精氨酸酶II:一種 “不同尋?！?的酶

劉 暢,羅 蓉,杜吉佩,李 秀?

(1.成都醫(yī)學(xué)院,基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院,四川養(yǎng)老與老年健康協(xié)同創(chuàng)新中心老年心血管疾病研究所,成都 610500;2.成都醫(yī)學(xué)院,人體解剖與組織胚胎學(xué)教研室;發(fā)育與再生四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,成都 610500)

1 精氨酸酶

精氨酸酶是一種可以將精氨酸轉(zhuǎn)化成鳥氨酸和尿素的錳金屬酶,在細(xì)菌、酵母、植物、無(wú)脊椎動(dòng)物、脊椎動(dòng)物中都有發(fā)現(xiàn)。 絕大多數(shù)的無(wú)脊椎動(dòng)物、植物、細(xì)菌和酵母的精氨酸酶僅僅只有一種亞型,并且存在于線粒體中[1-2]。 在人類和哺乳動(dòng)物體內(nèi),存在著兩種精氨酸酶同工酶:精氨酸酶I 和精氨酸酶II,由兩條染色體上兩個(gè)不同的基因編碼。

在人類體內(nèi),精氨酸酶I 定位于6q23 染色體上,編碼322 個(gè)氨基酸;而精氨酸酶II 定位于14q24染色體上,編碼354 個(gè)氨基酸。 雖然這兩種同工酶由不同基因編碼,但是結(jié)構(gòu)相似,氨基酸殘基的同源性超過50%,在催化L-精氨酸代謝功能關(guān)鍵區(qū)域具有100%的同源性。 在亞細(xì)胞水平,精氨酸酶I 主要位于細(xì)胞質(zhì)內(nèi),精氨酸酶II 主要位于線粒體內(nèi)。盡管精氨酸酶I 和精氨酸酶II 都是水解L-精氨酸產(chǎn)生L-鳥氨酸和尿素,但是這兩種同工酶的功能卻取決于特定器官或細(xì)胞。 例如在內(nèi)皮細(xì)胞中,精氨酸酶I 或者精氨酸酶II 的酶活性或者表達(dá)水平增加會(huì)減弱血管內(nèi)皮一氧化氮合酶(eNOS)產(chǎn)生的血管保護(hù)性物質(zhì)NO。 然而在巨噬細(xì)胞中,精氨酸酶I 和精氨酸酶II 似乎具有相反的功能作用。 因?yàn)榫彼崦窱 在肝中大量表達(dá),所以精氨酸酶I 最主要的功能是參與肝尿素循環(huán),去除氨基酸代謝產(chǎn)生的過量氮;精氨酸酶II 在肝細(xì)胞中不表達(dá)。 研究顯示,精氨酸酶I 基因敲除小鼠表現(xiàn)出嚴(yán)重的高氨血癥癥狀,并在出生后10 ～14 d 死亡[3],從而證實(shí)了肝精氨酸酶I 的重要作用。 基因突變所致精氨酸酶I缺乏癥患者表現(xiàn)為尿素循環(huán)紊亂、高精氨酸血癥,并伴有進(jìn)行性神經(jīng)功能損害、發(fā)育遲緩以及伴隨早期兒童肝硬化和肝癌的肝功能異常[4-5]。 精氨酸酶I 除了在肝中表達(dá)外,還發(fā)現(xiàn)在胃、胰腺、肺中有表達(dá)[6]。 精氨酸酶I 在這些器官中的功能尚不清楚。 與精氨酸酶I 不同的是,精氨酸酶II 主要存在于腎、大腦、前列腺、腸道和胰腺中[6-8],目前精氨酸酶II 在這些器官中的作用未知。 在臨床研究中,精氨酸酶的激活與心、肺、腎的缺血再灌注損傷、高血壓、勃起功能障礙、動(dòng)脈粥樣硬化、糖尿病、心肌梗死等疾病的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)[9]。 其中,精氨酸酶II 在某些心血管疾病和巨噬細(xì)胞中的作用研究成為目前探討的熱點(diǎn)之一,本文就精氨酸酶II 在心血管疾病和巨噬細(xì)胞中所起的作用進(jìn)行綜述。

2 精氨酸酶II 在心血管疾病中的作用

目前一氧化氮(NO) 被公認(rèn)為是血管舒張因子之一。 已經(jīng)證實(shí)血管內(nèi)皮NO 生物利用度降低最能反映病理?xiàng)l件下的內(nèi)皮細(xì)胞功能障礙[10]。 NO 的前體是L-精氨酸,L-精氨酸也是eNOS 的底物。 當(dāng)精氨酸酶II 的活性增強(qiáng)時(shí),它可以與eNOS 競(jìng)爭(zhēng)其共同底物L(fēng)-精氨酸。 一旦當(dāng)L-精氨酸的供應(yīng)量不足以產(chǎn)生NO 時(shí),eNOS 就會(huì)產(chǎn)生較少的NO 并且會(huì)跟更多的分子氧形成超氧化物(這個(gè)過程叫做eNOS-解耦聯(lián))[11-12]。 這些超氧化物會(huì)迅速地與可用的NO 反應(yīng)形成過氧亞硝酸鹽,進(jìn)一步降低NO 的產(chǎn)生并通過氧化輔助因子BH4 進(jìn)一步解偶聯(lián)eNOS[13]。有證據(jù)表明,eNOS 解偶聯(lián)在一些內(nèi)皮功能障礙疾病中起著重要的作用,包括高血壓、動(dòng)脈粥樣硬化、心肌缺血/ 再灌注損傷、 糖尿病血管病變以及衰老[14]。

2.1 精氨酸酶II 與動(dòng)脈粥樣硬化

炎癥、血管收縮和血栓形成參與了動(dòng)脈粥樣硬化的發(fā)生發(fā)展過程。 血管內(nèi)皮功能受損被認(rèn)為是動(dòng)脈粥樣硬化的早期和關(guān)鍵因素,導(dǎo)致動(dòng)脈管壁異常和斑塊形成。 越來(lái)越多的證據(jù)表明氧化低密度脂蛋白(OxLDL) 參與動(dòng)脈粥樣硬化[15-17]發(fā)生發(fā)展的機(jī)制。 動(dòng)脈粥樣硬化模型中精氨酸酶II 的活性和表達(dá)增加,OxLDL 通過氧化型低密度脂蛋白受體-1(LOX-1)和激活Rho 激酶(ROCK)介導(dǎo)這種升高,LOX-1 激活精氨酸酶II 導(dǎo)致eNOS 解偶聯(lián)并減少NO 生成。 此外,藥物抑制LOX-1 和ROCK 可以減弱內(nèi)皮細(xì)胞精氨酸酶II 的活性,并且發(fā)現(xiàn)動(dòng)脈粥樣硬化載脂蛋白E / 精氨酸酶II 雙敲除小鼠(ApoE-/-Arg-/-)血管動(dòng)脈粥樣硬化斑塊減少,氧化應(yīng)激降低并且增加NO 產(chǎn)生。 OxLDL 通過線粒體加工肽酶(MPP)將精氨酸酶II 從線粒體遷移到胞漿,從而引起精氨酸酶II 的激活。 MPP 的敲除阻止OxLDL 誘導(dǎo)精氨酸酶II 移位,阻斷了eNOS 的解偶聯(lián)和改善了血管功能[18]。 Rafnsson 等[19]證 明 內(nèi) 皮 素-1(endothelin-1,ET-1)與精氨酸酶II 在人動(dòng)脈粥樣硬化斑塊壞死中心和內(nèi)皮細(xì)胞中都有表達(dá),而且ET-1刺激內(nèi)皮細(xì)胞精氨酸酶II 的表達(dá),使其活性增加以及引起巨噬細(xì)胞ROS 的形成。 Koo 等[20-21]發(fā)現(xiàn)精氨酸酶II 的敲除可以抑制由于nLDL 引起的人主動(dòng)脈平滑肌細(xì)胞線粒體膜電位( mitochondrial membrane potential,MMP)喪失和p38MAPK 磷酸化的產(chǎn)生,并且證明精氨酸酶II 的活性通過Ca2+攝取調(diào)節(jié)MMP 的變化,Ca2+攝取對(duì)p38 MAPK 磷酸化和IL-8 的產(chǎn)生至關(guān)重要。 在人臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞(human umbilical vein endothelial cells, HUVEC)中,精氨酸酶II 下調(diào)通過p32 增加Ca2+濃度, 激活CaMKII/ AMPK/ p38 MPAK/ Akt/ eNOS 信號(hào)通路。在這一信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑中,由于精氨酸酶II 的下調(diào),p38 MAPK 的抑制增加了NO 的產(chǎn)生,減少ROS 的生成,并增強(qiáng)了乙酰膽堿誘導(dǎo)的血管舒張[22]。 由此可見,精氨酸酶II 是參與動(dòng)脈粥樣硬化發(fā)生發(fā)展的重要因子之一,在動(dòng)脈粥樣硬化動(dòng)物模型和短期臨床干預(yù)研究中,精氨酸酶II 的抑制可以很好地降低斑塊負(fù)荷,改善NO 生成,恢復(fù)內(nèi)皮功能,因此靶向精氨酸酶II 可以為治療與動(dòng)脈粥樣硬化相關(guān)的血管功能障礙和損傷提供有效方案[23-25]。

2.2 精氨酸酶II 與衰老/ 細(xì)胞老化

研究表明,由于衰老引起的細(xì)胞老化與胞內(nèi)精氨酸酶II 活性/ 表達(dá)增加有關(guān)[26-28]。 Yepuri 等[26]發(fā)現(xiàn),與幼齡小鼠相比,老齡小鼠精氨酸酶II 活性/表達(dá)更高,血管內(nèi)皮NO 釋放含量更低,超氧化物生成水平更高。 精氨酸酶II 的敲除可防止老齡小鼠eNOS 解偶聯(lián),減少超氧化物的產(chǎn)生。 Wu 等[28]證明,精氨酸酶II 通過p38MAPK、S6K1、eNOS 解偶聯(lián)三者交互作用促使內(nèi)皮細(xì)胞分泌炎性因子而加速衰老。 有研究報(bào)道,血管內(nèi)皮細(xì)胞衰老與補(bǔ)充L-精氨酸有關(guān)。 Scalera 等[29]證明,長(zhǎng)期給予L-精氨酸還可加速內(nèi)皮細(xì)胞的衰老和減少NO 的生成。Xiong 等[30]報(bào)道,長(zhǎng)期給予L-精氨酸誘導(dǎo)的內(nèi)皮細(xì)胞衰老與精氨酸酶II 表達(dá)上調(diào)有關(guān)。 精氨酸酶II誘導(dǎo)的細(xì)胞老化涉及不同機(jī)制,在血管內(nèi)皮細(xì)胞中,精氨酸酶II 通過核糖體蛋白S6 激酶β - 1(S6K1)引起eNOS 解偶聯(lián)從而導(dǎo)致內(nèi)皮細(xì)胞老化的發(fā)生,有趣的是,S6K1 也可以通過精氨酸酶II 引起細(xì)胞老化[26]。 在血管平滑肌細(xì)胞中,Xiong 等[31]的一項(xiàng)研究顯示,精氨酸酶II 可以通過激活p66Shc和p53 誘導(dǎo)血管平滑肌細(xì)胞的衰老。 由此可見,精氨酸酶II 活性/ 表達(dá)增加是細(xì)胞老化/ 衰老的機(jī)制之一。

2.3 精氨酸酶II 與高血壓

高血壓是心血管疾病的主要危險(xiǎn)因素,會(huì)引起NO 水平降低,超氧化物產(chǎn)生增多,eNOS 底物L(fēng)-精氨酸、輔因子BH4 的水平降低,精氨酸酶II 的活性和表達(dá)增高。 肺動(dòng)脈高壓也與精氨酸酶II 活性增加有關(guān),與全身性高血壓相比,精氨酸酶II 在肺動(dòng)脈高壓中顯得更為重要[32-34]。 此外,精氨酸酶II 水平升高減弱了實(shí)驗(yàn)性肺栓塞肺葉內(nèi)皮依賴性血管舒張。 在全身和肺動(dòng)脈高壓時(shí),精氨酸酶的上調(diào)與血壓升高和內(nèi)皮功能障礙有關(guān)系。 精氨酸酶抑制劑使L-精氨酸不被精氨酸酶II 過度消耗并且降低肺阻力從而緩解不同因素引起的肺動(dòng)脈高壓[35-40]。其中缺氧是一個(gè)重要因素,缺氧通過AMPKα 1 誘導(dǎo)精氨酸酶II 增加肺平滑肌細(xì)胞的增殖和精氨酸酶II含量[41]。 另外,Pandey 等[42]證明缺氧可以引起肺內(nèi)皮細(xì)胞內(nèi)精氨酸酶II 的轉(zhuǎn)錄。 精氨酸酶II 在系統(tǒng)性高血壓和肺動(dòng)脈高壓中的參與機(jī)制尚不清楚,需要進(jìn)一步的研究證實(shí)。

2.4 精氨酸酶II 與糖尿病血管病變

糖尿病與心血管疾病密切相關(guān),成為糖尿病患者高發(fā)病率和高死亡率的主要原因。 1 型和2 型糖尿病均伴有血管功能障礙和損傷的征象,包括內(nèi)皮依賴性舒張功能受損,平滑肌細(xì)胞的病理重構(gòu)和血管順應(yīng)性降低。 研究發(fā)現(xiàn),在糖尿病大鼠血管組織和糖尿病患者血漿中L-精氨酸含量降低[43-44]。 此外,在2 型糖尿病動(dòng)物模型上的研究表明精氨酸酶抑制劑nor-NOHA 通過減少L-精氨酸利用和提高NO 生物利用度恢復(fù)冠狀動(dòng)脈微血管功能[45],并已在臨床上得到驗(yàn)證[46]。 Yu 等[47]研究發(fā)現(xiàn),在肥胖引起的糖尿病小鼠中,精氨酸酶II 通過p38MAPK通路導(dǎo)致內(nèi)皮細(xì)胞eNOS 解偶聯(lián),從而進(jìn)一步引起糖尿病血管病變。 精氨酸酶II 與糖尿病血管病變密切相關(guān),因此靶向血管Arg-II 可能是治療與糖尿病相關(guān)的血管疾病的新方法。

3 精氨酸酶II 在巨噬細(xì)胞中的作用

巨噬細(xì)胞是人體內(nèi)重要的前哨細(xì)胞,參與維持組織穩(wěn)態(tài)、免疫應(yīng)答和炎癥相關(guān)疾病。 巨噬細(xì)胞具有高度異質(zhì)性,具有可塑性,在不同微環(huán)境刺激下表型可改變,其反應(yīng)類型是促炎性M1 型( 殺傷細(xì)胞)和抗炎性M2 型(修復(fù)型細(xì)胞)。 M1 型巨噬細(xì)胞主要表達(dá)促炎和細(xì)胞毒性因子,例如誘導(dǎo)型一氧化氮合酶(iNOS)、IL-12、MHC II 類分子和趨化因子IL-8 和CCL2,參與殺死細(xì)胞內(nèi)寄生蟲和腫瘤。 相反,M2 型巨噬細(xì)胞主要產(chǎn)生抗炎細(xì)胞因子和具有修復(fù)功能的物質(zhì),例如精氨酸酶/ 鳥氨酸、表皮生長(zhǎng)因子(EGF)、血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子(VEGF)、TGF-β 和甘露糖受體,參與抗炎、組織修復(fù)、血管生成、過敏和腫瘤發(fā)展[48-49]。

精氨酸酶I 和精氨酸酶II 在巨噬細(xì)胞中都有表達(dá),但是要依賴于外界刺激[50-51]。 大量研究表明,Arg-I 主要表達(dá)在M2 細(xì)胞中,并可通過限制細(xì)胞內(nèi)L-精氨酸的利用減少iNOS 產(chǎn)生的NO,從而減弱炎癥組織損傷和清除細(xì)胞內(nèi)病原體[52-56]。 跟精氨酸酶I 不同的是,精氨酸酶II 在巨噬細(xì)胞表型調(diào)節(jié)和炎癥反應(yīng)中的作用和表達(dá)目前尚不清楚,甚至觀點(diǎn)相悖。 早期一項(xiàng)研究表明,精氨酸酶II 基因是肝X受體的直接靶點(diǎn),對(duì)巨噬細(xì)胞炎癥基因的表達(dá)有抑制作用[57]。 而Ming 等[51]研究卻發(fā)現(xiàn),精氨酸酶II通過線粒體活性氧簇(reactive oxygen species,ROS)促進(jìn)巨噬細(xì)胞炎癥反應(yīng)或表現(xiàn)M1 表型,并成為慢性炎癥性疾病發(fā)展的主要原因之一,如肥胖相關(guān)的胰島素抵抗、II 型糖尿病和動(dòng)脈粥樣硬化。 其研究證明由LPS 激活的M1 型巨噬細(xì)胞僅上調(diào)小鼠和人巨噬細(xì)胞iNOS 和精氨酸酶II 的表達(dá),但不上調(diào)精氨酸酶I 的表達(dá)。 在單核細(xì)胞/ 巨噬細(xì)胞系中沉默精氨酸酶II 基因降低了由LPS 或ox-LDL 刺激產(chǎn)生的促炎因子的水平,從而降低了與內(nèi)皮細(xì)胞的粘附性。 此外,從精氨酸酶II 敲除小鼠(Arg-II-/-) 分離的巨噬細(xì)胞, 在LPS 的刺激下產(chǎn)生的促炎因子(MCP-1, TNF-α, IL-6, MMP14, 和iNOS) 比從野生型小鼠中分離的巨噬細(xì)胞產(chǎn)生的促炎因子水平顯著降低。 而且將精氨酸酶II 基因轉(zhuǎn)導(dǎo)到Arg-II-/-小鼠的巨噬細(xì)胞中后,在LPS 的刺激下產(chǎn)生的促炎因子比野生型小鼠巨噬細(xì)胞本身產(chǎn)生的要高。 重要的是,Arg-II-/-小鼠可以免于由于高脂飲食造成的肥胖所引起的全身性促炎巨噬細(xì)胞浸潤(rùn)和促炎因子的產(chǎn)生。 高脂飼養(yǎng)下的Arg-II-/-小鼠與野生型小鼠相比,雖然兩組體重接近,但是Arg-II-/-小鼠顯示出較低的空腹血糖濃度,并且具有更高的葡萄糖耐受性和胰島素敏感性。 另外,Liu 等[58]證明,精氨酸酶II 通過促進(jìn)肝巨噬細(xì)胞炎癥反應(yīng)引起高脂食物誘導(dǎo)的肝脂肪變性,其機(jī)制是通過促進(jìn)肝巨噬細(xì)胞炎癥反應(yīng)和TNF-α、IL-6 的釋放,從而降低AMPK的活性,促進(jìn)固醇調(diào)節(jié)元件結(jié)合蛋白-1c (SREBP-1c)的表達(dá),進(jìn)一步增強(qiáng)脂肪合成的有關(guān)酶的活性,最終增加肝脂肪的生成。 這些研究表明精氨酸酶II促進(jìn)巨噬細(xì)胞分泌促炎因子從而導(dǎo)致不同疾病的發(fā)生,是M1 型巨噬細(xì)胞刺激因子之一。

但是最新的一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)精氨酸酶II 敲除小鼠體內(nèi)脊髓背角小膠質(zhì)細(xì)胞比野生型小鼠的背角小膠質(zhì)細(xì)胞分泌更多的促炎因子,產(chǎn)生更多的ROS和iNOS,說(shuō)明精氨酸酶II 在脊髓背角小膠質(zhì)細(xì)胞中呈抗炎作用,這跟之前的很多報(bào)道觀點(diǎn)相悖,可能是精氨酸酶II 所在的巨噬細(xì)胞分布組織的不同導(dǎo)致的。 所以目前氨酸酶II 在巨噬細(xì)胞中的作用并不清楚,需要進(jìn)一步的研究[59]。

4 結(jié)語(yǔ)

精氨酸酶II 在心血管功能障礙和損傷中的機(jī)制已經(jīng)在動(dòng)物模型和人類疾病的研究中得到很好的證實(shí)并且其作為慢性炎癥性疾病(如衰老相關(guān)性血管功能障礙、動(dòng)脈粥樣硬化、II 型糖尿病和并發(fā)癥)的治療靶點(diǎn),已經(jīng)在基因修飾小鼠模型中顯示出良好的療效,所以研制特異的精氨酸酶II 抑制劑勢(shì)在必行。 精氨酸酶II 在巨噬細(xì)胞中的作用已經(jīng)有了初步的研究,但是巨噬細(xì)胞中精氨酸酶II 參與調(diào)節(jié)基因表達(dá)和酶活性的信號(hào)通路有待進(jìn)一步研究,這些機(jī)制可以為特定靶向精氨酸酶II 提供可能性,從而間接治療炎性疾病。 精氨酸酶同工酶的功能分析及其在巨噬細(xì)胞極化中的作用也有助于了解其他疾病,特別是癌癥。 總之,對(duì)于精氨酸酶II及其下游靶點(diǎn)在其他疾病中如神經(jīng)退行性疾病、視網(wǎng)膜疾病等的具體作用機(jī)制仍然還不清楚,需要我們進(jìn)一步的研究。