楊欽欽,陳民利
(浙江中醫(yī)藥大學動物實驗研究中心/比較醫(yī)學研究中心,杭州 310053)
磷脂酶A2(phospholipase A2,PLA2)是一種能催化膜磷脂甘油分子水解的酶,生成游離脂肪酸和溶血磷脂,如花生四烯酸(arachidonic acid, AA)和溶血磷脂[1-2]。水解物通過不同代謝途徑在體內發(fā)揮生理作用,如膜磷脂降解、能量代謝、信號傳導、血液凝固、質膜重建等[3-7],具有廣泛的生物活性。至今已發(fā)現(xiàn)磷脂酶A2超家族有27個成員,主要分為四大類:1、分泌型磷脂酶A2(secreted phospholipaseA2, sPLA2);2、胞漿型磷脂酶A2(cytosolic phospholipase A2,cPLA2);3、鈣離子非依賴型磷脂酶A2(calcium-independent phospholipaseA2,iPLA2);4、脂蛋白相關磷脂酶A2(lipoprotein-associated phospholipase A2,Lp-PLA2)。目前研究發(fā)現(xiàn)sPLA2與炎癥、動脈粥樣硬化(atherosclerosis,AS)、腫瘤等疾病緊密相關;cPLA2涉及炎癥、中樞神經系統(tǒng)疾病等病理過程;iPLA2在脂類代謝、腫瘤等生理病理過程中必不可少;Lp-PLA2在AS形成中發(fā)揮重要作用。對這些疾病研究中,PLA2在心血管疾病中的作用逐漸成為了研究熱點。
心血管疾病是全球發(fā)病率和死亡率較高的疾病之一,而動脈粥樣硬化是其重要的病理基礎,動脈炎癥在AS和惡性心血管事件中起著核心作用。近年來,研究發(fā)現(xiàn)PLA2與心血管病變(如動脈粥樣硬化、心肌缺血等)有著密切的聯(lián)系,sPLA2涉及AS從早期病變(脂紋)到復合病變各階段的生理病理過程;cPLA2和iPLA2很可能通過形成脂質媒介促進AS形成;而Lp-PLA2已成為動脈粥樣硬化的一種新型炎癥標志物。因此,探究PLA2在AS相關炎癥性疾病中的作用至關重要,利用動物實驗研究能進一步揭示PLA2與AS的關系。
隨著生物技術的發(fā)展和應用,利用各種轉基因、基因敲除小鼠或其他動物模型為研究PLA2在AS中的作用提供了新的途徑。各PLA2基因操作小鼠展現(xiàn)的AS表型可能不單歸因于脂質代謝信號的改變,更多的可能是類花生酸信號變化,但也可能是各種靶向細胞膜的降解。本文結合近年來國內外對PLA2在心血管疾病中的動物實驗研究報道逐個進行闡述。
sPLA2是一種Ca2+依賴的分泌型胞外酶,分子量為14~18 kDa[8]。100多年前,從眼鏡蛇毒液中分離出sPLA2s的首個成員,命名為group IA(GIA),開啟了PLA2家族的篇章。至今,在哺乳動物中已發(fā)現(xiàn)11種sPLA2亞型,分別為GIB、IIA、IIC、IID、IIE、IIF、III、V、X、XIIA和XIIB。而人類基因組只能編碼9種蛋白,其中IIC型sPLA2是以假基因形式存在于人體內,鼠類中含有上述的全部PLA2。sPLA2s與疾病的關系在動物實驗中進行了頗多研究,sPLA2亞型的分布及在小鼠中的表現(xiàn)歸納見表1。
表1 sPLA2主要分布及在KO/Tg小鼠中的表現(xiàn)
sPLA2在AS病變動物中的實驗研究已成為此研究領域的熱門話題。越來越多的研究表明sPLA2-IIA, sPLA2-III, sPLA2-V和sPLA2-X很可能在血管壁上有多種致AS特性[9]。脂蛋白顆粒(如LDL和HDL)表面覆蓋的PC是sPLA2的底物。sPLA-X, V, III, II都能水解PC,其中X型的水解能力最強。sPLA2水解脂蛋白表面PC生成的游離脂肪酸和LPC有轉換血管活性和促炎性作用,從而加速AS的形成。sPLA2水解LDL形成更多小致密并帶負電荷的修飾LDL。這些LDL比較容易滲進血管壁,形成氧化性LDL(ox-LDL),誘導巨噬細胞泡沫化,最終導致AS的發(fā)生[10]。同時水解HDL能降低這些抗AS顆粒促進膽固醇從脂質豐富的泡沫細胞中外流的能力。動脈斑塊中修飾的LDL比循環(huán)LDL含有較少的PC和更多的LPC,這表明斑塊部位的LDL經過了sPLA2的脂解修飾。事實上,LDL被sPLA2水解后,會導致磷脂降解顆粒上apoB-100的結構改變,從而促進了聚合作用[11-12]。
大量研究表明在AS病變的各個階段都能發(fā)現(xiàn)sPLA2-IIA,主要存在于巨噬細胞富集的區(qū)域、動脈粥樣硬化的非細胞脂類核心及病變血管內膜的細胞外基質中。Li WH等[13]研究發(fā)現(xiàn)sPLA2-IIA在AS大鼠血管平滑肌細胞、心肌組織及脂肪組織中的表達均升高。Niessen等[14]認為sPLA2-IIA是AS和心肌細胞缺血性損害的介質,可作為心血管疾病中的一個重要炎癥因子。sPLA2-IIA能誘導許多脂質介質生成,如非酯化脂肪酸、氧化性非酯化脂肪酸、溶血磷脂等,促發(fā)下游多種炎癥信號傳導,從而導致AS斑塊形成。
許多AS動物研究也表明sPLA2與AS斑塊形成緊密相關。PLA2G2A-Tg小鼠持續(xù)飼喂高膽固醇飲食后,血管中出現(xiàn)AS斑塊的幾率大大增加[15]。在這類小鼠的動脈粥樣斑塊中發(fā)現(xiàn)有sPLA2-IIA,而且相比與正常組其血漿HDL降低,LDL和活性氧化磷脂含量升高。Ivandic等[16]研究揭示PLA2G2A-Tg小鼠即使在低脂飲食下也能呈現(xiàn)出AS病變,免疫組化印染顯示sPLA2出現(xiàn)在轉基因小鼠的AS病變斑塊中。轉基因小鼠巨噬細胞分泌的sPLA2-IIA能增強12/15-脂氧合酶(12/15-LOX)的表達,引起氧化壓力產生,被認為是AS形成的一個重要因子[17]。尤其是,當將PLA2G2A-Tg小鼠的骨髓細胞移植到到Ldlr-/-的小鼠后,盡管血清脂蛋白濃度變化不大,但是后者主動脈弓部和竇部的AS病變程度顯著增加[18]。由此推論,sPLA2-IIA可以獨立于脂蛋白代謝而促進AS的形成。
近來研究發(fā)現(xiàn)sPLA2-V比sPLA2-IIA具有更強的水解LDL和HDL表面PC的活性,經sPLA2-V修飾后的LDL能更有效誘導巨噬細胞轉化成泡沫細胞,提示sPLA2-V可能是促進AS形成中的一個更重要的酶[19]。事實上,sPLA2-V在動物AS斑塊中含量的確更高。含脂量高的飲食能上調大動脈中sPLA-V的表達,而且自發(fā)性AS的apoE-/-×Ldlr-/-小鼠的動脈斑塊中sPLA2-V也顯著表達[8]。因為sPLA2-V通過結合蛋白聚糖后能使其對LDL的作用活性大大增強,所以巨噬細胞能依賴于蛋白聚糖(粘結蛋白聚糖-4)途徑而不是清道夫受體SR-A和CD36攝取由sPLA2-V修飾的LDL,sPLA2-V形成的游離脂肪酸刺激巨噬細胞通過NF-κB途徑誘發(fā)促炎因子生成,最終導致AS發(fā)生[20]。
更重要的是,Ldlr-/-小鼠接受逆轉錄酶病毒介導的pla2g5基因移植之后,其升主動脈根部的斑塊面積明顯增加,局部區(qū)域伴隨有膠原沉積,然而移植pla2g5-/-骨髓細胞小鼠的主動脈弓部和胸主動脈中的斑塊顯著減少[21]。這些實驗結果充分說明了巨噬細胞相關的sPLA2-V參與動脈粥樣硬化的發(fā)展。另外,缺乏sPLA-V的ApoeE-/-小鼠斑塊中血小板膠原含量也顯著降低[22]。值得注意的是,這些骨髓移植方法只能評價巨噬細胞或其他造血細胞中sPLA2-V的作用,AS非造血細胞中sPLA2-V的作用有待進一步探究。
sPLA2-X和sPLA2-V在體外均能有效水解脂蛋白上的卵磷脂,而且sPLA-X水解活性比sPLA2-V更強[12]。sPLA2-X作用于LDL顆粒產生小而致密的LDL顆粒,促進巨噬細胞形成,以及增加內皮細胞粘附因子的表達,最終導致AS形成。sPLA2-X脂解修飾之后的HDL,其促進膽固醇從載脂巨噬細胞中外流的能力被削弱。最近,Zack M等[23]在動物實驗中的研究表明缺失sPLA2-X的ApoE-/-小鼠能顯著減少血管緊張素-II(Ang-II)誘發(fā)的腹主動脈瘤和AS的發(fā)生,同時一些脂類促炎因子的形成也降低。
當動脈粥樣硬化發(fā)生在冠狀動脈時則容易引起心肌梗塞,嚴重威脅人類的生命。在心肌缺血再灌注實驗中,Pla2g10-/-小鼠的心肌梗死面積和嗜中性粒細胞數(shù)量顯著下降,且當受輻照的野生型小鼠再用Pla2g10-/-骨髓細胞重造后,心肌梗死面積顯著變少,說明sPLA2-X也是一個很強促AS因子[24]。Pla2g10-/-小鼠的缺血區(qū)域顯示出較低的中性粒細胞含量,分離這些Pla2g10-/-中性粒細胞能減少AA釋放以及產物LTB4的分泌,也能改善呼吸道疾病。而且,另有研究發(fā)現(xiàn)sPLA2抑制劑能減少野生型小鼠的心肌缺血面積。這些動物實驗研究結果使人們進一步認識了sPLA2-X在中性粒細胞介導心肌損傷中的作用,未來應用合適的小鼠模型將會認識sPLA2-X在斑塊中更多的作用。
sPLA2-III也能有效水解LDL和HDL中的磷脂質。體內研究表明sPLA2-III修飾的LDL也類似于sPLA2-V或sPLA2-X作用的LDL,能促進巨噬細胞轉化成泡沫細胞。ApoE-/-小鼠中能檢測到sPLA2-III在斑塊中聚集[25]。在PLA2G3-Tg小鼠研究中顯示,當其攝食導致AS飲食后大動脈中會形成比ApoE敲除小鼠更嚴重的動脈斑塊,而且炎癥因子(如LPC和TXA2)的含量也隨著升高。由此說明,sPLA2-III與動脈粥樣硬化有潛在的聯(lián)系,但是進一步的病理生理關系將有待于在pla2g3-/-小鼠中進行更多的后續(xù)研究。
另外,在動物AS斑塊中也能檢測出其他的sPLA2,包括sPLA2-IID, IIE和IIF。sPLA2-IIF亦能水解脂蛋白表面的PC,其功效作用值得進一步探究。綜上所述,X, V, III和II-PLA2是血漿中主要的促動脈粥樣硬化因子,通過水解LDL和HDL表面的PC,產生LPC和小而致密的LDL,促進巨噬細胞、平滑肌細胞泡沫化以及膠原的聚積,最終導致動脈粥樣硬化斑塊的發(fā)生和發(fā)展。
sPLA2還與糖尿病、高脂血癥、肥胖等疾病相關。脂肪飼喂的Pla2g1b-/-小鼠與普通食物飼喂的Pla2g1b+/+小鼠相比,雖然前者脂肪吸收多但兩者體重相當[26]。同時喂以低脂飲食時,Pla2g1b-/-小鼠則展示出了更佳的葡萄糖耐量和胰島素敏感度,表明PLA2G1B能調節(jié)肥胖癥、葡萄糖代謝和胰島素敏感性。在研究PLA2G2A基因自然突變的C57BL/6小鼠時發(fā)現(xiàn)炎癥也提高了脂肪組織中PLA2G2A的表達,這表明PLA2G2A不僅能促進AS發(fā)生,而且也是其他炎癥代謝性疾病(如糖尿病)的促炎因子[27]。
在PLA2家族中列為IV型,屬于此家族中的胞外酶,在哺乳類動物中已經鑒別出6大種,即cPLA2α、β、γ、δ、ε、ξ(即GIVA、IVB、IVC、IVD和IVF),而人類中僅有A-D四種亞型。GIVA cPLAα是最為廣泛研究的一個酶,在人類和鼠科動物的大腦、肝、腎、胰等組織中普遍表達,具有PLA2和溶血磷脂酶活性,也是唯一一個對含AA的磷脂底物有特異性的酶。cPLAα受刺激時釋放類花生酸的前體物質AA,因此在炎癥性疾病中有重要作用。近年來的研究表明,心血管疾病是一種炎癥性疾病,而cPLAα能產生各種脂質介質誘發(fā)血管炎癥和動脈粥樣硬化,與心血管疾病的發(fā)生發(fā)展關系密切。
動脈粥樣硬化病變始于內皮損傷,還有血脂沉積和血小板粘附釋放的多種炎癥因子(如TXA2)共同作用下,可激活內皮細胞和血管平滑肌細胞,合成膠原等細胞外基質,在這些復雜因子的協(xié)同作用下形成AS,而cPLA2在此過程中起到了關鍵性作用[28]。目前,cPLA2的研究主要集中在cPLA2α,在動脈炎癥反應中的機制研究包括:①、cPLA2α誘導炎癥因子及趨化因子(IL-1β, IL-6, TNF-α)生成;②、cPLA2α通過“cPLA2α-AA-NADPH氧化酶-超氧陰離子”途徑產生大量氧自由基;③、cPLA2α通過5-LOX促進病理狀態(tài)下誘導型一氧化氮合酶(NOS)生成,造成血管損傷。因此,cPLA2α參與了廣泛的生理病理反應。
血小板活化依賴于COX-1途徑參與促血栓因子TXA2的形成。Wong DA[29]實驗室研究發(fā)現(xiàn)pla2g4a-/-小鼠中cPLA2α在膠原刺激血小板產生TXA2過程中是必不可少的,而ADP誘導TXA2形成不依賴cPLA2α。此外,pla2g4a-/-小鼠體外血小板聚集只有極少量地下降,這可能是由于冗余PLA2產生的小部分TXA2能有效保護聚集。但是,依賴于TXA2的血管收縮缺失解釋了pla2g4a-/-小鼠流血時間延長以及免于血管栓塞疾病的原因。
cPLA2α也存在于各種細胞類型的脂肪液滴中。這些脂肪液滴由合成酶(神經酰胺激酶)通過C1P途徑合成,并依賴于JNK途徑在cPLA2α的Ser505位點通過磷酸化作用進行誘導。而且,pla2g4a-/-小鼠的體內研究發(fā)現(xiàn)它們不會隨著年齡增長或飲食(正?;蚋咧嬍?而在脂肪細胞或肝臟中積累脂肪液滴,脂肪形成或促炎介質也相應減少[30]。同理,pla2g4a-/-小鼠在高脂飲食下也能抵抗形成AS。
iPLA2在PLA2家族中列為VI型,亦屬胞內酶,催化活性不依賴于Ca2+。iPLA2家族具有相同的蛋白域,這個蛋白域最初是從馬鈴薯糖蛋白(patatin)中發(fā)現(xiàn)的。因此,iPLA2也叫PNPLA2,包括GVIA(iPLA2β;PNPLA9), GVIB (iPLA2γ; PNPLA8), GVIC (iPLA2δ;PNPLA6),GVID (iPLA2ε; PNPLA3), GVIE (iPLA2ζ; PNPLA2)和GVIF (iPLA2η; PNPLA4)等6種亞型,大部分可以水解脂肪?;蜃儺愋∈竽P褪谷藗儗PLA2家族在脂質代謝和能量穩(wěn)態(tài)方面有了進一步的認識,各iPLA2在動物疾病中也發(fā)揮著不可或缺的作用。
當前iPLA2的研究主要集中于iPLA2β。iPLA2β是一種Ca2+非依賴型酶催化劑,它一直被認為在磷脂重建、細胞增殖、遷移等過程中起著重要作用?,F(xiàn)在越來越多的實驗研究發(fā)現(xiàn)iPLA2β在各種心血管疾病起著重要作用,如血管重構、高血壓、心肌缺血、冠心病等[31]。
在轉基因模型小鼠中,Shu Liu等[32]觀察到Pla2g6-/-小鼠表現(xiàn)出動脈平滑肌細胞Ca2+平衡失調癥狀,血管損傷的Pla2g6-/-小鼠由于COX-2途徑依賴的PGE2生成減少,平滑肌細胞遷移和增殖也相應降低,所以抑制iPLA2β能減輕血管壁炎癥進而預防心血管疾病。Lindsay E等[33]進一步在iPLA2β-Tg小鼠研究中表明iPLA2β在血管平滑肌中超表達,通過12/15-LOX和c-Jun途徑惡化Ang-II誘導的平滑肌細胞肥大、血管重構和高血壓等生理病理過程。PKC能介導iPLA2β上調,進而活化RhoA/Rho-kinase/CPI-17,導致糖尿病動物的血管平滑肌細胞過度收縮,所以iPLA2β是血管細胞中血管收縮和放松、Ca2+平衡以及脂質媒介合成的重要介質。
另有研究[34]表明iPLA2β-Tg小鼠在心臟灌注致冠狀動脈閉塞時會引起大量脂肪酸和LPC釋放到靜脈及缺血部位,從而在短時間內局部缺血造成惡性心律失常。但是,當對iPLA2β-Tg小鼠用BEL進行心肌缺血預處理后,脂肪酸和LPC的積累消失,還能保護小鼠免于遭受快速心律失常。這些結果說明心肌iPLA2β在心臟缺血時活化,通過介導膜磷脂水解在急性心肌缺血期間誘導致命的惡性心律不齊。
血小板活化因子乙酰水解酶(platelet activating factor acetylhydrolase,PAF-AH)家族已經有四種酶被鑒別出來,最被熟知的是分泌型脂蛋白相關磷脂酶A2(Lp-PLA2)。其余三種均為胞內蛋白質,分別為II型PAF-AH(GVII PLA2)和I型PAF-AH(GVIII PLA2),I型PAF-AH包括α1和α2兩個亞種[31]。Lp-PLA2是一種與AS發(fā)生機制密切相關的酶[35],目前已被確立為預測AS發(fā)生的獨立風險因子。
Lp-PLA2和sPLA2都能水解脂蛋白產生脂質介質和修飾脂質顆粒而在心血管疾病中發(fā)揮獨特的作用,但是它們各自的作用和潛在機制是明顯不同的。Lp-PLA2能水解PAF和氧化磷脂sn-2位置的酰基。在人類中,這個酶的主要部分結合于血漿LDL和HDL apoB100的C端,但是小鼠由于缺乏與之結合的關鍵性殘基,所以此酶與小鼠LDL無關。最初發(fā)現(xiàn)用PAF-AH預處理的小鼠能阻斷PAF誘導的哮喘,也能使動物避免患敗血癥,因此它能水解有害的PAF從而對機體有保護作用。但是越來越多的研究發(fā)現(xiàn),Lp-PLA2更是一種促炎因子。Lp-PLA2在LDL氧化過程中由于清除氧化磷脂(oxLDL)產生溶血卵磷脂(LPC)和氧化游離脂肪酸(oxFFA)兩種關鍵的促炎介質[36],引起單核細胞聚集,內皮功能改變,誘導內皮細胞粘附分子表達,增加血小板源性生長因子和表皮生長因子的表達,泡沫細胞形成,從而促進AS形成。這兩種促炎介質,尤其是LPC作為G蛋白偶聯(lián)受體G2A的調控者,能調節(jié)巨噬細胞和T細胞的遷移、活化嗜中性粒細胞和巨噬細胞、吞噬清除凋亡細胞等,促進動脈斑塊進一步發(fā)展,最后導致脂質壞死核心形成。Lp-PLA2在壞死核心快凋亡巨噬細胞和易損斑塊纖維帽中高度表達,但不包括穩(wěn)定斑塊,因此Lp-PLA2水解物對斑塊穩(wěn)定性起著關鍵性作用。
在AS動物模型的大量研究中發(fā)現(xiàn)豬是一種脂蛋白結構最接近于人類的理想實驗動物[37]。糖尿病和高膽固醇血癥(DM-HC)豬模型中發(fā)現(xiàn)血清和斑塊中Lp-PLA2活性顯著增加,斑塊形成明顯,Lp-PLA2的基因表達量也相應升高,伴隨MCP-1、MMP-9、組織蛋白酶S等炎癥基因的高度表達[38]。劉軍妮等[39]發(fā)現(xiàn)血管有易損斑塊的兔子血清中Lp-PLA2顯著升高,表明Lp-PLA2與斑塊的不穩(wěn)定性相關性好。大鼠給予LPS刺激時,Lp-PLA2在肝臟、肺、胸腺、脾、腎、腹膜巨嗜細胞、Kupffer細胞以及循環(huán)白細胞中亦顯著增加[31]。但是,因為小鼠中Lp-PLA2與LDL無關,所以只能應用轉基因小鼠進行研究。ApoE-/-小鼠經高脂誘導后,Lp-PLA2血漿含量顯著升高[40]。同樣,高脂誘導LDLR-/-小鼠形成AS,小鼠中血清Lp-PLA2活性及IL-6、hs-CRP和PAF等炎癥因子含量顯著升高[41]。現(xiàn)代研究發(fā)現(xiàn),Darapladib是Lp-PLA2的一種選擇性有效抑制劑,已進行到III期臨床試驗,它能有效抑制Lp-PLA2的活性和含量,因此對動脈粥樣硬化的預防和治療有積極作用[42]。Hui Zhang等[40]研究發(fā)現(xiàn)慢病毒介導的RNAi不僅能抑制Lp-PLA2活性,還能使動物的斑塊面積更小以及斑塊穩(wěn)定性更高,因此RNAi可能是一種更有效的Lp-PLA2抑制劑。
對PLA2的研究已有多年歷史,但其在體內的功能作用還不是很清楚。通過對各相應PLA2基因敲除或轉基因小鼠進行研究,為人們了解哺乳動物PLA2的生理功能提供了新的視角,目前關于PLA2在心血管疾病中的研究已成為熱點問題。在血循環(huán)和動脈壁中的PLA2與AS的形成均有關,是心血管事件的危險因子。sPLA2和Lp-PLA2可作為預測AS發(fā)生的風險因子,cPLA2和iPLA2在AS形成過程中也起著非常重要的作用,因此PLA2在研究心血管疾病中有著廣泛的應用前景。但PLA2調節(jié)血管炎癥及斑塊發(fā)展的確切體內機制均有待進一步探究。未來,將會在基因敲除或轉基因動物中進行更深入的研究以明確PLA2在心血管疾病中的作用,這也有助于開發(fā)以PLA2為靶標的藥物從而有效治療動脈粥樣硬化疾病。
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