血紅素加氧酶

血紅素加氧酶

【關(guān)鍵詞】 血紅素加氧酶

　　血紅素加氧酶1；心臟疾��；文獻(xiàn)綜述

　　人類在進(jìn)化過程中一種適應(yīng)性變化就是能夠抵御外界氧化損傷而保持自身穩(wěn)定。超氧化物歧化酶、過氧化物酶、過氧化氫酶和一些非酶類物質(zhì)維生素E、維生素C在抵御外界氧化損傷中都起了重要作用，還有鮮為人知的血紅素加氧酶（HO）在應(yīng)激條件下保持細(xì)胞的穩(wěn)定性也至關(guān)重要。HO基因缺失的個(gè)體不能正常生長并且對氧化損傷的敏感性增加，直至最后死亡。HO是血紅素氧化的限速酶，在體內(nèi)有3種同工酶，HO1、 HO2和HO3，分別由不同的基因編碼，其氨基酸序列的同源性HO1與HO2之間是40%，HO2與HO3是90%。他們在分子結(jié)構(gòu)、表達(dá)調(diào)節(jié)和組織分布中有很大差異。HO1為誘導(dǎo)型而HO2為構(gòu)成型。HO的第3種亞型HO3最近才被發(fā)現(xiàn)，與HO2結(jié)構(gòu)相似,但對血紅素的分解功能較弱。HO1在組織氧化損傷的病理?xiàng)l件下起著保護(hù)細(xì)胞作用，而HO2則起著生理性調(diào)節(jié)作用。目前研究主要集中在對HO1的基因表達(dá)、調(diào)控以及與疾病的關(guān)系等方面。

　　1 HO1的一般生物學(xué)特性與功能

　　HO1也稱之為熱休克蛋白32（HSP32），是目前研究最多的一種同工酶。相對分子質(zhì)量為32000，染色體定位22q12，在細(xì)胞中定位于微粒體，誘導(dǎo)性表達(dá)于肝、脾、心、肺、血管平滑肌、腦等組織，誘導(dǎo)因素為應(yīng)激、缺氧、內(nèi)毒素、過氧化氫、重金屬、紫外線、細(xì)胞因子、生長因子等。作為血紅素降解的限速酶，HO1降解由衰老或破損的紅細(xì)胞釋放出血紅素，首先生成膽綠素、一氧化碳(CO)和Fe2 ，然后膽綠素在膽綠素還原酶作用下轉(zhuǎn)換成膽紅素，F(xiàn)e2 誘導(dǎo)并參與了體內(nèi)鐵蛋白的合成。在血紅素降解過程中需要煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADPH）供氫并消耗O2 。以往認(rèn)為血紅素代謝產(chǎn)物不僅對機(jī)體無益，過量時(shí)還可對機(jī)體造成損害。如游離膽紅素如果不能和葡萄糖醛酸充分結(jié)合并排出體外，就容易透過血腦屏障對神經(jīng)系統(tǒng)造成損傷；Fe2 可產(chǎn)生活性羥基引起嚴(yán)重的氧化應(yīng)激，導(dǎo)致細(xì)胞膜損壞和組織的損傷；而CO和血紅蛋白結(jié)合后可造成組織缺氧。隨著研究深入，人們對HO1及其催化產(chǎn)物在機(jī)體中的作用有了更深入的了解。首先HO1分解血紅素，避免了血紅素對細(xì)胞的損傷，催化過程中消耗了O2，減少了氧自由基生成。其次HO1的催化產(chǎn)物鐵蛋白、CO、膽紅素在氧化應(yīng)激中起著保護(hù)組織細(xì)胞的作用，其中鐵蛋白可降低細(xì)胞內(nèi)Fe2 的濃度，同時(shí)HO1還可以上調(diào)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上的Fe2 通道，促進(jìn)細(xì)胞內(nèi)Fe2 泵出，防止由Fe2 介導(dǎo)的氧化應(yīng)激損傷；膽紅素作為HO1的代謝產(chǎn)物，能有效地清除氧自由基，防止細(xì)胞脂質(zhì)層過氧化，而且游離膽紅素比結(jié)合膽紅素更能有效地抑制低密度脂蛋白分解；CO可以促使血管舒張，其機(jī)制為CO和NO一樣可以活化鳥甘酸環(huán)化酶，使三磷酸鳥嘌呤核苷（GTP）轉(zhuǎn)化成環(huán)磷酸鳥甙（cGMP），使血管舒張；CO還可以通過刺激平滑肌細(xì)胞膜上的K 通道促使血管舒張，以及抑制縮血管內(nèi)皮素(ET1)的釋放所引起的血管收縮。另外，CO還通過鳥甘酸環(huán)化酶活化P38有始分裂原活化MAPK信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑，既可抑制炎癥因子的基因表達(dá)，又可促進(jìn)抗炎因子的產(chǎn)生來抑制炎癥反應(yīng)。除此以外，CO還有防止血管平滑肌細(xì)胞過度增生、抗血小板聚集、抗凋亡等作用。

　　2 HO1的誘導(dǎo)與表達(dá)

　　調(diào)控HO1可以被許多不同種類的因素所誘導(dǎo)，這些因素的共同特點(diǎn)是都能引起氧化應(yīng)激，并通過有絲分裂原活化MAPK、蛋白激酶C、cAMP依賴性蛋白激酶A、cGMP依賴性蛋白激酶G等不同的信號途徑來誘導(dǎo)HO1基因表達(dá)。 研究表明，HO1基因表達(dá)調(diào)控主要在轉(zhuǎn)錄水平上， HO1啟動(dòng)子區(qū)域包含不同的順式反應(yīng)元件,包括激活蛋白1(AP1)結(jié)合位點(diǎn)、金屬反應(yīng)元件、抗氧化反應(yīng)元件、熱休克和血紅素反應(yīng)元件等，轉(zhuǎn)錄因子如氧化應(yīng)激反應(yīng)轉(zhuǎn)錄因子NFκB和AP1等與這些特殊元件結(jié)合可導(dǎo)致HO1基因激活。但HO1基因調(diào)控在不同細(xì)胞種類和物種之間有很大差異，如在大鼠HO1的啟動(dòng)子上有熱休克反應(yīng)元件，熱休克可促使熱休克核因子聚集到相應(yīng)的基因片段使HO1基因穩(wěn)定。但在人類，兩者結(jié)合則會(huì)引起HO1基因的表達(dá)。目前研究最多的轉(zhuǎn)錄因子是激活蛋白因子1（AP1）家族，其中NFE2相關(guān)因子2（Nrf2）最為重要。Nrf2可以和HO1基因抗氧化反應(yīng)片段結(jié)合，調(diào)節(jié)相關(guān)基因，在氧化應(yīng)激細(xì)胞反應(yīng)中起重要作用。動(dòng)物試驗(yàn)證實(shí)在小鼠HO1基因的增強(qiáng)區(qū)有一10bp序列，被稱為應(yīng)激反應(yīng)元件（StRＥ），對于缺氧以外各種因子引起的應(yīng)激反應(yīng)非常重要，StRE中包含了AP1家族結(jié)合位點(diǎn)，兩者結(jié)合可誘導(dǎo)HO1基因表達(dá)，而StRE突變會(huì)使HO1基因在應(yīng)激狀況下不能被活化，顯示了AP1蛋白在HO1基因表達(dá)調(diào)控中的作用。 其他轉(zhuǎn)錄因子如低氧誘導(dǎo)因子1（HIF1），在與HO1基因相應(yīng)片段結(jié)合后可誘導(dǎo)缺氧狀況下的HO1基因表達(dá)。HIF1在含氧量正常情況下也可被一些受體介導(dǎo)因子如生長因子、細(xì)胞因子所誘導(dǎo)，但效應(yīng)遠(yuǎn)低于低氧因素，低氧可以通過MAPK或磷脂酰肌醇3激酶信號通道介導(dǎo)HIF1蛋白合成。

　　3 HO1與心血管系統(tǒng)

　　3．1 HO1與冠狀動(dòng)脈疾病（CAD）早在1994年Schwertner等第一次發(fā)現(xiàn)了血漿中膽紅素的濃度與CAD的發(fā)病率成顯著負(fù)相關(guān)，這個(gè)重要發(fā)現(xiàn)提示血漿中的膽紅素濃度低于正�？赡軙�(huì)導(dǎo)致缺血性心臟疾病的發(fā)生。隨后，Hopkins等也注意到有家族性CAD的病人血漿中的膽紅素濃度明顯低于無家族史的病人。Hunt等進(jìn)一步證實(shí)遺傳性膽紅素濃度降低病人早期易患CAD。另外人們發(fā)現(xiàn)膽紅素血漿濃度與許多CAD的危險(xiǎn)因素如吸煙、低密度脂蛋白、糖尿病、肥胖呈負(fù)相關(guān)，與CAD保護(hù)性因素高密度脂蛋白呈正相關(guān)。但即使消除了CAD的危險(xiǎn)因素，膽紅素血漿濃度降低仍易導(dǎo)致CAD,表明了血漿中的膽紅素濃度直接與CAD相關(guān)。CAD與氧自由基生成、脂質(zhì)過氧化、動(dòng)脈粥樣硬化以及炎癥有關(guān)。血管動(dòng)脈粥樣硬化主要是因?yàn)榈兔芏戎�蛋白氧化并被�?nèi)皮巨噬細(xì)胞吞噬后形成了富含脂質(zhì)的泡沫狀細(xì)胞。而膽紅素能防止脂蛋白特別是低密度脂蛋白氧化，從而阻止動(dòng)脈粥樣硬化斑塊形成。同時(shí)膽紅素能清除氧自由基和與炎癥有關(guān)的過氧化氫，保護(hù)心肌細(xì)胞膜免受氧化損傷。HO1還可通過其他途徑來影響CAD的發(fā)生。如HO1分解血紅蛋白（Heme），減少了Heme對心肌細(xì)胞的氧化損傷；產(chǎn)生的CO可通過活化鳥甘酸環(huán)化酶增加平滑肌細(xì)胞內(nèi)的cGMP，使冠脈平滑肌舒張，還可抑制血小板聚集和血管平滑肌增生；HO1促使鐵蛋白合成增加也消除了由細(xì)胞內(nèi)鐵引起的細(xì)胞損傷和慢性炎癥�？傊�，HO1及其代謝產(chǎn)物可通過不同的途徑降低CAD發(fā)病的危險(xiǎn)性。

　　3．2 心臟缺血再灌注損傷隨著心臟移植、體外循環(huán)、冠脈搭橋、冠脈介入治療應(yīng)用于臨床，缺血再灌注損傷已引起醫(yī)學(xué)界的高度重視。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)顯示，氧自由基、鈣超載、心肌纖維能量代謝障礙、血管內(nèi)皮細(xì)胞、一氧化氮、中性粒細(xì)胞、細(xì)胞黏附分子和細(xì)胞凋亡等均可能參與再灌注損傷的發(fā)病過程。而HO1作為抗氧化應(yīng)激的蛋白酶，它在心肌缺血及隨后的再灌注損傷中的作用也越來越受到人們關(guān)注。Clark等發(fā)現(xiàn)在心肌缺血前24h用氯高鐵血紅素(HO1誘導(dǎo)劑)預(yù)處理，再灌注后心肌功能較對照組有顯著改善，而且在HO1高表達(dá)的區(qū)域，線粒體完整性保存較好，心肌梗死面積明顯縮小。氯高鐵血紅素預(yù)處理是否影響其他熱休克蛋白（HSP）的水平或觸發(fā)其他的心肌保護(hù)機(jī)制還缺乏試驗(yàn)證實(shí)，但用HO1抑制劑后即使再用氯高鐵血紅素預(yù)處理，心肌缺血再灌注損傷依然沒有加重，表明HO1與心肌缺血再灌注損傷程度有直接聯(lián)系。同樣，Vulapalli等研究HO1在缺血再灌注心肌保護(hù)中的作用時(shí)發(fā)現(xiàn)，在心肌細(xì)胞中選擇性表達(dá)HO1的轉(zhuǎn)基因小鼠能有效防止缺血再灌注誘導(dǎo)的心肌細(xì)胞凋亡，而且HO1高表達(dá)并沒有影響到其他細(xì)胞保護(hù)性基因如HO2、HSP90的表達(dá)，這進(jìn)一步證實(shí)了HO1在缺血再灌注中直接的心肌細(xì)胞保護(hù)作用。 除了HO1在催化中消耗O2，減少了氧自由基形成以及HO1的催化產(chǎn)物膽紅素的抗細(xì)胞氧化作用外，對于HO1催化產(chǎn)物CO在缺血再灌注損傷中的保護(hù)作用，Yet等發(fā)現(xiàn)CO可以阻止炎性細(xì)胞浸潤，減少炎性滲出。作用機(jī)制可能是CO抑制細(xì)胞間黏附因子1(VCAM1)、血管細(xì)胞黏附因子1（ICAM1）基因的表達(dá)，阻礙了中性粒細(xì)胞在血管壁上的黏附、滲出和浸潤，減少了炎性反應(yīng)對心肌細(xì)胞的損害。CO舒張血管作用提高了再灌注心肌的血流，也可以減輕再灌注心肌的損傷。心肌缺血再灌注引起的氧化和炎癥反應(yīng)必然會(huì)導(dǎo)致心肌細(xì)胞的壞死和凋亡而造成心肌功能損害。Soares等證實(shí)HO1過度表達(dá)可以抑制由腫瘤壞死因子（TNFα）引起的內(nèi)皮細(xì)胞凋亡。Vulapalli等的試驗(yàn)結(jié)果也證實(shí)了HO1的抗調(diào)亡作用，但抗調(diào)亡機(jī)制尚不清楚，推測除了HO1的催化產(chǎn)物膽紅素和CO的抗氧化、抗炎作用抑制了引起細(xì)胞凋亡的因素外，HO1還促進(jìn)抗凋亡基因Bcl2、抑制促凋亡基因caspase3的表達(dá)，提示HO1與凋亡相關(guān)基因之間的傳導(dǎo)途徑可為減輕缺血再灌注所造成的心肌損傷提供更有效的方法。

　　3．3 心肌重構(gòu)以往人們認(rèn)為心肌重構(gòu)是由血壓或容量負(fù)荷增加引起心室壁應(yīng)力的適應(yīng)性變化，包括心肌細(xì)胞體積增大，心肌膠原蛋白合成增加。盡管開始是一種心臟功能代償機(jī)制，但病理性心臟肥大逐漸發(fā)展最終會(huì)導(dǎo)致充血性心力衰竭。在心臟重構(gòu)過程中，心肌不斷對細(xì)胞外刺激如機(jī)械應(yīng)激、缺血、氧自由基、生長因子、血管活性肽、激素等作出反應(yīng)，心肌細(xì)胞體積不斷增大，膠原蛋白合成增加最終導(dǎo)致心力衰竭。有研究人員發(fā)現(xiàn)，HO1過表達(dá)能減輕Wister大鼠由血管緊張素Ⅱ（AngⅡ）引起的心肌肥厚，但不能緩解由AngⅡ引起的高血壓。這個(gè)發(fā)現(xiàn)提示AngⅡ引起的心肌重構(gòu)可能并非直接繼發(fā)于AngⅡ引起的高血壓，HO1可能直接作用于心肌組織而非通過血壓調(diào)控機(jī)制來減輕心肌重構(gòu)。Hu等認(rèn)為由AngⅡ誘導(dǎo)產(chǎn)生的活性氧簇作為刺激心肌生長的信號分子而非由AngⅡ引起的血壓增高，在心肌重構(gòu)中起了主要作用。而HO1的催化產(chǎn)物膽紅素清除活性氧和抗氧化作用，可以抑制活性氧簇引起的心肌重構(gòu)。這種假設(shè)和早期研究抗氧化可以抑制心肌重構(gòu)的試驗(yàn)結(jié)果相吻合。總之，活性氧被認(rèn)為是一種生長刺激因素的信使，明確活性氧在心肌重構(gòu)時(shí)的傳導(dǎo)途徑，用HO1作為基因治療手段，可以為臨床治療心臟損傷后的心肌重構(gòu)提供一種新的方法。

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