì)胞廣泛存在于大鼠腦內(nèi)各個(gè)區(qū)域，定位于神經(jīng)元細(xì)胞質(zhì)內(nèi)。Ngb免疫反應(yīng)物質(zhì)在腦中不同區(qū)域表達(dá)水平不同，大腦皮質(zhì)表達(dá)水平較高，海馬區(qū)、丘腦、下丘腦均有散在分布。小腦中陽(yáng)性細(xì)胞較強(qiáng)，主要分布于浦肯野細(xì)胞。在腦干、腦橋中也觀察到陽(yáng)性細(xì)胞分布，但較少。Schmidt等[7]還觀察到Ngb在小鼠的視網(wǎng)膜中大量表達(dá)，其密度大概是大腦中的100倍，主要分布在視網(wǎng)膜中耗氧最多的視細(xì)胞外網(wǎng)層、內(nèi)網(wǎng)層及節(jié)細(xì)胞層中，提示Ngb參與了高耗氧的視覺感受和視覺形成過程。王航雁等[8]研究發(fā)現(xiàn)，人體不同組織中除腦組織中表達(dá)相對(duì)較高外，在多種組織中都有表達(dá)，胎腎、人肝等組織Ngb mRNA表達(dá)甚至大于大腦皮質(zhì)、全腦和小腦，說明Ngb基因并不是神經(jīng)系統(tǒng)特異性的，可能在機(jī)體許多組織、臟器中廣泛區(qū)域發(fā)揮作用，這很可能與多種組織氧利用有密切關(guān)系。此外，內(nèi)分泌系統(tǒng)如垂體、胰島的Langerhans細(xì)胞、腎上腺中也有表達(dá)。

三、腦紅蛋白的生物學(xué)功能

腦紅蛋白的生物學(xué)功能目前尚不完全清楚，可能與下面幾方面有關(guān):①在氧代謝方面有類似Mb的功能。儲(chǔ)存氧氣和促進(jìn)氧氣向線粒體擴(kuò)散或直接介導(dǎo)氧氣向線粒體的傳遞，促進(jìn)ATP的產(chǎn)生，從而維持正常神經(jīng)元的功能。Ngb 能夠可逆性地結(jié)合氧，與氧氣有很高的親和力，半飽和壓力(P50)約為2托(torr)，高于哺乳動(dòng)物Hb(約為26托)，低于Mb(約為1托)，該特性使得即使血氧濃度較低，也十分有利于轉(zhuǎn)運(yùn)氧氣通過血腦屏障，提高高耗氧的腦組織中氧的利用率。實(shí)驗(yàn)表明Ngb在缺血缺氧狀態(tài)下表達(dá)增加，且高度表達(dá)的Ngb能夠使培養(yǎng)的神經(jīng)元在缺氧情況下存活率升高和急性缺血狀態(tài)下大鼠腦梗死體積縮小[9]，提示Ngb在腦缺血缺氧性損傷中對(duì)神經(jīng)元有保護(hù)作用。目前缺氧誘導(dǎo)Ngb表達(dá)上調(diào)的機(jī)制仍未闡明，可能與缺氧誘導(dǎo)轉(zhuǎn)錄因子HIF1有關(guān)[10]。②氧氣感受功能。結(jié)合配體時(shí)6配位珠蛋白血紅素袋的構(gòu)象變化較大，提示Ngb可能作為氧氣感受器，根據(jù)氧氣濃度的變化參與細(xì)胞內(nèi)信號(hào)傳導(dǎo)通路調(diào)節(jié)[11]。③NADH氧化酶作用。在半缺氧條件下促進(jìn)糖酵解，產(chǎn)生ATP供給能量，有助于維持神經(jīng)元的正常功能。④作為活性氧和NO基團(tuán)的清道夫，參與NO的代謝過程，從而減輕其對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)的損傷。

四、腦紅蛋白與缺血缺氧性疾病

目前較多研究表明Ngb對(duì)腦缺血缺氧有保護(hù)作用，這方面研究可以分為兩大類，一類是在缺血缺氧條件下觀察到在體或離體神經(jīng)細(xì)胞腦紅蛋白的表達(dá)升高，因此推測(cè)它起到腦保護(hù)作用。另一類是在缺血缺氧條件下人為增強(qiáng)或降低腦紅蛋白的表達(dá)，觀察到在體或離體神經(jīng)細(xì)胞損傷減輕或增加，這類實(shí)驗(yàn)被認(rèn)為具有較強(qiáng)的說服力。Sun等[9]通過向大鼠腦室注入脫氧核苷酸，中動(dòng)脈閉塞后腦梗死面積增加，再給予表達(dá)Ngb的腺病毒載體后與對(duì)照組比較梗死灶體積減少50%，而利用反義寡核苷酸技術(shù)減少其Ngb的表達(dá)時(shí)，腦梗死體積較對(duì)照組增加了60%。另外，用NgbTAT治療培養(yǎng)的大鼠皮質(zhì)神經(jīng)元細(xì)胞可以降低細(xì)胞對(duì)氧的敏感性[12]，說明其可能在氧化應(yīng)激誘導(dǎo)細(xì)胞損傷中起保護(hù)作用。過分表達(dá)Ngb的轉(zhuǎn)基因小鼠實(shí)驗(yàn)也發(fā)現(xiàn)可以降低腦梗死體積[13]。還有實(shí)驗(yàn)將小鼠大腦中動(dòng)脈結(jié)扎90 min后再灌注4～24 h，發(fā)現(xiàn)神經(jīng)元胞質(zhì)內(nèi)Ngb的表達(dá)量也增加。以上實(shí)驗(yàn)表明Ngb在缺血缺氧情況下對(duì)腦組織具有保護(hù)作用。張成崗[14]等采用RTPCR技術(shù)對(duì)大鼠缺血缺氧損傷時(shí)腦組織中 Ngb mRNA水平的變化進(jìn)行動(dòng)態(tài)研究，發(fā)現(xiàn)該基因表達(dá)顯著升高，并呈時(shí)相變化，雙側(cè)總動(dòng)脈夾閉1 min后腦組織中Ngb mRNA迅速增至高峰，5 min時(shí)仍然保持高水平，15 min時(shí)迅速降低，此后又緩慢升高，提示Ngb可能在腦缺氧適應(yīng)性調(diào)節(jié)中起到重要作用。以往Ngb的研究主要集中在模型和動(dòng)物實(shí)驗(yàn)方面，在臨床應(yīng)用研究方面目前還處于探索階段。最近國(guó)內(nèi)王航雁等[15～16]用ELISA方法檢測(cè)新生兒血清Ngb，觀察新生兒和早產(chǎn)兒動(dòng)脈血清中Ngb表達(dá)的變化，并探討其臨床意義，發(fā)現(xiàn)Ngb表達(dá)無(wú)性別差異，并初步確定了足月健康新生兒血清Ngb的參考范圍。研究還發(fā)現(xiàn)宮內(nèi)窘迫新生兒血清Ngb表達(dá)水平顯著高于健康對(duì)照組，認(rèn)為新生兒臍動(dòng)脈血清 Ngb水平作為HIE的早期檢測(cè)指標(biāo)具有臨床應(yīng)用價(jià)值，該實(shí)驗(yàn)為Ngb在臨床應(yīng)用方面的研究提供了新的思路。Ngb在成人神經(jīng)系統(tǒng)性疾病的臨床應(yīng)用研究尚未見報(bào)道。

五、腦紅蛋白與創(chuàng)傷性腦損傷

目前多個(gè)研究顯示在腦缺血缺氧時(shí)Ngb的表達(dá)升高，表明了Ngb對(duì)缺血缺氧性腦損傷有保護(hù)作用，是否對(duì)創(chuàng)傷性腦損傷也有保護(hù)作用呢?近年來也有學(xué)者在這方面做了一些研究。國(guó)內(nèi)周定標(biāo)等[17]通過體外培養(yǎng)原代神經(jīng)元損傷模型的建立，采用免疫組化和圖像分析技術(shù)觀測(cè)損傷前、后不同時(shí)間點(diǎn)神經(jīng)元Ngb免疫組化反應(yīng)物和陽(yáng)性信號(hào)值，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，12 h后Ngb陽(yáng)性信號(hào)開始增加，16 h達(dá)到高峰，隨后逐漸下降，128 h后恢復(fù)正常水平，表明機(jī)械損傷可以誘導(dǎo)神經(jīng)元Ngb在一定時(shí)間段內(nèi)表達(dá)上調(diào)，Ngb可能參與了機(jī)械損傷后神經(jīng)元的修復(fù)過程。研究還表明，大鼠彌漫性顱腦損傷后Ngb mRNA的表達(dá)呈雙峰型，提示其可能參與神經(jīng)元損傷后應(yīng)激及繼發(fā)性腦缺血缺氧性腦損傷的應(yīng)答機(jī)制[18]。同樣，大鼠腦外傷后在傷灶周圍皮質(zhì)神經(jīng)元內(nèi)也觀察到Ngb表達(dá)明顯升高[19]。以上研究表明，Ngb可能參與了腦外傷后神經(jīng)元的保護(hù)作用。眾所周知，繼發(fā)性腦損傷的實(shí)質(zhì)是腦組織的缺血缺氧，尸檢發(fā)現(xiàn)，腦外傷死亡的病人90%都存在腦缺血，改善腦外傷病人預(yù)后的關(guān)鍵在于抑制原發(fā)性腦損傷后的繼發(fā)性腦缺血缺氧損傷，腦紅蛋白的發(fā)現(xiàn)，為繼發(fā)性腦損傷的研究與防治提供了新的思路。

六、腦紅蛋白與其他疾病

作為一種新發(fā)現(xiàn)的攜氧球蛋白，因?yàn)槟X紅蛋白的特殊分子結(jié)構(gòu)和其對(duì)氧有很高的親和力，以及Ngb的神經(jīng)元定位和可能的內(nèi)源性神經(jīng)保護(hù)因子的功能，為神經(jīng)系統(tǒng)氧的利用及神經(jīng)元保護(hù)等方面的研究提供了一條新的途徑，目前成為神經(jīng)內(nèi)科、神經(jīng)外科以及機(jī)體組織氧利用方面研究的熱點(diǎn)，并取得了一定的成果。對(duì)其他疾病也具有保護(hù)的作用，有研究認(rèn)為，腦紅蛋白在視網(wǎng)膜、生殖系統(tǒng)中的高濃度表達(dá)，為視神經(jīng)缺氧性病變?nèi)绺咴鄣撞?、男性不育的治療方面指出了新的方向，具有重要的臨床意義[20]。近來研究還發(fā)現(xiàn)腦紅蛋白在神經(jīng)系統(tǒng)退行性變中具有保護(hù)作用，與某些老年神經(jīng)系統(tǒng)疾病的發(fā)生和發(fā)展有著某種聯(lián)系[21]，這些發(fā)現(xiàn)為帕金森氏綜合征、阿爾茨海默病等的治療帶來了新的希望。Fordel等[22]研究發(fā)現(xiàn)Ngb還可以保護(hù)細(xì)胞免受非缺氧性損傷，提示它可能還有更為廣泛的內(nèi)源性作用。雖然Ngb已成為目前神經(jīng)科學(xué)研究的熱點(diǎn)，并在基因序列、定位、蛋白結(jié)構(gòu)等方面進(jìn)行了較為深入的研究，但當(dāng)前仍然存在幾個(gè)問題:①Ngb的生理功能目前還存在爭(zhēng)議;②Ngb到底是通過何種方式、如何對(duì)神經(jīng)元實(shí)施保護(hù);③Ngb受缺氧誘導(dǎo)所涉及的信號(hào)傳導(dǎo)途徑仍然不明了;④Ngb的相關(guān)臨床應(yīng)用研究少見有報(bào)道。

綜上所述，Ngb是一種新的內(nèi)源性神經(jīng)保護(hù)因子，在神經(jīng)系統(tǒng)疾病及組織氧利用等方面的研究具有重要的應(yīng)用價(jià)值，對(duì)于Ngb保護(hù)神經(jīng)細(xì)胞機(jī)制的研究及在臨床上如何加以利用是未來Ngb研究方向。

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(收稿日期:2009-04-20 修回日期:2009-07-09)

(編輯:崔群飛)