血红素加氧酶的研究与运用-医学sci期刊目录
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HO1性质、功能与调控已日益引起人们的关注。大量研究表明HO1对氧化损伤所引起多种疾病具有保护作用。HO1催化血红素降解的3个产物CO、胆红素和铁蛋白是发挥细胞保护作用的关键分子。虽然每个产物独自作用时都有保护作用，但是细胞保护作用主要是三者协同作用的结果。当应激发生时，适量HO1的诱导产生，能维护细胞自身稳定，实现对细胞的保护。目前加拿大研究人员利用经改造过的病毒为载体，把额外的HO1基因副本释放到实验鼠的心脏组织，使其在缺血、缺氧情况下能迅速地制造出大量的HO1蛋白，以减轻心脏病发作对心肌的损伤。
1 HO1的一般生物学特性与功能
HO1也称之为热休克蛋白32（HSP32），是目前研究最多的一种同工酶。相对分子质量为32000，染色体定位22q12，在细胞中定位于微粒体，诱导性表达于肝、脾、心、肺、血管平滑肌、脑等组织，诱导因素为应激、缺氧、内毒素、过氧化氢、重金属、紫外线、细胞因子、生长因子等。作为血红素降解的限速酶，HO1降解由衰老或破损的红细胞释放出血红素，首先生成胆绿素、一氧化碳（CO）和Fe2+ ，然后胆绿素在胆绿素还原酶作用下转换成胆红素，Fe2+诱导并参与了体内铁蛋白的合成。在血红素降解过程中需要烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADPH）供氢并消耗O2 。以往认为血红素代谢产物不仅对机体无益，过量时还可对机体造成损害。如游离胆红素如果不能和葡萄糖醛酸充分结合并排出体外，就容易透过血脑屏障对神经系统造成损伤；Fe2+ 可产生活性羟基引起严重的氧化应激，导致细胞膜损坏和组织的损伤[3]；而CO和血红蛋白结合后可造成组织缺氧。随着研究深入，人们对HO1及其催化产物在机体中的作用有了更深入的了解。首先HO1分解血红素，避免了血红素对细胞的损伤，催化过程中消耗了O2，减少了氧自由基生成。其次HO1的催化产物铁蛋白、CO、胆红素在氧化应激中起着保护组织细胞的作用，其中铁蛋白可降低细胞内Fe2+的浓度[4]，同时HO1还可以上调内质网上的Fe2+通道，促进细胞内Fe2+泵出[5]，防止由Fe2+介导的氧化应激损伤；胆红素作为HO1的代谢产物，能有效地清除氧自由基，防止细胞脂质层过氧化，而且游离胆红素比结合胆红素更能有效地抑制低密度脂蛋白分解[6]；CO可以促使血管舒张，其机制为CO和NO一样可以活化鸟甘酸环化酶，使三磷酸鸟嘌呤核苷（GTP）转化成环磷酸鸟甙（cGMP），使血管舒张；CO还可以通过刺激平滑肌细胞膜上的K+通道促使血管舒张，以及抑制缩血管内皮素（ET1）的释放所引起的血管收缩[7]。另外，CO还通过鸟甘酸环化酶活化P38有始分裂原活化MAPK信号转导途径，既可抑制炎症因子的基因表达，又可促进抗炎因子的产生来抑制炎症反应[8]。除此以外，CO还有防止血管平滑肌细胞过度增生、抗血小板聚集、抗凋亡等作用。
2 HO1与心血管系统
3.1 HO1与冠状动脉疾病（CAD）早在1994年Schwertner等[12]第一次发现了血浆中胆红素的浓度与CAD的发病率成显着负相关，这个重要发现提示血浆中的胆红素浓度低于正常可能会导致缺血性心脏疾病的发生。随后，Hopkins等也注意到有家族性CAD的病人血浆中的胆红素浓度明显低于无家族史的病人。Hunt等进一步证实遗传性胆红素浓度降低病人早期易患CAD。另外人们发现胆红素血浆浓度与许多CAD的危险因素如吸烟、低密度脂蛋白、糖尿病、肥胖呈负相关，与CAD保护性因素高密度脂蛋白呈正相关。但即使消除了CAD的危险因素，胆红素血浆浓度降低仍易导致CAD,表明了血浆中的胆红素浓度直接与CAD相关。CAD与氧自由基生成、脂质过氧化、动脉粥样硬化以及炎症有关[1314]。血管动脉粥样硬化主要是因为低密度脂蛋白氧化并被内皮巨噬细胞吞噬后形成了富含脂质的泡沫状细胞。而胆红素能防止脂蛋白特别是低密度脂蛋白氧化，从而阻止动脉粥样硬化斑块形成。同时胆红素能清除氧自由基和与炎症有关的过氧化氢，保护心肌细胞膜免受氧化损伤。HO1还可通过其他途径来影响CAD的发生。如HO1分解血红蛋白（Heme），减少了Heme对心肌细胞的氧化损伤；产生的CO可通过活化鸟甘酸环化酶增加平滑肌细胞内的cGMP，使冠脉平滑肌舒张，还可抑制血小板聚集和血管平滑肌增生；HO1促使铁蛋白合成增加也消除了由细胞内铁引起的细胞损伤和慢性炎症。总之，HO1及其代谢产物可通过不同的途径降低CAD发病的危险性。
3.2 心脏缺血再灌注损伤随着心脏移植、体外循环、冠脉搭桥、冠脉介入治疗应用于临床，缺血再灌注损伤已引起医学界的高度重视。动物实验显示，氧自由基、钙超载、心肌纤维能量代谢障碍、血管内皮细胞、一氧化氮、中性粒细胞、细胞黏附分子和细胞凋亡等均可能参与再灌注损伤的发病过程。而HO1作为抗氧化应激的蛋白酶，它在心肌缺血及随后的再灌注损伤中的作用也越来越受到人们关注。Clark等[6]发现在心肌缺血前24h用氯高铁血红素（HO1诱导剂）预处理，再灌注后心肌功能较对照组有显着改善，而且在HO1高表达的区域，线粒体完整性保存较好，心肌梗死面积明显缩小。氯高铁血红素预处理是否影响其他热休克蛋白（HSP）的水平或触发其他的心肌保护机制还缺乏试验证实，但用HO1抑制剂后即使再用氯高铁血红素预处理，心肌缺血再灌注损伤依然没有加重[15]，表明HO1与心肌缺血再灌注损伤程度有直接联系。同样，Vulapalli等研究HO1在缺血再灌注心肌保护中的作用时发现，在心肌细胞中选择性表达HO1的转基因小鼠能有效防止缺血再灌注诱导的心肌细胞凋亡，而且HO1高表达并没有影响到其他细胞保护性基因如HO2、HSP90的表达，这进一步证实了HO1在缺血再灌注中直接的心肌细胞保护作用。 除了HO1在催化中消耗O2，减少了氧自由基形成以及HO1的催化产物胆红素的抗细胞氧化作用外，对于HO1催化产物CO在缺血再灌注损伤中的保护作用，Yet等[16]发现CO可以阻止炎性细胞浸润，减少炎性渗出。作用机制可能是CO抑制细胞间黏附因子1（VCAM1）、血管细胞黏附因子1（ICAM1）基因的表达，阻碍了中性粒细胞在血管壁上的黏附、渗出和浸润，减少了炎性反应对心肌细胞的损害。CO舒张血管作用提高了再灌注心肌的血流，也可以减轻再灌注心肌的损伤。心肌缺血再灌注引起的氧化和炎症反应必然会导致心肌细胞的坏死和凋亡而造成心肌功能损害。Soares等[17]证实HO1过度表达可以抑制由肿瘤坏死因子（TNFα）引起的内皮细胞凋亡。Vulapalli等[18]的试验结果也证实了HO1的抗调亡作用，但抗调亡机制尚不清楚，推测除了HO1的催化产物胆红素和CO的抗氧化、抗炎作用抑制了引起细胞凋亡的因素外，HO1还促进抗凋亡基因Bcl2、抑制促凋亡基因caspase3的表达，提示HO1与凋亡相关基因之间的传导途径可为减轻缺血再灌注所造成的心肌损伤提供更有效的方法。
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HO1性质、功能与调控已日益引起人们的关注。大量研究表明HO1对氧化损伤所引起多种疾病具有保护作用。HO1催化血红素降解的3个产物CO、胆红素和铁蛋白是发挥细胞保护作用的关键分子。虽然每个产物独自作用时都有保护作用，但是细胞保护作用主要是三者协同作用的结果。当应激发生时，适量HO1的诱导产生，能维护细胞自身稳定，实现对细胞的保护。目前加拿大研究人员利用经改造过的病毒为载体，把额外的HO1基因副本释放到实验鼠的心脏组织，使其在缺血、缺氧情况下能迅速地制造出大量的HO1蛋白，以减轻心脏病发作对心肌的损伤。
1 HO1的一般生物学特性与功能
HO1也称之为热休克蛋白32（HSP32），是目前研究最多的一种同工酶。相对分子质量为32000，染色体定位22q12，在细胞中定位于微粒体，诱导性表达于肝、脾、心、肺、血管平滑肌、脑等组织，诱导因素为应激、缺氧、内毒素、过氧化氢、重金属、紫外线、细胞因子、生长因子等。作为血红素降解的限速酶，HO1降解由衰老或破损的红细胞释放出血红素，首先生成胆绿素、一氧化碳（CO）和Fe2+ ，然后胆绿素在胆绿素还原酶作用下转换成胆红素，Fe2+诱导并参与了体内铁蛋白的合成。在血红素降解过程中需要烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADPH）供氢并消耗O2 。以往认为血红素代谢产物不仅对机体无益，过量时还可对机体造成损害。如游离胆红素如果不能和葡萄糖醛酸充分结合并排出体外，就容易透过血脑屏障对神经系统造成损伤；Fe2+ 可产生活性羟基引起严重的氧化应激，导致细胞膜损坏和组织的损伤[3]；而CO和血红蛋白结合后可造成组织缺氧。随着研究深入，人们对HO1及其催化产物在机体中的作用有了更深入的了解。首先HO1分解血红素，避免了血红素对细胞的损伤，催化过程中消耗了O2，减少了氧自由基生成。其次HO1的催化产物铁蛋白、CO、胆红素在氧化应激中起着保护组织细胞的作用，其中铁蛋白可降低细胞内Fe2+的浓度[4]，同时HO1还可以上调内质网上的Fe2+通道，促进细胞内Fe2+泵出[5]，防止由Fe2+介导的氧化应激损伤；胆红素作为HO1的代谢产物，能有效地清除氧自由基，防止细胞脂质层过氧化，而且游离胆红素比结合胆红素更能有效地抑制低密度脂蛋白分解[6]；CO可以促使血管舒张，其机制为CO和NO一样可以活化鸟甘酸环化酶，使三磷酸鸟嘌呤核苷（GTP）转化成环磷酸鸟甙（cGMP），使血管舒张；CO还可以通过刺激平滑肌细胞膜上的K+通道促使血管舒张，以及抑制缩血管内皮素（ET1）的释放所引起的血管收缩[7]。另外，CO还通过鸟甘酸环化酶活化P38有始分裂原活化MAPK信号转导途径，既可抑制炎症因子的基因表达，又可促进抗炎因子的产生来抑制炎症反应[8]。除此以外，CO还有防止血管平滑肌细胞过度增生、抗血小板聚集、抗凋亡等作用。
2 HO1与心血管系统
3.1 HO1与冠状动脉疾病（CAD）早在1994年Schwertner等[12]第一次发现了血浆中胆红素的浓度与CAD的发病率成显着负相关，这个重要发现提示血浆中的胆红素浓度低于正常可能会导致缺血性心脏疾病的发生。随后，Hopkins等也注意到有家族性CAD的病人血浆中的胆红素浓度明显低于无家族史的病人。Hunt等进一步证实遗传性胆红素浓度降低病人早期易患CAD。另外人们发现胆红素血浆浓度与许多CAD的危险因素如吸烟、低密度脂蛋白、糖尿病、肥胖呈负相关，与CAD保护性因素高密度脂蛋白呈正相关。但即使消除了CAD的危险因素，胆红素血浆浓度降低仍易导致CAD,表明了血浆中的胆红素浓度直接与CAD相关。CAD与氧自由基生成、脂质过氧化、动脉粥样硬化以及炎症有关[1314]。血管动脉粥样硬化主要是因为低密度脂蛋白氧化并被内皮巨噬细胞吞噬后形成了富含脂质的泡沫状细胞。而胆红素能防止脂蛋白特别是低密度脂蛋白氧化，从而阻止动脉粥样硬化斑块形成。同时胆红素能清除氧自由基和与炎症有关的过氧化氢，保护心肌细胞膜免受氧化损伤。HO1还可通过其他途径来影响CAD的发生。如HO1分解血红蛋白（Heme），减少了Heme对心肌细胞的氧化损伤；产生的CO可通过活化鸟甘酸环化酶增加平滑肌细胞内的cGMP，使冠脉平滑肌舒张，还可抑制血小板聚集和血管平滑肌增生；HO1促使铁蛋白合成增加也消除了由细胞内铁引起的细胞损伤和慢性炎症。总之，HO1及其代谢产物可通过不同的途径降低CAD发病的危险性。
3.2 心脏缺血再灌注损伤随着心脏移植、体外循环、冠脉搭桥、冠脉介入治疗应用于临床，缺血再灌注损伤已引起医学界的高度重视。动物实验显示，氧自由基、钙超载、心肌纤维能量代谢障碍、血管内皮细胞、一氧化氮、中性粒细胞、细胞黏附分子和细胞凋亡等均可能参与再灌注损伤的发病过程。而HO1作为抗氧化应激的蛋白酶，它在心肌缺血及随后的再灌注损伤中的作用也越来越受到人们关注。Clark等[6]发现在心肌缺血前24h用氯高铁血红素（HO1诱导剂）预处理，再灌注后心肌功能较对照组有显着改善，而且在HO1高表达的区域，线粒体完整性保存较好，心肌梗死面积明显缩小。氯高铁血红素预处理是否影响其他热休克蛋白（HSP）的水平或触发其他的心肌保护机制还缺乏试验证实，但用HO1抑制剂后即使再用氯高铁血红素预处理，心肌缺血再灌注损伤依然没有加重[15]，表明HO1与心肌缺血再灌注损伤程度有直接联系。同样，Vulapalli等研究HO1在缺血再灌注心肌保护中的作用时发现，在心肌细胞中选择性表达HO1的转基因小鼠能有效防止缺血再灌注诱导的心肌细胞凋亡，而且HO1高表达并没有影响到其他细胞保护性基因如HO2、HSP90的表达，这进一步证实了HO1在缺血再灌注中直接的心肌细胞保护作用。 除了HO1在催化中消耗O2，减少了氧自由基形成以及HO1的催化产物胆红素的抗细胞氧化作用外，对于HO1催化产物CO在缺血再灌注损伤中的保护作用，Yet等[16]发现CO可以阻止炎性细胞浸润，减少炎性渗出。作用机制可能是CO抑制细胞间黏附因子1（VCAM1）、血管细胞黏附因子1（ICAM1）基因的表达，阻碍了中性粒细胞在血管壁上的黏附、渗出和浸润，减少了炎性反应对心肌细胞的损害。CO舒张血管作用提高了再灌注心肌的血流，也可以减轻再灌注心肌的损伤。心肌缺血再灌注引起的氧化和炎症反应必然会导致心肌细胞的坏死和凋亡而造成心肌功能损害。Soares等[17]证实HO1过度表达可以抑制由肿瘤坏死因子（TNFα）引起的内皮细胞凋亡。Vulapalli等[18]的试验结果也证实了HO1的抗调亡作用，但抗调亡机制尚不清楚，推测除了HO1的催化产物胆红素和CO的抗氧化、抗炎作用抑制了引起细胞凋亡的因素外，HO1还促进抗凋亡基因Bcl2、抑制促凋亡基因caspase3的表达，提示HO1与凋亡相关基因之间的传导途径可为减轻缺血再灌注所造成的心肌损伤提供更有效的方法。
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