羰基的毒性與神經(jīng)系統(tǒng)變性病

張 穎， 鄧 暉綜述， 胡林森審校

大量數(shù)據(jù)顯示，反應(yīng)性羰基作為氧化損傷的神經(jīng)毒性介質(zhì)涉及許多神經(jīng)系統(tǒng)變性疾病的進(jìn)展。脂質(zhì)、碳水化合物及蛋白質(zhì)的氧化導(dǎo)致羰基及羰基加成物的形成，這些產(chǎn)物包括脂質(zhì)衍生的羰基(4-hydroxy-trans-2-nonenal，HNE)、糖類(lèi)衍生的羰基(advanced glycation end products，AGEs)及蛋白質(zhì)起源的羰基等，它們能不可逆地烷基化及交聯(lián)蛋白質(zhì)。作為氧化損傷的產(chǎn)物及傳播者，毒性羰基在疾病中的作用逐漸被闡明。羰基通過(guò)修飾細(xì)胞親核基團(tuán)及破壞細(xì)胞動(dòng)態(tài)平衡在神經(jīng)變性病的發(fā)病機(jī)制中發(fā)揮重要作用。本文綜述羰基的生物學(xué)作用，探討導(dǎo)致羰基毒性的化學(xué)通路及羰基的解毒機(jī)制。

1 反應(yīng)性羰基的生物學(xué)作用

1.1 HNE HNE是脂肪族 α-和 β-不飽和醛，在神經(jīng)系統(tǒng)變性病中是被最廣泛研究的毒性羰基。在6-OHDA處理的PD動(dòng)物模型中，在疾病的早期即顯示脂質(zhì)過(guò)氧化產(chǎn)物HNE增加［1］。在AD腦內(nèi)淀粉樣β肽誘導(dǎo)脂質(zhì)過(guò)氧化產(chǎn)物HNE及丙稀醛的形成，二者可進(jìn)一步發(fā)揮毒性作用［2］。在原代神經(jīng)元、成神經(jīng)細(xì)胞瘤細(xì)胞、膠質(zhì)細(xì)胞及突觸體中HNE可影響許多細(xì)胞功能［3］。

HNE可與大量膜蛋白加成，導(dǎo)致膜蛋白構(gòu)造、膜雙分子層秩序及運(yùn)動(dòng)性的改變，因此改變?cè)S多膜運(yùn)輸?shù)鞍椎幕钚?。將海馬和皮質(zhì)神經(jīng)元及皮質(zhì)突觸體暴露于HNE，可引起葡萄糖攝取的抑制及葡萄糖運(yùn)輸?shù)鞍譍LUT3的HNE加成。HNE可烷基化谷氨酸鹽運(yùn)輸體GLT1，阻礙將谷氨酸鹽運(yùn)輸至大鼠皮質(zhì)突觸體及皮質(zhì)星形膠質(zhì)細(xì)胞［4］。有意義的是，在AD腦內(nèi)可觀察到谷氨酸鹽運(yùn)輸?shù)囊种?，在頂葉HNE與GLT1共扼結(jié)合的程度更為廣泛［5］。

除了對(duì)漿膜蛋白的作用外，HNE還可干預(yù)線粒體的功能。在皮質(zhì)突觸體和PC12細(xì)胞，HNE能誘導(dǎo)線粒體的抑制［6］。此外，HNE還可影響細(xì)胞骨架蛋白的結(jié)構(gòu)和功能。如在神經(jīng)2A細(xì)胞，HNE引起神經(jīng)突生長(zhǎng)的抑制及微管網(wǎng)絡(luò)的破壞。低濃度HNE(5～20μmol)處理15min后，即觀察到微管的破壞，而此時(shí)缺乏細(xì)胞毒作用，提示微管對(duì)HNE尤為易感［7］。在P19神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞培養(yǎng)中，低濃度HNE導(dǎo)致tau電泳遷移率的改變［8］。

1.2 AGEs AGEs在神經(jīng)系統(tǒng)變性病尤其是PD的發(fā)病機(jī)制中發(fā)揮關(guān)鍵作用。Munch等研究顯示，AGEs自身可沉積在PD的病理標(biāo)志物如包含體中，也可以強(qiáng)烈地交聯(lián)細(xì)胞內(nèi)的中間纖維及α-synuclein形成的蛋白沉積物，從而促進(jìn)包含體的形成［9］。此外，細(xì)胞內(nèi)的AGEs可交聯(lián)細(xì)胞骨架蛋白并引起細(xì)胞骨架蛋白的不溶解。細(xì)胞骨架蛋白的沉積抑制細(xì)胞的功能(如運(yùn)輸過(guò)程)，并促進(jìn)神經(jīng)元功能的紊亂及死亡。在模型系統(tǒng)中AGEs的應(yīng)用可誘導(dǎo)進(jìn)一步的氧化損傷［10］。細(xì)胞外的AGEs可聚集在老年斑中，對(duì)神經(jīng)元施加慢性氧化應(yīng)激。此外，AGEs可刺激膠質(zhì)細(xì)胞產(chǎn)生自由基及神經(jīng)毒細(xì)胞因子(如 TNF-α)［11］。AGEs修飾的 BSA增加動(dòng)物卒中模型的梗死體積［12］?？梢?jiàn)，羰基的形成可能通過(guò)AGEs的形式導(dǎo)致進(jìn)一步的氧化損傷。

1.3 蛋白結(jié)合羰基 2001年Aksenov及其同事對(duì)羰基修飾尤為易感的特定蛋白質(zhì)進(jìn)行了鑒定。對(duì)AD及對(duì)照組腦組織蛋白質(zhì)的對(duì)照研究發(fā)現(xiàn)，β-肌動(dòng)蛋白、β-微管蛋白及肌酸激酶BB對(duì)羰基修飾敏感。這些發(fā)現(xiàn)支持2000年Aksenov等的研究［13］，即與對(duì)照組比較AD腦中肌酸激酶BB的活性降低并被羰基修飾。在AD及PD模型中亦發(fā)現(xiàn)了α-烯醇酶中特定羰基水平的增加及α-烯醇酶的活性降低，提示蛋白結(jié)合羰基可抑制蛋白質(zhì)的活性、影響其行使正常的生物學(xué)功能［14，15］。又如，泛素羧基末端水解酶(UCH-L1)的羰基修飾與散發(fā)PD及AD的發(fā)病機(jī)制直接相關(guān)［16］。探索抑制羰基形成的抗氧化劑在神經(jīng)變性病治療中的作用日益受到重視。

2 中樞神經(jīng)系統(tǒng)羰基的解毒機(jī)制

前面描述了腦內(nèi)羰基的毒性作用，而羰基的解毒機(jī)制同樣重要。羰基可通過(guò)Ⅰ相和Ⅱ相兩種機(jī)制被代謝。毒性羰基清除的減少可能在PD及其它神經(jīng)變性疾病的發(fā)病機(jī)制中發(fā)揮重要作用。

2.1 Ⅰ相代謝酶 直接還原或氧化羰基的α-酮部分是一個(gè)顯著降低羰基電子去除特性的解毒步驟。羰基到醇的還原反應(yīng)由α-酮還原酶(AKR)和乙醇脫氫酶(ADH)催化。乙醛氧化為羧酸由乙醛脫氫酶(ALDH)和乙醛氧化酶催化。

2.1.1 醛糖還原酶 人類(lèi)的醛糖還原酶利用NADPH以不同的功效催化許多含羰基分子的還原反應(yīng)。醛糖還原酶在人大腦皮質(zhì)、海馬、紋狀體、黑質(zhì)及小腦神經(jīng)元內(nèi)表達(dá)。乙醛還原酶AKR7A2最初是從人腦提純的，它可催化琥珀酸半醛形成γ-羥基丁酸(GHB)，GHB是GABA的一種降解產(chǎn)物［17］。已經(jīng)在神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞、核膜及突起中發(fā)現(xiàn)了AKR7A2的染色。在AD及路易體癡呆患者，作為反應(yīng)性神經(jīng)膠質(zhì)增多及小膠質(zhì)激活的結(jié)果，額葉、嗅區(qū)皮質(zhì)及海馬中AKR7A2免疫反應(yīng)性升高［18］。

2.1.2 乙醛脫氫酶(aldehyde dehydrogenase，ALDH)ALDH可將醛氧化為羧酸，從而發(fā)揮對(duì)羰基的解毒作用。與細(xì)胞內(nèi)毒性醛代謝有關(guān)的ALDH有3種。ALDH1存在于胞漿;ALDH2存在于線粒體基質(zhì);ALDH3存在于胞漿及微粒體間隔中。所有這3種酶均可代謝HNE。在對(duì)照組或AD患者的大腦皮質(zhì)及海馬，ALDH2只存在于神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞［19］。這一發(fā)現(xiàn)提示在這些腦區(qū)神經(jīng)元的線粒體缺乏解毒活性醛的基本機(jī)制。在老年斑中ALDH2的表達(dá)升高，ALDH2的免疫組化染色與反應(yīng)性星形膠質(zhì)細(xì)胞及小膠質(zhì)細(xì)胞共定位。AD患者大腦皮質(zhì)ALDH2活性較對(duì)照組增高這一事實(shí)也支持這些發(fā)現(xiàn)。

神經(jīng)膠質(zhì)內(nèi)ALDH2增高可能在涉及脂質(zhì)過(guò)氧化的神經(jīng)變性病的發(fā)展中具有重要意義。在東方人群中，ALDH2活性的缺失是由基因堿基對(duì)的改變引起，這導(dǎo)致ALDH2的失活。新近研究證實(shí)，在日本含ALDH2×2等位基因的個(gè)體患AD 的風(fēng)險(xiǎn)性增加［20］。

2.2 Ⅱ相代謝酶 谷胱甘肽轉(zhuǎn)移酶(GSTs):Ⅱ相解毒是一條主要的細(xì)胞保護(hù)路徑。GSH與含羰基的親電子中心結(jié)合的反應(yīng)由GSTs催化。人類(lèi)GSTs含有8種同工酶。盡管GSTs在親電子物質(zhì)的解毒中有重要作用，但只是在最近才開(kāi)始對(duì)GSTs在腦組織中的特定表達(dá)及其與神經(jīng)變性疾病的關(guān)系進(jìn)行研究。已有研究證實(shí)與對(duì)照組比較AD腦中GST的總活性降低［21］。

Sidell研究顯示［22］，在人類(lèi)中腦、大腦皮質(zhì)及基底神經(jīng)節(jié)中缺乏GST A的免疫活性。GST Pi定位于灰質(zhì)及白質(zhì)神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞。GSTμ免疫反應(yīng)性定位于灰質(zhì)神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞而非白質(zhì)。在黑質(zhì)、紋狀體、蒼白球及丘腦神經(jīng)元內(nèi)發(fā)現(xiàn)了GSTμ的免疫反應(yīng)。在另一研究中，GST A4-4定位于人腦神經(jīng)元，但未給出這些免疫反應(yīng)陽(yáng)性神經(jīng)元的進(jìn)一步定位。

3 總結(jié)

對(duì)AD和PD的實(shí)驗(yàn)研究及患病腦區(qū)的尸檢研究均提示羰基水平的升高。脂質(zhì)、還原糖及蛋白質(zhì)的氧化導(dǎo)致羰基及羰基加成物的形成，這些含羰基的物質(zhì)本身就具有毒性作用，并且又通過(guò)各種復(fù)雜的生化反應(yīng)產(chǎn)生進(jìn)一步的毒性作用。幸運(yùn)的是，體內(nèi)存在羰基的天然解毒機(jī)制。這提示我們可以從羰基毒性作用的化學(xué)通路中探討神經(jīng)變性病的致病機(jī)制，并且可以從提高羰基解毒機(jī)制活性的角度開(kāi)發(fā)藥物治療的新靶點(diǎn)。

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