血红素加氧酶-1在骨代谢中的研究进展

房梅霞 杨玉辉 郭 影 (河北医科大学第三医院，河北 石家庄 05005)

血红素加氧酶-1(HO-1)是一种诱导酶，在正常状态下，HO-1呈低水平表达，易受多种因素诱导表达，HO-1通过多方面调节效应和复杂的信号传导途径，产生抗氧化、抗炎症、抗细胞增殖、抗细胞凋亡、调节免疫及维持微循环等一系列生物学效应，在多种疾病的发生发展中有重要保护作用。最近研究表明HO-1表达于骨细胞，并且可能参与骨内稳态的调节。

1 HO-1的生物学特性及表达调控

HO系统是广泛存在于人和哺乳动物体内的微粒体酶系统，是血红素降解的限速酶，降解血红素产生铁离子、一氧化碳(CO)和胆绿素，后者在胆绿素还原酶作用下随即转化成胆红素。它涉及整个生长发育过程，参与多种生理和病理过程。目前已知三种HO，分别为HO-1、HO-2和HO-3。HO-1为诱导型，即为热休克蛋白32，属于应激蛋白超家族的一员，是目前发现的最易被诱导的抗氧化应激的重要酶。HO-1易受多种刺激因素诱导表达，如血红素、低氧、高氧、过氧化氢、细胞因子、重金属、紫外线照射、一氧化氮(NO)、CO等。HO-1表达的诱导是通过活化丝裂原活化蛋白激酶、磷脂酰肌醇-3激酶、蛋白激酶A、G、C信号通路调节HO-1转录因子引起的。HO-1基因表达调控主要在转录水平上，主要由两个竞争的转录因子调控，核因子E2相关因子2(Nrf2)为活化因子，BTB-CNC异体同源体1(Bach1)为转录抑制因子，两者均需小Maf家族蛋白结合到Maf识别元件(MARE)。HO-2为结构型酶，在正常生理条件下起作用，机体内的血红素主要由HO-2催化分解，已知的HO-2激活的惟一诱导剂是肾上腺糖皮质激素。HO-3是新结构型酶，其结构与HO-2相似，其催化活性较低，确切功能尚不清。

2 HO-1与骨代谢

2.1 HO-1对骨代谢的直接作用

2.1.1 HO-1对成骨细胞的作用 成骨细胞起源于多能的骨髓间充质干细胞(BMSC)，是骨形成的重要细胞，负责骨基质的合成、分泌和矿化。BMSC是多向分化的细胞，骨髓成骨细胞与脂肪细胞的生成有着此消彼长的关系。体外研究发现上调HO-1可抑制BMSC向脂肪细胞分化，增加其向成骨细胞的增殖及分化，加强其矿化。HO-1对成骨细胞增殖及分化的增强与磷酸化丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶(pAKT)、内皮型一氧化氮合酶(eNOS)及peNOS的活化进而增强成骨细胞功能有关〔1〕。Kook等〔2〕研究发现P物质通过活化Nrf2及HO-1增加人牙周韧带细胞成骨分化标志物的表达，促进其成骨细胞样分化及骨形成，HO-1抑制剂可阻断P物质介导的作用〔2〕。Lin等〔3〕用编码人HO-1的重组腺病毒载体(Ad-HO-1)转染大鼠颅盖骨成骨细胞却有不同发现，Ad-HO-1剂量依赖性抑制成骨分化标志物碱性磷酸酶、骨钙素、Runt相关转录因子2(RUNX2)的mRNA表达及碱性磷酸酶(ALP)的活性，而对成骨细胞的活性影响不大。HO-1的化学诱导剂氯化高铁血红素处理成骨细胞可得到相同的结果，且可降低矿化骨结节形成中的钙含量，锌原卟啉IX阻断HO-1的活性，可抵消氯化高铁血红素的抑制作用。这些结果提示上调HO-1的表达抑制成骨细胞的成熟与矿化，其代谢产物参与其抑制作用。

2.1.2 HO-1对破骨细胞的作用 破骨细胞是参与骨吸收最主要的细胞，它分泌酸性物质溶解矿物质，分泌蛋白酶消化骨基质，在骨重建过程中发辉着至关重要的作用。Hama等〔4〕体外研究发现相对于野生鼠，Bachl缺陷鼠骨髓源巨噬细胞向破骨细胞的分化及功能被抑制，向其细胞内导入HO-1短发夹RNA抑制HO-1，则显著增加破骨细胞生成数量，Wruck等〔5〕发现Nrf2缺陷鼠较野生鼠在抗体诱发关节炎过程中更易发展为更严重的关节软骨损伤，且易发生自发骨折，提示HO-1表达的调控可能影响破骨细胞的增殖及分化。Zwerina等〔6〕体外研究发现氯化高铁血红素可剂量依赖性上调破骨细胞前体细胞HO-1的表达，下调破骨细胞分化关键标志物抗酒石酸酸性磷酸酶、c-fos、组织蛋白酶K、降钙素受体，抑制破骨细胞形成及骨吸收，提示诱导HO-1可抑制破骨细胞前体细胞向破骨细胞分化，其途径可能是通过降低巨噬细胞集落刺激因子(M-CSF)受体c-fms及核因子 κB受体活化因子配体(RANKL)受体RANK在破骨细胞前体细胞的表达，使破骨细胞前体细胞对MCSF及RANKL的反应性降低。最近研究表明RANKL对HO-1表达的抑制及随后高迁移率族蛋白B1(HMGB1)的释放对破骨细胞的形成和分化是必不可少的，诱导HO-1则抑制半胱天冬酶-3活化及HMGB1释放，通过HO-1/HMGB1/半胱天冬酶-3途径抑制破骨细胞的形成〔7〕。

2.2 HO-1对骨代谢的间接作用

2.2.1 抗氧化应激 氧化应激可抑制成骨细胞分化及矿化，诱导成骨细胞凋亡，刺激破骨细胞的生长分化和骨吸收。研究表明氧化应激信号可诱导HO-1在成骨细胞表达〔3〕。HO-1催化血红素分解消耗氧分子减少活性氧(ROS)的产生，同时参与上调抗氧化酶的表达，增强机体的抗氧化能力。HO-1催化产物在其抗氧化应激中起重要作用，胆绿素及胆红素具有较维生素E更强的抗氧化作用，HO-1活性的增高可促进运铁蛋白的合成，还可上调内质网上的Fe2+通道，促进细胞内Fe2+泵出，防止由Fe2+介导的氧化应激损伤。Yin等〔8〕研究表明，他汀类药物通过改善氧化应激诱导的成骨细胞凋亡，增加成骨细胞ALP活性，对老龄或去卵巢大鼠的骨质疏松起保护作用。体外研究发现香烟烟雾可剂量依赖性的诱导ROS的形成，降低成骨细胞活性，诱导HO-1表达清除ROS可保护成骨细胞免受香烟烟雾的损伤〔9〕。高葡萄糖刺激成骨细胞ROS形成增加，抑制成骨细胞分化，钴原卟啉(CoPP)处理上调HO-1使ROS及成骨标志均恢复至对照组水平，HO-1小干扰RNA抑制HO-1表达可抵消CoPP介导的效应，提示HO-1通过清除ROS削弱高血糖对成骨细胞分化的抑制〔1〕。

2.2.2 抗炎症 促炎性细胞因子可抑制干细胞的成骨分化，且激活成骨细胞释放参与调节局部骨代谢及刺激破骨细胞的细胞因子。Clerigues等〔10〕体外研究发现诱导HO-1表达可显著降低白细胞介素-1β(IL-1β)介导的基质降解酶基质金属蛋白酶(MMP)-1、MMP-2、MMP-3的表达及促炎性细胞因子IL-6及肿瘤坏死隐私(TNF-α)的释放，并提高抗炎性细胞因子IL-10的水平，还可以通过抑制环氧合酶-2及膜结合型前列腺素E2合酶-1的表达降低前列腺素E2的产生。提示诱导HO-1可降低炎性及分解代谢介质的产生，下调炎症反应相关的骨质溶解。体内外研究也表明，诱导HO-1表达可负向调节炎症诱导的破骨细胞形成，拮抗TNF-α和脂多糖(LPS)诱导的炎性骨丢失〔6〕。HO-1可抑制炎症介导的细胞凋亡，Clerigues等研究发现HO-1可显著降低IL-1β诱导的骨关节炎成骨细胞衰老标志β-牛乳糖的活性及微囊蛋白-1的表达，同时可下调P21蛋白在软骨细胞的表达，增加人端粒逆转录酶mRNA的表达，提高端粒酶的活性〔10〕。Chae等〔11〕研究表明外源性CO和NO可抑制TNF-α诱导的成骨细胞凋亡，且其抗凋亡效应并非由cGMP介导，而依赖于HO-1的表达。

2.2.3 保护血管改善骨微循环 骨的发育、生长、修复和重建等动态过程与血管的生成及功能是紧密相关的，良好的血供对骨折、骨缺损愈合、骨修复具有重要意义。血管内皮细胞是各种类型血管的唯一必需的结构，其产生的各种因子可影响成骨细胞及破骨细胞的分化和功能，而成骨细胞及破骨细胞也能够产生旁分泌因子来影血管内皮细胞的功能。HO-1已被证明在动物和人的血管形成及修复中起重要作用，血管损伤后，HO-1可增加骨髓或循环血内皮祖细胞的数量，促进损伤血管的再内皮化，也可通过诱导血管内皮生长因子及基质细胞衍生因子促进新血管形成〔12〕。另外，在骨髓脂肪细胞增多的情况下，骨髓微循环受压，骨髓组织缺血、缺氧、代谢紊乱，骨骼失养，骨细胞代谢能力下降，骨脆性增加，发生骨量丢失，最终形成骨质疏松，而诱导HO-1表达可抑制BMSC向脂肪细胞分化，促进其向成骨细胞分化，改善骨髓微循环〔1〕。

3 结语

HO-1对于成骨、破骨细胞的增殖、分化、功能活性具有重要调节作用，对骨代谢有着很大的影响。随着对HO-1研究的深入，HO-1靶向诱导治疗已引起了越来越多的关注，随着人们对它在骨代谢中的作用及机制的进一步认识，相信在不久的将来，HO-1将会成为一种治疗骨代谢疾病的一个新靶点。

1 Vanella L，Kim DH，Asprinio D，et al.HO-1 expression increases mesenchymal stem cell-derived osteoblasts but decreases adipocyte lineage〔J〕.Bone，2010;46(1):236-43.

2 Kook YA，Lee SK，Son OH，et al.Effects of substance P on osteoblastic differentiation and heme oxygenase-1 in human periodontal ligament cells〔J〕.Cell Biol Int，2009;33(3):424-8.

3 Lin TH，Tang CH，Hung SY，et al.Upregulation of heme oxygenase-1 inhibits the maturation and mineralization of osteoblasts〔J〕.Cell Physiol，2010;222(3):757-68.

4 Hama M，Kirino Y，Takeno M，et al.Bach1 regulates osteoclastogenesis in a mouse model via both heme oxygenase 1-dependent and heme oxygenase 1-independent pathways〔J〕.Arthritis Rheum，2012;64(5):1518-28.

5 Wruck CJ，Fragoulis A，Gurzynski A，et al.Role of oxidative stress in rheumatoid arthritis:insights from the Nrf2-knockout mice〔J〕.Ann Rheum Dis，2011;70:844-50.

6 Zwerina J，Tzima S，Hayer S，et al.Heme oxygenase 1(HO-1)regulates osteoclastogenesis and bone resorption〔J〕.FASEB J，2005;19:2011-3.

7 Sakai E，Shimada-Sugawara M，Nishishita K，et al.Suppression of RANKL-dependent heme oxygenase-1 is required for high mobility group box 1 release and osteoclastogenesis〔J〕.J Cell Biochem，2012;113:486-98.

8 Yin H，Shi ZG，Yu YS，et al.Protection against osteoporosis by statins is linked to a reduction of oxidative stress and restoration of nitric oxide formation in aged and ovariectomized rats〔J〕.Eur J Pharmacol，2012;674(2-3):200-6.

9 Holzer N，Braun KF，Ehnert S，et al.Green tea protects human osteoblasts from cigarette smoke-induced injury:possible clinical implication〔J〕.Langenbecks Arch Surg，2012;397(3):467-74.

10 Clerigues V，Guillén MI，Castejan MA，et al.Heme oxygenase-1 mediates protective effects on inflammatory，catabolic and senescence responses induced by interleukin-1β in osteoarthritic osteoblasts〔J〕.Biochem Pharmacol，2012;83(3):395-405.

11 Chae HJ，Chin HY，Lee GY，et al.Carbon monoxide and nitric oxide protect against tumor necrosis factor-alpha-induced apoptosis in osteoblasts:HO-1 is necessary to mediate the protection〔J〕.Clin Chim Acta，2006;365(1-2):270-8.

12 Lin HH，Chen YH，Yet SF，et al.After vascular injury，heme oxygenase-1/carbon monoxide enhances reendothelialization via promoting mobilization of circulating endothelial progenitor cells〔J〕.J Thromb Haemost，2009;7(8):1401-8.