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血紅素氧合酶-1與急性肺損傷
血紅素氧合酶-1與急性肺損傷 血紅素氧合酶-1(hemeoxygenase-1,HO-1)是一種血紅素降解的催化酶,在NADPH 和細(xì)胞色素P-450還原酶及分子氧作用下,HO-1催化血紅素降解為膽綠素、CO和鐵,前者還原成膽紅素后具有很強(qiáng)的抗氧化能力,后者是一種重要的信使分子。近年研究發(fā)現(xiàn),HO-1及其酶解產(chǎn)物膽紅素、CO、轉(zhuǎn)鐵蛋白共同發(fā)揮著抗炎、抗氧化、抑制細(xì)胞凋亡和改善組織微循環(huán)等作用,廣泛參與心、腦、肺、肝、腎等組織細(xì)胞的抗氧化應(yīng)激損傷,是機(jī)體最重要的內(nèi)源性保護(hù)體系之一,尤其是其組織器官的保護(hù)作用已逐漸成為目前研究的一個(gè)熱點(diǎn),本文闡述 HO-1與急性肺損傷(acute lung injury,ALI)的研究進(jìn)展。
1、HO–1的生物學(xué)特性
HO–1為誘導(dǎo)型,HO-1基因內(nèi)含有HSE元件,與HSP70和應(yīng)激蛋白P32結(jié)構(gòu)類似,所以有人將其歸入HSP家族,亦稱為HSP32。分子量為32kD,熱休克處理在引起HSP70表達(dá)上調(diào)的同時(shí)也導(dǎo)致HO-1的表達(dá)上調(diào)。且熱休克對(duì)大鼠心肌線粒體呼吸功能的保護(hù)作用與這兩種應(yīng)激蛋白均有關(guān)。生理狀態(tài)下,在網(wǎng)狀內(nèi)皮細(xì)胞系統(tǒng)和骨髓表達(dá),肝臟、脾臟中高濃度存在,可被多種物質(zhì)或刺激因素誘導(dǎo)表達(dá),如四氯化碳、撲熱息痛、重金屬、血紅素及其衍生物、炎性刺激、應(yīng)激、生物激素、低氧等應(yīng)激狀態(tài)均可使細(xì)胞內(nèi)HO-1的活性上調(diào)[1]。而多數(shù)金屬卟啉是 HO-1的抑制劑,如鋅原卟啉及錫原卟啉等,可抑制HO-1的表達(dá)和活性。
現(xiàn)已證實(shí)HO-1是一種應(yīng)激蛋白,HO-1在正常情況下低表達(dá)或不表達(dá),但在應(yīng)激狀態(tài)下 HO-1適量表達(dá)可以減輕細(xì)胞損傷、蛋白質(zhì)氧化及脂質(zhì)過(guò)氧化,減輕血管緊張素Ⅱ引起的內(nèi)皮細(xì)胞損傷,對(duì)血管損傷的修復(fù)有潛在保護(hù)作用。研究表明,CO誘導(dǎo)HO-1活性增強(qiáng)可減輕內(nèi)皮細(xì)胞的氧化損傷和凋亡,降低培養(yǎng)的內(nèi)皮細(xì)胞對(duì)H2O2造成的氧化性損傷的敏感性,血紅素誘導(dǎo)的HO-1活性增加可減少過(guò)氧亞硝基引起的主動(dòng)脈內(nèi)皮細(xì)胞的凋亡[2],HO-1的體內(nèi)外誘導(dǎo)均能提供抗氧化應(yīng)激的保護(hù)作用,Grosse等[3]在培養(yǎng)的人內(nèi)皮細(xì)胞研究中發(fā)現(xiàn),L丙氨酸 ( L-alanine)可使HO-1活性增加,并降低H2O2的細(xì)胞毒性作用。氧自由基形成的動(dòng)物模型研究表明[4] 在大鼠冠脈缺血/再灌注模型中,將SD大鼠全身預(yù)熱15min(肛溫42℃) ,實(shí)驗(yàn)前室溫恢復(fù)24h,再行冠狀動(dòng)脈阻塞45min后開放冠狀動(dòng)脈再灌注3h,以心肌梗死大小和血清肌酸激酶活性評(píng)估心肌損傷的程度,測(cè)定心肌組織中HO-lmRNA和蛋白質(zhì)的表達(dá)。熱預(yù)處理組減少再灌注時(shí)心肌梗死的面積和肌酸激酶釋放,該作用被ZnPP-IX( HO抑制劑)和亞甲藍(lán)安全阻斷,熱應(yīng)激增加HO-l mRNA 和蛋白質(zhì)表達(dá),但該作用不被亞甲藍(lán)阻斷[5]。
2、HO-1基因的誘導(dǎo)產(chǎn)生、表達(dá)調(diào)節(jié)及信號(hào)傳導(dǎo)
2.1 誘導(dǎo)HO-1表達(dá)的分子調(diào)節(jié)機(jī)制十分復(fù)雜。目前已經(jīng)確定HO-1的編碼基因定位于人染色體22q12,含5個(gè)外顯子,長(zhǎng)約14 kb,研究發(fā)現(xiàn),人HO-1基因啟動(dòng)區(qū)所特有的(GT)n微衛(wèi)星結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度直接影響HO-1基因的轉(zhuǎn)錄水平,(GT)n越長(zhǎng),即GT二核苷酸序列重復(fù)數(shù)越多,HO-1 基因轉(zhuǎn)錄和表達(dá)的水平就越低。體外實(shí)驗(yàn)表明HO-1基因啟動(dòng)子微衛(wèi)星影響HO-1的轉(zhuǎn)錄,在同等程度的氧化應(yīng)激作用下,GT重復(fù)<25次者,HO-1基因轉(zhuǎn)錄增加;而GT重復(fù)≥29 次者,則轉(zhuǎn)錄水平增加不明顯,因此GT 重復(fù)次數(shù)可間接反映人體內(nèi)HO-1的表達(dá)水平,由此可見(jiàn),HO-1 的表達(dá)可以在轉(zhuǎn)錄水平和蛋白水平調(diào)控。
HO-1的誘導(dǎo)產(chǎn)生HO在人多數(shù)組織內(nèi)呈低水平表達(dá)可被多種傷害性刺激誘導(dǎo)產(chǎn)生高水平的表達(dá)在神經(jīng)和肝臟和脾臟表達(dá)最高[6]。這些誘導(dǎo)劑包括血紅素,高氧、缺氧、熱體克、內(nèi)毒素、過(guò)氧化氫、細(xì)胞因子、紫外線、重金屬和NO等,這些誘導(dǎo)劑的共同特征是可以產(chǎn)生氧化應(yīng)激。目前有關(guān)NO對(duì)HO-1的誘導(dǎo)產(chǎn)生研究最多,多數(shù)的文獻(xiàn)報(bào)道指出NO作為一種經(jīng)典的信號(hào)分子能夠調(diào)節(jié)HO-1基因的表達(dá)。但也有相反的報(bào)道顯示HO-1的產(chǎn)生為NO非依賴性的[7 8]。這可能與其研究的模型和組織不同NO的轉(zhuǎn)錄不同有關(guān),其具體的機(jī)制有待于一步研究。
2.2 HO-1基因表達(dá)的調(diào)節(jié),目前的研究表明,HO-1基因表達(dá)的調(diào)控主要發(fā)生在轉(zhuǎn)錄水
平HO-1基因含有4個(gè)內(nèi)含子和5個(gè)外顯子,在HO-1基因5,非轉(zhuǎn)錄區(qū)(UTR)即基因啟動(dòng)子區(qū)包含一些增強(qiáng)子和調(diào)節(jié)片段,包括激活蛋白-1結(jié)合位點(diǎn)、金屬反應(yīng)片段、抗氧化反應(yīng)片段、熱體克和血紅素反應(yīng)片段、腫瘤基因雜二聚體結(jié)合位點(diǎn)、GC box (Spl)結(jié)合位點(diǎn),轉(zhuǎn)錄因子如氧化應(yīng)激反應(yīng)轉(zhuǎn)錄因子NF-κB和AP-1等與這些特殊位點(diǎn)結(jié)合可導(dǎo)致HO-1基因激活。轉(zhuǎn)錄因子 AP-1是一個(gè)對(duì)氧化還原敏感的轉(zhuǎn)錄因子,可以激活許多基因包括HO-1的表達(dá)參與氧化應(yīng)激的保護(hù)性反應(yīng)AP-1在調(diào)節(jié)HO-1基因轉(zhuǎn)錄中的作用最近才被研究證實(shí),NF-E2相關(guān)因子2( Nrf2) 尤其重要在對(duì)Nrf2基因缺陷的巨噬細(xì)胞研究中發(fā)現(xiàn),轉(zhuǎn)錄因子Nrf2可與相關(guān)基因抗氧化反應(yīng)成分相互作用,從而調(diào)節(jié)相關(guān)基因表達(dá),在氧化應(yīng)激誘導(dǎo)的細(xì)胞反應(yīng)中起重要作用[9]。小鼠 HO基因的增強(qiáng)子區(qū)域有一個(gè)10bp的序列,對(duì)于除缺氧以外的各種因子誘導(dǎo)的HO基因表達(dá)十分必要,這一序列被稱為應(yīng)激反應(yīng)成分(StRE)小鼠StRE區(qū)域包含有轉(zhuǎn)錄因子AP- 1家族或轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)合區(qū),StRE中AP-1結(jié)合區(qū)域基因突變將導(dǎo)致HO基因表達(dá)失活,不受重金屬、過(guò)氧化氫及LP5等的刺激,顯示了AP-1蛋白在HO-1基因表達(dá)調(diào)控中的作用。 此外還有HO基因DNA結(jié)合部位包括低氧介導(dǎo)因子-1(HIF-1)和介素6(IL-6)反應(yīng)成分。HIF是氧敏感基因的轉(zhuǎn)錄激話因子可結(jié)合小鼠HO-1基因的缺氧反應(yīng)成分。缺氧反應(yīng)成分的突變將導(dǎo)致HIF-1結(jié)合的失敗從而導(dǎo)致缺氧依賴性HO基因表達(dá)的失話,表明激動(dòng)子HIF-1參與缺氧誘導(dǎo)的HO基因表達(dá)。IL-6 是已知的激話HO基因轉(zhuǎn)錄的細(xì)胞因子中的一種。研究證實(shí)HO-1基因5,端的基因序列為IL-6 的結(jié)合反應(yīng)區(qū)域。
2.3 HO-1和信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)MAP激活酶(有絲分裂原激活蛋白激酶)是細(xì)胞外刺激通過(guò)激活轉(zhuǎn)錄因子調(diào)節(jié)基因表達(dá)的信號(hào)傳導(dǎo)系統(tǒng)的重要激酶。據(jù)報(bào)道,有三種MAP激酶亞家族:細(xì)胞外信調(diào)節(jié)激酶(ERK), c-jun N末端激酶( JNK)和p38家族。ERK可被有絲分裂原激活參與細(xì)胞生長(zhǎng)和增殖的調(diào)節(jié),另外兩種激酶與細(xì)胞內(nèi)應(yīng)激信號(hào)有關(guān),因此又被稱為應(yīng)激激活的蛋白激酶。這幾種激酶的作用底物及其激動(dòng)因子有很大的重疊。由于MAP激酶和HO-1均可被應(yīng)激性刺激激活,并且磷酸化參與了HO-1基因的誘導(dǎo)產(chǎn)生。因此很容易理解MAP激酶信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑參與了HO-1基因的表達(dá)。Lu等通過(guò)應(yīng)用ERK和p38通路的化學(xué)性阻斷劑實(shí)驗(yàn)研究,報(bào)道ERK和 p38通路組分的持續(xù)激活可導(dǎo)致HO-1基因表達(dá)增加。Furst R等[10]研究發(fā)現(xiàn)在培養(yǎng)的人臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞,水楊酸鹽可以通過(guò)激活JNK/AP-1通路上調(diào)HO-1基因的表達(dá)。另有證據(jù)表明MAP激酶途徑也參與了HO反應(yīng)產(chǎn)物的激活。CO作為HO-1分解血紅素的一種產(chǎn)物,具有細(xì)胞保護(hù)、抗凋亡作用,是通過(guò)MAP途徑尤其是p38途徑所介導(dǎo)的[11]。
3、HO-1與ALI研究現(xiàn)狀
3.1 HO-1 的抗氧化作用
傳統(tǒng)觀念認(rèn)為,膽紅素是人體內(nèi)的一種有害物質(zhì)。但隨著人們對(duì)HO/CO-膽紅素系統(tǒng)研究的不斷深入,發(fā)現(xiàn)它不只是體內(nèi)的代謝產(chǎn)物,在一定濃度下還是一種內(nèi)源性強(qiáng)抗氧化劑具有抗氧化、抗脂質(zhì)過(guò)氧化、保護(hù)細(xì)胞免受損傷及增強(qiáng)維生素C 和E的抗氧化能力等作用[5]。多種應(yīng)激因素如過(guò)量血紅蛋白、低氧、膿毒血癥引起的急性中毒、化學(xué)因素導(dǎo)致的ALI 以及器官的缺血-再灌注損傷均可誘導(dǎo)HO-1 產(chǎn)生。這些誘導(dǎo)產(chǎn)生的HO-1 可增加細(xì)胞的抗氧化作用。Jin aw 等[12]研究發(fā)現(xiàn)在LPS 大鼠肺損傷模型中通過(guò)誘導(dǎo)肺組織加HO-1表達(dá)能明顯抑制MDA、TNF-a、NO等,減輕肺水腫、抑制脂質(zhì)過(guò)氧化。
3.2 HO-1對(duì)NF-кβ及細(xì)胞因子的影響
NF-кβ 是DNA 結(jié)合蛋白,是重要的轉(zhuǎn)錄因子。NF-кβ 激活后能使多種細(xì)胞因子大量表達(dá),因此在各種細(xì)胞外刺激介導(dǎo)的細(xì)胞信息的轉(zhuǎn)導(dǎo)調(diào)控中起中心作用。當(dāng)細(xì)胞受到早期反應(yīng)細(xì)胞因子TNF-a、IL-1β 和LPS 刺激時(shí),激活細(xì)胞內(nèi)信號(hào)通道、胞內(nèi)信號(hào)識(shí)別和蛋白水解,使得細(xì)胞核局部信息暴露,激活NF-кβ�；罨腘F-кβ 與位于基因啟動(dòng)子和增強(qiáng)子的кβ序列位點(diǎn)發(fā)生特異性的結(jié)合。參與眾多與免疫和炎癥反應(yīng)有關(guān)的基因的轉(zhuǎn)錄調(diào)控,在一系列的由細(xì)胞因子、炎癥介質(zhì)及蛋白酶類參與AIL 的發(fā)病過(guò)程中發(fā)揮重要的作用。各種原因引起AIL 均有大量細(xì)胞因子產(chǎn)生,如TNF-a、IL-1、IL-6、IL-8 等,這些細(xì)胞因子引起一系列的炎癥級(jí)鏈反應(yīng),參與肺損傷過(guò)程。Saski I 等[13]研究發(fā)現(xiàn)失血性休克肺動(dòng)物模型中, 用精氨酸血紅素誘導(dǎo)HO-1 的表達(dá)能明顯抑制NF-kB 和AP-1 從而減少肺損傷。Liu SH[14]等發(fā)現(xiàn)在內(nèi)毒素肺損傷模型中吸入低流量的CO(2.5*10-4 V/V)能明顯誘導(dǎo)HO-1 mRNA 表達(dá),抑制TNF-a, IL-6, IL-10, MDA, MPO, 及肺臟的細(xì)胞凋亡。提示HO-1表達(dá)增加對(duì)肺臟具有保護(hù)作用。
3.3 HO-1對(duì) NO及合成酶的影響
NO主要由血管內(nèi)皮細(xì)胞產(chǎn)生,血小板、巨噬細(xì)胞、中性粒細(xì)胞以及腦組織均含有一氧化氮合成酶(iNOS )。生理濃度的NO可維持血管的舒張狀態(tài)。因此,用于治療持續(xù)性肺高壓,慢性阻塞性肺疾病,肺血管收縮的ARDS患者。然而,體內(nèi)NO過(guò)多,也可產(chǎn)生一系列病理變化,用內(nèi)毒素刺激內(nèi)皮細(xì)胞產(chǎn)生過(guò)量NO,可導(dǎo)致內(nèi)皮細(xì)胞損傷和死亡。iNOS作為一重要的促炎介質(zhì),其表達(dá)調(diào)控中最重要的是轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)節(jié)。在正常生理情況下,iNOS不表達(dá)或低水平表達(dá)。在ALI病人,iNOS在嚴(yán)格調(diào)控下的誘導(dǎo)表達(dá)對(duì)于補(bǔ)償內(nèi)源性NO不足起重要作用,然而, 一旦這種控制失效,iNOS過(guò)量產(chǎn)生就會(huì)誘導(dǎo)大量NO的產(chǎn)生。高水平的NO發(fā)揮其自由基性質(zhì)的細(xì)胞毒作用,造成肺損傷。甚至血壓下降和體克而危及生命。脂多糖致AIL時(shí)iNOS mRNA表達(dá)也增強(qiáng),其大量生成的NO可與超氧陰離(O-)反應(yīng)生成過(guò)氧化亞硝基陰離子(CNOO-),其通過(guò)對(duì)肺泡表面活性物質(zhì)(PS)及內(nèi)皮的毒性作用損傷肺組織。NO和iNOS在肺損傷發(fā)病機(jī)制中具有重要作用。HuangTY[15]等研究發(fā)現(xiàn)在脂多糖引起的大鼠肺損傷中,通過(guò)氯高鐵血紅素或高壓氧誘導(dǎo)HO-1的表達(dá)增加能明顯抑制iNOS表達(dá)減少NO的產(chǎn)生。Zhan Ly等[16] 發(fā)現(xiàn)在內(nèi)毒素肺損傷模型中,預(yù)先給赤芍能明顯的誘導(dǎo)肺組織HO-1的表達(dá),從而抑制iNOS表達(dá),減輕肺損傷。
4.3 HO-1對(duì)細(xì)胞凋亡影響
細(xì)胞凋亡是細(xì)胞的一種程序性死亡過(guò)程,在此過(guò)程中,特定的死亡信號(hào)通路被激活,導(dǎo)致細(xì)胞從組織中清除。細(xì)胞凋亡的最終結(jié)果是導(dǎo)致DNA碎裂,細(xì)胞體積變小,凋亡的細(xì)胞被鄰近的吞噬細(xì)胞吞噬。當(dāng)細(xì)胞凋亡受到不適當(dāng)?shù)募せ罨蛞种茣r(shí),均可導(dǎo)致疾病的形成。目前認(rèn)為主要有兩類細(xì)胞凋亡與ALI發(fā)病機(jī)制密切相關(guān),即多形核中性粒細(xì)胞(PMN)與上皮細(xì)胞的凋亡。關(guān)于前者,研究人員認(rèn)為PMN凋亡在炎癥消退過(guò)程中發(fā)揮著重要作用,在ALI發(fā)病過(guò)程中,PMN的凋亡以及凋亡細(xì)胞清除受到抑制都是不利的[17]。人們觀察到在ALI發(fā)病過(guò)程中,上皮損傷與可溶性介質(zhì)導(dǎo)致的肺上皮細(xì)胞凋亡有關(guān),并猜測(cè)使用相關(guān)阻斷劑對(duì)ALI的治療可能是有益的[18]。Otterbein等在培養(yǎng)的大鼠成纖維細(xì)胞中加入HO-1誘導(dǎo)劑可抑制由TNF-α引起的細(xì)胞凋亡,而用HO-1抑制劑可抑制HO-1的抗凋亡作用。
5、問(wèn)題與展望
綜上所述,HO-1 作為一種有催化活性的應(yīng)激蛋白有著廣泛的生物學(xué)活性,機(jī)體處于氧化應(yīng)激狀態(tài)時(shí),HO-1 高效表達(dá),保護(hù)機(jī)體免受損傷。所以,HO-1 在氧化應(yīng)激中的作用值得進(jìn)一步研究。隨著研究的不斷深入,HO-1 的作用機(jī)制日漸明朗,將可能開辟一個(gè)新的藥物研究領(lǐng)域, 如用“非應(yīng)激”刺激物在體內(nèi)誘導(dǎo)HO-1 基因表達(dá)可能是今后治療性干預(yù)氧化性損傷的新的有開發(fā)前景的方法,如水楊酸鹽可以通過(guò)激活JNK/AP-1通路上調(diào)HO-1基因的表達(dá)。赤芍、阿司匹林等可誘導(dǎo)HO-1 在肺組織細(xì)胞和培養(yǎng)的內(nèi)皮細(xì)胞上表達(dá), 并已顯示HO-1 具有保護(hù)內(nèi)皮細(xì)胞對(duì)抗TNF-α介導(dǎo)的細(xì)胞毒性以及肺組織細(xì)胞對(duì)抗氧化應(yīng)激引起的缺血再灌注損傷等作用。但尚需深入研究調(diào)控各種刺激因素誘導(dǎo)HO-1 基因轉(zhuǎn)錄與表達(dá)的分子學(xué)機(jī)制及其意義。
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