血紅素加氧酶-1可能的視網(wǎng)膜視神經(jīng)保護(hù)作用

顧瑞平 姜春暉

血紅素加氧酶-1可能的視網(wǎng)膜視神經(jīng)保護(hù)作用

顧瑞平 姜春暉

血紅素加氧酶（HO）是血紅素代謝途徑中的限速酶，在體內(nèi)分布廣泛。該代謝不僅清除機(jī)體內(nèi)細(xì)胞毒性的血紅素，其伴隨產(chǎn)物一氧化碳、膽綠素、鐵/鐵蛋白均在機(jī)體發(fā)揮重要的抗氧化、抗凋亡、抗炎癥等效應(yīng)，因此HO系統(tǒng)作為機(jī)體重要的防御系統(tǒng)被人們認(rèn)識(shí)。視網(wǎng)膜組織中HO含量豐富，可以減輕視網(wǎng)膜組織對(duì)光刺激、缺血缺氧、氧化應(yīng)激等危險(xiǎn)因素的損傷，本文主要探討HO-1可能的視網(wǎng)膜視神經(jīng)的保護(hù)作用。

視網(wǎng)膜組織中血紅素加氧酶（heme oxygenase，HO）含量豐富，可以減輕視網(wǎng)膜組織對(duì)光刺激、缺血缺氧、氧化應(yīng)激等危險(xiǎn)因素的損傷，本文總結(jié)近年來發(fā)表的相關(guān)文獻(xiàn)，綜述HO-1可能的視網(wǎng)膜視神經(jīng)保護(hù)作用及作用機(jī)制。

1 HO-1代謝活性

HO是血紅素代謝途徑的限速酶［1］，使血紅蛋白或者其他含有血紅素蛋白質(zhì)中的血紅素降解成膽綠素。該反應(yīng)中，HO、膽綠素還原酶、NADPH-細(xì)胞色素P450還原酶形成復(fù)合物，在NADPH-細(xì)胞色素P450提供電子的情況下，催化血紅素降解為膽綠素，同時(shí)釋放鐵（iron，F(xiàn)e）、一氧化碳（carbon monoxide，CO），膽綠素經(jīng)膽綠素還原酶催化為膽紅素。該反應(yīng)不僅清除具有氧化活性的血紅素，同時(shí)代謝生成的膽綠素、Fe、CO均被證實(shí)在機(jī)體發(fā)揮重要的抗氧化、抗凋亡、抗炎癥活性。

2 HO-1的分布和表達(dá)

迄今為止，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了3種HO同工酶。HO-1為誘導(dǎo)型，在脾臟、骨髓、肝臟、視網(wǎng)膜、肺、胃腸道、腎臟等部位均有分布［2］。HO-1在視網(wǎng)膜含量也非常豐富，在視網(wǎng)膜色素上皮細(xì)胞［3］、米勒細(xì)胞［4］、小膠質(zhì)細(xì)胞、神經(jīng)元等均發(fā)現(xiàn)HO-1的表達(dá)［5］。HO-2和HO-3為結(jié)構(gòu)型蛋白，其表達(dá)不會(huì)被誘導(dǎo)，主要分布在肝臟、脾臟。

HO-1由288個(gè)氨基酸構(gòu)成，組氨酸-25是含鐵血紅素結(jié)合位點(diǎn)，該位點(diǎn)的雙螺旋結(jié)構(gòu)域形成套樣結(jié)構(gòu)［6］。各種HO-1誘導(dǎo)因素，如氧化活性產(chǎn)物（reactive oxygen species，ROS）、LPS、血紅素、重金屬離子、氧化活性物質(zhì)、血管內(nèi)皮細(xì)胞生長(zhǎng)因子（vascular endothelial cell growth factor，VEGF）等與細(xì)胞膜上相應(yīng)的受體結(jié)合后，激活蛋白質(zhì)磷酸化信號(hào)通路絲裂原活化蛋白激酶（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結(jié)構(gòu)域的keap1蛋白磷酸化而與核轉(zhuǎn)錄因子E2相關(guān)因子（NF-E2 related factor-2，Nrf2）解離。游離的Nrf2具有轉(zhuǎn)錄活性，進(jìn)入細(xì)胞核取代和HO-1轉(zhuǎn)率調(diào)控基因StRE結(jié)合的Bach1蛋白后，啟動(dòng)HO-1基因轉(zhuǎn)率［9］。同時(shí)研究發(fā)現(xiàn)，白細(xì)胞介素10（interleukin-10，IL-10）、VEGF等可以直接與細(xì)胞膜信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)子和轉(zhuǎn)錄啟動(dòng)子（signal transductors and activator of transcription，STAT）受體結(jié)合，由STAT直接上調(diào)HO-1的表達(dá)［10］。LPS等被證實(shí)也可以通過與TLR-4（toll-like receptor 4）結(jié)合上調(diào)HO-1表達(dá)［11］。

3 HO-1的視神經(jīng)保護(hù)功能

HO-1對(duì)視網(wǎng)膜的保護(hù)功能跟其分解血紅素為膽綠素，同時(shí)產(chǎn)生CO、Fe密切相關(guān)，因?yàn)?種產(chǎn)物均發(fā)揮重要、獨(dú)特的視神經(jīng)保護(hù)功能，下面將分別從3種產(chǎn)物角度，闡述HO-1的保護(hù)機(jī)制。

3.1 CO與視網(wǎng)膜的保護(hù)功能 機(jī)體內(nèi)的CO主要靠HO代謝血紅素產(chǎn)生，大量的實(shí)驗(yàn)表明CO作為細(xì)胞信使分子通過信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)發(fā)揮重要的抗氧化、抗增殖、抗凋亡、抗炎癥、擴(kuò)張血管改善組織缺氧等功能。

HO-1來源的CO激活血管平滑肌細(xì)胞的鳥苷酸環(huán)化酶（guanylate cyclase）生成大量的cGMP來調(diào)節(jié)血管舒張，也可以激活鈣依賴性的鉀離子通道擴(kuò)張血管［12］。組織結(jié)構(gòu)和生理功能與血管相似的小梁網(wǎng)房水引流系統(tǒng)的舒張也受HO-1/CO系統(tǒng)調(diào)節(jié)。α-糜蛋白酶和倍他米松誘導(dǎo)的高眼壓可以被HO-1緩解，而實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)水溶性CO釋放分子（CO-releasing compounds，CORMs）前房給藥可以模擬HO-1降眼壓功能，提示HO-1的降眼壓功能是通過代謝產(chǎn)物CO實(shí)現(xiàn)的［13］。

HO-1/CO系統(tǒng)在視網(wǎng)膜主要通過p38MAPK途徑激活核轉(zhuǎn)錄因子（nuclear factor kappa-B，NF-κB）調(diào)節(jié)炎癥、凋亡、氧化相關(guān)的細(xì)胞因子，而發(fā)揮抗凋亡、抗炎癥、抗氧化功能。HO-1轉(zhuǎn)基因小鼠與野生型小鼠相比，在視網(wǎng)膜缺血再灌注損傷中，視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞（retina ganglia cell）死亡率在1、2、3周平均下降15％［14］。視網(wǎng)膜缺血再灌注后6 h，HO-1的表達(dá)開始上調(diào)，24 h達(dá)到高峰［4，14］。鈷卟啉（cobalt protoporphyrin IX，Copp，HO-1誘導(dǎo)劑）腹腔給藥可誘導(dǎo)視網(wǎng)膜HO-1表達(dá)，同時(shí)上調(diào)視網(wǎng)膜組織中IL-10，Bcl-2，Bcl-XL，p53而下調(diào)TNF-α，caspase-3，p53，NF-KB，ICAM-1，VCAM-1，GM-CSF等因子，顯著減輕視網(wǎng)膜缺血再灌注損傷，卟啉鋅、卟啉錫（Znpp、Snpp，HO-1抑制劑）或SiRNA干擾HO-1表達(dá)后，視網(wǎng)膜缺血缺氧性損害加重［15］。腺病毒介導(dǎo)HO-1轉(zhuǎn)染神經(jīng)節(jié)細(xì)胞后，神經(jīng)節(jié)細(xì)胞抗氧化、抗缺血缺氧能力顯著提高［16］。HO-1對(duì)視網(wǎng)膜的保護(hù)功能可以被內(nèi)源性CO替代。法國(guó)學(xué)者Szabo等將富含黃酮類化合物的酸櫻桃種子喂養(yǎng)大鼠誘導(dǎo)生成內(nèi)源性CO可以發(fā)揮HO-1樣視網(wǎng)膜抗氧化、抗凋亡、抗炎癥能力［17］。HO-1/CO系統(tǒng)還可以抑制caspase-3等凋亡相關(guān)因子減少視網(wǎng)膜脫離后感光細(xì)胞的凋亡，減少光損傷對(duì)視網(wǎng)膜色素上皮細(xì)胞的損害等［18］。

3.2 膽綠素膽紅素保護(hù)功能 膽綠素是HO分解血紅素后產(chǎn)生的可溶性綠色色素，在膽綠素還原酶的作用下轉(zhuǎn)換為膽紅素并分泌到細(xì)胞外，進(jìn)入血液循環(huán)與白蛋白結(jié)合在肝臟代謝。1979年首先發(fā)現(xiàn)了膽紅素能攝取有機(jī)溶劑中的1O2而認(rèn)為其具有抗氧化能力。越來越多的實(shí)驗(yàn)證實(shí)膽綠素是HO血紅素代謝途徑中最強(qiáng)大的代謝活性產(chǎn)物，保護(hù)組織的氧化和炎癥損傷。

膽綠素對(duì)眼睛的保護(hù)研究尚少。2011年Bellner等［19］對(duì)局部角膜給膽綠素處理角膜傷口，發(fā)現(xiàn)膽綠素可以促進(jìn)角膜愈合，減少炎癥反應(yīng)，抑制血管新生等。HO基因缺陷小鼠相比之下角膜傷口愈合緩慢，炎癥反應(yīng)嚴(yán)重，而外源性膽綠素可以顯著改善這一局面。在大鼠大腦中動(dòng)脈缺血再灌注損傷模型中，高膽紅素血癥與對(duì)照組相比，顯著減輕神經(jīng)元的缺血再灌注損傷［20］。

3.3 HO來源鐵離子及轉(zhuǎn)鐵蛋白保護(hù)功能 HO分解血紅素釋放的鐵離子，可以通過加速脂質(zhì)過氧化物反應(yīng)鏈、催化一氧化氮（NO）依賴亞硝基硫醇反應(yīng)等加速細(xì)胞生成ROS。而近年來發(fā)現(xiàn)，HO來源的鐵離子在細(xì)胞內(nèi)發(fā)揮重要的抗凋亡、抗氧化等功能。

HO分解血紅素，釋放出血紅素活性中心的Fe及與Fe調(diào)節(jié)蛋白（iron regulation protein，IRP）結(jié)合，使得IRP與Fe蛋白mRNA解離，F(xiàn)e蛋白mRNA才得以翻譯。血紅素預(yù)處理血管內(nèi)皮細(xì)胞后，細(xì)胞抗氧損傷能力上調(diào)，伴隨HO-1和Fe蛋白表達(dá)上調(diào)。Fe蛋白作為細(xì)胞的一種保護(hù)分子在體外實(shí)驗(yàn)被證實(shí)，認(rèn)為鐵離子誘導(dǎo)生成的Fe蛋白在HO依賴的細(xì)胞保護(hù)中占有重要比例。腺病毒誘導(dǎo)大鼠Fe蛋白重鏈高表達(dá)后，F(xiàn)e蛋白通過減少細(xì)胞凋亡，減輕肝臟缺血再灌注損傷以及肝移植后組織損傷。視網(wǎng)膜中，F(xiàn)e蛋白分布廣泛，免疫組化證實(shí)Fe蛋白重鏈、輕鏈貫穿視網(wǎng)膜全層，以視網(wǎng)膜色素上皮層最為豐富，其次為感光細(xì)胞內(nèi)節(jié)、外核層、外叢狀層，內(nèi)叢狀層也有少量分布。2011年P(guān)icard等［21］用野生型HFt+/+和雜合子HTt+/-小鼠光刺激24 h后，HTt+/-小鼠出現(xiàn)顯著的氧化損傷易感性，表現(xiàn)為視網(wǎng)膜凋亡細(xì)胞增多、外核層變薄、小膠質(zhì)細(xì)胞和Muller細(xì)胞激活。視網(wǎng)膜光刺激2 h后，F(xiàn)e蛋白的mRNA上調(diào)，12 h后開始下降，同時(shí)伴隨HO-1mRNA的上升?；蛩桨l(fā)現(xiàn)，F(xiàn)e蛋白重鏈基因與HO-1類似，其基因序列的抗氧化反應(yīng)控制元件對(duì)氧化活性物質(zhì)敏感，在促進(jìn)Fe蛋白重鏈的表達(dá)同時(shí)抑制HO-1轉(zhuǎn)錄和翻譯［22］，形成HO-1和Fe蛋白的負(fù)反饋調(diào)節(jié)。而游離的鐵離子則可以通過激活P38MAPK途徑活化NF-κB發(fā)揮抗凋亡功能，鐵離子的抗凋亡功能能被鐵離子螯合劑終止［23］。鐵離子螯合劑或鐵離子調(diào)節(jié)相關(guān)蛋白在年齡相關(guān)性黃斑變性、糖尿病視網(wǎng)膜病變、視網(wǎng)膜出血等疾病中提供了良好的治療前景。

4 結(jié)語(yǔ)

HO系統(tǒng)是機(jī)體防御體系的重要組成部分。血紅素、缺血缺氧、射線損傷、氧化應(yīng)激、重金屬等危險(xiǎn)因子誘導(dǎo)HO-1表達(dá)上調(diào)，不僅分解細(xì)胞毒性的血紅素，其伴隨產(chǎn)物CO、Fe、膽綠素膽紅素均可以發(fā)揮抗氧化、抗凋亡、抗炎癥功能。視網(wǎng)膜作為全身血管分布最為豐富的組織之一，氧化應(yīng)激、炎癥反應(yīng)密集，HO系統(tǒng)對(duì)視網(wǎng)膜視神經(jīng)發(fā)揮重要的保護(hù)功能。

［1］Tenhunen R，Marver HS，Schmid R.Microsomal heme oxygenase，characterization of the enzyme.［J］.JBiol 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 SK，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，KataiN，Kikuchi T，etal.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 effecton adult ratganglion 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］.JBiol Chem，2003，278（34）：32352-32358.

［7］Sheng-Long C，Yan-Xin W，Yi-Yi H，et al.AVE0991，a nonpeptide compound，attenuates angiotensinⅡ-induced vascular smooth muscle cell proliferation via induction of heme oxygenase-1 and downregulation of p-38 MAPK phosphorylation［J］.Int JHypertens，2012，2012：958298.

［8］Chen JH，Huang SM，Tan TW，et al.Berberine induces heme oxygenase-1 up-regulation through phosphatidylinositol3-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-terminalmechano-growth factor induces heme oxygenase-1-mediated neuroprotection of SHSY5Y cells via the protein kinase C/Nrf2 pathway［J］.JNeurosci 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）：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-releasingmolecule（CORM-3）lowers intraocular pressure in rabbits［J］.Br JOphthalmol，2009，93（2）：254-257.

［14］Hegazy KA，Dunn MW，Sharma SC.Functional human heme oxygenase has a neuroprotective effecton adult ratganglion 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 carbonmonoxide 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，etal.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］.InvestOphthalmol Vis Sci，2011，52（3）：1261-1274.

［22］Iwasaki K，Hailemariam K，Tsuji Y.PIAS3 interactswith ATF1 and regulates the human ferritin H gene through an antioxidant-responsive element［J］.JBiol 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.

2012-07-27）

（本文編輯 諸靜英）

復(fù)旦大學(xué)附屬眼耳鼻喉科醫(yī)院眼科 上海 200031

姜春暉（Email：chhjiang70＠163.com）