乙二醛酶Ⅰ在肝再生中的作用研究進展

耿小芳，張富春，馬 紀，徐存拴

(1.新疆大學 生命科學與技術(shù)學院 新疆生物資源基因工程重點實驗室， 新疆 烏魯木齊 8300462； 2.河南師范大學 省部共建細胞分化調(diào)控國家重點實驗室培育基地， 河南 新鄉(xiāng) 453007)

乙二醛酶系包括乙二醛酶Ⅰ(GLO1)、乙二醛酶Ⅱ(GLO2)及輔助因子谷胱甘肽(GSH)，是機體普遍存在的解毒系統(tǒng)，能將糖酵解、脂代謝和蛋白質(zhì)代謝等產(chǎn)生的有毒物質(zhì)甲基乙二醛(MG)轉(zhuǎn)變成非毒性物質(zhì)D-乳酸[1- 2]。MG能與蛋白質(zhì)、核酸和磷脂等交聯(lián)形成穩(wěn)定的糖基化產(chǎn)物，抑制細胞生長和分裂，誘導細胞凋亡[3]。GLO1在再生肝和肝癌組織中的過表達，可提高肝臟的解毒能力和應激反應能力，促進肝細胞存活和增殖，保護肝細胞避免凋亡[4- 5]。抑制GLO1的表達，則導致細胞毒性物質(zhì)積累增加[5]。所以，GLO1的生理作用很受研究者重視，現(xiàn)將有關(guān)GLO1在肝再生中的作用研究進展概述如下。

1 乙二醛酶Ⅰ的理化性質(zhì)和作用

人的GLO1定位于6號染色體的p21.3-p21.1，其CDS區(qū)長555 bp，編碼184個氨基酸。GLO1為二聚體蛋白，分子質(zhì)量為46 ku，等電點為4.8～5.1[6]。

GLO1的啟動子區(qū)有多種調(diào)控元件，如核轉(zhuǎn)錄因子NF-κB(nuclear factor-κB，NF-κB)結(jié)合位點、激活蛋白-1(activator protein-1，AP- 1)結(jié)合位點、激活蛋白-2α(activator protein-2alpha，AP- 2α)結(jié)合位點、轉(zhuǎn)錄因子E2F4結(jié)合位點和抗氧化反應元件(antioxidant response element，ARE)等[3,7]。已發(fā)現(xiàn)NF-κB、AP- 2α、E2F4和核因子2相關(guān)因子2抗原(nuclear factor erythroid 2-related factor 2，NRF2)能增強GLO1的啟動子活性，上調(diào)GLO1表達[3,8]。胞質(zhì)中的GLO1可催化甲基乙二醛(MG)與還原型谷胱甘肽(GSH)形成S-D-乳酰谷胱甘肽。另外還發(fā)現(xiàn)，GLO1具有抗糖化和抗氧化應激作用[9]。

2 乙二醛酶Ⅰ在肝再生中的作用

機體中99%的MG均由乙二醛酶系解毒。部分肝切除(partial hepatectomy，PH)誘導的肝再生早期階段，一方面，肝量減少，損傷反應、炎性反應等增強[10]。另一方面，MG等毒性代謝物積累。因此，需要提高乙二醛酶系的解毒效率。GLO1的表達和活性在大鼠PH后12 h顯著高于假手術(shù)對照，于PH后24 h達到高峰[4]。而DNA合成起始于PH后12 h，亦于24 h達到高峰。揭示GLO1響應手術(shù)損傷先于DNA合成起始。上述結(jié)果表明，GLO1的表達和活性與增生性組織的細胞，包括肝細胞分裂密切相關(guān)。

85%肝臟切除后，肝臟的修復機制受阻，再生能力降低，細胞凋亡加劇。用85%肝切除后2 h的小鼠模型研究了GLO1在肝再生中的作用，發(fā)現(xiàn)NF-κB的活化受阻，降低GLO1表達，造成MG積累，進一步誘導氧化應激，促進凋亡蛋白BAX表達和半胱天冬酶活化，導致肝細胞凋亡。另一方面，降低白細胞介素-6(interleukin-6，IL- 6)的表達，信號傳導與轉(zhuǎn)錄激活子-3(signal transducer and activator of transcription-3, STAT3)的磷酸化及其關(guān)鍵靶蛋白前病毒整合位點蛋白Pim1和細胞周期蛋白D1的表達，抑制肝細胞增殖，導致肝再生小鼠死亡[11]。表明肝臟強大的再生能力也可被肝組織的大量丟失及GLO1的表達降低所阻斷。

在活體肝移植中，捐贈者必須提供足夠的肝組織以使患者成功恢復肝功能[12]。為此，尋找減少損傷反應的策略，用較少的肝達到相同的目的必不可少。例如，通過提高GLO1的表達，促進肝細胞存活和增殖，拮抗MG對肝細胞的損傷等措施就是可選擇的策略。

3肝再生中乙二醛酶Ⅰ調(diào)節(jié)肝細胞增殖的機制

正常情況下，肝臟中代謝產(chǎn)生的MG足以被GLO1解毒，但在肝損傷和部分肝切除后，肝臟不能及時足額地將MG轉(zhuǎn)化，造成MG在肝臟積累。因此，肝臟需要通過提高GLO1的表達量和活性，避免MG在肝臟中積累產(chǎn)生危害。

3.1 MG通過提高Akt1的磷酸化作用促進肝細胞增殖

MG的正常生理濃度為0.2～5 μmol/L。但當MG達到1.25～20 μmol/L的較高濃度范圍時，會誘導AKT1、P21和P27的磷酸化增加，增強細胞周期依賴性蛋白激酶(cyclin-dependent kinases，CDKs)活性，促進DNA合成，加快細胞周期進程。當MG達到100 μmol/L的高濃度范圍時，則抑制細胞增殖，且隨著MG濃度升高，抑制細胞增殖和誘導細胞凋亡的效應越強[13]。大鼠2/3肝切除后，肝量減少，肝功能受損，MG的積累量增加，導致細胞內(nèi)MG濃度較高。較高濃度的MG與AKT1的77位半胱氨酸殘基結(jié)合成復合物[14]。該復合物中的AKT1更易被絲氨酸/蘇氨酸激酶磷酸化，磷酸化的AKT1進而激活CDKs。CDKs能促進細胞周期蛋白(Cyclins)的表達，促進細胞從G1期向S期轉(zhuǎn)變和細胞增殖。本實驗在基因組學和蛋白質(zhì)組學研究中發(fā)現(xiàn)，大鼠肝再生中AKT1、CDK1、CDK2、Cyclin A2、Cyclin D1、Cyclin B和Cyclin E等細胞增殖相關(guān)蛋白表達上調(diào)，并與MG濃度高低呈現(xiàn)一定的時空相關(guān)性，推測MG能作為一種信號分子，誘導PH后的肝細胞增殖。

3.2 NF-κB、AP- 1等通過上調(diào)GLO1的表達促進肝細胞增殖

部分肝切除刺激肝枯否細胞、肝竇內(nèi)皮細胞等肝非實質(zhì)細胞釋放腫瘤壞死因子-α(tumor necrosis factor-α，TNF-α)、IL- 6等細胞炎性因子，它們通過相應的信號傳導通路活化NF-κB、AP- 1和PIM1等轉(zhuǎn)錄因子，導致肝細胞從G0期向G1期轉(zhuǎn)變、DNA合成和有絲分裂。同時，活化的NF-κB和AP- 1均能與GLO1的啟動子區(qū)結(jié)合，上調(diào)GLO1的表達[7]。GLO1通過促進MG轉(zhuǎn)化，減少MG的量及蛋白和核酸的糖基化，促進肝細胞存活、增殖和肝再生。本實驗發(fā)現(xiàn)，大鼠肝再生中TNF-α、NF-κB、AP- 1等轉(zhuǎn)錄因子表達上調(diào)，進一步調(diào)節(jié)的PIM1、GLO1等細胞增殖相關(guān)蛋白表達上調(diào)，表明NF-κB等通過上調(diào)GLO1等細胞增殖相關(guān)蛋白表達，促進PH后的肝細胞增殖。

3.3 NRF2通過上調(diào)GLOI的表達促進肝細胞增殖

正常生理條件下，細胞質(zhì)中的NRF2與KEAP1結(jié)合，處于非活性、易降解的狀態(tài)。KEAP1是接頭蛋白cullin-3依賴性E2泛素脂酶復合物的底物，介導NRF2被26S蛋白酶體降解。在氧化應激條件下，肝細胞的NRF2被激活，進而與GLO1的外顯子1的5′UTR區(qū)的抗氧化反應元件(ARE)結(jié)合，誘導GLO1 mRNA和蛋白的表達增加，降低肝臟的MG濃度、MG衍生物濃度及細胞突變，促進肝細胞存活，表明NRF2通過上調(diào)GLO1，使蛋白和核酸免受糖化修飾，保護肝臟和肝細胞功能[15-18]。NRF2缺陷型肝細胞中，GLO1的表達降低，導致MG修飾的蛋白和核酸大大增加，抑制胰島素/胰島素樣生長因子- 1(insulin /insulin-like growth factors，insulin/IGFs)信號的作用，增加肝細胞凋亡，導致胰島素抵抗和肝再生延遲。肝再生中，NRF2的激活，上調(diào)GLO1表達，降低胞內(nèi)MG的濃度，促進肝細胞的存活、增殖和肝再生[19]。表明NRF2在肝再生和肝保護中起重要作用。

4 總結(jié)與展望

本文綜述了GLO1在肝再生中的作用。即NF-κB、AP- 1和NRF2等通過提高GLO1的表達和活性，解除MG在肝臟的積累和毒性，活化PI3K/AKT等信號通路，增加CDKs的表達，抑制糖原合成激酶3β和BAD等促凋亡蛋白的表達，促進肝細胞存活和增殖。但在85%肝切除后，肝臟嚴重缺失，抑制GLO1的表達和活性，增加MG的積累。后者通過抑制TNF-α和IL- 6的表達和作用，抑制肝細胞增殖，誘導肝細胞凋亡，降低肝再生能力。因此，GLO1可作為肝細胞的存活因子促進肝細胞增殖和抗肝細胞凋亡。臨床上，應把通過激活NRF2上調(diào)GLO1的表達作為改善急性或慢性患者肝損傷，促進肝再生的新策略，提高肝病的治療水平。

[1] 李智, 閆世軍, 王思彤, 等. 乙二醛酶Ⅰ與糖尿病并發(fā)癥的關(guān)系[J]. 中國藥理學通報, 2010, 26: 428- 431.

[2] Masterjohn C, Mah E, Park Y,etal. Acute glutathione depletion induces hepatic methylglyoxal accumulation by impairing its detoxification to d- lactate [J]. Exp Biol Med (Maywood), 2013, 238: 360- 369.

[3] Sousa Silva M, Gomes RA, Ferreira AE,etal. The glyoxalase pathway: the first hundred years and beyond [J]. Biochem J, 2013, 453: 1- 15.

[4] Principato GB, Locci P, Rosi G,etal. Activity changes of glyoxalases I-II and glutathione reductase in regenerating rat liver [J]. Biochem Int, 1983, 6: 249- 255.

[5] Hu X, Yang X, He Q,etal. Glyoxalase 1 is up-regulated in hepatocellular carcinoma and is essential for HCC cell proliferation [J]. Biotechnol Lett, 2014, 36: 257- 263.

[6] 閆世軍, 李智, 張文生. 乙二醛酶Ⅰ的結(jié)構(gòu)、功能及其與阿爾采末病的關(guān)系[J]. 中國藥理學通報, 2009, 25: 1404- 1408

[7] Rabbani N, Xue M, Thornalley PJ. Activity, regulation, copy number and function in the glyoxalase system [J]. Biochem Soc Trans, 2014, 42: 419- 424.

[8] Xue M, Rabbani N, Momiji H,etal. Transcriptional control of glyoxalase 1 by Nrf2 provides a stress-responsive defence against dicarbonyl glycation [J]. Biochem J, 2012, 443: 213- 222.

[9] Kim KM, Kim YS, Jung DH,etal. Increased glyoxalase I levels inhibit accumulation of oxidative stress and an advanced glycation end product in mouse mesangial cells cultured in high glucose [J]. Exp Cell Res, 2012, 318: 152- 159.

[10] Mao SA, Glorioso JM, Nyberg SL.Liver regeneration [J]. Transl Res, 2014, 163: 352- 362.

[11] Zeng S, Zhang QY, Huang J,etal. Opposing roles of RAGE and Myd88 signaling in extensive liver resection [J]. FASEB J, 2012, 26: 882- 893.

[12] Chan SC. Liver Transplantation for Hepatocellular Carcinoma [J]. Liver Cancer, 2013, 2: 338- 344.

[13] Engelbrecht B, Mattern Y, Scheibler S,etal. Methylglyoxal impairs GLUT4 trafficking and leads to increased glucose uptake in L6 myoblasts [J]. orm Metab Res, 2014, 46: 77- 84.

[14] Jia X, Chang T, Wilson TW,etal. Methylglyoxal mediates adipocyte proliferation by increasing phosphorylation of Akt1 [J]. PloS one, 2012, 7: e36610.doi:10.1371/journal.pone.0036610.

[15] Lee BH, Hsu WH, Hsu YW,etal. Dimerumic acid attenuates receptor for advanced glycation endproduct (RAGE) signal to inhibit inflammation and diabetes mediated by Nrf2 activation and promoted methylglyoxal metabolism into D-lactate acid [J]. Free Radic Biol Med, 2013, 60: 7- 16.

[16] Hsu WH, Lee BH, Chang YY,etal. A novel natural Nrf2 activator with PPARγ-agonist (monascin) attenuates the toxicity of methylglyoxal and hyperglycemia [J]. Toxicol Appl Pharmacol, 2013, 272: 842- 851.

[17] Cheng AS, Cheng YH, Chiou CH,etal. Resveratrol upregulates Nrf2 expression to attenuate methylglyoxal-induced insulin resistance in Hep G2 cells [J]. J Agric Food Chem, 2012, 60: 9180- 9187.

[18] Ke B, Shen XD, Zhang Y,etal. KEAP1-NRF2 complex in ischemia-induced hepatocellular damage of mouse liver transplants [J]. J Hepatol, 2013, 59: 1200- 1207.

[19] Dayoub R, Vogel A, Schuett J,etal. Nrf2 Activates Augmenter of Liver Regeneration (ALR) via Antioxidant Response Element and Links Oxidative Stress to Liver Regeneration [J]. Mol Med, 2013, 19: 237- 244.