神经细胞的氧化损伤与MTH1的神经细胞保护作用

南海天

(中国医科大学,辽宁 沈阳 110001)

神经细胞的氧化损伤与MTH1的神经细胞保护作用

南海天

(中国医科大学,辽宁 沈阳 110001)

许多因素如活性氧类物质,可引起神经细胞的氧化损伤。而MTH1能够有效防止 8-oxoG导致的神经细胞氧化损伤。介绍了神经细胞内氧化损伤发生的机理,阐述了帕金森病MPTP模型中MTH1对纹状体多巴胺能神经元神经末梢的保护作用。

氧化损伤;MTH1;MPTP动物模型;帕金森病

1 神经细胞的氧化损伤

1.1 神经细胞发生氧化损伤的高风险性

哺乳动物在生长过程中,神经干细胞能够增殖并产生大量神经元。成熟的神经元处于有丝分裂的后期并且必须在个体整个生命过程中发挥其功效。神经元具有高度的代谢活性,并产生足够的ATP以维持细胞内外的离子平衡。ATP主要依靠细胞内的线粒体呼吸产生,与此同时从呼吸链中漏出的电子将会产生活性氧族 (ROS),例如超氧化物、过氧化氢和羟基。ROS能够氧化细胞内包括蛋白和核苷酸在内的大分子,从而导致突变和细胞死亡等细胞功能的失调。因此,神经元具有发生氧化损伤的高风险性[1]。

1.2 神经细胞内氧化损伤发生的机理和危害

导致神经细胞内氧化损伤的主要物质——8-氧桥鸟嘌呤 (8-oxoG),在 DNA复制过程中能够与腺嘌呤和胞嘧啶配对,从而分别增加了由 A:T至 C:G和 G:C至 T:A颠换突变的频率[2]。细胞核和线粒体中的 DNA遗传信息的改变,会导致突变和程序性细胞死亡。突变是体细胞癌变、遗传性疾病和遗传多态性的根源,而程序性细胞死亡常常引发退行性病变。大量研究表明,增殖细胞内 8-oxoG的增加会导致突变和癌变频率的增加,而 8-oxoG不断在神经细胞核和线粒体内积聚,还会使人体出现许多神经变性性病征,如帕金森病 (PD)、阿尔茨海默病 (AD)和肌萎缩侧索硬化(ALS)[3]。

2 MTH1在小鼠MPTP模型中的作用

近年来人们发现一种神经毒性药物 1-甲基-4苯基 -1,2,3,6-四氢吡啶 (MPTP),可选择

2.1 帕金森病 (PD)的MPTP动物模型

流行病学研究和动物模型实验表明,一些自体合成或环境内的毒素会阻滞 PD的线粒体呼吸链。其中,MPTP动物模型最清晰地阐明了其中原理[5]。

早在 1991年,R.R.Ramsay博士就已证实系统摄入的MPTP大部分由神经胶质细胞内的单胺氧化酶转化为MPP+,而MPP+又会通过多巴胺转运蛋白 (DAT)被多巴胺能神经元特异吸收。多巴胺能神经元内积聚的MPP+与线粒体呼吸链的复合物 I结合并阻滞电子的转运,从而导致 ROS的形成和由 ATP消耗引起的能量损失。另外,N.Schmidt教授的研究表明,与脑内其他组织相比,多巴胺能神经元由于多巴胺自身代谢产物的蓄积更易受到氧化损伤。MPP+导致大量囊泡内多巴胺释放至细胞质中并提高多巴胺的更新速度,多巴胺能神经元内的氧化应激也因此大大增加[6]。这一过程中,产生了大量羟自由基。羟自由基是最具活性的 ROS之一,可以将许多包括蛋白质、脂类和核苷酸在内活质分子轻易氧化,从而引起一系列的细胞功能失调甚至死亡。这就是 PD的MPTP动物模型。

2.2 帕金森病MPTP模型中 8-oxoG的积聚

在MPTP致病的 PD模型中,脂类过氧化反应的增加和蛋白质化学性质的改变是常见现象,现在人们又开始关注该模型中MPTP是否会导致 8-oxoG的积聚。日本从事脑神经研究的山口教授的研究表明,在一次摄入MPTP(30 mg·kg-1,i.p.)12～24 h之后,8-oxoG在黑质和纹状体细胞DNA和 RNA中的积聚显著增高[4]。特别是 8-oxoG在纹状体多巴胺能神经末梢线粒体内的积聚,要比其在黑质细胞 DNA或 RNA中积聚出现的早,而黑质在反复摄入 MPTP后多巴胺能神经元缺失又很显著。日本分子生物学水源教授的研究表明,MPP+以引发纹状体多巴胺能神经末梢内的线粒体功能失调为开端,引起了整个多巴胺能神经元的退行性变。而多巴胺能神经末梢的功能失调,正是由 MPTP导致 8-oxoG的积聚产生的[4]。

2.3 MTH1对纹状体多巴胺能神经元神经末梢的保护作用

MTH1mRNA在鼠大脑神经元内广泛存在,并且在整个黑质 (包括黑质密部、网质部、腹侧被盖区)、大脑皮层和海马处都有实质性表达。

为了证实MTH1在黑质 -纹状体通路中的神经保护作用,九州大学生体防御医学研究所将野生型小鼠和人工去除MTH1的小鼠作了对比试验。他们将MPTP(30 mg·kg-1,i.p.)每日一次连续 5 d注入野生型和去除MTH1的小鼠,然后将 2组小鼠纹状体内多巴胺能神经末梢变性程度和黑质多巴胺能神经元的缺失情况进行比较[4]。结果表明,2组小鼠的黑质多巴胺能神经元的缺失情况基本相同,但长期暴露于 MPTP的去除MTH1的小鼠纹状体内多巴胺能神经末梢变性程度更严重,同时,在去除MTH1小鼠的纹状体多巴胺能神经末梢的线粒体内,8-oxoG积聚更明显。

由于MTH1能够有效水解 8-oxo-dGTP和其他氧化嘌呤核苷酸三磷酸盐,去除MTH1的小鼠在摄入MPTP后,纹状体多巴胺能神经末梢内积聚了大量氧化嘌呤核苷酸三磷酸盐,从而导致其线粒体 DNA内蓄积了大量氧化嘌呤。因此,MTH1的缺乏扩大了纹状体内MPTP激动的多巴胺能神经末梢的氧化损伤。这些结果表明,MTH1对纹状体多巴胺能神经元具有神经保护作用。

3 展 望

MTH1能够有效减少小鼠神经细胞中 8-oxoG在细胞核和线粒体 DNA中的积聚,从而防止神经细胞的氧化损伤,然而促使神经细胞损伤的始动因素目前尚有争论。B.N.Ames的研究结果证明,DNA的破坏与细胞死亡和癌变紧密相关。氧化嘌呤脱氧核糖核酸错误的掺入 DNA,很有可能引起了神经细胞功能改变甚至细胞死亡。然而,MTH1有效的水解 8-oxo-GTP等氧化嘌呤核糖核酸说明,神经细胞功能的失调也可能是RNA被错误掺入导致的。最近 T.Kai等人还发现,8-oxo-dGTP浓度升高会导致非洲蟾蜍卵溶解物内的 DNA复制时合成量的减少[7],说明 8-oxo-dGTP本身可能有直接的神经细胞毒性作用。因此,造成神经细胞氧化损伤的具体机制还需要进一步研究。九州大学生体防御医学研究所现在依靠转基因技术借用小鼠表达人类MTH1蛋白,试图进一步揭示这些氧化核苷酸在神经细胞内的生物学作用。虽然该研究尚处于动物试验阶段,但对于寻找治疗 PD的新策略有着重要参考价值。新近发现,DNA修复酶 8一羟基鸟嘌呤糖苷酶 (hOGG1)和 hMYH也在不同环节协同参与神经细胞核和线粒体 DNA的修复,因此其他能够防止DNA氧化损伤的DNA修复酶在神经细胞氧化变性中的分子生物学作用和机制还需要深入发现和研究。

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Oxidative Damage to Neurons and Protective Effects ofM TH1 on Neurons

NAN Ha i-tian
(ChinaMedicalUniversity,ShenyangLiaoning 110001,China)

Many factors in vivo including active oxygen species(AOS)can lead to oxidative damage to neurons.MTH1 effectively prevents such damages caused by 8-oxoG.This paper introduces both the mechanism of oxidative damage in neurons and the protective effects of MTH1 on nerve terminals of dopaminergic neurons in striata in the MPTP model of Parkinson's Disease.

oxidative damage;MTH1;MPTP model;Parkinson'sDisease

Q75

A

1009-315X(2010)03-0209-03性的破坏中脑黑质中的多巴胺能神经元,故常被用来制作研究帕金森病的模型。日本九州大学生体防御医学研究所的中别府雄作教授,利用该模型进行了一系列的动物实验。别府教授长期从事脑神经的分子生物学研究,通过对大量实验结果进行分析总结,证明了MTH1能够有效减少小鼠神经细胞中 8-oxoG在细胞核和线粒体 DNA中的积聚[4],从而阻止了神经细胞的氧化应激。与此同时,许多国际知名专家也纷纷发表文献,从不同方面支持了别府先生的理论。

2010-03-05

南海天 (1987-),男,辽宁大连人,中国医科大学七年制研究生,主要从事临床医学研究。

(责任编辑 邹永红)