羰基的毒性與神經系統變性病

張 穎， 鄧 暉綜述， 胡林森審校

大量數據顯示，反應性羰基作為氧化損傷的神經毒性介質涉及許多神經系統變性疾病的進展。脂質、碳水化合物及蛋白質的氧化導致羰基及羰基加成物的形成，這些產物包括脂質衍生的羰基(4-hydroxy-trans-2-nonenal，HNE)、糖類衍生的羰基(advanced glycation end products，AGEs)及蛋白質起源的羰基等，它們能不可逆地烷基化及交聯蛋白質。作為氧化損傷的產物及傳播者，毒性羰基在疾病中的作用逐漸被闡明。羰基通過修飾細胞親核基團及破壞細胞動態平衡在神經變性病的發病機制中發揮重要作用。本文綜述羰基的生物學作用，探討導致羰基毒性的化學通路及羰基的解毒機制。

1 反應性羰基的生物學作用

1.1 HNE HNE是脂肪族 α-和 β-不飽和醛，在神經系統變性病中是被最廣泛研究的毒性羰基。在6-OHDA處理的PD動物模型中，在疾病的早期即顯示脂質過氧化產物HNE增加［1］。在AD腦內淀粉樣β肽誘導脂質過氧化產物HNE及丙稀醛的形成，二者可進一步發揮毒性作用［2］。在原代神經元、成神經細胞瘤細胞、膠質細胞及突觸體中HNE可影響許多細胞功能［3］。

HNE可與大量膜蛋白加成，導致膜蛋白構造、膜雙分子層秩序及運動性的改變，因此改變許多膜運輸蛋白的活性。將海馬和皮質神經元及皮質突觸體暴露于HNE，可引起葡萄糖攝取的抑制及葡萄糖運輸蛋白GLUT3的HNE加成。HNE可烷基化谷氨酸鹽運輸體GLT1，阻礙將谷氨酸鹽運輸至大鼠皮質突觸體及皮質星形膠質細胞［4］。有意義的是，在AD腦內可觀察到谷氨酸鹽運輸的抑制，在頂葉HNE與GLT1共扼結合的程度更為廣泛［5］。

除了對漿膜蛋白的作用外，HNE還可干預線粒體的功能。在皮質突觸體和PC12細胞，HNE能誘導線粒體的抑制［6］。此外，HNE還可影響細胞骨架蛋白的結構和功能。如在神經2A細胞，HNE引起神經突生長的抑制及微管網絡的破壞。低濃度HNE(5～20μmol)處理15min后，即觀察到微管的破壞，而此時缺乏細胞毒作用，提示微管對HNE尤為易感［7］。在P19神經膠質細胞培養中，低濃度HNE導致tau電泳遷移率的改變［8］。

1.2 AGEs AGEs在神經系統變性病尤其是PD的發病機制中發揮關鍵作用。Munch等研究顯示，AGEs自身可沉積在PD的病理標志物如包含體中，也可以強烈地交聯細胞內的中間纖維及α-synuclein形成的蛋白沉積物，從而促進包含體的形成［9］。此外，細胞內的AGEs可交聯細胞骨架蛋白并引起細胞骨架蛋白的不溶解。細胞骨架蛋白的沉積抑制細胞的功能(如運輸過程)，并促進神經元功能的紊亂及死亡。在模型系統中AGEs的應用可誘導進一步的氧化損傷［10］。細胞外的AGEs可聚集在老年斑中，對神經元施加慢性氧化應激。此外，AGEs可刺激膠質細胞產生自由基及神經毒細胞因子(如 TNF-α)［11］。AGEs修飾的 BSA增加動物卒中模型的梗死體積［12］。可見，羰基的形成可能通過AGEs的形式導致進一步的氧化損傷。

1.3 蛋白結合羰基 2001年Aksenov及其同事對羰基修飾尤為易感的特定蛋白質進行了鑒定。對AD及對照組腦組織蛋白質的對照研究發現，β-肌動蛋白、β-微管蛋白及肌酸激酶BB對羰基修飾敏感。這些發現支持2000年Aksenov等的研究［13］，即與對照組比較AD腦中肌酸激酶BB的活性降低并被羰基修飾。在AD及PD模型中亦發現了α-烯醇酶中特定羰基水平的增加及α-烯醇酶的活性降低，提示蛋白結合羰基可抑制蛋白質的活性、影響其行使正常的生物學功能［14，15］。又如，泛素羧基末端水解酶(UCH-L1)的羰基修飾與散發PD及AD的發病機制直接相關［16］。探索抑制羰基形成的抗氧化劑在神經變性病治療中的作用日益受到重視。

2 中樞神經系統羰基的解毒機制

前面描述了腦內羰基的毒性作用，而羰基的解毒機制同樣重要。羰基可通過Ⅰ相和Ⅱ相兩種機制被代謝。毒性羰基清除的減少可能在PD及其它神經變性疾病的發病機制中發揮重要作用。

2.1 Ⅰ相代謝酶 直接還原或氧化羰基的α-酮部分是一個顯著降低羰基電子去除特性的解毒步驟。羰基到醇的還原反應由α-酮還原酶(AKR)和乙醇脫氫酶(ADH)催化。乙醛氧化為羧酸由乙醛脫氫酶(ALDH)和乙醛氧化酶催化。

2.1.1 醛糖還原酶 人類的醛糖還原酶利用NADPH以不同的功效催化許多含羰基分子的還原反應。醛糖還原酶在人大腦皮質、海馬、紋狀體、黑質及小腦神經元內表達。乙醛還原酶AKR7A2最初是從人腦提純的，它可催化琥珀酸半醛形成γ-羥基丁酸(GHB)，GHB是GABA的一種降解產物［17］。已經在神經膠質細胞、核膜及突起中發現了AKR7A2的染色。在AD及路易體癡呆患者，作為反應性神經膠質增多及小膠質激活的結果，額葉、嗅區皮質及海馬中AKR7A2免疫反應性升高［18］。

2.1.2 乙醛脫氫酶(aldehyde dehydrogenase，ALDH)ALDH可將醛氧化為羧酸，從而發揮對羰基的解毒作用。與細胞內毒性醛代謝有關的ALDH有3種。ALDH1存在于胞漿;ALDH2存在于線粒體基質;ALDH3存在于胞漿及微粒體間隔中。所有這3種酶均可代謝HNE。在對照組或AD患者的大腦皮質及海馬，ALDH2只存在于神經膠質細胞［19］。這一發現提示在這些腦區神經元的線粒體缺乏解毒活性醛的基本機制。在老年斑中ALDH2的表達升高，ALDH2的免疫組化染色與反應性星形膠質細胞及小膠質細胞共定位。AD患者大腦皮質ALDH2活性較對照組增高這一事實也支持這些發現。

神經膠質內ALDH2增高可能在涉及脂質過氧化的神經變性病的發展中具有重要意義。在東方人群中，ALDH2活性的缺失是由基因堿基對的改變引起，這導致ALDH2的失活。新近研究證實，在日本含ALDH2×2等位基因的個體患AD 的風險性增加［20］。

2.2 Ⅱ相代謝酶 谷胱甘肽轉移酶(GSTs):Ⅱ相解毒是一條主要的細胞保護路徑。GSH與含羰基的親電子中心結合的反應由GSTs催化。人類GSTs含有8種同工酶。盡管GSTs在親電子物質的解毒中有重要作用，但只是在最近才開始對GSTs在腦組織中的特定表達及其與神經變性疾病的關系進行研究。已有研究證實與對照組比較AD腦中GST的總活性降低［21］。

Sidell研究顯示［22］，在人類中腦、大腦皮質及基底神經節中缺乏GST A的免疫活性。GST Pi定位于灰質及白質神經膠質細胞。GSTμ免疫反應性定位于灰質神經膠質細胞而非白質。在黑質、紋狀體、蒼白球及丘腦神經元內發現了GSTμ的免疫反應。在另一研究中，GST A4-4定位于人腦神經元，但未給出這些免疫反應陽性神經元的進一步定位。

3 總結

對AD和PD的實驗研究及患病腦區的尸檢研究均提示羰基水平的升高。脂質、還原糖及蛋白質的氧化導致羰基及羰基加成物的形成，這些含羰基的物質本身就具有毒性作用，并且又通過各種復雜的生化反應產生進一步的毒性作用。幸運的是，體內存在羰基的天然解毒機制。這提示我們可以從羰基毒性作用的化學通路中探討神經變性病的致病機制，并且可以從提高羰基解毒機制活性的角度開發藥物治療的新靶點。

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