靳霄涵綜述　徐忠偉　李玉明審校

cardiolab@live.com

?

血紅素氧合酶-1與心血管系統(tǒng)的相關研究*

靳霄涵1，2綜述徐忠偉2李玉明1,#審校

cardiolab@live.com

【摘要】血紅素氧合酶-1(NO-1)是細胞受到外界刺激后誘導性表達的一種分解血紅素的關鍵酶，其通過激活p55/腫瘤壞死因子受體-1(Tumor Necrosis Factor Receptor-1,TNFR-1)、p38絲裂原活化激酶(Mitogen-Activated Protein Kinases，MAPK)和磷脂酰肌醇-3激酶/蛋白激酶B(Phosphatidylinositol 3 Kinase /Protein Kinase B,PI3K/AKt)等信號通路，抑制多種凋亡相關分子活性，發(fā)揮抗氧化、抗炎、抗凋亡、抗血栓與降壓等作用，從而保護心血管系統(tǒng)，HO-1基因變異可能引起心血管疾病。

【關鍵詞】血紅素氧合酶；心血管系統(tǒng)/疾病

血紅素氧合酶-1(Heme Oxygenase 1，HO-1)作為血紅素氧合酶同工酶中唯一一種誘導型表達蛋白，在拮抗氧化應激對細胞損傷過程中發(fā)揮著重要作用，可保護心血管，延緩心血管疾病的發(fā)生與發(fā)展。

1HO-1及其調(diào)控

1960年，Tenhunen等[1]首先發(fā)現(xiàn)HO有三種同工酶，即HO-1、HO-2和HO-3，HO-2是細胞中的穩(wěn)定表達蛋白，HO-3被認為是一種無活性蛋白，HO-1是三種同工酶中唯一一種誘導表達蛋白。有研究[2]表明，人內(nèi)皮細胞和成纖維細胞中，HO-1的誘導表達可介導細胞對氧化應激的適應性和保護性應答；HO-1作為血紅素降解的限速酶，能將血紅素分解為二價鐵離子(Fe2+)、一氧化碳(Carbon Monoxide，CO)和膽綠素(Biliverdin，BV)。在氧化應激條件下，機體細胞迅速產(chǎn)生HO-1，加強游離血紅素代謝，保護細胞不被游離血紅素刺激而進入凋亡進程，發(fā)揮細胞保護作用。

HO-1的編碼基因位于22號染色體1區(qū)2帶，其調(diào)控主要發(fā)生在轉錄水平。由胞外刺激活化的激酶級聯(lián)信號，識別并結合于HO-1啟動子的DNA結合位點，調(diào)節(jié)HO-1的表達。氧化應激可抑制HO-1啟動子的應激應答元件(Stress-Responsive Elements，StREs)轉錄抑制劑BACH1的活性，抑制BACH1的轉錄[3]。細胞內(nèi)的血紅素通過BACH1上的結合位點與BACH1結合并誘導BACH1的構象修飾，抑制BACH1結合至StREs，使BACH1出核轉運，隨后被降解?；钚匝踝杂苫?Reactive Oxygen Species，ROS)也能直接作用于BACH1上的巰基，抑制BACH1與StREs結合，促進其出核轉運及降解。HO-1上StREs結合的BACH1的釋放，有助于氧化應激應答轉錄因子Nrf2(NF-E2-related factor-2)與StREs結合，誘導HO-1轉錄[4]。通過HO-1與BACH1的相互作用，引起HO-1表達，保護細胞免受氧化應激產(chǎn)生的游離血紅素的損害。

2HO-1抗凋亡信號通路

腫瘤壞死因子(Tumor Necrosis Factor，TNF)、淋巴毒素、死亡受體家族的激活能引起半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶(Cysteine-Aspartic Acid Protease，Caspase)家族相關信號通路的活化[5]，促進細胞凋亡；而HO-1可阻止細胞內(nèi)的這一凋亡進程。TNF主要通過p55/TNFR-1引起細胞凋亡，TNF與TNFR-1的結合引發(fā)TNF相關死亡結構域(TNFR-Associated Death Domain，TRADD)、TNF相關受體-2(Tumor Necrosis Factor-Associated Receptor-2，TRAF2)、受體相互作用蛋白-1(Receptor-Interacting Protein-1，RIP1)以及細胞凋亡抑制蛋白-1和-2(Inhibitor of Cell Apoptosis Protein，c-IAP-1，c-IAP-2)形成復合物，導致核因子-κB(Nuclear Factor-κB，NF-κB)家族轉錄因子的活化[6]，這是誘導細胞凋亡的重要環(huán)節(jié)；而HO-1和CO都可以調(diào)低p55/TNFR-1的表達或者減弱p55/TNFR-1識別TNF的能力[7]，HO-1還可以在不影響其它細胞保護相關基因表達的情況下抑制NF-κB的活化，從而抑制細胞凋亡。

研究顯示，p38絲裂原活化激酶(MAPK)與HO-1的細胞保護作用相關，抑制MAPK活性可拮抗HO-1的抗凋亡作用[8]。p38MAPK分子有兩種同工酶，p38αMAPK和p38βMAPK，p38αMAPK有促凋亡作用，而p38βMAPK則發(fā)

揮抗凋亡作用[9]。p38βMAPK可能通過HO-1與c-IAP-2或者其它細胞保護性基因的相互作用，抑制TNF介導的細胞凋亡過程而活化，HO-1能特異性識別p38αMAPK，并通過泛素-蛋白酶復合體系統(tǒng)使其降解；通過這種機制，控制p38α與p38β兩種同工酶的比例，保證具有細胞保護作用的p38βMAPK在比例上大于有細胞毒性p38αMAPK。HO-1活化的p38MAPK可以通過磷酸脂酰肌醇-3激酶/蛋白激酶B(PI3K/Akt)信號通路誘導抑制凋亡因子Bcl-xl的表達，抑制細胞固有的凋亡途徑激活[10]。PI3K/Akt信號傳導通路的活化還能誘導HO-1的表達，并通過HO-1上第188位絲氨酸殘基的磷酸化，調(diào)節(jié)HO-1的活性[11]。

3HO-1對心血管系統(tǒng)的保護作用

HO-1能夠通過抗氧化和抗炎、抗凋亡和抗血栓以及血管調(diào)節(jié)等多種機制發(fā)揮心血管系統(tǒng)保護作用。

3.1抗氧化與抗炎

血紅素被HO-1分解之后的產(chǎn)物包括CO和BV，CO與血紅蛋白結合，可抑制電子轉移及ROS積聚，ROS積聚能夠激活許多信號通路，如：MAPK/細胞外調(diào)節(jié)蛋白激酶(Extracellular Regulated Protein Kinases,ERK)、AKt及環(huán)磷酸鳥苷依賴的蛋白激酶(Cyclic Guanosine Monophosphate/cGMP- Dependent Protein Kinase， cGMP/PKG)，還能直接活化單核細胞趨化蛋白-1(Monocyte Chemotactic Protein-1，MCP-1)和轉化生長因子-β(Transforming Growth Factor，TGF-β)等炎癥和纖維化因子，改變組蛋白復合物結構，并調(diào)節(jié)某些基因的表達[12]。BV作為一種抗氧化劑，被氧化之后轉化為膽紅素(Bilirubin，BR)。BR是一種ROS強清除劑，能夠抑制低密度脂蛋白(Low Densith Lipoprotein，LDL)及其它脂質(zhì)的氧化，降低血管內(nèi)皮細胞中ROS水平，減少梗死面積以及再灌注引起的線粒體損傷[13]。研究表明，細胞內(nèi)過表達或誘導型HO-1的產(chǎn)生，可以抑制主動脈異體移植小鼠的內(nèi)膜增生及中性粒細胞滲入、趨化因子表達、NF-κB活化及細胞凋亡[14]。BV能減少巨噬細胞和受脂多糖(Lipopolysaccharide，LPS)刺激血管內(nèi)皮細胞分泌IL-6[15]。在血管系統(tǒng)中誘導產(chǎn)生的HO-1，可能通過BV及BR減少 E-選擇素、血管細胞黏附分子-1(Vascular Cell Adhesion Molecular-1，VCAM-1)及細胞間黏附分子(Intercellular Cell Adhesion Molecular-1，ICAM-1)的上調(diào)，抑制TNF-α刺激的內(nèi)皮細胞與中性粒細胞粘著，發(fā)揮抗炎作用。

3.2抗凋亡與抗血栓

研究表明，心肌缺血再灌注(Ischemia/Reperfusion，I/R)會引起Caspase3、Caspase9的活化，引發(fā)心肌細胞凋亡[16]。CO釋放分子-3(CO-Releasing Molecules-3，CORM-3)處理小鼠之后，其心肌細胞中許多凋亡標志分子如NF-κB、信號傳導與轉錄激活因子1/3(Signal Transducer And Activator of Transcription 1/3，STAT1/3)和核因子NF-E2相關因子-2(Nrf2)表達水平明顯的降低，具有心臟保護和抗凋亡作用分子表達顯著提高[17]，而用CO抑制劑處理后，能誘導細胞線粒體中過氧離子積聚，細胞凋亡增加。

血管損傷引起血小板聚集和活化，通過凝血因子和纖維蛋白原等共同作用，在局部形成血栓。HO-1分解血紅素產(chǎn)生的內(nèi)源性CO能提高血小板中環(huán)鳥嘌呤核糖苷-3',5'-環(huán)磷酸酯(Cyclic Guanosine 3',5'-cyclic Phosphate，cGMP)水平，抑制血小板聚集及血栓形成[18]。血管移植模型經(jīng)錫卟啉原抑制HO-1活性后，移植血管處發(fā)生血小板聚集和動脈血栓形成，最終導致移植排異反應。即HO-1缺陷可能加重血栓形成過程引起的免疫應答反應；過表達HO-1則可對血栓形成起抑制作用[19]。因此，HO-1有抗血栓的作用。

3.3血管調(diào)節(jié)作用

研究表明，抑制LDL受體基因敲除小鼠HO-1表達，會增加其動脈粥樣硬化程度及提高血漿過氧化氫脂質(zhì)水平[20]；心肌細胞過表達HO-1可拮抗再灌注損傷、心肌炎癥和氧化損傷，抑制血管平滑肌細胞增殖，阻止動脈粥樣硬化斑塊發(fā)展為脆性斑塊[21]。HO-1能降低肥胖大鼠體重，提高胰島素敏感性及葡萄糖耐量[22-26]。研究表明，HO-1分解產(chǎn)物CO能通過活化可溶性鳥苷酸環(huán)化酶(Soluble Guanylyl Cyclase，sGC)直接擴張血管，減少外周阻力，通過調(diào)節(jié)血管作用分子的產(chǎn)生，降低血管緊張度；能抑制內(nèi)皮素-1以及許多由細胞色素P450介導的血管收縮成分的產(chǎn)生；還能通過降低中樞交感神經(jīng)的興奮性以及促進腎臟的鈉離子外排，刺激細胞內(nèi)儲存的NO釋放，發(fā)揮降血壓作用[27]。另外，HO-1在吸煙、高血糖、高血壓等心血管疾病危險因子作用時表達量也會增高[28]。

4HO-1基因變異與心血管疾病

作為HO-1的轉錄調(diào)控因子，Nrf2和BACH1在由HO-1表達改變所引起的心血管疾病中有著關鍵作用[29]。Nrf2信號通路缺陷會引起糖尿病和心血管疾病，增加葡萄糖誘導的心肌細胞凋亡[29-32]；BACH1缺陷會促進實驗動物的動脈粥樣硬化、缺血再灌注損傷及血管損傷[33]。HO-1的啟動子區(qū)域存在著多態(tài)性，其近端至少有一個SNP，-413A/T，它與心血管疾病易感性相關，-413A/T多態(tài)性中AA基因型心血管疾病的發(fā)病率較低[34]；其長谷胱甘肽胸腺嘧啶二核苷酸(Glutathione Thymidine Dinucleotide，GT)重復序列(重復數(shù)>29)與HO-1表達成負相關，可能加快動脈粥樣硬化進程，增加心血管疾病風險[35]。

5展望

許多臨床前或者臨床疾病能從藥物誘導產(chǎn)生的HO-1中獲益，藥物誘導HO-1有望成為一種新的心血管疾病的干預措施。而針對HO-1的基因治療可能比藥物誘導HO-1表達更有效。臨床前期數(shù)據(jù)已經(jīng)證明了用HO-1進行器官特異性基因治療的可行性：在肺內(nèi)皮細胞中轉染HO-1miRNAs會引起HO-1表達下調(diào)，增加對氧化應激敏感性和肺內(nèi)皮細胞凋亡，以及減少自噬。隨著基因載體的發(fā)展，用HO-1進行基因治療的方法將會得到進一步優(yōu)化，但載體的安全性和有效性是必須考慮的問題，如何在提高療效的同時，避免產(chǎn)生任何不利影響將是亟待解決的重要挑戰(zhàn)。

?

靳霄涵(1991—)，男，漢族，碩士研究生，研究方向：心血管內(nèi)科學

參考文獻

1Tenhunen R, Marver HS, Schmid R. The enzymatic conversion of heme to bilirubin by microsomal heme oxygenase[J]. Proc Natl Acad Sci USA, 1968, 61 (2):748-755.

2Reeve VE, Tyrrell RM. Heme oxygenase induction mediates the photoimmunoprotective activity of UVA radiation in the mouse[J]. Proc Natl Acad Sci USA, 1999, 96 (16):9 317-9 321.

3Takada T, Miyaki S, Ishitobi, et al. Bach1 deficiency reduces severity of osteoarthritis through upregulation of heme oxygenase-1[J]. Arthritis Res Ther, 2015, 17(1):285-295.

4Fuse Y, Nakajima H, Nakajima-Takagi Y, et al. Heme-mediated inhibition of Bach1 regulates the liver specificity and transience of the Nrf2-dependent induction of zebrafish heme oxygenase 1[J]. Genes Cells, 2015, 20 (7):590-600.

5Yang T, Shi R, Chang L, et al. Huachansu suppresses human bladder cancer cell growth through the Fas/Fasl and TNF- alpha/TNFR1 pathway in vitro and in vivo[J]. 2015, 34(1):21-30.

6Micheau O, Tschopp J. Induction of TNF receptor I-mediated apoptosis via two sequential signaling complexes[J]. Cell, 2003, 114 (2):181-190.

7Bertok S, Wilson MR, Morley PJ, et al. Selective inhibition of intra-alveolar p55 TNF receptor attenuates ventilator-induced lung injury[J]. Thorax, 2012, 67 (3):244-251.

8Jiang G, Hu Y, Liu L, et al. Gastrodin protects against MPP(+)-induced oxidative stress by up regulates heme oxygenase-1 expression through p38 MAPK/Nrf2 pathway in human dopaminergic cells[J]. Neurochem Int, 2014, 75(9):79-88.

9Zhao M, Yang Y, Bi X, et al. Acetylcholine attenuated TNF-α-induced apoptosis in H9c2 cells: role of calpain and the p38-MAPK pathway[J]. Cell Physiol Biochem, 2015, 36(5):1 877-1 889.

10Shen Y, Ward NC, Hodgson JM, et al. Dietary quercetin attenuates oxidant-induced endothelial dysfunction and atherosclerosis in apolipoprotein E knockout mice fed a high-fat diet: a critical role for heme oxygenase-1[J]. Free Radic Biol Med, 2013, 65(4):908-915.

11Seo SH, Jeong GS. Fisetin inhibits TNF-α-induced inflammatory action and hydrogen peroxide-induced oxidative damage in human keratinocyte HaCaT cells through PI3K/AKT/Nrf-2-mediated heme oxygenase-1 expression[J]. Int Immunopharmacol, 2015, 29 (2):246-253.

12Chen W, Frangogiannis NG. The role of inflammatory and fibrogenic pathways in heart failure associated with aging[J]. Heart Fail Rev, 2010, 15 (5):415-422.

13Müllebner A, Moldzio R, Redl H, et al. Heme degradation by heme oxygenase protects mitochondria but induces ER stress via formed bilirubin[J]. Biomolecules, 2015, 5 (2):679-701.

14Jayasooriya RG, Lee KT, Choi YH, et al. Antagonistic effects of acetylshikonin on LPS-induced NO and PGE2 production in BV2 microglial cells via inhibition of ROS/PI3K/Akt -mediated NF-κB signaling and activation of Nrf2-dependent HO-1[J]. In Vitro Cell Dev Biol Anim, 2015, 51 (9):975-986.

15Bisht K, Wegiel B, Tampe J, et al. Biliverdin modulates the expression of C5aR in response to endotoxin in part via mTOR signaling[J]. Biochem Biophys Res Commun, 2014, 449 (1):94-99.

16Jia X, Zhang L, Mao X. S-propranolol protected H9C2 cells from ischemia/ reperfusion- induced apoptosis via downregultion of RACK1 gene[J]. Int J Clin Exp Pathol, 2015, 8 (9):10 335-10 344.

17Andreadou I, Iliodromitis EK, Rassaf T, et al. The role of gasotransmitters NO, H2S and CO in myocardial ischaemia/reperfusion injury and cardioprotection bypreconditioning, postconditioning and remote conditioning[J]. Br J Pharmacol, 2015, 172 (6):1 587-1 606.

18Li L, Li CM, Wu J, et al. Heat shock protein 32/heme oxygenase-1 protects mouse Sertoli cells from hyperthermia-induced apoptosis by CO activation of sGC signalling pathways[J]. Cell Biol Int, 2014, 38(1):64-71.

19Gabre J, Chabasse C, Cao C, et al. Activated protein C accelerates venous thrombus resolution through heme oxygenase-1 induction[J]. J Thromb Haemost, 2014, 12 (1):93-102.

20Brydun A, Watari Y, Yamamoto Y, et al. Reduced expression of heme oxygenase-1 in patients with coronary atherosclerosis[J]. Hypertens Res, 2007, 30 (4):341-348.

21Harada N, Ito K, Hosoya T, et al. Nrf2 in bone marrow-derived cells positively contributes to the advanced stage of atherosclerotic plaque formation[J]. Free Radic Biol Med, 2012, 53(12):2 256-2 262.

22Yang G, Li Y, Wu W, et al. Anti-oxidant effect of heme oxygenase-1 on cigarette smoke-induced vascular injury[J]. Mol Med Rep, 2015, 12 (2):2 481-2 486.

23Bao W, Rong S, Zhang M, et al. Plasma heme oxygenase-1 concentration in relation to impaired glucose regulation in a non-diabetic Chinese population[J]. PLoS One, 2012, (3):e32223.

24Zenclussen ML, Linzke N, Schumacher A, et al. Heme oxygenase-1 is critically involved in placentation, spiral artery remodeling, and blood pressure regulation during murine pregnancy[J]. Front Pharmacol, 2015, 5:291.

25Lee EM, Lee YE, Lee E, et al. Protective effect of heme oxygenase-1 on high glucose-induced pancreatic β-cell injury[J]. Diabetes Metab J, 2011, 35 (5):469-479.

26Jais A, Einwallner E, Sharif O, et al. Heme oxygenase-1 drives metaflammation and insulin resistance in mouse and man[J]. Cell, 2014, 158 (1):25-40.

27Huo L, Zhang J, Qu Z, et al. Vasorelaxant effects of Shunaoxin pill are mediated by NO/cGMP pathway, HO/CO pathway and calcium channel blockade in isolated rat thoracic aorta[J]. J Ethnopharmacol, 2015, 173:352-360.

28Velmurugan GV1,Sundaresan NR, Gupta MP, et al. Defective Nrf2-dependent redox signalling contributes to microvascular dysfunction in type 2 diabetes[J]. Cardiovasc Res, 2013, 100 (1):143-150.

29Uruno A, Furusawa Y, Yagishita Y, et al. The Keap1-Nrf2 system prevents onset of diabetes mellitus[J]. Mol Cell Biol, 2013, 33 (15):2 996-3 010.

30Yagishita Y, Fukutomi T, Sugawara A, et al.Nrf2 protects pancreatic β-cells from oxidative and nitrosative stress in diabetic model mice[J]. Diabetes, 2014, 63 (2):605-618.

31Mozzini C, Fratta PA, Garbin U, et al. Increased endoplasmic reticulum stress and Nrf2 epression in peripheral blood mononuclear cells of patients with stable coronary artery disease[J]. Free Radic Biol Med, 2014, 68(3):178-185.

32Ashino T, Yamamoto M, Yoshida T, et al. Redox-sensitive transcription actor Nrf2 regulates vascular smooth muscle cell migration and neointimal hyperplasia[J]. Arterioscler Thromb Vasc Biol, 2013, 33 (4):760-768.

33Motovali-Bashi M1, Hamidy M. Association between GT-repeat polymorphism at heme oxygenase-1 gene promoter and gastric cancer and metastasis[J]. Tumour Biol,2015, 36 (6):4 757-4 762.

34張國紅，陳宋明，王東明，等. 血紅素氧合1基因-413A/T位點多態(tài)性與血脂異常個體冠心病患病風險密切相關[J].中國動脈硬化雜志，2010,18 (1):63-66.

35Kaplan M, Renbaum P, Hammerman C, et al. Heme oxygenase-1 promoter polymorphisms and neonatal jaundice[J]. Neonatology, 2014, 106(4):323-329.

作者簡介：本文

[中圖分類號]R54

[文獻標識碼]A

[文章編號]1005-1740(2016)01-0057-04

*[基金項目]國家自然科學基金項目(81170238);天津市科技計劃項目(15ZXJZSY00010)；天津市心血管重塑與靶器官損傷重點實驗室開放基金項目(TJC1401)

本文2015-10-04收到，2015-12-14修回