GPx-1在大腦多種疾病中的作用研究進展

王博妍,姬舒云,楊小軍

(西北農(nóng)林科技大學動物科技學院,陜西 楊凌 712100)

谷胱甘肽含有巰基,可以參與氧化還原反應(yīng),還原性谷胱甘肽或者注射用谷胱甘肽輸液治療,可能對腦功能的緩解及腦功能異常的治療有不錯的療效。谷胱甘肽過氧化物酶(GPx;EC 1.11.1.9)首次報道于1957年,是谷胱甘肽抗氧化系統(tǒng)中最重要的成分之一。迄今已鑒定出8種GPx同工酶。作為1973年首次發(fā)現(xiàn)的硒蛋白,GPx-1是最豐富的GPx亞型,在許多組織中大量表達。超氧化物歧化酶[SOD,包括胞質(zhì)Cu、Zn-SOD(SOD-1)和線粒體Mn-SOD(SOD-2)]催化超氧化物自由基的歧化生成H2O2,并被GPx和過氧化氫酶(Catalase,CAT)去除。大腦中的CAT活性低,GPx清除有害的過氧化物代謝產(chǎn)物,催化GSH變?yōu)镚SSG,使有毒的過氧化物還原成無毒的羥基化合物,在清除腦過度表達不伴隨GPx水平的增加,導致H2O2的積累,不僅改變了細胞的氧化還原狀態(tài),還參與了芬頓反應(yīng),導致產(chǎn)生劇毒的羥基自由基。GPx-1缺失導致的氧化應(yīng)激和自由基的產(chǎn)生能夠在機體內(nèi)引起多種代謝異常和疾病的發(fā)生。

在過去幾十年中,許多研究人員探索了GPx-1的基因表達和生化功能,并揭示了其在各種疾病的發(fā)生過程中的作用及機制。GPx-1基因多態(tài)性與患病風險和患者生存有復雜的關(guān)聯(lián)。例如,谷胱甘肽過氧化物酶-1 (GPx-1) 多態(tài)性與精神分裂癥之間存在密切關(guān)系。另有研究表明,GPx-1 rs1050450 和 GSTP1 rs1695 SNP 不太可能在中國漢族人群的精神分裂癥發(fā)病機制中發(fā)揮重要作用。因此,我們推測GPx-1基因的多態(tài)性可能是影響神經(jīng)退行性疾病的重要因素,需要更多的研究來更好地理解GPx-1在反應(yīng)氧化還原信號改變的疾病機制中的復雜調(diào)控。本文從氧化應(yīng)激與基因多態(tài)性兩個方面分析了GPx-1與大腦功能的關(guān)系,介紹了它在神經(jīng)退行性疾病中的作用。

1 GPx-1對阿爾茲海默病影響

阿爾茨海默病(AD)是一種散發(fā)性的、與年齡相關(guān)的神經(jīng)退行性疾病,其病理特征是異常蛋白質(zhì)沉積。GPx-1等抗氧化酶活性的降低,可能是導致AD發(fā)展的原因。GPx-1具有抗氧化的作用,而β-淀粉樣蛋白(Aβ)誘導的氧化應(yīng)激被認為是AD的發(fā)病機制。研究表明,AD和輕度認知障礙(MCI)大腦的抗氧化酶水平顯著降低,使大腦更容易受到Aβ誘導的毒性影響。Crack等人發(fā)現(xiàn),GPx-1敲除小鼠的神經(jīng)元更易發(fā)生Aβ肽的損傷。MCI中已出現(xiàn)早期AD的氧化應(yīng)激條件。在MCI海馬體中,超氧化物歧化酶(SOD)和GST活性降低,某些蛋白質(zhì)沉積量增加。提示GPx-1的缺失使大腦防御能力降低,易發(fā)生Aβ肽的損傷使異常蛋白沉積,可能是導致AD產(chǎn)生與發(fā)展的重要原因。因此,可通過增強抗氧化防御系統(tǒng)增強大腦防御能力,特別是增加GPx-1等酶的數(shù)量和活性,對疾病進行干預。許多有機硒化合物已被證明在AD小鼠模型中具有治療作用。Zhang等通過一系列研究表明,硒代蛋氨酸增強了AD小鼠的抗氧化能力,逆轉(zhuǎn)了突觸缺陷,改善了認知能力下降,證明了硒在AD治療中的多靶點作用。然而,硒在AD預防和治療中的深層機制尚不清楚,可能是由于增加了GPx-1的表達量,氧化應(yīng)激是MCI和AD的一個已知原因,上調(diào)內(nèi)源性抗氧化劑對于對抗氧化應(yīng)激至關(guān)重要,有助于減緩MCI和阿爾茨海默病的發(fā)展。

另有研究證明,GPx-1基因多態(tài)性與AD的發(fā)展也有密切關(guān)系,最廣泛研究的GPx-1多態(tài)性之一為修飾的C>T(GPx-1C593T,dbSNP ID rs1050450),這導致在氨基酸200(Pro200Leu)處從脯氨酸(Pro)變?yōu)榱涟彼?Leu)。在一項針對厄瓜多爾人群的研究中,GPx-1的Leu等位基因增加了患AD的風險。然而,Cardoso并未在巴西人群中觀察到AD患者與對照組之間的基因型頻率差異。數(shù)據(jù)之間的差異可能是由于不同人種的遺傳差異造成,GPx-1基因多態(tài)性與AD之間的關(guān)系有待進一步證明。因此GPx-1的研究對減緩和預防MCI和阿爾茨海默病具有重要意義。

圖1 GPx-1影響AD的作用機制

2 GPx-1對帕金森病的影響

帕金森病(PD)是一種病因不明、發(fā)展緩慢的常見神經(jīng)性疾病,極大地影響了患者的生活。發(fā)病機制可能與鈣穩(wěn)態(tài)失衡、神經(jīng)炎癥、自噬等因素有關(guān)。其特征是黑質(zhì)(SN)多巴胺能神經(jīng)元的進行性退化,導致紋狀體多巴胺耗竭。GPx-1缺失導致的氧化應(yīng)激可能是引起PD的原因之一。Kiss C等人發(fā)現(xiàn)缺乏GPx-1的小鼠容易受到6-羥基多巴胺損傷。氧化應(yīng)激是各種形式PD中多巴胺能神經(jīng)退行性病變的級聯(lián)反應(yīng)的關(guān)鍵驅(qū)動因素。多巴胺能神經(jīng)元容易受到氧化應(yīng)激的影響,是因為多巴胺本身及其前體l-DOPA是氧自由基的來源。因此活性氧被認為是帕金森(PD)的發(fā)病原因之一。GPx-1缺失導致的氧化應(yīng)激驅(qū)動多巴胺能神經(jīng)退行性病變,導致活性氧在大腦中產(chǎn)生,但產(chǎn)生和消除速率不平衡,而活性氧增加會通過氧化蛋白質(zhì)、脂質(zhì)和核酸導致廣泛的細胞損傷,引發(fā)機體代謝失調(diào),可能是PD的致病原因。氧化損傷很難在PD中得到恢復,因為在疾病中抗氧化防御也發(fā)生了改變。因此,增加GPx-1等抗氧化酶的數(shù)量和活性,可能是治療帕金森病的一種有效措施。

有文獻數(shù)據(jù)表明GPx-1(Leu)等位基因攜帶者的總體生存率更好,而另一些研究表明,GPx-1 Pro198Leu多態(tài)性增加了氧化應(yīng)激相關(guān)疾病的發(fā)病率。若GPx-1基因攜帶突變T等位基因編碼的氨基酸密碼子由脯氨酸變?yōu)榱涟彼?會造成所表達的GPx-1酶活性下降5%左右,且GPx-1Pro200Leu與全血GSH濃度相關(guān)。Pro/Pro基因型患者的GSH濃度低于Pro/Leu基因型患者。這種差異可能表明Pro/Pro基因型的攜帶者具有較低的GPx酶活性,更容易受到增加的自由基負荷的影響。因此我們懷疑GPx-1基因多態(tài)性可能是帕金森患者酶活性降低的原因之一。因此,需要進一步研究GPx-1與PD之間的關(guān)系,制定適當?shù)闹委烶D或其他神經(jīng)退行性疾病的方案。

圖2 GPx-1影響PD的作用機制

3 GPx-1對癲癇病的影響

癲癇是一種以反復發(fā)作和自發(fā)發(fā)作為特征的神經(jīng)紊亂癥。顳葉癲癇(TLE)是最常見的局部性癲癇,具有耐藥性。癲癇發(fā)作會導致自由基的產(chǎn)生和細胞蛋白質(zhì)、脂質(zhì)和DNA的氧化損傷。因此,氧化應(yīng)激和自由基的產(chǎn)生被認為是癲癇發(fā)作的原因和結(jié)果。而GPx-1可以減輕細胞內(nèi)的氧化損傷,說明GPx-1與癲癇病的發(fā)作之間存在聯(lián)系。Weber等人表明GPx缺乏與兒童癲癇發(fā)作有關(guān)。另有研究表明,癲癇患者和健康對照組之間的GPx活性沒有顯著差異。因此,文獻中的數(shù)據(jù)似乎存在沖突,可能是由于致癇因素多樣導致的,未來的研究應(yīng)闡明線粒體內(nèi)硒或硒依賴酶與氧自由基變化之間的相關(guān)性。癲癇患者血清硒水平低,GPx-1活性低,也說明硒依賴性GPx可作為抗癲癇藥物發(fā)揮作用。因此,癲癇可能需要利用硒來預防興奮性毒性損傷是合理的。癲癇持續(xù)狀態(tài)(SE)是一種緊急情況,表現(xiàn)為長時間且不受控制的癲癇發(fā)作,這是致癇因素之一。GPx-1在海馬體神經(jīng)元和膠質(zhì)細胞中高度表達,提示GPx-1可能參與SE誘導的神經(jīng)元和星形膠質(zhì)細胞損傷。至今尚未完全探索致癇期GPx-1表達的變化。毛果蕓香堿模型顯示在SE后1小時GPx活性瞬時增加,而鋰加毛果蕓香堿模型則顯示在同一時間GPx活性降低。GPx-1過表達增加了對紅藻氨酸(KA)誘導的癲癇和神經(jīng)元海馬損傷的敏感性。說明在不同誘導條件下,GPx-1的表達量有所差異,對癲癇病的影響也不同。

GPx-1Leu等位基因是最常與癌癥相關(guān)的基因,編碼的蛋白質(zhì)與在該位置具有脯氨酸的同一蛋白質(zhì)相比,對硒的反應(yīng)較弱。這種遺傳變異影響GPx-1在細胞質(zhì)和線粒體之間的分布,與在198位由pro等位基因編碼的相同蛋白質(zhì)相比,由Leu編碼的蛋白位于細胞質(zhì)中的位置比線粒體中的位置更多。研究表明,常見的GPx-1、SOD2和CAT多態(tài)性不會影響腦缺血后癲癇的總體風險及其耐藥性。但另一些研究表明,谷胱甘肽轉(zhuǎn)移酶(GSTs)的遺傳多態(tài)性可能與進行性肌陣攣癲癇患者對氧化應(yīng)激的易感性增強有關(guān)。說明GPx-1基因多態(tài)性與癲癇病的發(fā)展密切相關(guān),受到多種因素影響,仍需進一步探究。闡明GPx-1在癲癇發(fā)病過程中的作用,具有重要意義。

圖3 GPx-1影響癲癇病的作用機制

4 GPx-1對腦梗死的影響

腦梗死是指患者腦部的動脈血管堵塞,導致其供血區(qū)域缺血、缺氧發(fā)生壞死,引起神經(jīng)元功能障礙,屬于腦缺血性疾病。缺血再灌注反應(yīng)的關(guān)鍵因素之一是氧化應(yīng)激的增加,促進了缺血后大腦的微血管損傷和組織損傷。GPx-1 在保護神經(jīng)細胞以響應(yīng)缺血再灌注損傷期間的極端氧化應(yīng)激方面具有重要作用,其缺乏增強了氧化應(yīng)激,這導致了特定時間的缺血性的腦損傷,當氧化應(yīng)激水平被調(diào)節(jié)后,野生型和GPx-1敲除小鼠的腦灌注沒有差異,說明氧化應(yīng)激很可能是腦梗死的致病原因之一。GPx-1基因過表達降低了缺血后腦損傷的易感性。GPx-1的主要功能之一是調(diào)節(jié)微血管內(nèi)的ROS。因此GPx-1能夠通過調(diào)節(jié)微血管內(nèi)氧化劑介導的損傷,從而保護大腦缺血再灌注,進一步證明氧化應(yīng)激在疾病發(fā)展過程中的重要性。功能性GPx-1在神經(jīng)炎癥時的細胞免疫級聯(lián)反應(yīng)中起著關(guān)鍵作用,其缺失加重了腦梗死中的免疫缺陷。Wong等人發(fā)現(xiàn),GPx-1敲除小鼠的腦缺血明顯大于WT小鼠。缺血損傷導致內(nèi)皮細胞中基質(zhì)金屬蛋白酶-9(MMP-9)的表達。這一發(fā)現(xiàn)表明,GPx-1的缺失使血管氧化損傷,增加了MMP-9的表達,進一步導致缺血再灌注損傷,激活炎癥細胞,誘發(fā)炎性細胞因子和細胞黏附分子過度表達,后者進一步激活炎癥細胞,產(chǎn)生炎癥級聯(lián)反應(yīng),促進腦梗死的發(fā)展。

Sheldon等人證明,未成熟的大腦GPx活性較低,更容易受到氧化損傷。H2O2是新生兒缺氧缺血的關(guān)鍵因素。而炎癥和抗氧化途徑的多態(tài)性可能與新生兒缺氧缺血損傷后腦損傷的嚴重程度有關(guān)。GPx-1是四聚體蛋白,因此在雜合子中,GPx-1的活性可能受到組成四聚體的不同亞基的影響。這也可能解釋了文獻中報告的評估血液樣本中GPx總活性的對比數(shù)據(jù)。日本在一項針對173名Ⅱ型糖尿病患者的小型研究中,GPx-1基因中的Pro198Leu多態(tài)性被發(fā)現(xiàn)是一種遠端對稱性多發(fā)性神經(jīng)病和大血管疾病中的誘發(fā)因素。另有研究表明GPx-1 Pro198Leu多態(tài)性與Ⅱ型糖尿病患者遠端對稱性多發(fā)性神經(jīng)病之間沒有關(guān)聯(lián)。很難解釋研究之間的差異,可能部分原因是患者自身差異。在一些人群中報道Pro198Leu的多態(tài)性變體與心血管疾病沒有顯著關(guān)聯(lián),但亞洲的研究報告了這種關(guān)聯(lián)。這種差異可能是由于不同人種之間的遺傳差異所致。GPx-1在周圍神經(jīng)病變中發(fā)揮作用的可能機制之一是與氧化應(yīng)激相關(guān)的血管內(nèi)皮功能障礙導致的周圍神經(jīng)微循環(huán)受損。氧化應(yīng)激升高導致的直接神經(jīng)損傷也是可能的。推測GPx-1基因多態(tài)性與腦梗死的致病機制之間存在關(guān)聯(lián)。因此,探究GPx-1與腦梗死之間的關(guān)系,對預防及治療腦損傷具有重要意義。

圖4 GPx-1影響腦梗死的作用機制

總結(jié)與展望

GPx-1作為一種抗氧化酶,其缺失帶來的氧化應(yīng)激被認為是多種疾病的主要致病因素之一。研究證明GPx-1只在某些狀態(tài)下對疾病的發(fā)展產(chǎn)生影響,因此,研究基因多態(tài)性以及在不同發(fā)展階段該基因?qū)膊〉挠绊懢哂兄匾饬x。GPx-1作為神經(jīng)調(diào)節(jié)劑的新潛力已被廣泛研究。GPx-1誘導可能對精神刺激劑(即可卡因和MA)誘導的藥物中毒具有保護作用。GPx模擬物或誘導物,可能是增強神經(jīng)保護潛力的一種新的治療干預手段。綜上所述,GPx-1可能在預防與神經(jīng)退行性疾病相關(guān)的有害因素方面具有重要作用,其作為神經(jīng)調(diào)節(jié)劑的特定分子/細胞機制有待進一步研究。