血红素加氧酶-1可能的视网膜视神经保护作用

顾瑞平 姜春晖

血红素加氧酶-1可能的视网膜视神经保护作用

顾瑞平 姜春晖

血红素加氧酶（HO）是血红素代谢途径中的限速酶，在体内分布广泛。该代谢不仅清除机体内细胞毒性的血红素，其伴随产物一氧化碳、胆绿素、铁/铁蛋白均在机体发挥重要的抗氧化、抗凋亡、抗炎症等效应，因此HO系统作为机体重要的防御系统被人们认识。视网膜组织中HO含量丰富，可以减轻视网膜组织对光刺激、缺血缺氧、氧化应激等危险因素的损伤，本文主要探讨HO-1可能的视网膜视神经的保护作用。

视网膜组织中血红素加氧酶（heme oxygenase，HO）含量丰富，可以减轻视网膜组织对光刺激、缺血缺氧、氧化应激等危险因素的损伤，本文总结近年来发表的相关文献，综述HO-1可能的视网膜视神经保护作用及作用机制。

1 HO-1代谢活性

HO是血红素代谢途径的限速酶［1］，使血红蛋白或者其他含有血红素蛋白质中的血红素降解成胆绿素。该反应中，HO、胆绿素还原酶、NADPH-细胞色素P450还原酶形成复合物，在NADPH-细胞色素P450提供电子的情况下，催化血红素降解为胆绿素，同时释放铁（iron，Fe）、一氧化碳（carbon monoxide，CO），胆绿素经胆绿素还原酶催化为胆红素。该反应不仅清除具有氧化活性的血红素，同时代谢生成的胆绿素、Fe、CO均被证实在机体发挥重要的抗氧化、抗凋亡、抗炎症活性。

2 HO-1的分布和表达

迄今为止，已经发现了3种HO同工酶。HO-1为诱导型，在脾脏、骨髓、肝脏、视网膜、肺、胃肠道、肾脏等部位均有分布［2］。HO-1在视网膜含量也非常丰富，在视网膜色素上皮细胞［3］、米勒细胞［4］、小胶质细胞、神经元等均发现HO-1的表达［5］。HO-2和HO-3为结构型蛋白，其表达不会被诱导，主要分布在肝脏、脾脏。

HO-1由288个氨基酸构成，组氨酸-25是含铁血红素结合位点，该位点的双螺旋结构域形成套样结构［6］。各种HO-1诱导因素，如氧化活性产物（reactive oxygen species，ROS）、LPS、血红素、重金属离子、氧化活性物质、血管内皮细胞生长因子（vascular endothelial cell growth factor，VEGF）等与细胞膜上相应的受体结合后，激活蛋白质磷酸化信号通路丝裂原活化蛋白激酶（mitogen activated protein kinases，MAPKs）［7］或磷酸肌醇3-激酶（phosphatidylinositol 3-kinase，PI3K）［8］、蛋白激酶C（protein kinase C，PKC）等，使具有SH结构域的keap1蛋白磷酸化而与核转录因子E2相关因子（NF-E2 related factor-2，Nrf2）解离。游离的Nrf2具有转录活性，进入细胞核取代和HO-1转率调控基因StRE结合的Bach1蛋白后，启动HO-1基因转率［9］。同时研究发现，白细胞介素10（interleukin-10，IL-10）、VEGF等可以直接与细胞膜信号转导子和转录启动子（signal transductors and activator of transcription，STAT）受体结合，由STAT直接上调HO-1的表达［10］。LPS等被证实也可以通过与TLR-4（toll-like receptor 4）结合上调HO-1表达［11］。

3 HO-1的视神经保护功能

HO-1对视网膜的保护功能跟其分解血红素为胆绿素，同时产生CO、Fe密切相关，因为3种产物均发挥重要、独特的视神经保护功能，下面将分别从3种产物角度，阐述HO-1的保护机制。

3.1 CO与视网膜的保护功能 机体内的CO主要靠HO代谢血红素产生，大量的实验表明CO作为细胞信使分子通过信号转导发挥重要的抗氧化、抗增殖、抗凋亡、抗炎症、扩张血管改善组织缺氧等功能。

HO-1来源的CO激活血管平滑肌细胞的鸟苷酸环化酶（guanylate cyclase）生成大量的cGMP来调节血管舒张，也可以激活钙依赖性的钾离子通道扩张血管［12］。组织结构和生理功能与血管相似的小梁网房水引流系统的舒张也受HO-1/CO系统调节。α-糜蛋白酶和倍他米松诱导的高眼压可以被HO-1缓解，而实验发现水溶性CO释放分子（CO-releasing compounds，CORMs）前房给药可以模拟HO-1降眼压功能，提示HO-1的降眼压功能是通过代谢产物CO实现的［13］。

HO-1/CO系统在视网膜主要通过p38MAPK途径激活核转录因子（nuclear factor kappa-B，NF-κB）调节炎症、凋亡、氧化相关的细胞因子，而发挥抗凋亡、抗炎症、抗氧化功能。HO-1转基因小鼠与野生型小鼠相比，在视网膜缺血再灌注损伤中，视网膜神经节细胞（retina ganglia cell）死亡率在1、2、3周平均下降15％［14］。视网膜缺血再灌注后6 h，HO-1的表达开始上调，24 h达到高峰［4，14］。钴卟啉（cobalt protoporphyrin IX，Copp，HO-1诱导剂）腹腔给药可诱导视网膜HO-1表达，同时上调视网膜组织中IL-10，Bcl-2，Bcl-XL，p53而下调TNF-α，caspase-3，p53，NF-KB，ICAM-1，VCAM-1，GM-CSF等因子，显著减轻视网膜缺血再灌注损伤，卟啉锌、卟啉锡（Znpp、Snpp，HO-1抑制剂）或SiRNA干扰HO-1表达后，视网膜缺血缺氧性损害加重［15］。腺病毒介导HO-1转染神经节细胞后，神经节细胞抗氧化、抗缺血缺氧能力显著提高［16］。HO-1对视网膜的保护功能可以被内源性CO替代。法国学者Szabo等将富含黄酮类化合物的酸樱桃种子喂养大鼠诱导生成内源性CO可以发挥HO-1样视网膜抗氧化、抗凋亡、抗炎症能力［17］。HO-1/CO系统还可以抑制caspase-3等凋亡相关因子减少视网膜脱离后感光细胞的凋亡，减少光损伤对视网膜色素上皮细胞的损害等［18］。

3.2 胆绿素胆红素保护功能 胆绿素是HO分解血红素后产生的可溶性绿色色素，在胆绿素还原酶的作用下转换为胆红素并分泌到细胞外，进入血液循环与白蛋白结合在肝脏代谢。1979年首先发现了胆红素能摄取有机溶剂中的1O2而认为其具有抗氧化能力。越来越多的实验证实胆绿素是HO血红素代谢途径中最强大的代谢活性产物，保护组织的氧化和炎症损伤。

胆绿素对眼睛的保护研究尚少。2011年Bellner等［19］对局部角膜给胆绿素处理角膜伤口，发现胆绿素可以促进角膜愈合，减少炎症反应，抑制血管新生等。HO基因缺陷小鼠相比之下角膜伤口愈合缓慢，炎症反应严重，而外源性胆绿素可以显著改善这一局面。在大鼠大脑中动脉缺血再灌注损伤模型中，高胆红素血症与对照组相比，显著减轻神经元的缺血再灌注损伤［20］。

3.3 HO来源铁离子及转铁蛋白保护功能 HO分解血红素释放的铁离子，可以通过加速脂质过氧化物反应链、催化一氧化氮（NO）依赖亚硝基硫醇反应等加速细胞生成ROS。而近年来发现，HO来源的铁离子在细胞内发挥重要的抗凋亡、抗氧化等功能。

HO分解血红素，释放出血红素活性中心的Fe及与Fe调节蛋白（iron regulation protein，IRP）结合，使得IRP与Fe蛋白mRNA解离，Fe蛋白mRNA才得以翻译。血红素预处理血管内皮细胞后，细胞抗氧损伤能力上调，伴随HO-1和Fe蛋白表达上调。Fe蛋白作为细胞的一种保护分子在体外实验被证实，认为铁离子诱导生成的Fe蛋白在HO依赖的细胞保护中占有重要比例。腺病毒诱导大鼠Fe蛋白重链高表达后，Fe蛋白通过减少细胞凋亡，减轻肝脏缺血再灌注损伤以及肝移植后组织损伤。视网膜中，Fe蛋白分布广泛，免疫组化证实Fe蛋白重链、轻链贯穿视网膜全层，以视网膜色素上皮层最为丰富，其次为感光细胞内节、外核层、外丛状层，内丛状层也有少量分布。2011年Picard等［21］用野生型HFt+/+和杂合子HTt+/-小鼠光刺激24 h后，HTt+/-小鼠出现显著的氧化损伤易感性，表现为视网膜凋亡细胞增多、外核层变薄、小胶质细胞和Muller细胞激活。视网膜光刺激2 h后，Fe蛋白的mRNA上调，12 h后开始下降，同时伴随HO-1mRNA的上升。基因水平发现，Fe蛋白重链基因与HO-1类似，其基因序列的抗氧化反应控制元件对氧化活性物质敏感，在促进Fe蛋白重链的表达同时抑制HO-1转录和翻译［22］，形成HO-1和Fe蛋白的负反馈调节。而游离的铁离子则可以通过激活P38MAPK途径活化NF-κB发挥抗凋亡功能，铁离子的抗凋亡功能能被铁离子螯合剂终止［23］。铁离子螯合剂或铁离子调节相关蛋白在年龄相关性黄斑变性、糖尿病视网膜病变、视网膜出血等疾病中提供了良好的治疗前景。

4 结语

HO系统是机体防御体系的重要组成部分。血红素、缺血缺氧、射线损伤、氧化应激、重金属等危险因子诱导HO-1表达上调，不仅分解细胞毒性的血红素，其伴随产物CO、Fe、胆绿素胆红素均可以发挥抗氧化、抗凋亡、抗炎症功能。视网膜作为全身血管分布最为丰富的组织之一，氧化应激、炎症反应密集，HO系统对视网膜视神经发挥重要的保护功能。

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2012-07-27）

（本文编辑 诸静英）

复旦大学附属眼耳鼻喉科医院眼科 上海 200031

姜春晖（Email：chhjiang70＠163.com）