血紅素加氧酶分析論文

1、血紅素加氧酶分析論文【關(guān)鍵詞】血紅素加氧酶 關(guān)鍵詞血紅素加氧酶1；心臟疾??；文獻綜述 人類在進化過程中一種適應(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)激條件下保持細胞的穩(wěn)定性也至關(guān)重要。HO基因缺失的個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1。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)、表達調(diào)節(jié)

2、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條件下起著保護細胞作用，而HO2則起著生理性調(diào)節(jié)作用2。目前研究主要集中在對HO1的基因表達、調(diào)控以及與疾病的關(guān)系等方面。 1HO1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，在細胞中定位于微粒體，誘導(dǎo)性表達于肝、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、細胞因子、生長因子等。作為血紅素降

3、解的限速酶，HO1降解由衰老或破損的紅細胞釋放出血紅素，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。以往認為血紅素代謝產(chǎn)物不僅對機體無益，過量時還可對機體造成損害。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)生活性羥基引起嚴重的氧化應(yīng)激，導(dǎo)致細胞膜損壞和組織的損傷3；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)物在機體中的作用有了更深入的了解。首先HO

4、1分解血紅素，避免了血紅素對細胞的損傷，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)激中起著保護組織細胞的作用，其中鐵蛋白可降低細胞內(nèi)Fe2+的濃度4，同時HO1還可以上調(diào)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上的Fe2+通道，促進細胞內(nèi)Fe2+泵出5，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6；CO可以促使血管舒張，其機制為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胞膜

5、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7。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，又可促進抗炎因子的產(chǎn)生來抑制炎癥反應(yīng)8。除此以外，CO還有防止血管平滑肌細胞過度增生、抗血小板聚集、抗凋亡等作用。 2HO1的誘導(dǎo)與表達 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。研究表明，HO1基因表達調(diào)控主要在轉(zhuǎn)錄水平上，HO1啟動子區(qū)域包含不

6、同的順式反應(yīng)元件,包括激活蛋白1(AP1)結(jié)合位點、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NFB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)控在不同細胞種類和物種之間有很大差異，如在大鼠HO1的啟動子上有熱休克反應(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)合則會引起HO1基因的表達9。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)激細胞反應(yīng)中起重要作用。動物試驗證實在小

7、鼠HO1基因的增強區(qū)有一10bp序列，被稱為應(yīng)激反應(yīng)元件（StR），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，兩者結(jié)合可誘導(dǎo)HO1基因表達，而StRE突變會使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10。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、細胞因子所誘導(dǎo)，但效應(yīng)遠低于低氧因素，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11。 3HO1與心血管系統(tǒng) 31HO1與冠狀動脈疾

8、病（CAD）早在1994年Schwertner等12第一次發(fā)現(xiàn)了血漿中膽紅素的濃度與CAD的發(fā)病率成顯著負相關(guān)，這個重要發(fā)現(xiàn)提示血漿中的膽紅素濃度低于正?？赡軙?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等進一步證實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的危險因素如吸煙、低密度脂蛋白、糖尿病、肥胖呈負相關(guān)，與CAD保護性因素高密度脂蛋白呈正相關(guān)。但即使消除了CAD的危險因素，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

9、質(zhì)過氧化、動脈粥樣硬化以及炎癥有關(guān)1314。血管動脈粥樣硬化主要是因為低密度脂蛋白氧化并被內(nèi)皮巨噬細胞吞噬后形成了富含脂質(zhì)的泡沫狀細胞。而膽紅素能防止脂蛋白特別是低密度脂蛋白氧化，從而阻止動脈粥樣硬化斑塊形成。同時膽紅素能清除氧自由基和與炎癥有關(guān)的過氧化氫，保護心肌細胞膜免受氧化損傷。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胞內(nèi)鐵引起的細胞損傷和慢性炎癥。總之，HO1及其代謝

10、產(chǎn)物可通過不同的途徑降低CAD發(fā)病的危險性。 32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。動物實驗顯示，氧自由基、鈣超載、心肌纖維能量代謝障礙、血管內(nèi)皮細胞、一氧化氮、中性粒細胞、細胞黏附分子和細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6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

11、是否影響其他熱休克蛋白（HSP）的水平或觸發(fā)其他的心肌保護機制還缺乏試驗證實，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15，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中的作用時發(fā)現(xiàn)，在心肌細胞中選擇性表達HO1的轉(zhuǎn)基因小鼠能有效防止缺血再灌注誘導(dǎo)的心肌細胞凋亡，而且HO1高表達并沒有影響到其他細胞保護性基因如HO2、HSP90的表達，這進一步證實了HO1在缺血再灌注中直接的心肌細胞保護作用。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)物膽紅素的抗細胞氧化作用外，對于HO1催化產(chǎn)物

12、CO在缺血再灌注損傷中的保護作用，Yet等16發(fā)現(xiàn)CO可以阻止炎性細胞浸潤，減少炎性滲出。作用機制可能是CO抑制細胞間黏附因子1(VCAM1)、血管細胞黏附因子1（ICAM1）基因的表達，阻礙了中性粒細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)必然會導(dǎo)致心肌細胞的壞死和凋亡而造成心肌功能損害。Soares等17證實HO1過度表達可以抑制由腫瘤壞死因子（TNF）引起的內(nèi)皮細胞凋亡。Vulapalli等18的試驗結(jié)果也證實了HO1的抗調(diào)亡作用，但抗調(diào)亡機制尚不清楚，推測除了H

13、O1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胞凋亡的因素外，HO1還促進抗凋亡基因Bcl2、抑制促凋亡基因caspase3的表達，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。 33心肌重構(gòu)以往人們認為心肌重構(gòu)是由血壓或容量負荷增加引起心室壁應(yīng)力的適應(yīng)性變化，包括心肌細胞體積增大，心肌膠原蛋白合成增加。盡管開始是一種心臟功能代償機制，但病理性心臟肥大逐漸發(fā)展最終會導(dǎo)致充血性心力衰竭。在心臟重構(gòu)過程中，心肌不斷對細胞外刺激如機械應(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)，心肌細胞體積不斷增大，膠原蛋白合成增加最終導(dǎo)致心力衰竭

14、。有研究人員發(fā)現(xiàn)，HO1過表達能減輕Wister大鼠由血管緊張素（Ang）引起的心肌肥厚，但不能緩解由Ang引起的高血壓19。這個發(fā)現(xiàn)提示Ang引起的心肌重構(gòu)可能并非直接繼發(fā)于Ang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)控機制來減輕心肌重構(gòu)。Hu等認為由Ang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Ang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)的試驗結(jié)果相吻合?？傊?，活性氧被認為是一種生長刺激因素的信使，明確活性氧在心肌重構(gòu)時的傳導(dǎo)途徑，用HO1

15、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。 4小結(jié)與展望 HO1性質(zhì)、功能與調(diào)控已日益引起人們的關(guān)注。大量研究表明HO1對氧化損傷所引起多種疾病具有保護作用。HO1催化血紅素降解的3個產(chǎn)物CO、膽紅素和鐵蛋白是發(fā)揮細胞保護作用的關(guān)鍵分子。雖然每個產(chǎn)物獨自作用時都有保護作用，但是細胞保護作用主要是三者協(xié)同作用的結(jié)果。當應(yīng)激發(fā)生時，適量HO1的誘導(dǎo)產(chǎn)生，能維護細胞自身穩(wěn)定，實現(xiàn)對細胞的保護。目前加拿大研究人員利用經(jīng)改造過的病毒為載體，把額外的HO1基因副本釋放到實驗鼠的心臟組織，使其在缺血、缺氧情況下能迅速地制造出大量的HO1蛋白，以減輕心臟病發(fā)作對心肌的損傷。目前對H

16、O1的研究已有很大進展，但HO1的分子結(jié)構(gòu)、催化反應(yīng)機制、調(diào)控系統(tǒng)尚未得到很好了解，有待進一步探索；3種降解產(chǎn)物之間的相互作用關(guān)系還知之甚少。進一步探索HO1以及血紅素催化產(chǎn)物的細胞保護機制、HO1生成量調(diào)控已成為下一步研究的重點。相信在不久的將來，HO1將會成為一種有效的治療藥物應(yīng)用于臨床。 參考文獻 1YachieA，NiidaY，WadaT，etal.Oxidativestresscausesenhancedendothelialcellinjuryinhumanhemeoxygenase1deficiencyJ.JClinInvest，1999，103(1):129135. 2Wage

17、nerFA，daSilvaJL，F(xiàn)arleyT，etal.Differentialeffectsofhemeoxygenaseisoformsonhememediationofendothelialintracellularadhesionmolecule1expressionJ.JPharmacolExpTher，1999，291(1):416423. 3AlayashAI，PatelRP，CashonRE.Redoxreactionsofhemoglobinandmyoglobin:biologicalandtoxicologicalimplicationsJ.AntioxidRedoxS

18、ignal，2001，3(2):313327. 4TortiFM，TortiSV.RegulationofferritingenesandproteinJ.Blood，2002，99(10):35053516. 5BarananoDE，WoloskerH，BaeBI，etal.AmammalianironATPaseinducedbyironJ.JBiolChem，2000，275(20):1516615173. 6ClarkJE，F(xiàn)orestiR,SarathchandraP，etal.Hemeoxygenase1derivedbilirubinamelioratespostischemic

19、myocardialdysfunctionJ.AmJPhysiolHeartCircPhysiol，2000，278(2):H643H651. 7ChenYH，YetSF，PerrellaMA.Roleofhemeoxygenase1intheregulationofbloodpressureandcardiacfunctionJ.ExpBiolMed，2003，228(5):447451. 8SongR，NingW，LiuF，etal.RegulationofIL1betainducedGMCSFproductioninhumanairwaysmoothmusclecellsbycarbon

20、monoxideJ.AmJPhysiolLungCellMolPhysiol，2003，284(1):L50L56. 9OkinagaS，TakahashiK，TakedaM，etal.Regulationofhumanhemeoxygenase1geneexpressionunderthermalstressJ.Blood，1996，87(12):50745084. 10LeePJ，JiangBH，ChinBY，etal.Hypoxiainduciblefactor1mediatestranscriptionalactivationofthehemeoxygenase1geneinrespo

21、nsetohypoxiaJ.JBiolChem，1997，272(9):53755381. 11BiltonRL，BookerGW.Thesubtlesidetohypoxiainduciblefactor(HIF)regulationJ.EurJBiochem，2003，270(5):791798. 12SchwertnerHA.AssociationofsmokingandlowserumbilirubinantioxidantconcentrationsJ.Atherosclerosis，1998，136(2):383387. 13MylonasC，KouretasD.LipidperoxidationandtissuedamageJ.InVivo，1999，13(3):295309. 14RossR.AtherosclerosisaninflammatorydiseaseJ.NEnglJMed，1999，340(2):11512