GPx-1在大脑多种疾病中的作用研究进展

王博妍,姬舒云,杨小军

(西北农林科技大学动物科技学院,陕西 杨凌 712100)

谷胱甘肽含有巯基,可以参与氧化还原反应,还原性谷胱甘肽或者注射用谷胱甘肽输液治疗,可能对脑功能的缓解及脑功能异常的治疗有不错的疗效。谷胱甘肽过氧化物酶(GPx;EC 1.11.1.9)首次报道于1957年,是谷胱甘肽抗氧化系统中最重要的成分之一。迄今已鉴定出8种GPx同工酶。作为1973年首次发现的硒蛋白,GPx-1是最丰富的GPx亚型,在许多组织中大量表达。超氧化物歧化酶[SOD,包括胞质Cu、Zn-SOD(SOD-1)和线粒体Mn-SOD(SOD-2)]催化超氧化物自由基的歧化生成H2O2,并被GPx和过氧化氢酶(Catalase,CAT)去除。大脑中的CAT活性低,GPx清除有害的过氧化物代谢产物,催化GSH变为GSSG,使有毒的过氧化物还原成无毒的羟基化合物,在清除脑过度表达不伴随GPx水平的增加,导致H2O2的积累,不仅改变了细胞的氧化还原状态,还参与了芬顿反应,导致产生剧毒的羟基自由基。GPx-1缺失导致的氧化应激和自由基的产生能够在机体内引起多种代谢异常和疾病的发生。

在过去几十年中,许多研究人员探索了GPx-1的基因表达和生化功能,并揭示了其在各种疾病的发生过程中的作用及机制。GPx-1基因多态性与患病风险和患者生存有复杂的关联。例如,谷胱甘肽过氧化物酶-1 (GPx-1) 多态性与精神分裂症之间存在密切关系。另有研究表明,GPx-1 rs1050450 和 GSTP1 rs1695 SNP 不太可能在中国汉族人群的精神分裂症发病机制中发挥重要作用。因此,我们推测GPx-1基因的多态性可能是影响神经退行性疾病的重要因素,需要更多的研究来更好地理解GPx-1在反应氧化还原信号改变的疾病机制中的复杂调控。本文从氧化应激与基因多态性两个方面分析了GPx-1与大脑功能的关系,介绍了它在神经退行性疾病中的作用。

1 GPx-1对阿尔兹海默病影响

阿尔茨海默病(AD)是一种散发性的、与年龄相关的神经退行性疾病,其病理特征是异常蛋白质沉积。GPx-1等抗氧化酶活性的降低,可能是导致AD发展的原因。GPx-1具有抗氧化的作用,而β-淀粉样蛋白(Aβ)诱导的氧化应激被认为是AD的发病机制。研究表明,AD和轻度认知障碍(MCI)大脑的抗氧化酶水平显著降低,使大脑更容易受到Aβ诱导的毒性影响。Crack等人发现,GPx-1敲除小鼠的神经元更易发生Aβ肽的损伤。MCI中已出现早期AD的氧化应激条件。在MCI海马体中,超氧化物歧化酶(SOD)和GST活性降低,某些蛋白质沉积量增加。提示GPx-1的缺失使大脑防御能力降低,易发生Aβ肽的损伤使异常蛋白沉积,可能是导致AD产生与发展的重要原因。因此,可通过增强抗氧化防御系统增强大脑防御能力,特别是增加GPx-1等酶的数量和活性,对疾病进行干预。许多有机硒化合物已被证明在AD小鼠模型中具有治疗作用。Zhang等通过一系列研究表明,硒代蛋氨酸增强了AD小鼠的抗氧化能力,逆转了突触缺陷,改善了认知能力下降,证明了硒在AD治疗中的多靶点作用。然而,硒在AD预防和治疗中的深层机制尚不清楚,可能是由于增加了GPx-1的表达量,氧化应激是MCI和AD的一个已知原因,上调内源性抗氧化剂对于对抗氧化应激至关重要,有助于减缓MCI和阿尔茨海默病的发展。

另有研究证明,GPx-1基因多态性与AD的发展也有密切关系,最广泛研究的GPx-1多态性之一为修饰的C>T(GPx-1C593T,dbSNP ID rs1050450),这导致在氨基酸200(Pro200Leu)处从脯氨酸(Pro)变为亮氨酸(Leu)。在一项针对厄瓜多尔人群的研究中,GPx-1的Leu等位基因增加了患AD的风险。然而,Cardoso并未在巴西人群中观察到AD患者与对照组之间的基因型频率差异。数据之间的差异可能是由于不同人种的遗传差异造成,GPx-1基因多态性与AD之间的关系有待进一步证明。因此GPx-1的研究对减缓和预防MCI和阿尔茨海默病具有重要意义。

图1 GPx-1影响AD的作用机制

2 GPx-1对帕金森病的影响

帕金森病(PD)是一种病因不明、发展缓慢的常见神经性疾病,极大地影响了患者的生活。发病机制可能与钙稳态失衡、神经炎症、自噬等因素有关。其特征是黑质(SN)多巴胺能神经元的进行性退化,导致纹状体多巴胺耗竭。GPx-1缺失导致的氧化应激可能是引起PD的原因之一。Kiss C等人发现缺乏GPx-1的小鼠容易受到6-羟基多巴胺损伤。氧化应激是各种形式PD中多巴胺能神经退行性病变的级联反应的关键驱动因素。多巴胺能神经元容易受到氧化应激的影响,是因为多巴胺本身及其前体l-DOPA是氧自由基的来源。因此活性氧被认为是帕金森(PD)的发病原因之一。GPx-1缺失导致的氧化应激驱动多巴胺能神经退行性病变,导致活性氧在大脑中产生,但产生和消除速率不平衡,而活性氧增加会通过氧化蛋白质、脂质和核酸导致广泛的细胞损伤,引发机体代谢失调,可能是PD的致病原因。氧化损伤很难在PD中得到恢复,因为在疾病中抗氧化防御也发生了改变。因此,增加GPx-1等抗氧化酶的数量和活性,可能是治疗帕金森病的一种有效措施。

有文献数据表明GPx-1(Leu)等位基因携带者的总体生存率更好,而另一些研究表明,GPx-1 Pro198Leu多态性增加了氧化应激相关疾病的发病率。若GPx-1基因携带突变T等位基因编码的氨基酸密码子由脯氨酸变为亮氨酸,会造成所表达的GPx-1酶活性下降5%左右,且GPx-1Pro200Leu与全血GSH浓度相关。Pro/Pro基因型患者的GSH浓度低于Pro/Leu基因型患者。这种差异可能表明Pro/Pro基因型的携带者具有较低的GPx酶活性,更容易受到增加的自由基负荷的影响。因此我们怀疑GPx-1基因多态性可能是帕金森患者酶活性降低的原因之一。因此,需要进一步研究GPx-1与PD之间的关系,制定适当的治疗PD或其他神经退行性疾病的方案。

图2 GPx-1影响PD的作用机制

3 GPx-1对癫痫病的影响

癫痫是一种以反复发作和自发发作为特征的神经紊乱症。颞叶癫痫(TLE)是最常见的局部性癫痫,具有耐药性。癫痫发作会导致自由基的产生和细胞蛋白质、脂质和DNA的氧化损伤。因此,氧化应激和自由基的产生被认为是癫痫发作的原因和结果。而GPx-1可以减轻细胞内的氧化损伤,说明GPx-1与癫痫病的发作之间存在联系。Weber等人表明GPx缺乏与儿童癫痫发作有关。另有研究表明,癫痫患者和健康对照组之间的GPx活性没有显著差异。因此,文献中的数据似乎存在冲突,可能是由于致痫因素多样导致的,未来的研究应阐明线粒体内硒或硒依赖酶与氧自由基变化之间的相关性。癫痫患者血清硒水平低,GPx-1活性低,也说明硒依赖性GPx可作为抗癫痫药物发挥作用。因此,癫痫可能需要利用硒来预防兴奋性毒性损伤是合理的。癫痫持续状态(SE)是一种紧急情况,表现为长时间且不受控制的癫痫发作,这是致痫因素之一。GPx-1在海马体神经元和胶质细胞中高度表达,提示GPx-1可能参与SE诱导的神经元和星形胶质细胞损伤。至今尚未完全探索致痫期GPx-1表达的变化。毛果芸香碱模型显示在SE后1小时GPx活性瞬时增加,而锂加毛果芸香碱模型则显示在同一时间GPx活性降低。GPx-1过表达增加了对红藻氨酸(KA)诱导的癫痫和神经元海马损伤的敏感性。说明在不同诱导条件下,GPx-1的表达量有所差异,对癫痫病的影响也不同。

GPx-1Leu等位基因是最常与癌症相关的基因,编码的蛋白质与在该位置具有脯氨酸的同一蛋白质相比,对硒的反应较弱。这种遗传变异影响GPx-1在细胞质和线粒体之间的分布,与在198位由pro等位基因编码的相同蛋白质相比,由Leu编码的蛋白位于细胞质中的位置比线粒体中的位置更多。研究表明,常见的GPx-1、SOD2和CAT多态性不会影响脑缺血后癫痫的总体风险及其耐药性。但另一些研究表明,谷胱甘肽转移酶(GSTs)的遗传多态性可能与进行性肌阵挛癫痫患者对氧化应激的易感性增强有关。说明GPx-1基因多态性与癫痫病的发展密切相关,受到多种因素影响,仍需进一步探究。阐明GPx-1在癫痫发病过程中的作用,具有重要意义。

图3 GPx-1影响癫痫病的作用机制

4 GPx-1对脑梗死的影响

脑梗死是指患者脑部的动脉血管堵塞,导致其供血区域缺血、缺氧发生坏死,引起神经元功能障碍,属于脑缺血性疾病。缺血再灌注反应的关键因素之一是氧化应激的增加,促进了缺血后大脑的微血管损伤和组织损伤。GPx-1 在保护神经细胞以响应缺血再灌注损伤期间的极端氧化应激方面具有重要作用,其缺乏增强了氧化应激,这导致了特定时间的缺血性的脑损伤,当氧化应激水平被调节后,野生型和GPx-1敲除小鼠的脑灌注没有差异,说明氧化应激很可能是脑梗死的致病原因之一。GPx-1基因过表达降低了缺血后脑损伤的易感性。GPx-1的主要功能之一是调节微血管内的ROS。因此GPx-1能够通过调节微血管内氧化剂介导的损伤,从而保护大脑缺血再灌注,进一步证明氧化应激在疾病发展过程中的重要性。功能性GPx-1在神经炎症时的细胞免疫级联反应中起着关键作用,其缺失加重了脑梗死中的免疫缺陷。Wong等人发现,GPx-1敲除小鼠的脑缺血明显大于WT小鼠。缺血损伤导致内皮细胞中基质金属蛋白酶-9(MMP-9)的表达。这一发现表明,GPx-1的缺失使血管氧化损伤,增加了MMP-9的表达,进一步导致缺血再灌注损伤,激活炎症细胞,诱发炎性细胞因子和细胞黏附分子过度表达,后者进一步激活炎症细胞,产生炎症级联反应,促进脑梗死的发展。

Sheldon等人证明,未成熟的大脑GPx活性较低,更容易受到氧化损伤。H2O2是新生儿缺氧缺血的关键因素。而炎症和抗氧化途径的多态性可能与新生儿缺氧缺血损伤后脑损伤的严重程度有关。GPx-1是四聚体蛋白,因此在杂合子中,GPx-1的活性可能受到组成四聚体的不同亚基的影响。这也可能解释了文献中报告的评估血液样本中GPx总活性的对比数据。日本在一项针对173名Ⅱ型糖尿病患者的小型研究中,GPx-1基因中的Pro198Leu多态性被发现是一种远端对称性多发性神经病和大血管疾病中的诱发因素。另有研究表明GPx-1 Pro198Leu多态性与Ⅱ型糖尿病患者远端对称性多发性神经病之间没有关联。很难解释研究之间的差异,可能部分原因是患者自身差异。在一些人群中报道Pro198Leu的多态性变体与心血管疾病没有显著关联,但亚洲的研究报告了这种关联。这种差异可能是由于不同人种之间的遗传差异所致。GPx-1在周围神经病变中发挥作用的可能机制之一是与氧化应激相关的血管内皮功能障碍导致的周围神经微循环受损。氧化应激升高导致的直接神经损伤也是可能的。推测GPx-1基因多态性与脑梗死的致病机制之间存在关联。因此,探究GPx-1与脑梗死之间的关系,对预防及治疗脑损伤具有重要意义。

图4 GPx-1影响脑梗死的作用机制

总结与展望

GPx-1作为一种抗氧化酶,其缺失带来的氧化应激被认为是多种疾病的主要致病因素之一。研究证明GPx-1只在某些状态下对疾病的发展产生影响,因此,研究基因多态性以及在不同发展阶段该基因对疾病的影响具有重要意义。GPx-1作为神经调节剂的新潜力已被广泛研究。GPx-1诱导可能对精神刺激剂(即可卡因和MA)诱导的药物中毒具有保护作用。GPx模拟物或诱导物,可能是增强神经保护潜力的一种新的治疗干预手段。综上所述,GPx-1可能在预防与神经退行性疾病相关的有害因素方面具有重要作用,其作为神经调节剂的特定分子/细胞机制有待进一步研究。