血紅素氧合酶－1與缺血－再灌注損傷

曹學鋒 格日力

青海大學醫學院高原醫學研究中心中心，青海 西寧 810000

血紅素氧合酶 (HO)是生物體內催化血紅素分解代謝的限速酶。血紅素氧合酶－1(heme oxygenase－1，HO－1)在許多重要的生理和病理過程中起重要作用，氧化應激時對細胞組織發揮保護作用，減輕組織損傷。HO－1與缺血再灌注損傷的發生發展密切相關。本文就HO－1在缺血－再灌注損傷的發生發展的關系作一綜述。

1 血紅素氧合酶概述

1.1 血紅素氧合酶 (heme oxygenase，HO)

血紅素氧合酶存在于人類和哺乳動物體內，已發現3種HO的同工酶 ，分別為HO－1、HO－2和 HO－3。它們是不同基因編碼的產物，廣泛存在于哺乳動物的多數體細胞中。HO是血紅素降解的起始酶和限速酶 ，它能催化血紅素在體內氧化分解形成膽綠素、一氧化碳 (CO)和鐵(Fe2+)。膽綠素在體內立即被膽綠素還原酶作用生成膽紅素，而鐵離子誘導鐵蛋白的合成。

1.2 HO－1

HO－1即熱休克蛋白32(heat shock protein，HSP32)，又稱誘導型HO－1，是一種拮抗氧化應激的抗氧化酶，分子量為32 kD，廣泛分布于全身組織，尤其是單核細胞、巨噬細胞系統的微粒體中，以心、肺、腎、脾臟、肝臟、骨髓和網狀內皮細胞中活性最高。人HO－1大約有288個氨基酸，HO－1基因定位于人染色體22q12，HO－1基因含有4個內含子，5個外顯子［1］。HO－1能被各種引起細胞氧化應激的損傷因素所誘導，包括血紅素、高氧、缺氧、熱休克、內毒素、過氧化氫、細胞因子、紫外線、重金屬和一氧化氮(NO)等，這些誘導劑的共同特征是可以產生氧化應激。

HO－1是近年倍受重視的細胞內源性抗氧化酶，本質上屬于應激蛋白，能在各種氧化應激狀態下出現適應性表達，發揮抗自由基等多種細胞保護作用。HO－1的抗氧化性源于其對促氧化的游離血紅素的降解及生成具有強大抗氧化能力的產物膽紅素，后者能非特異性清除多種自由基［2］。

2 HO－1與缺血－再灌注損傷

缺血－再灌注損傷的發生機制主要方面是自由基的氧化損傷和鈣超載。在再灌注過程中，氧自由基增多，引起細胞膜、肌漿網上鈣離子通道的脂質過氧化，可導致Na+－K+－ATP酶失活，Na+和Ca2+交換增強，Ca2+內流，細胞內鈣超載，由此可以認為鈣超載也是自由基氧化損傷的結果。鈣超載引起細胞損傷，線粒體利用氧及合成ATP的能力進一步受損，同時無氧代謝產生的酸性產物大量蓄積，導致細胞內酶活性改變及維持跨膜離子梯度的能量缺乏。應用電子傳遞鏈復合物抑制劑，則可損害線粒體的電子傳遞鏈酶的活化，引起大量的氧自由基在線粒體生成［3］，包括超氧陰離子、羥自由基、過氧化氫和過氧亞硝酸鹽、NO等，其中超氧陰離子是其他ROS產生的基礎。

HO－1 mRNA和蛋白質在組織中的上調表達現在普遍被認為是氧化應激的標志，對氧化應激引起的細胞、組織損傷有保護作用。HO－1在視網膜中的上調表達可以對抗氧化應激對視網膜的損傷［4］。Lin等［5］的研究還在細胞核內發現了HO－1，并且認為這是HO－1在氧化應激時，在基因水平發揮信號轉導作用而起到細胞保護作用。

3 HO－1的代謝產物與缺血再灌注損傷

3.1 一氧化碳

CO是繼NO之后發現的另一種具有重要生理作用的氣體分子，具有調節血管張力、抑制血管平滑肌細胞增殖、抑制血小板聚集、抗細胞凋亡等效應。HO－1降解血紅素產生的CO，既往認為是有毒物質，現在發現同NO一樣，在細胞內能激活可溶性鳥苷酸環化酶，增加環鳥苷酸的合成，發揮信使分子作用［6］。劉少華等［7］的研究發現在脂多糖致肺損傷模型中大鼠吸入低劑量CO可以抗氧化應激、抗細胞凋亡、抗炎，上調HO－1，IL－10的表達，增加超氧化物歧化酶的活力。CO可以通過p38絲裂原活化蛋白激酶(mitogen－activated protein kinase，MAPK)和 caspase－3途徑抗細胞凋亡和減少缺血－再灌注損傷［8］。

3.2 膽紅素和膽綠素

膽紅素由于與新生兒黃疸有關，過去被視為有毒的代謝廢物。近年的研究發現它也是一種有效的抗氧化劑，正常生理水平膽紅素可有效保護細胞膜抵抗脂質過氧化，其抗氧化能力甚至超過了維生素E和維生素C，如HO－1源性的膽紅素可保護培養的內皮細胞免受過氧化硝基鹽引起的細胞凋亡［9］。Foresti等［10］在細胞培養液中加入膽紅素可明顯增強細胞抗氧化損傷能力。

3.3 鐵離子

過量的亞鐵離子 (Fe2+)有細胞毒性，可通過Fenton反應參與活性氧如超氧陰離子和過氧化氫的生成，而鐵蛋白的生成則有助于預防鐵介導的細胞毒性，一種觀點認為鐵明顯參與了HO的細胞保護作用，HO降解血紅素產生的鐵可誘導鐵蛋白生成，鐵蛋白作為一個“儲存庫”可限制鐵參與過氧化氫及超氧陰離子生成而可減少過氧自由基毒性反應，鐵蛋白中活性鐵的隔離可以使細胞從對氧化損傷的超敏狀態轉化為超抵抗狀態。有的實驗證實在HO－1被誘導而活性增高的同時，鐵蛋白的水平也同時升高;血紅素分解釋放的鐵也可能會減弱HO的細胞保護作用。

4 HO－1在缺血－再灌注損傷中可能的保護作用機制

目前對于HO－1抗氧化應激的確切機制還不清楚，現有的觀點如下:

4.1 抗氧化作用

HO－1及其催化血紅素分解的產物具有抗氧化作用。氧化應激時氧自由基產生增多，而涉及HO－1的氧化步驟要消耗3分子O2。因此，HO－1消耗氧分子將在氧化應激中通過減少氧自由基的產生來間接地提供細胞保護作用。另外，膽綠素和其還原產物膽紅素能清除活性氧，它們被認為是內源性抗氧化劑，可以保護細胞抵抗氧化損傷。有報道顯示，膽紅素在各種疾病，包括阿爾茨海默病、缺血－再灌注損傷、冠狀動脈疾病中都有抗氧化的作用。鐵是HO－1催化血紅素分解的又一產物 ，它能誘導鐵蛋白的合成，后者可減少活性氧的產生。劉少華等［7］實驗發現CO可以減少ROS和游離鐵的形成。

4.2 抗凋亡

缺血－再灌注時引起細胞線粒體受損，細胞氧化磷酸化產能減少，肝細胞生物膜損傷;鈣超載觸發細胞凋亡;線粒體功能受損還使得氧自由基增多，導致DNA、蛋白質、脂膜的氧化損傷，從而導致細胞凋亡。

近年來發現，氧化應激與細胞凋亡有密切的聯系，細胞凋亡可能在氧化應激損傷中起重要作用。ROS可啟動一個鏈式反應，易與細胞膜上的各種不飽和脂肪酸及膽固醇反應，這種直接作用于細胞的氧化損傷能導致細胞凋亡。大量的證據顯示，HO－1過表達及其代謝產物對氧化應激的保護作用伴有凋亡的降低。趙卉等［11］的實驗研究認為膽紅素可以抑制大鼠肺缺血－再灌注損傷引起的細胞凋亡 ，減輕肺損傷。HO－1的抗細胞凋亡可能機制:①介導 p21的表達:p21蛋白是一種細胞周期蛋白依賴性激酶抑制物 ，為DNA損傷和細胞分化的通用生長抑制物。Inguaggiato等研究發現在HO－1基因表達上調的細胞中p21 mRNA和蛋白量明顯增加。p21可抵御不同的促凋亡刺激 ，它能與細胞周期蛋白依賴激酶結合并抑制其活性，使細胞周期停滯在G1期。②上調抗凋亡蛋白的表達:抗凋亡蛋白Bcl－2是Bcl－2蛋白家族中的一員，通過調節與內質網相關的鈣離子流動而抑制細胞凋亡。在 HO－1表達上調的細胞中Bcl－2明顯增加，而 HO－1抑制劑鋅原卟啉 (Zn－PP)可抑制 Bcl－2的表達。Lin等［12］發現HO－1能上調Bcl－2蛋白，并且認為是CO上調了Bcl－2蛋白的表達，下調促凋亡基因如Fax和Bax的表達。③NF－κB與MAPK信號轉導途徑的參與:鐵離子可以通過p38MAPK途徑來抗細胞凋亡。Soares等［13］研究了HO－1氧化產物 CO抑制內皮細胞凋亡的分子機制 ，結果表明CO的抗凋亡效應是通過p38 MAPK信號轉導途徑，NF－κB以及 NF－κB依賴的抗凋亡基因亞群的表達而介導的。Choi等［14］的研究表明T細胞過表達HO－1可抵抗Fas介導的凋亡是通過NF－κB的激活而介導的。但HO－1對細胞凋亡的調節是否具有細胞特異性，其防御凋亡的具體機制是什么，目前尚未明確。

4.3 抗炎

發生缺血－再灌注損傷及排斥反應時，促炎分子引起的級聯反應可嚴重損害組織器官，產生的過多血紅素將增加血管通透性，趨化中性粒細胞聚集，上調細胞間粘附分子－1(ICAM－1)、P選擇素等內皮粘附分子的表達;HO－1則通過下調粘附分子及趨化分子表達抑制炎癥細胞粘附。HO－1和CO都能下調巨噬細胞源性促炎分子如腫瘤壞死因子α(TNF－α)等的表達，促進產生抗炎分子白細胞介素10(IL－10)，這是通過活化 p38MAPK而不是cGMP途徑實現的。有研究表明，HO－1缺陷患者或HO－1基因缺陷小鼠常發生慢性非特異性炎癥改變 ，如脾腫大，肝、腎炎癥等，當用抗CD3單克隆抗體或抗CD28單克隆抗體刺激小鼠脾細胞后，TH1型細胞因子遠較HO－1陽性基因正常小鼠產生多，說明免疫細胞表達HO－1將產生抗炎作用［15］。Yamashita等［17］發現 ，膽綠素可誘導同種異體小鼠移植心臟的特異性耐受，減少移植物CD4+及CD8+T淋巴細胞浸潤。

4.4 改善微循環，抗血栓形成

缺血－再灌注損傷引起的微血管血栓及排斥反應破壞了移植部位的微循環。內皮來源的CO作用于毗鄰的平滑肌細胞，激活鳥苷酸環化酶，升高細胞內cGMP，從而舒張微血管平滑肌 ，增加血流量。CO還具有抑制血小板活化、聚集所致的血栓形成活性 ，其機制依賴于 cGMP及p38MAPK途徑。當用 HO－1抑制劑錫原卟啉 (SnPP)組阻斷HO－1活性，小鼠到大鼠的心臟移植在3～7d后即出現排斥反應，表現為微血管血小板積聚，冠狀動脈血栓形成、心肌梗死和內皮、心肌細胞凋亡，而同時吸入CO組則上述改變輕微 ，說明 HO－1改善微循環主要由CO介導。對CO的保護作用及其機制的進一步研究將有可能發現治療與缺血－再灌注有關的疾病新手段。

迄今為止，HO－1已被發現對多種疾病具有保護作用，HO－1這種保護作用機制無疑與它在體內催化分解的各種代謝產物有關，其中CO與膽紅素可能具有協同作用，鐵的具體作用目前很難定論。對HO－1及其保護機制的透徹了解將有助于設計治療缺血－再灌注損傷新的治療方案，以開發出有效的臨床治療用藥，這無疑對目前許多與缺血－再灌注損傷相關疾病的預防和治療具有重大的意義。

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