南海天

(中國醫(yī)科大學,遼寧 沈陽 110001)

神經(jīng)細胞的氧化損傷與MTH1的神經(jīng)細胞保護作用

南海天

(中國醫(yī)科大學,遼寧 沈陽 110001)

許多因素如活性氧類物質(zhì),可引起神經(jīng)細胞的氧化損傷。而MTH1能夠有效防止 8-oxoG導致的神經(jīng)細胞氧化損傷。介紹了神經(jīng)細胞內(nèi)氧化損傷發(fā)生的機理,闡述了帕金森病MPTP模型中MTH1對紋狀體多巴胺能神經(jīng)元神經(jīng)末梢的保護作用。

氧化損傷;MTH1;MPTP動物模型;帕金森病

1 神經(jīng)細胞的氧化損傷

1.1 神經(jīng)細胞發(fā)生氧化損傷的高風險性

哺乳動物在生長過程中,神經(jīng)干細胞能夠增殖并產(chǎn)生大量神經(jīng)元。成熟的神經(jīng)元處于有絲分裂的后期并且必須在個體整個生命過程中發(fā)揮其功效。神經(jīng)元具有高度的代謝活性,并產(chǎn)生足夠的ATP以維持細胞內(nèi)外的離子平衡。ATP主要依靠細胞內(nèi)的線粒體呼吸產(chǎn)生,與此同時從呼吸鏈中漏出的電子將會產(chǎn)生活性氧族 (ROS),例如超氧化物、過氧化氫和羥基。ROS能夠氧化細胞內(nèi)包括蛋白和核苷酸在內(nèi)的大分子,從而導致突變和細胞死亡等細胞功能的失調(diào)。因此,神經(jīng)元具有發(fā)生氧化損傷的高風險性[1]。

1.2 神經(jīng)細胞內(nèi)氧化損傷發(fā)生的機理和危害

導致神經(jīng)細胞內(nèi)氧化損傷的主要物質(zhì)——8-氧橋鳥嘌呤 (8-oxoG),在 DNA復制過程中能夠與腺嘌呤和胞嘧啶配對,從而分別增加了由 A:T至 C:G和 G:C至 T:A顛換突變的頻率[2]。細胞核和線粒體中的 DNA遺傳信息的改變,會導致突變和程序性細胞死亡。突變是體細胞癌變、遺傳性疾病和遺傳多態(tài)性的根源,而程序性細胞死亡常常引發(fā)退行性病變。大量研究表明,增殖細胞內(nèi) 8-oxoG的增加會導致突變和癌變頻率的增加,而 8-oxoG不斷在神經(jīng)細胞核和線粒體內(nèi)積聚,還會使人體出現(xiàn)許多神經(jīng)變性性病征,如帕金森病 (PD)、阿爾茨海默病 (AD)和肌萎縮側(cè)索硬化(ALS)[3]。

2 MTH1在小鼠MPTP模型中的作用

近年來人們發(fā)現(xiàn)一種神經(jīng)毒性藥物 1-甲基-4苯基 -1,2,3,6-四氫吡啶 (MPTP),可選擇

2.1 帕金森病 (PD)的MPTP動物模型

流行病學研究和動物模型實驗表明,一些自體合成或環(huán)境內(nèi)的毒素會阻滯 PD的線粒體呼吸鏈。其中,MPTP動物模型最清晰地闡明了其中原理[5]。

早在 1991年,R.R.Ramsay博士就已證實系統(tǒng)攝入的MPTP大部分由神經(jīng)膠質(zhì)細胞內(nèi)的單胺氧化酶轉(zhuǎn)化為MPP+,而MPP+又會通過多巴胺轉(zhuǎn)運蛋白 (DAT)被多巴胺能神經(jīng)元特異吸收。多巴胺能神經(jīng)元內(nèi)積聚的MPP+與線粒體呼吸鏈的復合物 I結(jié)合并阻滯電子的轉(zhuǎn)運,從而導致 ROS的形成和由 ATP消耗引起的能量損失。另外,N.Schmidt教授的研究表明,與腦內(nèi)其他組織相比,多巴胺能神經(jīng)元由于多巴胺自身代謝產(chǎn)物的蓄積更易受到氧化損傷。MPP+導致大量囊泡內(nèi)多巴胺釋放至細胞質(zhì)中并提高多巴胺的更新速度,多巴胺能神經(jīng)元內(nèi)的氧化應激也因此大大增加[6]。這一過程中,產(chǎn)生了大量羥自由基。羥自由基是最具活性的 ROS之一,可以將許多包括蛋白質(zhì)、脂類和核苷酸在內(nèi)活質(zhì)分子輕易氧化,從而引起一系列的細胞功能失調(diào)甚至死亡。這就是 PD的MPTP動物模型。

2.2 帕金森病MPTP模型中 8-oxoG的積聚

在MPTP致病的 PD模型中,脂類過氧化反應的增加和蛋白質(zhì)化學性質(zhì)的改變是常見現(xiàn)象,現(xiàn)在人們又開始關(guān)注該模型中MPTP是否會導致 8-oxoG的積聚。日本從事腦神經(jīng)研究的山口教授的研究表明,在一次攝入MPTP(30 mg·kg-1,i.p.)12～24 h之后,8-oxoG在黑質(zhì)和紋狀體細胞DNA和 RNA中的積聚顯著增高[4]。特別是 8-oxoG在紋狀體多巴胺能神經(jīng)末梢線粒體內(nèi)的積聚,要比其在黑質(zhì)細胞 DNA或 RNA中積聚出現(xiàn)的早,而黑質(zhì)在反復攝入 MPTP后多巴胺能神經(jīng)元缺失又很顯著。日本分子生物學水源教授的研究表明,MPP+以引發(fā)紋狀體多巴胺能神經(jīng)末梢內(nèi)的線粒體功能失調(diào)為開端,引起了整個多巴胺能神經(jīng)元的退行性變。而多巴胺能神經(jīng)末梢的功能失調(diào),正是由 MPTP導致 8-oxoG的積聚產(chǎn)生的[4]。

2.3 MTH1對紋狀體多巴胺能神經(jīng)元神經(jīng)末梢的保護作用

MTH1mRNA在鼠大腦神經(jīng)元內(nèi)廣泛存在,并且在整個黑質(zhì) (包括黑質(zhì)密部、網(wǎng)質(zhì)部、腹側(cè)被蓋區(qū))、大腦皮層和海馬處都有實質(zhì)性表達。

為了證實MTH1在黑質(zhì) -紋狀體通路中的神經(jīng)保護作用,九州大學生體防御醫(yī)學研究所將野生型小鼠和人工去除MTH1的小鼠作了對比試驗。他們將MPTP(30 mg·kg-1,i.p.)每日一次連續(xù) 5 d注入野生型和去除MTH1的小鼠,然后將 2組小鼠紋狀體內(nèi)多巴胺能神經(jīng)末梢變性程度和黑質(zhì)多巴胺能神經(jīng)元的缺失情況進行比較[4]。結(jié)果表明,2組小鼠的黑質(zhì)多巴胺能神經(jīng)元的缺失情況基本相同,但長期暴露于 MPTP的去除MTH1的小鼠紋狀體內(nèi)多巴胺能神經(jīng)末梢變性程度更嚴重,同時,在去除MTH1小鼠的紋狀體多巴胺能神經(jīng)末梢的線粒體內(nèi),8-oxoG積聚更明顯。

由于MTH1能夠有效水解 8-oxo-dGTP和其他氧化嘌呤核苷酸三磷酸鹽,去除MTH1的小鼠在攝入MPTP后,紋狀體多巴胺能神經(jīng)末梢內(nèi)積聚了大量氧化嘌呤核苷酸三磷酸鹽,從而導致其線粒體 DNA內(nèi)蓄積了大量氧化嘌呤。因此,MTH1的缺乏擴大了紋狀體內(nèi)MPTP激動的多巴胺能神經(jīng)末梢的氧化損傷。這些結(jié)果表明,MTH1對紋狀體多巴胺能神經(jīng)元具有神經(jīng)保護作用。

3 展 望

MTH1能夠有效減少小鼠神經(jīng)細胞中 8-oxoG在細胞核和線粒體 DNA中的積聚,從而防止神經(jīng)細胞的氧化損傷,然而促使神經(jīng)細胞損傷的始動因素目前尚有爭論。B.N.Ames的研究結(jié)果證明,DNA的破壞與細胞死亡和癌變緊密相關(guān)。氧化嘌呤脫氧核糖核酸錯誤的摻入 DNA,很有可能引起了神經(jīng)細胞功能改變甚至細胞死亡。然而,MTH1有效的水解 8-oxo-GTP等氧化嘌呤核糖核酸說明,神經(jīng)細胞功能的失調(diào)也可能是RNA被錯誤摻入導致的。最近 T.Kai等人還發(fā)現(xiàn),8-oxo-dGTP濃度升高會導致非洲蟾蜍卵溶解物內(nèi)的 DNA復制時合成量的減少[7],說明 8-oxo-dGTP本身可能有直接的神經(jīng)細胞毒性作用。因此,造成神經(jīng)細胞氧化損傷的具體機制還需要進一步研究。九州大學生體防御醫(yī)學研究所現(xiàn)在依靠轉(zhuǎn)基因技術(shù)借用小鼠表達人類MTH1蛋白,試圖進一步揭示這些氧化核苷酸在神經(jīng)細胞內(nèi)的生物學作用。雖然該研究尚處于動物試驗階段,但對于尋找治療 PD的新策略有著重要參考價值。新近發(fā)現(xiàn),DNA修復酶 8一羥基鳥嘌呤糖苷酶 (hOGG1)和 hMYH也在不同環(huán)節(jié)協(xié)同參與神經(jīng)細胞核和線粒體 DNA的修復,因此其他能夠防止DNA氧化損傷的DNA修復酶在神經(jīng)細胞氧化變性中的分子生物學作用和機制還需要深入發(fā)現(xiàn)和研究。

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Oxidative Damage to Neurons and Protective Effects ofM TH1 on Neurons

NAN Ha i-tian
(ChinaMedicalUniversity,ShenyangLiaoning 110001,China)

Many factors in vivo including active oxygen species(AOS)can lead to oxidative damage to neurons.MTH1 effectively prevents such damages caused by 8-oxoG.This paper introduces both the mechanism of oxidative damage in neurons and the protective effects of MTH1 on nerve terminals of dopaminergic neurons in striata in the MPTP model of Parkinson's Disease.

oxidative damage;MTH1;MPTP model;Parkinson'sDisease

Q75

A

1009-315X(2010)03-0209-03性的破壞中腦黑質(zhì)中的多巴胺能神經(jīng)元,故常被用來制作研究帕金森病的模型。日本九州大學生體防御醫(yī)學研究所的中別府雄作教授,利用該模型進行了一系列的動物實驗。別府教授長期從事腦神經(jīng)的分子生物學研究,通過對大量實驗結(jié)果進行分析總結(jié),證明了MTH1能夠有效減少小鼠神經(jīng)細胞中 8-oxoG在細胞核和線粒體 DNA中的積聚[4],從而阻止了神經(jīng)細胞的氧化應激。與此同時,許多國際知名專家也紛紛發(fā)表文獻,從不同方面支持了別府先生的理論。

2010-03-05

南海天 (1987-),男,遼寧大連人,中國醫(yī)科大學七年制研究生,主要從事臨床醫(yī)學研究。

(責任編輯 鄒永紅)