血红素加氧酶_1可能的视网膜视神经保护作用_顾瑞平

Chin J Ophthalmol and Otorhinolaryngol，May 2013，Vol 13，No． 3 ·综 述· 血红素加氧酶 -1 可能的视网膜视神经保护作用 顾瑞平 姜春晖 【摘要】 血红素加氧酶(HO)是血红素代谢途径中的限速酶，在体内分布广泛。该代谢不仅清除机体内 细胞毒性的血红素，其伴随产物一氧化碳、胆绿素、铁 /铁蛋白均在机体发挥重要的抗氧化、抗凋亡、抗炎症等效 应，因此 HO系统作为机体重要的防御系统被人们认识。视网膜组织中 HO 含量丰富，可以减轻视网膜组织对 光刺激、缺血缺氧、氧化应激等危险因素的损伤，本文主要探讨 HO-1 可能的视网膜视神经的保护作用。 作者单位:复旦大学附属眼耳鼻喉科医院眼科 上海 200031 通讯作者:姜春晖(Email:chhjiang70@ 163． com) 视网膜组织中血红素加氧酶(heme oxygenase，HO)含量丰 富，可以减轻视网膜组织对光刺激、缺血缺氧、氧化应激等危险 因素的损伤，本文总结近年来发的相关文献，综述 HO-1 可能 的视网膜视神经保护作用及作用机制。 1 HO-1代谢活性 HO是血红素代谢途径的限速酶［1］，使血红蛋白或者其他 含有血红素蛋白质中的血红素降解成胆绿素。该反应中，HO、 胆绿素还原酶、NADPH-细胞色素 P450 还原酶形成复合物，在 NADPH-细胞色素 P450 提供电子的情况下，催化血红素降解为 胆绿素，同时释放铁(iron，Fe)、一氧化碳 (carbon monoxide， CO) ，胆绿素经胆绿素还原酶催化为胆红素。该反应不仅清除 具有氧化活性的血红素，同时代谢生成的胆绿素、Fe、CO 均被 证实在机体发挥重要的抗氧化、抗凋亡、抗炎症活性。 2 HO-1的分布和表达 迄今为止，已经发现了 3 种 HO 同工酶。HO-1 为诱导型， 在脾脏、骨髓、肝脏、视网膜、肺、胃肠道、肾脏等部位均有分 布［2］。HO-1 在视网膜含量也非常丰富，在视网膜色素上皮细 胞［3］、米勒细胞［4］、小胶质细胞、神经元等均发现 HO-1 的表 达［5］。HO-2 和 HO-3 为结构型蛋白，其表达不会被诱导，主要 分布在肝脏、脾脏。 HO-1 由 288 个氨基酸构成，组氨酸-25 是含铁血红素结合 位点，该位点的双螺旋结构域形成套样结构［6］。各种 HO-1 诱 导因素，如氧化活性产物(reactive oxygen species，ROS)、LPS、血 红素、重金属离子、氧化活性物质、血管内皮细胞生长因子 (vascular endothelial cell growth factor，VEGF)等与细胞膜上相 应的受体结合后，激活蛋白质磷酸化信号通路丝裂原活化蛋白 激酶(mitogen activated protein kinases，MAPKs)［7］或磷酸肌醇 3- 激酶(phosphatidylinositol 3-kinase，PI3K)［8］、蛋白激酶 C(protein kinase C，PKC)等，使具有 SH结构域的 keap1蛋白磷酸化而与 核转录因子 E2 相关因子(NF-E2 related factor-2，Nrf2)解离。游 离的 Nrf2 具有转录活性，进入细胞核取代和 HO-1 转率调控基 因 StRE结合的 Bach1 蛋白后，启动 HO-1 基因转率［9］。同时研 究发现，白细胞介素 10(interleukin-10，IL-10)、VEGF 等可以直 接与细胞膜信号转导子和转录启动子(signal transductors and activator of transcription，STAT)受体结合，由 STAT 直接上调 HO-1 的表达［10］。LPS 等被证实也可以通过与 TLR-4(toll-like receptor 4)结合上调 HO-1 表达［11］。 3 HO-1的视神经保护功能 HO-1 对视网膜的保护功能跟其分解血红素为胆绿素，同 时产生 CO、Fe密切相关，因为 3 种产物均发挥重要、独特的视 神经保护功能，下面将分别从 3 种产物角度，阐述 HO-1 的保护 机制。 3． 1 CO与视网膜的保护功能 机体内的 CO主要靠 HO代谢 血红素产生，大量的实验表明 CO 作为细胞信使分子通过信号 转导发挥重要的抗氧化、抗增殖、抗凋亡、抗炎症、扩张血管改 善组织缺氧等功能。 HO-1 来源的 CO 激活血管平滑肌细胞的鸟苷酸环化酶 (guanylate cyclase)生成大量的 cGMP 来调节血管舒张，也可以 激活钙依赖性的钾离子通道扩张血管［12］。组织结构和生理功 能与血管相似的小梁网房水引流系统的舒张也受 HO-1 /CO 系 统调节。α-糜蛋白酶和倍他米松诱导的高眼压可以被 HO-1 缓 解，而实验发现水溶性 CO 释放分子(CO-releasing compounds， CORMs)前房给药可以模拟 HO-1 降眼压功能，提示 HO-1 的降 眼压功能是通过代谢产物 CO实现的［13］。 HO-1 /CO系统在视网膜主要通过 p38MAPK途径激活核转 录因子(nuclear factor kappa-B，NF-κB)调节炎症、凋亡、氧化相 关的细胞因子，而发挥抗凋亡、抗炎症、抗氧化功能。HO-1 转 基因小鼠与野生型小鼠相比，在视网膜缺血再灌注损伤中，视 网膜神经节细胞(retina ganglia cell)死亡率在 1、2、3 周平均下 降 15%［14］。视网膜缺血再灌注后 6 h，HO-1 的表达开始上调， 24 h 达到高峰［4，14］。钴卟啉(cobalt protoporphyrin IX，Copp， HO-1诱导剂)腹腔给药可诱导视网膜 HO-1 表达，同时上调视 网膜组织中 IL-10，Bcl-2，Bcl-XL，p53 而下调 TNF-α，caspase-3， p53，NF-KB，ICAM-1，VCAM-1，GM-CSF 等因子，显著减轻视网 膜缺血再灌注损伤，卟啉锌、卟啉锡(Znpp、Snpp，HO-1 抑制剂) 或 SiRNA干扰 HO-1 表达后，视网膜缺血缺氧性损害加重［15］。 腺病毒介导 HO-1 转染神经节细胞后，神经节细胞抗氧化、抗缺 691 中国眼耳鼻喉科杂志 2013 年 5 月第 13 卷第 3 期 血缺氧能力显著提高［16］。HO-1 对视网膜的保护功能可以被内 源性 CO替代。法国学者 Szabo等将富含黄酮类化合物的酸樱 桃种子喂养大鼠诱导生成内源性 CO 可以发挥 HO-1 样视网膜 抗氧化、抗凋亡、抗炎症能力［17］。HO-1 /CO 系统还可以抑制 caspase-3 等凋亡相关因子减少视网膜脱离后感光细胞的凋亡， 减少光损伤对视网膜色素上皮细胞的损害等［18］。 3． 2 胆绿素胆红素保护功能 胆绿素是 HO 分解血红素后产 生的可溶性绿色色素，在胆绿素还原酶的作用下转换为胆红素 并分泌到细胞外，进入血液循环与白蛋白结合在肝脏代谢。 1979年首先发现了胆红素能摄取有机溶剂中的1 O2而认为其具 有抗氧化能力。越来越多的实验证实胆绿素是 HO 血红素代 谢途径中最强大的代谢活性产物，保护组织的氧化和炎症 损伤。 胆绿素对眼睛的保护研究尚少。2011 年 Bellner 等［19］对 局部角膜给胆绿素处理角膜伤口，发现胆绿素可以促进角膜愈 合，减少炎症反应，抑制血管新生等。HO基因缺陷小鼠相比之 下角膜伤口愈合缓慢，炎症反应严重，而外源性胆绿素可以显 著改善这一局面。在大鼠大脑中动脉缺血再灌注损伤模型中， 高胆红素血症与对照组相比，显著减轻神经元的缺血再灌注 损伤［20］。 3． 3 HO来源铁离子及转铁蛋白保护功能 HO分解血红素释 放的铁离子，可以通过加速脂质过氧化物反应链、催化一氧化 氮(NO)依赖亚硝基硫醇反应等加速细胞生成 ROS。而近年来 发现，HO来源的铁离子在细胞内发挥重要的抗凋亡、抗氧化等 功能。 HO分解血红素，释放出血红素活性中心的 Fe 及与 Fe 调 节蛋白(iron regulation protein，IRP)结合，使得 IRP 与 Fe 蛋白 mRNA解离，Fe蛋白 mRNA才得以翻译。血红素预处理血管内 皮细胞后，细胞抗氧损伤能力上调，伴随 HO-1 和 Fe 蛋白表达 上调。Fe蛋白作为细胞的一种保护分子在体外实验被证实，认 为铁离子诱导生成的 Fe蛋白在 HO 依赖的细胞保护中占有重 要比例。腺病毒诱导大鼠 Fe 蛋白重链高表达后，Fe 蛋白通过 减少细胞凋亡，减轻肝脏缺血再灌注损伤以及肝移植后组织损 伤。视网膜中，Fe蛋白分布广泛，免疫组化证实 Fe 蛋白重链、 轻链贯穿视网膜全层，以视网膜色素上皮层最为丰富，其次为 感光细胞内节、外核层、外丛状层，内丛状层也有少量分布。 2011 年 Picard等［21］用野生型 HFt + / +和杂合子 HTt + /-小鼠光刺 激 24 h后，HTt + /-小鼠出现显著的氧化损伤易感性，表现为视 网膜凋亡细胞增多、外核层变薄、小胶质细胞和 Muller 细胞激 活。视网膜光刺激 2 h 后，Fe 蛋白的 mRNA 上调，12 h 后开始 下降，同时伴随 HO-1mRNA的上升。基因水平发现，Fe 蛋白重 链基因与 HO-1 类似，其基因序列的抗氧化反应控制元件对氧 化活性物质敏感，在促进 Fe蛋白重链的表达同时抑制 HO-1 转 录和翻译［22］，形成 HO-1 和 Fe 蛋白的负反馈调节。而游离的 铁离子则可以通过激活 P38MAPK途径活化 NF-κB发挥抗凋亡 功能，铁离子的抗凋亡功能能被铁离子螯合剂终止［23］。铁离 子螯合剂或铁离子调节相关蛋白在年龄相关性黄斑变性、糖尿 病视网膜病变、视网膜出血等疾病中提供了良好的治疗前景。 4 结语 HO系统是机体防御体系的重要组成部分。血红素、缺血 缺氧、射线损伤、氧化应激、重金属等危险因子诱导 HO-1 表达 上调，不仅分解细胞毒性的血红素，其伴随产物 CO、Fe、胆绿素 胆红素均可以发挥抗氧化、抗凋亡、抗炎症功能。视网膜作为 全身血管分布最为丰富的组织之一，氧化应激、炎症反应密集， HO系统对视网膜视神经发挥重要的保护功能。 参 考 文 献 ［1］ Tenhunen R，Marver HS，Schmid R． Microsomal heme oxygenase， characterization of the enzyme．［J］． J Biol Chem，1969，244(23) : 6388-6394． ［2］ Pomeraniec Y，Grion N，Gadda L，et al． Adrenocorticotropin induces heme oxygenase-1 expression in adrenal cells［J］． J Endocrinol， 2004，180(1) :113-124． ［3］ Hartung R，Parapuram S K，Ganti R，et al． Vitreous induces heme oxygenase-1 expression mediated by transforming growth factor-beta and reactive oxygen species generation in human retinal pigment epithelial cells［J］． Mol Vis，2007，13:66-78． ［4］ Arai-Gaun S，Katai N，Kikuchi T，et al． Heme oxygenase-1 induced in muller cells plays a protective role in retinal ischemia-reperfusion injury in rats［J］． Invest Ophthalmol Vis Sci，2004，45 (11) : 4226-4232． ［5］ Hegazy KA，Dunn MW，Sharma SC． Functional human heme oxygenase has a neuroprotective effect on adult rat ganglion cells after pressure-induced ischemia ［J］． Neuroreport，2000，11 (6 ) : 1185-1189． ［6］ Sugishima M，Sakamoto H，Higashimoto Y，et al． Crystal structure of rat heme oxygenase-1 in complex with biliverdin-iron chelate． Conformational change of the distal helix during the heme cleavage reaction［J］． J Biol Chem，2003，278(34) :32352-32358． ［7］ Sheng-Long C，Yan-Xin W，Yi-Yi H，et al． AVE0991，a nonpeptide compound， attenuates angiotensin Ⅱ-induced vascular smooth muscle cell proliferation via induction of heme oxygenase-1 and downregulation of p-38 MAPK phosphorylation［J］． Int J Hypertens， 2012，2012:958298． ［8］ Chen JH，Huang SM，Tan TW，et al． Berberine induces heme oxygenase-1 up-regulation through phosphatidylinositol 3-kinase /AKT and NF-E2-related factor-2 signaling pathway in astrocytes［J］． Int Immunopharmacol，2012，12(1) :94-100． ［9］ Quesada A，Ogi J，Schultz J，et al． C-terminal mechano-growth factor induces heme oxygenase-1-mediated neuroprotection of SH- SY5Y cells via the protein kinase C /Nrf2 pathway［J］． J Neurosci Res，2011，89(3) :394-405． ［10］ Lee TS，Chau LY． Heme oxygenase-1 mediates the anti-inflammatory effect of interleukin-10 in mice［J］． Nat Med，2002，8 (3) : 240-246． ［11］ Waltz P，Carchman EH，Young AC，et al． Lipopolysaccaride induces autophagic signaling in macrophages via a TLR4，heme oxygenase-1 dependent pathway［J］． Autophagy，2011，7 (3) : 791 Chin J Ophthalmol and Otorhinolaryngol，May 2013，Vol 13，No． 3 315-320． ［12］ Mingone CJ，Ahmad M，Gupte SA，et al． Heme oxygenase-1 induction depletes heme and attenuates pulmonary artery relaxation and guanylate cyclase activation by nitric oxide［J］． Am J Physiol Heart Circ Physiol， 2008， 294 (3 ) : H1244-H1250 ． ［13］ Stagni E，Privitera MG，Bucolo C，et al． A water-soluble carbon monoxide-releasing molecule(CORM-3)lowers intraocular pressure in rabbits［J］． Br J Ophthalmol，2009，93(2) :254-257． ［14］ Hegazy KA，Dunn MW，Sharma SC． Functional human heme oxygenase has a neuroprotective effect on adult rat ganglion cells after pressure-induced ischemia ［J］． Neuroreport，2000，11 (6 ) : 1185-1189． ［15］ Peng PH，Chao HM，Juan SH，et al． Pharmacological preconditioning by low dose cobalt protoporphyrin induces heme oxygenase-1 overexpression and alleviates retinal ischemia-reperfusion injury in rats［J］． Curr Eye Res，2011，36(3) :238-246． ［16］ Peng PH，Ko ML，Chen CF，et al． Haem oxygenase-1 gene transfer protects retinal ganglion cells from ischaemia / reperfusion injury［J］． Clin Sci，2008(115) :335-342． ［17］ Szabo ME，Gallyas E，Bak I，et al． Heme oxygenase-1-related carbon monoxide and flavonoid in ischemic / reperfused rat retina［J］． Invest Ophthalmol Vis Sci，2004，45(10) :3727-3732． ［18］ Shyong MP，Lee FL，Hen WH，et al． Viral delivery of heme oxygenase-1 attenuates photoreceptor apoptosis in an experimental model of retinal detachment［J］． Vision Res，2008，48 (22) : 2394-2402． ［19］ Bellner L，Wolstein J，Patil KA，et al． Biliverdin Rescues the HO-2 Null Mouse Phenotype of Unresolved Chronic Inflammation Following Corneal Epithelial Injury［J］． Invest Ophthalmol Vis Sci，2011，52 (6) :3246-3253． ［20］ Kitamura Y，Ishid Y，Takata K，et al． Hyperbi-lirubinemia protects against focal ischemia in rats［J］． J Neurosci Res，2003，71: 544-550． ［21］ Picard E，Ranchon Cole I，Jonet L，et al． Light-induced retinal degeneration correlates with changes in iron metabolism gene expression，ferritin level，and aging［J］． Invest Ophthalmol Vis Sci， 2011，52(3) :1261-1274． ［22］ Iwasaki K，Hailemariam K，Tsuji Y． PIAS3 interacts with ATF1 and regulates the human ferritin H gene through an antioxidant-responsive element［J］． J Biol Chem，2007，282(31) :22335-22343． ［23］ Choi BM，Pae HO，Jeong YR，et al． Overexpression of heme oxygenase (HO)-1 renders Jurkat T cells resistant to fas-mediated apoptosis:involvement of iron released by HO-1［J］． Free Radic Biol Med，2004，36(7) :858-871． (收稿日期 2012-07-27) (本文编辑 诸静英) 学术动态 第十一届耳鼻咽喉头颈肿瘤新进展研讨会通知 由复旦大学附属眼耳鼻喉科医院举办的国家级继续医学教育项目“第十一届耳鼻咽喉头颈肿瘤新进展研讨会”将于 2013 年 8 月 13 ～ 16 日在上海进行。本会议由周梁教授主持，并邀请国内著名头颈肿瘤专家进行专讲座，包括:喉癌、下咽癌手术;头颈 肿瘤术后缺损的修复与重建;CO2 激光在头颈肿瘤中的应用;颈淋巴结清扫术;鼻腔、鼻窦恶性肿瘤开放及内镜手术;甲状腺肿瘤、腮 腺肿瘤的手术治疗;咽旁间隙肿瘤手术等。学习期满授予国家继续医学教育Ⅰ类学分 10 分。报名回执可从复旦大学附属眼耳鼻喉 科医院网站 http:/ /www． fdeent． org下载。 卢华增 读者·作者·编者 有关庆大霉素不可用于眼内或结膜下给药的规定 卫生部、国家中医药管理局、总后卫生部《抗菌药物临床应用指导原则》及上海市卫生局沪卫医政［2006］121 号文《上海市〈抗 菌药物临床应用指导原则〉实施细则(试行)》(简称《细则》) ，于 2007 年 3 月 1 日起施行。为保证临床安全、有效用药，避免和减少 药物不良反应，《细则》第一部分第四点中规定“氨基糖苷类抗生素如庆大霉素等不可用于眼内或结膜下给药，因可能引起黄斑坏 死”。庆大霉素眼内或结膜下给药时可引起视网膜急性中毒性损害，表现为视网膜严重的缺血性改变，造成视力急剧下降。广大临 床医师请予以高度重视，严格执行。此类文章 一律不予刊登，敬请谅解。 本刊编辑部 891