血紅素加氧酶-1在骨代謝中的研究進展

房梅霞 楊玉輝 郭 影 (河北醫(yī)科大學(xué)第三醫(yī)院，河北 石家莊 05005)

血紅素加氧酶-1(HO-1)是一種誘導(dǎo)酶，在正常狀態(tài)下，HO-1呈低水平表達，易受多種因素誘導(dǎo)表達，HO-1通過多方面調(diào)節(jié)效應(yīng)和復(fù)雜的信號傳導(dǎo)途徑，產(chǎn)生抗氧化、抗炎癥、抗細胞增殖、抗細胞凋亡、調(diào)節(jié)免疫及維持微循環(huán)等一系列生物學(xué)效應(yīng)，在多種疾病的發(fā)生發(fā)展中有重要保護作用。最近研究表明HO-1表達于骨細胞，并且可能參與骨內(nèi)穩(wěn)態(tài)的調(diào)節(jié)。

1 HO-1的生物學(xué)特性及表達調(diào)控

HO系統(tǒng)是廣泛存在于人和哺乳動物體內(nèi)的微粒體酶系統(tǒng)，是血紅素降解的限速酶，降解血紅素產(chǎn)生鐵離子、一氧化碳(CO)和膽綠素，后者在膽綠素還原酶作用下隨即轉(zhuǎn)化成膽紅素。它涉及整個生長發(fā)育過程，參與多種生理和病理過程。目前已知三種HO，分別為HO-1、HO-2和HO-3。HO-1為誘導(dǎo)型，即為熱休克蛋白32，屬于應(yīng)激蛋白超家族的一員，是目前發(fā)現(xiàn)的最易被誘導(dǎo)的抗氧化應(yīng)激的重要酶。HO-1易受多種刺激因素誘導(dǎo)表達，如血紅素、低氧、高氧、過氧化氫、細胞因子、重金屬、紫外線照射、一氧化氮(NO)、CO等。HO-1表達的誘導(dǎo)是通過活化絲裂原活化蛋白激酶、磷脂酰肌醇-3激酶、蛋白激酶A、G、C信號通路調(diào)節(jié)HO-1轉(zhuǎn)錄因子引起的。HO-1基因表達調(diào)控主要在轉(zhuǎn)錄水平上，主要由兩個競爭的轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控，核因子E2相關(guān)因子2(Nrf2)為活化因子，BTB-CNC異體同源體1(Bach1)為轉(zhuǎn)錄抑制因子，兩者均需小Maf家族蛋白結(jié)合到Maf識別元件(MARE)。HO-2為結(jié)構(gòu)型酶，在正常生理條件下起作用，機體內(nèi)的血紅素主要由HO-2催化分解，已知的HO-2激活的惟一誘導(dǎo)劑是腎上腺糖皮質(zhì)激素。HO-3是新結(jié)構(gòu)型酶，其結(jié)構(gòu)與HO-2相似，其催化活性較低，確切功能尚不清。

2 HO-1與骨代謝

2.1 HO-1對骨代謝的直接作用

2.1.1 HO-1對成骨細胞的作用 成骨細胞起源于多能的骨髓間充質(zhì)干細胞(BMSC)，是骨形成的重要細胞，負責(zé)骨基質(zhì)的合成、分泌和礦化。BMSC是多向分化的細胞，骨髓成骨細胞與脂肪細胞的生成有著此消彼長的關(guān)系。體外研究發(fā)現(xiàn)上調(diào)HO-1可抑制BMSC向脂肪細胞分化，增加其向成骨細胞的增殖及分化，加強其礦化。HO-1對成骨細胞增殖及分化的增強與磷酸化絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶(pAKT)、內(nèi)皮型一氧化氮合酶(eNOS)及peNOS的活化進而增強成骨細胞功能有關(guān)〔1〕。Kook等〔2〕研究發(fā)現(xiàn)P物質(zhì)通過活化Nrf2及HO-1增加人牙周韌帶細胞成骨分化標志物的表達，促進其成骨細胞樣分化及骨形成，HO-1抑制劑可阻斷P物質(zhì)介導(dǎo)的作用〔2〕。Lin等〔3〕用編碼人HO-1的重組腺病毒載體(Ad-HO-1)轉(zhuǎn)染大鼠顱蓋骨成骨細胞卻有不同發(fā)現(xiàn)，Ad-HO-1劑量依賴性抑制成骨分化標志物堿性磷酸酶、骨鈣素、Runt相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子2(RUNX2)的mRNA表達及堿性磷酸酶(ALP)的活性，而對成骨細胞的活性影響不大。HO-1的化學(xué)誘導(dǎo)劑氯化高鐵血紅素處理成骨細胞可得到相同的結(jié)果，且可降低礦化骨結(jié)節(jié)形成中的鈣含量，鋅原卟啉IX阻斷HO-1的活性，可抵消氯化高鐵血紅素的抑制作用。這些結(jié)果提示上調(diào)HO-1的表達抑制成骨細胞的成熟與礦化，其代謝產(chǎn)物參與其抑制作用。

2.1.2 HO-1對破骨細胞的作用 破骨細胞是參與骨吸收最主要的細胞，它分泌酸性物質(zhì)溶解礦物質(zhì)，分泌蛋白酶消化骨基質(zhì)，在骨重建過程中發(fā)輝著至關(guān)重要的作用。Hama等〔4〕體外研究發(fā)現(xiàn)相對于野生鼠，Bachl缺陷鼠骨髓源巨噬細胞向破骨細胞的分化及功能被抑制，向其細胞內(nèi)導(dǎo)入HO-1短發(fā)夾RNA抑制HO-1，則顯著增加破骨細胞生成數(shù)量，Wruck等〔5〕發(fā)現(xiàn)Nrf2缺陷鼠較野生鼠在抗體誘發(fā)關(guān)節(jié)炎過程中更易發(fā)展為更嚴重的關(guān)節(jié)軟骨損傷，且易發(fā)生自發(fā)骨折，提示HO-1表達的調(diào)控可能影響破骨細胞的增殖及分化。Zwerina等〔6〕體外研究發(fā)現(xiàn)氯化高鐵血紅素可劑量依賴性上調(diào)破骨細胞前體細胞HO-1的表達，下調(diào)破骨細胞分化關(guān)鍵標志物抗酒石酸酸性磷酸酶、c-fos、組織蛋白酶K、降鈣素受體，抑制破骨細胞形成及骨吸收，提示誘導(dǎo)HO-1可抑制破骨細胞前體細胞向破骨細胞分化，其途徑可能是通過降低巨噬細胞集落刺激因子(M-CSF)受體c-fms及核因子 κB受體活化因子配體(RANKL)受體RANK在破骨細胞前體細胞的表達，使破骨細胞前體細胞對MCSF及RANKL的反應(yīng)性降低。最近研究表明RANKL對HO-1表達的抑制及隨后高遷移率族蛋白B1(HMGB1)的釋放對破骨細胞的形成和分化是必不可少的，誘導(dǎo)HO-1則抑制半胱天冬酶-3活化及HMGB1釋放，通過HO-1/HMGB1/半胱天冬酶-3途徑抑制破骨細胞的形成〔7〕。

2.2 HO-1對骨代謝的間接作用

2.2.1 抗氧化應(yīng)激 氧化應(yīng)激可抑制成骨細胞分化及礦化，誘導(dǎo)成骨細胞凋亡，刺激破骨細胞的生長分化和骨吸收。研究表明氧化應(yīng)激信號可誘導(dǎo)HO-1在成骨細胞表達〔3〕。HO-1催化血紅素分解消耗氧分子減少活性氧(ROS)的產(chǎn)生，同時參與上調(diào)抗氧化酶的表達，增強機體的抗氧化能力。HO-1催化產(chǎn)物在其抗氧化應(yīng)激中起重要作用，膽綠素及膽紅素具有較維生素E更強的抗氧化作用，HO-1活性的增高可促進運鐵蛋白的合成，還可上調(diào)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上的Fe2+通道，促進細胞內(nèi)Fe2+泵出，防止由Fe2+介導(dǎo)的氧化應(yīng)激損傷。Yin等〔8〕研究表明，他汀類藥物通過改善氧化應(yīng)激誘導(dǎo)的成骨細胞凋亡，增加成骨細胞ALP活性，對老齡或去卵巢大鼠的骨質(zhì)疏松起保護作用。體外研究發(fā)現(xiàn)香煙煙霧可劑量依賴性的誘導(dǎo)ROS的形成，降低成骨細胞活性，誘導(dǎo)HO-1表達清除ROS可保護成骨細胞免受香煙煙霧的損傷〔9〕。高葡萄糖刺激成骨細胞ROS形成增加，抑制成骨細胞分化，鈷原卟啉(CoPP)處理上調(diào)HO-1使ROS及成骨標志均恢復(fù)至對照組水平，HO-1小干擾RNA抑制HO-1表達可抵消CoPP介導(dǎo)的效應(yīng)，提示HO-1通過清除ROS削弱高血糖對成骨細胞分化的抑制〔1〕。

2.2.2 抗炎癥 促炎性細胞因子可抑制干細胞的成骨分化，且激活成骨細胞釋放參與調(diào)節(jié)局部骨代謝及刺激破骨細胞的細胞因子。Clerigues等〔10〕體外研究發(fā)現(xiàn)誘導(dǎo)HO-1表達可顯著降低白細胞介素-1β(IL-1β)介導(dǎo)的基質(zhì)降解酶基質(zhì)金屬蛋白酶(MMP)-1、MMP-2、MMP-3的表達及促炎性細胞因子IL-6及腫瘤壞死隱私(TNF-α)的釋放，并提高抗炎性細胞因子IL-10的水平，還可以通過抑制環(huán)氧合酶-2及膜結(jié)合型前列腺素E2合酶-1的表達降低前列腺素E2的產(chǎn)生。提示誘導(dǎo)HO-1可降低炎性及分解代謝介質(zhì)的產(chǎn)生，下調(diào)炎癥反應(yīng)相關(guān)的骨質(zhì)溶解。體內(nèi)外研究也表明，誘導(dǎo)HO-1表達可負向調(diào)節(jié)炎癥誘導(dǎo)的破骨細胞形成，拮抗TNF-α和脂多糖(LPS)誘導(dǎo)的炎性骨丟失〔6〕。HO-1可抑制炎癥介導(dǎo)的細胞凋亡，Clerigues等研究發(fā)現(xiàn)HO-1可顯著降低IL-1β誘導(dǎo)的骨關(guān)節(jié)炎成骨細胞衰老標志β-牛乳糖的活性及微囊蛋白-1的表達，同時可下調(diào)P21蛋白在軟骨細胞的表達，增加人端粒逆轉(zhuǎn)錄酶mRNA的表達，提高端粒酶的活性〔10〕。Chae等〔11〕研究表明外源性CO和NO可抑制TNF-α誘導(dǎo)的成骨細胞凋亡，且其抗凋亡效應(yīng)并非由cGMP介導(dǎo)，而依賴于HO-1的表達。

2.2.3 保護血管改善骨微循環(huán) 骨的發(fā)育、生長、修復(fù)和重建等動態(tài)過程與血管的生成及功能是緊密相關(guān)的，良好的血供對骨折、骨缺損愈合、骨修復(fù)具有重要意義。血管內(nèi)皮細胞是各種類型血管的唯一必需的結(jié)構(gòu)，其產(chǎn)生的各種因子可影響成骨細胞及破骨細胞的分化和功能，而成骨細胞及破骨細胞也能夠產(chǎn)生旁分泌因子來影血管內(nèi)皮細胞的功能。HO-1已被證明在動物和人的血管形成及修復(fù)中起重要作用，血管損傷后，HO-1可增加骨髓或循環(huán)血內(nèi)皮祖細胞的數(shù)量，促進損傷血管的再內(nèi)皮化，也可通過誘導(dǎo)血管內(nèi)皮生長因子及基質(zhì)細胞衍生因子促進新血管形成〔12〕。另外，在骨髓脂肪細胞增多的情況下，骨髓微循環(huán)受壓，骨髓組織缺血、缺氧、代謝紊亂，骨骼失養(yǎng)，骨細胞代謝能力下降，骨脆性增加，發(fā)生骨量丟失，最終形成骨質(zhì)疏松，而誘導(dǎo)HO-1表達可抑制BMSC向脂肪細胞分化，促進其向成骨細胞分化，改善骨髓微循環(huán)〔1〕。

3 結(jié)語

HO-1對于成骨、破骨細胞的增殖、分化、功能活性具有重要調(diào)節(jié)作用，對骨代謝有著很大的影響。隨著對HO-1研究的深入，HO-1靶向誘導(dǎo)治療已引起了越來越多的關(guān)注，隨著人們對它在骨代謝中的作用及機制的進一步認識，相信在不久的將來，HO-1將會成為一種治療骨代謝疾病的一個新靶點。

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