血红素加氧酶1在阿尔茨海默病中的神经保护作用研究进展

王玉敏(综述)，王洪权(审校)

(赤峰学院医学院 赤峰学院附属医院 1肿瘤内科， 2神经内五科，内蒙古 赤峰 024005)

氧化应激损伤在阿尔茨海默病(alzheimer′s disease,AD)的发病机制和进展中发挥着重要的作用。AD发病机制的“Aβ学说”认为AD患者脑中存在广泛的氧化应激损伤，β淀粉状蛋白(Aβ)在特定脑区的聚集，介导氧化应激损伤在AD的发生和进展中发挥主要的作用。Aβ可以在体内和体外诱导氧化应激，而氧化应激可以增加Aβ的产生和聚集。最近研究显示，氧化应激促进Aβ的产生和聚集，反过来Aβ又诱导氧化应激，进而增加Aβ的产生，如此在氧化应激与Aβ之间形成恶性循环，促进AD的发生[1]。鉴于氧化应激在AD中的重要作用，针对抗氧化应激的治疗策略对AD的发生和发展是有效的治疗途径。

1 脑内的氧化还原反应稳态

在生理条件下，细胞通过活性氧类(reactive oxygen species，ROS)的产生和清除来维持氧化还原稳态。内源性和外源性途径参与细胞内ROS产生。细胞进化出酶性和非酶性抗氧化系统来清除ROS，进而维持氧化还原稳态。包括神经细胞在内的需氧细胞发展出了一套抗氧化酶系统，以保持ROS的产生和破坏之间的平衡。在这些酶中，血红素加氧酶(Heme Oxygenase-1,HO-1)是细胞抗氧化和细胞保护防御体系的一个重要组成部分。

2 HO-1的概述

2.1HO-1的生物化学特性 HO-1为最著名的抗氧化酶，Tenhunen等[2]首先确定其是一个参与肝细胞微粒体血红素降解的独特酶。HO-1是参与游离血红素降解的限速酶，催化血红素产生一氧化碳、胆绿素(快速地转化为胆红素)和游离铁。HO-1是一个重要的对氧化应激反应的细胞保护酶，进而使HO-1更多参与对抗氧化应激损伤。

HO-1的相对分子质量为32×103，在正常组织其表达水平较低，但在肝和肾较高水平表达，参与老化的或被破坏的红细胞的处理，并抑制卟啉引起的氧化损伤[2]。在脑内，应激早期HO-1表达会发生改变，原本低水平表达的HO-1可以被许多引起氧化应激的刺激诱导表达增加，这些刺激包括其底物血红素、重金属、细胞因子、紫外线、脂多糖、过氧化氢、生长因子、一氧化氮和一氧化碳[3]。事实上，HO-1最初是作为热激蛋白32被发现的，因为在应激条件下热休克因子可以通过激活HO-1启动子区域的热休克元件[4]。脑内HO-1的表达存在细胞类型依赖性，星形胶质细胞和小胶质细胞比神经元更早诱导表达HO-1[5]。

2.2HO-1在脑内的表达分布 HO-1在哺乳动物脑内的表达存在分布特异性。在正常未受应激的脑内，HO-1的表达量比较低，主要散在分布表达于神经胶质和稀疏分布于小脑浦肯野细胞、丘脑、下丘脑、脑干、海马齿状回和大脑皮质的神经元内[6]。相反，其同系物HO-2 mRNA和蛋白广泛分布于哺乳动物的脑内和脊髓内，并呈强阳性分布，而且在海马锥体细胞和齿状回、嗅上皮嗅球小脑颗粒细胞和浦肯野细胞层内高密度分布。

2.3HO-1的神经保护作用 大量证据表明，在体内和体外HO-1具有神经保护作用。各种毒性刺激后，诱导脑内神经元和非神经元HO-1的表达，星形胶质细胞较神经元表达HO-1量大。来源于过表达HO-1转基因鼠的小脑的颗粒细胞对谷氨酸和过氧化氢介导的氧化损伤相对不敏感[7]。转染HO-1 cDNA后，过氧化氢介导的成神经瘤细胞与对照细胞相比，前者细胞的氧化损伤程度较低[8]。最近研究表明，HO-1过表达可以升高脑源性神经生长因子和神经胶质源性神经生长因子的表达，进而保护神经元对抗1-甲基-4-苯基吡啶诱导的毒性损伤[9]。HO-1基因剔除鼠的星形胶质细胞对血红素的毒性反应增强[10]。在HO-1过表达的鼠脑缺血损伤后，脂质过氧化终产物的组织染色水平降低、Bcl-2的表达水平上升以及梗死灶较小[11]。HO-1在脑外伤、兴奋性损伤和脊髓损伤中也具有保护作用。

3 HO-1在AD中的作用

生理条件下，在脑内大多神经元HO-1表达水平较低，并分布于一小部分的神经元、星形胶质细胞和小胶质细胞[12]。正常脑内低水平表达的HO-1在病理条件下(包括AD)表达显著升高[13]。HO-1表达的升高，提示受累处遭受氧化损伤、细胞正在试图保持氧化还原稳态。

AD的主要病理解剖学的改变为：纤维状Aβ在细胞外沉积形成的老年斑和有tau蛋白过度磷酸化在细胞内形成的神经原纤维缠结，两个病理改变在基底前脑、海马和皮质联合区最为明显，最终导致进行性神经元变性和神经胶质瘤病。ROS参与Aβ级联、神经炎症和神经元死亡。Aβ沉积可以促进氧化损伤，氧化损伤又会导致一个神经元损伤和神经炎症。抗氧化治疗在AD中具有神经保护作用，然而，具有抗氧化作用的维生素在临床上的应用效果并不令人满意，表明需要更加有效地抗氧化治疗方法，即需要激活内源性神经元的抗氧化系统，如通过上调HO-1的表达。

HO-1参与细胞抗氧化损伤进程，成为神经保护的新靶标。HO-1在以脑氧化损伤和Aβ相关病理改变为特征的AD中发挥保护作用。研究显示，HO-1 mRNA水平在AD新皮质和脑血管升高HO-1与tau蛋白形成的神经原纤维缠结相关[14]。Aβ前体蛋白过表达的转基因鼠中可以再现HO-1在tau组成的神经原纤维缠结周围聚集，更加进一步证明了HO-1在临床和实验性AD中的作用[15]。Tau蛋白在体内或体外经泛素蛋白酶体系统降解，神经原纤维缠结中存在泛素化的tau蛋白。在AD中，脑内的蛋白酶体活性降低，在培养的细胞内Aβ抑制体外经泛素蛋白酶体系统[16]。瞬时转染HO-1可以促进tau蛋白经蛋白体降解，这一过程可以被HO-1抑制剂中卟啉或蛋白酶体抑制剂乳胞素所抑制。AD脑内HO-1表达上调，或许是来刺激失活的体外经泛素蛋白酶体系统，进而试图限制毒性的tau聚集体的聚集[14,18-19]。Takeda等[13]研究报道，HO-1可能通过多种机制来维持tau的水平，在神经母细胞瘤细胞转染人HO-1 cDNA，可以抑制tau的转录。糖原合酶激酶3β(glycogen synthase kinase-3β，GSK-3β)是一个与AD病理密切相关的丝氨酸/苏氨酸蛋白酶[19]。GSK-3β参与tau蛋白的异常磷酸化，导致神经原纤维缠结的形成[20-21]。研究显示，GSK-3β过表达可以通过抑制Nrf2，下调包括HO-1在内的二项酶蛋白[22-24]。因此，GSK-3β不但在tau磷酸化和Aβ前体蛋白表达必不可少，也对下调Nrf2/HO-1轴进而增加氧化应激损伤起重要作用。也有研究发现，升高的HO-1亦与老年斑共存，而HO-1似乎更在海马中与老年斑相关的星形神经胶质中过表达[25]。Aβ前体蛋白过表达的转基因鼠中HO-1在Aβ沉积物中的表达升高，这与AD患者脑内老年斑内的表达相似[15]。另有研究结果显示，Aβ可以剂量依赖性诱导HO-1的表达，提示HO-1的诱导表达增加可能是机体试图来缓解和抑制Aβ沉积诱导的氧化损伤[26]。

研究表明，AD患者存在大脑铁异常动员和线粒体的氧化损伤[27]。Schipper等[14]研究显示，Aβ处理大鼠星形神经胶质细胞，可以诱导HO-1表达，这种表达是非铁传递蛋白来源的铁在线粒体螯合的原因。表明能量处理障碍可以促进神经元损伤，损害诸如兴奋性神经递质(谷氨酸)从突触间隙的吸收的腺苷三磷酸依赖的进程[28]。最近的研究也表明，AD存血红素代谢的异常和改变[41]。

Aβ可以剂量依赖性诱导HO-1的表达[26]，暗示HO-1的诱导表达可能是机体试图来缓解和抑制Aβ沉积诱导的氧化损伤[15]。通过叔丁基对苯二酚药理学处理或用腺病毒/慢病毒转染Nrf2基因可以增强Nrf2/HO-1的活性，进而可以抑制Aβ介导的神经毒性损伤，提高AD模型小鼠的空间学习能力[29-30]。胆碱能激动剂可以促进HO-1表达上调。毒蕈碱M1受体通过蛋白激酶C和抑制GSK-3β来激活Nrf2[31]。地棘蛙素激活烟碱性受体，从而诱导HO-1表达，进而保护嗜铬细胞对抗氧化应激损伤[32]。这些研究表明，细胞抗氧化能力的增强参与胆碱拟似物对AD的治疗机制。

最近一些研究表明，通过药理学上调HO-1的表达在AD中具有神经保护作用，如加兰他敏(Galantamine)和一氧化碳即可通过上调HO-1的表达来保护微血管内皮细胞，因此乙酰胆碱酯酶抑制剂还具有另外的抗氧化价值[33]。Kavalactones通过Nrf2/HO-1轴来保护神经元对抗Aβ介导的神经毒性损伤[34]。HO-1在AD中保护细胞免受氧化损伤中发挥重要作用。前期研究表明，通过药理学途径上调HO-1的表达可以抑制Aβ 诱导的神经毒性损伤，这为HO-1参与抑制Aβ诱导的神经毒性损伤提供了直接的研究证据[35-37]。同时近期其他研究也证实了HO-1在AD中具有神经保护作用[34,38-40]。鉴于在AD中通过药理学途径上调HO-1表达可以抑制Aβ诱导的神经毒性损伤，具有神经保护作用，因此筛选具有调节HO-1的天然化合物有可能成为治疗AD潜在的新靶点。同时为探讨一些天然化合物新的保护作用机制开辟了新的研究方向。

4 小 结

HO-1发现的历史始于半个世纪以前，HO-1的保护作用历史研究也近20年，但其在AD中的作用未引起足够的重视，近年来研究者才关注HO-1在AD中的神经保护作用，鉴于HO-1在AD中保护作用，那么通过药理学途径调节Nrf2/ARE/HO-1通路具有神经保护作用，可以抑制Aβ和氧化应激 诱导的神经毒性损伤，因此调节Nrf2/ARE/HO-1通路有可能成为治疗AD潜在的新靶点。然而，HO-1在AD中的神经保护作用机制还有待于深入研究，与此同时，筛选出能够激活Nrf2、进而诱导HO-1表达的天然化合物具有应用前景，值得进一步研究。

[1] Shen C,Chen Y,Liu H,etal.Hydrogen peroxide promotes Abeta production through JNK-dependent activation of gamma-secretase[J].J Biol Chem,2008,283(25):17721-17730.

[2] Tenhunen R,Marver HS,Schmid R.The enzymatic conversion of heme to bilirubin by microsomal heme oxygenase[J].Proc Natl Acad Sci U S A,1968,61(2):748-755.

[3] Ryter SW,Alam J,Choi AM.Heme oxygenase-1/carbon monoxide:from basic science to therapeutic applications[J].Physiol Rev,2006,86(2):583-650.

[4] Muller RM,Taguchi H,Shibahara S.Nucleotide sequence and organization of the rat heme oxygenase gene[J].J Biol Chem,1987,262(14):6795-6802.

[5] Cabell L,Ferguson C,Luginbill D,etal.Differential induction of heme oxygenase and other stress proteins in cultured hippocampal astrocytes and neurons by inorganic lead[J].Toxicol Appl Pharmacol,2004,198(1):49-60.

[6] Baranano DE,Snyder SH.Neural roles for heme oxygenase:contrasts to nitric oxide synthase[J].Proc Natl Acad Sci U S A,2001,98(20):10996-11002.

[7] Chen K,Gunter K,Maines MD.Neurons overexpressing heme oxygenase-1 resist oxidative stress-mediated cell death[J].J Neurochem,2000,75(1):304-313.

[8] Was H,Cichon T,Smolarczyk R,etal.Overexpression of heme oxygenase-1 in murine melanoma:increased proliferation and viability of tumor cells,decreased survival of mice[J].Am J Pathol,2006,169(6):2181-2198.

[9] Hung SY,Liou HC,Kang KH,etal.Overexpression of heme oxygenase-1 protects dopaminergic neurons against 1-methyl-4-phenylpyridinium-induced neurotoxicity[J].Mol Pharmacol,2008,74(6):1564-1575.

[10] Chen-Roetling J,Benvenisti-Zarom L,Regan RF.Cultured astrocytes from heme oxygenase-1 knockout mice are more vulnerable to heme-mediated oxidative injury[J].J Neurosci Res,2005,82(6):802-810.

[11] Panahian N,Yoshiura M,Maines MD.Overexpression of heme oxygenase-1 is neuroprotective in a model of permanent middle cerebral artery occlusion in transgenic mice[J].J Neurochem,1999,72(3):1187-1203.

[12] Schipper HM.Heme oxygenase expression in human central nervous system disorders[J].Free Radic Biol Med,2004,37(12):1995-2011.

[13] Takeda A,Perry G,Abraham NG,etal.Overexpression of heme oxygenase in neuronal cells,the possible interaction with Tau[J].J Biol Chem,2000,275(8):5395-5399.

[14] Schipper HM.Heme oxygenase-1:role in brain aging and neurodegeneration[J].Exp Gerontol,2000,35(6/7):821-830.

[15] Smith MA,Kutty RK,Richey PL,etal.Heme oxygenase-1 is associated with the neurofibrillary pathology of Alzheimer′s disease[J].Am J Pathol,1994,145(1):42-47.

[16] Shastry BS.Neurodegenerative disorders of protein aggregation[J].Neurochem Int,2003,43(1):1-7.

[17] Schipper HM,Cisse S,Stopa EG.Expression of heme oxygenase-1 in the senescent and Alzheimer-diseased brain[J].Ann Neurol,1995,37(6):758-768.

[18] Premkumar DR,Smith MA,Richey PL,etal.Induction of heme oxygenase-1 mRNA and protein in neocortex and cerebral vessels in Alzheimer′s disease[J].J Neurochem,1995,65(3):1399-1402.

[19] Takashima A.GSK-3 is essential in the pathogenesis of Alzheimer′s disease[J].J Alzheimers Dis,2006,9(3 Suppl):309-317.

[20] Hanger DP,Betts JC,Loviny TL,etal.New phosphorylation sites identified in hyperphosphorylated tau (paired helical filament-tau) from Alzheimer′s disease brain using nanoelectrospray mass spectrometry[J].J Neurochem,1998,71(6):2465-2476.

[21] Lucas JJ,Hernandez F,Gomez-Ramos P,etal.Decreased nuclear beta-catenin,tau hyperphosphorylation and neurodegeneration in GSK-3beta conditional transgenic mice[J].EMBO J,2001,20(1/2):27-39.

[22] Rojo AI,Rada P,Egea J,etal.Functional interference between glycogen synthase kinase-3 beta and the transcription factor Nrf2 in protection against kainate-induced hippocampal cell death[J].Mol Cell Neurosci,2008,39(1):125-132.

[23] Rojo AI,Sagarra MR,Cuadrado A.GSK-3beta down-regulates the transcription factor Nrf2 after oxidant damage:relevance to exposure of neuronal cells to oxidative stress[J].J Neurochem,2008,105(1):192-202.

[24] Salazar M,Rojo AI,Velasco D,etal.Glycogen synthase kinase-3beta inhibits the xenobiotic and antioxidant cell response by direct phosphorylation and nuclear exclusion of the transcription factor Nrf2[J].J Biol Chem,2006,281(21):14841-14851.

[25] Schipper HM,Bennett DA,Liberman A,etal.Glial heme oxygenase-1 expression in Alzheimer′s disease and mild cognitive impairment[J].Neurobiol Aging,2006,27(2):252-261.

[26] Pappolla MA,Chyan YJ,Omar RA,etal.Evidence of oxidative stress and in vivo neurotoxicity of beta-amyloid in a transgenic mouse model of Alzheimer′s disease:a chronic oxidative paradigm for testing antioxidant therapies in vivo[J].Am J Pathol,1998,152(4):871-877.

[27] Beal MF,Mazurek MF,Tran VT,etal.Reduced numbers of somatostatin receptors in the cerebral cortex in Alzheimer′s disease[J].Science,1985,229(4710):289-291.

[28] Aschner M.Neuron-astrocyte interactions:implications for cellular energetics and antioxidant levels[J].Neurotoxicology,2000,21(6):1101-1107.

[29] Kanninen K,Malm TM,Jyrkkanen HK,etal.Nuclear factor erythroid 2-related factor 2 protects against beta amyloid[J].Mol Cell Neurosci,2008,39(3):302-313.

[30] Kanninen K,Heikkinen R,Malm T,etal.Intrahippocampal injection of a lentiviral vector expressing Nrf2 improves spatial learning in a mouse model of Alzheimer′s disease[J].Proc Natl Acad Sci U S A,2009,106(38):16505-16510.

[31] Espada S,Rojo AI,Salinas M,etal.The muscarinic M1 receptor activates Nrf2 through a signaling cascade that involves protein kinase C and inhibition of GSK-3beta:connecting neurotransmission with neuroprotection[J].J Neurochem,2009,110(3):1107-1119.

[32] Egea J,Rosa AO,Cuadrado A,etal.Nicotinic receptor activation by epibatidine induces heme oxygenase-1 and protects chromaffin cells against oxidative stress[J].J Neurochem,2007,102(6):1842-1852.

[33] Nakao A,Kaczorowski DJ,Zuckerbraun BS,etal.Galantamine and carbon monoxide protect brain microvascular endothelial cells by heme oxygenase-1 induction[J].Biochem Biophys Res Commun,2008,367(3):674-679.

[34] Wruck CJ,Gotz ME,Herdegen T,etal.Kavalactones protect neural cells against amyloid beta peptide-induced neurotoxicity via extracellular signal-regulated kinase 1/2-dependent nuclear factor erythroid 2-related factor 2 activation[J].Mol Pharmacol,2008,73(6):1785-1795.

[35] Wang HQ,Xu YX,Zhu CQ.Upregulation of heme oxygenase-1 by acteoside through ERK and PI3 K/Akt pathway confer neuroprotection against beta-amyloid-induced neurotoxicity[J].Neurotox Res,2012,21(4):368-378.

[36] Li L,Du JK,Zou LY,etal.Decursin Isolated from Angelica gigas Nakai Rescues PC12 Cells from Amyloid beta-Protein-Induced Neurotoxicity through Nrf2-Mediated Upregulation of Heme Oxygenase-1:Potential Roles of MAPK[J].Evid Based Complement Alternat Med,2013,2013:467245.

[37] Wang HQ,Sun XB,Xu YX,etal.Astaxanthin upregulates heme oxygenase-1 expression through ERK1/2 pathway and its protective effect against beta-amyloid-induced cytotoxicity in SH-SY5Y cells[J].Brain Res,2010,1360:159-167.

[38] Le WD,Xie WJ,Appel SH.Protective role of heme oxygenase-1 in oxidative stress-induced neuronal injury[J].J Neurosci Res,1999,56(6):652-658.

[39] Ma W,Yuan L,Yu H,etal.Genistein as a neuroprotective antioxidant attenuates redox imbalance induced by beta-amyloid peptides 25-35 in PC12 cells[J].Int J Dev Neurosci,2010,28(4):289-295.

[40] Tanaka A,Hamada N,Fujita Y,etal.A novel kavalactone derivative protects against H2O2-induced PC12 cell death via Nrf2/ARE activation[J].Bioorg Med Chem,2010,18(9):3133-3139.

[41] Atamna H,Frey WH 2nd.A role for heme in Alzheimer′s disease:heme binds amyloid beta and has altered metabolism[J].Proc Natl Acad Sci U S A,2004,101(30):11153-11158.