傅曉鳳，洪璐威，王鈺婷，郭夢婷，劉文鳳

(南昌大學醫(yī)學院，南昌 330031)

抑郁癥的5-羥色胺酸假說中首次將色氨酸代謝與神經(jīng)疾病聯(lián)系起來。隨后在抗抑郁藥作用機制的研究中，Lapin證實了色氨酸的代謝及其代謝產(chǎn)物犬尿氨酸可對大腦的功能產(chǎn)生一定的影響[1]。色氨酸的幾種代謝途徑是通過酶的調(diào)節(jié)，而色氨酸2，3-雙加氧酶(Tryptophan-2,3-dioxygenase，TDO)是體內(nèi)色氨酸分解為犬尿氨酸的一個限速酶，TDO及其它代謝酶的異?？蓪е律彼峒捌涓鞣N代謝產(chǎn)物含量異常，從而造成神經(jīng)元功能障礙，進而與中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)。新的研究表明TDO參與大腦某些疾病的病理，以下就TDO與阿爾茨海默病、精神分裂癥和膠質(zhì)瘤等神經(jīng)疾病的關(guān)系做一總結(jié)。

1 色氨酸2，3-雙加氧酶的結(jié)構(gòu)

Kotake等人首次在大鼠的肝臟發(fā)現(xiàn)TDO[2]。隨后研究人員發(fā)現(xiàn)TDO廣泛分布于許多物種，范圍從哺乳動物至無脊椎動物，并且細菌與人類TDO有明顯的序列同源性，表明編碼TDO的基因是一古老且保守的序列。

人類TDO具有特異L-色氨酸酶活性，由位于4號染色體上的tdo2基因編碼，含406個氨基酸，主要表達于肝、腦等組織。TDO的整體結(jié)構(gòu)為一個同源四聚體，四個單體兩兩垂直，相鄰單體以N-末端殘基相互結(jié)合。單體的晶體結(jié)構(gòu)僅有15個螺旋，包含N末端區(qū)域、大結(jié)構(gòu)域及小結(jié)構(gòu)域，其中活性部位在大結(jié)構(gòu)域。人類TDO具有高度底物特異性，其底物是左旋色氨酸(L-Trp)及其相關(guān)衍生物。而吲哚胺2，3—雙加氧酶(Indoleamine 2，3-dioxygenase，IDO)是一種單體蛋白，其底物范圍廣泛，包括L-色氨酸、D-色氨酸、5-羥色胺、5-羥色氨酸和色胺等。TDO與IDO結(jié)構(gòu)的不同解釋了這兩種酶催化功能的不同。對TDO晶體結(jié)構(gòu)的深入研究將有助于設計新的TDO抑制劑。

2 色氨酸2，3-雙加氧酶與色氨酸代謝

色氨酸可經(jīng)幾種路徑代謝(圖1)。色氨酸(TRP)可經(jīng)色氨酸羥化酶(TPH)催化成為一種重要的神經(jīng)遞質(zhì)—5-羥色胺。而另一條作為色氨酸分解代謝的主要途徑，犬尿氨酸代謝途徑可形成具有神經(jīng)活性的產(chǎn)物犬尿氨酸(KYN)。犬尿氨酸也有兩種代謝結(jié)果，一是在犬尿氨酸氨基轉(zhuǎn)移酶(KAT)作用下通過轉(zhuǎn)氨基作用催化犬尿氨酸為犬尿喹啉酸(KYNA)，KYNA是一種N-甲基-D-天冬氨酸受體(NMDAR)和α7煙堿型乙酰膽堿受體(α7nAChR)拮抗劑。二是犬尿氨酸通過犬尿氨酸-3-單加氧酶(KMO)發(fā)生羥化反應形成3-羥基犬尿氨酸(3-HK)，該產(chǎn)物能產(chǎn)生神經(jīng)毒性自由基。在犬尿氨酸酶(KYNU)作用下，3-HK經(jīng)歷C-C鍵的水解斷裂成為3-羥基-2-氨基苯甲酸(3-HAA)。3-HAA再通過3-HAA氧化酶(3-HAO)氧化成神經(jīng)毒性代謝物喹啉酸。

圖1 色氨酸代謝途徑

3 色氨酸2，3-雙加氧酶的生物學功能

人類TDO主要表達于肝臟，但在其他器官、組織也有表達，如腦、附睪、睪丸、胎盤和妊娠子宮。TDO可將色氨酸轉(zhuǎn)化成犬尿氨酸，引起微環(huán)境中的色氨酸減少，從而抑制細胞增殖。同時，色氨酸通過犬尿氨酸代謝途徑所得產(chǎn)物犬尿氨酸是人芳香烴受體(AHR)的內(nèi)源性促癌配體，能夠激活AHR造成免疫抑制。因此TDO在腫瘤進展中也起著重要的作用，這在腫瘤治療中意義重大。有趣的是，TDO經(jīng)糖皮質(zhì)激素、色氨酸、胰高血糖素、雌激素等誘導，這與IDO的調(diào)節(jié)機制大不相同。

TDO通過結(jié)合氧原子到色氨酸吲哚環(huán)催化L-色氨酸形成N-甲酰犬尿氨酸(NFK)，催化步驟具體分為三步：(1)與底物結(jié)合，(2)中間物過氧化氫的形成，(3)過氧化氫中間物的重排。其中底物結(jié)合過程包括TDO血紅素位點與L-色氨酸銨基、羧基結(jié)合以及與吲哚環(huán)之間的相互作用兩個過程。同時，銨基結(jié)合到血紅素的7-丙酸酯位點，色氨酸的吲哚環(huán)結(jié)合成疏水性的口袋，并與其他疏水殘基相互作用。色氨酸和氧氣與TDO鐵蛋白結(jié)合后，鐵蛋白和色氨酸形成三元復合物。然后三元絡合物激活氧原子，催化過氧化氫中間物形成，在這過程中三元結(jié)構(gòu)失去質(zhì)子生成吲哚。最后，過氧化氫中間物由鄰二醇裂解反應或二氧雜環(huán)丁烷中間物形成N-甲酰犬尿氨酸(NFK)。

4 色氨酸2，3-雙加氧酶在中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病中的作用

4.1 色氨酸2，3-雙加氧酶在阿爾茲海默病中的作用

AD是一種神經(jīng)退行性疾病，占癡呆癥的60%～70%。早期癥狀常為遺忘，并隨時間逐漸進展。由于大腦病變惡化，癥狀可發(fā)展為語言問題、定向障礙、情緒波動、積極性降低等。AD患者腦組織的解剖特點是存在淀粉樣蛋白斑塊、膠質(zhì)細胞增生和神經(jīng)原纖維結(jié)節(jié)形成。新的相關(guān)研究聚集在神經(jīng)炎癥領(lǐng)域，Alsadany等[3]發(fā)現(xiàn)神經(jīng)炎性斑塊周圍存在活化的小膠質(zhì)細胞和星形膠質(zhì)細胞，并且在AD患者腦組織中TNF-α、IL-2、IL-1、IL-6和IL-8水平增加。然而神經(jīng)退行性病變中炎癥反應機制尚未闡明。

而近年來，越來越多的證據(jù)表明AD患者腦組織中犬尿氨酸途徑異常激活、喹啉酸含量升高。Bonda等[4]發(fā)現(xiàn)IDO1在AD患者的大腦中表達上調(diào)，并且由Aβ1-42刺激分泌的細胞因子也可誘導的小膠質(zhì)細胞和單核細胞表達IDO1。這方面證據(jù)表明IDO1可能參與喹啉酸水平升高過程。然而Breda等[5]研究表明AD果蠅模型腦組織中TDO水平增加，而TDO在果蠅中是唯一催化犬尿氨酸途徑起始步驟的酶。Wu等[6]研究也表明AD患者海馬組織中TDO的水平提高，TDO水平顯著高于IDO1水平，并且TDO和喹啉酸存在于AD患者海馬的同一位置。喹啉酸是TDO和IDO催化犬尿氨酸途徑的代謝產(chǎn)物，Guillemin等[7]在AD患者的海馬神經(jīng)元、大腦皮層小膠質(zhì)細胞和星形膠質(zhì)細胞中檢測到喹啉酸的免疫反應，并被證明其具有激活神經(jīng)元表達的能力。隨后對喹啉酸的毒性進行了評估，發(fā)現(xiàn)喹啉酸可參與多種神經(jīng)炎癥疾病的病理[8]。喹啉酸還導致tau蛋白過度磷酸化，這可能是神經(jīng)原纖維結(jié)節(jié)形成的決定性因素。此外，Lanz等[9]通過腦組織免疫組化顯示在TDO-/-小鼠中淀粉樣前體蛋白陽性軸突的數(shù)量減少，進一步說明TDO參與了AD的病理，并且較IDO1起著更重要的作用。AD患者腦內(nèi)微環(huán)境存在炎癥，而TDO正是由抗炎因子誘導的。另外AD大腦中催乳素和皮質(zhì)醇增加，這可能解釋了TDO在AD患者腦組織中的表達。

4.2 色氨酸2，3-雙加氧酶在精神分裂癥中的作用

精神分裂癥是一種以社會行為異常和認知障礙為特征的精神障礙疾病，常見癥狀包括社會交往減少、思維情感混亂、幻聽、缺乏積極性等，全球發(fā)病率約為1%。該病病因不明，TDO可能通過參與NMDAR和α7nAChR功能低下、產(chǎn)前感染免疫反應等與該病相關(guān)。NMDAR和α7nAChR參與認知過程和興奮性神經(jīng)網(wǎng)絡的形成，涉及到學習、記憶和突觸可塑性等生理過程，NMDAR和α7nAChR功能低下在精神分裂癥中的作用是舉足輕重的。NMDAR功能低下假說的潛在機制可能是NMDAR拮抗劑影響某些腦區(qū)如紋狀體、尾狀核及前額葉皮層的多巴胺能神經(jīng)元活動的傳遞。

Linderholm等[10]研究已表明在精神分裂癥患者的前額葉皮層和腦脊液中犬尿喹啉酸水平升高。犬尿喹啉酸是機體內(nèi)一種NMDAR和α7nAChR內(nèi)源拮抗劑，可能參與精神分裂癥的發(fā)病機理。精神分裂癥患者犬尿喹啉酸濃度升高的機制尚未完全清楚，TDO和犬尿氨酸含量升高可能引起犬尿喹啉酸含量增加。楊修登等[11]分析55例精神分裂癥患者血清標本發(fā)現(xiàn)患者犬尿氨酸含量顯著高于對照組。并且Miller等[12-13]研究表明精神分裂癥患者后扣帶皮層腦皮質(zhì)TDO水平上調(diào)，犬尿氨酸和色氨酸的比值上升，最重要的是TDO而不是IDO1選擇性地表達在精神分裂癥患者的額葉皮層。而Chiappelli[14]表明精神分裂癥患者呈中度應激水平，而應激激素誘導TDO產(chǎn)生，這解釋了精神分裂癥患者中TDO含量增加和色氨酸/犬尿氨酸比值下降的原因。此外，Réus等[15]表明在兔精神分裂癥模型中使用TDO抑制劑后癥狀有明顯改善。TDO導致的犬尿喹啉酸水平增加還將抑制尾狀核、紋狀體中的多巴胺、乙酰膽堿、γ-氨基丁酸、谷氨酸和去甲腎上腺素釋放，視覺空間記憶、情境學習和記憶、以及聽覺誘發(fā)電位等神經(jīng)生理嚴重依賴于這些神經(jīng)遞質(zhì)的傳遞。

另外，TDO還通過產(chǎn)前感染途徑參與精神分裂癥的發(fā)病。流行病學數(shù)據(jù)顯示，35%～46%的精神分裂癥患者與產(chǎn)前感染有關(guān)聯(lián)，支持了精神分裂癥感染與免疫學說[16]。產(chǎn)前母體感染后通過促炎細胞因子和應激相關(guān)皮質(zhì)醇，增加了杏仁核的樹突復雜性，同時提高了星形膠質(zhì)細胞內(nèi)TDO含量[17]。由TDO催化產(chǎn)生的犬尿喹啉酸水平增高，作用于腹側(cè)被蓋區(qū)抑制γ-氨基丁酸能神經(jīng)元，并增加多巴胺釋放，繼而影響神經(jīng)元活動和區(qū)域間細胞的溝通認知和運動障礙。綜上可得TDO參與精神分裂癥的發(fā)生，并可能較IDO1起更重要的作用，TDO可能作為未來精神分裂癥的治療靶點。

4.3 色氨酸2，3-雙加氧酶在神經(jīng)膠質(zhì)瘤中的作用

膠質(zhì)瘤是一種起源于神經(jīng)膠質(zhì)細胞的腫瘤，好發(fā)于大腦或脊柱，占惡性腦腫瘤的80%。膠質(zhì)母細胞瘤是膠質(zhì)瘤的一種，患者在最大治療情況下(放療聯(lián)合替莫唑胺)中位生存時間約為14.6個月。因此對該疾病更有效的新療法的探索十分迫切且意義重大。Bosnyák等[18]表明膠質(zhì)瘤患者的少突膠質(zhì)細胞和膠質(zhì)神經(jīng)元能夠攝取色氨酸，且腦脊液喹啉酸水平增加，表明犬尿氨酸信號通路可能參與了膠質(zhì)瘤的病理。隨后Uyttenhove[19]發(fā)現(xiàn)惡性膠質(zhì)瘤組織中IDO活性增高。而Opitz[20]表明在膠質(zhì)瘤中由底物色氨酸誘導TDO的表達水平也有所增加。然而Adams[21]研究發(fā)現(xiàn)膠質(zhì)瘤細胞中的IDO1、IDO2不參與色氨酸的代謝，而是由TDO負責犬尿氨酸的產(chǎn)生和釋放。同時，TDO催化速率遠高于IDO，即TDO能更快速地影響犬尿氨酸濃度。所以TDO在膠質(zhì)瘤的發(fā)展過程中可能發(fā)揮著比IDO更重要的作用。

腫瘤細胞中TDO催化色氨酸的分解代謝而抑制過度免疫應答，從而預防腫瘤排斥反應，然而這反過來又促進惡性腫瘤細胞的存活、生長、侵襲和轉(zhuǎn)移。Opitz[20]的研究還表明膠質(zhì)瘤細胞中由TDO催化產(chǎn)生的犬尿氨酸與同種異體T細胞增殖指數(shù)呈負相關(guān)，膠質(zhì)瘤中CD8+T細胞浸潤減少，白細胞共同抗原陽性細胞數(shù)也降低，而TDO被抑制之后可以恢復T細胞增殖。這是因為膠質(zhì)瘤細胞中TDO催化色氨酸的分解代謝導致色氨酸減少，激活蛋白激酶GCN2，通過Fas配體介導導致G1細胞周期阻滯，并使其對凋亡刺激敏感[22]。另外，TDO在膠質(zhì)瘤細胞中過度表達的代謝產(chǎn)物犬尿氨酸可激活AHR，AHR是多種重要性細胞周期調(diào)節(jié)和體內(nèi)穩(wěn)態(tài)信號轉(zhuǎn)導通路的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子。AHR激活刺激幼稚T細胞Foxp3的激活，導致Treg細胞的選擇性增殖以阻止Th17細胞的成熟，而Th17細胞的減少可促進腫瘤的生長[23-24]。此外，犬尿氨酸途徑的下游產(chǎn)物喹啉酸可通過增強煙酰胺腺嘌呤二核苷酸 (NAD)的生成從而促進腫瘤的化療耐藥，NAD是多聚腺苷二磷酸核糖聚合酶-1(PARP-1)的重要底物，促進活性氧誘導的DNA損傷修復，并使腫瘤細胞在化療后恢復DNA復制[25-26]。高水平的喹啉酸還能促進膠質(zhì)母細胞瘤細胞的增殖，并與膠質(zhì)母細胞瘤患者的腫瘤分級高低、預后不良相關(guān)。

TDO還存在于乳腺、膀胱、腎細胞、胰腺、結(jié)直腸、頭頸部的腫瘤中，并與腫瘤進展和預后不良相關(guān)。所以TDO與IDO都具有抑制抗腫瘤免疫活性，TDO可以作為膠質(zhì)瘤等抗腫瘤治療的新靶點。

5 結(jié)論和展望

綜上，根據(jù)文獻的研究結(jié)果，筆者推測TDO參與阿爾茲海默病、精神分裂癥和膠質(zhì)瘤等多種疾病。此外，越來越多的研究表明TDO可能參與其他大腦疾病的病理學，如亨廷頓病、多發(fā)性硬化癥、帕金森病和癲癇等。未來應該探索TDO是否參與其他神經(jīng)疾病，并深入研究其發(fā)病機制，為疾病治療提供基礎(chǔ)。

在動物模型中減少犬尿氨酸作為一種神經(jīng)疾病的治療策略已有研究。在亨廷頓病倉鼠模型中，抑制KMO可減少神經(jīng)元和突觸損失并降低其癥狀的嚴重程度[27]。同時在秀麗隱桿線蟲中抑制TDO基因可以抑制α-突觸核蛋白(α-Syn)的毒性以及Aβ1-42和多聚谷氨酰胺蛋白的形成，而已知α-Syn是參與帕金森綜合征病理的重要分子[28]。這也表明TDO抑制劑在腦部疾病的治療潛力十分巨大。未來的發(fā)展方向可以通過構(gòu)建TDO缺陷相關(guān)神經(jīng)疾病動物模型從而研究抑制TDO是否減輕或逆轉(zhuǎn)模型動物疾病的進展及具體機制，為TDO抑制療法提供臨床基礎(chǔ)。

目前TDO抑制劑有709W92、68OC91和LM10等。但由于709W92抑制5-羥色胺的再攝取、68OC91溶解度和生物利用度差等原因，應用受到限制。LM10雖然具有良好的抑制TDO酶活性的能力、高的溶解度和生物利用度，也顯示出有效的抗腫瘤活性，但它的特異性還有待探索。未來應該深入研究人類TDO分子結(jié)構(gòu)，并在此基礎(chǔ)上開發(fā)高效特異的TDO抑制劑，從而更好的治療相關(guān)神經(jīng)疾病。