鐵超載致氧化應(yīng)激誘導(dǎo)心肌細(xì)胞凋亡的分子機(jī)制

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鐵超載致氧化應(yīng)激誘導(dǎo)心肌細(xì)胞凋亡的分子機(jī)制

蘇亞樂王曉晶徐偉偉王曄玲

(吉林大學(xué)第一醫(yī)院心血管疾病診療中心，吉林長春130021)

〔關(guān)鍵詞〕鐵超載;氧化應(yīng)激;心肌細(xì)胞凋亡;信號(hào)通路;AKT;鐵螯合劑

第一作者：蘇亞樂(1989-)，男，在讀碩士，主要從事年齡相關(guān)的心血管疾病與冠心病的介入治療研究。

鐵是生命體內(nèi)必須的微量元素，參與機(jī)體蛋白和酶的組成。然而在某些條件下，鐵的正常代謝會(huì)被干擾，從而導(dǎo)致體內(nèi)鐵超載，鐵超載引起氧自由基水平升高和氧化應(yīng)激，可能通過改變活性Akt調(diào)節(jié)其介導(dǎo)的信號(hào)傳導(dǎo)途徑，引起心肌的病理性損傷，從而影響細(xì)胞增殖、抑制凋亡過程。本文對鐵超載導(dǎo)致活性氧家族(ROS)增加時(shí)與Akt信號(hào)通路的關(guān)系進(jìn)行研究，為明確鐵超載導(dǎo)致心肌細(xì)胞損傷的分子學(xué)機(jī)制提供依據(jù)，進(jìn)而為鐵過引起的心血管損傷疾病的防治提供新思路與新靶點(diǎn)。

1鐵在人體的儲(chǔ)存形式及生理功能

鐵在人體內(nèi)分布廣泛，成年人體內(nèi)正常含鐵量大約35～45 mg/kg〔1〕，鐵的氧化狀態(tài)有二價(jià)(Fe2+)、三價(jià)(Fe3+)和四價(jià)(Fe4+)，機(jī)體內(nèi)鐵存在形式分為可利用及不可利用，可利用鐵多數(shù)(約60%~70%)存在于血液中紅細(xì)胞的血紅蛋白及肌肉組織中的肌紅蛋白，少數(shù)(約20%)以鐵蛋白和含鐵血黃素存在于肝臟、脾臟、骨髓等組織中，鐵在人體中具有參與氧的運(yùn)輸和儲(chǔ)存，參與細(xì)胞色素和某些金屬酶合成并影響其活性、維持正常造血功能、增強(qiáng)免疫功能等生理功能。

2鐵超載的毒性作用

鐵在機(jī)體內(nèi)廣泛參與生物化學(xué)反應(yīng)，具有非常重要的生理功能，然而不適當(dāng)補(bǔ)鐵造成體內(nèi)鐵超載時(shí)，便會(huì)對人體生理功能產(chǎn)生損害，輕微的鐵過量，對機(jī)體影響較小，嚴(yán)重的鐵過負(fù)荷，便會(huì)對機(jī)體各器官組織造成損害。

鐵超載可分為原發(fā)鐵超載和繼發(fā)鐵超載〔2〕，前者主要由遺傳性血色素沉積癥(HFE)基因突變所致的一種常染色體隱性遺傳疾病，主要通過促進(jìn)鐵在胃腸道吸收，令身體內(nèi)的總鐵質(zhì)含量達(dá)至病理性的水平造成鐵超載。后者由外源性因素使體內(nèi)總鐵負(fù)荷量過多。包括：長期輸血者、丙型肝炎患者、膳食結(jié)構(gòu)不合理、盲目補(bǔ)鐵等〔3~5〕。機(jī)體過多鐵可通過氧化還原反應(yīng)產(chǎn)生大量活性氧，鐵介導(dǎo)的氧化損傷可對心血管、神經(jīng)系統(tǒng)、肝臟、內(nèi)分泌代謝等系統(tǒng)器官產(chǎn)生損害〔6，7〕。目前，研究顯示，ROS是造成細(xì)胞內(nèi)氧化傷害的主要原因，也是一種改變細(xì)胞信號(hào)途徑的響應(yīng)信號(hào)。其中Akt 信號(hào)通路為介導(dǎo)氧化損傷中一條重要信號(hào)傳導(dǎo)通路。

3鐵超載導(dǎo)致心臟疾病及治療

鐵過載會(huì)導(dǎo)致心血管疾病發(fā)生。Sullivan首次提出-鐵超載是冠心病的危險(xiǎn)因素。目前，隨著人類對鐵超載與心血管疾病關(guān)系認(rèn)識(shí)，鐵過載致心臟損傷便成了鐵過載研究領(lǐng)域中的熱點(diǎn)〔8〕。鐵在冠心病發(fā)病中有多方面作用：它不僅參與心肌缺血-再灌注損傷，引起心臟傳到系統(tǒng)障礙，還能促進(jìn)動(dòng)脈粥樣硬化過程；研究表明鐵超載導(dǎo)致心臟損害是鐵過載病人的主要致死原因〔9〕。Auer等〔10〕發(fā)現(xiàn)過量的鐵通過Haber-weiss反應(yīng)產(chǎn)生大量氧自由基，啟動(dòng)脂質(zhì)過氧化反應(yīng)，導(dǎo)致心肌脂質(zhì)、蛋白質(zhì)、核酸以及心肌細(xì)胞功能損傷，最終引起心功能衰竭或死亡。Salonen等〔11〕研究發(fā)現(xiàn)，鐵超載中年男性心肌梗死的患病率明顯對照組。Gaenzer等〔12〕研究進(jìn)一步證實(shí)了鐵超載與冠心病相關(guān)。

4鐵超載引起氧化應(yīng)激導(dǎo)致心肌細(xì)胞凋亡的分子機(jī)制

氧化應(yīng)激是指機(jī)體受到多種因素刺激后，體內(nèi)ROS和活性氮族(RNS)及其相關(guān)代謝產(chǎn)物過量聚集，導(dǎo)致體內(nèi)氧自由基產(chǎn)生和清除受損，其結(jié)果是造成蛋白質(zhì)、脂質(zhì)和核酸等的氧化損傷，從而干擾正常生命活動(dòng)。ROS是由氧激發(fā)的化學(xué)性質(zhì)十分活潑的分子〔13〕，生理情況下機(jī)體產(chǎn)生的氧自由基很少，同時(shí)體內(nèi)存在天然抗自由基抗氧化兩大防御系統(tǒng)，但當(dāng)ROS和RNS產(chǎn)生的速率大于被清除的速率時(shí)，就造成ROS和RNS及其相關(guān)代謝產(chǎn)物過量聚集導(dǎo)致氧化應(yīng)激，從而對細(xì)胞產(chǎn)生毒害作用。由于鐵廣泛分布于機(jī)體各組織器官，參與單電子氧化還原反應(yīng)，故氧化應(yīng)激是鐵超載最常見的毒害機(jī)制。故，當(dāng)過多的鐵沉積在體內(nèi)時(shí)，可導(dǎo)致氧化應(yīng)激，而氧化應(yīng)激在動(dòng)脈硬化、原發(fā)性高血壓、心肌缺血-再灌注損傷、心房顫動(dòng)、心肌病等多種心血管疾病的發(fā)生、發(fā)展中發(fā)揮著重要作用〔14〕。

5Akt介導(dǎo)的信號(hào)通路在鐵超載導(dǎo)致心肌細(xì)胞凋亡重要作用

鐵超載時(shí)，細(xì)胞內(nèi)活性氧的產(chǎn)生不僅是造成細(xì)胞內(nèi)氧化傷害的主要原因，也是一種改變細(xì)胞信號(hào)途徑的響應(yīng)信號(hào)。Akt是一種分子量約為60 kDa的絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶〔15〕，又被稱為蛋白激酶B(PKB)，作為多條信號(hào)通路的重要交叉點(diǎn)，Akt是調(diào)節(jié)細(xì)胞因子、生長因子和癌基因Ras激活的細(xì)胞生存信號(hào)。Wang等〔16〕在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)鐵超載時(shí)磷酸化Akt表達(dá)明顯下調(diào)，心肌細(xì)胞內(nèi)半胱氨酸天冬氨酸特異性蛋白酶-3(caspase-3)激活增加，從而導(dǎo)致心肌細(xì)胞凋亡。研究顯示鐵鏊合劑能使磷酸化Akt上調(diào)，從而抑制了心肌細(xì)胞凋亡。

5.1P13K/Akt信號(hào)通路P13k常被認(rèn)為是聯(lián)系細(xì)胞外信號(hào)傳遞及細(xì)胞內(nèi)應(yīng)答的橋梁分子，P13K/Akt信號(hào)通路由效應(yīng)蛋白和傳遞信息靶點(diǎn)組成，其在調(diào)節(jié)細(xì)胞分化、增殖、凋亡中起重要作用。ROS可通過激活如內(nèi)皮生長因子等相關(guān)受體途徑而引起Art信號(hào)通路活化，P13K/Akt信號(hào)通路廣泛存在外周和中樞神經(jīng)元中〔17〕。許多研究已證實(shí)，P13K/Akt信號(hào)通路的激活可有效抑制心肌細(xì)胞凋亡，在保護(hù)心肌缺血再灌注損傷中發(fā)揮重要作用〔18〕，P13K/Akt信號(hào)通路中，活化的Akt處于中心環(huán)節(jié)，是P13K的直接靶基因，機(jī)體通過激活P13K而使Akt磷酸化，從而可引起下游磷酸化級聯(lián)反應(yīng)和靶蛋白之間的相互作用〔19〕。Art信號(hào)通路活化與否，在對抗氧化損傷、保護(hù)細(xì)胞存活中非常重要，HSP90、HSP70可能是介導(dǎo)氧化應(yīng)激損傷后的細(xì)胞保護(hù)作用機(jī)制之一。綜上，P13K/Akt信號(hào)通路對抗氧化應(yīng)激損傷中發(fā)揮重要作用。

5.2Akt/mTOR/p70S6K信號(hào)通路TOR最先是Heitman等〔20〕在分析不同啤酒酵母突變體對雷帕霉素抵抗作用的差別時(shí)發(fā)現(xiàn)的，在哺乳動(dòng)物中的TOR即被稱為絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶哺乳動(dòng)物雷帕霉素靶蛋白(mTOR)，具有蛋白酶活性，屬于磷脂酰肌醇3激酶(PI3K)相關(guān)激酶蛋白激酶類家族。mTOR是Akt下游的重要信號(hào)分子，Akt/mTOR信號(hào)通路是激活蛋白質(zhì)翻譯，調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)合成，以及細(xì)胞生長的中心調(diào)控者，決定細(xì)胞、組織及器官大小中發(fā)揮重要作用〔21〕。其主要通過調(diào)控p70S6K以及4EBP-1發(fā)揮生理作用，其中以p70S6K 最重要〔22〕。在分化成熟的血管內(nèi)皮細(xì)胞和心肌細(xì)胞中，mTOR可直接或間接地被Akt磷酸化而激活。研究表明，mTOR可使P70S6K的第412位蘇氨酸殘基磷酸化，從而使其活性明顯增強(qiáng)。體外研究證實(shí)，ROS介導(dǎo)的AKt/mTOR/p70S6K信號(hào)通路激活可以抑制細(xì)胞凋亡和促進(jìn)細(xì)胞的增殖〔23~25〕，綜上，AKt/mTOR /p70S6K信號(hào)通路的抑制是鐵超載導(dǎo)致心肌細(xì)胞凋亡重要信號(hào)通路。

6總結(jié)與展望

目前鐵超載能導(dǎo)致氧化應(yīng)激，這與多種心血管疾病有密切關(guān)系。鐵鰲合劑能夠?qū)π难苡斜Ｗo(hù)作用，多項(xiàng)研究證實(shí)去鐵胺、去鐵酮、去鐵斯若在祛除機(jī)體鐵負(fù)荷均有效〔26〕，但鐵鰲合劑對于解除Akt信號(hào)通路失活改善凋亡從而改善心功能的機(jī)制尚不明確。本文通過研究氧化應(yīng)激時(shí)體內(nèi)多種信號(hào)通路改變及鐵超載導(dǎo)致心肌細(xì)胞凋亡的分子機(jī)制，為保護(hù)鐵超載狀態(tài)下的心肌細(xì)胞提供思路。

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〔2015-07-10修回〕

(編輯袁左鳴)

通訊作者：王曄玲(1973-)，女，教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事年齡相關(guān)的心血管疾病與冠心病的介入治療研究。

基金項(xiàng)目：教育部高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金資助課題(No.20120061120090)；教育部留學(xué)回國人員科研啟動(dòng)基金資助課題〔編號(hào)：教外司留(2013)1792〕

〔中圖分類號(hào)〕R541

〔文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼〕A

〔文章編號(hào)〕1005-9202(2016)03-0744-03；doi：10.3969/j.issn.1005-9202.2016.03.102