血红素氧合酶及其在心血管系统中的作用
【文献标识码】 A 【文章编号】 1680-6115(2003)12-1090-02
近年来，越来越多的研究结果表明血红素氧合酶(HO)———一氧化碳(CO)系统在维持心血管系统正常生理功能中扮演着重要的角色。在病理状态下细胞可高表达HO-1，起到保护器官的作用。本文综述这方面研究进展。
1 血红素氧合酶系统
1.1 血红素氧合酶的生物学特性 这一系统最早发现于20年前，当时只知道该系统存在于微粒体中，并受金属离子的调节。后来在睾丸中发现了该酶的同工酶。于是分别命名为HO-1和HO-2 [1] 。HO-1也叫第32号热休克蛋白(HSP32)，不仅对金属离子敏感，而且还对一切可造成病理性损伤的因素有反应;这些因素包括:热休克、缺血、GSH-耗竭、放射、缺氧、高氧、细胞转化和疾病状态，因此该型同工酶也叫诱导型HO。HO-2对HO-1的调节剂无反应，在特定组织中稳定地表达，因而被称为结构型HO，其唯一的调节剂是肾上腺糖皮质激素(Gcs)。在生理机制下，血红素可被血红素氧合酶裂解为胆绿素、一氧化碳和铁离子。其中产生的CO跟NO一样作为第二信使促进具有生理活性的3′，5′环-鸟嘌呤核苷单磷酸(cGMP)的产生。Ryter SW [2] 等最新的研究表明，CO在抗炎和抗凋亡方面发挥的神奇作用与P38激活MAPK的信号转导途径有关。
, 百拇医药
1.2 心血管中HO异构酶的调控 HO异构酶的调控每一个都有显著的不同。HO-1基因对各种刺激都起反应，这导致其只有单一的氧化功能，而HO-2只对肾上腺糖皮质激素起反应。HO-1和HO-2调节的差异与作用在它们激活区域的调节因子有关。存在于HO-1基因激活区域的这些一致序列对结合多种调节分子是很必要的，如热休克蛋白、AP-1、NFkB和一些金属离子。然而只有单一的糖皮质激素应答成分(GRE)在HO-2基因中存在。而且GRE不是一个强的转录激活因子。HO-1的基因结构和调节与其它应激蛋白都不同。HO-1基因有四个内含子。而且与其他HSPs不同，热应激产生的HO-1在动物的器官中是一个普遍而且协调的反应。在心脏诱导产生的HO-1在1h达到高峰6h后达到平常水平 [3] 。当HO-1基因激活区域HSF结合增加时将导致HO-1的mRNA数量增加，并且与～1.8kb的转录产生的信号稳定性有关。从另一方面说，金属离子通过增强转录速率而增加HO-1的水平。
在正常情况下，心脏和血管系统HO-1和HO-2表达的对比和对氧化反应的应答曾被检测。在这些系统，HO-2在正常情况下占主导地位。在血管的内皮和平滑肌层，在颈动脉化学感受器和动脉血管外膜神经元，HO-2蛋白只是稳定地表达。当应激的时候，在心血管中有明显的HO-1mRNA的表达。在心脏中，HO-1蛋白在房室结中明显高水平地表达。在肌细胞中，HO-1蛋白表达最少。在缺血后再灌注这一氧化应激刺激下，心脏、主动脉和肾脏均高度表达HO-1mRNA及其蛋白质 [4] 。HO-2在横纹肌纤维 中不存在，而在血管内皮细胞、副交感和感觉神经细胞中与NOS一同表达 [5] 。
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2 血红素氧合酶对心血管系统的调节与保护作用
心血管系统有很强的产生CO的能力。这是因为作为底物的血红素很充足，而且经过CO的产生率评估 [6] ，定位在血管中的HO显示很好的活性。由血红素氧合酶系统产生的CO具有重要的生理功能:CO是可溶性鸟苷酸环化酶(sGC)的激活因子，能激活细胞内可溶性鸟苷酸环化酶，增加cGMP的生成，具有调节血管紧张度，抑制平滑肌细胞增殖和血小板聚集，保护内皮细胞的功能，很可能作为一种神经递质在起作用。Peyton KJ [7] 等发现血清可刺激HO-1 mRNA和血管平滑肌细胞蛋白的增加，并且呈时间和浓度的依赖关系。血管平滑肌细胞促进了DNA的合成，并且可以被HO抑制剂(锡原卟啉)加强。而且证明CO是以负反馈的调节方式通过抑制细胞分裂所需的蛋白(如细胞周期蛋白A等)及其蛋白激酶的活性来抑制血管平滑肌生长的。Bouche [8] 等利用重组腺病毒技术使供体大鼠过度表达人类HO-1基因。主动脉移植后的30天，血管内膜粘稠度、白细胞浸润程度以及血管平滑肌细胞(VSMC)的数量比对照组明显减少。
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2.1 血红素氧合酶对血压和心功能的调节 Chen YH [9] 等用转基因和基因剔除的方法，在实验大鼠上研究了HO-1在调节血压和心血管功能的作用。他们将大鼠分为高血压组(钳夹—侧肾动脉)、低血压组(用内毒素血症复制)和心肌的缺血再灌注损伤组。在慢性肾性高血压且没有HO-1表达的大鼠组，出现低血压、心肌扩张、急性肾衰和急性死亡的发生率特别高。而且，缺少HO-1的内毒素血症组早期即出现持续的低血压，终末器官的损伤和死亡率更高。与其相反，在心肌细胞上特异高表达HO-1的大鼠，表现为:心功能的明显改善，心肌梗死的范围缩小;而且在冠状动脉结扎之后再通，炎症和氧化损伤明显减少。总体看来，缺少HO-1便有严重的后果，然而高表达HO-1对低血压和缺血再灌注损伤起到保护作用。表明HO降解血红素产生的CO能调节血管紧张度，在高血压的病理生理过程中发挥了十分重要的作用。
2.2 血红素氧合酶与细胞因子 在心血管系统的病理生理的调节中，各种细胞因子及激素也起了重要的作用。Zampetaki A [10] 等在肺血管内皮细胞中高表达HO-1，发现在缺氧应激和内毒素血症两种情况下，炎症细胞因子蛋白和mRNA都大大降低。这说明HO-1可以降低应激条件时炎症细胞因子的表达，起到细胞保护作用。Bhaskaran M [11] 等发现:用诱导HO-1高表达可以减少由血管紧张素Ⅱ引起的肾小管上皮细胞的凋亡。而用HO-1抑制剂(锌原卟啉)可以加重血管紧张素Ⅱ的损伤效应。这提示HO在Ang-Ⅱ诱导的高血压大鼠中具有肾脏保护作用。Terry等 [12] 用培养的内皮细胞暴露于肿瘤坏死因子-α(TNFˉα)、白介素1、6(IL-1、IL-6)中，发现IL-1及TNF-α能使HO-1mRNA上调并与时间及剂量相关，而不受IL-6影响。但HO-1的表达可导致血管内皮生长因子(VEGF)的表达增多。Jozkowicz A [13] 等发现在血管内皮细胞中高表达HO-1，促进了CO的增多，从而增加了VEGF生成，此作用可被HO-1抑制剂(锡原卟啉)消除，这说明HO-1在促进血管形成方面也起到重要作用。因此，内源性CO作为信使分子，与其他细胞因子相互作用在阻止某些疾病的发生、发展中起到重要作用。
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2.3 血红素氧合酶的缺氧保护作用 哺乳动物细胞感受到低氧环境并且在分子和细胞水平进行一系列的调控和病理生理学反应。缺氧导致肺血管收缩和血管壁的重建。这些反应由复杂的细胞内级联反应导致基因表达和细胞之间相互作用的变化。缺氧导致瞬间HO-1的表达增加，从而也促使CO和胆红素增多。CO在血管重建方面有扩张血管和抗炎的作用，而且胆红素也是抗氧化剂。因此血红素的产物都可以调节低氧环境下细胞的应激反应。Kouremˉbanas S[14] 发现CO抑制了在缺氧环境下基因编码产生的血管收缩素和缺氧早期阶段平滑肌细胞促分裂素的产生。在缺少CO的条件下，则倾向于产生血管收缩素，它可导致血管壁的重建。没有HO-1的大鼠则明显对缺氧不耐受，导致心室扩张和梗死。然而高表达HO-1的肺可抑制缺氧导致的炎症反应并且阻止了肺动脉高压的产生。可见CO在机体对缺氧耐受方面是一个重要的调节分子。
总之，血红素氧合酶———一氧化碳系统具有重要的生物学效应，参与心血管系统生理功能的调节以及某些疾病的病理生理反应过程。有关HO-CO系统生理作用及作用机制的研究还刚刚起步，许多问题有待深入研究。
, 百拇医药
参考文献
1 Mains MD，Trakshel GM，Kutty RK.Characterization of two constitutive forms of rat liver microsomal heme oxygenase:Only one molecular species of the enzyme is inducible.J.Biol.Chem，1986，261:411-419.
2 Ryter SW，Otterbein LE，Morse D，et al.Heme oxygenase/carbon monoxide signaling pathways:regulation and functional significance.Mol Cell Biochem，2002，234:249-263.
3 Raju VS，Mains MD.Coordinated expression and mechanisms of inducˉ tion of
, http://www.100md.com
HSP32(heme oxygenase-1)mRNA by hyperthermia in rat orˉgans.Biochem Biophys Acta，1997，1217:237-280.
4 Raju VS，Maines MD.Renal ischemia/reperfusion in rats upregulates HO-1(HSP32)expression and increases cGMP in the rat heart.J pharmacol Exp Ther，1996，277:1814-1822.
5 Grozdanovic Z，Gossrau R.Expression of heme oxygenase-2(HO-2)like immunoreactivity in rat tissue.Acta Histochem，1996，98:203-214.
, http://www.100md.com 6 Grundemar L，Johansson MB，Ekelund M，et al.Haem oxygenase activity in blood vessel homogenates as measured by carbon monoxide producˉtion.Acta Physiol Scand，1995，153:203-204.
7 Peyton KJ，Reyna SV，Chapman GB，et al.Heme oxygenase-1-deˉrived carbon monoxide is an autocrine inhibitor of vascular smooth musˉcle cell growth.Blood，2002，99:4443-4448.
8 Bouche D，Chauveau C，Roussel JC，et al.Inhibition of graft arterioscleˉrosis development in rat aortas following heme oxygenase-1gene transˉfer.TransplImmunol，2002，9:235-238.
, http://www.100md.com
9 Chen YH，Yet SF，Perrella MA.Role of heme oxygenase-1in the reguˉlation of blood pressure and cardiac function.Exp Biol Med(Maywood)，2003，228(5):447-453.
10 Zampetaki A，MinaminoT，Mitsialis SA，et al.Effect of heme oxygenase-1ove
rexpression in two models of lung inflammation.Exp Biol Med(Maywood)，2003，228(5):442-446.
11 Bhaskaran M，Reddy K，Radhakrishanan N，et al.AngiotensinⅡinˉduces apoptosis in renal proximal tubular cells.Am J Physiol Renal Physiol，2003，284(5):F955-965.
, http://www.100md.com
12 Terry CM，Clikeman JA，Hoidal JR，et al.Effect of tumor necrosis facˉtor-alpha and interleukin-1alpha on heme oxygenase-1expression in human endothelial cells.Am J Physiol，1998，274(3Pt2):H883-891.
13 Jozkowicz A，Huk I，Nigisch A，et al.Heme Oxygenase and Angiogenic Activity of Endothelial Cells:Stimulation by Carbon Monoxide and Inˉhibition by Tin Protoporphyrin-Ⅸ.Antioxid Redox Signal，2003，5(2):155-162.
14 Kourembanas S.Hypoxia and carbon monoxide in the vasculature.Anˉtioxid Redox Signal，2002，4:291-299.
作者单位:1 510515广州第一军医大学临床医学七年制98级
2 广东省珠江医院骨科
(收稿日期:2003-08-04)
(编辑 秋实), 百拇医药(黄海)
近年来，越来越多的研究结果表明血红素氧合酶(HO)———一氧化碳(CO)系统在维持心血管系统正常生理功能中扮演着重要的角色。在病理状态下细胞可高表达HO-1，起到保护器官的作用。本文综述这方面研究进展。
1 血红素氧合酶系统
1.1 血红素氧合酶的生物学特性 这一系统最早发现于20年前，当时只知道该系统存在于微粒体中，并受金属离子的调节。后来在睾丸中发现了该酶的同工酶。于是分别命名为HO-1和HO-2 [1] 。HO-1也叫第32号热休克蛋白(HSP32)，不仅对金属离子敏感，而且还对一切可造成病理性损伤的因素有反应;这些因素包括:热休克、缺血、GSH-耗竭、放射、缺氧、高氧、细胞转化和疾病状态，因此该型同工酶也叫诱导型HO。HO-2对HO-1的调节剂无反应，在特定组织中稳定地表达，因而被称为结构型HO，其唯一的调节剂是肾上腺糖皮质激素(Gcs)。在生理机制下，血红素可被血红素氧合酶裂解为胆绿素、一氧化碳和铁离子。其中产生的CO跟NO一样作为第二信使促进具有生理活性的3′，5′环-鸟嘌呤核苷单磷酸(cGMP)的产生。Ryter SW [2] 等最新的研究表明，CO在抗炎和抗凋亡方面发挥的神奇作用与P38激活MAPK的信号转导途径有关。
, 百拇医药
1.2 心血管中HO异构酶的调控 HO异构酶的调控每一个都有显著的不同。HO-1基因对各种刺激都起反应，这导致其只有单一的氧化功能，而HO-2只对肾上腺糖皮质激素起反应。HO-1和HO-2调节的差异与作用在它们激活区域的调节因子有关。存在于HO-1基因激活区域的这些一致序列对结合多种调节分子是很必要的，如热休克蛋白、AP-1、NFkB和一些金属离子。然而只有单一的糖皮质激素应答成分(GRE)在HO-2基因中存在。而且GRE不是一个强的转录激活因子。HO-1的基因结构和调节与其它应激蛋白都不同。HO-1基因有四个内含子。而且与其他HSPs不同，热应激产生的HO-1在动物的器官中是一个普遍而且协调的反应。在心脏诱导产生的HO-1在1h达到高峰6h后达到平常水平 [3] 。当HO-1基因激活区域HSF结合增加时将导致HO-1的mRNA数量增加，并且与～1.8kb的转录产生的信号稳定性有关。从另一方面说，金属离子通过增强转录速率而增加HO-1的水平。
在正常情况下，心脏和血管系统HO-1和HO-2表达的对比和对氧化反应的应答曾被检测。在这些系统，HO-2在正常情况下占主导地位。在血管的内皮和平滑肌层，在颈动脉化学感受器和动脉血管外膜神经元，HO-2蛋白只是稳定地表达。当应激的时候，在心血管中有明显的HO-1mRNA的表达。在心脏中，HO-1蛋白在房室结中明显高水平地表达。在肌细胞中，HO-1蛋白表达最少。在缺血后再灌注这一氧化应激刺激下，心脏、主动脉和肾脏均高度表达HO-1mRNA及其蛋白质 [4] 。HO-2在横纹肌纤维 中不存在，而在血管内皮细胞、副交感和感觉神经细胞中与NOS一同表达 [5] 。
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2 血红素氧合酶对心血管系统的调节与保护作用
心血管系统有很强的产生CO的能力。这是因为作为底物的血红素很充足，而且经过CO的产生率评估 [6] ，定位在血管中的HO显示很好的活性。由血红素氧合酶系统产生的CO具有重要的生理功能:CO是可溶性鸟苷酸环化酶(sGC)的激活因子，能激活细胞内可溶性鸟苷酸环化酶，增加cGMP的生成，具有调节血管紧张度，抑制平滑肌细胞增殖和血小板聚集，保护内皮细胞的功能，很可能作为一种神经递质在起作用。Peyton KJ [7] 等发现血清可刺激HO-1 mRNA和血管平滑肌细胞蛋白的增加，并且呈时间和浓度的依赖关系。血管平滑肌细胞促进了DNA的合成，并且可以被HO抑制剂(锡原卟啉)加强。而且证明CO是以负反馈的调节方式通过抑制细胞分裂所需的蛋白(如细胞周期蛋白A等)及其蛋白激酶的活性来抑制血管平滑肌生长的。Bouche [8] 等利用重组腺病毒技术使供体大鼠过度表达人类HO-1基因。主动脉移植后的30天，血管内膜粘稠度、白细胞浸润程度以及血管平滑肌细胞(VSMC)的数量比对照组明显减少。
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2.1 血红素氧合酶对血压和心功能的调节 Chen YH [9] 等用转基因和基因剔除的方法，在实验大鼠上研究了HO-1在调节血压和心血管功能的作用。他们将大鼠分为高血压组(钳夹—侧肾动脉)、低血压组(用内毒素血症复制)和心肌的缺血再灌注损伤组。在慢性肾性高血压且没有HO-1表达的大鼠组，出现低血压、心肌扩张、急性肾衰和急性死亡的发生率特别高。而且，缺少HO-1的内毒素血症组早期即出现持续的低血压，终末器官的损伤和死亡率更高。与其相反，在心肌细胞上特异高表达HO-1的大鼠，表现为:心功能的明显改善，心肌梗死的范围缩小;而且在冠状动脉结扎之后再通，炎症和氧化损伤明显减少。总体看来，缺少HO-1便有严重的后果，然而高表达HO-1对低血压和缺血再灌注损伤起到保护作用。表明HO降解血红素产生的CO能调节血管紧张度，在高血压的病理生理过程中发挥了十分重要的作用。
2.2 血红素氧合酶与细胞因子 在心血管系统的病理生理的调节中，各种细胞因子及激素也起了重要的作用。Zampetaki A [10] 等在肺血管内皮细胞中高表达HO-1，发现在缺氧应激和内毒素血症两种情况下，炎症细胞因子蛋白和mRNA都大大降低。这说明HO-1可以降低应激条件时炎症细胞因子的表达，起到细胞保护作用。Bhaskaran M [11] 等发现:用诱导HO-1高表达可以减少由血管紧张素Ⅱ引起的肾小管上皮细胞的凋亡。而用HO-1抑制剂(锌原卟啉)可以加重血管紧张素Ⅱ的损伤效应。这提示HO在Ang-Ⅱ诱导的高血压大鼠中具有肾脏保护作用。Terry等 [12] 用培养的内皮细胞暴露于肿瘤坏死因子-α(TNFˉα)、白介素1、6(IL-1、IL-6)中，发现IL-1及TNF-α能使HO-1mRNA上调并与时间及剂量相关，而不受IL-6影响。但HO-1的表达可导致血管内皮生长因子(VEGF)的表达增多。Jozkowicz A [13] 等发现在血管内皮细胞中高表达HO-1，促进了CO的增多，从而增加了VEGF生成，此作用可被HO-1抑制剂(锡原卟啉)消除，这说明HO-1在促进血管形成方面也起到重要作用。因此，内源性CO作为信使分子，与其他细胞因子相互作用在阻止某些疾病的发生、发展中起到重要作用。
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2.3 血红素氧合酶的缺氧保护作用 哺乳动物细胞感受到低氧环境并且在分子和细胞水平进行一系列的调控和病理生理学反应。缺氧导致肺血管收缩和血管壁的重建。这些反应由复杂的细胞内级联反应导致基因表达和细胞之间相互作用的变化。缺氧导致瞬间HO-1的表达增加，从而也促使CO和胆红素增多。CO在血管重建方面有扩张血管和抗炎的作用，而且胆红素也是抗氧化剂。因此血红素的产物都可以调节低氧环境下细胞的应激反应。Kouremˉbanas S[14] 发现CO抑制了在缺氧环境下基因编码产生的血管收缩素和缺氧早期阶段平滑肌细胞促分裂素的产生。在缺少CO的条件下，则倾向于产生血管收缩素，它可导致血管壁的重建。没有HO-1的大鼠则明显对缺氧不耐受，导致心室扩张和梗死。然而高表达HO-1的肺可抑制缺氧导致的炎症反应并且阻止了肺动脉高压的产生。可见CO在机体对缺氧耐受方面是一个重要的调节分子。
总之，血红素氧合酶———一氧化碳系统具有重要的生物学效应，参与心血管系统生理功能的调节以及某些疾病的病理生理反应过程。有关HO-CO系统生理作用及作用机制的研究还刚刚起步，许多问题有待深入研究。
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11 Bhaskaran M，Reddy K，Radhakrishanan N，et al.AngiotensinⅡinˉduces apoptosis in renal proximal tubular cells.Am J Physiol Renal Physiol，2003，284(5):F955-965.
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2 广东省珠江医院骨科
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