血紅素加氧酶-1在感染性疾病中的作用及研究進(jìn)展

王 凡，王宏娟 綜述，徐世明 審校

(首都醫(yī)科大學(xué)燕京醫(yī)學(xué)院生物化學(xué)與分子生物學(xué)教研室，北京 101300)

由細(xì)菌、真菌、寄生蟲和病毒引起的各類感染性疾病是導(dǎo)致人類高發(fā)病率和高病死率的主要原因。盡管抗生素不斷更新?lián)Q代，但感染性疾病仍是世界十大死亡原因之一，其中主要的感染性疾病是艾滋病、結(jié)核病和瘧疾。近些年，抗體技術(shù)的進(jìn)步和微生物感染輔助治療手段的增加，使調(diào)節(jié)宿主對病原體的免疫應(yīng)答，減輕感染對機(jī)體的影響成為可能。血紅素加氧酶-1(heme oxygenase 1,HO-1)是一種具有免疫調(diào)節(jié)活性的細(xì)胞保護(hù)酶，可以被藥物調(diào)控來改變感染的結(jié)果[1]。HO-1可催化血紅素降解生成CO、膽綠素和亞鐵離子。CO作為第二信使，影響著諸多細(xì)胞功能，同時(shí)具有抗凋亡[2]、抗炎[3]、抗增殖[4]和促血管舒張活性[5]等作用。HO-1催化生成的膽綠素隨即被還原為膽紅素，膽綠素和膽紅素都具有抗菌活性[6]。分子鐵可誘導(dǎo)鐵蛋白的表達(dá)，最終減少細(xì)胞內(nèi)的游離鐵，起到阻礙細(xì)胞內(nèi)病原體生長的作用[7]。此外，HO-1可在其C端被裂解后，轉(zhuǎn)移到細(xì)胞核內(nèi)，參與氧化應(yīng)激誘導(dǎo)的轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)作用[8]。已有研究分析了HO-1在心血管系統(tǒng)、消化系統(tǒng)、呼吸系統(tǒng)、泌尿系統(tǒng)、神經(jīng)系統(tǒng)等多種疾病中的作用，但對HO-1與感染性疾病的關(guān)系，研究報(bào)道較少。本文對HO-1在由細(xì)菌、真菌、寄生蟲、病毒引起的各類感染性疾病中的作用，進(jìn)行了綜述。

1 HO-1與細(xì)菌感染

1.1結(jié)核分枝桿菌(mycobacterium tuberculosis，Mtb)感染 對于HO-1在結(jié)核病發(fā)病機(jī)制中所起的作用是細(xì)胞保護(hù)或細(xì)胞毒性，學(xué)者們看法不一，一種觀點(diǎn)認(rèn)為HO-1可以保護(hù)宿主免受結(jié)核分枝桿菌的感染，另一種觀點(diǎn)則認(rèn)為HO-1增強(qiáng)了宿主細(xì)胞的易感性。2012年，REGEV等[9]研究證明HO-1是在感染禽Mtb后被誘導(dǎo)表達(dá)的。他們發(fā)現(xiàn)HO-1可通過對單核細(xì)胞趨化因子蛋白-1(MCP-1)和趨化因子受體2(CCR2)的調(diào)控，來影響HO-1-/-小鼠肉芽腫的形成，而這些趨化因子涉及單核細(xì)胞-巨噬細(xì)胞的轉(zhuǎn)運(yùn)。該研究還說明，HO-1-/-小鼠對禽Mtb的感染很敏感。此后SILVA-GOMES等[10]研究證實(shí)，HO-1及其反應(yīng)產(chǎn)物通過對促炎細(xì)胞因子IL-1b和IL-6的下行調(diào)節(jié)，來抑制細(xì)胞的促炎性反應(yīng)，且在缺乏活性HO-1的情況下，血紅素的積累會導(dǎo)致巨噬細(xì)胞的壞死性凋亡。SILVA-GOMES等[10]發(fā)現(xiàn)對受感染小鼠的血紅素水平的調(diào)控可以阻斷小鼠肉芽腫的形成，證明HO-1具有對抗Mtb感染的作用。而該研究中，HO-1-/-小鼠被證明死于Mtb的感染，并且其體內(nèi)有更高的細(xì)菌載量。這些表明，HO-1在保護(hù)機(jī)體免受Mtb的感染中起著重要作用。為了描述HO-1介導(dǎo)細(xì)胞保護(hù)的分子機(jī)制，有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)HO-1是γ-干擾素(IFN-γ)誘導(dǎo)自體吞噬的必要條件[11]。而IFN-γ誘發(fā)的自體吞噬在細(xì)胞內(nèi)Mtb的清除中起著至關(guān)重要的作用，但其具體機(jī)制較復(fù)雜[12]。

相反，另一些研究表明HO-1可幫助宿主體內(nèi)的Mtb存活。SCHARN等[13]發(fā)現(xiàn)，通過錫原卟啉IX(SnPPIX)抑制HO-1的表達(dá)，可以抑制Mtb的生長。研究也證明在Mtb誘導(dǎo)下，HO-1與Mtb會在細(xì)胞內(nèi)進(jìn)行共定位，且HO-1能夠促進(jìn)巨噬細(xì)胞炎癥因子的產(chǎn)生。通過SnPPIX治療，可以降低細(xì)胞的Mtb細(xì)菌載量，并弱化炎性反應(yīng)。此外，SnPPIX療法與傳統(tǒng)抗菌治療相結(jié)合，能快速有效清除Mtb。SnPPIX治療也會降低人單核細(xì)胞型淋巴瘤(THP1)細(xì)胞中的膿腫分枝桿菌的存活，可使THP1細(xì)胞內(nèi)活性氧簇(ROS)的水平增加，并促進(jìn)溶酶體與運(yùn)載分枝桿菌的吞噬小體的融合[14]。HO-1的表達(dá)與結(jié)核病的相關(guān)性在家兔、小鼠和靈長目動物等模型中也得到證實(shí)[15]。然而，闡明HO-1在Mtb感染的發(fā)病機(jī)制中所起的作用，還有待深入的研究。

1.2其他細(xì)菌感染 HO-1在鼠傷寒沙門菌和綠膿桿菌等細(xì)菌感染中的作用，也有報(bào)道。

目前，HO-1在保護(hù)細(xì)胞抵抗鼠傷寒沙門菌感染方面的作用，爭議頗多。ONYIAH等[16]建立了小鼠感染鼠傷寒菌誘發(fā)結(jié)腸炎的模型，證明用鈷原卟啉(CoPP)誘導(dǎo)HO-1的表達(dá)，可以降低小鼠不同靶器官的細(xì)菌載量。該研究也證明，HO-1催化產(chǎn)生的CO，可誘導(dǎo)小鼠巨噬細(xì)胞的殺菌活性，以保護(hù)它們免受沙門菌的感染。與上面提到的研究結(jié)論相反，MITTERSTILLER等[17]證明，使HO-1基因沉默或使用HO-1抑制劑，能使沙門菌的存活率降低，這種對感染的控制效應(yīng)是通過膜鐵轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白1(ferroportin 1,FPN1)介導(dǎo)的鐵減少引起的，并伴隨著白細(xì)胞介素-6(IL-6)、CC趨化因子配體20(CCL20)、腫瘤壞死因子-α(TNF-α)、一氧化氮合酶(iNOS)等促炎癥細(xì)胞因子的產(chǎn)生。

綠膿桿菌是一種機(jī)會性病原體，在60%的囊性纖維化(CF)患者中發(fā)現(xiàn)該菌的感染。ZHOU[18]等分析了在CF患者中HO-1的表達(dá)，證明HO-1在CF感染部位有著很高的表達(dá)水平。此外，利用綠膿桿菌感染囊性纖維化呼吸道上皮細(xì)胞株(ib3.1)，發(fā)現(xiàn)HO-1的過表達(dá)能夠保護(hù)這些細(xì)胞免受細(xì)胞損傷和凋亡的影響[18]。

2 HO-1與真菌感染

白色念珠菌是一種機(jī)會性病原體，它在寄主體內(nèi)是否致病，依賴一種毒性途徑的調(diào)控，并且這條途徑需在血紅蛋白的存在下起作用[19]。在與血紅蛋白接觸后，白色念珠菌會誘導(dǎo)纖連蛋白過表達(dá)，它有助于念珠菌的附著和感染的初步啟動[19]。血紅蛋白還可以一種鐵依賴的途徑誘導(dǎo)白色念珠菌HO-1的表達(dá)，HO-1能幫助宿主體內(nèi)白色念珠菌的生長。在一定濃度CO的作用下，白色念珠菌的毒性增加，CO可以保護(hù)其免受宿主免疫系統(tǒng)的影響[20]。HO-1催化生成的CO可以降低IL-17的水平，有助于增強(qiáng)白色念珠菌的毒性。此外，HO-1基因敲除的白色念珠菌菌株顯示出毒性減弱，且可在吸入外源性CO后逆轉(zhuǎn)[20]。這些研究表明，HO-1有助于提高白色念珠菌的存活率和毒性。然而，宿主來源的HO-1在白色念珠菌病發(fā)病機(jī)制中的作用尚需要進(jìn)一步的研究。

3 HO-1與寄生蟲感染

在寄生蟲病中，瘧疾是一個全球性的健康挑戰(zhàn)，2016年，瘧疾在世界范圍內(nèi)，共有2.16億病例和44.5萬人死亡。當(dāng)瘧疾寄生蟲成熟時(shí)，它會進(jìn)入血液并感染紅細(xì)胞，紅細(xì)胞被寄生蟲溶解，產(chǎn)生無細(xì)胞血紅蛋白，最終導(dǎo)致血紅素的積累。血紅素具有細(xì)胞毒性，但可以被HO-1降解。PAMPLONA等[21]利用小鼠模型分析了HO-1在實(shí)驗(yàn)性腦型瘧疾(ECM)中的作用。這項(xiàng)研究表明，通過藥物誘導(dǎo)HO-1表達(dá)，可以阻止ECM對機(jī)體的攻擊，同時(shí)可避免因ECM感染而導(dǎo)致的死亡。另一項(xiàng)研究表明，功能性HO-1的存在可以保護(hù)小鼠免受夏氏瘧原蟲的感染，而該項(xiàng)試驗(yàn)中的HO-1-/-小鼠經(jīng)歷了肝衰竭并最終死亡[22]。以上研究都表明，HO-1在瘧原蟲感染中對機(jī)體起保護(hù)作用。

然而，EPIPHANIO等[23]發(fā)現(xiàn)，HO-1-/-BALB/c小鼠可以抵御伯氏瘧原蟲和約氏瘧原蟲的感染。他的研究表明，瘧原蟲感染后對肝細(xì)胞HO-1基因的誘導(dǎo)，對瘧原蟲成功感染肝臟起著至關(guān)重要的作用，而HO-1過表達(dá)或外源性CO的干預(yù)，則會增加肝臟的瘧原蟲載量?；谝陨贤茰y，由HO-1作用產(chǎn)生的CO的濃度和感染的位點(diǎn)可能是瘧疾發(fā)病機(jī)制的重要影響因素。

4 HO-1與病毒感染

HO-1在控制病毒感染方面起著重要的作用，因此成為治療病毒感染最有希望的藥物靶標(biāo)之一。研究表明，HO-1能控制某些病毒的復(fù)制能力，從而成為對抗病毒感染的重要手段。

4.1人類免疫缺陷病毒(human immunodeficiency virus，HIV) 艾滋病仍然是全球危害最嚴(yán)重的感染性疾病之一，由HIV引起。HIV是一種逆轉(zhuǎn)錄病毒，依靠逆轉(zhuǎn)錄酶進(jìn)行RNA復(fù)制。在20世紀(jì)80年代，TSUTSUI和MUELLER證明了100 μmol/L的血紅素可以直接抑制小鼠白血病病毒的逆轉(zhuǎn)錄酶[5]，由于血紅素是HO-1的激活劑，推測 HO-1在減輕病毒感染方面起重要作用。DEVDAS等[24]利用人源化NOD-SCID小鼠，證實(shí)了這一假設(shè)，血紅素確實(shí)可以抑制HIV的復(fù)制。在單核細(xì)胞中重復(fù)該試驗(yàn)，得到相似結(jié)果。后續(xù)研究發(fā)現(xiàn)，利用HO-1的抑制劑SnPPIX，可削弱血紅素對HIV的抑制作用。此外，利用脂多糖(LPS)可以抑制由單核細(xì)胞來源的巨噬細(xì)胞內(nèi)HIV病毒的復(fù)制。研究發(fā)現(xiàn)，由LPS介導(dǎo)的HO-1的表達(dá)，可以導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)趨化因子MIP1ɑ和MIP1β 的高表達(dá)，從而抑制HIV病毒的復(fù)制[25]。在HIV感染后，第1批表達(dá)的蛋白質(zhì)是轉(zhuǎn)錄反式激活因子(Tat)，Tat對于宿主細(xì)胞內(nèi)HIV的生存和復(fù)制是必不可少的，Tat會降低細(xì)胞內(nèi)HO-1水平，導(dǎo)致血紅素的聚積，進(jìn)而導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)的H2O2積累，人為上調(diào)HO-1的表達(dá)可抑制Tat蛋白的活性，從而抑制病毒的感染和復(fù)制[26]。綜上所述，HO-1在減輕HIV感染方面有重要作用，可以作為治療HIV的靶標(biāo)。

4.2乙型肝炎病毒(hepatitis B virus，HBV) HBV是一種DNA病毒，表現(xiàn)出與逆轉(zhuǎn)錄病毒相似的特征。一些感染HBV的患者會發(fā)展為活動性肝炎，進(jìn)而發(fā)展為肝硬化和肝癌。研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)HO-1的誘導(dǎo)可以減少小鼠模型中與炎癥相關(guān)的肝細(xì)胞的凋亡[27]。對于HO-1在控制HBV感染方面所起的作用，PROTZER等[28]使用小鼠急性乙型肝炎的模型(該小鼠基因組被嵌入HBV)，發(fā)現(xiàn)通過共聚聚丙烯(CoPP)誘導(dǎo)HO-1的表達(dá)，可以減少病毒的復(fù)制和減輕小鼠肝損傷，其機(jī)制是小鼠體內(nèi)誘導(dǎo)產(chǎn)生的HO-1直接降低了HBV核蛋白的穩(wěn)定性，從而抑制了HBV核中共價(jià)閉合環(huán)狀DNA的生成。這項(xiàng)研究還使用了慢性乙型肝炎感染的轉(zhuǎn)基因小鼠模型，在該模型中，誘導(dǎo)產(chǎn)生的HO-1，抑制了病毒的復(fù)制。上述研究表明，HO-1可直接抑制HBV病毒的復(fù)制，而不是通過誘導(dǎo)抗炎反應(yīng)來抑制病毒復(fù)制的。

4.3流感病毒(influenza virus，F(xiàn)LU) 流行性感冒是由FLU引起的，F(xiàn)LU有4種血清型：A、B、C和D，已知A、B和C型會感染人類。HASHIBA等[29]在研究中先用帶有小鼠HO-1 cDNA的腺病毒處理小鼠，使HO-1過表達(dá)，再用流感病毒(H1N1)感染小鼠。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與對照組相比，HO-1減少了炎癥細(xì)胞向肺部的轉(zhuǎn)移，減輕了肺部病變，提高了小鼠存活率。HO-1所體現(xiàn)的保護(hù)性作用主要是通過抑制病原體引發(fā)的死亡信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路實(shí)現(xiàn)的。該結(jié)論得到了另一項(xiàng)研究的支持，在HO-1-/-小鼠中，流感病毒疫苗的反應(yīng)減弱，流感感染惡化[30]。流感病毒感染上皮細(xì)胞、單核細(xì)胞或巨噬細(xì)胞后，HO-1還可調(diào)控這些細(xì)胞促炎癥趨化因子(如RANTES和MCP-1)的分泌。有研究表明，盧比甾酮酸衍生物可通過MAP-ERK途徑上調(diào)HO-1的表達(dá)，進(jìn)而抑制流感病毒的復(fù)制[31]。HO-1的上調(diào)導(dǎo)致了1型干擾素的表達(dá)量升高，而干擾素則是體內(nèi)天然的抗病毒物質(zhì)[31]。此外，經(jīng)血紅素誘導(dǎo)表達(dá)的HO-1，可以減輕流感病毒引起的肺炎，這種影響主要是通過對機(jī)體免疫反應(yīng)的調(diào)節(jié)和減少肺損傷實(shí)現(xiàn)的[32]。

5 展 望

HO-1是應(yīng)激反應(yīng)的主要調(diào)節(jié)因子之一。血紅素被HO-1催化降解，其產(chǎn)物CO和膽綠素是細(xì)胞內(nèi)強(qiáng)有力的抗氧化劑，可以殺死一些病原體，分子鐵在游離狀態(tài)下也是一種氧化介質(zhì)。相關(guān)研究表明，HO-1與細(xì)菌、真菌、寄生蟲、病毒引起的感染性疾病有著密切關(guān)系。許多微生物感染都會引起細(xì)胞的氧化應(yīng)激反應(yīng)，HO-1可以保護(hù)細(xì)胞免受病原體感染引起的氧化應(yīng)激損傷，氧化應(yīng)激也可以誘發(fā)宿主細(xì)胞清除病原體的途徑。依賴于不同宿主細(xì)胞和不同病原體，HO-1可以保護(hù)宿主免受感染，或可能促進(jìn)細(xì)胞內(nèi)病原體的生長。HO-1在包括乙型肝炎病毒、HIV在內(nèi)的幾種病毒感染中的細(xì)胞保護(hù)作用已得到證實(shí)。在真菌感染方面，白色念珠菌自身誘導(dǎo)表達(dá)的HO-1有助于提高其存活率和毒性。HO-1在瘧疾、結(jié)核桿菌和鼠傷寒沙門菌感染中的作用尚不明確。

綜上所述，HO-1可以發(fā)揮對宿主的保護(hù)作用，也有可能通過抑制炎癥途徑來促進(jìn)某些病原體在細(xì)胞內(nèi)的生長。相信進(jìn)一步的研究將揭示HO-1在這些感染中的確切作用，為研究感染性疾病的治療策略和治療手段，提供新的思路。