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1、HO–1的生物学特性
HO–1为诱导型,HO-1基因内含有HSE元件,与HSP70和应激蛋白P32结构类似,所以有人将其归入HSP家族,亦称为HSP32。分子量为32kD,热休克处理在引起HSP70表达上调的同时也导致HO-1的表达上调。且热休克对大鼠心肌线粒体呼吸功能的保护作用与这两种应激蛋白均有关。生理状态下,在网状内皮细胞系统和骨髓表达,肝脏、脾脏中高浓度存在,可被多种物质或刺激因素诱导表达,如四氯化碳、扑热息痛、重金属、血红素及其衍生物、炎性刺激、应激、生物激素、低氧等应激状态均可使细胞内HO-1的活性上调[1]。而多数金属卟啉是HO-1的抑制剂,如锌原卟啉及锡原卟啉等,可抑制HO-1的表达和活性。
现已证实HO-1是一种应激蛋白,HO-1在正常情况下低表达或不表达,但在应激状态下HO-1适量表达可以减轻细胞损伤、蛋白质氧化及脂质过氧化,减轻血管紧张素Ⅱ引起的内皮细胞损伤,对血管损伤的修复有潜在保护作用。研究表明,CO诱导HO-1活性增强可减轻内皮细胞的氧化损伤和凋亡,降低培养的内皮细胞对H2O2造成的氧化性损伤的敏感性,血红素诱导的HO-1活性增加可减少过氧亚硝基引起的主动脉内皮细胞的凋亡[2],HO-1的体内外诱导均能提供抗氧化应激的保护作用,Grosse等[3]在培养的人内皮细胞研究中发现,L丙氨酸(L-alanine)可使HO-1活性增加,并降低H2O2的细胞毒性作用。氧自由基形成的动物模型研究表明[4]在大鼠冠脉缺血/再灌注模型中,将SD大鼠全身预热15min(肛温42℃),实验前室温恢复24h,再行冠状动脉阻塞45min后开放冠状动脉再灌注3h,以心肌梗死大小和血清肌酸激酶活性评估心肌损伤的程度,测定心肌组织中HO-lmRNA和蛋白质的表达。热预处理组减少再灌注时心肌梗死的面积和肌酸激酶释放,该作用被ZnPP-IX(HO抑制剂)和亚甲蓝安全阻断,热应激增加HO-lmRNA和蛋白质表达,但该作用不被亚甲蓝阻断[5]。
2、HO-1基因的诱导产生、表达调节及信号传导
2.1诱导HO-1表达的分子调节机制十分复杂。目前已经确定HO-1的编码基因定位于人染色体22q12,含5个外显子,长约14kb,研究发现,人HO-1基因启动区所特有的(GT)n微卫星结构的长度直接影响HO-1基因的转录水平,(GT)n越长,即GT二核苷酸序列重复数越多,HO-1基因转录和表达的水平就越低。体外实验表明HO-1基因启动子微卫星影响HO-1的转录,在同等程度的氧化应激作用下,GT重复<25次者,HO-1基因转录增加;而GT重复≥29次者,则转录水平增加不明显,因此GT重复次数可间接反映人体内HO-1的表达水平,由此可见,HO-1的表达可以在转录水平和蛋白水平调控。
HO-1的诱导产生HO在人多数组织内呈低水平表达可被多种伤害性刺激诱导产生高水平的表达在神经和肝脏和脾脏表达最高[6]。这些诱导剂包括血红素,高氧、缺氧、热体克、内毒素、过氧化氢、细胞因子、紫外线、重金属和NO等,这些诱导剂的共同特征是可以产生氧化应激。目前有关NO对HO-1的诱导产生研究最多,多数的文献报道指出NO作为一种经典的信号分子能够调节HO-1基因的表达。但也有相反的报道显示HO-1的产生为NO非依赖性的[78]。这可能与其研究的模型和组织不同NO的转录不同有关,其具体的机制有待于一步研究。
2.2HO-1基因表达的调节,目前的研究表明,HO-1基因表达的调控主要发生在转录水
平HO-1基因含有4个内含子和5个外显子,在HO-1基因5,非转录区(UTR)即基因启动子区包含一些增强子和调节片段,包括激活蛋白-1结合位点、金属反应片段、抗氧化反应片段、热体克和血红素反应片段、肿瘤基因杂二聚体结合位点、GCbox(Spl)结合位点,转录因子如氧化应激反应转录因子NF-κB和AP-1等与这些特殊位点结合可导致HO-1基因激活。转录因子AP-1是一个对氧化还原敏感的转录因子,可以激活许多基因包括HO-1的表达参与氧化应激的保护性反应AP-1在调节HO-1基因转录中的作用最近才被研究证实,NF-E2相关因子2(Nrf2)尤其重要在对Nrf2基因缺陷的巨噬细胞研究中发现,转录因子Nrf2可与相关基因抗氧化反应成分相互作用,从而调节相关基因表达,在氧化应激诱导的细胞反应中起重要作用[9]。小鼠HO基因的增强子区域有一个10bp的序列,对于除缺氧以外的各种因子诱导的HO基因表达十分必要,这一序列被称为应激反应成分(StRE)小鼠StRE区域包含有转录因子AP-1家族或转录因子的结合区,StRE中AP-1结合区域基因突变将导致HO基因表达失活,不受重金属、过氧化氢及LP5等的刺激,显示了AP-1蛋白在HO-1基因表达调控中的作用。此外还有HO基因DNA结合部位包括低氧介导因子-1(HIF-1)和介素6(IL-6)反应成分。HIF是氧敏感基因的转录激话因子可结合小鼠HO-1基因的缺氧反应成分。缺氧反应成分的突变将导致HIF-1结合的失败从而导致缺氧依赖性HO基因表达的失话,表明激动子HIF-1参与缺氧诱导的HO基因表达。IL-6是已知的激话HO基因转录的细胞因子中的一种。研究证实HO-1基因5,端的基因序列为IL-6的结合反应区域。
2.3HO-1和信号转导MAP激活酶(有丝分裂原激活蛋白激酶)是细胞外刺激通过激活转录因子调节基因表达的信号传导系统的重要激酶。据报道,有三种MAP激酶亚家族:细胞外信调节激酶(ERK),c-junN末端激酶(JNK)和p38家族。ERK可被有丝分裂原激活参与细胞生长和增殖的调节,另外两种激酶与细胞内应激信号有关,因此又被称为应激激活的蛋白激酶。这几种激酶的作用底物及其激动因子有很大的重叠。由于MAP激酶和HO-1均可被应激性刺激激活,并且磷酸化参与了HO-1基因的诱导产生。因此很容易理解MAP激酶信号转导途径参与了HO-1基因的表达。Lu等通过应用ERK和p38通路的化学性阻断剂实验研究,报道ERK和p38通路组分的持续激活可导致HO-1基因表达增加。FurstR等[10]研究发现在培养的人脐静脉内皮细胞,水杨酸盐可以通过激活JNK/AP-1通路上调HO-1基因的表达。另有证据表明MAP激酶途径也参与了HO反应产物的激活。CO作为HO-1分解血红素的一种产物,具有细胞保护、抗凋亡作用,是通过MAP途径尤其是p38途径所介导的[11]。
3、HO-1与ALI研究现状
3.1HO-1的抗氧化作用
传统观念认为,胆红素是人体内的一种有害物质。但随着人们对HO/CO-胆红素系统研究的不断深入,发现它不只是体内的代谢产物,在一定浓度下还是一种内源性强抗氧化剂具有抗氧化、抗脂质过氧化、保护细胞免受损伤及增强维生素C和E的抗氧化能力等作用[5]。多种应激因素如过量血红蛋白、低氧、脓毒血症引起的急性中毒、化学因素导致的ALI以及器官的缺血-再灌注损伤均可诱导HO-1产生。这些诱导产生的HO-1可增加细胞的抗氧化作用。Jinaw等[12]研究发现在LPS大鼠肺损伤模型中通过诱导肺组织加HO-1表达能明显抑制MDA、TNF-a、NO等,减轻肺水肿、抑制脂质过氧化。
3.2HO-1对NF-кβ及细胞因子的影响
NF-кβ是DNA结合蛋白,是重要的转录因子。NF-кβ激活后能使多种细胞因子大量表达,因此在各种细胞外刺激介导的细胞信息的转导调控中起中心作用。当细胞受到早期反应细胞因子TNF-a、IL-1β和LPS刺激时,激活细胞内信号通道、胞内信号识别和蛋白水解,使得细胞核局部信息暴露,激活NF-кβ。活化的NF-кβ与位于基因启动子和增强子的кβ序列位点发生特异性的结合。参与众多与免疫和炎症反应有关的基因的转录调控,在一系列的由细胞因子、炎症介质及蛋白酶类参与AIL的发病过程中发挥重要的作用。各种原因引起AIL均有大量细胞因子产生,如TNF-a、IL-1、IL-6、IL-8等,这些细胞因子引起一系列的炎症级链反应,参与肺损伤过程。SaskiI等[13]研究发现失血性休克肺动物模型中,用精氨酸血红素诱导HO-1的表达能明显抑制NF-kB和AP-1从而减少肺损伤。LiuSH[14]等发现在内毒素肺损伤模型中吸入低流量的CO(2.5*10-4V/V)能明显诱导HO-1mRNA表达,抑制TNF-a,IL-6,IL-10,MDA,MPO,及肺脏的细胞凋亡。提示HO-1表达增加对肺脏具有保护作用。
3.3HO-1对NO及合成酶的影响
NO主要由血管内皮细胞产生,血小板、巨噬细胞、中性粒细胞以及脑组织均含有一氧化氮合成酶(iNOS)。生理浓度的NO可维持血管的舒张状态。因此,用于治疗持续性肺高压,慢性阻塞性肺疾病,肺血管收缩的ARDS患者。然而,体内NO过多,也可产生一系列病理变化,用内毒素刺激内皮细胞产生过量NO,可导致内皮细胞损伤和死亡。iNOS作为一重要的促炎介质,其表达调控中最重要的是转录水平的调节。在正常生理情况下,iNOS不表达或低水平表达。在ALI病人,iNOS在严格调控下的诱导表达对于补偿内源性NO不足起重要作用,然而,一旦这种控制失效,iNOS过量产生就会诱导大量NO的产生。高水平的NO发挥其自由基性质的细胞毒作用,造成肺损伤。甚至血压下降和体克而危及生命。脂多糖致AIL时iNOSmRNA表达也增强,其大量生成的NO可与超氧阴离(O-)反应生成过氧化亚硝基阴离子(CNOO-),其通过对肺泡表面活性物质(PS)及内皮的毒性作用损伤肺组织。NO和iNOS在肺损伤发病机制中具有重要作用。HuangTY[15]等研究发现在脂多糖引起的大鼠肺损伤中,通过氯高铁血红素或高压氧诱导HO-1的表达增加能明显抑制iNOS表达减少NO的产生。ZhanLy等[16]发现在内毒素肺损伤模型中,预先给赤芍能明显的诱导肺组织HO-1的表达,从而抑制iNOS表达,减轻肺损伤。
4.3HO-1对细胞凋亡影响
细胞凋亡是细胞的一种程序性死亡过程,在此过程中,特定的死亡信号通路被激活,导致细胞从组织中清除。细胞凋亡的最终结果是导致DNA碎裂,细胞体积变小,凋亡的细胞被邻近的吞噬细胞吞噬。当细胞凋亡受到不适当的激活或抑制时,均可导致疾病的形成。目前认为主要有两类细胞凋亡与ALI发病机制密切相关,即多形核中性粒细胞(PMN)与上皮细胞的凋亡。关于前者,研究人员认为PMN凋亡在炎症消退过程中发挥着重要作用,在ALI发病过程中,PMN的凋亡以及凋亡细胞清除受到抑制都是不利的[17]。人们观察到在ALI发病过程中,上皮损伤与可溶性介质导致的肺上皮细胞凋亡有关,并猜测使用相关阻断剂对ALI的治疗可能是有益的[18]。Otterbein等在培养的大鼠成纤维细胞中加入HO-1诱导剂可抑制由TNF-α引起的细胞凋亡,而用HO-1抑制剂可抑制HO-1的抗凋亡作用。
5、问题与展望
综上所述,HO-1作为一种有催化活性的应激蛋白有着广泛的生物学活性,机体处于氧化应激状态时,HO-1高效表达,保护机体免受损伤。所以,HO-1在氧化应激中的作用值得进一步研究。随着研究的不断深入,HO-1的作用机制日渐明朗,将可能开辟一个新的药物研究领域,如用“非应激”刺激物在体内诱导HO-1基因表达可能是今后治疗性干预氧化性损伤的新的有开发前景的方法,如水杨酸盐可以通过激活JNK/AP-1通路上调HO-1基因的表达。赤芍、阿司匹林等可诱导HO-1在肺组织细胞和培养的内皮细胞上表达,并已显示HO-1具有保护内皮细胞对抗TNF-α介导的细胞毒性以及肺组织细胞对抗氧化应激引起的缺血再灌注损伤等作用。但尚需深入研究调控各种刺激因素诱导HO-1基因转录与表达的分子学机制及其意义。