血紅素加氧酶1及其代謝產(chǎn)物在心血管系統(tǒng)病變中的保護(hù)作用

徐歡，宋倫

1. 軍事醫(yī)學(xué)研究院 軍事認(rèn)知與腦科學(xué)研究所，北京100850；2. 安徽醫(yī)科大學(xué)，安徽 合肥231200

血紅素加氧酶1（heme oxygenase-1，HO-1）的相對(duì)分子質(zhì)量為23 000[1]，染色體定位于22q12，最早歸類于熱激蛋白，因此也被稱為熱激蛋白23（heat shock protein 23，HSP23），在機(jī)體中廣泛分布，其中在脾臟中的活性最強(qiáng)。HO-1 是血紅素分解代謝的限速酶，可催化降解血紅素生成膽綠素（biliverdin，BV）、游離鐵和一氧化碳（carbon monoxide，CO）[2]。相當(dāng)多的研究表明，HO-1 及其分解產(chǎn)物可通過(guò)抑制氧化應(yīng)激等損傷反應(yīng)參與維持細(xì)胞完整性和組織內(nèi)穩(wěn)態(tài)[3]。各項(xiàng)研究揭示了HO-1 具有抗氧化、抗炎、抗增殖、抗凋亡和免疫調(diào)節(jié)等功能，并對(duì)多種應(yīng)激條件均有強(qiáng)烈的反應(yīng)性。

1 HO-1 的誘導(dǎo)表達(dá)特征

研究表明，HO-1 的表達(dá)水平主要受遺傳和轉(zhuǎn)錄調(diào)控。HO-1 基因啟動(dòng)子區(qū)存在（GT）n雙核苷酸重復(fù)序列結(jié)構(gòu)，其多態(tài)性與心血管疾病的發(fā)生密切相關(guān)。Taha[4]等對(duì)人內(nèi)皮細(xì)胞研究后認(rèn)為，HO-1 基因啟動(dòng)子區(qū)的GT 重復(fù)序列等位基因的變異直接調(diào)節(jié)HO-1 的表達(dá)水平，并和一些血管生成因子和抗炎因子的表達(dá)相關(guān)。研究發(fā)現(xiàn)擁有HO-1 短（GT）n基因型的人群患冠心病的風(fēng)險(xiǎn)較低，這可能是因?yàn)镠O-1 短（GT）n基因型更有利于HO-1 表達(dá)，從而使得機(jī)體具有更強(qiáng)的抗氧化應(yīng)激能力[5]。

除了遺傳調(diào)控外，轉(zhuǎn)錄調(diào)控是HO-1 實(shí)現(xiàn)誘導(dǎo)表達(dá)的重要途徑。在人HO-1 基因啟動(dòng)子區(qū)存在多種轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)合位點(diǎn)，如AP-1、NF-κB、Nrf2、Bach1、HIF-1 和ATF-2，它們可分別參與HO-1 在不同應(yīng)激條件下的誘導(dǎo)表達(dá)[1,4,6]。正常情況下，細(xì)胞中的Nrf2 與其伴侶分子Keap1 結(jié)合并進(jìn)入泛素化降解途徑，但在病理?xiàng)l件下Nrf2 被磷酸化，與Keap1 的結(jié)合被破壞，暴露出入核信號(hào)，在入核信號(hào)的驅(qū)使下進(jìn)入細(xì)胞核，與Maf 共結(jié)合到HO-1 的啟動(dòng)子元件ARE 上啟動(dòng)HO-1 的轉(zhuǎn)錄，抵抗帕金森病理?xiàng)l件下由NOX2 活化引起的ROS增加。在上述轉(zhuǎn)錄因子上游存在多種蛋白激酶，可通過(guò)不同的方式參與HO-1 的轉(zhuǎn)錄調(diào)控。絲裂原激活蛋白激酶（mitogen-activated protein kinases，MAPK）激活的信號(hào)通路是第一個(gè)被認(rèn)為能夠介導(dǎo)HO-1 誘導(dǎo)表達(dá)的信號(hào)途徑。MAPK 屬于進(jìn)化保守的絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶，調(diào)節(jié)多種細(xì)胞功能，包括增殖、凋亡、分化等。MAPK 由3 個(gè)家族組成，即細(xì)胞外信號(hào)調(diào)節(jié)激酶（ERK1/2）、c-jun N 端激酶（JNK）和p38 MAPK。每個(gè)家族由幾種功能相關(guān)的激酶組成，這些激酶具有與其特定下游靶點(diǎn)和轉(zhuǎn)錄因子磷酸化相關(guān)的獨(dú)特活性。研究表明，在氧化應(yīng)激條件下，Nrf2 的活化受到MAPK 途徑活化的調(diào)控，包括ERK 的磷酸化、JNK的磷酸化以及p38K 的磷酸化，這些蛋白激酶的活化促使了Nrf2 的磷酸化，從而促使其與Keap1 解離。磷脂酰肌醇3 激酶（PI3K）/Akt 信號(hào)通路也參與了HO-1 的調(diào)節(jié)，該途徑可被多種生長(zhǎng)因子和細(xì)胞毒性刺激劑激活。Akt 可以在Ser188 處直接磷酸化HO-1 并調(diào)節(jié)其活性。此外，其他信號(hào)分子，如蛋白激酶C 和酪氨酸激酶，也能影響HO-1的表達(dá)[1,4,6]。

2 HO-1 的分解產(chǎn)物及其功能

已有研究普遍認(rèn)為HO-1 會(huì)代謝血紅素生成CO、游離鐵和BV。但在最早的研究中，研究者認(rèn)為HO-1 只是發(fā)揮了分解血紅素清除血液中的血紅素堆積的功能，而其產(chǎn)物CO 在很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)被認(rèn)為是一種有毒氣體。后來(lái)研究發(fā)現(xiàn)CO 具有重要的細(xì)胞信號(hào)傳導(dǎo)特性，并涉及廣泛的細(xì)胞反應(yīng)和生理、病理狀態(tài)[7]。研究認(rèn)為CO 可以參與抗炎、細(xì)胞保護(hù)、維持組織內(nèi)穩(wěn)態(tài)等重要的生理功能。在某些特定情況下，CO 通過(guò)激活鳥苷酰環(huán)化酶（guanylyl cyclase，GC）和大電導(dǎo)鈣激活鉀通道（high-conductance calcium-activated potassium channels，BKCa）[8]下調(diào)促炎細(xì)胞因子并通過(guò)干擾MAPK 上調(diào)抗炎信號(hào)[9]。CO 主要作用于線粒體上，具有調(diào)節(jié)線粒體膜通透性、控制細(xì)胞死亡、改善線粒體代謝（主要通過(guò)調(diào)節(jié)細(xì)胞色素c 氧化酶活性和線粒體生物發(fā)生）、產(chǎn)生活性氧（ROS）以及輕度解偶聯(lián)作用的功能[9]。

研究者發(fā)現(xiàn)HO-1 在發(fā)揮血紅素分解酶過(guò)程中，高度依賴膽綠素還原酶（biliverdin reductase，BVR）將分解產(chǎn)生的BV 轉(zhuǎn)變?yōu)槟懠t素（bilirubin，BR）[10]。BR 是一種有效的內(nèi)源性抗氧化劑[11]，具有潛在的臨床意義。BVR 包含具有亮氨酸拉鏈脫氧核糖核酸結(jié)合基序列的區(qū)域，可與HO-1 啟動(dòng)子區(qū)域結(jié)合并發(fā)揮HO-1 轉(zhuǎn)錄激活功能[12]。BR/BVR 系統(tǒng)和CO 在內(nèi)皮細(xì)胞抗氧化保護(hù)過(guò)程中可能發(fā)揮了協(xié)同作用。CO 在此協(xié)同作用中的抗氧化作用并不是直接清除ROS，而是基于降低煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADPH）氧化酶活性、細(xì)胞色素P450 活性、鉀通道開放、血管生成、可溶性鳥苷酰環(huán)化酶（soluble guanyl cyclase，sGC）的激活以及調(diào)節(jié)MAPK 活化[13]。BR 在此協(xié)同作用中的抗氧化作用部分是直接清除ROS，但也是基于對(duì)NADPH 氧化酶活性、中性粒細(xì)胞黏附和炎癥途徑的調(diào)節(jié)以及氧化還原敏感蛋白水平的控制[14-15]。

當(dāng)前關(guān)于游離鐵的具體研究還不盡詳述，各方研究表示游離鐵可以顯示出氧化能力，但在血紅素降解期間釋放的游離鐵會(huì)刺激鐵蛋白的合成，鐵蛋白結(jié)合游離鐵，將釋放出的游離鐵隔離起來(lái)，抵抗游離鐵的繼續(xù)釋放，從而發(fā)揮了潛在抗氧化效應(yīng)[13]。

因此，單獨(dú)理解HO-1 的諸多保護(hù)效應(yīng)并不全面，HO-1 實(shí)際上可聯(lián)合其分解產(chǎn)物CO 和BV共同發(fā)揮損傷保護(hù)效應(yīng)。

3 HO-1 及其分解產(chǎn)物與心血管病

3.1 心血管系統(tǒng)中的HO-1 及其代謝產(chǎn)物的保護(hù)性作用

3.1.1 血管中的HO-1 及其代謝產(chǎn)物的保護(hù)性作用 相當(dāng)多的研究支持了HO-1 在血管中的多功能作用，包括血管張力調(diào)節(jié)、平滑肌增殖、抗內(nèi)皮細(xì)胞凋亡和血管生成[16-17]。HO-1 在血管中的作用在很大程度上是由其反應(yīng)副產(chǎn)物CO 和BR 介導(dǎo)的。在血管系統(tǒng)中，內(nèi)皮細(xì)胞釋放的一氧化氮（NO）對(duì)各種應(yīng)激因素均有很好的反應(yīng)，其激活sGC，增加細(xì)胞內(nèi)cGMP，導(dǎo)致血管擴(kuò)張，抑制平滑肌細(xì)胞增殖、抗血栓形成和抗血管炎癥[18]。CO 是一種相對(duì)于NO 更加穩(wěn)定的氣體分子，2 種氣體存在著一些相似的功能[19]。CO 也可以通過(guò)激活sGC 來(lái)促進(jìn)血管擴(kuò)張，盡管其效應(yīng)弱于NO[20]。研究發(fā)現(xiàn)，缺氧刺激后大鼠主動(dòng)脈平滑肌細(xì)胞產(chǎn)生的CO 可以降低內(nèi)皮素1 和血小板衍生生長(zhǎng)因子B 在內(nèi)皮細(xì)胞中的表達(dá)。此外，CO 還可以通過(guò)影響平滑肌中K+通道的活性來(lái)調(diào)節(jié)血管的松弛和收縮[21-23]。另一方面，BR 具有抗氧化作用，對(duì)平滑肌細(xì)胞具有抗增殖作用。在HO-1 對(duì)動(dòng)脈粥樣硬化發(fā)展的影響研究中，人們發(fā)現(xiàn)了HO-1 可通過(guò)多種途徑發(fā)揮有效的抗動(dòng)脈粥樣硬化作用。HO-1 在血管系統(tǒng)中的過(guò)度表達(dá)可減少動(dòng)脈粥樣硬化病變中的鐵沉積；CO 和BR 對(duì)內(nèi)皮細(xì)胞單核細(xì)胞遷移、平滑肌細(xì)胞增殖和炎癥基因表達(dá)的抑制作用在不同程度上還協(xié)助了HO-1 對(duì)動(dòng)脈粥樣硬化的保護(hù)作用。同樣，HO-1 在動(dòng)脈壁的過(guò)度表達(dá)使得CO 和BR 水平增加。通過(guò)CO 和BR 的抗增殖作用和CO 的抗血栓、抗炎作用，減少血管損傷后的新內(nèi)膜形成[23-27]。

3.1.2 心臟中的HO-1 及其分解產(chǎn)物的保護(hù)性作用 HO-1 的過(guò)表達(dá)可以保護(hù)心肌免受缺血和再灌注損傷。這與CO 的抗炎特性和BR 的抗氧化作用密切相關(guān)[20]。在大鼠模型中，單獨(dú)使用CO 或BV 并不能改變心臟移植的存活率，而聯(lián)合治療可以將存活率從0 提高到80%[28]。另外，HO-1 在心肌重塑反應(yīng)中也具有關(guān)鍵作用[29]。由血管緊張素Ⅱ（ANGⅡ）引起的心臟肥大可被過(guò)表達(dá)HO-1或鈷原卟啉顯著抑制。ROS 與各種病理性心肌功能障礙有關(guān)，HO-1 對(duì)心肌肥大的抑制效應(yīng)是由膽紅素減少ROS 生成而介導(dǎo)實(shí)現(xiàn)的。因此，HO-1 對(duì)ROS 的拮抗作用被認(rèn)為是心肌疾病的潛在治療途徑[30]。另一研究發(fā)現(xiàn)，在人和小鼠動(dòng)脈粥樣硬化血管的內(nèi)皮和巨噬細(xì)胞中，HO-1 的表達(dá)是顯著的[31]。人為地氧化低密度脂蛋白后，巨噬細(xì)胞中的HO-1 表達(dá)被誘導(dǎo)，同時(shí)巨噬細(xì)胞向M2 抗炎表型轉(zhuǎn)變。HO-1 缺失的巨噬細(xì)胞表現(xiàn)出ROS 水平的升高，并具有較高水平的促炎性相關(guān)細(xì)胞因子表達(dá)。進(jìn)一步的機(jī)制研究發(fā)現(xiàn)，在脂多糖刺激下，巨噬細(xì)胞中的HO-1 通過(guò)p38K 被募集到Caveoline-1 分子上抑制促炎信號(hào)活化。這種作用是通過(guò)抑制Caveoline-1 與Toll 樣受體4（脂多糖的主要膜受體）的相互作用來(lái)實(shí)現(xiàn)的。已經(jīng)證明，抗炎細(xì)胞因子白細(xì)胞介素10（IL-10）在巨噬細(xì)胞中可誘導(dǎo)HO-1 表達(dá)；HO-1 抑制劑可顯著降低IL-10 對(duì)脂多糖誘導(dǎo)小鼠敗血癥性休克的保護(hù)作用。由于HO-1 具有多種影響炎癥、凋亡、缺氧和血管生成的作用，因此HO-1 在各種心血管疾病中均具有臨床相關(guān)性[32]。

3.2 HO-1 及其代謝產(chǎn)物與心血管病變

3.2.1 HO-1 及其代謝產(chǎn)物與平滑肌增殖 通過(guò)體內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究HO-1 對(duì)血管損傷增殖反應(yīng)的抑制作用發(fā)現(xiàn)，HO-1 在豬動(dòng)脈中的表達(dá)抑制了動(dòng)脈損傷后的細(xì)胞增殖和損傷形成[33]。同樣，HO-1 基因敲除小鼠血管內(nèi)損傷后有增生性動(dòng)脈生成、細(xì)胞增殖和內(nèi)膜-介質(zhì)比率增加[34]。一些動(dòng)物研究證實(shí)HO-1 誘導(dǎo)表達(dá)可以抑制血管平滑肌細(xì)胞的增殖，表明HO-1 是治療閉塞性血管疾病的潛在靶點(diǎn)[35]。在大鼠頸動(dòng)脈球囊損傷模型中，與對(duì)照組相比，腺病毒介導(dǎo)的HO-1 過(guò)表達(dá)可以減少球囊損傷后的血管重構(gòu)和新生內(nèi)膜形成，而同時(shí)服用HO-1 抑制劑錫原卟啉Ⅸ可消除上述反應(yīng)[36]。普羅布考作為一種誘導(dǎo)HO-1 表達(dá)的藥物，能夠抑制血管平滑肌細(xì)胞增殖，并降低球囊損傷的兔主動(dòng)脈內(nèi)膜中層比率，而抑制HO-1 表達(dá)可逆轉(zhuǎn)上述作用。這確認(rèn)了普羅布考的血管保護(hù)作用是通過(guò)調(diào)節(jié)HO-1 表達(dá)介導(dǎo)的[37]。HO-1 誘導(dǎo)表達(dá)除了抑制血管平滑肌細(xì)胞增殖外，還通過(guò)促進(jìn)血管損傷部位的增殖和再內(nèi)皮化對(duì)內(nèi)皮細(xì)胞產(chǎn)生相反的作用，從而進(jìn)一步抑制動(dòng)脈粥樣硬化的發(fā)生發(fā)展[38]。一項(xiàng)早期研究也證實(shí)，普羅布考可以促進(jìn)再內(nèi)皮化，減少兔髂動(dòng)脈支架段的管腔狹窄。這些研究解釋了HO-1 表達(dá)與血管成形術(shù)后再狹窄率之間負(fù)相關(guān)關(guān)系的原因[28]。

HO-1 抑制血管平滑肌細(xì)胞增殖的功能可能與其血液分解代謝產(chǎn)物相關(guān)[21]。Morita 等報(bào)道HO-1 通過(guò)降低內(nèi)皮細(xì)胞內(nèi)皮素1（ET-1）和血小板衍生生長(zhǎng)因子β（PDGF-β）的產(chǎn)生來(lái)抑制血管平滑肌細(xì)胞的增殖[39]。同樣，膽紅素和膽綠素通過(guò)抑制MAPK 信號(hào)通路抑制血清源性室間隔細(xì)胞周期的體外進(jìn)展[40]。

3.2.2 HO-1 及其代謝產(chǎn)物與血管舒張 HO-1 的血管舒張?zhí)匦员徽J(rèn)為主要由CO 介導(dǎo)。早期研究表明，這種作用是由CO 與細(xì)胞色素P450 結(jié)合而產(chǎn) 生 的[41]。隨 后，CO通過(guò)激活sGC 導(dǎo) 致cGMP 濃度增加發(fā)揮顯著的血管舒張?zhí)匦?，這一作用與NO 無(wú)關(guān)[42]。盡管sGC 和cGMP 似乎在共同誘導(dǎo)血管擴(kuò)張，但涉及K+通道的機(jī)制也有報(bào)道。有研究報(bào)道了CO 誘導(dǎo)預(yù)收縮大鼠尾動(dòng)脈內(nèi)皮依賴性的血管舒張，阻斷cGMP 途徑或鈣激活K+通道可部分抑制血管舒張[43]。然而，當(dāng)cGMP 和K+通道被同時(shí)抑制時(shí)，血管舒張效應(yīng)被完全消除[44]。

HO-1 也可以通過(guò)內(nèi)皮一氧化氮合酶（eNOS）/NO 途徑調(diào)節(jié)動(dòng)脈擴(kuò)張。研究證明過(guò)度表達(dá)HO-1 可以恢復(fù)eNOS 的表達(dá)，從而減輕了暴露于氧化低密度脂蛋白和TNF-α的血管內(nèi)皮細(xì)胞的功能障礙[45]。通過(guò)BR 的預(yù)處理可觀察到類似效果[46]。另外，盡管有大量證據(jù)表明CO 是一種血管擴(kuò)張劑，但有發(fā)現(xiàn)證明CO 也可能產(chǎn)生相反的作用。較低濃度的CO 可誘導(dǎo)細(xì)胞內(nèi)池釋放NO 而發(fā)揮血管擴(kuò)張效應(yīng)，而較高濃度的CO 抑制eNOS 的活性和NO 生成，因此產(chǎn)生相反的效果。上述研究結(jié)果表明，CO 和NO 共同介導(dǎo)的血管擴(kuò)張可能涉及多種機(jī)制。CO 和NO 之間的復(fù)雜相互作用可能對(duì)血管張力產(chǎn)生不同的影響，這取決于CO 的濃度[47]。

3.2.3 HO-1 及其代謝產(chǎn)物與心肌功能 鈷原卟啉（cobalt protoporphyrin，CoPP）是一種強(qiáng)烈的HO-1 誘導(dǎo)劑，在心肌梗死后最初幾天用CoPP 誘導(dǎo)HO-1 高表達(dá)，可以減少梗死邊緣區(qū)心肌細(xì)胞的凋亡，增加心肌細(xì)胞增殖，修復(fù)心肌損傷[48]。同時(shí)，增加HO-1 水平促進(jìn)成纖維細(xì)胞的積累及其本身增殖減少，并下調(diào)梗死區(qū)Ⅰ型前膠原的表達(dá)。這些對(duì)于修復(fù)心肌梗死，防止心肌梗死進(jìn)一步擴(kuò)大有重要的生理學(xué)意義。此外，HO-1 增加抗炎細(xì)胞因子TGF-β1 的表達(dá)，提示HO-1 在梗死愈合的早期對(duì)心臟的保護(hù)作用可能部分源于炎癥反應(yīng)的抑制。在遠(yuǎn)端心肌，HO-1 抑制心肌細(xì)胞的增殖和凋亡，減弱心力衰竭誘導(dǎo)的心肌細(xì)胞修復(fù)的增加，減少血管周圍纖維化，降低結(jié)締組織生長(zhǎng)因子的表達(dá)，從而潛在地減輕心室重構(gòu)。

既往研究發(fā)現(xiàn)[49]用HO-1 的另一種誘導(dǎo)劑血紅素精氨酸治療N-硝基-1-精氨酸甲酯高血壓大鼠模型，可以有效減輕大鼠心內(nèi)膜下?lián)p傷、間質(zhì)纖維化、單核細(xì)胞浸潤(rùn)和心肌細(xì)胞肥大，改善了心肌的形態(tài)。在這個(gè)過(guò)程中，HO-1 抑制了包括趨化因子、細(xì)胞因子，如巨噬細(xì)胞炎性蛋白1α、巨噬細(xì)胞趨化蛋白1、TNF-α、IL-6、IL-1β、內(nèi)皮素1、8-異前列腺素、硝基酪氨酸和醛固酮等多種炎癥、氧化應(yīng)激反應(yīng)介質(zhì)的表達(dá)。同時(shí)，血紅素精氨酸降低TGF-β1 和Ⅳ型膠原水平的升高，減少骨橋蛋白和骨保護(hù)素，而這2 種蛋白只有在心力衰竭時(shí)才會(huì)出現(xiàn)。在結(jié)扎該模型鼠心臟左前降支后用CoPP 誘導(dǎo)HO-1 表達(dá)，4 周內(nèi)存活率從75%提高到88%[31]。組織學(xué)和生理學(xué)觀察發(fā)現(xiàn)這與舒張末期和收縮末期血管直徑減小、心率降低、心前壁變薄和后壁增厚有關(guān)。

而關(guān)于HO-1 的產(chǎn)物CO 和BR 在心肌功能中的作用，研究認(rèn)為[50]兩者都參與HO-1 對(duì)缺血性心肌損傷的保護(hù)作用。CO 除了影響微循環(huán)外，還通過(guò)抑制T 型鈣通道直接參與調(diào)節(jié)細(xì)胞增殖，從而改善心肌病理重塑。BR 由于具有抗氧化作用，可保護(hù)心肌細(xì)胞免受缺血損傷和凋亡。

4 結(jié)語(yǔ)

HO-1 的效應(yīng)是復(fù)雜的?；钚怨δ芏嘧?、產(chǎn)物功能復(fù)雜，以及和其他多種途徑的相互作用，注定了HO-1 是一個(gè)具有多效應(yīng)和多調(diào)控靶點(diǎn)的信號(hào)分子。進(jìn)一步的研究應(yīng)當(dāng)關(guān)注HO-1/CO/BV系統(tǒng)在心血管病變起始階段的作用，為及時(shí)預(yù)防和挽救心血管損傷提供策略。在理解CO/BV 發(fā)揮的功能時(shí)，可以期待發(fā)現(xiàn)更多的信號(hào)分子機(jī)制。而了解這些相互作用可能有助于開發(fā)更有效的抗心血管疾病策略，并且通過(guò)靶向HO-1/CO/BV 參與的最關(guān)鍵途徑，尋找到新的診療思路和方案。