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NOX在糖尿病肾病氧化应激损伤过程中的作用

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NOX在糖尿病肾病氧化应激损伤过程中的作用 15 ●专题笔谈 ●《中国医学前沿杂志(电子版)》2012年第4卷第9期 NOX在糖尿病肾病氧化应激损伤过程中的 作用 朱斌1,2,李平1,张浩军1,赵婷婷1(1.中日友好医院 临床医学研究所药物药理室,北京 100029;2. 中国医学科学院北京协和医学院 药理系,北京 100021) 基金项目:国家自然科学基金项目(No.81173422),国家国际科技合作专项(No.2011DFA31860) 通讯作者:李平 Email:lp8675@yahoo.com.cn 氧化应激是指机体活性氧(reactive ox...
NOX在糖尿病肾病氧化应激损伤过程中的作用
15 ●专题笔谈 ●《中国医学前沿杂志(电子版)》2012年第4卷第9期 NOX在糖尿病肾病氧化应激损伤过程中的 作用 朱斌1,2,李平1,张浩军1,赵婷婷1(1.中日友好医院 临床医学研究所药物药理室,北京 100029;2. 中国医学科学院北京协和医学院 药理系,北京 100021) 基金项目:国家自然科学基金项目(No.81173422),国家国际科技合作专项(No.2011DFA31860) 通讯作者:李平 Email:lp8675@yahoo.com.cn 氧化应激是指机体活性氧(reactive oxygen species,ROS)产生过多或机体抗氧化能力降低, 从而导致潜在病理损伤的过程,早在1956年人们 已经认识到ROS可以对老化细胞产生毒性作用[1]。 ROS主要包括氧自由基和非自由基的含氧产物, 如超氧阴离子(O2 -)、羟自由基(•OH)和过氧 化氢(H2O2)等。生理状态下机体ROS的产生与 抗氧化系统保持动态的平衡,适量的ROS可以杀 灭细菌及清除白细胞,在宿主的主动防御中起到 了积极的作用。当高血糖、缺血再灌注,炎症等 情况下,ROS的产生增多,或当机体的抗氧化系 统受损,ROS的产生和机体的抗氧化能力之间的 平衡被打破时,产生氧化应激,造成组织与多器 官的损伤。 尼 克 酰 胺 腺 嘌 呤 二 核 苷 酸 磷 酸 氧 化 酶 (nicotinamide adenine dinucleotide phosphate oxidase,NADPH oxidase,NOX)是人类发现 的第一个主要产生ROS的酶,也被称为ROS产 生的“心脏” [2]。体内多种因素如糖代谢紊乱、 内皮型一氧化氮合酶(endothelial nitric oxide syn thase,eNOS)解偶联,糖基化终末产物 (advancedglycation end products,AGEs)、血管 紧张素Ⅱ(angiotensin Ⅱ,Ang Ⅱ)等均可以引 起NOX的达升高,从而造成细胞和组织的氧化 应激损伤。肾脏是对氧化损伤敏感的器官之一, ROS在糖尿病肾病的发展过程中起到重要的作 用。研究发现过量的ROS可以造成肾小球足细胞 的永久性损伤,引起蛋白尿的产生;还会影响到 肾脏的血流动力学改变,引起肾小球毛细血管通 透性的改变;同时还会刺激细胞外基质的过度增 殖,造成肾小球肥大[3]。因此本文拟对NOX在糖尿 病肾病发病过程中的作用进行探讨。 1 NOX过表达引起体内O2 -水平升高 NOX是细胞内一组具有氧化活性的蛋白, 其主要生物学功能是产生ROS,它参与信号转 导、天然免疫和激素合成等许多生物学功能[4,5]。 研究发现NOX是由多种亚单位组成的具有6个α 螺旋跨膜结构域的酶复合体,在其第3和第5次跨 膜结构域分别存在两个可以与亚铁血红素紧密结 合的保守组氨酸,同时该部位也是氧原子的结合 位点;而在细胞基质中存在黄素腺嘌呤二核苷酸 (flavin adenine dinucleotide,FAD)和还原型辅酶 Ⅱ(nicotinamide adenine dinucleotide phosphate, NADPH)的结合位点[6]。研究发现NOX主要由存 在于细胞膜的p22phox,gp91phox以及存在于胞 浆中的4个亚基p47phox、p67phox、p40phox和小 GTPase(Rac1、Rac2)所构成。当细胞受到外来 刺激时,细胞中的p47phox、p67phox、p40phox 16 ●专题笔谈 ● 《中国医学前沿杂志(电子版)》2012年第4卷第9期 和Rac1亚基就会向细胞膜转位,与p22phox和 gp91phox结合从而导致了ROS的产生[7]。目前发 现动物体内主要存在着两类结构相似但功能不同 的NOX,其一存在于中性粒细胞中,与宿主非 特异性防御关系密切。生理状态下,该酶存在于 静息状态的细胞中,一旦受到外界刺激,可以迅 速激活,并导致肉芽肿的形成;另一类即是存在 于非吞噬细胞中的NOX(non-phagocytic NADPH oxidases),并且近年来随着研究的深入,非吞噬 细胞中的NOX越来越引起人们的重视[8]。在生理状 态下,非吞噬细胞中的NOX可以在细胞内持续不 断地产生少量的O2 -,可以作为体内氧化还原反应 的第二信使,与细胞增殖、凋亡、迁移等关系密 切。一旦刺激超过细胞阈值,NOX就会催化O2生 成O2 -,在经过多种途径衍生成H2O2、OH -及其他 超氧分子,造成组织的过氧化损伤。 研究发现gp91phox是NOX最主要的亚基之 一,并且是NOX活性亚基。gp91phox氨基端的 300个氨基酸残基可形成6个跨膜的α螺旋,而羧 基端的胞浆部分则构成FAD和NADPH的结合位 点 [9]。动物体内gp91phox存在7种同源结构,根 据这7种不同的结构可以将NOX分别命名为: NOX1(MOX1)、NOX2(gp9lphox)、NOX3、 NOX4(Renox)、NOX5、Duox1和Duox2[10]。虽 然都属于NOX家族,在ROS的产生过程中发挥了 重要的作用,但这7个同源异构体也存在不同之 处:NOX1~5是分子量为65 KD的核心蛋白,而 Duox1,Duox2的分子量则为175~180 KD;同时 NOX1~4缺乏细胞外功能区域,而NOX5则具有 EF-hand和Ca离子结合位点。DUOX1,DUOX2具 过氧化物酶的结合位点,其结构与gp91phox相似[11]。 除此之外这7种同源结构在体内的分布也具有组 织特异性。现已证实NOX1主要在平滑肌中高表 达,NOX2则主要分布在内皮细胞和吞噬细胞中。 NOX1/NOX2则主要调节血液、炎症和细胞生长; NOX3在胚胎肾和人耳中高表达,与人体的平衡觉 和听觉关系密切;NOX4主要在人体肾皮质表达, 与细胞的分化联系紧密。NOX5则主要分布在免 疫淋巴组织与内皮细胞[12]。而Duox1和Duox2则主 要与甲状腺的合成关系密切[13]。在这7种NOX中, NOX4由于广泛分布在肾脏血管、系膜细胞、肾小 管、足细胞中,因此被认为与肾脏病的发展关系 密切。在糖尿病肾病患者体内NOX4被持续激活, 产生大量H2O2 [14]。 在糖尿病肾病的发病过程中,NOX的过度 表达是造成肾脏系膜细胞基质聚集、肾脏纤维 化、足细胞损伤的主要原因之一。Eid AA等[15]证 实高糖促进NOX1和NOX4的表达升高,引起足 细胞的氧化应激损伤,从而导致蛋白尿的产生。 Liu GC等[16]发现敲除p47(phox-/-)后,小鼠糖耐 量明显提高,并且肾脏氧化应激损伤,系膜细胞 增生及肾小球肥大等病理改变明显减轻。Satoshi Kinugasa等[17]证明体内ROS过量表达可以导致肌 动蛋白降解从而会引起足细胞的损伤,增大裂隙 膜,导致蛋白的漏出,而通过抑制NADPH亚基 p47phox和p67phox,则可以有效减少蛋白尿和延 缓糖尿病肾病进展。Hwang I等[18]研究证实血浆游 离脂肪酸可以促进体内ROS的表达,而过氧化氢 酶和乙酰半胱氨酸则可以有效降低ROS的表达, 并对肾脏起到一定的保护作用。Persson P等[19]证 实,抑制肾脏NOX表达,可以有效提高肾小球滤 过率,降低肾皮质和髓质的耗氧量,同时还可以 促进肾小管对Na+的排出,有效保护肾功能。 2 eNOS解偶联促进肾脏病的发展 体内所有的一氧化氮合酶(n i t r i c o x i d e synthases,NOS)具有相同的结构,均是由可以结 合NADPH,黄素单核苷酸(flavin mononucleotide, FMN)和FAD的C端还原酶结构域和作为加氧酶 结构域的N端组成的。研究发现单体NOS不存在 生物活性,只有当两个NOS单体形成二聚体时, NOS才会被活化 [20]。作为体内NO合成过程中重 要的催化物质,NOS广泛存在于各种类型的细胞 中。目前已确定3种亚型,分别为神经元型NOS (neuronal nitric oxide synthase,nNOS),诱导型 NOS(inducible nitric oxide synthase,iNOS)和内 皮型NOS(eNOS),其编码基因分别定位于12、 17和7号染色体上 [21]。三种NOS亚型在人体的分 布各不相同,eNOS主要分布在血管内皮细胞中, 17 ●专题笔谈 ●《中国医学前沿杂志(电子版)》2012年第4卷第9期 nNOS则广泛分布在致密斑中,iNOS只少量分布 在肾脏远曲小管中 [22]。在生理状况下,nNOS和 eNOS产生少量的NO,分别起神经递质和扩张血 管的作用。病理状态下,如高血糖与炎性因子的 刺激下,可以导致eNOS的解偶联与iNOS的大量产 生,从而产生过量的NO•,通过和由NOX所产生 的O2 -结合,从而形成具有高度活性和毒性的过氧 亚硝酸盐和氧亚硝酸,这些过氧化物可以和蛋白 结合形成硝基酪氨酸,从而对组织和细胞造成损 害[23]。 糖尿病肾病的发病过程中,eNOS的解偶联与 糖尿病肾病的氧化应激损伤关系密切[24]。Huifang Cheng等[25]通过体内和体外研究发现糖尿病肾病发 病过程中,eNOS表达量减少会直接导致系膜细胞 增生与基底膜增厚,而通过外源性给入eNOS的前 体物质,可以有效缓解ROS所致的肾损害。四氢 生物蝶呤(tetrahydrobiopterin,BH4)对于eNOS 生物功能的发挥起着至关重要的作用。BH4可以 提供电子给加氧酶的铁氧复合物从而使eNOS保持 稳定,在这一反应中转变为质子化的BH4可以迅 速被从黄素类一氧化氮合酶转移来的电子还原, 当BH4生成不足时,黄素类一氧化氮合酶电子传 递链与L-精氨酸氧化脱偶联,从而导致了NOS生 成O2 -,而不是生理状态下的NO,同时BH4也被氧 化成BH2。近年来的研究发现BH2与BH4对eNOS 具有相同的亲和性,糖尿病肾病患者BH2表达升 高,这也是导致BH4与eNOS解偶联的原因之一[26]。 Minoru Satohd等[27]发现BH4含量减少,可以引起肾 小球内eNOS解偶联与NOX表达升高,从而造成肾 小球的氧化应激损伤。 3 AGEs刺激NOX的表达 晚期AGEs是非酶糖化反应的终末期产物, 生理状态下人体内存在少量的AGEs,可以通过肾 脏清除体外,高血糖则能明显加速体内AGEs的形 成。肾脏的血管、肾小球基底膜、系膜等结构含 有大量胶原蛋白,易形成AGEs,使得肾脏更易受 到AGEs的损害[28]。体内AGE过量可以促进血管内 O2 -的表达,从而造成血管内皮细胞的氧化应激损 伤。肾脏组织内的AGE及其受体RAGE过表达,可 以激活PKCα,从而能导致P47phox的磷酸化,引 起NOX表达上调,最终导致过量ROS的产生[29]。 糖尿病患者,肾脏组织内过量葡萄糖可以自身氧 化,在代谢应激和蛋白非酶促糖基化形成AGEs的 过程中即可释放大量的ROS,而AGEs又可通过与 细胞表面的特异性受体结合使细胞内产生大量的 ROS,加重糖尿病肾病的进展[30]。Christos Tikellis 等[31]研究发现,AGE及其受体可以诱导体内NOX 的活化从而导致组织氧化应激损伤。Xue Gao等[32] 研究发现AGE/RAGE可以提高NOX亚基NOX-2, p22phox和p40phox的表达,从而引起了血管内皮 细胞的氧化应激损伤。 4 Ang Ⅱ促进NOX表达 肾素血管紧张素醛固酮系统(renin-angiotensin- aldosterone system,RAAS)是由一系列多肽蛋白 和酶组成,主要包括血管紧张素原、肾素、血管 紧张素转化酶(ACE)、血管紧张素Ⅰ、血管紧 张素Ⅱ及其受体等[33]。RAAS过度激活可以导致 血管结构和功能损伤。其中由球旁器所分泌的肾 素经过ACE剪切后形成的Ang Ⅱ在高血糖所导致 的血管氧化应激损伤中发挥着重要的作用。Ang Ⅱ也可以直接刺激NOX多个亚基的激活,导致细 胞内ROS和H2O2的产生,并引起线粒体内ROS的 积聚[34]。而采用血管紧张素受体拮抗剂(ARB) 或者血管紧张素转化酶抑制剂(ACEI)类药物可 以有效降低体内的氧化应激水平,并且抑制肾脏 NOX的表达[35]。 早在1957年人们就提出抑制肾素的分泌可以 缓解RAAS系统的过度激活对肾脏的损害[36]。研究 发现Ang Ⅱ可以通过G蛋白偶联受体激活NOX1, 从而引起内皮细胞功能紊乱[37]。Puvi N. Seshiah 等[38]发现Ang Ⅱ可以上调NOX的表达,从而造成 血管内皮细胞O2 -,H2O2含量增高,引起血管内皮 细胞氧化应激损伤。肾脏足细胞是Ang Ⅱ的靶细 胞,通过增加足细胞内Ca+含量与促进氧化应激可 以导致足细胞的不可逆的损伤,从而造成了大量 蛋白的漏出[39]。Kinoshita Y等[40]发现通过ARB阻 断血管紧张素受体Ⅱ,可以减少肾小管NOX的表 达,有效缓解肾小管的氧化损伤。Gandhi S等[36] 18 ●专题笔谈 ● 《中国医学前沿杂志(电子版)》2012年第4卷第9期 发现采用阿利克仑和奥美沙坦联合可以显著抑制 大鼠RAAS的过度激活,降低大鼠NOX的过度表 达,对肾脏具有明显的保护作用。近年来研究发 现血管紧张素还可以下调内皮细胞二氢叶酸还原 酶(DHFR)的表达,引起BH4生成减少,直接导 致了eNOS的解偶联,加重肾脏损伤[41]。 5 结语 高血糖引起的氧化应激在糖尿病肾病的发 生、发展过程中起到重要的作用。在高糖环境 下,机体一方面清除氧自由基的酶活性降低,另 一方面体内的氧化应激作用增强,造成了体内大 量活性氧自由基的积聚,导致活性氧连锁反应, 从而促进糖尿病肾病及其他并发症的发生和发展[42]。 NOX作为体内产生O2 -的主要来源,对于糖尿病肾 病的干预治疗起到关键作用。目前对于糖尿病肾 病氧化应激损伤尚无效果理想的干预,且由 于线粒体蛋白糖基化,引起细胞对高血糖的记忆 效应,因此在糖尿病肾病的治疗过程中,应该更 加强调在糖尿病初期进行严格的血糖控制和有效 的生活方式干预,抑制过氧化物的产生,减轻肾 脏的氧化应激损伤。 参考文献 [1] Bedard K, Krause KH. The NOX family of ROS-generating NADPH oxidases: physiology and pathophysiology[J]. Physiol Rev, 2007, 87(1):245-313. [2] 张海燕,姜宗培,余学清.DADPH氧化酶在糖尿病肾病 中作用的研究进展[J].国外医学(内科学分册),2006, 33(5):191-214. [3] 王艳桥,徐向进,陈频.氧化应激研究进展及其在糖尿 病肾病发病中的作用[J].医学综述,2010,16(11): 1681-1683. 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