环氧化酶5a在神经疾病治疗中的研究进展

李登贺 金 华 李艳华

(昆明理工大学医学院，云南 昆明 650500)



环氧化酶5a在神经疾病治疗中的研究进展

李登贺 金 华1李艳华1

(昆明理工大学医学院，云南 昆明 650500)

Cox5a；神经疾病

神经疾病是指一组由慢性进行性的中枢神经组织退行性变性而产生的疾病的总称，如运动失调的帕金森疾病(PD)、老年性痴呆的阿尔茨海默病(AD)、亨廷顿病(HD)、肌萎缩侧索硬化症(ALS)等。本文对环氧化酶(Cox)5a在神经疾病治疗中的研究进展作一综述。

1 Cox5a的分子生物学

Cox5a(Va)是Cox的一个亚型，Cox5a和Cox5b共同组成亚基Cox5，参与组装Cox〔1〕。Cox是线粒体呼吸链氧化磷酸化过程的限速酶，直接参与线粒体氧的利用和能量产生，它位于线粒体内膜上，有多个亚基组成的酶分子，其中包括3个大亚基Cox1、Cox2、Cox3,它们由线粒体DNA编码，构成级联反应的核心，序列高度保守,而Cox5a不同于Cox1、Cox2、Cox3,它和其余9个小亚基共同由核DNA编码，基因分别定位于9条不同的染色体上，在胞质内翻译后转运到线粒体参与装配，具有明显的器官和种族差异〔2〕,小鼠的Cox5a基因约11 196 bp,人的Cox5a基因约17 880 bp,而酵母的Cox5a基因约462 bp。

早期人们对Cox5a基因的研究是在酵母中，Cox5a是细胞色素C氧化酶亚基Ⅴ的一个编码基因，它与Cox5b分别形成细胞色素C的两种不同的形式。运用单克隆技术揭示了Cox5a基因编码的蛋白质有153个氨基酸，通过分析Cox5a基因的编码区域序列，显示了一个独立的不间断开放的153个密码子结构，由于已断定氨基(NH2)末端的成熟亚基Ⅴa的序列氨基酸，因此预测到有一个分子量为17 139的初级翻译产物亚基Ⅴa前体。另外，Cox5a和Cox5b的编码序列虽然有67%的核苷酸和66%的蛋白质同源〔3〕，但是，利用基因重新组合的实验技术，发现Cox5a在全酶基因的组装和功能方面做出的贡献比Cox5b更大更有效〔4〕，在突变亚基Ⅴ中插入Cox5a基因能够补偿突变并能够恢复细胞色素C氧化酶的活性〔5〕。值得注意的是，Cox5a基因的表达受氧浓度的调控，氧浓度达到0.5 μmol/L时，Cox5a得以表达，而 Cox5b则在氧浓度小于0.5 μmol/L的情况下才能表达，是厌氧基因。Cox的活性是由Cox5a和Cox5b的量、比例和Cox的分子量来决定的〔6〕，在呼吸作用中，氧正常的情况下，Cox5a表现出比Cox5b更有效地增加Cox的活性〔7〕。在哺乳动物细胞中，Cox复合物组装的第一步是Cox1膜的融合，接着耦联Cox4-Cox5a异源双核体，亚基Cox5a直接结合亚基Cox1，在研究人类Cox复合物的组成和功能中，得知低量的Cox5a导致Cox的活性降低、需氧酶的亲和力降低、Cox二聚物水平降低、Cox的子复体的积累增加和呼吸链的超复体的格局改变增高。Cox的缺陷归咎于Cox5a和Cox6a1缺乏，影响呼吸链超复体的形成〔8〕。氧化磷酸化是哺乳细胞重要的代谢途径，神经细胞完全依靠氧化磷酸化合成三磷酸腺苷(ATP)，Cox的损伤将直接影响能量代谢，导致能量产生受阻、呼吸链大量产生自由基，而作为Cox的成分Cox5a参与形成氧化磷酸化的全酶〔9，10〕，因此Cox5a的失调将对神经系统疾病造成一定威胁。

2 Cox5a与神经疾病

线粒体能量代谢障碍在缺血、神经毒性物质等引起的急性脑损伤及AD、PD、HD等慢性神经退行性疾病的病理过程中都扮演着至关重要的角色。引起线粒体能量代谢的因素有很多，其中Cox功能失调是引起了许多与能量相关的疾病的基础缺陷，大量显著的Cox缺陷经常与其他呼吸链酶缺乏有关，这都有利于线粒体DNA突变，尽管如此，在早期的疾病中，线粒体DNA的突变并不普遍，家谱分析和细胞融合实验表明核基因参与一些早期事件的发生〔11〕，典型的Leigh综合征就是有核DNA突变引起的一种先天能量代谢错误的神经变性失调的亚急性坏死脑脊髓炎疾病，在这个疾病中Cox5a参与调解，然而Cox5a的相关机制并不是很清楚〔12〕。但是，在多年来的研究〔2〕中，许多神经疾病都伴随有Cox5a的变化，可推想Cox5a在神经疾病中起到的作用应该是举足轻重的。

2.1 神经疾病中Cox5a的表达下调 Cox是一种内源性代谢物标志物，Cox5a作为Cox组装成分，也经常在研究神经疾病的能量代谢中作为参考，它与脑神经元能量代谢有着密切关系。正常情况下Cox5a的表达与神经元的功能水平相一致，并随着神经元功能状态的改变而发生变化，可以作为细胞和整体水平研究脑功能的重要指标。很多的研究〔9,10,13〕报道指出多种中枢神经系统疾病均显示出Cox5a表达的下调，进而引起能量调节失衡，以至于神经元能量无法满足而导致疾病产生。

在研究凝溶胶蛋白的表达对AD患者的线粒体呼吸链活性影响中，Antequera等〔14〕以Cox复合物Ⅳ和Cox5a的表达作为判断线粒体呼吸链活性的指标。分别对4个淀粉样前体蛋白(APP)/早老素(Ps)1小鼠的大脑皮质组织进行处理，分为空白对照组、注射有获得性免疫缺陷综合征病毒携带(HIV-vv)组、注射携带凝胶蛋白的获得性免疫缺陷综合征病毒(HIV-gel)和注射空载凝胶蛋白的获得性免疫缺陷综合征病毒(HIV-sigel)组，采用非变形聚丙烯酰胺凝胶EP迹和条形图分析，结果发现HIV-凝溶胶蛋白处理组复合物Ⅳ活性增加、Cox5a表达增加，干扰组Cox5a却减少。凝溶胶蛋白使AD患者中的Aβ减少，而Aβ是导致AD的祸首，在此疾病中，Cox5a表达下调，使Cox的活性降低，从而导致线粒体呼吸链活性失调。而在正常的脑老化和AD疾病患者的细胞自噬调节机制中，研究人员通过实验分析和对照，证明在AD患者中，Cox5a 的下调导致活性氧(ROS)积累，从而诱导细胞自噬异常，导致正常的细胞自噬功能紊乱〔15〕。无论其作用机制如何，这两项研究都说明在AD中，Cox5a的表达下调。

同样，Yin等〔16〕在研究中药对急性心肌梗死的治疗过程中，选中线粒体氧化磷酸化作为目标路径。并且，两个与能量代谢有关的基因,Cox5a和ATP5e,被选为靶基因，可见Cox5a在急性心肌梗死患者中的变化是比较显著的，采用实时定量基因扩增荧光检测系统(Q-PCR)检测目的基因Cox5a mRNA的改变，通过比色实验测得相关酶的活性，结果表明在急性心肌梗死模型中，也有Cox5a表达下调现象，Cox5a的下调表达诱导刺激局部缺血性心肌细胞凋亡，而通过药物处理后，Cox5a表达上调，实验表明药物通过上调Cox5a的表达水平和细胞色素C氧化酶的活性来减弱线粒体钙离子的过量，达到治疗急性心肌梗死的目的，从侧面也说明了在急性心肌梗死疾病中Cox5a的表达是下调的。在PD中，Cox5a的表达同样表现为下调趋势〔17〕，Lu等〔18〕在研究糖尿病的蛋白质组学时也表现与能量相关的Cox5a的表达下调。由此可见，在神经疾病的发生过程中，Cox5a下调导致Cox活性降低，从而引起神经疾病的发生，所以上调Cox5a基因的表达成为治疗神经疾病的一个手段。

2.2 在神经疾病中Cox5a的作用 Cox5a构成了Cox的催化中心，参与线粒体氧化磷酸化途径，Cox5a的调节直接影响整个呼吸链的功能作用。脑老化是一种学习能力逐渐下降与部分记忆的渐渐丧失的过程，期间伴随着Cox5a的下调，其朝着恶性方向发展的一定阶段，可能会演变成一些常见而棘手的疾病，如AD、PD及其他一系列老化相关的疾病。神经疾病中Cox5a的表达是下调的，众多的研究〔15，17〕表明增加Cox5a的表达对于神经修复的调节具有一定的积极意义。

魏宏亮〔19〕建立SD大鼠部分去背根神经可塑性模型，利用降钙素基因相关肽(CGRP)标记脊髓Ⅱ板层神经膨体，计数CGRP阳性神经膨体数量变化，并利用对照实验，免疫荧光组化技术，同时进行压爪甩尾痛觉检测，通过Cox5a干扰前后对比，结果表明Cox5a干扰前，通过电针刺治疗在28 d的时间痛温觉传导通路接近于正常水平，而Cox5a干扰后，其痛觉阈值增高，体内的神经修复困难，影响感觉传导通路的再建立。而此实验间接地说明，当机体受到伤害性损伤或刺激时，损伤区细胞的能量代谢增强，使Cox5a表达增多，增多的Cox5a使局部ATP产生增多，增多的ATP对神经修复具有促进作用，再者，增多的Cox5a可以使脊髓Ⅱ板层中的CGRP出芽增多，而增多的CGRP对脊髓损伤后神经的可塑性具有促进作用，而当Cox5a被干扰后，CGRP出芽减少，表明Cox5a在脊髓损伤神经修复的过程中是通过调节CGRP的合成来实现的。

与此同时，在习杨彦彬〔20〕研究Cox5a及其关联的电压门控钠通道(SCN)2B在小鼠脑老化中的作用及其相关机制的过程中，了解到Cox5a在脑老化过程中，对于学习记忆能力的调节都发挥着重要作用。采用全身过表达Cox5a转基因小鼠，逆转录-聚合酶链反应(RT-PCR)和蛋白质印迹法的方法，利用水迷宫检测学习记忆能力，用神经电生理技术检测海马长时程增强(LTP)，进行Cox5a免疫组织化学染色。结果显示，Cox5a上调至正常的58%时就可以明显改善转基因小鼠的学习记忆能力，其机制可能在于Cox5a的表达增加促进海马神经元的突触兴奋性，增加海马神经元树突的密度，代偿脑老化过程中神经营养因子及其下游信号分子的缺失或线粒体功能缺陷，与此同时还发现，当Cox5a上调时，SCN2B下调，而SCN2B在脑老化引起的认知功能的减退过程中具有促进作用，可见Cox5a可以抑制认知功能的减退。在Cox5a转基因小鼠中，过表达的Cox5a小鼠中局部脑区的上调保护性因子类胰岛素生长因子(IGF)-1的水平显著上调，而糖原合成酶激酶(GSK)-3β明显下调，推测Cox5a可能通过上调IGF-1的水平来发挥其神经保护作用，同时降低GSK-3β的基因表达水平，改善记忆能力。在AD中，Cox5a的过表达降低海马中碱性成纤维细胞生长因子(bFGF)的表达、代偿神经元线粒体的功能障碍、改善学习记忆能力。

无论是在脊髓损伤的修复还是在调节脑神经元的功能上，都有说明Cox5a在能量代谢上发挥着一定的作用。在黑质纹状体多巴胺神经元退化导致纹状体多巴胺缺陷的PD中，Agrawal等〔21〕在蛋白组学上，就氯氰菊酯改变其线粒体功能的研究过程中，报道Cox5a的增加对于调节能量代谢具有很大的作用，Cox5a的异常调节导致ATP消耗、无用的激进分子增加和细胞凋亡，使用药物治疗后检测到Cox5a增加，说明Cox5a的调节可能对于神经功能的恢复是必不可少的一个因子，但它是否真的在PD的治疗中起到内在直接作用，目前并没有相关可靠的证据。

很多研究〔13～16〕表明在神经疾病中Cox5a基因确实是表达下调，也有研究〔18～21〕表明能够通过上调Cox5a来修复神经元，在神经疾病中起到一定积极的作用，但Cox5a的表达调控机制仍需要研究。伴随着Cox5a检测方法和实验技术的提升，可能发现更多的神经疾病中更详细的Cox5a的信息，为Cox5a 基因作为治疗神经疾病的理想靶点提供更有利证据。

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19 魏宏亮.Cox5a在去背根大鼠神经可塑性及其针刺中的作用〔D〕.昆明：昆明医科大学,2012.

20 习杨彦彬.Cox5a及其关联SCN2B在小鼠脑老化中的作用及相关机制的研究〔D〕.昆明：昆明医科大学，2013.

21 Agrawal S,Singh A,Tripathi P,etal.Cypermethrin-induced nigrostriatal dopaminergic neurodegeneration alters the mitochondrial function:a proteomics study〔J〕.Mol Neurobiol,2015;51(2):448-65.

〔2015-09-17修回〕

(编辑 苑云杰/王一涵)

云南省科学技术联合专项(2013FZ298)

李艳华(1966-)，女，教授，硕士生导师，主要从事神经生物学研究。

李登贺(1989-)，女，在读硕士，主要从事神经生物学研究。

R741.05

A

1005-9202(2016)21-5463-03；

10.3969/j.issn.1005-9202.2016.21.112

1 云南省第一人民医院麻醉科