血红素及血红素加氧酶1相关作用的研究进展

李转丽 综述 李小燕，吴涛，白海 审校

1.甘肃中医药大学第一临床医学院，甘肃 兰州 730000；

2.中国人民解放军联勤保障部队第九四〇医院血液科，甘肃 兰州 730050

氯化血红素(Hemin)也称为血红素、卟啉氯化铁和亚铁血红素，是血红素氧化的产物，具有广泛的生物学功能[1]。血红素作为一种含铁的金属卟啉，目前已广泛用于治疗诱导型卟啉病的急性发作。它能够产生抗氧化和抗炎产物，如胆绿素、胆红素和一氧化碳。胆绿素和胆红素在体外能清除过氧自由基，而一氧化碳可以抑制巨噬细胞中促炎细胞因子的产生，如肿瘤坏死因子-α、白细胞介素-1β和巨噬细胞炎症蛋白-1，还可通过调节有丝分裂激活蛋白激酶[2-3]。

血红素是天然存在的铁卟啉化合物，由四个吡咯类亚基和亚铁离子组成，吡咯中的四个氮原子通过共价键和配位键与亚铁离子结合，形成高度共轭体系。血红素的颜色是黑绿色，无定形针状晶体，难溶于水，易溶于碱性溶液。血红素是血红蛋白的主要活动中心，一个血红蛋白是由四个血红素和一个珠蛋白组成。作为血红素蛋白的辅基，血红素的功能是运输氧气到身体的各个部分、传递电子、催化体内的氧化还原反应等[4]。

1 氯化血红素的作用

1.1 神经保护作用 氯化血红素是血红素氧合酶1(HO-1)的底物和诱导剂，具有神经保护作用。氯化血红素可防止自由基引起的损伤，降低兴奋性氨基酸的毒性，保护重要器官免受缺氧缺血性损伤。氯化血红素可通过PI3K/Akt 途径减轻七氟醚暴露诱导的新生大鼠细胞凋亡，增加HO-1表达，预防新生大鼠氧化应激损伤。氯化血红素是血红素氧化的产物，含有铁卟啉和氯配体，可特异性诱导神经细胞中的脑红蛋白和HO-1上调[5]。

1.2 诱导K562 细胞红系分化 Hemin 是由血红素氧化后的一种产物，分子结构中含有高价铁卟啉，与血红素相似。Hemin 可通过调节从模板DNA 转录成mRNA 然后翻译成蛋白质的这一过程的若干步骤来增加基因表达[6]。据文献报道，Hemin 诱导红系肿瘤细胞向良性方向分化，即在本来不表达β-珠蛋白的肿瘤细胞内表达β-珠蛋白，其诱导血红蛋白表达，且联苯胺染色为阳性[7]。Hemin诱导K562细胞向红系分化，分化过程中比较明确的机制是利用Hemin 促进红系特异性转录因子GATA-1和NF-E2的表达[8-9]。氯化血红素通过在K562 细胞中诱导自噬反应来促进红细胞成熟，可能有助于慢性粒细胞白血病的治疗。其机制是通过mTOR信号诱导自噬途径的激活，还可降低线粒体蛋白质的含量，表明Hemin能有效诱导线粒体降解及诱导线粒体膜去极化[10]。

1.3 氯化血红素诱导产生NRF2基因 在溶血过程中，受损红细胞释放的游离血红素会损害邻近细胞。作为一种反应，血红素通过HO-1 诱导其代谢降解，HO-1 由主要的应激反应转录因子NF-E2 相关因子2 (NRF2)激活。氯化血红素产生有害的活性氧(ROS)，包括过氧化氢、超氧化物和羟自由基，介导膜脂质过氧化和巯基氧化，通过氧化脂质修饰蛋白质并降低呼吸能力。Hemin 引起巨噬细胞坏死，这是一种细胞死亡，具有神经元坏死和铁沉积的共同特征。Hemin 诱导的HO-1 激活NRF2 和阻遏物(Btb 和Cc 同源性1，BACH1)调节。后者被血红素取代，位于血红素氧合酶-1 的启动子位点。这是通过血红素减少BACH1 与DNA 的结合而发生的。此外，Hemin 激活NRF2靶基因，编码铁蛋白和铁转运蛋白-1(FPN1)，分别负责铁的储存和排泄。氯化血红素在肾细胞中诱导p21，这是一种细胞周期蛋白依赖性激酶抑制剂，机制与G1期的进展有关[11]。

1.4 抗氧化作用 研究表明，血红蛋白降解产物血红素通过活性氧介导的蛋白酶体活性和脂质过氧化诱导血小板活化、铁沉积。而褪黑素通过恢复蛋白酶体活性和抑制炎症，可有效抑制氯化血红素诱导的血小板活化及铁沉积。氯化血红素通过破坏内源性谷胱甘肽增加活性氧和脂质过氧化导致血小板死亡。氯化血红素显著调节Bcl-2 家族蛋白，抑制血小板蛋白酶体活性，从而导致体外和体内不受控制的血小板过早死亡[12]。氯化血红素是一种强有力的脂蛋白氧化诱导剂，其作用靶点位于脂蛋白的疏水核心附近，导致抗氧化活性的丧失。高密度脂蛋白可能是血红素结合的主要靶点[13]。颅内出血(ICH)是一种很危急的疾病，导致高发病率和死亡率，占所有脑卒中的20%。出血后，血肿形成，红细胞中含有的血红素迅速从血肿中释放到脑组织中。随后通过血红素加氧酶代谢为一氧化碳、胆绿素和铁。因此，血红蛋白和血红素是神经元损伤的关键介质，最终导致脑出血后的继发性脑损伤。同时发现血红蛋白诱导活性氧过度产生和细胞损伤的机制可能与HO-1从血红蛋白中产生的Fe2+有关[14]。

1.5 诱导细胞凋亡 氯化血红素可增加结肠癌细胞和线粒体中活性氧的产生，从而诱导细胞增殖、氧化损伤和线粒体功能障碍，以及抑制结肠癌和正常结肠上皮细胞的凋亡[15]。氯化血红素对细胞死亡的抑制作用是由HO-1 和Caspase-3 介导的。缺氧增加ROS 的产生，破坏DNA和RNA，并激活骨细胞中的凋亡调节因子Bcl-2、Bax，诱导细胞死亡。研究表明氯化血红素诱导的HO-1具有骨细胞保护作用，诱导HO-1可能有助于治疗糖皮质激素相关的骨坏死和骨质疏松症。诱导HO-1不仅减少骨细胞坏死，而且减少糖皮质激素和缺氧诱导的细胞凋亡。糖皮质激素和缺氧引起的Caspase-3激活可被HO-1诱导抑制[16]。

2 血红素加氧酶

2.1 血红素加氧酶的介绍 血红素加氧酶(heme-oxygenase，HO)是一种微粒体酶，1968 年Tenhunen 等首次描述了血红素加氧酶催化分解血红素。HO 是一种含血红素的热休克蛋白，参与血红素基团降解，将游离血红素代谢为一氧化碳、铁和胆绿素，胆绿素还原酶将血红素转化为胆红素。HO 也是内源性一氧化碳产生的主要来源，具有抗氧化和抗炎作用[17-18]。

2.2 血红素加氧酶的分类 血红素加氧酶系统以三种活性亚型存在，包括HO-1、组成型血红素加氧酶2 (HO-2)和血红素加氧酶3 (HO-3)。血红素氧化酶的两种亚型HO-1 和HO-2 主要位于内质网，其中HO-1 可位于内质网、线粒体内膜和质膜小窝中，这种酶由Hmox1 基因编码。HO-1 的表达由NRF2 及Kelch样ECH相关蛋白1(Keap1)系统触发。在静息条件下，NRF2 活性被与Keap1 的物理相互作用抑制，导致Cullin-3 依赖性E3 泛素连接酶募集用于蛋白酶体降解，从而将NRF2 维持在低水平。在氧化应激下，Keap1 发生构象变化并释放NRF2。游离NRF2 转移到细胞核中，其与小Maf蛋白相互作用，并进一步结合到抗氧化反应元件(ARE)或亲电反应元件(EpE)上，以反式激活编码抗氧化酶的各种基因，包括HO-1。由于对启动子结合位点的竞争，细胞血红素水平的增加阻碍了通过NRF2拮抗剂Bach1 诱导HO-1。HO-3 是在大鼠大脑中发现的，被认为是无催化活性的，并参与血红素感应和结合，它的性质目前仍然不清楚[19-21]。

2.3 血红素加氧酶的作用 血红素加氧酶系统的主要生理作用是保护细胞免受氧化应激。这些细胞保护作用既归因于前氧化剂血红素的降解，也归因于降解过程中产生的代谢产物的作用，如一氧化碳介导血管舒张、抗凋亡和抗炎作用。血红素加氧酶是细胞分解代谢血红素的唯一有用手段，因此它们被标记为看家基因，并被指定控制细胞血红素库[22]。HO-1也称为热休克蛋白32(Hsp32)，是一种诱导型同工酶，其表达可由不同的应激条件上调，并由多种刺激激活，包括紫外线照射、感染、重金属、一氧化氮、细胞因子和氧化低密度脂蛋白等。HO-2 和HO-3 代表大多数人类组织中在基础水平表达的组成型同种酶，特别是在神经元、脾脏和肝脏中的浓度水平相比其他组织更高[23]。一氧化碳(CO)是一种无机化合物，能与血红蛋白结合，具有剧毒作用。大量吸入通常会导致中枢神经系统和心血管系统的病变。HO-2 位于16 号染色体。虽然这两种血红素氧合酶亚型的作用机制相似，但它们的调节方式不同。HO-1 的高表达发生在肝脏和脾脏，生理条件下，中枢神经系统不产生HO-1，然而，在患有慢性神经退行性疾病的患者中分泌增加。HO-2主要在大脑中产生，其表达常见于神经元、胶质细胞和脑血管。缺氧、癫痫发作不会增加HO-2 的产生水平，但会增加其活性。HO-3一级结构与HO-2相似90%，但不显示任何酶活性[24]。

3 HO-1

3.1 HO-1 的介绍 HO-1 是血红素氧合酶家族中的一员，是体内血红素代谢的重要起始酶和限速酶，能够催化血红素分解为胆绿素、一氧化碳和铁离子。HO-1 属诱导型，广泛分布于哺乳动物多种组织细胞中，生理状态下只有少量表达，缺血、缺氧、血红素、应激等因素可诱导其显著表达[25]。HO-1蛋白位于内质网，也定位在线粒体核和小窝中。HO-1 由位于染色体22q12.3 上的HMOX1 基因编码。它有五个外显子、四个内含子和三个调控区，一个近侧区和两个远离启动子区的远侧区。这些调节区包含不同的转录因子结合位点缺氧诱导因子1 (HIF-1)、核因子κB(NF-κB)、激活蛋白(AP-1)结合位点、应激反应元件(StRE)、金属反应元件(MtRE)和热休克共识(HSE)序列，它们参与细胞氧化还原状态的调节。HO-1 负责p21的上调，p21是一种细胞周期蛋白依赖性激酶抑制剂，负责阻止细胞周期进程，从而减少肾小管上皮细胞的凋亡。HO-1 的表达在肾脏中被强烈的刺激诱导，这是由于肾脏的过滤作用，这意味着HO-1暴露于广泛的内源性和外源性分子[26]。HO-1 是肿瘤坏死因子诱导的内皮细胞凋亡的拮抗剂。HO-1作为抗炎介质，可限制活化巨噬细胞中Toll样受体-4 依赖性促炎细胞因子的产生。HO-1可通过多种分子机制发挥作用，包括调节p38 丝裂原活化蛋白激酶(MAPK)活性，在减轻炎症中发挥作用[27]。氯化血红素是一种含铁的含氯卟啉，是各种细胞类型(包括正常细胞和癌细胞)中可用的HO-1诱导剂[28]。

3.2 HO-1的作用

3.2.1 抑制细胞凋亡 HO-1 是一种重要的应激蛋白和多功能微粒体酶，在特定环境和细胞特异性中调节靶细胞的多种生物反应，包括趋化性、细胞周期进程、分化和凋亡。HO-1 通过以下不同的机制抑制细胞凋亡：(1)通过一磷酸腺苷激活的蛋白激酶(AMPK)和p38丝裂原激活的蛋白激酶信号转导途径；(2)通过诱导抗凋亡基因如Bcl-xL、Bcl-2 及抑制促凋亡基因如Bax 和Bak 的表达。HO-1 表达增加可改善心血管功能障碍，并通过促进自噬和降低氧化应激来保护肝脏免受缺血再灌注损伤。mTOR途径是AMPK调节的主要下游信号通路之一。研究表明HO-1的过度表达可以显著增加AMPK 活化并减少mTOR 磷酸化，表明HO-1 是抑制mTOR 磷酸化的上游激酶。因此，mTOR 似乎是HO-1 在血红素加氧酶相关细胞凋亡中影响自噬途径的关键信号通路[29]。在胃癌中，HO-1水平升高导致凋亡的关键介质Caspase-3降低，乳腺癌细胞中HO-1抑制通过下调抗凋亡蛋白导致阿霉素诱导的凋亡增加[30]。HO-1 反应产物一氧化碳可抑制肿瘤坏死因子-α(TNF-α)在小鼠成纤维细胞和内皮细胞中的凋亡。内皮细胞中一氧化碳的抗凋亡作用需要MAPK 途径和NF-κB 的下游激活。在血管平滑肌细胞中，一氧化碳抑制细胞因子(TNF-α、IL1-β、INF-γ)诱导的凋亡，依赖于可溶性鸟苷酸环化酶的激活。研究表明，在高氧状态、缺氧和复氧模型中，一氧化碳对内皮细胞凋亡也有相似的抗凋亡作用[27]。血红素还可通过抑制蛋白酶体和引起线粒体功能障碍导致细胞损伤和凋亡[31]。HO-1对MDS也有抗凋亡作用，HO-1 可影响MDS耐药和促使其进展为急性髓系白血病[32]。

3.2.2 与化疗耐药性及与肿瘤存活的关系 HO-1在各种人类恶性肿瘤中升高，有助于为癌细胞生长、血管生成和转移以及对化疗和放疗的耐药性建立肿瘤微环境。HO-1在肿瘤细胞中的生物学效应是特异性的，在一些肿瘤中，其上调促进细胞周期停滞和细胞死亡，如在黑色素瘤细胞中，HO-1 抑制增加了对光动力疗法的反应性，导致细胞凋亡，而在头颈部鳞状细胞癌则有助于细胞凋亡和抑制肿瘤生长[33]。而在其他肿瘤中，其与肿瘤存活和进展相关，就血液系统恶性肿瘤而言，HO-1 上调与疾病进展和化疗耐药性有关[34]。HO-1 通过诱导内质网应激、自噬、MAPK 激酶的激活以及增加巨噬细胞浸润在化疗耐药性和肿瘤进展中发挥保护作用。在中枢神经系统肿瘤中，HO-1的上调和下调与细胞周期分裂停滞以及随后的细胞死亡及肿瘤存活和进展有关[35]。

3.2.3 在胃肠道的作用 HO-1 是一种应激诱导酶，许多研究表明，HO-1 在胃肠道中高度表达，参与对炎症过程的反应，HO需要NADPH和氧气来降解血红素，释放一氧化碳(CO)、游离铁(Fe2+)和胆绿素，胆绿素通过胆绿素还原酶消耗另一个NADPH分子而被还原成胆红素。HO-1 在几种胃肠癌中过度表达，包括结肠癌、胃癌和胰腺癌。此外，正常情况下，HO-1 高表达与预后不良、生存率低有关，尤其是对治疗反应较低[36]。HO-1 可下调肠道疾病的免疫反应。炎症性肠病，包括克罗恩病(CD)和溃疡性结肠炎(UC)，是与HO-1效应相关的研究最多的疾病之一。在健康条件下，HO-1在肠道中以低水平表达，但在引发炎症时会被显著诱导。HO-1的激活通过诱导抗炎细胞因子途径来减少肠道炎症。HO-1 也与直肠癌等有关，其被认为是癌症治疗的新靶点[37]。

3.2.4 在自身免疫性疾病中的作用 HO-1 在自身免疫性疾病中具有保护作用。系统性红斑狼疮患者单核细胞中HO-1 的表达降低，增加了髓样细胞HO-1表达与狼疮性肾炎之间联系的可能性[38]。HO-1具有抗炎和抗氧化作用，有望成为治疗风湿性疾病的靶点。值得注意的是，HO-1 在巨噬细胞中具有免疫调节功能，而巨噬细胞在免疫系统中起着重要作用，尤其是在风湿性疾病中[39]。

3.2.5 在脑部疾病的作用 研究显示，HO-1 作为抗缺血剂的临床应用潜力很大。如HO-1用在使用胰岛素诱导的大脑中动脉闭塞的脑卒中大鼠，结果大鼠大脑受胰岛素抵抗影响的部分梗死面积显著减小，同时肿瘤坏死因子-α的表达显著降低，表明增加中枢神经系统HO-1的表达可以减轻脑部疾病的主要症状[40]。

3.2.6 在肺损伤和肝炎相关疾病的作用 血红素诱导HO-1可降低脓毒症相关肺损伤模型中白细胞介素-1β的成熟并下调炎症的激活。此外，血红素调节诱导HO-1 与保护D-半乳糖胺和脂多糖诱导的急性肝损伤有关，并与下调相关的NLRP3炎症体依赖性胱天蛋白酶-1 活化有关[27]。HO-1 通过抑制肝细胞过度的内质网应激，可作为营养性脂肪性肝炎进展的保护因子，并可能成为治疗非酒精性脂肪性肝炎的潜在靶点[41]。氯化血红素靶向诱导HO-1 可以抑制Wnt信号通路。研究表明，Wnt 信号通路在饮食诱导的脂肪性肝炎相关肝纤维化的发病机制中起着关键作用。此外，发现HO-1 抑制NASH 相关肝纤维化中典型和非典型Wnt信号通路的激活[42]。

3.2.7 在肾脏中的作用 血红素氧合酶系统是可用于保护肾脏结构免受氧化应激损伤、限制炎症和加速衰老的靶点之一。在肾脏中，HO-1 蛋白水平在稳态条件下是检测不到的，除在肾小管中保持较低水平。众所周知，许多应激条件会上调肾脏转录HO-1，包括氧化应激、热休克、缺氧、重金属和毒素等[26]。

3.2.8 对血管再狭窄的作用 HO-1 通过抑制NF-кB、肿瘤坏死因子-α和内皮素-1的表达减轻兔颈动脉球囊损伤后的血管再狭窄，表明诱导HO-1 活化可能是治疗抗再狭窄血管的可行治疗靶点。诱导HO-1活性为血管抵抗血栓形成和再狭窄提供了一种治疗方法[43]。

4 结语

血红素加氧酶1 是血红素氧合酶家族中的一员，是体内血红素代谢的重要起始酶和限速酶，可被各种应激诱导产生。其在肿瘤细胞中的作用不同，可阻滞细胞周期及诱导细胞凋亡，也可与肿瘤进展有关。在胃肠道、自身免疫性疾病、肾脏等发挥不同的作用，在血液系统疾病中的作用主要是诱导分化、抗凋亡，与化疗药物的耐药性及疾病进展有关。血红素加氧酶1 的不同作用考虑可能与血红素加氧酶1的酶活性有关，从而导致不同疾病的进程较为复杂，期待未来进一步探索HO-1 酶活性的具体机制方面的研究。