磷酸戊糖途径抑制感光细胞凋亡及分子机制的研究进展

韩思杨 综述 孙晓东 审校

上海交通大学附属第一人民医院眼科 国家眼部疾病临床医学研究中心 上海市眼部疾病临床医学研究中心 上海市眼底病重点实验室 上海眼视觉与光医学工程技术研究中心 上海市眼科疾病精准诊疗工程技术研究中心,上海200080

感光细胞凋亡是众多视网膜疾病致盲的共同原因,并伴有氧化应激、合成代谢等改变。以视网膜脱离(retinal detachment,RD)为例,积极治疗后,部分患者视力仍不可逆下降甚至丧失,其病理基础为感光细胞凋亡[1]。因此寻找有效干预靶点,抑制感光细胞凋亡,促进视功能恢复对于临床医生和患者来说十分重要。感光细胞作为摄取葡萄糖最多的细胞之一,糖代谢在其生理病理过程中占据重要地位。与有氧呼吸和乳酸发酵不同,磷酸戊糖途径作为糖代谢的另一条通路,在合成代谢和抗氧化应激中具有重要作用。研究发现,磷酸戊糖途径的产物-烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(nicotinamide adenine dinucleotide phosphate,NADPH)可作为供氢体,对抗氧化应激,进而阻止脂质过氧化、线粒体功能破坏和大分子损伤造成的细胞凋亡[2]。与此同时,NADPH还可参与合成代谢,如脂质代谢和视色素代谢等[3],在一定程度上避免了因代谢异常导致的细胞凋亡。本文对磷酸戊糖途径的抗感光细胞凋亡作用机制进行总结,希望为未来临床和科研工作提供新的科学证据。

1 磷酸戊糖途径

磷酸戊糖途径作为糖代谢一个重要分支,是从糖酵解形成旁路,最终返回糖酵解的全过程。葡萄糖进入磷酸戊糖途径可产生2种主要物质--磷酸核糖和NADPH,这2种物质可作为重要的代谢原料和能量(而不是产生三磷酸腺苷来供能),参与生物大分子合成及其他生命活动。

葡萄糖-6-磷酸脱氢酶(glucose-6-phosphate dehydrogenase,G6PD)作为磷酸戊糖途径中最重要的限速酶,可催化NADP+产生NADPH。其编码基因位于X染色体,活性受到NADP+/NAPDH比例的调节,表现为NADP+通过构象调节增加G6PD的活性[4]。一般情况下,G6PD活性可在严格调控下发生10倍范围内的变化[5]。

2 磷酸戊糖途径对感光细胞凋亡的抑制作用

视网膜细胞是机体耗糖量最高的细胞之一,充足的葡萄糖供应可以促进细胞的存活[6]。其中,部分没有用于产能的葡萄糖进入磷酸戊糖途径,产生磷酸核糖和NADPH。在感光细胞中,磷酸核糖不参与DNA合成,而是进入其他途径被消耗;但NADPH则是参与物质合成、视色素代谢和抗氧化应激的重要物质。这一特点为磷酸戊糖途径抗感光细胞凋亡提供了充分的理论依据。

2.1 磷酸戊糖途径通过改变合成代谢抑制感光细胞凋亡

每天约有10%的感光细胞外段被视网膜色素上皮周期性吞噬[7],具有一定节律性,以早上的吞噬作用最为剧烈[8]。为弥补上述过程的脂双层损失,需要增加碳通量进而促进合成代谢的增加。

碳通量即葡萄糖摄入量,与葡萄糖的浓度及葡萄糖转运受体有关。已有研究显示,提高培养基中葡萄糖浓度可以诱导体外培养的视锥细胞存活[9]。当外界葡萄糖浓度较低时,细胞更容易受到氧化应激和代谢应激的损伤[10]。而葡萄糖的摄取与视锥细胞表面的葡萄糖转运体(glucose transporters,GLUT)家族有关。在视网膜色素变性的家猪模型中,GLUT作用的发挥依赖视杆细胞来源视锥细胞活性因子(rod-derived cone viability factor,RdCVF)[11]。研究发现,视锥细胞敲除丙酮酸激酶M2后,以G6PD为代表的磷酸戊糖途径关键限速酶表达显著下降,这一过程和感光细胞的结构、功能和生存密切相关[12]。

在视锥细胞中,NADPH的积累有利于后续的脂代谢过程[13]。脂质代谢保障了细胞膜的高流动性,与视蛋白参与的光反应密切相关。在感光细胞中,视蛋白只有嵌入高流动性的脂双层中时,才能发生相对剧烈的光反应[14]。而细胞膜的高流动性由高比例的多不饱和脂肪酸赋予,其中,二十二碳六烯酸(docosahexaenoic acid,DHA)占比高达80%,是感光细胞的必需Omega-3脂肪酸[15]。DHA以NADPH和乙酰辅酶A为原料合成,如果脂质代谢异常或者缺失,感光细胞的结构和功能都将受到损伤而导致凋亡。

2.2 磷酸戊糖途径通过抵抗氧化应激抑制感光细胞凋亡

氧化还原失衡是视网膜病变的主要原因之一[16]。相关研究显示,一生食用抗氧化剂的老人患年龄相关性黄斑变性的概率更低[17]。同时有研究还发现,在视网膜色素变性动物模型和患者视网膜、房水和血浆中,氧化应激的相关产物明显增加[18]。

活性氧(reactive oxygen species,ROS)在感光细胞中以多种途径产生。其中,在有氧代谢过程中,电子传递链是ROS的重要来源,且与氧气水平呈正相关[19];此外,研究表明,当人为离断感光细胞内段和外段后,位于内段的NADPH无法到达外段,进而无法参与全反式视黄醛的还原反应,全反式视黄醛的累积将进一步介导感光细胞的光氧化损伤[20];同时,感光细胞富含多不饱和脂肪酸,易受到氧化应激的影响,产生脂质过氧化。

磷酸戊糖途径可将上述氧化应激联系起来。研究表明,感光细胞中的NADPH可抵抗ROS的氧化作用,当抗氧化剂和酶在细胞中发挥作用时,需要磷酸戊糖途径代谢产物--NADPH传导电子,进而维持细胞的氧化还原平衡[21];另外,NADPH还可通过还原同源性或异源性二硫键发挥作用。在富含硫醇基团的蛋白质面临氧化应激时,如谷胱甘肽可逆地形成异源性二硫键,而该二硫键可被NADPH还原而恢复正常蛋白质结构。如果谷胱甘肽或NADPH缺乏或功能障碍,蛋白质将面临不可逆的氧化损伤,最终巯基依次氧化为亚磺酸,亚磺酸和磺酸,从而导致细胞凋亡[22]。因此磷酸戊糖途径可通过保护蛋白质结构功能的稳定来抵抗氧化应激,防止感光细胞凋亡。

3 磷酸戊糖途径抑制感光细胞凋亡的分子机制

3.1 磷酸戊糖途径通量增加的相关机制

相关研究显示,当细胞受到不利刺激时,更多的葡萄糖及中间产物流向磷酸戊糖途径,产生NADPH对抗氧化应激和其他反应,分流机制如下:首先,在高ROS浓度下,丙酮酸激酶的半胱氨酸被氧化而活性降低,导致其催化的磷酸烯醇丙酮酸转化为丙酮酸过程减慢,糖酵解中间体开始积累,进而流向磷酸戊糖途径[23];另外,氧化应激造成的凋亡过程导致p53转录增加,进一步增加TIGAR表达,抑制糖酵解途径,让更多的葡萄糖流向磷酸戊糖途径[24];除TIGAR外,有研究者在髓样癌细胞和淋巴癌细胞的研究中发现p53的另一靶蛋白--促凋亡蛋白NOXA,当葡萄糖充足时,NOXA促进磷酸戊糖途径产生NADPH抵抗细胞凋亡,如果葡萄糖缺乏,NOXA则导致细胞凋亡,其确切机制尚不明确,需要进行更多深入的探讨[25]。

3.2 RdCVFL相关机制

RdCVFL是由基因Nxnl1编码的一种活性硫氧还蛋白,参与凋亡相关的氧化还原途径,其自身活性由NADPH维持[26]。研究发现,≤3月龄Nxnl1-/-小鼠的视锥细胞功能尚且正常,但随着小鼠年龄的增长,其功能逐月恶化,表明该基因参与了发育晚期视锥细胞的凋亡[27]。进一步研究发现,该基因的破坏导致感光细胞功能障碍和对氧化应激的敏感性增加[28]。RdCVFL与微管相关蛋白相互作用,阻止其氧化,并防止其在视网膜的聚集和磷酸化,过度积累的异常磷酸化Tau蛋白激活小胶质细胞释放炎症因子,导致氧化应激,并诱导细胞凋亡[29]。硫氧还蛋白还原酶的辅因子NADPH正是由葡萄糖通过戊糖磷酸途径产生,如果NADPH缺乏,其功能将受到影响从而导致细胞凋亡。

3.3 p53和ATM相关机制

p53是由肿瘤抑制基因TP53编码的肿瘤蛋白,在癌症细胞中对磷酸戊糖途径有抑制作用[30],ATM属于磷脂酰肌醇3激酶相关激酶超家族,是一种丝氨酸/苏氨酸激酶[31]。p53在细胞氧化应激或DNA损伤后,被ATM磷酸化激活,在胞质中抑制G6PD从单体组装成二聚体,进而降低其活性,最终抑制磷酸戊糖途径[32]。另外,p53作为转录因子,入核后可与磷酸戊糖途径相关基因启动子结合,抑制其表达。同时,p53还直接与GLUT1和GLUT4蛋白基因的启动子结合,抑制蛋白表达,最终降低葡萄糖的摄取[33]。与此同时,ATM可以不通过p53,直接激活磷酸戊糖途径。在激活的ATM介导下,磷酸戊糖途径限速酶G6PD与热休克蛋白27之间相互作用,G6PD活性增加催化生成更多的NADPH抵抗氧化应激。上述证据解释了ATM缺失或突变的细胞中ROS增加的原因[34]。

3.4 Nrf2相关机制

红系衍生核因子相关因子-2(nuclear factor erythroid 2-related factor 2,Nrf2)是一种转录因子,在氧化应激下可调节磷酸戊糖途径相关酶的转录,抑制细胞凋亡[35]。正常情况下,Nrf2与人源全长重组蛋白(P01)(Kelch-like ECH-associated protein 1,Keap1)结合,Keap1可以介导Nrf2的泛素化降解。氧化应激发生时,Nrf2从Keap1上解离入核,增加转酮醇酶和转醛醇酶的转录,在细胞中积累NADPH,抵抗氧化应激,抑制细胞凋亡[36]。

4 展望

随着人们对感光细胞凋亡认识的深入,其凋亡调控机制也越来越受到关注。本文从抗氧化应激和调节代谢的角度,阐述了磷酸戊糖途径对抗感光细胞凋亡的作用途径及相关分子通路。虽然NADPH的抗氧化和参与代谢的作用明确,可抑制感光细胞凋亡,但NADPH在NADPH氧化酶作用下,可参与氧化应激的产生[37]。因此,NADPH对感光细胞的最终作用可能因为实验条件和试剂剂量而产生完全相反的实验结果。如何将理论向今后的临床工作中转化,则是今后研究需要关注的重点。

利益冲突所有作者均声明不存在利益冲突