血红素加氧酶1及其代谢产物在心血管系统病变中的保护作用

徐欢，宋伦

1. 军事医学研究院 军事认知与脑科学研究所，北京100850；2. 安徽医科大学，安徽 合肥231200

血红素加氧酶1（heme oxygenase-1，HO-1）的相对分子质量为23 000[1]，染色体定位于22q12，最早归类于热激蛋白，因此也被称为热激蛋白23（heat shock protein 23，HSP23），在机体中广泛分布，其中在脾脏中的活性最强。HO-1 是血红素分解代谢的限速酶，可催化降解血红素生成胆绿素（biliverdin，BV）、游离铁和一氧化碳（carbon monoxide，CO）[2]。相当多的研究表明，HO-1 及其分解产物可通过抑制氧化应激等损伤反应参与维持细胞完整性和组织内稳态[3]。各项研究揭示了HO-1 具有抗氧化、抗炎、抗增殖、抗凋亡和免疫调节等功能，并对多种应激条件均有强烈的反应性。

1 HO-1 的诱导表达特征

研究表明，HO-1 的表达水平主要受遗传和转录调控。HO-1 基因启动子区存在（GT）n双核苷酸重复序列结构，其多态性与心血管疾病的发生密切相关。Taha[4]等对人内皮细胞研究后认为，HO-1 基因启动子区的GT 重复序列等位基因的变异直接调节HO-1 的表达水平，并和一些血管生成因子和抗炎因子的表达相关。研究发现拥有HO-1 短（GT）n基因型的人群患冠心病的风险较低，这可能是因为HO-1 短（GT）n基因型更有利于HO-1 表达，从而使得机体具有更强的抗氧化应激能力[5]。

除了遗传调控外，转录调控是HO-1 实现诱导表达的重要途径。在人HO-1 基因启动子区存在多种转录因子的结合位点，如AP-1、NF-κB、Nrf2、Bach1、HIF-1 和ATF-2，它们可分别参与HO-1 在不同应激条件下的诱导表达[1,4,6]。正常情况下，细胞中的Nrf2 与其伴侣分子Keap1 结合并进入泛素化降解途径，但在病理条件下Nrf2 被磷酸化，与Keap1 的结合被破坏，暴露出入核信号，在入核信号的驱使下进入细胞核，与Maf 共结合到HO-1 的启动子元件ARE 上启动HO-1 的转录，抵抗帕金森病理条件下由NOX2 活化引起的ROS增加。在上述转录因子上游存在多种蛋白激酶，可通过不同的方式参与HO-1 的转录调控。丝裂原激活蛋白激酶（mitogen-activated protein kinases，MAPK）激活的信号通路是第一个被认为能够介导HO-1 诱导表达的信号途径。MAPK 属于进化保守的丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶，调节多种细胞功能，包括增殖、凋亡、分化等。MAPK 由3 个家族组成，即细胞外信号调节激酶（ERK1/2）、c-jun N 端激酶（JNK）和p38 MAPK。每个家族由几种功能相关的激酶组成，这些激酶具有与其特定下游靶点和转录因子磷酸化相关的独特活性。研究表明，在氧化应激条件下，Nrf2 的活化受到MAPK 途径活化的调控，包括ERK 的磷酸化、JNK的磷酸化以及p38K 的磷酸化，这些蛋白激酶的活化促使了Nrf2 的磷酸化，从而促使其与Keap1 解离。磷脂酰肌醇3 激酶（PI3K）/Akt 信号通路也参与了HO-1 的调节，该途径可被多种生长因子和细胞毒性刺激剂激活。Akt 可以在Ser188 处直接磷酸化HO-1 并调节其活性。此外，其他信号分子，如蛋白激酶C 和酪氨酸激酶，也能影响HO-1的表达[1,4,6]。

2 HO-1 的分解产物及其功能

已有研究普遍认为HO-1 会代谢血红素生成CO、游离铁和BV。但在最早的研究中，研究者认为HO-1 只是发挥了分解血红素清除血液中的血红素堆积的功能，而其产物CO 在很长时间内被认为是一种有毒气体。后来研究发现CO 具有重要的细胞信号传导特性，并涉及广泛的细胞反应和生理、病理状态[7]。研究认为CO 可以参与抗炎、细胞保护、维持组织内稳态等重要的生理功能。在某些特定情况下，CO 通过激活鸟苷酰环化酶（guanylyl cyclase，GC）和大电导钙激活钾通道（high-conductance calcium-activated potassium channels，BKCa）[8]下调促炎细胞因子并通过干扰MAPK 上调抗炎信号[9]。CO 主要作用于线粒体上，具有调节线粒体膜通透性、控制细胞死亡、改善线粒体代谢（主要通过调节细胞色素c 氧化酶活性和线粒体生物发生）、产生活性氧（ROS）以及轻度解偶联作用的功能[9]。

研究者发现HO-1 在发挥血红素分解酶过程中，高度依赖胆绿素还原酶（biliverdin reductase，BVR）将分解产生的BV 转变为胆红素（bilirubin，BR）[10]。BR 是一种有效的内源性抗氧化剂[11]，具有潜在的临床意义。BVR 包含具有亮氨酸拉链脱氧核糖核酸结合基序列的区域，可与HO-1 启动子区域结合并发挥HO-1 转录激活功能[12]。BR/BVR 系统和CO 在内皮细胞抗氧化保护过程中可能发挥了协同作用。CO 在此协同作用中的抗氧化作用并不是直接清除ROS，而是基于降低烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADPH）氧化酶活性、细胞色素P450 活性、钾通道开放、血管生成、可溶性鸟苷酰环化酶（soluble guanyl cyclase，sGC）的激活以及调节MAPK 活化[13]。BR 在此协同作用中的抗氧化作用部分是直接清除ROS，但也是基于对NADPH 氧化酶活性、中性粒细胞黏附和炎症途径的调节以及氧化还原敏感蛋白水平的控制[14-15]。

当前关于游离铁的具体研究还不尽详述，各方研究表示游离铁可以显示出氧化能力，但在血红素降解期间释放的游离铁会刺激铁蛋白的合成，铁蛋白结合游离铁，将释放出的游离铁隔离起来，抵抗游离铁的继续释放，从而发挥了潜在抗氧化效应[13]。

因此，单独理解HO-1 的诸多保护效应并不全面，HO-1 实际上可联合其分解产物CO 和BV共同发挥损伤保护效应。

3 HO-1 及其分解产物与心血管病

3.1 心血管系统中的HO-1 及其代谢产物的保护性作用

3.1.1 血管中的HO-1 及其代谢产物的保护性作用 相当多的研究支持了HO-1 在血管中的多功能作用，包括血管张力调节、平滑肌增殖、抗内皮细胞凋亡和血管生成[16-17]。HO-1 在血管中的作用在很大程度上是由其反应副产物CO 和BR 介导的。在血管系统中，内皮细胞释放的一氧化氮（NO）对各种应激因素均有很好的反应，其激活sGC，增加细胞内cGMP，导致血管扩张，抑制平滑肌细胞增殖、抗血栓形成和抗血管炎症[18]。CO 是一种相对于NO 更加稳定的气体分子，2 种气体存在着一些相似的功能[19]。CO 也可以通过激活sGC 来促进血管扩张，尽管其效应弱于NO[20]。研究发现，缺氧刺激后大鼠主动脉平滑肌细胞产生的CO 可以降低内皮素1 和血小板衍生生长因子B 在内皮细胞中的表达。此外，CO 还可以通过影响平滑肌中K+通道的活性来调节血管的松弛和收缩[21-23]。另一方面，BR 具有抗氧化作用，对平滑肌细胞具有抗增殖作用。在HO-1 对动脉粥样硬化发展的影响研究中，人们发现了HO-1 可通过多种途径发挥有效的抗动脉粥样硬化作用。HO-1 在血管系统中的过度表达可减少动脉粥样硬化病变中的铁沉积；CO 和BR 对内皮细胞单核细胞迁移、平滑肌细胞增殖和炎症基因表达的抑制作用在不同程度上还协助了HO-1 对动脉粥样硬化的保护作用。同样，HO-1 在动脉壁的过度表达使得CO 和BR 水平增加。通过CO 和BR 的抗增殖作用和CO 的抗血栓、抗炎作用，减少血管损伤后的新内膜形成[23-27]。

3.1.2 心脏中的HO-1 及其分解产物的保护性作用 HO-1 的过表达可以保护心肌免受缺血和再灌注损伤。这与CO 的抗炎特性和BR 的抗氧化作用密切相关[20]。在大鼠模型中，单独使用CO 或BV 并不能改变心脏移植的存活率，而联合治疗可以将存活率从0 提高到80%[28]。另外，HO-1 在心肌重塑反应中也具有关键作用[29]。由血管紧张素Ⅱ（ANGⅡ）引起的心脏肥大可被过表达HO-1或钴原卟啉显著抑制。ROS 与各种病理性心肌功能障碍有关，HO-1 对心肌肥大的抑制效应是由胆红素减少ROS 生成而介导实现的。因此，HO-1 对ROS 的拮抗作用被认为是心肌疾病的潜在治疗途径[30]。另一研究发现，在人和小鼠动脉粥样硬化血管的内皮和巨噬细胞中，HO-1 的表达是显著的[31]。人为地氧化低密度脂蛋白后，巨噬细胞中的HO-1 表达被诱导，同时巨噬细胞向M2 抗炎表型转变。HO-1 缺失的巨噬细胞表现出ROS 水平的升高，并具有较高水平的促炎性相关细胞因子表达。进一步的机制研究发现，在脂多糖刺激下，巨噬细胞中的HO-1 通过p38K 被募集到Caveoline-1 分子上抑制促炎信号活化。这种作用是通过抑制Caveoline-1 与Toll 样受体4（脂多糖的主要膜受体）的相互作用来实现的。已经证明，抗炎细胞因子白细胞介素10（IL-10）在巨噬细胞中可诱导HO-1 表达；HO-1 抑制剂可显著降低IL-10 对脂多糖诱导小鼠败血症性休克的保护作用。由于HO-1 具有多种影响炎症、凋亡、缺氧和血管生成的作用，因此HO-1 在各种心血管疾病中均具有临床相关性[32]。

3.2 HO-1 及其代谢产物与心血管病变

3.2.1 HO-1 及其代谢产物与平滑肌增殖 通过体内实验研究HO-1 对血管损伤增殖反应的抑制作用发现，HO-1 在猪动脉中的表达抑制了动脉损伤后的细胞增殖和损伤形成[33]。同样，HO-1 基因敲除小鼠血管内损伤后有增生性动脉生成、细胞增殖和内膜-介质比率增加[34]。一些动物研究证实HO-1 诱导表达可以抑制血管平滑肌细胞的增殖，表明HO-1 是治疗闭塞性血管疾病的潜在靶点[35]。在大鼠颈动脉球囊损伤模型中，与对照组相比，腺病毒介导的HO-1 过表达可以减少球囊损伤后的血管重构和新生内膜形成，而同时服用HO-1 抑制剂锡原卟啉Ⅸ可消除上述反应[36]。普罗布考作为一种诱导HO-1 表达的药物，能够抑制血管平滑肌细胞增殖，并降低球囊损伤的兔主动脉内膜中层比率，而抑制HO-1 表达可逆转上述作用。这确认了普罗布考的血管保护作用是通过调节HO-1 表达介导的[37]。HO-1 诱导表达除了抑制血管平滑肌细胞增殖外，还通过促进血管损伤部位的增殖和再内皮化对内皮细胞产生相反的作用，从而进一步抑制动脉粥样硬化的发生发展[38]。一项早期研究也证实，普罗布考可以促进再内皮化，减少兔髂动脉支架段的管腔狭窄。这些研究解释了HO-1 表达与血管成形术后再狭窄率之间负相关关系的原因[28]。

HO-1 抑制血管平滑肌细胞增殖的功能可能与其血液分解代谢产物相关[21]。Morita 等报道HO-1 通过降低内皮细胞内皮素1（ET-1）和血小板衍生生长因子β（PDGF-β）的产生来抑制血管平滑肌细胞的增殖[39]。同样，胆红素和胆绿素通过抑制MAPK 信号通路抑制血清源性室间隔细胞周期的体外进展[40]。

3.2.2 HO-1 及其代谢产物与血管舒张 HO-1 的血管舒张特性被认为主要由CO 介导。早期研究表明，这种作用是由CO 与细胞色素P450 结合而产 生 的[41]。随 后，CO通过激活sGC 导 致cGMP 浓度增加发挥显著的血管舒张特性，这一作用与NO 无关[42]。尽管sGC 和cGMP 似乎在共同诱导血管扩张，但涉及K+通道的机制也有报道。有研究报道了CO 诱导预收缩大鼠尾动脉内皮依赖性的血管舒张，阻断cGMP 途径或钙激活K+通道可部分抑制血管舒张[43]。然而，当cGMP 和K+通道被同时抑制时，血管舒张效应被完全消除[44]。

HO-1 也可以通过内皮一氧化氮合酶（eNOS）/NO 途径调节动脉扩张。研究证明过度表达HO-1 可以恢复eNOS 的表达，从而减轻了暴露于氧化低密度脂蛋白和TNF-α的血管内皮细胞的功能障碍[45]。通过BR 的预处理可观察到类似效果[46]。另外，尽管有大量证据表明CO 是一种血管扩张剂，但有发现证明CO 也可能产生相反的作用。较低浓度的CO 可诱导细胞内池释放NO 而发挥血管扩张效应，而较高浓度的CO 抑制eNOS 的活性和NO 生成，因此产生相反的效果。上述研究结果表明，CO 和NO 共同介导的血管扩张可能涉及多种机制。CO 和NO 之间的复杂相互作用可能对血管张力产生不同的影响，这取决于CO 的浓度[47]。

3.2.3 HO-1 及其代谢产物与心肌功能 钴原卟啉（cobalt protoporphyrin，CoPP）是一种强烈的HO-1 诱导剂，在心肌梗死后最初几天用CoPP 诱导HO-1 高表达，可以减少梗死边缘区心肌细胞的凋亡，增加心肌细胞增殖，修复心肌损伤[48]。同时，增加HO-1 水平促进成纤维细胞的积累及其本身增殖减少，并下调梗死区Ⅰ型前胶原的表达。这些对于修复心肌梗死，防止心肌梗死进一步扩大有重要的生理学意义。此外，HO-1 增加抗炎细胞因子TGF-β1 的表达，提示HO-1 在梗死愈合的早期对心脏的保护作用可能部分源于炎症反应的抑制。在远端心肌，HO-1 抑制心肌细胞的增殖和凋亡，减弱心力衰竭诱导的心肌细胞修复的增加，减少血管周围纤维化，降低结缔组织生长因子的表达，从而潜在地减轻心室重构。

既往研究发现[49]用HO-1 的另一种诱导剂血红素精氨酸治疗N-硝基-1-精氨酸甲酯高血压大鼠模型，可以有效减轻大鼠心内膜下损伤、间质纤维化、单核细胞浸润和心肌细胞肥大，改善了心肌的形态。在这个过程中，HO-1 抑制了包括趋化因子、细胞因子，如巨噬细胞炎性蛋白1α、巨噬细胞趋化蛋白1、TNF-α、IL-6、IL-1β、内皮素1、8-异前列腺素、硝基酪氨酸和醛固酮等多种炎症、氧化应激反应介质的表达。同时，血红素精氨酸降低TGF-β1 和Ⅳ型胶原水平的升高，减少骨桥蛋白和骨保护素，而这2 种蛋白只有在心力衰竭时才会出现。在结扎该模型鼠心脏左前降支后用CoPP 诱导HO-1 表达，4 周内存活率从75%提高到88%[31]。组织学和生理学观察发现这与舒张末期和收缩末期血管直径减小、心率降低、心前壁变薄和后壁增厚有关。

而关于HO-1 的产物CO 和BR 在心肌功能中的作用，研究认为[50]两者都参与HO-1 对缺血性心肌损伤的保护作用。CO 除了影响微循环外，还通过抑制T 型钙通道直接参与调节细胞增殖，从而改善心肌病理重塑。BR 由于具有抗氧化作用，可保护心肌细胞免受缺血损伤和凋亡。

4 结语

HO-1 的效应是复杂的。活性功能多变、产物功能复杂，以及和其他多种途径的相互作用，注定了HO-1 是一个具有多效应和多调控靶点的信号分子。进一步的研究应当关注HO-1/CO/BV系统在心血管病变起始阶段的作用，为及时预防和挽救心血管损伤提供策略。在理解CO/BV 发挥的功能时，可以期待发现更多的信号分子机制。而了解这些相互作用可能有助于开发更有效的抗心血管疾病策略，并且通过靶向HO-1/CO/BV 参与的最关键途径，寻找到新的诊疗思路和方案。