线粒体乙醛脱氢酶与心肌缺血再灌注损伤保护的研究进展

姚优修综述，郑哲审校

线粒体乙醛脱氢酶与心肌缺血再灌注损伤保护的研究进展

姚优修综述，郑哲审校

线粒体乙醛脱氢酶(ALDH2)被认为是可以保护心脏缺血性损伤的一种重要的酶，ALDH2对抗心肌缺血再灌注损伤的心肌保护作用是通过对毒性醛的解毒来实现的。已明确ALDH2有G504A的多态性变异，突变型此酶的活性严重降低或消失。针对不同ALDH2基因型的病例可能需要个体化的治疗措施。

线粒体乙醛脱氢酶;缺血再灌注;心肌保护

心肌缺血再灌注损伤是多年来心血管疾病研究领域的重点与热点问题。心肌缺血再灌注损伤是指在阻断冠状动脉(冠脉)一定时间后，缺血心肌在恢复血流再灌注后，出现结构和代谢功能的损伤，导致梗死范围扩大，心功能进一步损害。临床对于急性心肌梗死的干预，如溶栓术或血运重建术，都寄希望于解除梗阻和恢复血流灌注。但是，这些治疗并不能阻止缺血再灌注损伤。因此，发现新的心肌保护措施依然是临床上的重要课题。近年来ALDH2与心肌缺血再灌注损伤保护之间的关系引起了极大关注。ALDH2是人类乙醛脱氢酶(ALDH)基因家族的19个成员中醛类代谢活性最强的同工酶，可清除心肌代谢中产生的毒性醛类，被认为是可以保护心脏的一种重要的酶，本文将对ALDH2对抗心肌缺血再灌注损伤的研究进展作一综述。

1 缺血再灌注损伤和心肌保护

缺血再灌注损伤的病理生理机制还没有被完全阐明。再灌注启动的最初数分钟内即可出现钙超载、线粒体能量合成障碍、氧自由基生成、中性粒细胞聚集等现象［1］。氧自由基和钙超载是导致再灌注损伤的重要原因，但并不是唯一因素［2］，其它因素还包括有血小板介导的损伤，肾素-血管紧张素系统激活、自身抗体和补体的激活等。目前针对心肌缺血再灌注损伤的保护措施主要有缺血预处理和缺血后处理以及药物激活再灌注损伤补救激酶途径、阻止线粒体通透性转换孔开放、应用自由基清除剂以及抗凋亡和抗炎物质等，这些措施可以减轻心肌缺血再灌注损伤，但其确切效果还有待于更多的临床试验研究证实。

近来对缺血再灌注中代谢适应的研究发现，激活线粒体乙醛脱氢酶有很强的心肌保护作用，这对于大约40%的有ALDH2基因变异的亚洲人群具有重要的临床意义。

2 线粒体乙醛脱氢酶的结构和功能

ALDH有两种重要的亚型，胞质型和线粒体型，可以电泳迁移率、亚细胞定位等区分。其中线粒体ALDH，即ALDH2是一种由染色体12q24编码的四联体蛋白。其在核中编码，然后由一17-氨基酸N-末端线粒体定位序列共翻译转运至线粒体基质［3］;其Km值较低，醛类代谢活性较强，广泛分布于人体肝、肾、心、肺、脑等组织。

乙醇通过乙醇脱氢酶代谢为乙醛，乙醛再在ALDH2作用下在线粒体中代谢为乙酸。ALDH2不仅是乙醛代谢中重要的代谢酶，它在其他活性醛的氧化和解毒中也起重要作用。心肌细胞的活性氧在线粒体产生，并使线粒体膜脂质过氧化产生4-羟基壬烯醛，其很容易在线粒体内堆积，并导致细胞死亡，因此需要线粒体产生一些有益的保护因子清除这些毒性醛类有害物质，以减少或对抗膜脂质过氧化及活性氧的升高，而高活力的ALDH2是重要的因子之一，可通过减少毒性醛蛋白加合物的形成，促进细胞存活［4］。

除了其脱氢酶活性，ALDH2还具有还原酶的活性，可以催化介导硝酸甘油的生物转化［5］，ALDH2使硝酸甘油转化为一氧化氮，发挥舒张血管的作用，而持续使用硝酸甘油可导致ALDH2活性下降，一氧化氮不能持续产生，从而产生硝酸甘油耐受现象。

3 线粒体乙醛脱氢酶的心肌保护作用及机制

Chen等［6］研究表明乙醇预处理可使ALDH2活性升高21%而减少27%的心肌梗死面积，选择性蛋白激酶C(PKC)ε激动剂处理可使ALDH2活性升高33%而减少49%的心肌梗死面积，这与Churchill等［7］在研究乙醇预处理的心肌保护中发现PKCε到线粒体的易位，继而与ALDH2结合，增强ALDH2的活性的研究相一致。上述证据表明PKCε对心脏缺血再灌注损伤的保护作用部分是通过增强ALDH2的活性来实现的，Budas等［8］进一步研究证实热休克蛋白90作为一个有细胞保护作用的分子伴侣可介导PKCε易位到线粒体内，最终亦引起ALDH2的活性升高。这些研究表明乙醇预处理的心肌保护作用是由PKCε介导的，ALDH2是PKCε的底物，它的活性升高产生心肌保护作用。Budas等［9］又在PKCε基因敲除小鼠模型上实验发现用Alda44激活ALDH2后同样可以减少心肌梗死面积，因此ALDH2作为PKCε的下游基因，直接激活之即可以产生心肌保护作用。

目前认为缺血预处理(IPC)是一种对抗缺血再灌注损伤最为有效的内源性保护机制之一，腺苷的释放和PKC的激活被认为是IPC心肌保护作用的重要机制，ALDH2是PKCε的下游基因，缺血预处理的心肌保护作用也可能是通过PKC介导的ALDH2的激活来实现的;再灌注可诱发各种形式的心律失常，以室性心律失常最常见，而IPC可以明显降低再灌注心律失常，近来有研究又阐明了缺血预处理的一种新的心肌保护机制与ALDH2有关:即缺血预处理的抗肾素-血管紧张素效应，其可减少缺血再灌注导致的心脏肥大细胞肾素的释放，继而消除血管紧张素Ⅱ和去甲肾上腺素诱导的心律失常，其内在机制发现有腺苷A2b和A3受体继而PKCε的激活，而同时也伴有PKCε介导的心脏肥大细胞ALDH2的激活［10］。

ALDH2激活对心肌损伤有何影响?国外有学者进行了一些动物实验，使这些问题得到了部分阐明。一项对在体大鼠心肌缺血再灌注模型的研究中，缺血前5分钟将8.5 mg/kg的小分子物质Alda1注射入左心室以激活ALDH2，的确可以减少心肌梗死面积达60%［6］。以上研究说明ALDH2可以减轻心肌损伤，那么ALDH2心肌保护的具体机制是什么?

缺血再灌注可以激活细胞死亡程序，包括坏死、凋亡和自噬诱导的细胞死亡［11］。Ren等从自噬的角度研究了ALDH2对抗心肌缺血再灌注损伤的具体机制，结果发现ALDH2过表达可减少心肌梗死面积，减轻缺氧复氧所致的心肌细胞收缩失调，并促进缺血后左心室功能的恢复;而敲除ALDH2则与之相反。这些研究进一步加深了对ALDH2心肌保护作用机制的理解:缺血时ALDH2激活腺苷酸活化蛋白激酶(AMPK)从而抑制哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mTOR)，促进自噬;再灌注时，AMPK活性下降，ALDH2促进蛋白激酶B(Akt)的磷酸化从而激活mTOR，抑制自噬。这种对自噬的双向调节作用阐释了ALDH2诱导的对抗心肌缺血再灌注损伤的心肌保护作用［12］。

缺血预处理的抗肾素-血管紧张素效应可明显降低再灌注心律失常，并伴有心脏肥大细胞ALDH2的激活，那么ALDH2跟减少再灌注心律失常有无直接联系呢?Koda等［10］的研究中用各种不同方式激活ALDH2，发现心脏肥大细胞脱颗粒和局部肾素释放受到抑制，从而减少了再灌注心律失常的发生，此文进一步从减少心律失常的角度阐明了ALDH2心肌保护作用的机制。大多数基础研究使用ALDH2抑制剂、激活剂以及线粒体蛋白组学的方法证实了心肌保护与ALDH2之间的关系，但对ALDH2心肌保护作用的具体机制研究还不够，还需要从更多的角度，对其发挥保护作用的信号转导通路等进一步的阐明。

4 线粒体乙醛脱氢酶基因变异和心肌保护

ALDH2基因包含13个外显子，共发现了84个单核苷酸多态性位点，但国内外研究主要集中在rs671位点上，即第12个外显子处含有一个G到A的错义突变，使504位的谷氨酸由赖氨酸代替(Glu504Lys);因此存在ALDH2等位基因(ALDH2*1和ALDH2*2)，并拥有三种基因型，即ALDH*1/1(野生纯合型)、*1/2(突变杂合型)和*2/2(突变纯合型)。rs671呈常染色体显性遗传，ALDH2*2等位基因在亚洲人群中很常见，而在欧洲和非洲基本缺失。经研究几乎所有白人都是ALDH2的野生纯合子型，而有接近40%的亚洲人是杂合子型［13］。ALDH2酶是一个四聚体，四个亚单位中任何一个包含Glu504Lys突变，酶的活性就会严重下降。因此，相对于野生纯合子来说，突变杂合子(ALDH2*1/2)仅有30% ～40%的酶活性，而突变纯合子(ALDH2*2/2)没有酶活性［6］。由于对乙醛氧化功能受损，ALDH2*2携带者可有饮酒后脸红，并因对硝酸甘油的生物转化功能受损，所以应用硝酸甘油后血管舒张反应降低。

ALDH2基因多态性与心肌保护的基础研究还较少，有学者利用转基因模型对其心肌保护效应的差异进行研究，Endo等［14］塑造了一个携带ALDH2*2等位基因的转基因小鼠缺血再灌注模型，此小鼠ALDH2活性降低，从而导致了醛类的蓄积，但ALDH2*2转基因鼠的心功能正常，而且由于代谢重塑，形成了对氧化应激的耐受。线粒体醛应激可以刺激真核翻译起始因子2α的磷酸化，进一步促进激活转录因子4的转录和翻译，促进了谷胱甘肽合成，其细胞内谷胱甘肽水平是野生型的1.37倍。另外，在ALDH2*2转基因鼠心脏中磷酸戊糖途径被激活，糖酵解和还原型辅酶Ⅱ(NADPH)产生增多，促进了谷胱甘肽氧化还原循环，从而能更有效地对抗缺血再灌注引起的急性氧化应激。

近年有来自东亚人群的横断面研究表明［15］:在急性心肌梗死人群中ALDH2突变型的比率更高。Xu等［16］在中国汉族人群研究了ALDH2 Glu504lys基因多态性与急性冠脉综合征(ACS)之间的关系，结果亦发现急性冠脉综合征组ALDH2基因突变型比率更高，原发性ST段抬高性心梗的亚组分析得出相似的结果，并得出这与饮酒量、炎症和循环内皮祖细胞的数量有关。以上研究表明ALDH2突变型是急性冠脉综合征的一个基因危险因素，但可能不与冠心病的严重程度相关。

尽管上述研究表明ALDH2突变型是心梗的危险因素，但在临床围术期心肌缺血再灌注研究中却有着不同的结果。Chen等的一项研究用心肌肌钙蛋白I(cTnI)30 ng/ml和肌酸激酶MB同工酶(CK-MB)80 mg/ml为界值来衡量心肌损伤的大小，同时测定施行介入支架术的心肌梗死病人的ALDH2基因型，Logistic回归分析显示心肌损伤较小的病人当中有更高的ALDH2突变型比率，提示在施行介入支架术的急性心肌梗死或ST段抬高性心肌梗死病人当中ALDH2突变型是一独立的保护因素［17］。Zhang等［18］入选了118例法洛四联症根治术患者，进行了一项ALDH2基因多态性与心肌保护效应的研究，发现ALDH2*2携带者表达较少的ALDH2但表达更多的激活转录因子4，同时毒性醛加合物的水平降低，拥有更高的谷胱甘肽水平;与此同时，ALDH2*2携带者术后肌钙蛋白I水平更低。由此可见，为了对抗氧化应激，ALDH2*2携带者可能通过谷胱甘肽起了更重要的心肌保护作用。以上研究表明ALDH2基因型可以作为心肌保护的基因预测因子，似乎需要针对不携带ALDH2*2的患者提供更多的心肌保护策略。但是，以上研究仅针对紫绀型先天性心脏病患儿，至于在非紫绀型先天性心脏病患儿以及成人心脏外科手术中还尚未研究。

5 线粒体乙醛脱氢酶及其基因多态性的临床意义

ALDH2可以通过加强活性醛的代谢和作为硝酸盐转化为一氧化氮的重要酶而发挥心肌保护作用，许多证据亦表明ALDH2在介导心肌保护的信号转导方面有重要作用，因此，如利用ALDH2激动剂Alda-1，可能在心肌梗死或血运重建手术中减少心肌损伤。在临床围术期心肌保护方面，ALDH2多态性相关研究还不多，需要更多进一步研究，了解针对不同ALDH2基因型的病例是否需要个体化的治疗措施。

［1］赵艳艳，李运伟，王全河，等．心肌细胞内Livin蛋白过表达对大鼠心肌缺血再灌注中细胞凋亡的影响．中国循环杂志，2010，25(4):309-312．

［2］赵亚玲，敖虎山．心肌缺血再灌注损伤的研究进展．中国循环杂志，2011，26(5):396-398．

［3］Vasiliou V，Nebert DW．Analysis and update of the human aldehyde dehydrogenase(ALDH)gene family．Hum Genomics，2005，2(2):138-143．

［4］Budas GR，Disatnik MH，Mochly-Rosen D．Aldehyde dehydrogenase 2 in cardiac protection:a new therapeutic target?Trends Cardiovasc Med，2009，19(5):158-164．

［5］Chen Z，Zhang J，Stamler JS．Identification of the enzymatic mechanism of nitroglycerin bioactivation．Proc Natl Acad Sci USA，2002，99(12):8306-8311．

［6］Chen CH，Budas GR，Churchill EN，et al．Activation of aldehyde dehydrogenase-2 reduces ischemic damage to the heart．Science，2008，321(5895):1493-1495．

［7］Churchill EN，Disatnik MH，Mochly-Rosen D．Time-dependent and ethanol-induced cardiac protection from ischemia mediated by mitochondrial translocation of εPKC and activation of aldehyde dehydrogenase 2．J Mol Cell Cardiol，2009，46(2):278-284．

［8］Budas GR，Churchill EN，Disatnik MH，et al．Mitochondrial import of PKCepsilon is mediated by HSP90:a role in cardioprotection from ischaemia and reperfusion injury．Cardiovasc Res，2010，88(1):83-92．

［9］Budas GR，Disatnik MH，Chen CH，et al．Activation of aldehyde dehydrogenase 2(ALDH2)confers cardioprotection in protein kinase C epsilon(PKCvarepsilon)knockout mice．J Mol Cell Cardiol，2010，48(4):757-764．

［10］Koda K，Salazar-Rodriguez M，Corti F，et al．Aldehyde dehydrogenase activation prevents reperfusion arrhythmias by inhibiting local renin release from cardiac mast cells．Circulation，2010，122(8):771-781．

［11］Hotchkiss RS，Strasser A，McDunn JE，et al．Cell death．N Engl J Med，2009，361(16):1570-1583．

［12］Ma H，Guo R，Yu L，et al．Aldehyde dehydrogenase 2(ALDH2)rescues myocardial ischaemia/reperfusion injury:role of autophagy paradox and toxic aldehyde．Eur Heart J，2011，32(8):1025-1038．

［13］Peng GS，Yin SJ．Effect of the allelic variants of aldehyde dehydrogenase ALDH2*2 and alcohol dehydrogenase ADH1B*2 on blood acetaldehyde concentrations．Hum Genomics，2009，3(2):121-127．

［14］Endo J，Sano M，Katayama T，et al．Metabolic remodeling induced by mitochondrial aldehyde stress stimulates tolerance to oxidative stress in the heart．Circ Res，2009，105(11):1118-1127．

［15］Jo SA，Kim EK，Park MH，et al．A Glu487Lys polymorphism in the gene for mitochondrial aldehyde dehydrogenase 2 is associated with myocardial infarction in elderly Korean men．Clin Chim Acta，2007，382(1-2):43-47．

［16］Xu F，Chen YG，Xue L，et al．Role of aldehyde dehydrogenase 2 Glu504lys polymorphism in acute coronary syndrome．J Cell Mol Med，2011，15(9):1955-1962．

［17］Chen H，Zhang FF．The effect of ALDH2 genetic polymorphism on myocardial ischaemia reperfusion injury in Chinese．Heart，2010，96(Suppl 3):A115．

［18］Zhang H，Gong DX，Zhang YJ，et al．Effect of mitochondrial aldehyde dehydrogenase-2 genotype on cardioprotection in patients with congenital heart disease．Eur Heart J，2012，33(13):1606-1614．

100037 北京市，北京协和医学院 中国医学科学院 阜外心血管病医院 心血管疾病国家重点实验室

姚优修 博士研究生 主要从事心血管围术期医学研究 Email:yaoqing2008．happy@163．com 通讯作者:郑哲 Email:zhengzhe@fuwai．com

R54

A

1000-3614(2012)06-0475-03

10.3969/j．issn．1000-3614.2012.06.022

2012-07-18)

(编辑:常文静)