羰基的毒性与神经系统变性病

张 颖， 邓 晖综述， 胡林森审校

大量数据显示，反应性羰基作为氧化损伤的神经毒性介质涉及许多神经系统变性疾病的进展。脂质、碳水化合物及蛋白质的氧化导致羰基及羰基加成物的形成，这些产物包括脂质衍生的羰基(4-hydroxy-trans-2-nonenal，HNE)、糖类衍生的羰基(advanced glycation end products，AGEs)及蛋白质起源的羰基等，它们能不可逆地烷基化及交联蛋白质。作为氧化损伤的产物及传播者，毒性羰基在疾病中的作用逐渐被阐明。羰基通过修饰细胞亲核基团及破坏细胞动态平衡在神经变性病的发病机制中发挥重要作用。本文综述羰基的生物学作用，探讨导致羰基毒性的化学通路及羰基的解毒机制。

1 反应性羰基的生物学作用

1.1 HNE HNE是脂肪族 α-和 β-不饱和醛，在神经系统变性病中是被最广泛研究的毒性羰基。在6-OHDA处理的PD动物模型中，在疾病的早期即显示脂质过氧化产物HNE增加［1］。在AD脑内淀粉样β肽诱导脂质过氧化产物HNE及丙稀醛的形成，二者可进一步发挥毒性作用［2］。在原代神经元、成神经细胞瘤细胞、胶质细胞及突触体中HNE可影响许多细胞功能［3］。

HNE可与大量膜蛋白加成，导致膜蛋白构造、膜双分子层秩序及运动性的改变，因此改变许多膜运输蛋白的活性。将海马和皮质神经元及皮质突触体暴露于HNE，可引起葡萄糖摄取的抑制及葡萄糖运输蛋白GLUT3的HNE加成。HNE可烷基化谷氨酸盐运输体GLT1，阻碍将谷氨酸盐运输至大鼠皮质突触体及皮质星形胶质细胞［4］。有意义的是，在AD脑内可观察到谷氨酸盐运输的抑制，在顶叶HNE与GLT1共扼结合的程度更为广泛［5］。

除了对浆膜蛋白的作用外，HNE还可干预线粒体的功能。在皮质突触体和PC12细胞，HNE能诱导线粒体的抑制［6］。此外，HNE还可影响细胞骨架蛋白的结构和功能。如在神经2A细胞，HNE引起神经突生长的抑制及微管网络的破坏。低浓度HNE(5～20μmol)处理15min后，即观察到微管的破坏，而此时缺乏细胞毒作用，提示微管对HNE尤为易感［7］。在P19神经胶质细胞培养中，低浓度HNE导致tau电泳迁移率的改变［8］。

1.2 AGEs AGEs在神经系统变性病尤其是PD的发病机制中发挥关键作用。Munch等研究显示，AGEs自身可沉积在PD的病理标志物如包含体中，也可以强烈地交联细胞内的中间纤维及α-synuclein形成的蛋白沉积物，从而促进包含体的形成［9］。此外，细胞内的AGEs可交联细胞骨架蛋白并引起细胞骨架蛋白的不溶解。细胞骨架蛋白的沉积抑制细胞的功能(如运输过程)，并促进神经元功能的紊乱及死亡。在模型系统中AGEs的应用可诱导进一步的氧化损伤［10］。细胞外的AGEs可聚集在老年斑中，对神经元施加慢性氧化应激。此外，AGEs可刺激胶质细胞产生自由基及神经毒细胞因子(如 TNF-α)［11］。AGEs修饰的 BSA增加动物卒中模型的梗死体积［12］。可见，羰基的形成可能通过AGEs的形式导致进一步的氧化损伤。

1.3 蛋白结合羰基 2001年Aksenov及其同事对羰基修饰尤为易感的特定蛋白质进行了鉴定。对AD及对照组脑组织蛋白质的对照研究发现，β-肌动蛋白、β-微管蛋白及肌酸激酶BB对羰基修饰敏感。这些发现支持2000年Aksenov等的研究［13］，即与对照组比较AD脑中肌酸激酶BB的活性降低并被羰基修饰。在AD及PD模型中亦发现了α-烯醇酶中特定羰基水平的增加及α-烯醇酶的活性降低，提示蛋白结合羰基可抑制蛋白质的活性、影响其行使正常的生物学功能［14，15］。又如，泛素羧基末端水解酶(UCH-L1)的羰基修饰与散发PD及AD的发病机制直接相关［16］。探索抑制羰基形成的抗氧化剂在神经变性病治疗中的作用日益受到重视。

2 中枢神经系统羰基的解毒机制

前面描述了脑内羰基的毒性作用，而羰基的解毒机制同样重要。羰基可通过Ⅰ相和Ⅱ相两种机制被代谢。毒性羰基清除的减少可能在PD及其它神经变性疾病的发病机制中发挥重要作用。

2.1 Ⅰ相代谢酶 直接还原或氧化羰基的α-酮部分是一个显著降低羰基电子去除特性的解毒步骤。羰基到醇的还原反应由α-酮还原酶(AKR)和乙醇脱氢酶(ADH)催化。乙醛氧化为羧酸由乙醛脱氢酶(ALDH)和乙醛氧化酶催化。

2.1.1 醛糖还原酶 人类的醛糖还原酶利用NADPH以不同的功效催化许多含羰基分子的还原反应。醛糖还原酶在人大脑皮质、海马、纹状体、黑质及小脑神经元内表达。乙醛还原酶AKR7A2最初是从人脑提纯的，它可催化琥珀酸半醛形成γ-羟基丁酸(GHB)，GHB是GABA的一种降解产物［17］。已经在神经胶质细胞、核膜及突起中发现了AKR7A2的染色。在AD及路易体痴呆患者，作为反应性神经胶质增多及小胶质激活的结果，额叶、嗅区皮质及海马中AKR7A2免疫反应性升高［18］。

2.1.2 乙醛脱氢酶(aldehyde dehydrogenase，ALDH)ALDH可将醛氧化为羧酸，从而发挥对羰基的解毒作用。与细胞内毒性醛代谢有关的ALDH有3种。ALDH1存在于胞浆;ALDH2存在于线粒体基质;ALDH3存在于胞浆及微粒体间隔中。所有这3种酶均可代谢HNE。在对照组或AD患者的大脑皮质及海马，ALDH2只存在于神经胶质细胞［19］。这一发现提示在这些脑区神经元的线粒体缺乏解毒活性醛的基本机制。在老年斑中ALDH2的表达升高，ALDH2的免疫组化染色与反应性星形胶质细胞及小胶质细胞共定位。AD患者大脑皮质ALDH2活性较对照组增高这一事实也支持这些发现。

神经胶质内ALDH2增高可能在涉及脂质过氧化的神经变性病的发展中具有重要意义。在东方人群中，ALDH2活性的缺失是由基因碱基对的改变引起，这导致ALDH2的失活。新近研究证实，在日本含ALDH2×2等位基因的个体患AD 的风险性增加［20］。

2.2 Ⅱ相代谢酶 谷胱甘肽转移酶(GSTs):Ⅱ相解毒是一条主要的细胞保护路径。GSH与含羰基的亲电子中心结合的反应由GSTs催化。人类GSTs含有8种同工酶。尽管GSTs在亲电子物质的解毒中有重要作用，但只是在最近才开始对GSTs在脑组织中的特定表达及其与神经变性疾病的关系进行研究。已有研究证实与对照组比较AD脑中GST的总活性降低［21］。

Sidell研究显示［22］，在人类中脑、大脑皮质及基底神经节中缺乏GST A的免疫活性。GST Pi定位于灰质及白质神经胶质细胞。GSTμ免疫反应性定位于灰质神经胶质细胞而非白质。在黑质、纹状体、苍白球及丘脑神经元内发现了GSTμ的免疫反应。在另一研究中，GST A4-4定位于人脑神经元，但未给出这些免疫反应阳性神经元的进一步定位。

3 总结

对AD和PD的实验研究及患病脑区的尸检研究均提示羰基水平的升高。脂质、还原糖及蛋白质的氧化导致羰基及羰基加成物的形成，这些含羰基的物质本身就具有毒性作用，并且又通过各种复杂的生化反应产生进一步的毒性作用。幸运的是，体内存在羰基的天然解毒机制。这提示我们可以从羰基毒性作用的化学通路中探讨神经变性病的致病机制，并且可以从提高羰基解毒机制活性的角度开发药物治疗的新靶点。

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