血红素氧合酶-1与急性肺损伤讲解

1、血红素氧合酶-1与急性肺损伤血红素氧合酶-1(hemeoxygenase-1 , HO-1)是一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，H0-1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，后者是一种重要的 信使分子。近年研究发现，H0-1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 一，尤其是其组织器官的保护作用已逐渐成为目前研究的一个热点，本文阐述H0-1与急性肺损伤(acute lung

2、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，如四氯化碳、扌卜热息痛、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-

3、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是一种应激蛋白，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U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-alan

4、ine) 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42C)，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 断，热应激增加HO-I 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

5、的分子调节机制十分复杂。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GT二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 HO1 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

6、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作为一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一步研 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-

7、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一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 二聚体结合位点、 GC box (Spl) 结合位点，转录因子如氧化应激反应转录因子 NF-k B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 是一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

8、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H0基因的增强子区域有一个1Obp的序列，对于除缺氧以外的各种因子诱导的HO基因表达十分必要，这一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 H0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吉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

9、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H0基因转录的细胞因子中的一种。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，有三种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

10、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H0-1均可被应激性刺激激活， 并且磷酸化参与了 H0-1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 H0-1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 H0-1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

11、激活。CO乍为HO-1分解血红素的一种产物，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，胆红素是人体内的一种有害物质。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，在一定浓度下还是一种 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。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

12、 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-k B及细胞因子的影响NF-k B是DNA吉合蛋白，是重要的转录因子。NF-k B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-1 B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-k B。活化的NF-k B与位于基因启动子和增强子的 k B序列位点发生特异性 的结合。参与众多与免疫和炎症

13、反应有关的基因的转录调控，在一系列的由细 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 胞因子引起一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H0-1的表达能明显抑制NF- kB和AP-1从而减少肺损伤。Liu SH14等发现在内毒素肺损伤模型中吸入低 流量的C0(2.5*10-4 V/V )能明显诱导HO-1 mRN表达，抑制TNF-a, IL-6, IL-10, MDA, MPO,及肺脏的细

14、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 有一氧化氮合成酶(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，也可产生一系列病理变化，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作为一重要的促炎介质，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

15、， 然而，一旦这种控制失效，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 mRN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。 Huan gTY15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

16、诱导肺组织HO-1的表达，从而抑制iNOS表达，减轻肺损伤。3.4 HO-1 对细胞凋亡影响细胞凋亡是细胞的一种程序性死亡过程，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勺 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-a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。4、问题与展望综上所述，HO-1作为一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一步研究。随