環氧化酶5a在神經疾病治療中的研究進展

李登賀 金 華 李艷華

(昆明理工大學醫學院，云南 昆明 650500)

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環氧化酶5a在神經疾病治療中的研究進展

李登賀 金 華1李艷華1

(昆明理工大學醫學院，云南 昆明 650500)

Cox5a；神經疾病

神經疾病是指一組由慢性進行性的中樞神經組織退行性變性而產生的疾病的總稱，如運動失調的帕金森疾病(PD)、老年性癡呆的阿爾茨海默病(AD)、亨廷頓病(HD)、肌萎縮側索硬化癥(ALS)等。本文對環氧化酶(Cox)5a在神經疾病治療中的研究進展作一綜述。

1 Cox5a的分子生物學

Cox5a(Va)是Cox的一個亞型，Cox5a和Cox5b共同組成亞基Cox5，參與組裝Cox〔1〕。Cox是線粒體呼吸鏈氧化磷酸化過程的限速酶，直接參與線粒體氧的利用和能量產生，它位于線粒體內膜上，有多個亞基組成的酶分子，其中包括3個大亞基Cox1、Cox2、Cox3,它們由線粒體DNA編碼，構成級聯反應的核心，序列高度保守,而Cox5a不同于Cox1、Cox2、Cox3,它和其余9個小亞基共同由核DNA編碼，基因分別定位于9條不同的染色體上，在胞質內翻譯后轉運到線粒體參與裝配，具有明顯的器官和種族差異〔2〕,小鼠的Cox5a基因約11 196 bp,人的Cox5a基因約17 880 bp,而酵母的Cox5a基因約462 bp。

早期人們對Cox5a基因的研究是在酵母中，Cox5a是細胞色素C氧化酶亞基Ⅴ的一個編碼基因，它與Cox5b分別形成細胞色素C的兩種不同的形式。運用單克隆技術揭示了Cox5a基因編碼的蛋白質有153個氨基酸，通過分析Cox5a基因的編碼區域序列，顯示了一個獨立的不間斷開放的153個密碼子結構，由于已斷定氨基(NH2)末端的成熟亞基Ⅴa的序列氨基酸，因此預測到有一個分子量為17 139的初級翻譯產物亞基Ⅴa前體。另外，Cox5a和Cox5b的編碼序列雖然有67%的核苷酸和66%的蛋白質同源〔3〕，但是，利用基因重新組合的實驗技術，發現Cox5a在全酶基因的組裝和功能方面做出的貢獻比Cox5b更大更有效〔4〕，在突變亞基Ⅴ中插入Cox5a基因能夠補償突變并能夠恢復細胞色素C氧化酶的活性〔5〕。值得注意的是，Cox5a基因的表達受氧濃度的調控，氧濃度達到0.5 μmol/L時，Cox5a得以表達，而 Cox5b則在氧濃度小于0.5 μmol/L的情況下才能表達，是厭氧基因。Cox的活性是由Cox5a和Cox5b的量、比例和Cox的分子量來決定的〔6〕，在呼吸作用中，氧正常的情況下，Cox5a表現出比Cox5b更有效地增加Cox的活性〔7〕。在哺乳動物細胞中，Cox復合物組裝的第一步是Cox1膜的融合，接著耦聯Cox4-Cox5a異源雙核體，亞基Cox5a直接結合亞基Cox1，在研究人類Cox復合物的組成和功能中，得知低量的Cox5a導致Cox的活性降低、需氧酶的親和力降低、Cox二聚物水平降低、Cox的子復體的積累增加和呼吸鏈的超復體的格局改變增高。Cox的缺陷歸咎于Cox5a和Cox6a1缺乏，影響呼吸鏈超復體的形成〔8〕。氧化磷酸化是哺乳細胞重要的代謝途徑，神經細胞完全依靠氧化磷酸化合成三磷酸腺苷(ATP)，Cox的損傷將直接影響能量代謝，導致能量產生受阻、呼吸鏈大量產生自由基，而作為Cox的成分Cox5a參與形成氧化磷酸化的全酶〔9，10〕，因此Cox5a的失調將對神經系統疾病造成一定威脅。

2 Cox5a與神經疾病

線粒體能量代謝障礙在缺血、神經毒性物質等引起的急性腦損傷及AD、PD、HD等慢性神經退行性疾病的病理過程中都扮演著至關重要的角色。引起線粒體能量代謝的因素有很多，其中Cox功能失調是引起了許多與能量相關的疾病的基礎缺陷，大量顯著的Cox缺陷經常與其他呼吸鏈酶缺乏有關，這都有利于線粒體DNA突變，盡管如此，在早期的疾病中，線粒體DNA的突變并不普遍，家譜分析和細胞融合實驗表明核基因參與一些早期事件的發生〔11〕，典型的Leigh綜合征就是有核DNA突變引起的一種先天能量代謝錯誤的神經變性失調的亞急性壞死腦脊髓炎疾病，在這個疾病中Cox5a參與調解，然而Cox5a的相關機制并不是很清楚〔12〕。但是，在多年來的研究〔2〕中，許多神經疾病都伴隨有Cox5a的變化，可推想Cox5a在神經疾病中起到的作用應該是舉足輕重的。

2.1 神經疾病中Cox5a的表達下調 Cox是一種內源性代謝物標志物，Cox5a作為Cox組裝成分，也經常在研究神經疾病的能量代謝中作為參考，它與腦神經元能量代謝有著密切關系。正常情況下Cox5a的表達與神經元的功能水平相一致，并隨著神經元功能狀態的改變而發生變化，可以作為細胞和整體水平研究腦功能的重要指標。很多的研究〔9,10,13〕報道指出多種中樞神經系統疾病均顯示出Cox5a表達的下調，進而引起能量調節失衡，以至于神經元能量無法滿足而導致疾病產生。

在研究凝溶膠蛋白的表達對AD患者的線粒體呼吸鏈活性影響中，Antequera等〔14〕以Cox復合物Ⅳ和Cox5a的表達作為判斷線粒體呼吸鏈活性的指標。分別對4個淀粉樣前體蛋白(APP)/早老素(Ps)1小鼠的大腦皮質組織進行處理，分為空白對照組、注射有獲得性免疫缺陷綜合征病毒攜帶(HIV-vv)組、注射攜帶凝膠蛋白的獲得性免疫缺陷綜合征病毒(HIV-gel)和注射空載凝膠蛋白的獲得性免疫缺陷綜合征病毒(HIV-sigel)組，采用非變形聚丙烯酰胺凝膠EP跡和條形圖分析，結果發現HIV-凝溶膠蛋白處理組復合物Ⅳ活性增加、Cox5a表達增加，干擾組Cox5a卻減少。凝溶膠蛋白使AD患者中的Aβ減少，而Aβ是導致AD的禍首，在此疾病中，Cox5a表達下調，使Cox的活性降低，從而導致線粒體呼吸鏈活性失調。而在正常的腦老化和AD疾病患者的細胞自噬調節機制中，研究人員通過實驗分析和對照，證明在AD患者中，Cox5a 的下調導致活性氧(ROS)積累，從而誘導細胞自噬異常，導致正常的細胞自噬功能紊亂〔15〕。無論其作用機制如何，這兩項研究都說明在AD中，Cox5a的表達下調。

同樣，Yin等〔16〕在研究中藥對急性心肌梗死的治療過程中，選中線粒體氧化磷酸化作為目標路徑。并且，兩個與能量代謝有關的基因,Cox5a和ATP5e,被選為靶基因，可見Cox5a在急性心肌梗死患者中的變化是比較顯著的，采用實時定量基因擴增熒光檢測系統(Q-PCR)檢測目的基因Cox5a mRNA的改變，通過比色實驗測得相關酶的活性，結果表明在急性心肌梗死模型中，也有Cox5a表達下調現象，Cox5a的下調表達誘導刺激局部缺血性心肌細胞凋亡，而通過藥物處理后，Cox5a表達上調，實驗表明藥物通過上調Cox5a的表達水平和細胞色素C氧化酶的活性來減弱線粒體鈣離子的過量，達到治療急性心肌梗死的目的，從側面也說明了在急性心肌梗死疾病中Cox5a的表達是下調的。在PD中，Cox5a的表達同樣表現為下調趨勢〔17〕，Lu等〔18〕在研究糖尿病的蛋白質組學時也表現與能量相關的Cox5a的表達下調。由此可見，在神經疾病的發生過程中，Cox5a下調導致Cox活性降低，從而引起神經疾病的發生，所以上調Cox5a基因的表達成為治療神經疾病的一個手段。

2.2 在神經疾病中Cox5a的作用 Cox5a構成了Cox的催化中心，參與線粒體氧化磷酸化途徑，Cox5a的調節直接影響整個呼吸鏈的功能作用。腦老化是一種學習能力逐漸下降與部分記憶的漸漸喪失的過程，期間伴隨著Cox5a的下調，其朝著惡性方向發展的一定階段，可能會演變成一些常見而棘手的疾病，如AD、PD及其他一系列老化相關的疾病。神經疾病中Cox5a的表達是下調的，眾多的研究〔15，17〕表明增加Cox5a的表達對于神經修復的調節具有一定的積極意義。

魏宏亮〔19〕建立SD大鼠部分去背根神經可塑性模型，利用降鈣素基因相關肽(CGRP)標記脊髓Ⅱ板層神經膨體，計數CGRP陽性神經膨體數量變化，并利用對照實驗，免疫熒光組化技術，同時進行壓爪甩尾痛覺檢測，通過Cox5a干擾前后對比，結果表明Cox5a干擾前，通過電針刺治療在28 d的時間痛溫覺傳導通路接近于正常水平，而Cox5a干擾后，其痛覺閾值增高，體內的神經修復困難，影響感覺傳導通路的再建立。而此實驗間接地說明，當機體受到傷害性損傷或刺激時，損傷區細胞的能量代謝增強，使Cox5a表達增多，增多的Cox5a使局部ATP產生增多，增多的ATP對神經修復具有促進作用，再者，增多的Cox5a可以使脊髓Ⅱ板層中的CGRP出芽增多，而增多的CGRP對脊髓損傷后神經的可塑性具有促進作用，而當Cox5a被干擾后，CGRP出芽減少，表明Cox5a在脊髓損傷神經修復的過程中是通過調節CGRP的合成來實現的。

與此同時，在習楊彥彬〔20〕研究Cox5a及其關聯的電壓門控鈉通道(SCN)2B在小鼠腦老化中的作用及其相關機制的過程中，了解到Cox5a在腦老化過程中，對于學習記憶能力的調節都發揮著重要作用。采用全身過表達Cox5a轉基因小鼠，逆轉錄-聚合酶鏈反應(RT-PCR)和蛋白質印跡法的方法，利用水迷宮檢測學習記憶能力，用神經電生理技術檢測海馬長時程增強(LTP)，進行Cox5a免疫組織化學染色。結果顯示，Cox5a上調至正常的58%時就可以明顯改善轉基因小鼠的學習記憶能力，其機制可能在于Cox5a的表達增加促進海馬神經元的突觸興奮性，增加海馬神經元樹突的密度，代償腦老化過程中神經營養因子及其下游信號分子的缺失或線粒體功能缺陷，與此同時還發現，當Cox5a上調時，SCN2B下調，而SCN2B在腦老化引起的認知功能的減退過程中具有促進作用，可見Cox5a可以抑制認知功能的減退。在Cox5a轉基因小鼠中，過表達的Cox5a小鼠中局部腦區的上調保護性因子類胰島素生長因子(IGF)-1的水平顯著上調，而糖原合成酶激酶(GSK)-3β明顯下調，推測Cox5a可能通過上調IGF-1的水平來發揮其神經保護作用，同時降低GSK-3β的基因表達水平，改善記憶能力。在AD中，Cox5a的過表達降低海馬中堿性成纖維細胞生長因子(bFGF)的表達、代償神經元線粒體的功能障礙、改善學習記憶能力。

無論是在脊髓損傷的修復還是在調節腦神經元的功能上，都有說明Cox5a在能量代謝上發揮著一定的作用。在黑質紋狀體多巴胺神經元退化導致紋狀體多巴胺缺陷的PD中，Agrawal等〔21〕在蛋白組學上，就氯氰菊酯改變其線粒體功能的研究過程中，報道Cox5a的增加對于調節能量代謝具有很大的作用，Cox5a的異常調節導致ATP消耗、無用的激進分子增加和細胞凋亡，使用藥物治療后檢測到Cox5a增加，說明Cox5a的調節可能對于神經功能的恢復是必不可少的一個因子，但它是否真的在PD的治療中起到內在直接作用，目前并沒有相關可靠的證據。

很多研究〔13～16〕表明在神經疾病中Cox5a基因確實是表達下調，也有研究〔18～21〕表明能夠通過上調Cox5a來修復神經元，在神經疾病中起到一定積極的作用，但Cox5a的表達調控機制仍需要研究。伴隨著Cox5a檢測方法和實驗技術的提升，可能發現更多的神經疾病中更詳細的Cox5a的信息，為Cox5a 基因作為治療神經疾病的理想靶點提供更有利證據。

1 Allen LA,Zhao XJ,Caughey W,etal.Isoforms of yeast cytochrome c oxidase subunit Ⅴ affect the binuclear reaction center and after the kinetics of interation with the isoforms of yeast cytochrome c〔J〕.J Biologl Chem,1995;270(1):110-8.

2 李 梨,劉智敏.細胞色素C氧化酶與神經疾病研究現狀〔J〕.中國老年學雜志,2010;30(21)：3217-9.

3 Cumsky MG,Truebloood CE,Ko C,etal.Structural analysis of two genes encoding divergent forms of yeast cytochrome c oxidase subunit V〔J〕.Mol Cell Biol,1987;7(10):3511-9.

4 Trueblood CE,Poyton RO.Differential effectiveness of yeast cytochrome c oxidase subunit V genes results from differences in expression not function〔J〕.Mol Cell Biol,1987;7(10):3520-6.

5 Cumsky MG,Ko C,Trueblod CE,etal.Two nonidentical forms of subunit V are functional in yeast cytochrome c oxidase〔J〕.Proc Natl Acad Sci U S A,1985;82(8):2235-9.

6 胡 珅,楊謙和,劉志華.球毛殼菌Cox5a基因克隆及特性分析〔J〕.東北林業大學學報，2007;35(4):36-40.

7 Castello PR,Woo DK,Ball K,etal.Oxygen-regulated isoforms of cytochrome c oxidase have differential effects on its nitric oxide production and on hypoxic signaling〔J〕.Proc Natl Acad Sci USA,2008;105(24):8203-8.

8 Fornuskova D,Stiburek L,Wenchich L,etal.Novel insights intothe assembly and function of human nuclear-encoded cytochrome c oxidase subunits 4,5a,6a,7a and 7b〔J〕.Biochem J,2010;428(3):363-74.

9 Ongwijitwat S,Wong-Riley MT.Is nuclear respiratory factor 2 a master transcriptional coordinator for all ten nuclear-encoded cytochrome coxidase subunits in neurons〔J〕?Gene,2005;360(1):65-77.

10 Liang HL,Ongwijitwat S,Wong-riley MT.Bigenomic functional regulation of all 13 cytochrome c oxidase subunit transcripts in rat neurons in vitro and in vivo〔J〕.Neuroscience,2006;140(1):177-90.

11 Taanman JW.Human cytochrome c oxidase:structure,function,and deficiency〔J〕.J Bioenerg Biomembr,1997;29(2):152-63.

12 Kovárová N,Cizkova Vrbacka A,Pecina P,etal.Adaptation of respiratory chain biogenesis to cytochrome c oxidase deficiency caused by SURF1 gene mutations〔J〕.Biochim Biophys Acta,2012;1822(7):1114-24.

13 Callahan LA,Supinski GS.Downregulation of diaphragm electron transport chain and glycolytic enzyme gene expression in sepsis〔J〕.J Appl Physiol,2005;99(3):1120-6.

14 Antequera D,Vargas T,Ugalde C,etal.Cytoplasmic gelsolin increases mitochondrial activity and reduces Aβ burden in a mouse model of Alzheimer's disease〔J〕.Neurobiol Dis,2009;36(1):42-50.

15 Lipinski MM,Zheng B,Lu T,etal.Genome-wide analysis reveals mechanisms modulating autophagy in normal brain aging and in Alzheimer’s disease〔J〕.Proc Natl Acad Sci USA,2010;107(32):14164-9.

16 Yin HJ,Guo CY,Shi DZ.Effects of Chinese herbs capable of replenishing qi,nourishing yin and activating blood circulation and their compatibility on differentially expressed genes of ischemic myocardium〔J〕.Chinese Sci Bull,2009;54(18):3278-82.

17 Sun XJ,Wang JF,Tseng M,etal.Downregulation in components of the mitochondrial electron transport chain in the postmortem frontal cortex of subjects with bipolar disorder〔J〕.J Psychiatry Neurosci,2006;31(3):189-96.

18 Lu HF,Yang Y,Allister EM,etal.The identification of potential factors associated with the development of type 2 diabetes a quantiative proteomics approach〔J〕.Mol Cell Prot,2008;7(8):1434-51.

19 魏宏亮.Cox5a在去背根大鼠神經可塑性及其針刺中的作用〔D〕.昆明：昆明醫科大學,2012.

20 習楊彥彬.Cox5a及其關聯SCN2B在小鼠腦老化中的作用及相關機制的研究〔D〕.昆明：昆明醫科大學，2013.

21 Agrawal S,Singh A,Tripathi P,etal.Cypermethrin-induced nigrostriatal dopaminergic neurodegeneration alters the mitochondrial function:a proteomics study〔J〕.Mol Neurobiol,2015;51(2):448-65.

〔2015-09-17修回〕

(編輯 苑云杰/王一涵)

云南省科學技術聯合專項(2013FZ298)

李艷華(1966-)，女，教授，碩士生導師，主要從事神經生物學研究。

李登賀(1989-)，女，在讀碩士，主要從事神經生物學研究。

R741.05

A

1005-9202(2016)21-5463-03；

10.3969/j.issn.1005-9202.2016.21.112

1 云南省第一人民醫院麻醉科