线粒体乙醛脱氢酶2的心脏保护作用机制及靶向治疗的前景

张玄子，易春秀，赵雅静

(昆明医科大学第二附属医院心内科，昆明 650101)

心血管疾病是人类重要的死因，包括冠心病、高血压性心脏病、糖尿病心脏病、酒精性心脏病等，而心力衰竭则是上述疾病的终末形式，发达国家中成年人心力衰竭患病率为1%～2%[1]，在中国成年人心力衰竭的患病率为0.9%，并且持续上升。对于不同的个体，即使病因相同也会表现出不同的发病率及预后，可能与遗传变异相关[2]。乙醛脱氢酶2(aldehyde dehydrogenase 2,ALDH2)是一种分子量为56 000的线粒体蛋白，通过两个ALDH2蛋白的Glu487和Arg475残基之间的氢键相互作用形成同源二聚体，两个ALDH2同源二聚体可以相互作用形成ALDH2四聚体。每个亚基具有3个主要结构域：辅酶结合结构域、催化结构域和寡聚化结构域[3]。ALDH2基因位于第12号染色体上，包含13个外显子。在外显子12中有一个单核苷酸多态性(rs671,G→A突变)，第504个谷氨酸转化为赖氨酸，表现为野生型等位基因(ALDH2*1)和突变型等位基因(ALDH2*2)。与纯合子编码的野生型ALDH2(ALDH2*1/1)相比，杂合子编码的ALDH2(ALDH2*1/2)仅维持30%～40%全酶活性，而突变型纯合子编码的ALDH2(ALDH2*2/2)活性可以被忽略[4]。这种多态性的突变频率在西方人群中仅为5%，但东亚人群的突变频率可以达到30%～50%[5-6]。这种多态性参与多种疾病的发生、发展，ALDH2在缺血再灌注(ischemia reperfusion,I/R)[7]、高负荷[8-9]、糖尿病[10-11]、心力衰竭[12-13]等疾病中的作用以及可能作用机制的报道越来越多。现就线粒体ALDH2的心脏保护作用机制及靶向治疗的前景进行综述。

1 ALDH2参与心脏保护的机制

虽然不同病因引起心肌损伤的病理过程不同，但ALDH2参与心肌保护的机制相似，以下回顾ALDH2 在各种心肌保护作用机制的最新发现和见解。

1.1毒性醛的解毒作用 氧化应激是心血管疾病发病的主要原因。活性氧类(reactive oxygen species,ROS)存在并参与I/R损伤[4]，高血压[14]，糖尿病[15]和酒精诱导[16]心脏损伤的发生和发展。心肌梗死期间及之后，ROS-醛-线粒体损伤-ROS正反馈回路持续进行，进一步加重线粒体损伤[17]。升高的ROS还能调节缺氧诱导因子-1α/血管内皮生长因子依赖性损伤组织再生能力，导致血管生成障碍，从而影响慢性缺血致冠状动脉侧支循环建立[18]。

ROS过量产生可攻击细胞膜上的多不饱和脂肪酸，导致脂质过氧化，醛类产物增加，特别是4-羟基-2-壬烯醛(4-hydroxy-2-nonenal,4-HNE)[19]，可与脂质、蛋白质和DNA形成加合物，进而导致细胞内信号因子失活[20-21]、线粒体损伤[22]、触发下游信号转导通路诱导凋亡[12]。有实验证实4-HNE与ALDH2 本身形成加合物并减弱酶的活性，从而导致心脏肥大[20]。LKB1基因的乙酰化和脱乙酰化是由去乙酰化酶介导，可以影响AMP活化的蛋白激酶(AMP-activated protein kinase,AMPK)的活性[23]，Chen等[24]通过实验得出结论：慢性疼痛导致的过量4-HNE诱导的去乙酰化酶羰基化可能与LKB1-AMPK相互作用相关，导致缺血性AMPK活化减少，最终增加细胞死亡率，通过病毒建立的基因转移，特异性上调心脏ALDH2表达，降低4-HNE来阻止慢性疼痛诱导的心脏去乙酰化酶羰基化失活并防止I/R损伤。其他实验同样证实ALDH2通过醛的解毒作用来提供抗I/R损伤效应，其机制可能是通过对LKB1/PTEN基因介导的AMPK和蛋白激酶B(protein kinase B, PKB/Akt)的调节来实现的[25]。ALDH2 不仅可以去除脂质过氧化产物4-HNE、丙二醛等毒性醛，还可以去除乙醛，从而保护组织和细胞免受氧化损伤[3]。有研究表明，ALDH2转基因过表达可能通过应激活化蛋白激酶依赖性机制有效缓解乙醛诱导的细胞损伤[26]。

Ebert等[27]通过细胞实验发现突变型ALDH2*1/2心肌细胞中4-HNE、ROS和细胞凋亡水平显著高于野生型心肌细胞，在缺血条件下尤为明显。当给予ALDH2激活剂Alda-1时，4-HNE、ROS和细胞凋亡水平明显降低。证实ALDH2心脏保护作用与4-HNE的解毒作用相关。

1.2自噬悖论 自噬是生理和病理生理条件下心肌细胞存活和死亡的基本调节因子[21]，AMPK的激活可能促进自噬，而Akt的激活可能抑制自噬[25]。Ge和Ren[28]的研究数据显示慢性酒精摄入后可抑制Akt和AMPK的磷酸化，同时促进自噬以及心脏收缩功能障碍，结果表明ALDH2可能通过恢复蛋白激酶-哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(the mammalian target of rapamycin,mTOR)-信号转导与转录激活因子磷酸化和下游的Notch1信号来抑制自噬实现心脏保护。糖尿病动物模型中，自噬蛋白标志物LC3B和Atg7降低，p62上调，表明自噬流受损，这种抑制自噬的作用可被ALDH2缓解，进一步细胞实验表明ALDH2可能通过AMPK-叉形头转录因子的O亚型家族的FOXO3a-ULK1蛋白信号依赖性促进自噬来防止糖尿病诱导的心肌功能障碍[29]。

ALDH2在缺血过程中启动AMPK抑制mTOR，从而促进自噬，但是AMPK在再灌注期间不再活跃，通过其他的上游信号因子来激活mTOR，导致Akt依赖性抑制自噬，AMPK-Akt-mTOR信号级联介导ALDH2在I/R中的自噬调节并维持心肌细胞存活稳态[25]。研究表明，ALDH2低表达时可能通过抑制Beclin-1基因表达减弱自噬，加剧压力超负荷引起的心功能障碍[15]。另有研究表明ALDH2可以通过调节AMPK-Akt-mTOR抑制自噬防止多柔比星造成的心脏损伤[30]。

1.3抑制内质网应激 正常情况下，约30%的蛋白质出现错误折叠，从而被内质网相关蛋白降解，但这一过程易受到干扰，称为内质网应激[31]。数据显示，长期酒精摄入情况下，两种跨膜蛋白抑制物阻抗性酯酶1和真核起始因子2发生上调和(或)激活，同时伴随内质网应激标志物葡萄糖调节蛋白78的上调。ALDH2可以减弱酒精引起的抑制物阻抗性酯酶1、真核起始因子2及葡萄糖调节蛋白78的变化，说明ALDH2参与内质网应激所致的酒精性心肌损伤[32]。通过流式细胞计数表明ALDH2能减弱内质网应激诱导的细胞凋亡来阻止动脉粥样硬化的进展[10]。ALDH2过表达还能通过增强磷脂酰肌醇-3-激酶(phosphoinositide 3-kinases,PI3K)-Akt活性，抑制下游的p47phox烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶，对抗内质网应激诱导的细胞凋亡[13]。

1.4防止线粒体损伤 线粒体通透性转换孔位于线粒体内外膜多蛋白复合物中，在维持线粒体膜电位和保护线粒体结构和功能方面起重要作用[33]。粒体内膜损伤导致细胞色素C释放到细胞溶质中，这是触发细胞凋亡的关键步骤[34]。高糖作用下线粒体膜电位显著降低，高糖联合ALDH2抑制剂大豆苷治疗下线粒体膜电位进一步降低，表明高糖引起ALDH2抑制而加重的线粒体损伤可能是导致糖尿病大鼠心脏功能障碍的潜在机制[11]。在横向主动脉缩窄手术后线粒体形态和结构显著受损，而ALDH2 突变型模型术后线粒体的结构及形态的损伤进一步恶化[15]。ALDH2活性降低和4-HNE蛋白加合物形成增加还可导致线粒体储备能力及线粒体呼吸降低并最终导致细胞死亡[22]。通过使用线粒体通透性转换孔的特殊开放剂苍术苷和PI3K抑制剂渥曼青霉素证实，低浓度乙醇上调ALDH2表达以保护心脏，其机制可能为通过降低Bax/Bcl-2基因表达比值，激活PI3K-Akt信号通路，抑制线粒体通透性转换孔开放而发挥抗凋亡作用[35]。

1.5促进血管生成和心脏肥大 研究发现，冠状动脉侧支循环较少的患者比侧支循环丰富的患者AA基因型频率更高，与野生型相比，ALDH2突变型显著降低了缺血模型心脏小动脉和毛细血管密度，而在体外，ALDH2低表达可以减少增殖、迁移以及缺氧引发内皮细胞内皮管的形成，以上作用通过ALDH2 转染而恢复[18]。证实ALDH2能够促进血管形成来防止心肌缺血性损伤，并且发现ALDH2可能是通过调节缺氧诱导因子-1α及其下游血管生成蛋白的积累实现心脏保护作用。通过小鼠主动脉缩窄手术模拟压力超负荷发现ALDH2过表达并不能改善对压力超负荷的反应，相反会使心脏肥大进一步恶化[8]。而ALDH2缺陷可能通过调节PI3K-同源性磷酸酶张力蛋白-Akt信号级联减弱压力超负荷早期下心脏代偿性肥大，表明在压力超负荷早期心脏肥大对于心功能的维持可能是有益的[9]。推测ALDH2表达下调可能是对某些形式的病理应激的适应性反应。

1.6缓解心肌纤维化 大量的心脏成纤维细胞生成是心肌纤维化的重要原因之一。用特异性激动剂Alda-1激活ALDH2可抑制高糖环境下心脏成纤维细胞的增殖，减少ROS和4-HNE蛋白表达和释放，减少氧化应激超负荷以及胶原蛋白Ⅰ和胶原蛋白Ⅲ的表达，逆转心肌纤维化[36]。Zhao等[7]通过实验证实Alda-1能下调β联蛋白、Wnt信号蛋白、Wnt诱导的分泌蛋白-1及肿瘤坏死因子-α水平，表明ALDH2可能至少部分通过Wnt/β联蛋白信号级联来缓解心脏纤维化。

1.7遗传调控 微RNA(microRNA,miRNA)是小非编码RNA，可以通过与相关信使位点配对来沉默mRNA，从而在转录后抑制蛋白质翻译[37]。miR-34a、miR-28能作用于ALDH2 mRNA的3′非翻译区，在上游抑制ALDH2的表达，导致心肌缺血缺氧损伤[38-39]。在心肌梗死条件下，ALDH2启动子上游序列中CpG位点的DNA甲基化水平随梗死时间的延长而显著升高，ALDH2蛋白和mRNA表达显著降低[40]。Liu等[41]首次证明在高血糖条件下ALDH2 O-乙酰氨基葡萄糖糖基化修饰增加，ALDH2 O-乙酰氨基葡萄糖糖基化修饰对ALDH2活性负性调节，促进4-HNE积累、蛋白质羰基形成和细胞凋亡，从而导致心肌I/R损伤。有研究发现心肌缺血本身通过减弱肝脏内胰岛素作用引起高血糖，形成恶性循环导致预后不良[42]。还有报道显示蛋白激酶Cε参与异氟醚诱导的ALDH2的磷酸化和心肌保护[43]。

2 靶向ALDH2治疗的前景

ALDH2*2不仅是急性心肌梗死的危险因素，同时在急性心肌梗死后ALDH2*2携带者的心肌损伤也更加严重[47]，所以在急性心肌梗死的治疗上除有效的血运重建，还需要针对ALDH2*2多态性的靶向治疗。研究发现酒精充血综合征是ALDH2*2敏感的临床标志物[47]，因此，可以建议心肌梗死患者接受筛查，以便进一步针对性的ALDH2靶向治疗。临床数据表明，由于基因突变导致的ALDH2功能丧失可能是冠状动脉慢性完全闭塞病变患者侧支循环建立的不利因素[18]，所以进一步血运重建对于心脏功能恢复至关重要。

缺血预处理和远端缺血预处理能显著减少心肌损伤[48]，但是临床中缺血事件发生的不可预知性使上述措施在临床应用中受限。Yu等[49]通过实验数据证实远端缺血后处理是通过激活PI3K-Akt依赖的信号通路实现心肌保护和抗凋亡作用，ALDH2 参与其中并起介导作用，但远端缺血后处理在临床应用的可行性有待临床进一步证实。异氟醚能诱导ALDH2磷酸化并表现出心肌保护作用，推测麻醉预处理可用于临床[43]。ALDH2的特异性小分子激动剂Alda-1将突变体ALDH2*2的活性恢复至野生型水平[4]，Alda-1还能减少大鼠心肌梗死后心脏纤维化，为临床应用Alda-1预防心肌梗死后心肌纤维化提供药理学支持[11]。α-硫辛酸预处理可显著上调心肌ALDH2活性，降低细胞凋亡、ROS的产生，同时能改善心功能，降低4-HNE和丙二醛[50]。通过激活ALDH2预防去乙酰化酶羰基化可能是慢性疼痛患者心肌缺血易感性的潜在治疗靶点[24]，而对于缓解慢性疼痛的治疗也能增加对心肌缺血的耐受性，但是非甾体抗炎药等药物用于疼痛治疗的同时还伴随着心血管疾病事件风险的增加[51]，所以疼痛控制方式的选择需权衡利弊。有研究表明持续硝酸甘油治疗能降低ALDH2活性，增加心肌梗死后梗死面积，证实硝酸甘油的获益受限于持续使用后所产生的耐受性[52]。另一组实验证实只有硝酸甘油可增加心肌梗死后心肌损伤，而其他有机硝酸盐则无此作用[53]，所以应避免硝酸甘油的持续使用，或者通过其他有机硝酸盐来替代。

黄芩苷是从中药黄芩中分离得到的一种黄酮类化合物。研究发现黄芩苷在心血管疾病中具有多种生物学功能[54]，Jiang等[55]通过缺氧再复氧处理H9c2心肌细胞后，存活率降低，胱天蛋白酶3蛋白酶活性和凋亡率显著升高，使用黄芩苷预处理可明显逆转这些变化的同时，还可缓解缺氧再复氧诱导细胞ALDH2 mRNA和蛋白水平下降及ALDH2活性降低，Alda-1同样也能消除缺氧再复氧诱导的细胞毒性、细胞凋亡和氧化应激，进一步表明黄芩苷能增强ALDH2活性及表达。

3 小 结

在I/R过程中，ALDH2对自噬的调节存在悖论，即缺血期间促进自噬，而在再灌注期间抑制自噬。在不同病理情况下ALDH2对自噬调节存在相反的作用，多柔比星条件下，ALDH2抑制自噬来保护心脏功能，而在压力高负荷下，ALDH2通过促进自噬防止心功能恶化，ALDH2过表达可以通过不同途径保护多种病因引起的心功能障碍，促进新生血管形成来防止心肌缺血性损伤。而在压力超负荷早期，通过抑制ALDH2来防止心脏代偿性肥大，推测这是ALDH2对病理应激的适应性反应，说明ALDH2 的过表达或活性上调并不全产生有益的作用。ALDH2参与各种形式的心肌损伤及心功能障碍的保护，是心肌损伤及心功能障碍的重要保护靶点。