色氨酸2，3-双加氧酶在中枢神经系统疾病中的作用及其治疗策略思考

傅晓凤，洪璐威，王钰婷，郭梦婷，刘文凤

(南昌大学医学院，南昌 330031)

抑郁症的5-羟色胺酸假说中首次将色氨酸代谢与神经疾病联系起来。随后在抗抑郁药作用机制的研究中，Lapin证实了色氨酸的代谢及其代谢产物犬尿氨酸可对大脑的功能产生一定的影响[1]。色氨酸的几种代谢途径是通过酶的调节，而色氨酸2，3-双加氧酶(Tryptophan-2,3-dioxygenase，TDO)是体内色氨酸分解为犬尿氨酸的一个限速酶，TDO及其它代谢酶的异常可导致色氨酸及其各种代谢产物含量异常，从而造成神经元功能障碍，进而与中枢神经系统疾病发生发展密切相关。新的研究表明TDO参与大脑某些疾病的病理，以下就TDO与阿尔茨海默病、精神分裂症和胶质瘤等神经疾病的关系做一总结。

1 色氨酸2，3-双加氧酶的结构

Kotake等人首次在大鼠的肝脏发现TDO[2]。随后研究人员发现TDO广泛分布于许多物种，范围从哺乳动物至无脊椎动物，并且细菌与人类TDO有明显的序列同源性，表明编码TDO的基因是一古老且保守的序列。

人类TDO具有特异L-色氨酸酶活性，由位于4号染色体上的tdo2基因编码，含406个氨基酸，主要表达于肝、脑等组织。TDO的整体结构为一个同源四聚体，四个单体两两垂直，相邻单体以N-末端残基相互结合。单体的晶体结构仅有15个螺旋，包含N末端区域、大结构域及小结构域，其中活性部位在大结构域。人类TDO具有高度底物特异性，其底物是左旋色氨酸(L-Trp)及其相关衍生物。而吲哚胺2，3—双加氧酶(Indoleamine 2，3-dioxygenase，IDO)是一种单体蛋白，其底物范围广泛，包括L-色氨酸、D-色氨酸、5-羟色胺、5-羟色氨酸和色胺等。TDO与IDO结构的不同解释了这两种酶催化功能的不同。对TDO晶体结构的深入研究将有助于设计新的TDO抑制剂。

2 色氨酸2，3-双加氧酶与色氨酸代谢

色氨酸可经几种路径代谢(图1)。色氨酸(TRP)可经色氨酸羟化酶(TPH)催化成为一种重要的神经递质—5-羟色胺。而另一条作为色氨酸分解代谢的主要途径，犬尿氨酸代谢途径可形成具有神经活性的产物犬尿氨酸(KYN)。犬尿氨酸也有两种代谢结果，一是在犬尿氨酸氨基转移酶(KAT)作用下通过转氨基作用催化犬尿氨酸为犬尿喹啉酸(KYNA)，KYNA是一种N-甲基-D-天冬氨酸受体(NMDAR)和α7烟碱型乙酰胆碱受体(α7nAChR)拮抗剂。二是犬尿氨酸通过犬尿氨酸-3-单加氧酶(KMO)发生羟化反应形成3-羟基犬尿氨酸(3-HK)，该产物能产生神经毒性自由基。在犬尿氨酸酶(KYNU)作用下，3-HK经历C-C键的水解断裂成为3-羟基-2-氨基苯甲酸(3-HAA)。3-HAA再通过3-HAA氧化酶(3-HAO)氧化成神经毒性代谢物喹啉酸。

图1 色氨酸代谢途径

3 色氨酸2，3-双加氧酶的生物学功能

人类TDO主要表达于肝脏，但在其他器官、组织也有表达，如脑、附睾、睾丸、胎盘和妊娠子宫。TDO可将色氨酸转化成犬尿氨酸，引起微环境中的色氨酸减少，从而抑制细胞增殖。同时，色氨酸通过犬尿氨酸代谢途径所得产物犬尿氨酸是人芳香烃受体(AHR)的内源性促癌配体，能够激活AHR造成免疫抑制。因此TDO在肿瘤进展中也起着重要的作用，这在肿瘤治疗中意义重大。有趣的是，TDO经糖皮质激素、色氨酸、胰高血糖素、雌激素等诱导，这与IDO的调节机制大不相同。

TDO通过结合氧原子到色氨酸吲哚环催化L-色氨酸形成N-甲酰犬尿氨酸(NFK)，催化步骤具体分为三步：(1)与底物结合，(2)中间物过氧化氢的形成，(3)过氧化氢中间物的重排。其中底物结合过程包括TDO血红素位点与L-色氨酸铵基、羧基结合以及与吲哚环之间的相互作用两个过程。同时，铵基结合到血红素的7-丙酸酯位点，色氨酸的吲哚环结合成疏水性的口袋，并与其他疏水残基相互作用。色氨酸和氧气与TDO铁蛋白结合后，铁蛋白和色氨酸形成三元复合物。然后三元络合物激活氧原子，催化过氧化氢中间物形成，在这过程中三元结构失去质子生成吲哚。最后，过氧化氢中间物由邻二醇裂解反应或二氧杂环丁烷中间物形成N-甲酰犬尿氨酸(NFK)。

4 色氨酸2，3-双加氧酶在中枢神经系统疾病中的作用

4.1 色氨酸2，3-双加氧酶在阿尔兹海默病中的作用

AD是一种神经退行性疾病，占痴呆症的60%～70%。早期症状常为遗忘，并随时间逐渐进展。由于大脑病变恶化，症状可发展为语言问题、定向障碍、情绪波动、积极性降低等。AD患者脑组织的解剖特点是存在淀粉样蛋白斑块、胶质细胞增生和神经原纤维结节形成。新的相关研究聚集在神经炎症领域，Alsadany等[3]发现神经炎性斑块周围存在活化的小胶质细胞和星形胶质细胞，并且在AD患者脑组织中TNF-α、IL-2、IL-1、IL-6和IL-8水平增加。然而神经退行性病变中炎症反应机制尚未阐明。

而近年来，越来越多的证据表明AD患者脑组织中犬尿氨酸途径异常激活、喹啉酸含量升高。Bonda等[4]发现IDO1在AD患者的大脑中表达上调，并且由Aβ1-42刺激分泌的细胞因子也可诱导的小胶质细胞和单核细胞表达IDO1。这方面证据表明IDO1可能参与喹啉酸水平升高过程。然而Breda等[5]研究表明AD果蝇模型脑组织中TDO水平增加，而TDO在果蝇中是唯一催化犬尿氨酸途径起始步骤的酶。Wu等[6]研究也表明AD患者海马组织中TDO的水平提高，TDO水平显著高于IDO1水平，并且TDO和喹啉酸存在于AD患者海马的同一位置。喹啉酸是TDO和IDO催化犬尿氨酸途径的代谢产物，Guillemin等[7]在AD患者的海马神经元、大脑皮层小胶质细胞和星形胶质细胞中检测到喹啉酸的免疫反应，并被证明其具有激活神经元表达的能力。随后对喹啉酸的毒性进行了评估，发现喹啉酸可参与多种神经炎症疾病的病理[8]。喹啉酸还导致tau蛋白过度磷酸化，这可能是神经原纤维结节形成的决定性因素。此外，Lanz等[9]通过脑组织免疫组化显示在TDO-/-小鼠中淀粉样前体蛋白阳性轴突的数量减少，进一步说明TDO参与了AD的病理，并且较IDO1起着更重要的作用。AD患者脑内微环境存在炎症，而TDO正是由抗炎因子诱导的。另外AD大脑中催乳素和皮质醇增加，这可能解释了TDO在AD患者脑组织中的表达。

4.2 色氨酸2，3-双加氧酶在精神分裂症中的作用

精神分裂症是一种以社会行为异常和认知障碍为特征的精神障碍疾病，常见症状包括社会交往减少、思维情感混乱、幻听、缺乏积极性等，全球发病率约为1%。该病病因不明，TDO可能通过参与NMDAR和α7nAChR功能低下、产前感染免疫反应等与该病相关。NMDAR和α7nAChR参与认知过程和兴奋性神经网络的形成，涉及到学习、记忆和突触可塑性等生理过程，NMDAR和α7nAChR功能低下在精神分裂症中的作用是举足轻重的。NMDAR功能低下假说的潜在机制可能是NMDAR拮抗剂影响某些脑区如纹状体、尾状核及前额叶皮层的多巴胺能神经元活动的传递。

Linderholm等[10]研究已表明在精神分裂症患者的前额叶皮层和脑脊液中犬尿喹啉酸水平升高。犬尿喹啉酸是机体内一种NMDAR和α7nAChR内源拮抗剂，可能参与精神分裂症的发病机理。精神分裂症患者犬尿喹啉酸浓度升高的机制尚未完全清楚，TDO和犬尿氨酸含量升高可能引起犬尿喹啉酸含量增加。杨修登等[11]分析55例精神分裂症患者血清标本发现患者犬尿氨酸含量显著高于对照组。并且Miller等[12-13]研究表明精神分裂症患者后扣带皮层脑皮质TDO水平上调，犬尿氨酸和色氨酸的比值上升，最重要的是TDO而不是IDO1选择性地表达在精神分裂症患者的额叶皮层。而Chiappelli[14]表明精神分裂症患者呈中度应激水平，而应激激素诱导TDO产生，这解释了精神分裂症患者中TDO含量增加和色氨酸/犬尿氨酸比值下降的原因。此外，Réus等[15]表明在兔精神分裂症模型中使用TDO抑制剂后症状有明显改善。TDO导致的犬尿喹啉酸水平增加还将抑制尾状核、纹状体中的多巴胺、乙酰胆碱、γ-氨基丁酸、谷氨酸和去甲肾上腺素释放，视觉空间记忆、情境学习和记忆、以及听觉诱发电位等神经生理严重依赖于这些神经递质的传递。

另外，TDO还通过产前感染途径参与精神分裂症的发病。流行病学数据显示，35%～46%的精神分裂症患者与产前感染有关联，支持了精神分裂症感染与免疫学说[16]。产前母体感染后通过促炎细胞因子和应激相关皮质醇，增加了杏仁核的树突复杂性，同时提高了星形胶质细胞内TDO含量[17]。由TDO催化产生的犬尿喹啉酸水平增高，作用于腹侧被盖区抑制γ-氨基丁酸能神经元，并增加多巴胺释放，继而影响神经元活动和区域间细胞的沟通认知和运动障碍。综上可得TDO参与精神分裂症的发生，并可能较IDO1起更重要的作用，TDO可能作为未来精神分裂症的治疗靶点。

4.3 色氨酸2，3-双加氧酶在神经胶质瘤中的作用

胶质瘤是一种起源于神经胶质细胞的肿瘤，好发于大脑或脊柱，占恶性脑肿瘤的80%。胶质母细胞瘤是胶质瘤的一种，患者在最大治疗情况下(放疗联合替莫唑胺)中位生存时间约为14.6个月。因此对该疾病更有效的新疗法的探索十分迫切且意义重大。Bosnyák等[18]表明胶质瘤患者的少突胶质细胞和胶质神经元能够摄取色氨酸，且脑脊液喹啉酸水平增加，表明犬尿氨酸信号通路可能参与了胶质瘤的病理。随后Uyttenhove[19]发现恶性胶质瘤组织中IDO活性增高。而Opitz[20]表明在胶质瘤中由底物色氨酸诱导TDO的表达水平也有所增加。然而Adams[21]研究发现胶质瘤细胞中的IDO1、IDO2不参与色氨酸的代谢，而是由TDO负责犬尿氨酸的产生和释放。同时，TDO催化速率远高于IDO，即TDO能更快速地影响犬尿氨酸浓度。所以TDO在胶质瘤的发展过程中可能发挥着比IDO更重要的作用。

肿瘤细胞中TDO催化色氨酸的分解代谢而抑制过度免疫应答，从而预防肿瘤排斥反应，然而这反过来又促进恶性肿瘤细胞的存活、生长、侵袭和转移。Opitz[20]的研究还表明胶质瘤细胞中由TDO催化产生的犬尿氨酸与同种异体T细胞增殖指数呈负相关，胶质瘤中CD8+T细胞浸润减少，白细胞共同抗原阳性细胞数也降低，而TDO被抑制之后可以恢复T细胞增殖。这是因为胶质瘤细胞中TDO催化色氨酸的分解代谢导致色氨酸减少，激活蛋白激酶GCN2，通过Fas配体介导导致G1细胞周期阻滞，并使其对凋亡刺激敏感[22]。另外，TDO在胶质瘤细胞中过度表达的代谢产物犬尿氨酸可激活AHR，AHR是多种重要性细胞周期调节和体内稳态信号转导通路的关键转录因子。AHR激活刺激幼稚T细胞Foxp3的激活，导致Treg细胞的选择性增殖以阻止Th17细胞的成熟，而Th17细胞的减少可促进肿瘤的生长[23-24]。此外，犬尿氨酸途径的下游产物喹啉酸可通过增强烟酰胺腺嘌呤二核苷酸 (NAD)的生成从而促进肿瘤的化疗耐药，NAD是多聚腺苷二磷酸核糖聚合酶-1(PARP-1)的重要底物，促进活性氧诱导的DNA损伤修复，并使肿瘤细胞在化疗后恢复DNA复制[25-26]。高水平的喹啉酸还能促进胶质母细胞瘤细胞的增殖，并与胶质母细胞瘤患者的肿瘤分级高低、预后不良相关。

TDO还存在于乳腺、膀胱、肾细胞、胰腺、结直肠、头颈部的肿瘤中，并与肿瘤进展和预后不良相关。所以TDO与IDO都具有抑制抗肿瘤免疫活性，TDO可以作为胶质瘤等抗肿瘤治疗的新靶点。

5 结论和展望

综上，根据文献的研究结果，笔者推测TDO参与阿尔兹海默病、精神分裂症和胶质瘤等多种疾病。此外，越来越多的研究表明TDO可能参与其他大脑疾病的病理学，如亨廷顿病、多发性硬化症、帕金森病和癫痫等。未来应该探索TDO是否参与其他神经疾病，并深入研究其发病机制，为疾病治疗提供基础。

在动物模型中减少犬尿氨酸作为一种神经疾病的治疗策略已有研究。在亨廷顿病仓鼠模型中，抑制KMO可减少神经元和突触损失并降低其症状的严重程度[27]。同时在秀丽隐杆线虫中抑制TDO基因可以抑制α-突触核蛋白(α-Syn)的毒性以及Aβ1-42和多聚谷氨酰胺蛋白的形成，而已知α-Syn是参与帕金森综合征病理的重要分子[28]。这也表明TDO抑制剂在脑部疾病的治疗潜力十分巨大。未来的发展方向可以通过构建TDO缺陷相关神经疾病动物模型从而研究抑制TDO是否减轻或逆转模型动物疾病的进展及具体机制，为TDO抑制疗法提供临床基础。

目前TDO抑制剂有709W92、68OC91和LM10等。但由于709W92抑制5-羟色胺的再摄取、68OC91溶解度和生物利用度差等原因，应用受到限制。LM10虽然具有良好的抑制TDO酶活性的能力、高的溶解度和生物利用度，也显示出有效的抗肿瘤活性，但它的特异性还有待探索。未来应该深入研究人类TDO分子结构，并在此基础上开发高效特异的TDO抑制剂，从而更好的治疗相关神经疾病。