二甲基精氨酸二甲基氨基水解酶-1在心血管疾病中的研究进展

旷达彬 董李晨 李逃明 杨中保 左美玲

心血管疾病（CVD）是当前人类发病和死亡的主要原因。非对称二甲基精氨酸（ADMA）是人体内一氧化氮合酶（NOS）的竞争性抑制剂，其能降低一氧化氮（NO）的生物利用度并且可以增加NO 衍生的活性氧的产生。血浆ADMA 水平是CVD 患者预后及死亡率最强且独立的预测因素之一。二甲基精氨酸二甲基氨基水解酶-1（DDAH1）为ADMA 的主要代谢酶，介导ADMA 的代谢灭活。DDAH1 在维持体内NO 水平和保护心血管功能中发挥关键作用。在这里，我们将对DDAH1 介导CVD 发生发展及治疗的最新研究进行综述。

1 DDAH1 为ADMA 主要代谢酶

早在数十年前就有文献发现并证实，ADMA 可通过与L-精氨酸竞争性结合NOS，减少NO 的生成[1]，同时还可以促进超氧化物的形成。而随着研究技术的不断更新，目前大量的临床及基础研究均已表明，ADMA 与CVD 的发病风险和预后密切相关。ADMA 被公认为是各种心血管疾病（例如高血压，冠状动脉疾病，动脉粥样硬化，肺动脉高压，心房纤颤，中风，外周血管疾病，糖尿病）的强而独立的危险因素[2]。

人体内高达80%的ADMA 主要通过二甲基精氨酸二甲基氨基水解酶（DDAH）水解，其余部分经尿排泄[3]。DDAH 具有DDAH1 和DDAH2 两种亚型。早期关于细胞及组织器官特异性DDAH 生物学调控NO 产生的功能的研究发现，DDAH1 在心脏、血管和血管内皮细胞中的表达极少[4]，因此，多年来人们一直认为DDAH2 在调节心血管系统中的ADMA 降解中起主要作用。但是，最近的研究清楚地表明，DDAH1 在ADMA 的降解中起着重要作用，而DDAH2 在ADMA 代谢中并未检测到明显作用。研究发现，全身性DDAH1 敲除小鼠DDAH 酶活性完全消除，但其体内DDAH2 的表达并不受影响[5]。换言之，即使DDAH2 的表达在这些组织中保持正常水平，全敲除DDAH1 小鼠体内任一组织均无法降解ADMA。与之相一致的另一项研究发现，杂合型DDAH1 敲除小鼠的组织DDAH 活性降低了约50%，而通过检测DDAH1 表达发现其降低了50%[6]。此外，选择性敲除内皮细胞内的DDAH1，能够引起内皮细胞中ADMA 的蓄积，降低培养的人内皮细胞中NO 的产生[5]。过表达DDAH1 可降低培养的人内皮细胞中的ADMA 水平[7]。这些结果从体内体外，动物及人类细胞多方面证实，DDAH1 为ADMA降解的关键酶，而DDAH2 在小鼠和人类细胞的ADMA 降解过程中的作用不明显。

2 DDAH1 在CVD 发生发展中的作用

由于DDAH1 为人体内代谢ADMA 的关键酶，DDAH1 水平的下降及其活性的降低可导致血浆和组织ADMA 和L-NMMA 水平增加，引起NO 产生的减少，从而导致血压升高和内皮功能紊乱[5]。2015年的研究已发现，DDAH1 在一系列血管和非血管细胞中广泛表达并维持内皮功能。研究者使用基质胶培养主动脉环以探索离体内皮特异性DDAH1 敲除小鼠内皮细胞的血管新生能力发现，内皮细胞DDAH1 的缺失可严重影响内皮细胞的血管生成能力，而外源性L-精氨酸可逆转这一作用。同时作者还发现，对内皮特异性DDAH1 敲除小鼠进行股动脉结扎后，其后肢缺血诱导的血管生长速率明显降低，血管损伤修复受到抑制[8]。Zhang等[9]通过在人脐静脉内皮细胞中的过表达或沉默DDAH1 发现，DDAH1 通过诱导Akt 磷酸化以及介导ADMA 代谢的途径促进内皮细胞增殖、迁移和小管形成。随后，该研究通过构建小鼠颈动脉损伤模型，研究内皮剥离后的再生情况，发现与野生型小鼠相比，DDAH1 内皮特异性敲除小鼠内皮再生功能受损[7]。与之相对应的研究发现，左股动脉损伤小鼠模型中，hDDAH1 转基因小鼠与野生型小鼠相比，其内皮细胞再生和新内膜形成能力显著增强[10]。上述研究表明，上调DDAH1 的表达或活性可用于恢复内皮细胞功能进而发挥治疗CVD 的作用。

除内皮功能紊乱外，在CVD 的进程中，血脂异常、血糖水平升高以及动脉粥样硬化（AS）的发生均起着关键作用[11]。DDAH1 能够通过调控这些因素，从而影响CVD 的进程。研究表明，在给小鼠注射大剂量的葡萄糖（HG）后，野生型小鼠体内ADMA浓度迅速上升，而过表达DDAH1 小鼠无此现象。此外，DDAH1 转基因小鼠注射HG 后均无血浆胰岛素和葡萄糖水平急速增加的现象，其胰岛素拮抗系数较野生型降低50%，与胰岛素敏感性增强相一致[12]。最近的一项研究显示，DDAH1 能够保护小鼠高脂肪饮食（HFD）诱导发生的脂肪肝和胰岛素拮抗。在HFD 喂养的小鼠肝脏中，DDAH1 敲除小鼠较野生型的肝脏脂肪增加[13]。同时还有研究发现，DDAH1 转基因小鼠其内皮功能在HFD 喂养的条件下较野生型得到改善，过表达DDAH1 还可减缓HFD 诱导AS 进程[14]。这些研究结果证实，DDAH1 不但参与了维持体内内皮功能的稳定，同时对血糖、血脂这些CVD 的关键影响因素有着重要调控作用，能够从多方面维持体内心血管系统的稳态。

3 DDAH1 在心血管疾病进程中的表达调节及机制

在体内DDAH1 的表达受多种因素调控，内源性的ADMA 主要由精氨酸甲基化转移酶1（PRMT1）催化合成。研究发现，在基础条件下，左心室（LV）壁中DDAH1 表达不均匀，其在心外膜中表达最高。当出现局部缺血性刺激时，缺血区心肌组织中DDAH1 表达上调，这一改变与心肌间质液（MIF）中ADMA 的下降有关，并可能是通过PRMT1 途径进行调控[15]。这一结果证实，DDAH1 作为体内主要降解ADMA 的酶的同时，其表达水平受ADMA 反馈调节。

现有的研究发现，DDAH1 的3'非翻译区（3'-UTR）中的含有miR-21 识别元件（MRE），DDAH1为miR-21 的靶基因。在培养的人内皮细胞中，内源性活性醛4-羟基壬烯醛（4-HNE）可通过miR-21 依赖的机制下调DDAH1 的表达[16]。之后，这一发现被Iannone 等[17]所证实。他们的研究证实，miR-21 介导缺氧诱导的内皮功能障碍中，DDAH1内皮特异性表达下调，miR- 21/DDAH1/ADMA 通路介导缺氧诱导的肺动脉高压（PAH）的发生发展。而最近的一篇研究中，Zhao 等[18]发现在永生化的DDAH1 敲除小鼠胚胎成纤维细胞（MEF）中，miR-21 表达上调4 倍，其机制依赖氧化应激通路和NF-κB 激活。在细胞氧化还原状态和凋亡调控中，DDAH1 通过DDAH1-miR-21 通路发挥其非酶功能。同时miR-21 又能反过来调控DDAH1 的表达，二者之间存在反馈调控环路。这些研究揭示了miR-21/DDAH1/ADMA 相互调控机制在CVD 发生发展中的关键作用。

在2013年，通过对内皮细胞中DDAH1-V2 表达进行研究，Sun 等[19]发现了DDAH1 的一个新的转录本，并将其命名为DDAH1-V3。DDAH1-V1与-V2/V3 转录本具有不同的转录起始位点，但其共享3'-UTR 区；在培养的人内皮细胞中仅DDAH1-V1 表达水平与细胞内ADMA 代谢活性相关，提示DDAH1-V2/V3 不参与ADMA 代谢[19]。在后续的研究中，其通过机制实验探究了DDAH1-V2和DDAH1-V3 潜在的功能，研究发现，在培养的人内皮细胞中，这两个转录本的mRNA 表达之间呈正相关[19]；而在急性缺血性卒中（AIS）和急性心肌梗死（AMI）患者的外周血单个核细胞（PBMC）中，DDAH1-V1 和DDAH1-V2 的表达之间的相关性增加而DDAH1-V2 和DDAH1-V3 之间的相关程度下降[19]；miR-21 抑制剂对DDAH1-V3 的上调程度最高，DDAH1-V3 可能作为miRNA 海绵介导miR-21对DDAH1 表达的调控[20]。

4 以DDAH1 为靶点的药物研发现状

从新药研发角度来看，针对DDAH1/ADMA 研究主要集中在两个方面：一方面通过调控DNA 转录水平，影响基因启动子区域与转录因子（TF）的结合，进而影响DDAH1 mRNA 的表达，从而进一步影响其蛋白的表达。DDAH1 的基因启动子区域含有NF-κB 等多个TF 结合位点[18]，然而目前针对其转录水平调控的药物研发不多见。有研究报道，QTsome 新型脂质纳米颗粒制剂基于季胺和叔胺阳离子脂质的组合，快速投递AM-21（AntimiR-21），以对抗miR-21 对 DDAH1 mRNA 转录抑制作用，上调DDAH1 水平[21]。DDAH1 转录水平调控作为药物靶点的药物开发还有待进一步继续研究。另一方面是对DDAH1 翻译后水平的调节，即对DDAH1 催化位点的活性进行修饰。常见的翻译后修饰主要是氨基酸残基的抗氧化作用，避免DDAH1 活性催化位点区域含巯基的半胱氨酸残基氧化失活。有研究指出，抗氧化剂普罗布考可提升内皮细胞DDAH的活性，上调内皮一氧化氮合成酶的表达，进而显著降低细胞内ADMA 的水平[22]。在HFD 诱导的胰岛素拮抗动物模型中，具有降血脂功能的内皮保护药阿托伐他汀（atorvastatin）可逆转胰岛素拮抗导致的DDAH1 酶活性降低和表达下调，通过DDAH1 介导其内皮保护作用[23]。此外，还有学者发现中药汤剂血府逐瘀汤可增加C57BL/6 小鼠体内DDAH1 的表达，降低C57BL/6 小鼠体内ADMA 的水平，进而减少纤维化小鼠肝脏的炎症和纤维化进程[24]。最新的一篇研究证实，藤茶提取物二氢杨梅素（DMY）能够通过miR-21/DDAH1/ADMA/NO 途径发挥内皮保护作用[2]。这些结果提示，从现有的化学药物、中药饮片或中药单体中开发DDAH1 通路介导的心血管保护作用药物具有重大发展前景。

5 展望

目前DDAH1 与心血管疾病之间相互关系的研究状况表明，DDAH1 的表达及活性的改变在心血管疾病的进展中起重要作用，同时心血管疾病的风险因素血脂、血糖和炎症因子等又能反馈性地调控DDAH1 的水平。转录因子、miRNA 以及DDAH1自身海绵机制能够通过与DDAH1 的交互作用影响DDAH1 表达及活性进而影响疾病发病及进展。关于DDAH1 靶向药物的研发进展使得研究人员和临床医生对于DDAH1 的关注不仅局限于最初、探讨其作为心血管疾病预后预测Biomarker 的功能，更重要的是其潜在发展成为心血管疾病针对性治疗药物研发的新方向。