脑红蛋白的生物功能研究和临床应用进展

马 勇，胡元威，刘志武，杨 彤

脑红蛋白的生物功能研究和临床应用进展

马 勇，胡元威，刘志武，杨 彤＊

自从脑红蛋白被发现以来，其基因序列、分子结构和分布特征逐渐被大家了解。作为一类新型的内源性保护分子，脑红蛋白具有供氧、抗氧化应激、抗凋亡、清除自由基等多种生物功能。通过干预其表达改善疾病的预后，将为临床许多疾病的治疗来带新的希望。拟从脑红蛋白的生物功能和临床应用方面对其阐述。

脑红蛋白；表达机制；保护作用；临床应用

2000年，德国学者Burmester发现广泛存在于人和小鼠脑内的一类新的携氧球蛋白——脑红蛋白（neuroglobin，NGB），其在脊椎动物的中枢和外周神经系统，以及视网膜、内分泌系统中广泛存在。与氧有较高的亲和力，可与氧可逆性结合，协助氧透过血脑屏障发挥作用。

1 NGB的表达调节机制

1．1 缺氧-Hif-NGB学说缺氧时Hif表达增加，由于一些低氧反应蛋白的启动子中存在能与Hif结合的低氧反应元件，因此Hif可以通过激活低氧反应基因的转录，促进低氧反应蛋白表达。NGB的启动子中就存在Hif的结合位点，如Sp1，NF1，AP1，Egr1，NFκB家族（p65，p50，cRel）［1，2］，因此Hif可能与NGB的表达相关。最早提出的去铁胺（deferoxamine）增加NGB表达就是通过此途径［3］。Haines等［4］对Hif的敲除或者过表达发现，NH33细胞NGB的表达相应地减少或增加，证明此观点。

1．2 sGC-PKC通路介导2002年，Zhu等［5］通过培养HN33细胞发现血红素（hemin）可以诱导NGB表达。当加入sGC抑制剂LY83583和PKG抑制剂

KT5823，可以明显抑制NGB表达，而PKG的激活剂（cGMP类似物）可增加NGB的表达。说明sGCPKC通路在Hemin诱导的神经元NGB表达过程中发挥重要作用。而这种现象在低氧引起的NGB表达中并未发现，说明Hemin和低氧诱导NGB表达的机制是不同的。

1．3 其他除了去铁胺和血红素，发现短链脂肪酸的肉桂酸和丙戊酸也能增加NGB表达，但是机制还不清楚［5］。而且这些药物诱导NGB表达的程度以及诱导产生的NGB所发挥的保护作用的范围还是不明确的，还需要进一步的探索。

2 NGB的生物功能

大量研究发现，NGB在缺血缺氧、氧化应激、毒物损伤等病理情况下以及创伤、惊厥等导致的脑损伤修复方面都具有广泛的内源性神经保护作用，而这种保护功能可能需要通过多种途径共同实现。

2．1 参与氧代谢为细胞供氧供能NGB可以直接介导或间接促进氧扩散进入线粒体，阻止线粒体发生功能障碍，维持神经元内稳态。在微氧环境下，NGB可作为NADH氧化酶，在糖酵解过程中加速ATP生成，维持细胞正常功能。Liu等［6］通过细胞ATP水平，线粒体膜蛋白，线粒体功能等指标证明出NGB可作用于线粒体发挥保护作用。

2．2 作为氧气的感受器NGB作为一种O2感受器，能感知低氧状态，参与信号传导通路来调节蛋白在不同氧浓度下的活动变化来避免缺氧损伤。例如，低氧促发NGB发挥抑制Rac1-GDP向Rac1-GTP转化的功能，参与MAPK通路刺激细胞增殖以及活化PI3-K通路促进细胞存活［7］。

2．3 抗氧化应激反应NGB可能作为一种ROS／RNS清除剂，清除氧自由基，在氧化应激损伤中起保护作用。Wang等［8］通过降低ROS形成的生物标记物的方法，证明NGB在改善缺血性脑梗死瞬时的氧化性损伤中发挥重要作用。多种证据证明NGB和NO相关，除了NGB可以与NO结合之外，一些研究发现NGB与nNOS平行分布。通过培养转染NGB的HN33细胞发现，NGB能够降低NO诱导细胞死亡的效能。而且，NGB与NO、H2O2结合，除了可以清除它们，NGB本身也可发生蛋白构象的改变，从而触发其他的神经保护方式，如减轻神经元对缺氧缺血相关损伤的敏感性［9］。

2．4 抗凋亡作用NGB可通过抑制一些凋亡信号传导通路，从而发挥神经保护作用。较多提出的是NGB可与细胞色素C发生氧化还原反应，阻止CytoC启动内源性凋亡途径［10］。其他凋亡相关信号通路，如PI3-K／Akt、Jak2／Stat3信号通路介导的抗凋亡作用也都有报道［11，12］。

3 NGB的临床应用

脑红蛋白在氧储存和氧利用方面发挥重要作用，因此将其应用于缺血缺氧性神经系统疾病以及神经系统退行性病变等临床疾病中具有重要意义。Denicourt等［13］曾提出可以利用蛋白转导技术，把神经保护蛋白导入缺血模型脑中，治疗脑缺氧缺血性疾病。因此，如果能在早期利用NGB携氧载体干预脑缺血缺氧的发生发展，就可能从根本上防治脑缺氧。

3．1 神经系统疾病

3．1．1 脑缺血缺氧疾病 脑卒中（stroke）具有极高的病死率和致残率，而且目前的治疗效果有限。Raida［14］研究发现过表达NGB的小鼠大脑中动脉阻塞后脑缺血梗死面积减少，提出将NGB作为脑卒中治疗的新靶点。对行颅内动脉瘤夹闭术患者进行缺血预处理，可使NGB表达上调，提高机体对缺氧的耐受能力［15］。

创伤后脑损伤由于脑灌注不足或直接引起短暂性的呼吸抑制最终也是发生了脑缺血缺氧。Taylor［16］就发现，使NGB过表达能明显改善小鼠创伤性脑损伤。Lan等［17］发现转染了NGB的大鼠在脊髓损伤（SCI）后各项指标恢复更好，神经细胞凋亡数量大大减少，同样证实了NGB在脑缺血缺氧疾病中的保护作用。

3．1．2 神经系统退行性疾病 临床病例中可知，神经退行性疾病阿尔茨海默病 （Alzheimer's disease，AD）最容易受损的脑区就是NGB含量低的海马，AD发生老年斑及纤维缠结等病理改变的机制，如β淀粉样沉积、tau蛋白的过度磷酸化与NGB的相关性也都有报道［19］，而体外实验［20］也看出，转染了NGB的PC12细胞在受到Aβ作用后损伤程度比为转染的明显降低 （Aβ作用于PC12细胞是模拟AD的常见模型）。这些研究结果表明NGB同样在阿尔茨海默病中发挥保护作用。

其他神经系统退性行疾病中，如遗传性Hereditary Ferritinopathy患者的壳核NGB过分表达，可能会减轻由细胞内铁超载所导致的损伤［21］。那么，通过对NGB的干预处理是否可以预防这类疾病的发生，甚至可治疗此类疾病，仍需要进一步的研究探索。

3．1．3 神经系统肿瘤 刘欣荣等［22］对98例胶质瘤患者采样，发现Ngb在各级胶质瘤中均可见阳性表达，而且WHO分级越高则表达程度越高。他们推测NGB可能通过给肿瘤细胞供氧，维持其在缺氧环境下的生存，而且还可以抑制其凋亡，使其无限增殖，或许通过抑制肿瘤细胞中NGB的表达能否为其临床治疗提供思路。

3．2 视网膜退行性病变前文中提到，NGB在视网膜所有神经元都有表达。而视网膜退行性病变致盲就是有NGB表达的感光细胞的凋亡造成的。NGB提供氧气、抗氧化应激等功能在视网膜疾病中也发挥保护作用［23］，目前，改善视网膜的氧供已成为临床治疗的一个新方案。2014年，Lechauve［24］报道称，通过NGB基因疗法预防视神经萎缩，维持小鼠的视觉功能。

3．3 听觉系统疾病2015年，Reuss［25］首次在听觉系统，如耳蜗、听觉脑干中发现NGB。这是否提示NGB的保护作用为耳蜗氧化应激、感觉神经性耳聋等听觉系统疾病的临床诊断、治疗以及干预提供了新的方向。

除上述病变之外，NGB在记忆能力和糖尿病的防治中的作用也有报道。早期环境可通过改善脑区Ngb的表达，从而影响脑组织的携氧能力和学习记忆能力，证明早期丰富环境对新生大鼠发育期的脑保护有重要意义［26］。Mendoza等［27］将NGB转导至CAT／PTD结构域，对胰岛细胞有明显保护作用。为解决通过移植胰岛根治Ⅰ型糖尿病过程中出现的移植后孤立胰岛的缺氧问题提供了新方向。

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［2015-09-15收稿，2015-10-12修回］ ［本文编辑：韩仲琪］

Progress on the biological function research and clinical application of neuroglobin

MA Yong，HU Yuan-wei，LIU Zhi-wu，et al．Dept．of Anesthesiology，No．107 Hospital of Chinese PLA，Yantai，Shandong 264002，China

Since neuroglobin was found，its gene sequence，molecular structure and distribution characteristics have been known gradually and popularly．As a new endogenous protective molecular，the biological function of neuroglobin includes oxygen delivery，resistance to oxidative stress and apoptosis，scavenging radicals，etc．Through intervening the expression to improve the prognosis of disease will provide new sight and approaches for the clinical treatment．This article reviewes the biological function and clinical application of neuroglobin．

Neuroglobin；Expression mechanism；Protection；Clinical application

Q75

A

10．14172/j．issn1671-4008．2016．03．036

264002山东烟台，解放军107医院麻醉科（马勇，胡元威，刘志武，杨彤）

杨彤，Email：yangtong0120＠163．com