腦紅蛋白的生物功能研究和臨床應(yīng)用進(jìn)展

馬 勇，胡元威，劉志武，楊 彤

腦紅蛋白的生物功能研究和臨床應(yīng)用進(jìn)展

馬 勇，胡元威，劉志武，楊 彤＊

自從腦紅蛋白被發(fā)現(xiàn)以來(lái)，其基因序列、分子結(jié)構(gòu)和分布特征逐漸被大家了解。作為一類新型的內(nèi)源性保護(hù)分子，腦紅蛋白具有供氧、抗氧化應(yīng)激、抗凋亡、清除自由基等多種生物功能。通過(guò)干預(yù)其表達(dá)改善疾病的預(yù)后，將為臨床許多疾病的治療來(lái)帶新的希望。擬從腦紅蛋白的生物功能和臨床應(yīng)用方面對(duì)其闡述。

腦紅蛋白；表達(dá)機(jī)制；保護(hù)作用；臨床應(yīng)用

2000年，德國(guó)學(xué)者Burmester發(fā)現(xiàn)廣泛存在于人和小鼠腦內(nèi)的一類新的攜氧球蛋白——腦紅蛋白（neuroglobin，NGB），其在脊椎動(dòng)物的中樞和外周神經(jīng)系統(tǒng)，以及視網(wǎng)膜、內(nèi)分泌系統(tǒng)中廣泛存在。與氧有較高的親和力，可與氧可逆性結(jié)合，協(xié)助氧透過(guò)血腦屏障發(fā)揮作用。

1 NGB的表達(dá)調(diào)節(jié)機(jī)制

1．1 缺氧-Hif-NGB學(xué)說(shuō)缺氧時(shí)Hif表達(dá)增加，由于一些低氧反應(yīng)蛋白的啟動(dòng)子中存在能與Hif結(jié)合的低氧反應(yīng)元件，因此Hif可以通過(guò)激活低氧反應(yīng)基因的轉(zhuǎn)錄，促進(jìn)低氧反應(yīng)蛋白表達(dá)。NGB的啟動(dòng)子中就存在Hif的結(jié)合位點(diǎn)，如Sp1，NF1，AP1，Egr1，NFκB家族（p65，p50，cRel）［1，2］，因此Hif可能與NGB的表達(dá)相關(guān)。最早提出的去鐵胺（deferoxamine）增加NGB表達(dá)就是通過(guò)此途徑［3］。Haines等［4］對(duì)Hif的敲除或者過(guò)表達(dá)發(fā)現(xiàn)，NH33細(xì)胞NGB的表達(dá)相應(yīng)地減少或增加，證明此觀點(diǎn)。

1．2 sGC-PKC通路介導(dǎo)2002年，Zhu等［5］通過(guò)培養(yǎng)HN33細(xì)胞發(fā)現(xiàn)血紅素（hemin）可以誘導(dǎo)NGB表達(dá)。當(dāng)加入sGC抑制劑LY83583和PKG抑制劑

KT5823，可以明顯抑制NGB表達(dá)，而PKG的激活劑（cGMP類似物）可增加NGB的表達(dá)。說(shuō)明sGCPKC通路在Hemin誘導(dǎo)的神經(jīng)元NGB表達(dá)過(guò)程中發(fā)揮重要作用。而這種現(xiàn)象在低氧引起的NGB表達(dá)中并未發(fā)現(xiàn)，說(shuō)明Hemin和低氧誘導(dǎo)NGB表達(dá)的機(jī)制是不同的。

1．3 其他除了去鐵胺和血紅素，發(fā)現(xiàn)短鏈脂肪酸的肉桂酸和丙戊酸也能增加NGB表達(dá)，但是機(jī)制還不清楚［5］。而且這些藥物誘導(dǎo)NGB表達(dá)的程度以及誘導(dǎo)產(chǎn)生的NGB所發(fā)揮的保護(hù)作用的范圍還是不明確的，還需要進(jìn)一步的探索。

2 NGB的生物功能

大量研究發(fā)現(xiàn)，NGB在缺血缺氧、氧化應(yīng)激、毒物損傷等病理情況下以及創(chuàng)傷、驚厥等導(dǎo)致的腦損傷修復(fù)方面都具有廣泛的內(nèi)源性神經(jīng)保護(hù)作用，而這種保護(hù)功能可能需要通過(guò)多種途徑共同實(shí)現(xiàn)。

2．1 參與氧代謝為細(xì)胞供氧供能NGB可以直接介導(dǎo)或間接促進(jìn)氧擴(kuò)散進(jìn)入線粒體，阻止線粒體發(fā)生功能障礙，維持神經(jīng)元內(nèi)穩(wěn)態(tài)。在微氧環(huán)境下，NGB可作為NADH氧化酶，在糖酵解過(guò)程中加速ATP生成，維持細(xì)胞正常功能。Liu等［6］通過(guò)細(xì)胞ATP水平，線粒體膜蛋白，線粒體功能等指標(biāo)證明出NGB可作用于線粒體發(fā)揮保護(hù)作用。

2．2 作為氧氣的感受器NGB作為一種O2感受器，能感知低氧狀態(tài)，參與信號(hào)傳導(dǎo)通路來(lái)調(diào)節(jié)蛋白在不同氧濃度下的活動(dòng)變化來(lái)避免缺氧損傷。例如，低氧促發(fā)NGB發(fā)揮抑制Rac1-GDP向Rac1-GTP轉(zhuǎn)化的功能，參與MAPK通路刺激細(xì)胞增殖以及活化PI3-K通路促進(jìn)細(xì)胞存活［7］。

2．3 抗氧化應(yīng)激反應(yīng)NGB可能作為一種ROS／RNS清除劑，清除氧自由基，在氧化應(yīng)激損傷中起保護(hù)作用。Wang等［8］通過(guò)降低ROS形成的生物標(biāo)記物的方法，證明NGB在改善缺血性腦梗死瞬時(shí)的氧化性損傷中發(fā)揮重要作用。多種證據(jù)證明NGB和NO相關(guān)，除了NGB可以與NO結(jié)合之外，一些研究發(fā)現(xiàn)NGB與nNOS平行分布。通過(guò)培養(yǎng)轉(zhuǎn)染NGB的HN33細(xì)胞發(fā)現(xiàn)，NGB能夠降低NO誘導(dǎo)細(xì)胞死亡的效能。而且，NGB與NO、H2O2結(jié)合，除了可以清除它們，NGB本身也可發(fā)生蛋白構(gòu)象的改變，從而觸發(fā)其他的神經(jīng)保護(hù)方式，如減輕神經(jīng)元對(duì)缺氧缺血相關(guān)損傷的敏感性［9］。

2．4 抗凋亡作用NGB可通過(guò)抑制一些凋亡信號(hào)傳導(dǎo)通路，從而發(fā)揮神經(jīng)保護(hù)作用。較多提出的是NGB可與細(xì)胞色素C發(fā)生氧化還原反應(yīng)，阻止CytoC啟動(dòng)內(nèi)源性凋亡途徑［10］。其他凋亡相關(guān)信號(hào)通路，如PI3-K／Akt、Jak2／Stat3信號(hào)通路介導(dǎo)的抗凋亡作用也都有報(bào)道［11，12］。

3 NGB的臨床應(yīng)用

腦紅蛋白在氧儲(chǔ)存和氧利用方面發(fā)揮重要作用，因此將其應(yīng)用于缺血缺氧性神經(jīng)系統(tǒng)疾病以及神經(jīng)系統(tǒng)退行性病變等臨床疾病中具有重要意義。Denicourt等［13］曾提出可以利用蛋白轉(zhuǎn)導(dǎo)技術(shù)，把神經(jīng)保護(hù)蛋白導(dǎo)入缺血模型腦中，治療腦缺氧缺血性疾病。因此，如果能在早期利用NGB攜氧載體干預(yù)腦缺血缺氧的發(fā)生發(fā)展，就可能從根本上防治腦缺氧。

3．1 神經(jīng)系統(tǒng)疾病

3．1．1 腦缺血缺氧疾病 腦卒中（stroke）具有極高的病死率和致殘率，而且目前的治療效果有限。Raida［14］研究發(fā)現(xiàn)過(guò)表達(dá)NGB的小鼠大腦中動(dòng)脈阻塞后腦缺血梗死面積減少，提出將NGB作為腦卒中治療的新靶點(diǎn)。對(duì)行顱內(nèi)動(dòng)脈瘤夾閉術(shù)患者進(jìn)行缺血預(yù)處理，可使NGB表達(dá)上調(diào)，提高機(jī)體對(duì)缺氧的耐受能力［15］。

創(chuàng)傷后腦損傷由于腦灌注不足或直接引起短暫性的呼吸抑制最終也是發(fā)生了腦缺血缺氧。Taylor［16］就發(fā)現(xiàn)，使NGB過(guò)表達(dá)能明顯改善小鼠創(chuàng)傷性腦損傷。Lan等［17］發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)染了NGB的大鼠在脊髓損傷（SCI）后各項(xiàng)指標(biāo)恢復(fù)更好，神經(jīng)細(xì)胞凋亡數(shù)量大大減少，同樣證實(shí)了NGB在腦缺血缺氧疾病中的保護(hù)作用。

3．1．2 神經(jīng)系統(tǒng)退行性疾病 臨床病例中可知，神經(jīng)退行性疾病阿爾茨海默病 （Alzheimer's disease，AD）最容易受損的腦區(qū)就是NGB含量低的海馬，AD發(fā)生老年斑及纖維纏結(jié)等病理改變的機(jī)制，如β淀粉樣沉積、tau蛋白的過(guò)度磷酸化與NGB的相關(guān)性也都有報(bào)道［19］，而體外實(shí)驗(yàn)［20］也看出，轉(zhuǎn)染了NGB的PC12細(xì)胞在受到Aβ作用后損傷程度比為轉(zhuǎn)染的明顯降低 （Aβ作用于PC12細(xì)胞是模擬AD的常見(jiàn)模型）。這些研究結(jié)果表明NGB同樣在阿爾茨海默病中發(fā)揮保護(hù)作用。

其他神經(jīng)系統(tǒng)退性行疾病中，如遺傳性Hereditary Ferritinopathy患者的殼核NGB過(guò)分表達(dá)，可能會(huì)減輕由細(xì)胞內(nèi)鐵超載所導(dǎo)致的損傷［21］。那么，通過(guò)對(duì)NGB的干預(yù)處理是否可以預(yù)防這類疾病的發(fā)生，甚至可治療此類疾病，仍需要進(jìn)一步的研究探索。

3．1．3 神經(jīng)系統(tǒng)腫瘤 劉欣榮等［22］對(duì)98例膠質(zhì)瘤患者采樣，發(fā)現(xiàn)Ngb在各級(jí)膠質(zhì)瘤中均可見(jiàn)陽(yáng)性表達(dá)，而且WHO分級(jí)越高則表達(dá)程度越高。他們推測(cè)NGB可能通過(guò)給腫瘤細(xì)胞供氧，維持其在缺氧環(huán)境下的生存，而且還可以抑制其凋亡，使其無(wú)限增殖，或許通過(guò)抑制腫瘤細(xì)胞中NGB的表達(dá)能否為其臨床治療提供思路。

3．2 視網(wǎng)膜退行性病變前文中提到，NGB在視網(wǎng)膜所有神經(jīng)元都有表達(dá)。而視網(wǎng)膜退行性病變致盲就是有NGB表達(dá)的感光細(xì)胞的凋亡造成的。NGB提供氧氣、抗氧化應(yīng)激等功能在視網(wǎng)膜疾病中也發(fā)揮保護(hù)作用［23］，目前，改善視網(wǎng)膜的氧供已成為臨床治療的一個(gè)新方案。2014年，Lechauve［24］報(bào)道稱，通過(guò)NGB基因療法預(yù)防視神經(jīng)萎縮，維持小鼠的視覺(jué)功能。

3．3 聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)疾病2015年，Reuss［25］首次在聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)，如耳蝸、聽(tīng)覺(jué)腦干中發(fā)現(xiàn)NGB。這是否提示NGB的保護(hù)作用為耳蝸氧化應(yīng)激、感覺(jué)神經(jīng)性耳聾等聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)疾病的臨床診斷、治療以及干預(yù)提供了新的方向。

除上述病變之外，NGB在記憶能力和糖尿病的防治中的作用也有報(bào)道。早期環(huán)境可通過(guò)改善腦區(qū)Ngb的表達(dá)，從而影響腦組織的攜氧能力和學(xué)習(xí)記憶能力，證明早期豐富環(huán)境對(duì)新生大鼠發(fā)育期的腦保護(hù)有重要意義［26］。Mendoza等［27］將NGB轉(zhuǎn)導(dǎo)至CAT／PTD結(jié)構(gòu)域，對(duì)胰島細(xì)胞有明顯保護(hù)作用。為解決通過(guò)移植胰島根治Ⅰ型糖尿病過(guò)程中出現(xiàn)的移植后孤立胰島的缺氧問(wèn)題提供了新方向。

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［2015-09-15收稿，2015-10-12修回］ ［本文編輯：韓仲琪］

Progress on the biological function research and clinical application of neuroglobin

MA Yong，HU Yuan-wei，LIU Zhi-wu，et al．Dept．of Anesthesiology，No．107 Hospital of Chinese PLA，Yantai，Shandong 264002，China

Since neuroglobin was found，its gene sequence，molecular structure and distribution characteristics have been known gradually and popularly．As a new endogenous protective molecular，the biological function of neuroglobin includes oxygen delivery，resistance to oxidative stress and apoptosis，scavenging radicals，etc．Through intervening the expression to improve the prognosis of disease will provide new sight and approaches for the clinical treatment．This article reviewes the biological function and clinical application of neuroglobin．

Neuroglobin；Expression mechanism；Protection；Clinical application

Q75

A

10．14172/j．issn1671-4008．2016．03．036

264002山東煙臺(tái)，解放軍107醫(yī)院麻醉科（馬勇，胡元威，劉志武，楊彤）

楊彤，Email：yangtong0120＠163．com