血紅素及血紅素加氧酶1相關作用的研究進展

李轉麗 綜述 李小燕，吳濤，白海 審校

1.甘肅中醫藥大學第一臨床醫學院，甘肅 蘭州 730000；

2.中國人民解放軍聯勤保障部隊第九四〇醫院血液科，甘肅 蘭州 730050

氯化血紅素(Hemin)也稱為血紅素、卟啉氯化鐵和亞鐵血紅素，是血紅素氧化的產物，具有廣泛的生物學功能[1]。血紅素作為一種含鐵的金屬卟啉，目前已廣泛用于治療誘導型卟啉病的急性發作。它能夠產生抗氧化和抗炎產物，如膽綠素、膽紅素和一氧化碳。膽綠素和膽紅素在體外能清除過氧自由基，而一氧化碳可以抑制巨噬細胞中促炎細胞因子的產生，如腫瘤壞死因子-α、白細胞介素-1β和巨噬細胞炎癥蛋白-1，還可通過調節有絲分裂激活蛋白激酶[2-3]。

血紅素是天然存在的鐵卟啉化合物，由四個吡咯類亞基和亞鐵離子組成，吡咯中的四個氮原子通過共價鍵和配位鍵與亞鐵離子結合，形成高度共軛體系。血紅素的顏色是黑綠色，無定形針狀晶體，難溶于水，易溶于堿性溶液。血紅素是血紅蛋白的主要活動中心，一個血紅蛋白是由四個血紅素和一個珠蛋白組成。作為血紅素蛋白的輔基，血紅素的功能是運輸氧氣到身體的各個部分、傳遞電子、催化體內的氧化還原反應等[4]。

1 氯化血紅素的作用

1.1 神經保護作用 氯化血紅素是血紅素氧合酶1(HO-1)的底物和誘導劑，具有神經保護作用。氯化血紅素可防止自由基引起的損傷，降低興奮性氨基酸的毒性，保護重要器官免受缺氧缺血性損傷。氯化血紅素可通過PI3K/Akt 途徑減輕七氟醚暴露誘導的新生大鼠細胞凋亡，增加HO-1表達，預防新生大鼠氧化應激損傷。氯化血紅素是血紅素氧化的產物，含有鐵卟啉和氯配體，可特異性誘導神經細胞中的腦紅蛋白和HO-1上調[5]。

1.2 誘導K562 細胞紅系分化 Hemin 是由血紅素氧化后的一種產物，分子結構中含有高價鐵卟啉，與血紅素相似。Hemin 可通過調節從模板DNA 轉錄成mRNA 然后翻譯成蛋白質的這一過程的若干步驟來增加基因表達[6]。據文獻報道，Hemin 誘導紅系腫瘤細胞向良性方向分化，即在本來不表達β-珠蛋白的腫瘤細胞內表達β-珠蛋白，其誘導血紅蛋白表達，且聯苯胺染色為陽性[7]。Hemin誘導K562細胞向紅系分化，分化過程中比較明確的機制是利用Hemin 促進紅系特異性轉錄因子GATA-1和NF-E2的表達[8-9]。氯化血紅素通過在K562 細胞中誘導自噬反應來促進紅細胞成熟，可能有助于慢性粒細胞白血病的治療。其機制是通過mTOR信號誘導自噬途徑的激活，還可降低線粒體蛋白質的含量，表明Hemin能有效誘導線粒體降解及誘導線粒體膜去極化[10]。

1.3 氯化血紅素誘導產生NRF2基因 在溶血過程中，受損紅細胞釋放的游離血紅素會損害鄰近細胞。作為一種反應，血紅素通過HO-1 誘導其代謝降解，HO-1 由主要的應激反應轉錄因子NF-E2 相關因子2 (NRF2)激活。氯化血紅素產生有害的活性氧(ROS)，包括過氧化氫、超氧化物和羥自由基，介導膜脂質過氧化和巰基氧化，通過氧化脂質修飾蛋白質并降低呼吸能力。Hemin 引起巨噬細胞壞死，這是一種細胞死亡，具有神經元壞死和鐵沉積的共同特征。Hemin 誘導的HO-1 激活NRF2 和阻遏物(Btb 和Cc 同源性1，BACH1)調節。后者被血紅素取代，位于血紅素氧合酶-1 的啟動子位點。這是通過血紅素減少BACH1 與DNA 的結合而發生的。此外，Hemin 激活NRF2靶基因，編碼鐵蛋白和鐵轉運蛋白-1(FPN1)，分別負責鐵的儲存和排泄。氯化血紅素在腎細胞中誘導p21，這是一種細胞周期蛋白依賴性激酶抑制劑，機制與G1期的進展有關[11]。

1.4 抗氧化作用 研究表明，血紅蛋白降解產物血紅素通過活性氧介導的蛋白酶體活性和脂質過氧化誘導血小板活化、鐵沉積。而褪黑素通過恢復蛋白酶體活性和抑制炎癥，可有效抑制氯化血紅素誘導的血小板活化及鐵沉積。氯化血紅素通過破壞內源性谷胱甘肽增加活性氧和脂質過氧化導致血小板死亡。氯化血紅素顯著調節Bcl-2 家族蛋白，抑制血小板蛋白酶體活性，從而導致體外和體內不受控制的血小板過早死亡[12]。氯化血紅素是一種強有力的脂蛋白氧化誘導劑，其作用靶點位于脂蛋白的疏水核心附近，導致抗氧化活性的喪失。高密度脂蛋白可能是血紅素結合的主要靶點[13]。顱內出血(ICH)是一種很危急的疾病，導致高發病率和死亡率，占所有腦卒中的20%。出血后，血腫形成，紅細胞中含有的血紅素迅速從血腫中釋放到腦組織中。隨后通過血紅素加氧酶代謝為一氧化碳、膽綠素和鐵。因此，血紅蛋白和血紅素是神經元損傷的關鍵介質，最終導致腦出血后的繼發性腦損傷。同時發現血紅蛋白誘導活性氧過度產生和細胞損傷的機制可能與HO-1從血紅蛋白中產生的Fe2+有關[14]。

1.5 誘導細胞凋亡 氯化血紅素可增加結腸癌細胞和線粒體中活性氧的產生，從而誘導細胞增殖、氧化損傷和線粒體功能障礙，以及抑制結腸癌和正常結腸上皮細胞的凋亡[15]。氯化血紅素對細胞死亡的抑制作用是由HO-1 和Caspase-3 介導的。缺氧增加ROS 的產生，破壞DNA和RNA，并激活骨細胞中的凋亡調節因子Bcl-2、Bax，誘導細胞死亡。研究表明氯化血紅素誘導的HO-1具有骨細胞保護作用，誘導HO-1可能有助于治療糖皮質激素相關的骨壞死和骨質疏松癥。誘導HO-1不僅減少骨細胞壞死，而且減少糖皮質激素和缺氧誘導的細胞凋亡。糖皮質激素和缺氧引起的Caspase-3激活可被HO-1誘導抑制[16]。

2 血紅素加氧酶

2.1 血紅素加氧酶的介紹 血紅素加氧酶(heme-oxygenase，HO)是一種微粒體酶，1968 年Tenhunen 等首次描述了血紅素加氧酶催化分解血紅素。HO 是一種含血紅素的熱休克蛋白，參與血紅素基團降解，將游離血紅素代謝為一氧化碳、鐵和膽綠素，膽綠素還原酶將血紅素轉化為膽紅素。HO 也是內源性一氧化碳產生的主要來源，具有抗氧化和抗炎作用[17-18]。

2.2 血紅素加氧酶的分類 血紅素加氧酶系統以三種活性亞型存在，包括HO-1、組成型血紅素加氧酶2 (HO-2)和血紅素加氧酶3 (HO-3)。血紅素氧化酶的兩種亞型HO-1 和HO-2 主要位于內質網，其中HO-1 可位于內質網、線粒體內膜和質膜小窩中，這種酶由Hmox1 基因編碼。HO-1 的表達由NRF2 及Kelch樣ECH相關蛋白1(Keap1)系統觸發。在靜息條件下，NRF2 活性被與Keap1 的物理相互作用抑制，導致Cullin-3 依賴性E3 泛素連接酶募集用于蛋白酶體降解，從而將NRF2 維持在低水平。在氧化應激下，Keap1 發生構象變化并釋放NRF2。游離NRF2 轉移到細胞核中，其與小Maf蛋白相互作用，并進一步結合到抗氧化反應元件(ARE)或親電反應元件(EpE)上，以反式激活編碼抗氧化酶的各種基因，包括HO-1。由于對啟動子結合位點的競爭，細胞血紅素水平的增加阻礙了通過NRF2拮抗劑Bach1 誘導HO-1。HO-3 是在大鼠大腦中發現的，被認為是無催化活性的，并參與血紅素感應和結合，它的性質目前仍然不清楚[19-21]。

2.3 血紅素加氧酶的作用 血紅素加氧酶系統的主要生理作用是保護細胞免受氧化應激。這些細胞保護作用既歸因于前氧化劑血紅素的降解，也歸因于降解過程中產生的代謝產物的作用，如一氧化碳介導血管舒張、抗凋亡和抗炎作用。血紅素加氧酶是細胞分解代謝血紅素的唯一有用手段，因此它們被標記為看家基因，并被指定控制細胞血紅素庫[22]。HO-1也稱為熱休克蛋白32(Hsp32)，是一種誘導型同工酶，其表達可由不同的應激條件上調，并由多種刺激激活，包括紫外線照射、感染、重金屬、一氧化氮、細胞因子和氧化低密度脂蛋白等。HO-2 和HO-3 代表大多數人類組織中在基礎水平表達的組成型同種酶，特別是在神經元、脾臟和肝臟中的濃度水平相比其他組織更高[23]。一氧化碳(CO)是一種無機化合物，能與血紅蛋白結合，具有劇毒作用。大量吸入通常會導致中樞神經系統和心血管系統的病變。HO-2 位于16 號染色體。雖然這兩種血紅素氧合酶亞型的作用機制相似，但它們的調節方式不同。HO-1 的高表達發生在肝臟和脾臟，生理條件下，中樞神經系統不產生HO-1，然而，在患有慢性神經退行性疾病的患者中分泌增加。HO-2主要在大腦中產生，其表達常見于神經元、膠質細胞和腦血管。缺氧、癲癇發作不會增加HO-2 的產生水平，但會增加其活性。HO-3一級結構與HO-2相似90%，但不顯示任何酶活性[24]。

3 HO-1

3.1 HO-1 的介紹 HO-1 是血紅素氧合酶家族中的一員，是體內血紅素代謝的重要起始酶和限速酶，能夠催化血紅素分解為膽綠素、一氧化碳和鐵離子。HO-1 屬誘導型，廣泛分布于哺乳動物多種組織細胞中，生理狀態下只有少量表達，缺血、缺氧、血紅素、應激等因素可誘導其顯著表達[25]。HO-1蛋白位于內質網，也定位在線粒體核和小窩中。HO-1 由位于染色體22q12.3 上的HMOX1 基因編碼。它有五個外顯子、四個內含子和三個調控區，一個近側區和兩個遠離啟動子區的遠側區。這些調節區包含不同的轉錄因子結合位點缺氧誘導因子1 (HIF-1)、核因子κB(NF-κB)、激活蛋白(AP-1)結合位點、應激反應元件(StRE)、金屬反應元件(MtRE)和熱休克共識(HSE)序列，它們參與細胞氧化還原狀態的調節。HO-1 負責p21的上調，p21是一種細胞周期蛋白依賴性激酶抑制劑，負責阻止細胞周期進程，從而減少腎小管上皮細胞的凋亡。HO-1 的表達在腎臟中被強烈的刺激誘導，這是由于腎臟的過濾作用，這意味著HO-1暴露于廣泛的內源性和外源性分子[26]。HO-1 是腫瘤壞死因子誘導的內皮細胞凋亡的拮抗劑。HO-1作為抗炎介質，可限制活化巨噬細胞中Toll樣受體-4 依賴性促炎細胞因子的產生。HO-1可通過多種分子機制發揮作用，包括調節p38 絲裂原活化蛋白激酶(MAPK)活性，在減輕炎癥中發揮作用[27]。氯化血紅素是一種含鐵的含氯卟啉，是各種細胞類型(包括正常細胞和癌細胞)中可用的HO-1誘導劑[28]。

3.2 HO-1的作用

3.2.1 抑制細胞凋亡 HO-1 是一種重要的應激蛋白和多功能微粒體酶，在特定環境和細胞特異性中調節靶細胞的多種生物反應，包括趨化性、細胞周期進程、分化和凋亡。HO-1 通過以下不同的機制抑制細胞凋亡：(1)通過一磷酸腺苷激活的蛋白激酶(AMPK)和p38絲裂原激活的蛋白激酶信號轉導途徑；(2)通過誘導抗凋亡基因如Bcl-xL、Bcl-2 及抑制促凋亡基因如Bax 和Bak 的表達。HO-1 表達增加可改善心血管功能障礙，并通過促進自噬和降低氧化應激來保護肝臟免受缺血再灌注損傷。mTOR途徑是AMPK調節的主要下游信號通路之一。研究表明HO-1的過度表達可以顯著增加AMPK 活化并減少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 在血紅素加氧酶相關細胞凋亡中影響自噬途徑的關鍵信號通路[29]。在胃癌中，HO-1水平升高導致凋亡的關鍵介質Caspase-3降低，乳腺癌細胞中HO-1抑制通過下調抗凋亡蛋白導致阿霉素誘導的凋亡增加[30]。HO-1 反應產物一氧化碳可抑制腫瘤壞死因子-α(TNF-α)在小鼠成纖維細胞和內皮細胞中的凋亡。內皮細胞中一氧化碳的抗凋亡作用需要MAPK 途徑和NF-κB 的下游激活。在血管平滑肌細胞中，一氧化碳抑制細胞因子(TNF-α、IL1-β、INF-γ)誘導的凋亡，依賴于可溶性鳥苷酸環化酶的激活。研究表明，在高氧狀態、缺氧和復氧模型中，一氧化碳對內皮細胞凋亡也有相似的抗凋亡作用[27]。血紅素還可通過抑制蛋白酶體和引起線粒體功能障礙導致細胞損傷和凋亡[31]。HO-1對MDS也有抗凋亡作用，HO-1 可影響MDS耐藥和促使其進展為急性髓系白血病[32]。

3.2.2 與化療耐藥性及與腫瘤存活的關系 HO-1在各種人類惡性腫瘤中升高，有助于為癌細胞生長、血管生成和轉移以及對化療和放療的耐藥性建立腫瘤微環境。HO-1在腫瘤細胞中的生物學效應是特異性的，在一些腫瘤中，其上調促進細胞周期停滯和細胞死亡，如在黑色素瘤細胞中，HO-1 抑制增加了對光動力療法的反應性，導致細胞凋亡，而在頭頸部鱗狀細胞癌則有助于細胞凋亡和抑制腫瘤生長[33]。而在其他腫瘤中，其與腫瘤存活和進展相關，就血液系統惡性腫瘤而言，HO-1 上調與疾病進展和化療耐藥性有關[34]。HO-1 通過誘導內質網應激、自噬、MAPK 激酶的激活以及增加巨噬細胞浸潤在化療耐藥性和腫瘤進展中發揮保護作用。在中樞神經系統腫瘤中，HO-1的上調和下調與細胞周期分裂停滯以及隨后的細胞死亡及腫瘤存活和進展有關[35]。

3.2.3 在胃腸道的作用 HO-1 是一種應激誘導酶，許多研究表明，HO-1 在胃腸道中高度表達，參與對炎癥過程的反應，HO需要NADPH和氧氣來降解血紅素，釋放一氧化碳(CO)、游離鐵(Fe2+)和膽綠素，膽綠素通過膽綠素還原酶消耗另一個NADPH分子而被還原成膽紅素。HO-1 在幾種胃腸癌中過度表達，包括結腸癌、胃癌和胰腺癌。此外，正常情況下，HO-1 高表達與預后不良、生存率低有關，尤其是對治療反應較低[36]。HO-1 可下調腸道疾病的免疫反應。炎癥性腸病，包括克羅恩病(CD)和潰瘍性結腸炎(UC)，是與HO-1效應相關的研究最多的疾病之一。在健康條件下，HO-1在腸道中以低水平表達，但在引發炎癥時會被顯著誘導。HO-1的激活通過誘導抗炎細胞因子途徑來減少腸道炎癥。HO-1 也與直腸癌等有關，其被認為是癌癥治療的新靶點[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護作用。系統性紅斑狼瘡患者單核細胞中HO-1 的表達降低，增加了髓樣細胞HO-1表達與狼瘡性腎炎之間聯系的可能性[38]。HO-1具有抗炎和抗氧化作用，有望成為治療風濕性疾病的靶點。值得注意的是，HO-1 在巨噬細胞中具有免疫調節功能，而巨噬細胞在免疫系統中起著重要作用，尤其是在風濕性疾病中[39]。

3.2.5 在腦部疾病的作用 研究顯示，HO-1 作為抗缺血劑的臨床應用潛力很大。如HO-1用在使用胰島素誘導的大腦中動脈閉塞的腦卒中大鼠，結果大鼠大腦受胰島素抵抗影響的部分梗死面積顯著減小，同時腫瘤壞死因子-α的表達顯著降低，表明增加中樞神經系統HO-1的表達可以減輕腦部疾病的主要癥狀[40]。

3.2.6 在肺損傷和肝炎相關疾病的作用 血紅素誘導HO-1可降低膿毒癥相關肺損傷模型中白細胞介素-1β的成熟并下調炎癥的激活。此外，血紅素調節誘導HO-1 與保護D-半乳糖胺和脂多糖誘導的急性肝損傷有關，并與下調相關的NLRP3炎癥體依賴性胱天蛋白酶-1 活化有關[27]。HO-1 通過抑制肝細胞過度的內質網應激，可作為營養性脂肪性肝炎進展的保護因子，并可能成為治療非酒精性脂肪性肝炎的潛在靶點[41]。氯化血紅素靶向誘導HO-1 可以抑制Wnt信號通路。研究表明，Wnt 信號通路在飲食誘導的脂肪性肝炎相關肝纖維化的發病機制中起著關鍵作用。此外，發現HO-1 抑制NASH 相關肝纖維化中典型和非典型Wnt信號通路的激活[42]。

3.2.7 在腎臟中的作用 血紅素氧合酶系統是可用于保護腎臟結構免受氧化應激損傷、限制炎癥和加速衰老的靶點之一。在腎臟中，HO-1 蛋白水平在穩態條件下是檢測不到的，除在腎小管中保持較低水平。眾所周知，許多應激條件會上調腎臟轉錄HO-1，包括氧化應激、熱休克、缺氧、重金屬和毒素等[26]。

3.2.8 對血管再狹窄的作用 HO-1 通過抑制NF-кB、腫瘤壞死因子-α和內皮素-1的表達減輕兔頸動脈球囊損傷后的血管再狹窄，表明誘導HO-1 活化可能是治療抗再狹窄血管的可行治療靶點。誘導HO-1活性為血管抵抗血栓形成和再狹窄提供了一種治療方法[43]。

4 結語

血紅素加氧酶1 是血紅素氧合酶家族中的一員，是體內血紅素代謝的重要起始酶和限速酶，可被各種應激誘導產生。其在腫瘤細胞中的作用不同，可阻滯細胞周期及誘導細胞凋亡，也可與腫瘤進展有關。在胃腸道、自身免疫性疾病、腎臟等發揮不同的作用，在血液系統疾病中的作用主要是誘導分化、抗凋亡，與化療藥物的耐藥性及疾病進展有關。血紅素加氧酶1 的不同作用考慮可能與血紅素加氧酶1的酶活性有關，從而導致不同疾病的進程較為復雜，期待未來進一步探索HO-1 酶活性的具體機制方面的研究。