肝细胞线粒体中鸟氨酸氨基甲酰转移酶的研究进展

陈 倩，张文斌，张海月，刘 扬，龚作炯

武汉大学人民医院感染科，湖北 武汉 430060

鸟氨酸氨基甲酰转移酶(orniththine carbamoyltransferase，OCT)是一种几乎仅在肝细胞中发现的酶，其主要存在于门静脉肝小叶周边的肝细胞线粒体中，在人体内主要参与尿素循环这一过程，其缺乏将会导致尿素循环障碍，血氨浓度大大升高，从而产生相应的并发症[1-2]。目前临床上常用丙氨酸氨基转移酶(ALT)及天冬氨酸氨基转移酶(AST)评价肝功能，但其特异性较差，部分肝功能异常患者ALT及AST可无明显改变[3]。OCT可在肝细胞受损时释放到血液中，因此，测定血液中OCT活性能够特异性地检测肝细胞损伤情况[4]。本文就OCT在肝脏疾病发生、发展中的相关研究作一概述，为肝脏疾病的临床诊断提供新思路。

1 OCT的生物学特性

1.1OCT的结构在人体内，OCT基因位于X染色体短臂2区1带近着丝粒的区域，该区域共有约73个碱基对，包含10个外显子和9个内含子，可编码长度为32个氨基酸的前导肽及322个按照相应顺序排列的氨基酸组成的单元结构。氨基甲酰转移酶是一种总分子量为39.9 kD的一碳单位转移酶，主要存在于肝细胞线粒体基质中，属于一种线粒体蛋白酶[1]。

1.2OCT的功能OCT的主要功能是参与鸟氨酸循环(又称为尿素循环)的第二步反应，即在OCT的作用下，氨基甲酰磷酸上的氨基甲酰部分转移到鸟氨酸上，生成瓜氨酸和磷酸，瓜氨酸再进行余下的反应，最后生成的尿素作为该循环的部分代谢产物被排出体外[1]。这一过程是维持人体内血氨动态平衡的关键，尿素循环中的任何一个合成酶缺陷均可导致高氨血症。此外，存在于线粒体内膜的载体citrin和转运体ORNT1是转运尿素循环中中间产物的重要介质，当其突变或缺乏时，也会导致尿素合成障碍。目前，这类疾病的诊断和治疗也越来越引起重视[5-7]。

1.3OCT缺陷病OCT缺陷病(orniththine carbamoyltransferase deficiency，OCTD)是先天性尿素循环障碍中最常见的类型，在人群中的发病率为1∶14 000。根据起病时间将OCTD分为2种类型：新生儿急性起病型和新生儿后起病型(迟发型)[8-9]。

肝脏中OCT缺乏时，氨基甲酰磷酸不能与鸟氨酸反应合成瓜氨酸，故血氨基酸分析提示，瓜氨酸降低和鸟氨酸升高。而堆积于线粒体内的氨基甲酰磷酸则会分解产生乳清酸，最后代谢生成尿嘧啶。乳清酸和尿嘧啶可通过尿液排泄，因此常被作为诊断OCTD的分子标志或可根据基因筛查等方式确诊。OCTD患者的预后与发病年龄、血氨升高情况和治疗密切相关[10-11]。HBERLE等[12]在结合OCTD治疗指南的基础上，针对急性期的治疗建议停止蛋白质的摄入并补给足量的液体，在此基础上，根据血氨程度采取不同的降氨治疗方案，包括口服或静脉注射苯甲酸钠等药物，或进行血液透析治疗；缓解期根据患者的病情严格控制蛋白的摄入量，口服苯甲酸钠、精氨酸等药物维持治疗；此外，对于病情严重者也可以进行肝移植治疗[13]。

2 OCT与肝脏疾病

肝脏疾病包括病毒性肝病、酒精性肝病、非酒精性脂肪性肝病、药物性肝病、自身免疫性肝病及原发性肝癌等。临床上常用ALT及AST评估以上肝脏疾病的严重程度，但在某些类型的肝病中，测定血清OCT活性能够更好地反映肝细胞损伤情况。

2.1OCT与病毒性肝炎谭明洁等[14]通过监测24例各型病毒性肝炎患者相关指标，肝活检发现所有患者的肝细胞及间质区均有不同程度损伤，同时检测所有患者血清OCT活性均有不同程度升高，而检测患者血清ALT活性改变却与肝活检结果不完全一致。二者活性异常率差异有统计学意义；此外，OCT活性均值为正常值上限5倍左右，ALT活性均值仅比正常值上高1倍。上述结果表明，血液OCT活性测定检查肝细胞损伤的特异度和敏感度均优于ALT。张一兵等[15]采用速率法测定血清OCT活性在各型肝病中的诊断价值也中提示，血清OCT可以作为急性肝炎早期和慢性肝病晚期的常规检测指标。

2.2OCT与酒精性肝病在研究小鼠慢性酒精性肝病的模型中，MURAYAMA等[16]发现，酒精性肝病组小鼠与正常组小鼠相比，血清OCT活性明显升高，而血清中ALT及AST活性则无明显改变。表明OCT是反映酒精性肝损伤更敏感的指标。该项研究还发现，酒精性肝病组小鼠TNF-α值较正常组小鼠明显升高，增加小鼠肝细胞线粒体氧化应激压力，造成小鼠肝细胞线粒体功能紊乱，这可能是造成小鼠血清OCT升高的机制之一。

2.3OCT与非酒精性脂肪性肝炎TOKUSHIGE等[4]研究非酒精性脂肪性肝炎患者血液OCT的变化时发现其活性改变与患者病情变化一致，而30%的患者血清转氨酶活性正常，部分非酒精性肝炎合并肝硬化患者其ALT甚至低于正常人，因此，血清ALT及AST变化不能有效地反映患者病情的改变。有研究[17]也指出，血清ALT变化不可准确反映非酒精性脂肪性肝炎患者的肝细胞损伤情况。相关动物实验[18]证明，小鼠血液OCT活性可以反映小鼠非酒精性脂肪性肝炎合并代谢综合征如肥胖和糖尿病导致的肝损伤的程度。

2.4OCT与药物性肝病FURIHATA等[19]对药源性肝损伤大鼠血液相关指标进行检测，发现在同等最低药物浓度反应剂量条件下，血清OCT起始升高时间及活性变化与ALT相似；但随着不同药物的给药浓度增加，小鼠血清OCT的改变量明显高于血清ALT，且在不同药物诱导的小鼠肝损伤之间血清OCT的改变量也有显著性差异。这可能提示，血清中OCT升高的程度可能与不同药物造成肝细胞损伤的机制不同有关。此外，存在于线粒体基质中的蛋白(如CPS-1)在血清中变化与血清OCT呈正相关，而与存在于线粒体膜上的蛋白(如COX-Ⅳ)则无相关性，因此，OCT可能是从破损的线粒体膜中释放进入细胞质中，随后从破损的细胞膜中进入血液，表明OCT可成为药物性肝病的一个新的潜在标志物。

有研究[20]使用硫代乙酰胺(TAA)诱导大鼠急性和慢性肝损伤的模型，在急性肝损伤模型中，实验发现，大鼠血清OCT同血清中ALT及AST均在给药后24 h上升，但血清OCT浓度升高的水平更高。在慢性肝损伤模型中，实验发现大鼠血清OCT浓度水平在1周后则明显升高，而血清ALT和AST则在12周时才开始升高，且在第12周时，血清OCT浓度水平是正常值的9倍，而血清中ALT和AST则是正常值的1.2倍。该项实验提示，在急、慢性肝损伤中OCT都是一个敏感的指标。尽管在临床上OCT的使用频率远低于ALT和AST，但它却有着更为明显的优势：首先，OCT对肝病诊断的特异性高于ALT及AST，99%OCT特异性地存在于肝脏中，而AST及ALT在于心、骨骼肌、肾等器官也有所分布；其次，ALT及AST的半衰期较长，它们对急性肝损伤的诊断也较困难。第三，患者使用某些药物(如消胆胺)血清ALT及AST可能出现假阳性结果[21]。

2.5OCT与原发性肝癌在对肝细胞性肝癌患者的临床研究中，MURAYAMA等[22]发现，血液中OCT/ALT的比值在肝细胞性肝癌中有显著意义地升高，其上升幅度较慢性肝炎及肝硬化患者中的增加更明显。目前甲胎蛋白(AFP)作为肝细胞性肝癌特异性的标志物，已广泛用于肝癌的普查、诊断、判断治疗效果及预测复发。在对肝细胞性肝癌的诊断中患者血清中OCT/ALT比值的敏感性(64.3%)高于AFP(21.4%)；此外，有病例报道[23]部分患者在慢性乙型肝炎急性加重期，血清AFP会急剧升高且并未查出肝细胞性肝癌。部分肝细胞性肝癌进展期阶段患者其血清AFP甚至处于较低水平[24]。维生素K诱导蛋白(PIVKA-Ⅱ)作为一种新的肿瘤标志物，相关研究显示，它对早期肝癌诊断的敏感性高于AFP[25]。在维生素K环氧化物还原酶复合体1亚基基因(vitamin K epoxide reductase complex subunit 1 gene，VKORC1)高度表达的人群中，检测患者血液PIVKA-Ⅱ的浓度值对肝细胞肝癌诊断准确性有所降低。且患者体内维生素K浓度及γ-谷氨酸羧化酶也会影响血清PIVKA-Ⅱ的活性[26]。因此，无论是在对肝细胞性肝癌的诊断还是对其预后的判断，血液中OCT/ALT的比值较AFP及PIVKA-Ⅱ具有明显的优势。

3 总结与展望

OCT作为肝脏器官专一酶，其在血清中的活性对反映肝细胞损伤具有更高的特异性和敏感性[20]。且美国食品药品监督管理局已批准在药物上市前可通过检查动物血清OCT浓度水平来对该类药物引起的肝脏损伤程度进行评估[27]。但作为一个新的标志物，高昂的检测费用制约了其在临床中的应用。目前已有试验以瓜氨酸为底物检测OCT的活性，大大提高了检测效率及精确度，同时可以进行批量检测[14]。随着科学技术的进步，在今后的临床工作中OCT也将得到更为广泛的应用，更好地为肝脏疾病的诊治提供参考。

[2] BRASSIER A, GOBIN S, AMOUX J B, et al. Long-term outcomes in Ornithine Transcarbamylase deficiency: a series of 90 patients [J]. Orphanet J Rare Dis, 2015, 10: 58.DOI: 10.1186/s13023-015-0266-1.

[3] ORMECI A, AYDIN Y, SUMNU A, et al. Predictors of treatment requirement in HBeAg-negative chronic hepatitis B patients with persistently normal alanine aminotransferase and high serum HBV DNA levels [J]. Int J Infect Dis, 2016, 52: 68-73. DOI: 10.1016/j.ijid.2016.09.007.

[4] TOKUSHIGE K, HASHIMOTO E, NOTO H, et al. Clinical significance of serum ornithine carbamoyltransferase in patients with non-alcoholic steatohepatitis [J]. Hepatol Res, 2009, 39(9): 939-943. DOI: 10.1111/j.1872-034x.2009.00530.x.

[5] LAEMMLE A, GALLAGHER R C, KEOGH A, et al. Frequency and pathophysiology of acute liver failure in ornithine transcarbamylase deficiency (OTCD) [J]. PLoS One, 2016, 11(4): e0153358. DOI: 10.1371/journal.pone.0153358.

[6] 童文佳, 金丹群, 孙静敏. 迟发型鸟氨酸氨基酰转移酶缺乏症一例分析并文献复习[J]. 中华儿科杂志, 2015, 53(5): 366-369. DOI: 10.3760/cma.j.issn.0578-1310.2015.05.010.

TONG W J, JIN D Q, SUN J M. Report of a case with late-onset ornithine transcarbamylase deficiency with gas chromatography-mass spectrometry and DNA sequencing confirmation and literatures review [J]. Chin J Pediatr, 2015, 53(5): 366-369.

[7] AH MEW N, KRIVITZKY L, MCCARTER R, et al. Clinical outcomes of neonatal onset proximal versus distal urea cycle disorders do not differ [J]. J Pediatr, 2013, 162(2): 324-329.DOI: 10.1016/j.jpeds.2012.06.065.

[8] UPADHYAY R, BLECK T P, BUSL K M. Hyperammonemia: what urea-lly need to know: case report of severe noncirrhotic hyperammonemic encephalopathy and review of the literature [J]. Case Rep Med, 2016, 2016: 8512721. DOI: 10.1155/2016/8512721.

[9] WONG D A. Ornithine transcarbamylase deficiency: are carrier females suitable donors? [J] Pediatr Transplant, 2012, 16(6): 525-527. DOI: 10.1111/j.1399-3046.2012.01733.x.

[10] MOHAMED S, HAMAD M H, KONDKAR A A, et al. A novel mutation in ornithine transcarbamylase gene causing mild intermittent hyperammonemia [J]. Saudi Med J, 2015, 36(10): 1229-1232. DOI: 10.15537/smj.2015.10.12127.

[11] BIJVOET G P,VAN DER SIJS-BOS C J, WIELDERS J P, et al. Fatal hyperammonaemia due to late-onset ornithine transcarbamylase deficiency [J]. Neth J Med, 2016, 74(1): 36-39.

[13] ÖZÇAY F, BARISZ, MORAY G, et al. Report of 3 patients with urea cycle defects treated with related living-donor liver transplant [J]. Exp Clin Transplant, 2015, 13 Suppl 3: 126-130. DOI: 10.6002/ect.tdtd2015.p69.

[14] 谭明洁, 凌春茂, 王洪玉, 等. 病毒性肝炎血清鸟氨酸氨基甲酰转移酶测定与肝活检对照研究[J]. 华西医学, 1997, 12(3): 299-300.

[15] 张一兵, 王霞, 张淑琴, 等. 鸟氨酸氨基甲酰转移酶速率法测定及其在肝病中的诊断意义[J]. 临床肝胆病杂志, 2010, 26(1): 60-62.

ZHANG Y B, WANG X, ZHANG S Q, et al. The monitoring of Ornithine carbamoyltransferase by the rate of speed method and its diagnositic value in hepatopathy [J]. Chin J Clini Hepatol, 2010, 26(1): 60-62.

[16] MURAYAMA H, IKEMOTO M, HAMAOKI M. Ornithine carbamyltransferase is a sensitive marker for alcohol-induced liver injury [J]. Clin Chim Acta, 2009, 401(1-2): 100-104. DOI: 10.1016/j.cca.2008.11.027.

[17] MCPHERSON S, ANSTEE Q M, HENDERSON E, et al. Are simple noninvasive scoring systems for fibrosis reliable in patients with NAFLD and normal ALT levels? [J]. Eur J Gastroenterol Hepatol, 2013, 25(6): 652-658. DOI: 10.1097/MEG.ob013e32835d72cf.

[18] MURAYAMA H, IKEMOTO M, HAMAOKI M. Serum ornithine carbamyltransferase reflects hepatic damage in diabetic obese mice [J]. J Gastroenterol Hepatol, 2010, 25(2): 413-419. DOI: 10.1111/j.1440-1746.2009.05969.

[19] FURIHATA T, AIZAWA T, KOIBUCHI A, et al. Characterization of release profile of ornithine carbamoyltransferase from primary rat hepatocytes treated with hepatotoxic drugs: implications for its unique potential as a drug-induced liver injury biomarker [J]. Drug Metab Pharmacokinet, 2016, 31(1): 102-105. DOI: 10.1016/j.dmpk.2015.11.005.

[20] MURAYAMA H, IKEMOTO M, FUKUDA Y, et al. Advantage of serum type-I arginase and ornithine carbamoyltransferase in the evaluation of acute and chronic liver damage induced by thioacetamide in rats [J]. Clin Chim Acta, 2007, 375(1-2): 63-68. DOI: 10.1016/j.cca.2006.06.018.

[21] SINGHAL R, HARRILL A H, MENGUY-VACHERON F, et al. Benign elevations in serum aminotransferases and biomarkers of hepatotoxicity in healthy volunteers treated with cholestyramine [J]. BMC Pharmacol Toxicol, 2014, 15: 42. DOI: 10.1186/2050-6511-15-42.

[22] MURAYAMA H, FUKUDA Y, TSUNEKAWA S, et al. Ratio of serum ornithine carbamoyltransferase to alanine aminotransferase as a potent indicator for hepatocellular carcinoma [J]. Clin Biochem, 2007, 40(13-14): 1077-1080. DOI: 10.1016/j.clinbiochem.2007.05.001.

[23] YOON Y M, KANG D Y, KIM D Y, et al. Extremely elevated alpha-fetoprotein due to acute exacerbation of chronic hepatitis B without malignancy: a case report [J]. J Med Case Rep, 2016, 10(1): 140. DOI: 10.1186/s13256-016-0915-6.

[24] SHIOZAWA K, WATANABE M, IKEHARA T, et al. Evaluation of sorafenib for hepatocellular carcinoma with low α-fetoprotein by arrival time parametric imaging using contrast-enhanced ultrasonography with sonazoid [J]. Gan To Kagaku Ryoho, 2016, 43(2): 215-218.

[25] YU R, XIANG X, TAN Z, et al. Efficacy of PIVKA-II in prediction and early detection of hepatocellular carcinoma: a nested case-control study in Chinese patients [J]. Sci Rep, 2016, 6: 35050. DOI: 10.1038/srep35050.

[26] WANG Y, LUO F, ZHENG Y, et al. VKORC1 haplotypes influence the performance characteristics of PIVKAII for screening of hepatocellular carcinoma [J]. Clin Chem Lab Med, 2010, 48(10): 1475-1479. DOI: 10.1515/CCLM.2010.275.

[27] SHI Q, YANG X, MATTES W B, et al. Circulating mitochondrial biomarkers for drug-induced liver injury [J]. Biomark Med, 2015, 9(11): 1215-1223. DOI: 10.2217/bmm.15.59.