NO与神经损伤

一、一氧化氮（nitric oxide, NO）的发现,美国纽约州立大学药理系Furchgott教授等（1953）采用兔胸主动脉螺旋条标本研究血管平滑肌上药物、受体间的相互作用时发现，无论是否用去甲肾上腺素预先收缩，血管扩张剂卡巴胆碱或乙酰胆碱（CCh or Ach）不仅未能使血管舒张、反而予盾地引起收缩。当时曾错误假设：血管平滑肌上可能存在兴奋和抑制两套胆碱能受体Furchgott等（1978）用兔主动脉离体标本（包括主动脉环和螺旋条）研究肾上腺素受体亚型时，在一次加药和冲洗错误中，第一次发现对拟胆碱药产生松驰反应，而按标准方法制备的螺旋条，内皮已被刮掉，对Ach产生收缩反应，提示Ach的血管舒张反应依赖于内皮细胞的存在,Furchgott等（1979）采用所谓“三明治夹心标本”证实Ach作用于血管内皮，产生一种非前列腺素类的弥散因子，后者作用邻近平滑肌细胞而产生舒张反应Furchgott和Zawadski （1980）将题为“The obligatory role of endothelial cells in the relaxation of arterial smooth muscle by acetylcholine”的论文投送英国Nature杂志，几经周折，被减缩成来信形式发表Furchgott （1982）在一篇论文中首次将这种内皮细胞介质称为内皮细胞舒血管因子（endothelium-derived relaxing factor, EDRF）美英两个实验室（1987）同时证明这种EDRF就是NOFurchgott 、Ignarro and Marud（1998）被授予诺贝尔生理学及医学奖,二、一氧化氮的研究已成为热点,1994和1995年，MEDLINE收录的有关NO研究论文达2500篇/年有关NO研究的一些重要结果或发现，多数发表在Nature、Proc Natl Acad Sci USA、J Biol Chem、Neuroscience、Br J Pharmacol、Am J Physiol等一些国际著名期刊上世界普名大学如耶鲁大学、约翰霍普金斯大学、杜克大学、康乃尔大学、剑桥大学等均有规模不小的NO研究队伍NO成为热点主要有两方面的原因：NO作用的广泛性，参与体内众多的病理生理过程，并已有临床应用，而且可能有新的临床应用前景，这使生物医学工程领域和制药公司的专家也加入到开发研制NO药物的行列；NO是迄今在体内发现的第一个气体性信息分子，对今后其他信使的发现有重大启发,三、一氧化氮的化学特性,一种含不成对电子的气体分子、分子很小、结构简单、性质活泼、易氧化在生物组织中半衰期仅有几秒与Fe2+有很高的亲和力具有脂溶性，极易透过细胞膜快速扩散NO与O2-以极快的反应速率反应生成氧化活性更强的ONOO-,四、神经系统中一氧化氮的合成,1. 一氧化氮合酶,一氧化氮通过一氧化氮合酶（nitric oxide synthase, NOS）催化氧化L-精氨酶而生成三种同功酶：存在于内皮细胞中的内皮细胞型一氧化氮合酶（endothelial nitric oxide synthase, eNOS）；存在于神经细胞中的神经型一氧化氮合酶（neuronal nitric oxide synthase, nNOS）；存在于巨噬细胞、肝细胞、神经胶质细胞中的可诱导型一氧化氮合酶（inducible nitric oxide synthase, iNOS）。eNOS和nNOS均为构成型酶，统称为构成型一氧化氮合酶（constitutive nitric oxide synthase, cNOS）,三种NOS由不同基因编码：eNOS基因定位于7号染色体，长度约为21kb，有26个外显子；nNOS基因定位于12号染色体，长度为150kb，有29个外显子；iNOS基因定位于17号染色体，长度为37kb，有26个外显子（Mayer and Hemmens, 1997）每种同功酶具有相同催化中心结构：羧基端为还原酶区，包括FAD（flavin adenine dinucleotide）、FMN（flavin mononucleotide）、NADPH（nicotinamide adenine dinucleotide phosphate）的结合位点；氨基端为氧化酶区，包括一个血红素辅基和一个四氢生物蝶呤（terahydrobiopterin, BH4）的结合位点NOS还原酶区域还有一个钙调蛋白（calmodulin, CaM）结合位点，NOS只有与CaM结合才具催化活性，cNOS的活性受钙离子调控；iNOS由于CaM与酶结合紧密，其活性基本不受钙离子影响,2. 神经系统中一氧化氮的合成及其调控,在突触后神经元，谷氨酸等兴奋氨基酸结合到NMDA受体（N-methyl-D-aspartate receptor）上，引发Ca2+内流，Ca2+结合CaM后激活nNOS，从而产生NO其它与离子通道偶联的谷氨酸受体亚型如AMPA受体（-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazolepropionate receptor）、红藻氨酸受体（Kainate receptor）可能参与了神经元中NO合成的过程乙酰胆碱、肾上腺素等神经递质也具有调控作用（Garthwaite and Boulton, 1995）PKA、PKC、PKG、CaM-K等蛋白激酶都能通过磷酸化修饰nNOS而调控酶的活力（Zhang and Snyder, 1995）,NO通过促进cAMP和cGMP的产生而对nNOS的活性也具有调控作用海马神经元中NO的合成还受神经生长因子等细胞因子的调控（Lam et al, 1998）胶质细胞中NO主要通过不依赖于Ca2+信号的iNOS合成内毒素，以及肿瘤坏死因子（tumor necrosis factor, TNF）、白介素-2（interleukin-2, IL-2）、-干扰素（interferon-r，IFN-）等细胞因子诱导胶质细胞表达iNOS，从而使胶质细胞持续地产生NO（Gross and Wolin, 1995）,五、一氧化氮在神经系统中的生理作用,1. 一氧化氮的主要作用“靶”,主要分两大类：一类是蛋白质的血红素辅基、铁硫中心如可溶性鸟苷酸环化酶（soluble guanylate cyclase, sGC）、乌头酸酶；另一类是与蛋白质生理功能密切相关的某些“活性”疏基如血红蛋白的Cys 93半胱氨酸残基、NMDA受体的氧化还原调控位点sGC是一种含有血红素辅基的酶，以三磷酸鸟苷为底物合成环单磷酸鸟苷（cGMP），NO与sGC中血红素辅基的铁离子结合，使sGC构象发生改变，激活sGC，大大增加cGMP的产生。cGMP作用于血管平滑肌，使平滑肌舒张，增加血流、降低血压。cGMP通过调控多种离子通道、蛋白激酶、磷酸二酯酶而启动一系列信号转导系统，执行包括调节脑血流、学习、记忆、调控基因表达等在内的多种重要生理功能（Gathwaite and Boulton, 1995; Belsham, et al, 1996）,2. 一氧化氮对神经递质的调控作用,NO常与其它神经递质共同发挥生理作用如小脑颗粒细胞具有谷氨酸受体，蓝状细胞是一种-氨基丁酸（-amino-n-butyric acid; GABA）能神经元，而纹状体一氧化氮合酶阳性神经元以神经肽Y作为神经递质在脑片、培养细胞、突触体等不同实验体系中，内源或外源NO对多巴胺（zhu and Luo, 1992）、乙酰胆碱（Hirsch et al, 1993）、去甲肾上腺素（Montagne et al, 1994）、GABA（Ohkuma et al, 1996）、谷氨酸（Bonfoco et al, 1996）等多种神经递质的释放均有调控作用,3. 一氧化氮对受体的调节作用,Liptun等系统研究NO对NMDA受体的调节作用，发现NMDA受体具有氧化还原调控位点、NO以及由其衍生的亚硝酰离子等化合物通过与该位点的疏基结合而部分改变NMDA受体的构象、从而抑制由NMDA受体激活引起的钙离子内流、保护神经细胞（Lipton et al, 1996, 1998）,六、一氧化氮与神经损伤,一氧化氮引起细胞损伤的机制,1. 一氧化氮对线粒体的损伤作用。N0引起的线粒体功能障碍可能是早老性痴呆，帕金森氏病等多种神经系统疾病的重要病原因素之一（Heales et al, 1999）Bolanos等发现内源性 及外 源性NO均不可逆地抑制线粒体呼吸链复合体II-III、复合体IV的活力（Bloanos et al, 1994,1996,1997）Stamler推测NO可能通过破坏铁硫中心而导致呼吸链酶失活（Stamler, 1994）Clementi等推测NO可能通过氧化修饰呼吸链酶的疏基而表现出抑制作用（Clementi et al, 1998）,线粒体呼吸的抑制直接导致细胞内ATP含量下降，从而启动细胞凋亡程序，引起细胞凋亡（Richter et al, 1996）线粒体呼吸链酶被抑制后，线粒体电子泄漏增加，导致内源性超氧阴离子（O2-）的产生，而O2-与NO反应生成的ONOO-进一步对线粒体造成严重损伤，导致细胞死亡（Podertosd et al, 1996;Bolanos et al, 1995; Wei et al, 1998）,NO直接导致DNA链交联、断裂，引起细胞受损（Nguyen et al,1992）神经细胞经高浓度的谷氨酸处理后，由谷氨酸受体激活产生的内源性NO导致DNA链断裂，并激活聚腺苷二磷酸核糖基合成酶（Zhang et al,1994）活化后的聚腺苷二磷酸核糖基合成酶以NAD+为底物，对受体蛋白进行修饰，导致细胞内NAD+耗竭（de Murcia et al,1994）合成Imol NAD+需要消耗4mol ATP，因此NAD+耗竭又会导致细胞内ATP耗竭，引致细胞严重损伤，甚至细胞死亡,2. NO对DNA的损伤作用,3. NO对机体抗氧化体系的损伤作用,NO及其相关化合物（亚硝酸离子、过氧化亚硝基等）不仅直接氧化维生素C、E、尿酸、小分子疏基化合物等内源抗氧化剂，破坏非酶抗氧化防御体系，还对过氧化氢酶、谷胱甘肽过氧化物酶等抗氧化酶的活力有抑制作用，这些抗氧化酶的失活导致胞浆内过氧化物含量升高，引发细胞氧化损伤（Gross and Wolin,1995;Padmaja et al,1998; Asahi et al,1995）,1. 一氧化氮与脑缺血损伤,NO在脑缺血过程中起着典型的“双刃剑”作用，既能部分缓解脑缺血，又介导更严重的损伤脑缺血初期，由eNOS产生的NO能够扩张血管，抑制血小板、白细胞的粘附，从而部分缓解缺血，同时NO通过修饰NMDA受体的氧化还原调控位点而减弱由谷氨酸释放而引起的钙离子内流，部分减轻脑损伤（Iadecola,1997）随着缺血时间延长，nNOS产生大量NO，同时nNOS的底物（L-精氨酸）以及辅因子（BH4）等逐渐成为NO合成的限制因素，导致O2-，H2O2等活性氧生成（Mayer and Hemmens,1997）脑缺血后期，由中性粒细胞、星形细胞iNOS持续产生的大量NO，也参与了缺血引起的神经元死亡,七、一氧化氮与神经系统疾病,2. 一氧化氮与早老性痴呆,早老性痴呆（Alzheimers disease, AD）是一种常见的神经退行性疾病，占65岁以上老年人的5-10%（Hurtley, 1998）主要表现为记忆力减退、智力低下病理改变主要包括广泛的神经元减少（在大脑皮层和海马中表现得尤为明显）、细胞内神经纤维缠结（ neurofibrilloy, tangles）、细胞外形成老年斑（senile plaque）在AD患者脑组织中常有几种异常蛋白的表达水平增高，其中研究较多的有-淀粉样蛋白（amyloid -peptide, AB，一种含有39-43个氨基酸残基的疏水性蛋白，是老年斑的主要成分之一）、S100蛋白（星形细胞产生的一种钙离子结合蛋白）等研究显示，A能够激活神经元、星形细胞、内皮细胞产生NO和O2-、H2O2（Akama et al, 1998; Hu et al, 1998; Mark et al, 1997; Suo et al,1997）。S100能够激活星形细胞产生NO（Hu and Van Eidik,1996）。同时产生的NO、O2-对细胞具有协同损伤作用,3. 一氧化氮与帕金森氏病,帕金森氏病（Parkinsons disease, PD）也是一种常见的神经退行性疾病，以运动障碍、肌强直、静止性震颤为典型特征病理特征是脑区内黑质的多巴胺能神经元大量死亡最常用的动物模型和细胞模型是采用MPTP引起多巴胺能神经元选择性死亡研究表明MPTP处理导致酪氨酸羟化酶硝基化，使酪氨酸羟化酶失活，从而导致神经细胞内多巴胺水平下降、多巴胺能神经元死亡（Ara et al, 1998）PD患者多巴胺能神经元周围存在大量表达iNOS的胶质细胞，由胶质细胞iNOS产生的高浓度NO可能是多巴胺能神经元死亡的重要原因之一（Hirsch et al, 1998）,4. 一氧化氮与多发性硬化症,多发性硬化症（mutiple sclerosis, MS）是一种发生在中枢神经系统中的自身免疫疾病，目前的研究表明，NO以及由N