曹學(xué)鋒 格日力

青海大學(xué)醫(yī)學(xué)院高原醫(yī)學(xué)研究中心中心，青海 西寧 810000

血紅素氧合酶 (HO)是生物體內(nèi)催化血紅素分解代謝的限速酶。血紅素氧合酶－1(heme oxygenase－1，HO－1)在許多重要的生理和病理過程中起重要作用，氧化應(yīng)激時(shí)對細(xì)胞組織發(fā)揮保護(hù)作用，減輕組織損傷。HO－1與缺血再灌注損傷的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)。本文就HO－1在缺血－再灌注損傷的發(fā)生發(fā)展的關(guān)系作一綜述。

1 血紅素氧合酶概述

1.1 血紅素氧合酶 (heme oxygenase，HO)

血紅素氧合酶存在于人類和哺乳動物體內(nèi)，已發(fā)現(xiàn)3種HO的同工酶 ，分別為HO－1、HO－2和 HO－3。它們是不同基因編碼的產(chǎn)物，廣泛存在于哺乳動物的多數(shù)體細(xì)胞中。HO是血紅素降解的起始酶和限速酶 ，它能催化血紅素在體內(nèi)氧化分解形成膽綠素、一氧化碳 (CO)和鐵(Fe2+)。膽綠素在體內(nèi)立即被膽綠素還原酶作用生成膽紅素，而鐵離子誘導(dǎo)鐵蛋白的合成。

1.2 HO－1

HO－1即熱休克蛋白32(heat shock protein，HSP32)，又稱誘導(dǎo)型HO－1，是一種拮抗氧化應(yīng)激的抗氧化酶，分子量為32 kD，廣泛分布于全身組織，尤其是單核細(xì)胞、巨噬細(xì)胞系統(tǒng)的微粒體中，以心、肺、腎、脾臟、肝臟、骨髓和網(wǎng)狀內(nèi)皮細(xì)胞中活性最高。人HO－1大約有288個(gè)氨基酸，HO－1基因定位于人染色體22q12，HO－1基因含有4個(gè)內(nèi)含子，5個(gè)外顯子［1］。HO－1能被各種引起細(xì)胞氧化應(yīng)激的損傷因素所誘導(dǎo)，包括血紅素、高氧、缺氧、熱休克、內(nèi)毒素、過氧化氫、細(xì)胞因子、紫外線、重金屬和一氧化氮(NO)等，這些誘導(dǎo)劑的共同特征是可以產(chǎn)生氧化應(yīng)激。

HO－1是近年倍受重視的細(xì)胞內(nèi)源性抗氧化酶，本質(zhì)上屬于應(yīng)激蛋白，能在各種氧化應(yīng)激狀態(tài)下出現(xiàn)適應(yīng)性表達(dá)，發(fā)揮抗自由基等多種細(xì)胞保護(hù)作用。HO－1的抗氧化性源于其對促氧化的游離血紅素的降解及生成具有強(qiáng)大抗氧化能力的產(chǎn)物膽紅素，后者能非特異性清除多種自由基［2］。

2 HO－1與缺血－再灌注損傷

缺血－再灌注損傷的發(fā)生機(jī)制主要方面是自由基的氧化損傷和鈣超載。在再灌注過程中，氧自由基增多，引起細(xì)胞膜、肌漿網(wǎng)上鈣離子通道的脂質(zhì)過氧化，可導(dǎo)致Na+－K+－ATP酶失活，Na+和Ca2+交換增強(qiáng)，Ca2+內(nèi)流，細(xì)胞內(nèi)鈣超載，由此可以認(rèn)為鈣超載也是自由基氧化損傷的結(jié)果。鈣超載引起細(xì)胞損傷，線粒體利用氧及合成ATP的能力進(jìn)一步受損，同時(shí)無氧代謝產(chǎn)生的酸性產(chǎn)物大量蓄積，導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)酶活性改變及維持跨膜離子梯度的能量缺乏。應(yīng)用電子傳遞鏈復(fù)合物抑制劑，則可損害線粒體的電子傳遞鏈酶的活化，引起大量的氧自由基在線粒體生成［3］，包括超氧陰離子、羥自由基、過氧化氫和過氧亞硝酸鹽、NO等，其中超氧陰離子是其他ROS產(chǎn)生的基礎(chǔ)。

HO－1 mRNA和蛋白質(zhì)在組織中的上調(diào)表達(dá)現(xiàn)在普遍被認(rèn)為是氧化應(yīng)激的標(biāo)志，對氧化應(yīng)激引起的細(xì)胞、組織損傷有保護(hù)作用。HO－1在視網(wǎng)膜中的上調(diào)表達(dá)可以對抗氧化應(yīng)激對視網(wǎng)膜的損傷［4］。Lin等［5］的研究還在細(xì)胞核內(nèi)發(fā)現(xiàn)了HO－1，并且認(rèn)為這是HO－1在氧化應(yīng)激時(shí)，在基因水平發(fā)揮信號轉(zhuǎn)導(dǎo)作用而起到細(xì)胞保護(hù)作用。

3 HO－1的代謝產(chǎn)物與缺血再灌注損傷

3.1 一氧化碳

CO是繼NO之后發(fā)現(xiàn)的另一種具有重要生理作用的氣體分子，具有調(diào)節(jié)血管張力、抑制血管平滑肌細(xì)胞增殖、抑制血小板聚集、抗細(xì)胞凋亡等效應(yīng)。HO－1降解血紅素產(chǎn)生的CO，既往認(rèn)為是有毒物質(zhì)，現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)同NO一樣，在細(xì)胞內(nèi)能激活可溶性鳥苷酸環(huán)化酶，增加環(huán)鳥苷酸的合成，發(fā)揮信使分子作用［6］。劉少華等［7］的研究發(fā)現(xiàn)在脂多糖致肺損傷模型中大鼠吸入低劑量CO可以抗氧化應(yīng)激、抗細(xì)胞凋亡、抗炎，上調(diào)HO－1，IL－10的表達(dá)，增加超氧化物歧化酶的活力。CO可以通過p38絲裂原活化蛋白激酶(mitogen－activated protein kinase，MAPK)和 caspase－3途徑抗細(xì)胞凋亡和減少缺血－再灌注損傷［8］。

3.2 膽紅素和膽綠素

膽紅素由于與新生兒黃疸有關(guān)，過去被視為有毒的代謝廢物。近年的研究發(fā)現(xiàn)它也是一種有效的抗氧化劑，正常生理水平膽紅素可有效保護(hù)細(xì)胞膜抵抗脂質(zhì)過氧化，其抗氧化能力甚至超過了維生素E和維生素C，如HO－1源性的膽紅素可保護(hù)培養(yǎng)的內(nèi)皮細(xì)胞免受過氧化硝基鹽引起的細(xì)胞凋亡［9］。Foresti等［10］在細(xì)胞培養(yǎng)液中加入膽紅素可明顯增強(qiáng)細(xì)胞抗氧化損傷能力。

3.3 鐵離子

過量的亞鐵離子 (Fe2+)有細(xì)胞毒性，可通過Fenton反應(yīng)參與活性氧如超氧陰離子和過氧化氫的生成，而鐵蛋白的生成則有助于預(yù)防鐵介導(dǎo)的細(xì)胞毒性，一種觀點(diǎn)認(rèn)為鐵明顯參與了HO的細(xì)胞保護(hù)作用，HO降解血紅素產(chǎn)生的鐵可誘導(dǎo)鐵蛋白生成，鐵蛋白作為一個(gè)“儲存庫”可限制鐵參與過氧化氫及超氧陰離子生成而可減少過氧自由基毒性反應(yīng)，鐵蛋白中活性鐵的隔離可以使細(xì)胞從對氧化損傷的超敏狀態(tài)轉(zhuǎn)化為超抵抗?fàn)顟B(tài)。有的實(shí)驗(yàn)證實(shí)在HO－1被誘導(dǎo)而活性增高的同時(shí)，鐵蛋白的水平也同時(shí)升高;血紅素分解釋放的鐵也可能會減弱HO的細(xì)胞保護(hù)作用。

4 HO－1在缺血－再灌注損傷中可能的保護(hù)作用機(jī)制

目前對于HO－1抗氧化應(yīng)激的確切機(jī)制還不清楚，現(xiàn)有的觀點(diǎn)如下:

4.1 抗氧化作用

HO－1及其催化血紅素分解的產(chǎn)物具有抗氧化作用。氧化應(yīng)激時(shí)氧自由基產(chǎn)生增多，而涉及HO－1的氧化步驟要消耗3分子O2。因此，HO－1消耗氧分子將在氧化應(yīng)激中通過減少氧自由基的產(chǎn)生來間接地提供細(xì)胞保護(hù)作用。另外，膽綠素和其還原產(chǎn)物膽紅素能清除活性氧，它們被認(rèn)為是內(nèi)源性抗氧化劑，可以保護(hù)細(xì)胞抵抗氧化損傷。有報(bào)道顯示，膽紅素在各種疾病，包括阿爾茨海默病、缺血－再灌注損傷、冠狀動脈疾病中都有抗氧化的作用。鐵是HO－1催化血紅素分解的又一產(chǎn)物 ，它能誘導(dǎo)鐵蛋白的合成，后者可減少活性氧的產(chǎn)生。劉少華等［7］實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)CO可以減少ROS和游離鐵的形成。

4.2 抗凋亡

缺血－再灌注時(shí)引起細(xì)胞線粒體受損，細(xì)胞氧化磷酸化產(chǎn)能減少，肝細(xì)胞生物膜損傷;鈣超載觸發(fā)細(xì)胞凋亡;線粒體功能受損還使得氧自由基增多，導(dǎo)致DNA、蛋白質(zhì)、脂膜的氧化損傷，從而導(dǎo)致細(xì)胞凋亡。

近年來發(fā)現(xiàn)，氧化應(yīng)激與細(xì)胞凋亡有密切的聯(lián)系，細(xì)胞凋亡可能在氧化應(yīng)激損傷中起重要作用。ROS可啟動一個(gè)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，易與細(xì)胞膜上的各種不飽和脂肪酸及膽固醇反應(yīng)，這種直接作用于細(xì)胞的氧化損傷能導(dǎo)致細(xì)胞凋亡。大量的證據(jù)顯示，HO－1過表達(dá)及其代謝產(chǎn)物對氧化應(yīng)激的保護(hù)作用伴有凋亡的降低。趙卉等［11］的實(shí)驗(yàn)研究認(rèn)為膽紅素可以抑制大鼠肺缺血－再灌注損傷引起的細(xì)胞凋亡 ，減輕肺損傷。HO－1的抗細(xì)胞凋亡可能機(jī)制:①介導(dǎo) p21的表達(dá):p21蛋白是一種細(xì)胞周期蛋白依賴性激酶抑制物 ，為DNA損傷和細(xì)胞分化的通用生長抑制物。Inguaggiato等研究發(fā)現(xiàn)在HO－1基因表達(dá)上調(diào)的細(xì)胞中p21 mRNA和蛋白量明顯增加。p21可抵御不同的促凋亡刺激 ，它能與細(xì)胞周期蛋白依賴激酶結(jié)合并抑制其活性，使細(xì)胞周期停滯在G1期。②上調(diào)抗凋亡蛋白的表達(dá):抗凋亡蛋白Bcl－2是Bcl－2蛋白家族中的一員，通過調(diào)節(jié)與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)相關(guān)的鈣離子流動而抑制細(xì)胞凋亡。在 HO－1表達(dá)上調(diào)的細(xì)胞中Bcl－2明顯增加，而 HO－1抑制劑鋅原卟啉 (Zn－PP)可抑制 Bcl－2的表達(dá)。Lin等［12］發(fā)現(xiàn)HO－1能上調(diào)Bcl－2蛋白，并且認(rèn)為是CO上調(diào)了Bcl－2蛋白的表達(dá)，下調(diào)促凋亡基因如Fax和Bax的表達(dá)。③NF－κB與MAPK信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑的參與:鐵離子可以通過p38MAPK途徑來抗細(xì)胞凋亡。Soares等［13］研究了HO－1氧化產(chǎn)物 CO抑制內(nèi)皮細(xì)胞凋亡的分子機(jī)制 ，結(jié)果表明CO的抗凋亡效應(yīng)是通過p38 MAPK信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑，NF－κB以及 NF－κB依賴的抗凋亡基因亞群的表達(dá)而介導(dǎo)的。Choi等［14］的研究表明T細(xì)胞過表達(dá)HO－1可抵抗Fas介導(dǎo)的凋亡是通過NF－κB的激活而介導(dǎo)的。但HO－1對細(xì)胞凋亡的調(diào)節(jié)是否具有細(xì)胞特異性，其防御凋亡的具體機(jī)制是什么，目前尚未明確。

4.3 抗炎

發(fā)生缺血－再灌注損傷及排斥反應(yīng)時(shí)，促炎分子引起的級聯(lián)反應(yīng)可嚴(yán)重?fù)p害組織器官，產(chǎn)生的過多血紅素將增加血管通透性，趨化中性粒細(xì)胞聚集，上調(diào)細(xì)胞間粘附分子－1(ICAM－1)、P選擇素等內(nèi)皮粘附分子的表達(dá);HO－1則通過下調(diào)粘附分子及趨化分子表達(dá)抑制炎癥細(xì)胞粘附。HO－1和CO都能下調(diào)巨噬細(xì)胞源性促炎分子如腫瘤壞死因子α(TNF－α)等的表達(dá)，促進(jìn)產(chǎn)生抗炎分子白細(xì)胞介素10(IL－10)，這是通過活化 p38MAPK而不是cGMP途徑實(shí)現(xiàn)的。有研究表明，HO－1缺陷患者或HO－1基因缺陷小鼠常發(fā)生慢性非特異性炎癥改變 ，如脾腫大，肝、腎炎癥等，當(dāng)用抗CD3單克隆抗體或抗CD28單克隆抗體刺激小鼠脾細(xì)胞后，TH1型細(xì)胞因子遠(yuǎn)較HO－1陽性基因正常小鼠產(chǎn)生多，說明免疫細(xì)胞表達(dá)HO－1將產(chǎn)生抗炎作用［15］。Yamashita等［17］發(fā)現(xiàn) ，膽綠素可誘導(dǎo)同種異體小鼠移植心臟的特異性耐受，減少移植物CD4+及CD8+T淋巴細(xì)胞浸潤。

4.4 改善微循環(huán)，抗血栓形成

缺血－再灌注損傷引起的微血管血栓及排斥反應(yīng)破壞了移植部位的微循環(huán)。內(nèi)皮來源的CO作用于毗鄰的平滑肌細(xì)胞，激活鳥苷酸環(huán)化酶，升高細(xì)胞內(nèi)cGMP，從而舒張微血管平滑肌 ，增加血流量。CO還具有抑制血小板活化、聚集所致的血栓形成活性 ，其機(jī)制依賴于 cGMP及p38MAPK途徑。當(dāng)用 HO－1抑制劑錫原卟啉 (SnPP)組阻斷HO－1活性，小鼠到大鼠的心臟移植在3～7d后即出現(xiàn)排斥反應(yīng)，表現(xiàn)為微血管血小板積聚，冠狀動脈血栓形成、心肌梗死和內(nèi)皮、心肌細(xì)胞凋亡，而同時(shí)吸入CO組則上述改變輕微 ，說明 HO－1改善微循環(huán)主要由CO介導(dǎo)。對CO的保護(hù)作用及其機(jī)制的進(jìn)一步研究將有可能發(fā)現(xiàn)治療與缺血－再灌注有關(guān)的疾病新手段。

迄今為止，HO－1已被發(fā)現(xiàn)對多種疾病具有保護(hù)作用，HO－1這種保護(hù)作用機(jī)制無疑與它在體內(nèi)催化分解的各種代謝產(chǎn)物有關(guān)，其中CO與膽紅素可能具有協(xié)同作用，鐵的具體作用目前很難定論。對HO－1及其保護(hù)機(jī)制的透徹了解將有助于設(shè)計(jì)治療缺血－再灌注損傷新的治療方案，以開發(fā)出有效的臨床治療用藥，這無疑對目前許多與缺血－再灌注損傷相關(guān)疾病的預(yù)防和治療具有重大的意義。

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