磷酸戊糖途徑抑制感光細胞凋亡及分子機制的研究進展

韓思楊 綜述 孫曉東 審校

上海交通大學(xué)附屬第一人民醫(yī)院眼科 國家眼部疾病臨床醫(yī)學(xué)研究中心 上海市眼部疾病臨床醫(yī)學(xué)研究中心 上海市眼底病重點實驗室 上海眼視覺與光醫(yī)學(xué)工程技術(shù)研究中心 上海市眼科疾病精準診療工程技術(shù)研究中心,上海200080

感光細胞凋亡是眾多視網(wǎng)膜疾病致盲的共同原因,并伴有氧化應(yīng)激、合成代謝等改變。以視網(wǎng)膜脫離(retinal detachment,RD)為例,積極治療后,部分患者視力仍不可逆下降甚至喪失,其病理基礎(chǔ)為感光細胞凋亡[1]。因此尋找有效干預(yù)靶點,抑制感光細胞凋亡,促進視功能恢復(fù)對于臨床醫(yī)生和患者來說十分重要。感光細胞作為攝取葡萄糖最多的細胞之一,糖代謝在其生理病理過程中占據(jù)重要地位。與有氧呼吸和乳酸發(fā)酵不同,磷酸戊糖途徑作為糖代謝的另一條通路,在合成代謝和抗氧化應(yīng)激中具有重要作用。研究發(fā)現(xiàn),磷酸戊糖途徑的產(chǎn)物-煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(nicotinamide adenine dinucleotide phosphate,NADPH)可作為供氫體,對抗氧化應(yīng)激,進而阻止脂質(zhì)過氧化、線粒體功能破壞和大分子損傷造成的細胞凋亡[2]。與此同時,NADPH還可參與合成代謝,如脂質(zhì)代謝和視色素代謝等[3],在一定程度上避免了因代謝異常導(dǎo)致的細胞凋亡。本文對磷酸戊糖途徑的抗感光細胞凋亡作用機制進行總結(jié),希望為未來臨床和科研工作提供新的科學(xué)證據(jù)。

1 磷酸戊糖途徑

磷酸戊糖途徑作為糖代謝一個重要分支,是從糖酵解形成旁路,最終返回糖酵解的全過程。葡萄糖進入磷酸戊糖途徑可產(chǎn)生2種主要物質(zhì)--磷酸核糖和NADPH,這2種物質(zhì)可作為重要的代謝原料和能量(而不是產(chǎn)生三磷酸腺苷來供能),參與生物大分子合成及其他生命活動。

葡萄糖-6-磷酸脫氫酶(glucose-6-phosphate dehydrogenase,G6PD)作為磷酸戊糖途徑中最重要的限速酶,可催化NADP+產(chǎn)生NADPH。其編碼基因位于X染色體,活性受到NADP+/NAPDH比例的調(diào)節(jié),表現(xiàn)為NADP+通過構(gòu)象調(diào)節(jié)增加G6PD的活性[4]。一般情況下,G6PD活性可在嚴格調(diào)控下發(fā)生10倍范圍內(nèi)的變化[5]。

2 磷酸戊糖途徑對感光細胞凋亡的抑制作用

視網(wǎng)膜細胞是機體耗糖量最高的細胞之一,充足的葡萄糖供應(yīng)可以促進細胞的存活[6]。其中,部分沒有用于產(chǎn)能的葡萄糖進入磷酸戊糖途徑,產(chǎn)生磷酸核糖和NADPH。在感光細胞中,磷酸核糖不參與DNA合成,而是進入其他途徑被消耗;但NADPH則是參與物質(zhì)合成、視色素代謝和抗氧化應(yīng)激的重要物質(zhì)。這一特點為磷酸戊糖途徑抗感光細胞凋亡提供了充分的理論依據(jù)。

2.1 磷酸戊糖途徑通過改變合成代謝抑制感光細胞凋亡

每天約有10%的感光細胞外段被視網(wǎng)膜色素上皮周期性吞噬[7],具有一定節(jié)律性,以早上的吞噬作用最為劇烈[8]。為彌補上述過程的脂雙層損失,需要增加碳通量進而促進合成代謝的增加。

碳通量即葡萄糖攝入量,與葡萄糖的濃度及葡萄糖轉(zhuǎn)運受體有關(guān)。已有研究顯示,提高培養(yǎng)基中葡萄糖濃度可以誘導(dǎo)體外培養(yǎng)的視錐細胞存活[9]。當外界葡萄糖濃度較低時,細胞更容易受到氧化應(yīng)激和代謝應(yīng)激的損傷[10]。而葡萄糖的攝取與視錐細胞表面的葡萄糖轉(zhuǎn)運體(glucose transporters,GLUT)家族有關(guān)。在視網(wǎng)膜色素變性的家豬模型中,GLUT作用的發(fā)揮依賴視桿細胞來源視錐細胞活性因子(rod-derived cone viability factor,RdCVF)[11]。研究發(fā)現(xiàn),視錐細胞敲除丙酮酸激酶M2后,以G6PD為代表的磷酸戊糖途徑關(guān)鍵限速酶表達顯著下降,這一過程和感光細胞的結(jié)構(gòu)、功能和生存密切相關(guān)[12]。

在視錐細胞中,NADPH的積累有利于后續(xù)的脂代謝過程[13]。脂質(zhì)代謝保障了細胞膜的高流動性,與視蛋白參與的光反應(yīng)密切相關(guān)。在感光細胞中,視蛋白只有嵌入高流動性的脂雙層中時,才能發(fā)生相對劇烈的光反應(yīng)[14]。而細胞膜的高流動性由高比例的多不飽和脂肪酸賦予,其中,二十二碳六烯酸(docosahexaenoic acid,DHA)占比高達80%,是感光細胞的必需Omega-3脂肪酸[15]。DHA以NADPH和乙酰輔酶A為原料合成,如果脂質(zhì)代謝異?；蛘呷笔?感光細胞的結(jié)構(gòu)和功能都將受到損傷而導(dǎo)致凋亡。

2.2 磷酸戊糖途徑通過抵抗氧化應(yīng)激抑制感光細胞凋亡

氧化還原失衡是視網(wǎng)膜病變的主要原因之一[16]。相關(guān)研究顯示,一生食用抗氧化劑的老人患年齡相關(guān)性黃斑變性的概率更低[17]。同時有研究還發(fā)現(xiàn),在視網(wǎng)膜色素變性動物模型和患者視網(wǎng)膜、房水和血漿中,氧化應(yīng)激的相關(guān)產(chǎn)物明顯增加[18]。

活性氧(reactive oxygen species,ROS)在感光細胞中以多種途徑產(chǎn)生。其中,在有氧代謝過程中,電子傳遞鏈是ROS的重要來源,且與氧氣水平呈正相關(guān)[19];此外,研究表明,當人為離斷感光細胞內(nèi)段和外段后,位于內(nèi)段的NADPH無法到達外段,進而無法參與全反式視黃醛的還原反應(yīng),全反式視黃醛的累積將進一步介導(dǎo)感光細胞的光氧化損傷[20];同時,感光細胞富含多不飽和脂肪酸,易受到氧化應(yīng)激的影響,產(chǎn)生脂質(zhì)過氧化。

磷酸戊糖途徑可將上述氧化應(yīng)激聯(lián)系起來。研究表明,感光細胞中的NADPH可抵抗ROS的氧化作用,當抗氧化劑和酶在細胞中發(fā)揮作用時,需要磷酸戊糖途徑代謝產(chǎn)物--NADPH傳導(dǎo)電子,進而維持細胞的氧化還原平衡[21];另外,NADPH還可通過還原同源性或異源性二硫鍵發(fā)揮作用。在富含硫醇基團的蛋白質(zhì)面臨氧化應(yīng)激時,如谷胱甘肽可逆地形成異源性二硫鍵,而該二硫鍵可被NADPH還原而恢復(fù)正常蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)。如果谷胱甘肽或NADPH缺乏或功能障礙,蛋白質(zhì)將面臨不可逆的氧化損傷,最終巰基依次氧化為亞磺酸,亞磺酸和磺酸,從而導(dǎo)致細胞凋亡[22]。因此磷酸戊糖途徑可通過保護蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)功能的穩(wěn)定來抵抗氧化應(yīng)激,防止感光細胞凋亡。

3 磷酸戊糖途徑抑制感光細胞凋亡的分子機制

3.1 磷酸戊糖途徑通量增加的相關(guān)機制

相關(guān)研究顯示,當細胞受到不利刺激時,更多的葡萄糖及中間產(chǎn)物流向磷酸戊糖途徑,產(chǎn)生NADPH對抗氧化應(yīng)激和其他反應(yīng),分流機制如下:首先,在高ROS濃度下,丙酮酸激酶的半胱氨酸被氧化而活性降低,導(dǎo)致其催化的磷酸烯醇丙酮酸轉(zhuǎn)化為丙酮酸過程減慢,糖酵解中間體開始積累,進而流向磷酸戊糖途徑[23];另外,氧化應(yīng)激造成的凋亡過程導(dǎo)致p53轉(zhuǎn)錄增加,進一步增加TIGAR表達,抑制糖酵解途徑,讓更多的葡萄糖流向磷酸戊糖途徑[24];除TIGAR外,有研究者在髓樣癌細胞和淋巴癌細胞的研究中發(fā)現(xiàn)p53的另一靶蛋白--促凋亡蛋白NOXA,當葡萄糖充足時,NOXA促進磷酸戊糖途徑產(chǎn)生NADPH抵抗細胞凋亡,如果葡萄糖缺乏,NOXA則導(dǎo)致細胞凋亡,其確切機制尚不明確,需要進行更多深入的探討[25]。

3.2 RdCVFL相關(guān)機制

RdCVFL是由基因Nxnl1編碼的一種活性硫氧還蛋白,參與凋亡相關(guān)的氧化還原途徑,其自身活性由NADPH維持[26]。研究發(fā)現(xiàn),≤3月齡Nxnl1-/-小鼠的視錐細胞功能尚且正常,但隨著小鼠年齡的增長,其功能逐月惡化,表明該基因參與了發(fā)育晚期視錐細胞的凋亡[27]。進一步研究發(fā)現(xiàn),該基因的破壞導(dǎo)致感光細胞功能障礙和對氧化應(yīng)激的敏感性增加[28]。RdCVFL與微管相關(guān)蛋白相互作用,阻止其氧化,并防止其在視網(wǎng)膜的聚集和磷酸化,過度積累的異常磷酸化Tau蛋白激活小膠質(zhì)細胞釋放炎癥因子,導(dǎo)致氧化應(yīng)激,并誘導(dǎo)細胞凋亡[29]。硫氧還蛋白還原酶的輔因子NADPH正是由葡萄糖通過戊糖磷酸途徑產(chǎn)生,如果NADPH缺乏,其功能將受到影響從而導(dǎo)致細胞凋亡。

3.3 p53和ATM相關(guān)機制

p53是由腫瘤抑制基因TP53編碼的腫瘤蛋白,在癌癥細胞中對磷酸戊糖途徑有抑制作用[30],ATM屬于磷脂酰肌醇3激酶相關(guān)激酶超家族,是一種絲氨酸/蘇氨酸激酶[31]。p53在細胞氧化應(yīng)激或DNA損傷后,被ATM磷酸化激活,在胞質(zhì)中抑制G6PD從單體組裝成二聚體,進而降低其活性,最終抑制磷酸戊糖途徑[32]。另外,p53作為轉(zhuǎn)錄因子,入核后可與磷酸戊糖途徑相關(guān)基因啟動子結(jié)合,抑制其表達。同時,p53還直接與GLUT1和GLUT4蛋白基因的啟動子結(jié)合,抑制蛋白表達,最終降低葡萄糖的攝取[33]。與此同時,ATM可以不通過p53,直接激活磷酸戊糖途徑。在激活的ATM介導(dǎo)下,磷酸戊糖途徑限速酶G6PD與熱休克蛋白27之間相互作用,G6PD活性增加催化生成更多的NADPH抵抗氧化應(yīng)激。上述證據(jù)解釋了ATM缺失或突變的細胞中ROS增加的原因[34]。

3.4 Nrf2相關(guān)機制

紅系衍生核因子相關(guān)因子-2(nuclear factor erythroid 2-related factor 2,Nrf2)是一種轉(zhuǎn)錄因子,在氧化應(yīng)激下可調(diào)節(jié)磷酸戊糖途徑相關(guān)酶的轉(zhuǎn)錄,抑制細胞凋亡[35]。正常情況下,Nrf2與人源全長重組蛋白(P01)(Kelch-like ECH-associated protein 1,Keap1)結(jié)合,Keap1可以介導(dǎo)Nrf2的泛素化降解。氧化應(yīng)激發(fā)生時,Nrf2從Keap1上解離入核,增加轉(zhuǎn)酮醇酶和轉(zhuǎn)醛醇酶的轉(zhuǎn)錄,在細胞中積累NADPH,抵抗氧化應(yīng)激,抑制細胞凋亡[36]。

4 展望

隨著人們對感光細胞凋亡認識的深入,其凋亡調(diào)控機制也越來越受到關(guān)注。本文從抗氧化應(yīng)激和調(diào)節(jié)代謝的角度,闡述了磷酸戊糖途徑對抗感光細胞凋亡的作用途徑及相關(guān)分子通路。雖然NADPH的抗氧化和參與代謝的作用明確,可抑制感光細胞凋亡,但NADPH在NADPH氧化酶作用下,可參與氧化應(yīng)激的產(chǎn)生[37]。因此,NADPH對感光細胞的最終作用可能因為實驗條件和試劑劑量而產(chǎn)生完全相反的實驗結(jié)果。如何將理論向今后的臨床工作中轉(zhuǎn)化,則是今后研究需要關(guān)注的重點。

利益沖突所有作者均聲明不存在利益沖突