血红素氧合酶－1与缺血－再灌注损伤

曹学锋 格日力

青海大学医学院高原医学研究中心中心，青海 西宁 810000

血红素氧合酶 (HO)是生物体内催化血红素分解代谢的限速酶。血红素氧合酶－1(heme oxygenase－1，HO－1)在许多重要的生理和病理过程中起重要作用，氧化应激时对细胞组织发挥保护作用，减轻组织损伤。HO－1与缺血再灌注损伤的发生发展密切相关。本文就HO－1在缺血－再灌注损伤的发生发展的关系作一综述。

1 血红素氧合酶概述

1.1 血红素氧合酶 (heme oxygenase，HO)

血红素氧合酶存在于人类和哺乳动物体内，已发现3种HO的同工酶 ，分别为HO－1、HO－2和 HO－3。它们是不同基因编码的产物，广泛存在于哺乳动物的多数体细胞中。HO是血红素降解的起始酶和限速酶 ，它能催化血红素在体内氧化分解形成胆绿素、一氧化碳 (CO)和铁(Fe2+)。胆绿素在体内立即被胆绿素还原酶作用生成胆红素，而铁离子诱导铁蛋白的合成。

1.2 HO－1

HO－1即热休克蛋白32(heat shock protein，HSP32)，又称诱导型HO－1，是一种拮抗氧化应激的抗氧化酶，分子量为32 kD，广泛分布于全身组织，尤其是单核细胞、巨噬细胞系统的微粒体中，以心、肺、肾、脾脏、肝脏、骨髓和网状内皮细胞中活性最高。人HO－1大约有288个氨基酸，HO－1基因定位于人染色体22q12，HO－1基因含有4个内含子，5个外显子［1］。HO－1能被各种引起细胞氧化应激的损伤因素所诱导，包括血红素、高氧、缺氧、热休克、内毒素、过氧化氢、细胞因子、紫外线、重金属和一氧化氮(NO)等，这些诱导剂的共同特征是可以产生氧化应激。

HO－1是近年倍受重视的细胞内源性抗氧化酶，本质上属于应激蛋白，能在各种氧化应激状态下出现适应性表达，发挥抗自由基等多种细胞保护作用。HO－1的抗氧化性源于其对促氧化的游离血红素的降解及生成具有强大抗氧化能力的产物胆红素，后者能非特异性清除多种自由基［2］。

2 HO－1与缺血－再灌注损伤

缺血－再灌注损伤的发生机制主要方面是自由基的氧化损伤和钙超载。在再灌注过程中，氧自由基增多，引起细胞膜、肌浆网上钙离子通道的脂质过氧化，可导致Na+－K+－ATP酶失活，Na+和Ca2+交换增强，Ca2+内流，细胞内钙超载，由此可以认为钙超载也是自由基氧化损伤的结果。钙超载引起细胞损伤，线粒体利用氧及合成ATP的能力进一步受损，同时无氧代谢产生的酸性产物大量蓄积，导致细胞内酶活性改变及维持跨膜离子梯度的能量缺乏。应用电子传递链复合物抑制剂，则可损害线粒体的电子传递链酶的活化，引起大量的氧自由基在线粒体生成［3］，包括超氧阴离子、羟自由基、过氧化氢和过氧亚硝酸盐、NO等，其中超氧阴离子是其他ROS产生的基础。

HO－1 mRNA和蛋白质在组织中的上调表达现在普遍被认为是氧化应激的标志，对氧化应激引起的细胞、组织损伤有保护作用。HO－1在视网膜中的上调表达可以对抗氧化应激对视网膜的损伤［4］。Lin等［5］的研究还在细胞核内发现了HO－1，并且认为这是HO－1在氧化应激时，在基因水平发挥信号转导作用而起到细胞保护作用。

3 HO－1的代谢产物与缺血再灌注损伤

3.1 一氧化碳

CO是继NO之后发现的另一种具有重要生理作用的气体分子，具有调节血管张力、抑制血管平滑肌细胞增殖、抑制血小板聚集、抗细胞凋亡等效应。HO－1降解血红素产生的CO，既往认为是有毒物质，现在发现同NO一样，在细胞内能激活可溶性鸟苷酸环化酶，增加环鸟苷酸的合成，发挥信使分子作用［6］。刘少华等［7］的研究发现在脂多糖致肺损伤模型中大鼠吸入低剂量CO可以抗氧化应激、抗细胞凋亡、抗炎，上调HO－1，IL－10的表达，增加超氧化物歧化酶的活力。CO可以通过p38丝裂原活化蛋白激酶(mitogen－activated protein kinase，MAPK)和 caspase－3途径抗细胞凋亡和减少缺血－再灌注损伤［8］。

3.2 胆红素和胆绿素

胆红素由于与新生儿黄疸有关，过去被视为有毒的代谢废物。近年的研究发现它也是一种有效的抗氧化剂，正常生理水平胆红素可有效保护细胞膜抵抗脂质过氧化，其抗氧化能力甚至超过了维生素E和维生素C，如HO－1源性的胆红素可保护培养的内皮细胞免受过氧化硝基盐引起的细胞凋亡［9］。Foresti等［10］在细胞培养液中加入胆红素可明显增强细胞抗氧化损伤能力。

3.3 铁离子

过量的亚铁离子 (Fe2+)有细胞毒性，可通过Fenton反应参与活性氧如超氧阴离子和过氧化氢的生成，而铁蛋白的生成则有助于预防铁介导的细胞毒性，一种观点认为铁明显参与了HO的细胞保护作用，HO降解血红素产生的铁可诱导铁蛋白生成，铁蛋白作为一个“储存库”可限制铁参与过氧化氢及超氧阴离子生成而可减少过氧自由基毒性反应，铁蛋白中活性铁的隔离可以使细胞从对氧化损伤的超敏状态转化为超抵抗状态。有的实验证实在HO－1被诱导而活性增高的同时，铁蛋白的水平也同时升高;血红素分解释放的铁也可能会减弱HO的细胞保护作用。

4 HO－1在缺血－再灌注损伤中可能的保护作用机制

目前对于HO－1抗氧化应激的确切机制还不清楚，现有的观点如下:

4.1 抗氧化作用

HO－1及其催化血红素分解的产物具有抗氧化作用。氧化应激时氧自由基产生增多，而涉及HO－1的氧化步骤要消耗3分子O2。因此，HO－1消耗氧分子将在氧化应激中通过减少氧自由基的产生来间接地提供细胞保护作用。另外，胆绿素和其还原产物胆红素能清除活性氧，它们被认为是内源性抗氧化剂，可以保护细胞抵抗氧化损伤。有报道显示，胆红素在各种疾病，包括阿尔茨海默病、缺血－再灌注损伤、冠状动脉疾病中都有抗氧化的作用。铁是HO－1催化血红素分解的又一产物 ，它能诱导铁蛋白的合成，后者可减少活性氧的产生。刘少华等［7］实验发现CO可以减少ROS和游离铁的形成。

4.2 抗凋亡

缺血－再灌注时引起细胞线粒体受损，细胞氧化磷酸化产能减少，肝细胞生物膜损伤;钙超载触发细胞凋亡;线粒体功能受损还使得氧自由基增多，导致DNA、蛋白质、脂膜的氧化损伤，从而导致细胞凋亡。

近年来发现，氧化应激与细胞凋亡有密切的联系，细胞凋亡可能在氧化应激损伤中起重要作用。ROS可启动一个链式反应，易与细胞膜上的各种不饱和脂肪酸及胆固醇反应，这种直接作用于细胞的氧化损伤能导致细胞凋亡。大量的证据显示，HO－1过表达及其代谢产物对氧化应激的保护作用伴有凋亡的降低。赵卉等［11］的实验研究认为胆红素可以抑制大鼠肺缺血－再灌注损伤引起的细胞凋亡 ，减轻肺损伤。HO－1的抗细胞凋亡可能机制:①介导 p21的表达:p21蛋白是一种细胞周期蛋白依赖性激酶抑制物 ，为DNA损伤和细胞分化的通用生长抑制物。Inguaggiato等研究发现在HO－1基因表达上调的细胞中p21 mRNA和蛋白量明显增加。p21可抵御不同的促凋亡刺激 ，它能与细胞周期蛋白依赖激酶结合并抑制其活性，使细胞周期停滞在G1期。②上调抗凋亡蛋白的表达:抗凋亡蛋白Bcl－2是Bcl－2蛋白家族中的一员，通过调节与内质网相关的钙离子流动而抑制细胞凋亡。在 HO－1表达上调的细胞中Bcl－2明显增加，而 HO－1抑制剂锌原卟啉 (Zn－PP)可抑制 Bcl－2的表达。Lin等［12］发现HO－1能上调Bcl－2蛋白，并且认为是CO上调了Bcl－2蛋白的表达，下调促凋亡基因如Fax和Bax的表达。③NF－κB与MAPK信号转导途径的参与:铁离子可以通过p38MAPK途径来抗细胞凋亡。Soares等［13］研究了HO－1氧化产物 CO抑制内皮细胞凋亡的分子机制 ，结果表明CO的抗凋亡效应是通过p38 MAPK信号转导途径，NF－κB以及 NF－κB依赖的抗凋亡基因亚群的表达而介导的。Choi等［14］的研究表明T细胞过表达HO－1可抵抗Fas介导的凋亡是通过NF－κB的激活而介导的。但HO－1对细胞凋亡的调节是否具有细胞特异性，其防御凋亡的具体机制是什么，目前尚未明确。

4.3 抗炎

发生缺血－再灌注损伤及排斥反应时，促炎分子引起的级联反应可严重损害组织器官，产生的过多血红素将增加血管通透性，趋化中性粒细胞聚集，上调细胞间粘附分子－1(ICAM－1)、P选择素等内皮粘附分子的表达;HO－1则通过下调粘附分子及趋化分子表达抑制炎症细胞粘附。HO－1和CO都能下调巨噬细胞源性促炎分子如肿瘤坏死因子α(TNF－α)等的表达，促进产生抗炎分子白细胞介素10(IL－10)，这是通过活化 p38MAPK而不是cGMP途径实现的。有研究表明，HO－1缺陷患者或HO－1基因缺陷小鼠常发生慢性非特异性炎症改变 ，如脾肿大，肝、肾炎症等，当用抗CD3单克隆抗体或抗CD28单克隆抗体刺激小鼠脾细胞后，TH1型细胞因子远较HO－1阳性基因正常小鼠产生多，说明免疫细胞表达HO－1将产生抗炎作用［15］。Yamashita等［17］发现 ，胆绿素可诱导同种异体小鼠移植心脏的特异性耐受，减少移植物CD4+及CD8+T淋巴细胞浸润。

4.4 改善微循环，抗血栓形成

缺血－再灌注损伤引起的微血管血栓及排斥反应破坏了移植部位的微循环。内皮来源的CO作用于毗邻的平滑肌细胞，激活鸟苷酸环化酶，升高细胞内cGMP，从而舒张微血管平滑肌 ，增加血流量。CO还具有抑制血小板活化、聚集所致的血栓形成活性 ，其机制依赖于 cGMP及p38MAPK途径。当用 HO－1抑制剂锡原卟啉 (SnPP)组阻断HO－1活性，小鼠到大鼠的心脏移植在3～7d后即出现排斥反应，表现为微血管血小板积聚，冠状动脉血栓形成、心肌梗死和内皮、心肌细胞凋亡，而同时吸入CO组则上述改变轻微 ，说明 HO－1改善微循环主要由CO介导。对CO的保护作用及其机制的进一步研究将有可能发现治疗与缺血－再灌注有关的疾病新手段。

迄今为止，HO－1已被发现对多种疾病具有保护作用，HO－1这种保护作用机制无疑与它在体内催化分解的各种代谢产物有关，其中CO与胆红素可能具有协同作用，铁的具体作用目前很难定论。对HO－1及其保护机制的透彻了解将有助于设计治疗缺血－再灌注损伤新的治疗方案，以开发出有效的临床治疗用药，这无疑对目前许多与缺血－再灌注损伤相关疾病的预防和治疗具有重大的意义。

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