硒蛋白與骨質(zhì)疏松及骨關(guān)節(jié)炎關(guān)系的研究進(jìn)展*

胡建斌 蔡秀華 李進(jìn) 李貴振 馬莉 馬建

硒（SE）是由西方著名化學(xué)家Berzelius 在19 世紀(jì)初發(fā)現(xiàn)的，屬于非金屬元素，當(dāng)時(shí)將其認(rèn)定為毒性較強(qiáng)的物質(zhì)[1]。20 世紀(jì)中期，科學(xué)家通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)SE 還具有較強(qiáng)的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，是機(jī)體中谷胱甘肽過(guò)氧化物酶（GSP-Px）的主要成分，隨后便開(kāi)啟了硒蛋白生物學(xué)的研究熱潮[2]。無(wú)論是人類(lèi)還是動(dòng)物的體內(nèi)都存在著SE 這一微量元素，可有效提高機(jī)體的抵抗力，具有一定的抗氧化、抗細(xì)菌感染的作用[3]。隨著社會(huì)高速發(fā)展及時(shí)代不斷更替，我國(guó)醫(yī)學(xué)行業(yè)對(duì)SE 日益重視。有相關(guān)研究表明，硒蛋白與心腦血管疾病、腫瘤等疾病的發(fā)生機(jī)制存在相關(guān)性[4-6]。目前，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)25 種硒蛋白[7]。骨關(guān)節(jié)炎作為臨床常見(jiàn)的骨退行性疾病，病因在遺傳學(xué)、生物力學(xué)中都比較復(fù)雜，常見(jiàn)于膝關(guān)節(jié)。相較于正常對(duì)照組，骨關(guān)節(jié)炎患者的血清及關(guān)節(jié)液硒蛋白濃度較低，但是相應(yīng)的病理機(jī)制還不清晰，對(duì)此，本文將以硫氧還蛋白還原酶（TrxR）、GSP-Px 及碘甲狀腺氨酸脫碘酶（ID）3 種硒蛋白為例，探討其結(jié)構(gòu)、生物學(xué)功能及與骨質(zhì)疏松和骨關(guān)節(jié)炎的關(guān)系，明確硒蛋白在骨質(zhì)疏松及骨關(guān)節(jié)炎中的作用機(jī)制，為之后的研究打下良好的理論基礎(chǔ)。

1 硒蛋白結(jié)構(gòu)及種類(lèi)

在人體當(dāng)中，SE 的存在形式主要包括SE 代半胱氨酸（selenocysteine，Sec）及SE 代蛋氨酸（selenomethionine，Se-Met），在與蛋白質(zhì)進(jìn)行結(jié)合之后形成硒蛋白。Se-Met 需要在蛋白質(zhì)分子中進(jìn)行反應(yīng)，主要是因轉(zhuǎn)運(yùn)RNA（tRNA）合成酶耐受性較高，所以會(huì)與蛋白質(zhì)結(jié)合。硒蛋白的合成比較復(fù)雜，而真核細(xì)胞需要插入序列，將其當(dāng)做編碼的元件，Sec 也是硒蛋白氨基酸調(diào)控的主要成分，與人體健康有著密切關(guān)系。到目前為止，全球范圍內(nèi)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了25 種硒蛋白，其中有GPX-Px 5 種[8]、TrxR 3 種、ID 3 種、稀磷酸合成酶（SPS）、硒蛋白W（SelW）、硒蛋白O（SelO）、硒蛋白H（SelH）、硒蛋白N（Sel）、硒蛋白N（Sel）、硒蛋白T（SelT）、硒 蛋 白P（SelP）、硒 蛋 白K（SelK）、硒 蛋 白S（SelS）、硒蛋白M（SelM）、硒蛋白15（Sel15）、硒蛋白R(shí)（SelR）、硒蛋白V（SelV）[9]。

2 硒蛋白的生物學(xué)功能

到目前為止，關(guān)于硒蛋白的大多數(shù)研究都是以生物學(xué)功能作為基礎(chǔ)開(kāi)展的，通過(guò)硒蛋白的調(diào)節(jié)可以讓其參與到內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激、抗氧化防御當(dāng)中，這些生物學(xué)過(guò)程都必須要有硒蛋白參與[10]。若機(jī)體缺少SE，那么就有可能造成硒蛋白含量較低，從而造成機(jī)體紊亂。當(dāng)前雖然有部分硒蛋白作用機(jī)制不夠明確，但是可以確定的是硒蛋白在人體健康中起到十分重要的作用[11]。

2.1 GPX-Px 家族

GPX-Px 是一種抗氧化酶的物質(zhì)，也是人體重要的含SE 酶。而GPX-Px 的核心就是Sec，SE 的活性和SE 含量有著密切的關(guān)系。在一項(xiàng)關(guān)于GPXPx 活性的生物標(biāo)志研究中發(fā)現(xiàn)，哺乳動(dòng)物中有8 種GPX-Px，其中包括谷胱甘肽過(guò)氧化物酶1（GPX1）、GPX2、GPX3、GPX4、GPX5、GPX6、GPX7 及GPX8[12]。實(shí) 驗(yàn) 結(jié) 果 表 明，GPX1、GPX2、GPX3、GPX4 具有較強(qiáng)的抗氧化作用[13]。在生物學(xué)上，GPX-Px 對(duì)于谷胱甘肽的依賴(lài)性較強(qiáng)，需將谷胱甘肽當(dāng)做硫醇供體保證機(jī)體的正常代謝，調(diào)節(jié)機(jī)體內(nèi)的微環(huán)境，具有一定的解毒作用，保證細(xì)胞正常的代謝。在治療炎癥時(shí)，GPX-Px 也會(huì)對(duì)活性氧進(jìn)行調(diào)控，從而發(fā)揮出抗炎的作用，減輕骨關(guān)節(jié)炎的臨床癥狀。

2.2 TrxR 家族

TrxR 作為還原性酶（NADPH）家族的一員，對(duì)黃素腺嘌呤二核苷酸（FAD）的依賴(lài)程度較高，在FAD 參與的反應(yīng)當(dāng)中能夠形成二聚體SE 酶。在人體中的TrxR 有三種類(lèi)型，包括TrxR1、TrxR2、TrxR3，基因編碼以TXNRD 為主。硫氧還原蛋白及TrxR 在結(jié)合后形成了硫氧還蛋白系統(tǒng)，在氧化還原反應(yīng)的過(guò)程中對(duì)電子進(jìn)行傳遞，使NADPH 當(dāng)中的-S2 進(jìn)行還原，形成-SH，保證TrxR 的還原性。而TrxR1、TrxR2 會(huì)將線(xiàn)粒體中多余的自由基清除，防止出現(xiàn)氧化應(yīng)激損傷。TrxR3 會(huì)對(duì)精子成熟的過(guò)程造成較大的影響。TrxR 對(duì)機(jī)體的氧化還原、細(xì)胞凋亡的預(yù)防有著重要作用，可以將其當(dāng)做治療靶點(diǎn)，可能是修復(fù)骨關(guān)節(jié)炎軟骨的機(jī)制。

2.3 ID 家族

ID 主要為含有二聚硫氧還蛋白的一類(lèi)硒蛋白總稱(chēng)，可以有效地對(duì)碘甲狀腺氨酸進(jìn)行催化，從而形成還原性脫碘。在ID 中大致可以分為三種類(lèi)型，Ⅰ型脫碘酶，主要在肝臟、腎臟、甲狀腺中；Ⅱ型脫碘酶，主要在甲狀腺、垂體、骨骼肌中；Ⅲ型脫碘酶，主要在大腦皮層、皮膚當(dāng)中。每種脫碘酶都有Sec，可有效提高酶的活性。除此之外，甲狀腺激素也是反映過(guò)程中不可缺少的調(diào)節(jié)劑，會(huì)在細(xì)胞的增殖、分化、代謝及凋亡中進(jìn)行反應(yīng)。

2.4 其他硒蛋白

隨著近年來(lái)生物醫(yī)學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，很多其他硒蛋白也逐漸被發(fā)現(xiàn)，機(jī)制和功能也比較明確。SelP 也是一種硒蛋白，具有轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制，可以有效維持腦、睪丸的抗氧化平衡，可有效起到抗氧化的作用。SelS 主要是能夠?qū)ρ装Y進(jìn)行調(diào)節(jié)，避免出現(xiàn)氧化應(yīng)激的情況。而SelK、SelF 等硒蛋白會(huì)參與到內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的調(diào)節(jié)中，保證氧化還原反應(yīng)的平衡。SelH、SelV 等硒蛋白在骨骼肌等地方有抗氧化的作用[14]，可生成膜磷脂，提高機(jī)體的抵抗力，從而減輕骨關(guān)節(jié)炎退變進(jìn)程及減輕關(guān)節(jié)軟骨損傷，保護(hù)骨細(xì)胞，加速關(guān)節(jié)軟骨的修復(fù)。

2.5 組織間液硒蛋白

對(duì)于組織間液微量元素的研究甚少，膝關(guān)節(jié)液的微量元素研究已有報(bào)道，目前僅對(duì)鈣、鎂、鐵、鋅及銅離子含量與膝關(guān)節(jié)炎的發(fā)病相關(guān)性進(jìn)行研究，膝骨關(guān)節(jié)炎患者中膝關(guān)節(jié)液中鋅、銅、鎂、鈣離子含量與病情嚴(yán)重程度呈正相關(guān)性，鐵離子含量與骨關(guān)節(jié)炎病情嚴(yán)重程度呈負(fù)相關(guān)性[15]。關(guān)于膝關(guān)節(jié)液中硒蛋白含量的研究目前尚無(wú)報(bào)道。

3 硒蛋白與疾病的關(guān)系

3.1 硒蛋白與骨質(zhì)疏松的關(guān)系

SE 在機(jī)體內(nèi)存在的兩種形式分別為含SE 酶和含硒蛋白，GPX-Px 作為SE 的一種，其產(chǎn)物屬于硒蛋白家族。可以將其看作是體內(nèi)具有一定預(yù)防性的抗氧化劑，能夠有效切斷自由基，避免產(chǎn)生過(guò)多的氧化物，對(duì)骨細(xì)胞產(chǎn)生一定的保護(hù)作用，保證骨質(zhì)正常的代謝。對(duì)于骨樣細(xì)胞而言，會(huì)有效的識(shí)別GPX-Px、TrxR1 及TrxR2，但是SE 含量會(huì)對(duì)其活性造成較大的影響。有大量的研究都表明，骨質(zhì)疏松的主要病因就是缺SE，在對(duì)骨質(zhì)疏松患者的血漿檢測(cè)中能夠發(fā)現(xiàn)GPX-Px 的活性明顯降低，可能因?yàn)檠褐械奈鞍诐舛扔兴档?，從而?dǎo)致骨細(xì)胞在吸收時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的活性氧，自由基沒(méi)有被完全清除，會(huì)對(duì)骨組織及周?chē)h(huán)境產(chǎn)生較大的影響，從而出現(xiàn)了骨質(zhì)疏松[16-18]。在一項(xiàng)不同年齡段的女性骨密度調(diào)查中可以發(fā)現(xiàn)，在飲食中攝入的維生素C、硒蛋白與骨密度呈正相關(guān)，增加抗氧化劑的攝入能夠有效促進(jìn)骨健康的發(fā)展[19]。

SE 還可以保證鈣、磷的正常代謝，保證骨鈣沉積的同時(shí)，也能夠有效降低骨鹽的分解，對(duì)于高鋁所引發(fā)的骨質(zhì)疏松有保護(hù)的作用。補(bǔ)充硒蛋白可以保證機(jī)體抗氧化能力得到補(bǔ)充，避免出現(xiàn)動(dòng)脈粥樣硬化、骨質(zhì)疏松等[20]。相關(guān)研究表明，硒蛋白能夠有效抑制氧化氫所誘導(dǎo)的氧化應(yīng)激反應(yīng)[21]，保證骨細(xì)胞的正常分化，有效預(yù)防骨質(zhì)疏松。還有研究發(fā)現(xiàn)[22]，SE 可以促進(jìn)骨的微細(xì)結(jié)構(gòu)恢復(fù)，在臨床應(yīng)用中也發(fā)現(xiàn)硒蛋白聯(lián)合維生素治療的效果明顯好于單純使用維生素治療。

3.2 硒蛋白與骨關(guān)節(jié)炎的關(guān)系

骨關(guān)節(jié)炎的主要病理特點(diǎn)就是軟骨出現(xiàn)變性，若出現(xiàn)硒蛋白缺乏，細(xì)胞外基質(zhì)（ECM）可能會(huì)出現(xiàn)代謝紊亂或者軟骨破壞。有相關(guān)研究表明，SE水平較低是骨關(guān)節(jié)炎的獨(dú)立因素，骨關(guān)節(jié)炎患者的GPX-Px1、GPX-Px3 在低表達(dá)時(shí)，硒蛋白的水平會(huì)在調(diào)節(jié)的過(guò)程中釋放疾病[23]。碘甲腺原氨酸脫碘酶Ⅱ（DIO2）表達(dá)過(guò)多會(huì)誘導(dǎo)ECM 降解酶的發(fā)生，ECM 含量低，從而提高骨關(guān)節(jié)炎的發(fā)生率?；?qū)⒃诮窈髸?huì)成為骨關(guān)節(jié)炎的治療靶點(diǎn)。

在膝關(guān)節(jié)退行性骨關(guān)節(jié)炎中，軟骨退化與病理改變有著密切的關(guān)系，臨床表現(xiàn)以疼痛、功能障礙等為主[24]。硒蛋白會(huì)參與到生物功能中，在很多報(bào)道中都表明Ⅱ型脫碘酶、Ⅲ脫碘酶能夠識(shí)別疾病的易感性。

3.3 硒蛋白與地方病的關(guān)系

大骨節(jié)病是臨床上的一種常見(jiàn)地方性骨關(guān)節(jié)疾病，在兒童、青少年中有著很高的發(fā)病率。臨床表現(xiàn)為四肢關(guān)節(jié)的軟骨壞死，而硒蛋白遺傳與表觀遺傳的相互作用可能會(huì)促進(jìn)大骨節(jié)病的發(fā)展。在一項(xiàng)流行病學(xué)的調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，病區(qū)的飲用水及食品中硒含量都明顯低于非病區(qū)[25]。患者血液、尿液及頭發(fā)當(dāng)中的硒蛋白含量也比較低，這也說(shuō)明硒蛋白在大骨節(jié)病發(fā)生中有非常重要的作用。除此之外，大骨節(jié)病的患者在GPX-Px3 基因上有較高的表達(dá)，且隨著表達(dá)的增加，病情程度也越嚴(yán)重。這說(shuō)明硒蛋白化合物在代謝通路中具有十分重要的作用。

4 結(jié)論

綜上所述，硒蛋白自身具有較強(qiáng)的抗氧化、抗細(xì)胞凋亡、抗炎癥的能力，也會(huì)參與到甲狀腺激素代謝當(dāng)中，調(diào)節(jié)機(jī)體骨及鈣磷代謝，與骨關(guān)節(jié)炎及骨質(zhì)疏松存在相關(guān)性，研究膝關(guān)節(jié)液中硒蛋白濃度可能會(huì)對(duì)膝骨關(guān)節(jié)炎及骨質(zhì)疏松疾病的診斷和預(yù)防提供早期預(yù)警。組織間液硒蛋白含量及表達(dá)的研究可能為后續(xù)的熱門(mén)研究，也可能為后續(xù)疾病診斷治療提供多元化途徑，但是當(dāng)前硒蛋白在生物學(xué)功能上還有很多機(jī)制沒(méi)有明確，存在廣闊的研究空間，所以硒蛋白在與骨關(guān)節(jié)炎及骨質(zhì)疏松的發(fā)病機(jī)制研究還需大量樣本多中心的深入研究。