血红素氧合酶-1与急性肺损伤

1、血红素氧合酶 -1 与急性肺损伤血红素氧合酶 -1(hemeoxygenase-1,HO-1) 是一种血红素降解的催化酶 , 在 NADPH和细胞色素 P-450 还原酶及分子氧作用下 ,HO-1 催化血红素降解为胆绿素、 CO和铁 , 前者还原成胆红素后具有很强的抗氧化能力 , 后者是一种重要的信使分子。近年研究发现,HO-1 及其酶解产物胆红素、 CO、转铁蛋白共同发挥着抗炎、抗氧化、抑制细胞凋亡和改善组织微循环等作用, 广泛参与心、脑、肺、肝、肾等组织细胞的抗氧化应激损伤, 是机体最重要的内源性保护体系之一,尤其是其组织器官的保护作用已逐渐成为目前研究的一个热点, 本文阐述 HO-1与急

2、性肺损伤 (acute lung injury,ALI)的研究进展。1 、 HO1 的生物学特性HO1 为诱导型 ,HO-1 基因内含有 HSE元件 , 与 HSP70和应激蛋白 P32结构类似 , 所以有人将其归入HSP家族 , 亦称为 HSP32。分子量为 32kD,热休克处理在引起 HSP70表达上调的同时也导致HO-1的表达上调。且热休克对大鼠心肌线粒体呼吸功能的保护作用与这两种应激蛋白均有关。生理状态下, 在状内皮细胞系统和骨髓表达 , 肝脏、脾脏中高浓度存在 , 可被多种物质或刺激因素诱导表达 , 如四氯化碳、扑热息痛、重金属、血红素及其衍生物、炎性刺激、应激、生物激素、低氧等应激

3、状态均可使细胞内 HO-1的活性上调。而多数金属卟啉是 HO-1 的抑制剂 , 如锌原卟啉及锡原卟啉等 , 可抑制 HO-1的表达和活性。现已证实 HO-1是一种应激蛋白 ,HO-1 在正常情况下低表达或不表达 , 但在应激状态下 HO-1 适量表达可以减轻细胞损伤、蛋白质氧化及脂质过氧化 , 减轻血管紧张素引起的内皮细胞损伤 , 对血管损伤的修复有潜在保护作用。研究表明 ,CO诱导 HO-1活性增强可减轻内皮细胞的氧化损伤和凋亡, 降低培养的内皮细胞对 H2O2造成的氧化性损伤的敏感性, 血红素诱导的 HO-1活性增加可减少过氧亚硝基引起的主动脉内皮细胞的凋亡,HO-1 的体内外诱导均能提供

4、抗氧化应激的保护作用 ,Grosse 等在培养的人内皮细胞研究中发现,L 丙氨酸 (L-alanine)可使 HO-1活性增加 , 并降低 H2O2的细胞毒性作用。氧自由基形成的动物模型研究表明在大鼠冠脉缺血 / 再灌注模型中 , 将 SD大鼠全身预热 15min( 肛温 42) ,实验前室温恢复 24h, 再行冠状动脉阻塞45min 后开放冠状动脉再灌注3h, 以心肌梗死大小和血清肌酸激酶活性评估心肌损伤的程度, 测定心肌组织中 HO-lmRNA和蛋白质的表达。热预处理组减少再灌注时心肌梗死的面积和肌酸激酶释放 , 该作用被 ZnPP-IX( HO 抑制剂 ) 和亚甲蓝安全阻断 , 热应激增

5、加 HO-l mRNA 和蛋白质表达 , 但该作用不被亚甲蓝阻断。2 、 HO-1基因的诱导产生、表达调节及信号传导诱导 HO-1表达的分子调节机制十分复杂。目前已经确定 HO-1的编码基因定位于人染色体 22q12, 含 5 个外显子 , 长约 14 kb, 研究发现 , 人 HO-1基因启动区所特有的 (GT)n 微卫星结构的长度直接影响 HO-1基因的转录水平 ,(GT)n 越长 , 即 GT二核苷酸序列重复数越多 ,HO-1 基因转录和表达的水平就越低。 体外实验表明 HO-1基因启动子微卫星影响 HO-1的转录 , 在同等程度的氧化应激作用下 ,GT 重复 <25 次者 ,HO

6、-1 基因转录增加 ; 而 GT重复 29 次者 , 则转录水平增加不明显 , 因此 GT 重复次数可间接反映人体内HO-1的表达水平 , 由此可见 ,HO-1的表达可以在转录水平和蛋白水平调控。HO-1 的诱导产生 HO在人多数组织内呈低水平表达可被多种伤害性刺激诱导产生高水平的表达在神经和肝脏和脾脏表达最高。这些诱导剂包括血红素,高氧、缺氧、热体克、内毒素、过氧化氢、细胞因子、紫外线、重金属和 NO等,这些诱导剂的共同特征是可以产生氧化应激。 目前有关 NO对 HO-1的诱导产生研究最多 , 多数的文献报道指出 NO作为一种经典的信号分子能够调节 HO-1基因的表达。但也有相反的报道显示

7、HO-1的产生为 NO非依赖性的 7 8 。这可能与其研究的模型和组织不同 NO的转录不同有关 , 其具体的机制有待于一步研究。HO-1 基因表达的调节 , 目前的研究表明 ,HO-1 基因表达的调控主要发生在转录水平 HO-1基因含有 4 个内含子和 5 个外显子 , 在 HO-1基因 5, 非转录区(UTR)即基因启动子区包含一些增强子和调节片段 , 包括激活蛋白 -1 结合位点、金属反应片段、 抗氧化反应片段、 热体克和血红素反应片段、 肿瘤基因杂二聚体结合位点、 GC box (Spl) 结合位点 , 转录因子如氧化应激反应转录因子 NF-B和 AP-1 等与这些特殊位点结合可导致 H

8、O-1基因激活。转录因子 AP-1 是一个对氧化还原敏感的转录因子 , 可以激活许多基因包括 HO-1的表达参与氧化应激的保护性反应 AP-1 在调节 HO-1基因转录中的作用最近才被研究证实 ,NF-E2 相关因子 2( Nrf2) 尤其重要在对 Nrf2 基因缺陷的巨噬细胞研究中发现 , 转录因子Nrf2 可与相关基因抗氧化反应成分相互作用 , 从而调节相关基因表达 , 在氧化应激诱导的细胞反应中起重要作用。小鼠 HO基因的增强子区域有一个 10bp 的序列 , 对于除缺氧以外的各种因子诱导的 HO基因表达十分必要 , 这一序列被称为应激反应成分 (StRE) 小鼠 StRE 区域包含有转

9、录因子 AP- 1 家族或转录因子的结合区 ,StRE 中 AP-1 结合区域基因突变将导致 HO基因表达失活 , 不受重金属、过氧化氢及 LP5 等的刺激 , 显示了 AP-1 蛋白在 HO-1基因表达调控中的作用。 此外还有 HO基因 DNA结合部位包括低氧介导因子 -1(HIF-1) 和介素 6(IL-6) 反应成分。HIF 是氧敏感基因的转录激话因子可结合小鼠 HO-1基因的缺氧反应成分。缺氧反应成分的突变将导致 HIF-1 结合的失败从而导致缺氧依赖性 HO基因表达的失话 , 表明激动子 HIF-1 参与缺氧诱导的 HO基因表达。IL-6 是已知的激话 HO基因转录的细胞因子中的一种

10、。研究证实 HO-1基因 5, 端的基因序列为 IL-6 的结合反应区域。HO-1 和信号转导 MAP激活酶 ( 有丝分裂原激活蛋白激酶 ) 是细胞外刺激通过激活转录因子调节基因表达的信号传导系统的重要激酶。据报道, 有三种MAP激酶亚家族 : 细胞外信调节激酶 (ERK), c-jun N末端激酶 ( JNK)和 p38 家族。ERK可被有丝分裂原激活参与细胞生长和增殖的调节 , 另外两种激酶与细胞内应激信号有关 , 因此又被称为应激激活的蛋白激酶。这几种激酶的作用底物及其激动因子有很大的重叠。 由于 MAP激酶和 HO-1均可被应激性刺激激活 , 并且磷酸化参与了 HO-1基因的诱导产生。

11、因此很容易理解 MAP激酶信号转导途径参与了HO-1基因的表达。Lu 等通过应用 ERK和 p38 通路的化学性阻断剂实验研究 , 报道ERK和 p38 通路组分的持续激活可导致 HO-1基因表达增加。 Furst R 等研究发现在培养的人脐静脉内皮细胞 , 水杨酸盐可以通过激活 JNK/AP-1 通路上调 HO-1 基因的表达。另有证据表明 MAP激酶途径也参与了 HO反应产物的激活。 CO作为HO-1分解血红素的一种产物 , 具有细胞保护、抗凋亡作用 , 是通过 MAP途径尤其是 p38 途径所介导的 11 。3 、 HO-1与 ALI 研究现状HO-1的抗氧化作用传统观念认为 , 胆红素

12、是人体内的一种有害物质。 但随着人们对 HO/CO-胆红素系统研究的不断深入 , 发现它不只是体内的代谢产物 , 在一定浓度下还是一种内源性强抗氧化剂具有抗氧化、 抗脂质过氧化、 保护细胞免受损伤及增强维生素 C 和 E 的抗氧化能力等作用。多种应激因素如过量血红蛋白、低氧、脓毒血症引起的急性中毒、 化学因素导致的 ALI 以及器官的缺血 - 再灌注损伤均可诱导 HO-1 产生。这些诱导产生的 HO-1 可增加细胞的抗氧化作用。 Jin aw 等12研究发现在 LPS 大鼠肺损伤模型中通过诱导肺组织加 HO-1表达能明显抑制 MDA、TNF-a、NO等, 减轻肺水肿、抑制脂质过氧化。HO-1

13、对 NF- 及细胞因子的影响NF- 是 DNA 结合蛋白 , 是重要的转录因子。 NF- 激活后能使多种细胞因子大量表达 , 因此在各种细胞外刺激介导的细胞信息的转导调控中起中心作用。当细胞受到早期反应细胞因子TNF-a、IL-1 和 LPS 刺激时 , 激活细胞内信号通道、 胞内信号识别和蛋白水解, 使得细胞核局部信息暴露, 激活 NF- 。活化的 NF- 与位于基因启动子和增强子的 序列位点发生特异性的结合。参与众多与免疫和炎症反应有关的基因的转录调控, 在一系列的由细胞因子、炎症介质及蛋白酶类参与AIL 的发病过程中发挥重要的作用。各种原因引起AIL均有大量细胞因子产生 , 如 TNF-

14、a、IL-1 、IL-6 、IL-8 等 , 这些细胞因子引起一系列的炎症级链反应 , 参与肺损伤过程。 Saski I 等13 研究发现失血性休克肺动物模型中 , 用精氨酸血红素诱导 HO-1 的表达能明显抑制 NF-kB 和 AP-1 从而减少肺损伤。Liu SH14等发现在内毒素肺损伤模型中吸入低流量的CO(*10-4V/V) 能明显诱导HO-1 mRNA表达 , 抑制TNF-a, IL-6, IL-10, MDA, MPO,及肺脏的细胞凋亡。提示HO-1表达增加对肺脏具有保护作用。HO-1对 NO 及合成酶的影响NO主要由血管内皮细胞产生, 血小板、巨噬细胞、中性粒细胞以及脑组织均含有

15、一氧化氮合成酶(iNOS ) 。生理浓度的 NO可维持血管的舒张状态。 因此 ,用于治疗持续性肺高压 , 慢性阻塞性肺疾病 , 肺血管收缩的 ARDS患者。然而 , 体内NO过多 , 也可产生一系列病理变化, 用内毒素刺激内皮细胞产生过量NO,可导致内皮细胞损伤和死亡。 iNOS作为一重要的促炎介质 , 其表达调控中最重要的是转录水平的调节。在正常生理情况下 ,iNOS 不表达或低水平表达。 在 ALI 病人 ,iNOS 在严格调控下的诱导表达对于补偿内源性 NO不足起重要作用 , 然而 , 一旦这种控制失效 ,iNOS 过量产生就会诱导大量 NO的产生。高水平的 NO发挥其自由基性质的细胞毒

16、作用 , 造成肺损伤。甚至血压下降和体克而危及生命。脂多糖致AIL时 iNOS mRNA表达也增强 , 其大量生成的 NO可与超氧阴离 (O-) 反应生成过氧化亚硝基阴离子 (CNOO-),其通过对肺泡表面活性物质 (PS) 及内皮的毒性作用损伤肺组织。 NO和 iNOS在肺损伤发病机制中具有重要作用。 HuangTY15等研究发现在脂多糖引起的大鼠肺损伤中 , 通过氯高铁血红素或高压氧诱导 HO-1的表达增加能明显抑制 iNOS表达减少 NO的产生。 Zhan Ly 等16 发现在内毒素肺损伤模型中 , 预先给赤芍能明显的诱导肺组织 HO-1的表达 , 从而抑制 iNOS表达 , 减轻肺损伤

17、。HO-1 对细胞凋亡影响细胞凋亡是细胞的一种程序性死亡过程, 在此过程中 , 特定的死亡信号通路被激活 , 导致细胞从组织中清除。 细胞凋亡的最终结果是导致DNA碎裂 , 细胞体积变小 , 凋亡的细胞被邻近的吞噬细胞吞噬。当细胞凋亡受到不适当的激活或抑制时 , 均可导致疾病的形成。目前认为主要有两类细胞凋亡与ALI 发病机制密切相关 , 即多形核中性粒细胞 (PMN)与上皮细胞的凋亡。关于前者, 研究人员认为PMN凋亡在炎症消退过程中发挥着重要作用, 在 ALI 发病过程中 ,PMN的凋亡以及凋亡细胞清除受到抑制都是不利的17 。人们观察到在 ALI 发病过程中 , 上皮损伤与可溶性介质导致的肺上皮细胞凋亡有关, 并猜测使用相关阻断剂对ALI 的治疗可能是有益的 18 。Otterbein 等在培养的大鼠成纤维细胞中加入 HO-1诱导剂可抑制由 TNF- 引起的细胞凋亡 , 而用 HO-1抑制剂可抑制 HO-1的抗凋亡作用。5 、问题与展望综上所述 ,HO-1 作为一种有催化活性的应激蛋白有着广泛的生物学活性 , 机体处于氧化应激状态时 ,HO-1 高效表达 , 保护机体免受损伤。所以 ,HO-1 在氧化应激中的作用值