神經細胞的氧化損傷與MTH1的神經細胞保護作用

南海天

(中國醫科大學,遼寧 沈陽 110001)

神經細胞的氧化損傷與MTH1的神經細胞保護作用

南海天

(中國醫科大學,遼寧 沈陽 110001)

許多因素如活性氧類物質,可引起神經細胞的氧化損傷。而MTH1能夠有效防止 8-oxoG導致的神經細胞氧化損傷。介紹了神經細胞內氧化損傷發生的機理,闡述了帕金森病MPTP模型中MTH1對紋狀體多巴胺能神經元神經末梢的保護作用。

氧化損傷;MTH1;MPTP動物模型;帕金森病

1 神經細胞的氧化損傷

1.1 神經細胞發生氧化損傷的高風險性

哺乳動物在生長過程中,神經干細胞能夠增殖并產生大量神經元。成熟的神經元處于有絲分裂的后期并且必須在個體整個生命過程中發揮其功效。神經元具有高度的代謝活性,并產生足夠的ATP以維持細胞內外的離子平衡。ATP主要依靠細胞內的線粒體呼吸產生,與此同時從呼吸鏈中漏出的電子將會產生活性氧族 (ROS),例如超氧化物、過氧化氫和羥基。ROS能夠氧化細胞內包括蛋白和核苷酸在內的大分子,從而導致突變和細胞死亡等細胞功能的失調。因此,神經元具有發生氧化損傷的高風險性[1]。

1.2 神經細胞內氧化損傷發生的機理和危害

導致神經細胞內氧化損傷的主要物質——8-氧橋鳥嘌呤 (8-oxoG),在 DNA復制過程中能夠與腺嘌呤和胞嘧啶配對,從而分別增加了由 A:T至 C:G和 G:C至 T:A顛換突變的頻率[2]。細胞核和線粒體中的 DNA遺傳信息的改變,會導致突變和程序性細胞死亡。突變是體細胞癌變、遺傳性疾病和遺傳多態性的根源,而程序性細胞死亡常常引發退行性病變。大量研究表明,增殖細胞內 8-oxoG的增加會導致突變和癌變頻率的增加,而 8-oxoG不斷在神經細胞核和線粒體內積聚,還會使人體出現許多神經變性性病征,如帕金森病 (PD)、阿爾茨海默病 (AD)和肌萎縮側索硬化(ALS)[3]。

2 MTH1在小鼠MPTP模型中的作用

近年來人們發現一種神經毒性藥物 1-甲基-4苯基 -1,2,3,6-四氫吡啶 (MPTP),可選擇

2.1 帕金森病 (PD)的MPTP動物模型

流行病學研究和動物模型實驗表明,一些自體合成或環境內的毒素會阻滯 PD的線粒體呼吸鏈。其中,MPTP動物模型最清晰地闡明了其中原理[5]。

早在 1991年,R.R.Ramsay博士就已證實系統攝入的MPTP大部分由神經膠質細胞內的單胺氧化酶轉化為MPP+,而MPP+又會通過多巴胺轉運蛋白 (DAT)被多巴胺能神經元特異吸收。多巴胺能神經元內積聚的MPP+與線粒體呼吸鏈的復合物 I結合并阻滯電子的轉運,從而導致 ROS的形成和由 ATP消耗引起的能量損失。另外,N.Schmidt教授的研究表明,與腦內其他組織相比,多巴胺能神經元由于多巴胺自身代謝產物的蓄積更易受到氧化損傷。MPP+導致大量囊泡內多巴胺釋放至細胞質中并提高多巴胺的更新速度,多巴胺能神經元內的氧化應激也因此大大增加[6]。這一過程中,產生了大量羥自由基。羥自由基是最具活性的 ROS之一,可以將許多包括蛋白質、脂類和核苷酸在內活質分子輕易氧化,從而引起一系列的細胞功能失調甚至死亡。這就是 PD的MPTP動物模型。

2.2 帕金森病MPTP模型中 8-oxoG的積聚

在MPTP致病的 PD模型中,脂類過氧化反應的增加和蛋白質化學性質的改變是常見現象,現在人們又開始關注該模型中MPTP是否會導致 8-oxoG的積聚。日本從事腦神經研究的山口教授的研究表明,在一次攝入MPTP(30 mg·kg-1,i.p.)12～24 h之后,8-oxoG在黑質和紋狀體細胞DNA和 RNA中的積聚顯著增高[4]。特別是 8-oxoG在紋狀體多巴胺能神經末梢線粒體內的積聚,要比其在黑質細胞 DNA或 RNA中積聚出現的早,而黑質在反復攝入 MPTP后多巴胺能神經元缺失又很顯著。日本分子生物學水源教授的研究表明,MPP+以引發紋狀體多巴胺能神經末梢內的線粒體功能失調為開端,引起了整個多巴胺能神經元的退行性變。而多巴胺能神經末梢的功能失調,正是由 MPTP導致 8-oxoG的積聚產生的[4]。

2.3 MTH1對紋狀體多巴胺能神經元神經末梢的保護作用

MTH1mRNA在鼠大腦神經元內廣泛存在,并且在整個黑質 (包括黑質密部、網質部、腹側被蓋區)、大腦皮層和海馬處都有實質性表達。

為了證實MTH1在黑質 -紋狀體通路中的神經保護作用,九州大學生體防御醫學研究所將野生型小鼠和人工去除MTH1的小鼠作了對比試驗。他們將MPTP(30 mg·kg-1,i.p.)每日一次連續 5 d注入野生型和去除MTH1的小鼠,然后將 2組小鼠紋狀體內多巴胺能神經末梢變性程度和黑質多巴胺能神經元的缺失情況進行比較[4]。結果表明,2組小鼠的黑質多巴胺能神經元的缺失情況基本相同,但長期暴露于 MPTP的去除MTH1的小鼠紋狀體內多巴胺能神經末梢變性程度更嚴重,同時,在去除MTH1小鼠的紋狀體多巴胺能神經末梢的線粒體內,8-oxoG積聚更明顯。

由于MTH1能夠有效水解 8-oxo-dGTP和其他氧化嘌呤核苷酸三磷酸鹽,去除MTH1的小鼠在攝入MPTP后,紋狀體多巴胺能神經末梢內積聚了大量氧化嘌呤核苷酸三磷酸鹽,從而導致其線粒體 DNA內蓄積了大量氧化嘌呤。因此,MTH1的缺乏擴大了紋狀體內MPTP激動的多巴胺能神經末梢的氧化損傷。這些結果表明,MTH1對紋狀體多巴胺能神經元具有神經保護作用。

3 展 望

MTH1能夠有效減少小鼠神經細胞中 8-oxoG在細胞核和線粒體 DNA中的積聚,從而防止神經細胞的氧化損傷,然而促使神經細胞損傷的始動因素目前尚有爭論。B.N.Ames的研究結果證明,DNA的破壞與細胞死亡和癌變緊密相關。氧化嘌呤脫氧核糖核酸錯誤的摻入 DNA,很有可能引起了神經細胞功能改變甚至細胞死亡。然而,MTH1有效的水解 8-oxo-GTP等氧化嘌呤核糖核酸說明,神經細胞功能的失調也可能是RNA被錯誤摻入導致的。最近 T.Kai等人還發現,8-oxo-dGTP濃度升高會導致非洲蟾蜍卵溶解物內的 DNA復制時合成量的減少[7],說明 8-oxo-dGTP本身可能有直接的神經細胞毒性作用。因此,造成神經細胞氧化損傷的具體機制還需要進一步研究。九州大學生體防御醫學研究所現在依靠轉基因技術借用小鼠表達人類MTH1蛋白,試圖進一步揭示這些氧化核苷酸在神經細胞內的生物學作用。雖然該研究尚處于動物試驗階段,但對于尋找治療 PD的新策略有著重要參考價值。新近發現,DNA修復酶 8一羥基鳥嘌呤糖苷酶 (hOGG1)和 hMYH也在不同環節協同參與神經細胞核和線粒體 DNA的修復,因此其他能夠防止DNA氧化損傷的DNA修復酶在神經細胞氧化變性中的分子生物學作用和機制還需要深入發現和研究。

[1]LONG J,GAO F,TONG L,et al.Mitochondrial decay in the brains of old rats:ameliorating effect of alpha-lipoic acid and acetyl-L-carnitine[J].Neurochem Res.,2009,34(4):755-763.

[2]KLAUN IG J E,KAMENDUL IS L M,HOCEVAR B A.Oxidative stress and oxidative damage in carcinogenesis[J].Toxicol Pathol,2010,38(1):96-109.

[3]W IESE S,HERRMANN T,DREPPER C,et al.Isolation and enrichment of embryonic mouse motoneurons from the lumbar spinal cord of individualmouse embryos[J].Nat Protoc,2010,5(1):31-38.

[4]YAMAGUCH I H,KAJ ITAN I K,DAN Y,et al.Nakabeppu,MTH1,an oxidized purine nucleoside triphosphatase,protects the dopamine neurons from oxidative damage in nucleic acids caused by 1-methyl-4-phenyl-l,2,3,6-tetrahydropyridine[J].Cell Death Differ.2006,13:551-563.

[5]PAVESE N,BROOKS D J. Imaging neurodegeneration in Parkinson's disease[J].Biochim BiophysActa,2009,1792(7):722-729.

[6]PRZEDBORSKI S,TIEU K,PERIER C,et al.MPTP as a mitochondrial neurotoxic model of Parkinson's disease[J].J BioenergBiomembr,2004,36(4):375-379.

[7]KA I T,MATSUNAGA R,EGUCH IM,et al.An oxidized nucleotide affects DNA replication through activation of protein kinases in Xenopus egg lysates[J].Nucl.Acids Res.,2002,30:569-573.

Oxidative Damage to Neurons and Protective Effects ofM TH1 on Neurons

NAN Ha i-tian
(ChinaMedicalUniversity,ShenyangLiaoning 110001,China)

Many factors in vivo including active oxygen species(AOS)can lead to oxidative damage to neurons.MTH1 effectively prevents such damages caused by 8-oxoG.This paper introduces both the mechanism of oxidative damage in neurons and the protective effects of MTH1 on nerve terminals of dopaminergic neurons in striata in the MPTP model of Parkinson's Disease.

oxidative damage;MTH1;MPTP model;Parkinson'sDisease

Q75

A

1009-315X(2010)03-0209-03性的破壞中腦黑質中的多巴胺能神經元,故常被用來制作研究帕金森病的模型。日本九州大學生體防御醫學研究所的中別府雄作教授,利用該模型進行了一系列的動物實驗。別府教授長期從事腦神經的分子生物學研究,通過對大量實驗結果進行分析總結,證明了MTH1能夠有效減少小鼠神經細胞中 8-oxoG在細胞核和線粒體 DNA中的積聚[4],從而阻止了神經細胞的氧化應激。與此同時,許多國際知名專家也紛紛發表文獻,從不同方面支持了別府先生的理論。

2010-03-05

南海天 (1987-),男,遼寧大連人,中國醫科大學七年制研究生,主要從事臨床醫學研究。

(責任編輯 鄒永紅)