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血红素氧合酶-1与急性肺损伤

2015-02-18 01:23 毕业

血红素氧合酶-1与急性肺损伤
海辉 陈淼
遵义医学院附属医院麻醉科
血红素氧合酶-1(hemeoxygenase-1,HO-1)是1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1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1,尤其是其组织器官的保护作用已逐渐成为目前研究的1个热点,本文阐述
HO-1与急性肺损伤(acute lung injury,ALI)的研究进展.
1,HO–1的生物学特性
HO–1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,在网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4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,低氧等应激状态均可使细胞内HO-1的活性上调[1].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1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Ⅱ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

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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[2],HO-1的体内外诱导均
能提供抗氧化应激的保护作用,Grosse等[3]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[4] 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
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断,热应激增加HO-l mRNA 和蛋白质表达,但该作用不被亚甲蓝阻断[5].
2,HO-1基因的诱导产生,表达调节及信号传导
2.1 诱导HO-1表达的分子调节机制10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GT2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-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[6].这些诱导剂包括血红素,高氧,缺氧,热体克,内 （科教范文网http://fw.nseac.com）
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1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1步研究.
2.2 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
1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2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-κB和AP-1等与这些特殊位点结合可导致HO-1基因激活.转录因子
AP-1是1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[9].小鼠
HO基因的增强子区域有1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10分
必要,这1序列被称为应激反应成分(StRE)小鼠StRE区域包含有转录因子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

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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1种.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.
2.3 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3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.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[10]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1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
3.1 HO-1的抗氧化作用
传统观念认为,胆红素是人体内的1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1定浓度下还是1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[5].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 （科教作文网 zw.nseac.com整理）
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.
3.2 HO-1对NF-кβ及细胞因子的影响
NF-кβ是DNA结合蛋白,是重要的转录因子.NF-кβ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-1β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-кβ.活化的NF-кβ与位于基因启动子和增强子的кβ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1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-a,IL-1,IL-6,IL-8等,这些细胞因子引起1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 SH[14]等发现在内毒素肺损伤模型中吸入
低流量的CO(2.5*10-4 V/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.
3.3 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1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1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1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 （科教作文网http://zw.ΝsΕAc.com发布）
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, 1
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.HuangTY[15]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.
4.3 HO-1对细胞凋亡影响
细胞凋亡是细胞的1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-α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1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

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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得进
1步研究.随着研究的不断深入,HO-1的作用机制日渐明朗,将可能开辟1个新的药物研
究领域, 如用"非应激"刺激物在体内诱导HO-1基因表达可能是今后治疗性干预氧化性损
伤的新的有开发前景的方法,如水杨酸盐可以通过激活JNK/AP-1通路上调HO-1基因的表达.
赤芍,阿司匹林等可诱导HO-1在肺组织细胞和培养的内皮细胞上表达, 并已显示HO-1具
有保护内皮细胞对抗TNF-α介导的细胞毒性以及肺组织细胞对抗氧化应激引起的缺血再
灌注损伤等作用.但尚需深入研究调控各种刺激因素诱导HO-1 基因转录与表达的分子学机
制及其意义.