血红素加氧酶-1在感染性疾病中的作用及研究进展

2019-02-18 16:41王宏娟综述徐世明审校

重庆医学 2019年20期

王凡，王宏娟综述，徐世明审校

(首都医科大学燕京医学院生物化学与分子生物学教研室，北京 101300)

由细菌、真菌、寄生虫和病毒引起的各类感染性疾病是导致人类高发病率和高病死率的主要原因。尽管抗生素不断更新换代，但感染性疾病仍是世界十大死亡原因之一，其中主要的感染性疾病是艾滋病、结核病和疟疾。近些年，抗体技术的进步和微生物感染辅助治疗手段的增加，使调节宿主对病原体的免疫应答，减轻感染对机体的影响成为可能。血红素加氧酶-1(heme oxygenase 1,HO-1)是一种具有免疫调节活性的细胞保护酶，可以被药物调控来改变感染的结果[1]。HO-1可催化血红素降解生成CO、胆绿素和亚铁离子。CO作为第二信使，影响着诸多细胞功能，同时具有抗凋亡[2]、抗炎[3]、抗增殖[4]和促血管舒张活性[5]等作用。HO-1催化生成的胆绿素随即被还原为胆红素，胆绿素和胆红素都具有抗菌活性[6]。分子铁可诱导铁蛋白的表达，最终减少细胞内的游离铁，起到阻碍细胞内病原体生长的作用[7]。此外，HO-1可在其C端被裂解后，转移到细胞核内，参与氧化应激诱导的转录调节作用[8]。已有研究分析了HO-1在心血管系统、消化系统、呼吸系统、泌尿系统、神经系统等多种疾病中的作用，但对HO-1与感染性疾病的关系，研究报道较少。本文对HO-1在由细菌、真菌、寄生虫、病毒引起的各类感染性疾病中的作用，进行了综述。

1 HO-1与细菌感染

1.1结核分枝杆菌(mycobacterium tuberculosis，Mtb)感染对于HO-1在结核病发病机制中所起的作用是细胞保护或细胞毒性，学者们看法不一，一种观点认为HO-1可以保护宿主免受结核分枝杆菌的感染，另一种观点则认为HO-1增强了宿主细胞的易感性。2012年，REGEV等[9]研究证明HO-1是在感染禽Mtb后被诱导表达的。他们发现HO-1可通过对单核细胞趋化因子蛋白-1(MCP-1)和趋化因子受体2(CCR2)的调控，来影响HO-1-/-小鼠肉芽肿的形成，而这些趋化因子涉及单核细胞-巨噬细胞的转运。该研究还说明，HO-1-/-小鼠对禽Mtb的感染很敏感。此后SILVA-GOMES等[10]研究证实，HO-1及其反应产物通过对促炎细胞因子IL-1b和IL-6的下行调节，来抑制细胞的促炎性反应，且在缺乏活性HO-1的情况下，血红素的积累会导致巨噬细胞的坏死性凋亡。SILVA-GOMES等[10]发现对受感染小鼠的血红素水平的调控可以阻断小鼠肉芽肿的形成，证明HO-1具有对抗Mtb感染的作用。而该研究中，HO-1-/-小鼠被证明死于Mtb的感染，并且其体内有更高的细菌载量。这些表明，HO-1在保护机体免受Mtb的感染中起着重要作用。为了描述HO-1介导细胞保护的分子机制，有学者研究发现HO-1是γ-干扰素(IFN-γ)诱导自体吞噬的必要条件[11]。而IFN-γ诱发的自体吞噬在细胞内Mtb的清除中起着至关重要的作用，但其具体机制较复杂[12]。

相反，另一些研究表明HO-1可帮助宿主体内的Mtb存活。SCHARN等[13]发现，通过锡原卟啉IX(SnPPIX)抑制HO-1的表达，可以抑制Mtb的生长。研究也证明在Mtb诱导下，HO-1与Mtb会在细胞内进行共定位，且HO-1能够促进巨噬细胞炎症因子的产生。通过SnPPIX治疗，可以降低细胞的Mtb细菌载量，并弱化炎性反应。此外，SnPPIX疗法与传统抗菌治疗相结合，能快速有效清除Mtb。SnPPIX治疗也会降低人单核细胞型淋巴瘤(THP1)细胞中的脓肿分枝杆菌的存活，可使THP1细胞内活性氧簇(ROS)的水平增加，并促进溶酶体与运载分枝杆菌的吞噬小体的融合[14]。HO-1的表达与结核病的相关性在家兔、小鼠和灵长目动物等模型中也得到证实[15]。然而，阐明HO-1在Mtb感染的发病机制中所起的作用，还有待深入的研究。

1.2其他细菌感染 HO-1在鼠伤寒沙门菌和绿脓杆菌等细菌感染中的作用，也有报道。

目前，HO-1在保护细胞抵抗鼠伤寒沙门菌感染方面的作用，争议颇多。ONYIAH等[16]建立了小鼠感染鼠伤寒菌诱发结肠炎的模型，证明用钴原卟啉(CoPP)诱导HO-1的表达，可以降低小鼠不同靶器官的细菌载量。该研究也证明，HO-1催化产生的CO，可诱导小鼠巨噬细胞的杀菌活性，以保护它们免受沙门菌的感染。与上面提到的研究结论相反，MITTERSTILLER等[17]证明，使HO-1基因沉默或使用HO-1抑制剂，能使沙门菌的存活率降低，这种对感染的控制效应是通过膜铁转运蛋白1(ferroportin 1,FPN1)介导的铁减少引起的，并伴随着白细胞介素-6(IL-6)、CC趋化因子配体20(CCL20)、肿瘤坏死因子-α(TNF-α)、一氧化氮合酶(iNOS)等促炎症细胞因子的产生。

绿脓杆菌是一种机会性病原体，在60%的囊性纤维化(CF)患者中发现该菌的感染。ZHOU[18]等分析了在CF患者中HO-1的表达，证明HO-1在CF感染部位有着很高的表达水平。此外，利用绿脓杆菌感染囊性纤维化呼吸道上皮细胞株(ib3.1)，发现HO-1的过表达能够保护这些细胞免受细胞损伤和凋亡的影响[18]。

2 HO-1与真菌感染

白色念珠菌是一种机会性病原体，它在寄主体内是否致病，依赖一种毒性途径的调控，并且这条途径需在血红蛋白的存在下起作用[19]。在与血红蛋白接触后，白色念珠菌会诱导纤连蛋白过表达，它有助于念珠菌的附着和感染的初步启动[19]。血红蛋白还可以一种铁依赖的途径诱导白色念珠菌HO-1的表达，HO-1能帮助宿主体内白色念珠菌的生长。在一定浓度CO的作用下，白色念珠菌的毒性增加，CO可以保护其免受宿主免疫系统的影响[20]。HO-1催化生成的CO可以降低IL-17的水平，有助于增强白色念珠菌的毒性。此外，HO-1基因敲除的白色念珠菌菌株显示出毒性减弱，且可在吸入外源性CO后逆转[20]。这些研究表明，HO-1有助于提高白色念珠菌的存活率和毒性。然而，宿主来源的HO-1在白色念珠菌病发病机制中的作用尚需要进一步的研究。

3 HO-1与寄生虫感染

在寄生虫病中，疟疾是一个全球性的健康挑战，2016年，疟疾在世界范围内，共有2.16亿病例和44.5万人死亡。当疟疾寄生虫成熟时，它会进入血液并感染红细胞，红细胞被寄生虫溶解，产生无细胞血红蛋白，最终导致血红素的积累。血红素具有细胞毒性，但可以被HO-1降解。PAMPLONA等[21]利用小鼠模型分析了HO-1在实验性脑型疟疾(ECM)中的作用。这项研究表明，通过药物诱导HO-1表达，可以阻止ECM对机体的攻击，同时可避免因ECM感染而导致的死亡。另一项研究表明，功能性HO-1的存在可以保护小鼠免受夏氏疟原虫的感染，而该项试验中的HO-1-/-小鼠经历了肝衰竭并最终死亡[22]。以上研究都表明，HO-1在疟原虫感染中对机体起保护作用。

然而，EPIPHANIO等[23]发现，HO-1-/-BALB/c小鼠可以抵御伯氏疟原虫和约氏疟原虫的感染。他的研究表明，疟原虫感染后对肝细胞HO-1基因的诱导，对疟原虫成功感染肝脏起着至关重要的作用，而HO-1过表达或外源性CO的干预，则会增加肝脏的疟原虫载量。基于以上推测，由HO-1作用产生的CO的浓度和感染的位点可能是疟疾发病机制的重要影响因素。

4 HO-1与病毒感染

HO-1在控制病毒感染方面起着重要的作用，因此成为治疗病毒感染最有希望的药物靶标之一。研究表明，HO-1能控制某些病毒的复制能力，从而成为对抗病毒感染的重要手段。

4.1人类免疫缺陷病毒(human immunodeficiency virus，HIV) 艾滋病仍然是全球危害最严重的感染性疾病之一，由HIV引起。HIV是一种逆转录病毒，依靠逆转录酶进行RNA复制。在20世纪80年代，TSUTSUI和MUELLER证明了100 μmol/L的血红素可以直接抑制小鼠白血病病毒的逆转录酶[5]，由于血红素是HO-1的激活剂，推测 HO-1在减轻病毒感染方面起重要作用。DEVDAS等[24]利用人源化NOD-SCID小鼠，证实了这一假设，血红素确实可以抑制HIV的复制。在单核细胞中重复该试验，得到相似结果。后续研究发现，利用HO-1的抑制剂SnPPIX，可削弱血红素对HIV的抑制作用。此外，利用脂多糖(LPS)可以抑制由单核细胞来源的巨噬细胞内HIV病毒的复制。研究发现，由LPS介导的HO-1的表达，可以导致细胞内趋化因子MIP1ɑ和MIP1β 的高表达，从而抑制HIV病毒的复制[25]。在HIV感染后，第1批表达的蛋白质是转录反式激活因子(Tat)，Tat对于宿主细胞内HIV的生存和复制是必不可少的，Tat会降低细胞内HO-1水平，导致血红素的聚积，进而导致细胞内的H2O2积累，人为上调HO-1的表达可抑制Tat蛋白的活性，从而抑制病毒的感染和复制[26]。综上所述，HO-1在减轻HIV感染方面有重要作用，可以作为治疗HIV的靶标。

4.2乙型肝炎病毒(hepatitis B virus，HBV) HBV是一种DNA病毒，表现出与逆转录病毒相似的特征。一些感染HBV的患者会发展为活动性肝炎，进而发展为肝硬化和肝癌。研究发现，经HO-1的诱导可以减少小鼠模型中与炎症相关的肝细胞的凋亡[27]。对于HO-1在控制HBV感染方面所起的作用，PROTZER等[28]使用小鼠急性乙型肝炎的模型(该小鼠基因组被嵌入HBV)，发现通过共聚聚丙烯(CoPP)诱导HO-1的表达，可以减少病毒的复制和减轻小鼠肝损伤，其机制是小鼠体内诱导产生的HO-1直接降低了HBV核蛋白的稳定性，从而抑制了HBV核中共价闭合环状DNA的生成。这项研究还使用了慢性乙型肝炎感染的转基因小鼠模型，在该模型中，诱导产生的HO-1，抑制了病毒的复制。上述研究表明，HO-1可直接抑制HBV病毒的复制，而不是通过诱导抗炎反应来抑制病毒复制的。

4.3流感病毒(influenza virus，FLU) 流行性感冒是由FLU引起的，FLU有4种血清型：A、B、C和D，已知A、B和C型会感染人类。HASHIBA等[29]在研究中先用带有小鼠HO-1 cDNA的腺病毒处理小鼠，使HO-1过表达，再用流感病毒(H1N1)感染小鼠。结果发现，与对照组相比，HO-1减少了炎症细胞向肺部的转移，减轻了肺部病变，提高了小鼠存活率。HO-1所体现的保护性作用主要是通过抑制病原体引发的死亡信号转导通路实现的。该结论得到了另一项研究的支持，在HO-1-/-小鼠中，流感病毒疫苗的反应减弱，流感感染恶化[30]。流感病毒感染上皮细胞、单核细胞或巨噬细胞后，HO-1还可调控这些细胞促炎症趋化因子(如RANTES和MCP-1)的分泌。有研究表明，卢比甾酮酸衍生物可通过MAP-ERK途径上调HO-1的表达，进而抑制流感病毒的复制[31]。HO-1的上调导致了1型干扰素的表达量升高，而干扰素则是体内天然的抗病毒物质[31]。此外，经血红素诱导表达的HO-1，可以减轻流感病毒引起的肺炎，这种影响主要是通过对机体免疫反应的调节和减少肺损伤实现的[32]。

5 展望

HO-1是应激反应的主要调节因子之一。血红素被HO-1催化降解，其产物CO和胆绿素是细胞内强有力的抗氧化剂，可以杀死一些病原体，分子铁在游离状态下也是一种氧化介质。相关研究表明，HO-1与细菌、真菌、寄生虫、病毒引起的感染性疾病有着密切关系。许多微生物感染都会引起细胞的氧化应激反应，HO-1可以保护细胞免受病原体感染引起的氧化应激损伤，氧化应激也可以诱发宿主细胞清除病原体的途径。依赖于不同宿主细胞和不同病原体，HO-1可以保护宿主免受感染，或可能促进细胞内病原体的生长。HO-1在包括乙型肝炎病毒、HIV在内的几种病毒感染中的细胞保护作用已得到证实。在真菌感染方面，白色念珠菌自身诱导表达的HO-1有助于提高其存活率和毒性。HO-1在疟疾、结核杆菌和鼠伤寒沙门菌感染中的作用尚不明确。