HO-1和Nrf2在氧化/抗氧化肺部疾病中的研究進(jìn)展

廉玉蘭，袁寶軍

(1.河北聯(lián)合大學(xué)；2.開灤總醫(yī)院 檢驗(yàn)科，河北 唐山063000)

肺部疾病發(fā)病機(jī)制復(fù)雜，最近的研究發(fā)現(xiàn)，除免疫反應(yīng)外，還存在氧化/抗氧化失衡。經(jīng)典的酶抗氧化系統(tǒng)能夠減輕氧化應(yīng)激引起的肺損傷，但發(fā)揮作用的程度及方式仍不足。血紅素氧合酶-1(heme oxygenase-1，HO-1)是新近發(fā)現(xiàn)的一種最廣泛存在的抗氧化酶，通常呈低水平表達(dá)，當(dāng)受到傷害性刺激后水平可明顯升高，在肺的適應(yīng)性和保護(hù)性反應(yīng)中起著重要作用。核因子E2相關(guān)因子2(NF-E2-related factor2，Nrf2) 又稱紅系衍生核因子相關(guān)因子2,位于抗氧化酶的上游，起到感受器的作用，氧化應(yīng)激條件下，它水平的變化可能先于超氧化物歧化酶、過氧化氫酶、谷胱甘肽過氧化物酶等抗氧化酶。有研究發(fā)現(xiàn)，Nrf2缺乏可使鼠肺中HO-1等解毒酶的表達(dá)下降，HO-1的表達(dá)受Nrf2調(diào)控[1]。本文對二者在氧化/抗氧化肺部疾病中的作用作一綜述。

1 HO-1和Nrf2分子結(jié)構(gòu)、來源及生物學(xué)功能

人體HO-1蛋白由288個(gè)氨基酸組成，分子量為32000。HO-1基因定位于人第 22號染色體長臂1區(qū)2帶，有一個(gè)啟動(dòng)子、一個(gè)近端增強(qiáng)子和兩個(gè)遠(yuǎn)端增強(qiáng)子，這些區(qū)域含有許多轉(zhuǎn)錄因子如Nrf2的結(jié)合位點(diǎn)。

生理狀態(tài)下,HO-1主要分布于單核-巨噬細(xì)胞系統(tǒng)的微粒體中。肺中HO-1主要在肺泡巨噬細(xì)胞中表達(dá)，在上皮細(xì)胞中偶見表達(dá)，在淋巴細(xì)胞、中性粒細(xì)胞、嗜酸粒細(xì)胞、肥大細(xì)胞及漿細(xì)胞中均未見表達(dá)[2]。

HO-1屬微粒體酶，是血紅素氧合酶同工酶之一，為誘導(dǎo)型血紅素氧合酶，能被多種能夠產(chǎn)生氧化應(yīng)激的因素所激活，以減輕細(xì)胞損傷及蛋白質(zhì)氧化。而且，HO-1對成纖維細(xì)胞、血管內(nèi)皮細(xì)胞、腎上皮細(xì)胞等多種細(xì)胞具有抗炎、抗氧化、抗凋亡、抗增殖的保護(hù)作用。

Nrf2是一個(gè)由2.2 kb的堿基對編碼,相對分子質(zhì)量為66000的蛋白。人類Nrf2基因位于2號染色體長臂3區(qū)1帶，含有6個(gè)不同的同源結(jié)構(gòu)域。

Nrf2主要表達(dá)于如肝臟、腎臟等代謝和解毒組織中，以

及一些持續(xù)暴露在環(huán)境中的組織如皮膚、消化道、肺等，普遍表達(dá)于各種細(xì)胞。Nrf2在肺中主要表達(dá)于巨噬細(xì)胞和上皮細(xì)胞[3]。當(dāng)受到氧化應(yīng)激刺激時(shí)，胞漿中的Nrf2被激活轉(zhuǎn)移入核，與相應(yīng)蛋白形成二聚體，該復(fù)合物通過順式作用DNA元件激活HO-1基因轉(zhuǎn)錄[4]。體外研究證實(shí)，人Nrf2基因多態(tài)性對內(nèi)毒素刺激后巨噬細(xì)胞中的Nrf2蛋白和基因表達(dá)有顯著影響，并對巨噬細(xì)胞炎癥反應(yīng)平衡有重要的調(diào)控作用[5]。在對鼠肺泡Ⅱ型上皮細(xì)胞的增殖與分化的研究中也發(fā)現(xiàn)，Nrf2-/-細(xì)胞中活性氧(reactive oxygen species，ROS)水平較Nrf2+/+細(xì)胞高，而抗氧化物谷胱甘肽(glutathione,GSH)水平低下，認(rèn)為Ⅱ型細(xì)胞中Nrf2缺陷可使ROS水平升高，GSH水平下降[6]。

2 HO-1和Nrf2在慢性阻塞性肺疾病中的作用

慢性阻塞性肺疾病(chronic obstructive pulmonary disease,COPD)吸煙患者中，氣道黏膜HO-1的表達(dá)隨著氣流受限程度加重而增加[7]。Maestrelli等[8]卻發(fā)現(xiàn)COPD患者肺泡巨噬細(xì)胞中HO-1表達(dá)的降低與肺泡壁細(xì)胞中誘導(dǎo)型一氧化氮合酶升高相關(guān)，認(rèn)為二者之間的失衡與COPD患者嚴(yán)重?fù)p傷程度有關(guān)。研究中HO-1表達(dá)水平不一致的原因，可能與研究對象疾病嚴(yán)重程度不同有關(guān)。此外，高吸煙指數(shù)的COPD患者HO-1基因啟動(dòng)子大量重復(fù)序列的基因頻率顯著升高，長期大量吸煙且?guī)в蠬O-1啟動(dòng)子大量重復(fù)序列的人群對COPD的易感性也明顯增加[9]。帶有大量重復(fù)序列的HO-1基因型個(gè)體更易發(fā)展成極為嚴(yán)重的COPD[10]。一些COPD患者HO-1表達(dá)下降，是由于HO-1基因啟動(dòng)子區(qū)域大量重復(fù)序列降低了氧化應(yīng)激對HO-1基因的誘導(dǎo)性表達(dá)[11]，從而使部分個(gè)體對氧化損傷的防御機(jī)制降低所致。

肺氣腫是COPD的主要病因。煙霧刺激后，缺陷鼠肺組織內(nèi)皮細(xì)胞和Ⅱ型上皮細(xì)胞凋亡增加，氧化應(yīng)激標(biāo)志物及炎癥細(xì)胞數(shù)目增高，證明Nrf2在肺氣腫的易感性方面起著關(guān)鍵的決定作用[12]。Nrf2缺陷鼠的肺氣腫炎癥程度隨著Nrf2缺陷被糾正而緩解，癥狀的改善與巨噬細(xì)胞中抗蛋白酶及抗氧化劑基因表達(dá)升高密切相關(guān)，認(rèn)為Nrf2通過上調(diào)抗蛋白酶及抗氧化基因減輕肺氣腫炎癥[13]。而又有研究人員發(fā)現(xiàn)，煙霧誘導(dǎo)的Nrf2缺陷鼠肺內(nèi)抗氧化和抗炎基因的誘導(dǎo)表達(dá)降低，支氣管肺泡灌洗液中炎癥細(xì)胞浸潤明顯，巨噬細(xì)胞介導(dǎo)的中性粒細(xì)胞的清除作用減輕，中性粒細(xì)胞彈性蛋白酶活性增強(qiáng)，從而指出Nrf2不僅是通過調(diào)節(jié)氧化/抗氧化平衡，而且也調(diào)節(jié)炎癥和蛋白酶/抗蛋白酶平衡來防御肺氣腫的發(fā)展[14]。

3 HO-1和Nrf2在急性肺損傷中的作用

有報(bào)道顯示，經(jīng)HO-1誘導(dǎo)劑預(yù)處理的急性肺損傷小鼠模型，其肺組織中HO-1蛋白高表達(dá)，TNF-α和IL-6的表達(dá)水平下降，推測急性肺損傷中HO-1通過降低相關(guān)促炎因子水平緩解肺損傷程度[15]。而經(jīng)HO-1特異性阻斷劑預(yù)處理的急性肺損傷大鼠，肺中HO-1 mRNA表達(dá)受抑制，同時(shí)，血中HO-1活性降低，組織損傷和細(xì)胞凋亡增加。HO-1表達(dá)下調(diào)可使組織損傷和凋亡加重，認(rèn)為HO-1表達(dá)上調(diào)有助于抑制細(xì)胞凋亡，減輕肺損傷[16]。

有報(bào)道[17]顯示，GSH能顯著提高Nrf2缺陷鼠從高氧誘導(dǎo)的肺損傷中恢復(fù)的能力，Nrf2能調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄反應(yīng)尤其對GSH起作用，當(dāng)Nrf2-GSH途徑功能異常時(shí)可能會損害肺組織修復(fù)和炎癥消退能力。皂莢的果殼能降低脂多糖誘導(dǎo)的肺泡壁增厚，還能降低支氣管肺泡灌洗液中炎癥細(xì)胞數(shù)量，其抗炎作用可能是因?yàn)榧せ頝rf2并誘導(dǎo)Nrf2調(diào)節(jié)基因所致[18]。Nrf2-/-鼠對丁羥甲苯及其易感，即使給Nrf2-/-鼠可耐受劑量，Nrf2-/-鼠由于Nrf2缺失，引起過氧化氫酶、HO-1、超氧化物歧化酶1等解毒酶表達(dá)降低，使藥物毒性得以提升，導(dǎo)致小鼠死亡[19]。

4 HO-1和Nrf2在肺癌中的作用

研究發(fā)現(xiàn)，肺腺癌和鱗癌細(xì)胞株中，HO-1通過促進(jìn)血管內(nèi)皮生長因子表達(dá)而使內(nèi)皮細(xì)胞增殖，促進(jìn)血管生成，從而影響癌細(xì)胞生長和轉(zhuǎn)移[20]。肺癌細(xì)胞經(jīng)HO-1抑制劑聯(lián)合X線輻射處理后，生存率顯著降低，凋亡百分率增加，證明HO-1低表達(dá)可提高肺癌細(xì)胞對放射線的敏感性[21]。耐化療藥的肺癌細(xì)胞中HO-1表達(dá)顯著升高，認(rèn)為HO-1與癌細(xì)胞耐藥密切相關(guān)，可能通過抑制細(xì)胞凋亡介導(dǎo)耐藥[22]。

倪靜等[23]認(rèn)為肺癌組織Nrf2蛋白表達(dá)與有無淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移、是否侵及胸膜、臨床分期等有關(guān)，其異常表達(dá)與肺癌發(fā)生發(fā)展存在一定關(guān)系。藥物研究中發(fā)現(xiàn)，耐化療藥的人肺腺癌細(xì)胞中Nrf2 mRNA表達(dá)增加，其調(diào)節(jié)的抗氧化酶基因表達(dá)升高，多藥耐藥基因的表達(dá)下降，Nrf2高表達(dá)可能參與了人肺癌細(xì)胞耐藥現(xiàn)象的產(chǎn)生，使細(xì)胞更好的適應(yīng)藥物環(huán)境，介導(dǎo)細(xì)胞耐藥[22]?；仡櫺匝芯匡@示，晚期非小細(xì)胞肺癌患者肺組織內(nèi)Nrf2蛋白表達(dá)陽性率升高與患者年齡增加、轉(zhuǎn)移部位有關(guān)，Nrf2表達(dá)陰性患者接受化療方案后預(yù)后較好，認(rèn)為Nrf2的表達(dá)可能是預(yù)測晚期非小細(xì)胞肺癌化療療效的理想指標(biāo)[24]。

5 HO-1和Nrf2在肺纖維化中的作用

鮑文華[25]等檢測纖維化大鼠模型肺組織與血清中HO-1表達(dá)時(shí)發(fā)現(xiàn)，HO-1激活劑可有效抑制肺纖維化，而抑制劑可加重肺纖維化，HO-1在肺纖維化形成發(fā)展中起抑制作用。與此類似，Sato等[26]也證實(shí)，HO-1的誘導(dǎo)物氯化血紅素抑制矽塵暴露后引起的急性肺炎癥，而其抑制物鋅原卟啉可加大肺損傷進(jìn)展。博萊霉素致纖維化動(dòng)物模型中，HO-1過表達(dá)可阻止肺內(nèi)膠原沉積，抑制纖維化進(jìn)展并使呼吸道上皮細(xì)胞的凋亡降低[27]。在體外培養(yǎng)的成纖維細(xì)胞，研究發(fā)現(xiàn)HO-1過表達(dá)能阻止TNF-α誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡，外源性給予低劑量一氧化碳也能阻止凋亡，一氧化碳的靶酶能夠去除HO-1抑制的凋亡作用，認(rèn)為HO-1可能通過其代謝產(chǎn)物一氧化碳介導(dǎo)的抗凋亡作用保護(hù)成纖維細(xì)胞免受損傷[28]。在對特發(fā)性肺纖維化的研究中發(fā)現(xiàn)，患者支氣管肺泡灌洗液巨噬細(xì)胞中HO-1蛋白表達(dá)及HO-1陽性巨噬細(xì)胞百分率明顯降低，并且與IL-12和IL-18低表達(dá)有關(guān)，認(rèn)為HO-1低表達(dá)可能與促進(jìn)纖維化的細(xì)胞微環(huán)境有關(guān)[2]。另有研究證實(shí)，HO-1水平降低可有效抑制纖維化大鼠TGF-β、總膽紅素和羥脯氨酸水平，減少GSH消耗，但不能降低早期肺組織炎癥細(xì)胞浸潤，推測HO-1雖不參與早期炎癥反應(yīng)，但能通過氧化損傷和促纖維化作用推進(jìn)纖維化進(jìn)程[29]。

Cho[30]等的研究中，博萊霉素可使Nrf2-/-鼠肺水腫及膠原沉積嚴(yán)重，肺泡灌洗液中炎癥細(xì)胞明顯增加，纖維增生大量積聚，而肺內(nèi)靶基因mRNA和蛋白表達(dá)水平波動(dòng)不大，提示Nrf2靶向敲除可極大提高鼠對博萊霉素誘導(dǎo)的肺炎癥和纖維化的易感性，Nrf2調(diào)節(jié)的抗氧化防御酶可能對博萊霉素誘導(dǎo)的纖維化起保護(hù)作用。另有研究[31]發(fā)現(xiàn)致纖維化藥物可使Nrf2-/-鼠生存率降低，肺纖維化評分及氧化應(yīng)激指標(biāo)8-異前列腺素水平升高，HO-1 mRNA表達(dá)水平顯著降低，Th1/Th2平衡向Th2方向移動(dòng)，認(rèn)為Nrf2可能影響T細(xì)胞的分化和細(xì)胞因子產(chǎn)生，并通過調(diào)節(jié)細(xì)胞氧化還原水平及Th1/Th2平衡對抗肺纖維化進(jìn)程。

6 小結(jié)

綜上所述，對于氧化/抗氧化肺部疾病，多數(shù)研究指出，HO-1通過降低促炎因子水平、抑制細(xì)胞凋亡等機(jī)制發(fā)揮抗炎、抗氧化、抗損傷、抗纖維化作用。也有少數(shù)研究認(rèn)為，HO-1發(fā)揮氧化損傷和促纖維化作用。Nrf2參與抗氧化作用，與氣道炎癥和氧化應(yīng)激有關(guān)，可以預(yù)防和阻止肺纖維化。由于不同肺部疾病發(fā)病機(jī)制各異，氧化損傷程度不同，Nrf2和HO-1在疾病中的作用及強(qiáng)度也可能不同，及時(shí)糾正氧化/抗氧化失衡，能夠減輕疾病癥狀。因此，明確對HO-1、Nrf2之間抑制、激活等調(diào)控方式，可能會有助于探明氧化/抗氧化肺部疾病的發(fā)病機(jī)制，并且為疾病提供一種理想的預(yù)防和治療手段。

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