MnSOD與年齡相關性黃斑變性相關性的研究進展

任成達，于　靖

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·文獻綜述·

MnSOD與年齡相關性黃斑變性相關性的研究進展

任成達，于靖

Research progress of the relation between MnSOD and age-related macular degeneration

Citation:Ren CD, Yu J. Research progress of the relation between MnSOD and age-related macular degeneration.GuojiYankeZazhi(IntEyeSci) 2016;16(1):60-62

摘要

年齡相關性黃斑變性(age-related macular degeneration,AMD)是導致老年人不可逆性失明的最常見原因之一。活性氧引起的氧化應激作為年齡相關性疾病的危險因素，證實與AMD的發病相關。錳超氧化物歧化酶(manganese superoxide dismutase,MnSOD)，作為機體一線抗氧化酶在視網膜中表達，已經在動物水平、細胞水平、患者水平三個層面證實與AMD發病相關。本文將對近年MnSOD與AMD相關性的研究進展作出綜述。

關鍵詞：年齡相關性黃斑變性;錳超氧化物歧化酶;氧化應激

引用：任成達，于靖.MnSOD與年齡相關性黃斑變性相關性的研究進展.國際眼科雜志2016;16(1):60-62

0引言

年齡相關性黃斑變性(age-related macular degeneration，AMD)是導致老年人不可逆性失明最常見的原因之一，2010年全球約有800萬AMD患者[1]。AMD分為干性和濕性兩類。干性AMD的主要表現是脈絡膜玻璃膜疣(drusen)及黃斑區光感受器的萎縮。濕性AMD 的重要標志則是脈絡膜新生血管(chronic neovascularization，CNV)。研究已證實氧化應激與AMD的發病相關[2]。而錳超氧化物歧化酶(manganese superoxide dismutase，MnSOD)，作為機體的一線抗氧化酶能保護細胞抗氧化應激損傷并且在視網膜色素上皮細胞中表達，可能在AMD的發病過程中起著關鍵的作用[3]。

1 MnSOD及其抗氧化應激的作用機制

人MnSOD由線粒體內的非線粒體DNA編碼，基因位于染色體6q25.3，擁有5個外顯子與4個內含子[4]。MnSOD是SOD家族唯一一個維持需氧器官生存的必要蛋白，主要負責清除線粒體內自由基，是保護組織和細胞抗氧化應激的關鍵酶。在正常人體中，活性氧(reactive oxygen species，ROS )的生成主要是作為線粒體內電子傳遞鏈的副產品，其次也可以通過雌激素代謝生成[5-6]。2%～5%的氧經過不完全降解而產生超氧陰離子自由基，隨之引起一系列的ROS產物生成。線粒體基質中的MnSOD的作用機制是催化超氧陰離子自由基的歧化反應，將之轉化為過氧化氫和氧，最后過氧化氫在谷胱甘肽過氧化物酶或過氧化物酶家族的作用下降解為水和氧氣。MnSOD可以有效地清除細胞中的ROS，保護其免受ROS的損傷[7]。過多的超氧陰離子自由基的生成會引起MnSOD活性增加，從而保護細胞，維持正常的生理環境。MnSOD已經證實與多種氧化應激相關性疾病相關，包括Alzheimer病、Parkinson病、缺血性卒中等許多年齡相關性疾病[8]。

2 AMD與氧化應激

許多研究均表明氧化應激與AMD的發病有密切的聯系，目前認為ROS 在氧化應激造成的視網膜色素上皮(retina pigment epithelium，RPE)損傷中扮演著重要的角色[2]。低水平的ROS對于維持氧化還原依賴性的生理過程如細胞內信號調控，基因表達，免疫系統細胞激活等十分必要[9-10]。過多的ROS或體內氧化應激防御機制功能不全可以引起多種分子損傷，包括結構蛋白和酶蛋白羥基化，DNA氧化，脂質過氧化[11]。研究認為，眼內的富氧環境以及光暴露引起的慢性氧化應激會導致RPE細胞代謝功能異常，吞噬功能下降[12]。這些細胞自我保護機制功能障礙更加重了ROS等細胞毒性物質聚集[13]，高濃度的ROS會引起RPE細胞線粒體和溶酶體等細胞器的損傷以及自體吞噬功能不全[14]。最終致使脂褐質生成增加、RPE細胞凋亡、drusen沉積、脈絡膜新生血管形成，導致AMD發病[15-16]。

3 AMD與MnSOD相關性的研究進展

隨著近年來MnSOD與AMD發病的關系逐漸被關注，越來越多的研究圍繞兩者關系展開，主要基于小鼠MnSOD基因敲除、細胞內MnSOD表達水平、人類MnSOD單核苷酸多態性三個方面。

3.1小鼠MnSOD基因敲除與AMD 近年MnSOD基因敲除與AMD發病的相關研究取得了重大進展，各種動物模型的成功建立不僅提示MnSOD的下降與AMD發病相關，更為日后在活體動物上進行AMD發病及治療的研究提供了基礎。Justilien等[17]使用巨細胞病毒肌動蛋白(cytomegalovirus β-actin，CBA)作為啟動因子，采用對小鼠視網膜下注射AAV-CBA-Rz432的方法降低MnSOD的mRNA及蛋白表達水平，達到敲低MnSOD的目的。并且保證了小鼠的存活時間，使得氧化應激損傷可以持續發展，最終出現RPE及Brunch’s膜的形態學改變：氧化修飾蛋白的沉積，自體熒光水平升高，以及RPE與脈絡膜小疣中出現N-亞視黃基-N-視黃基乙醇胺色素(N-retinyl-N-retinylidene ethanol amine，A2E)等早期干性AMD的標志性表現。這類動物模型的優勢在于直接作用于視網膜并且包含了一些公認的AMD典型病變，對于開展AMD的動物研究有重要意義。目前該模型作為AMD研究的動物模型已經得到廣泛應用[18]。后續的研究中，Seo等[19]對小鼠注射AAV-Rz432并通過6mo的觀察發現小鼠同樣出現了視網膜空泡化，Bruch’s膜變薄等典型的地圖樣萎縮性改變，證實了Justilien的方法。為了改進了上述方法，他們采用了RPE特異性VMD2替代CBA來介導Rz432表達，對小鼠注射AAV-VMD2-Rz432制造MnSOD基因敲低小鼠，同樣成功模擬了AMD模型，驗證了MnSOD表達降低后引起視網膜-RPE-脈絡膜復合體氧化應激相關性損傷導致的類AMD表現。再一次說明MnSOD在AMD發病過程中的重要性。Mao的研究中采用了Cre-Loxp重組酶系統敲除小鼠MnSOD基因外顯子3區域，將其替換為PVMD2-rtTA和tetO-PhCMV cre，使cre重組酶僅表現在RPE細胞中。在多西環素誘導下，小鼠RPE細胞中MnSOD表達下降，氧化應激增強，導致RPE功能異常，脈絡膜損傷，感光細胞死亡。雖然沒有引起疣樣沉積，但這種模型已經包含了干性AMD的幾個關鍵改變，并且已應用到AMD治療的實驗中[20]。

3.2細胞內MnSOD表達水平與AMD 細胞水平的實驗證實MnSOD可以保護RPE細胞抗氧化應激，減少細胞內ROS生成，維持線粒體結構完整與功能正常，提示其在AMD的發病過程中扮演了重要的角色。對MnSOD敲除小鼠的RPE細胞進行體外培養后，其MnSOD表達明顯降低，超氧自由基的含量明顯升高，這種變化導致單核巨噬細胞引起的RPE細胞凋亡明顯上升，與AMD的早期病變相似[21]，提示小鼠RPE細胞中MnSOD低表達，導致RPE細胞抗氧化應激能力下降與AMD發病相關。研究發現AMD患者的RPE細胞中MnSOD表達水平較正常人低[22]，說明低MnSOD表達水平與AMD的發病相關。Khandakar等指出，抑制充滿A2E的ARPE-19細胞自體吞噬功能，會使得細胞內MnSOD的mRNA及蛋白表達量下降，從而導致細胞氧化應激損傷加重并引起線粒體功能障礙，與AMD患者RPE細胞的改變一致[23-24]。Yang等[25]通過AMD患者RPE細胞誘發多能干細胞從而進行AMD病變早期研究，發現AMD易患位點2(age-related macular degeneration susceptibility, ARMS2)與高溫必須蛋白A1(high temperature requirement A1, HTRA1)風險等位基因的存在能夠降低MnSOD對細胞的保護，使得RPE細胞更容易受到氧化應激的損傷。研究指出，MnSOD介導了姜黃素，17β雌二醇的抗氧化應激作用。兩種物質都可以通過上調MnSOD的表達，減少細胞內ROS生成，提高細胞在氧化應激狀態下的活性，在維持RPE結構與功能正常方面發揮重要的作用[22, 26]。由此可見，MnSOD在視網膜氧化應激的保護方面扮演了重要的角色，與AMD的發病密切相關。

3.3人類MnSOD單核苷酸多態性與AMD MnSOD最常見的單核苷酸多態性位點位于密碼子16，該位點的T-C轉換使得纈氨酸轉化為丙氨酸。研究表明，由于丙氨酸型MnSOD的α-螺旋結構替代了纈氨酸型MnSOD的β-片層結構，使其在轉運進入線粒體時效率升高，從而影響MnSOD的抗氧化應激功能[27]。許多研究指出，由單核苷酸多態性導致的MnSOD效率差異在多種疾病的發病過程中扮演重要角色，包括2型糖尿病，心血管疾病，腫瘤等[28]。

研究人員通過比較患者組和對照組特定位點的基因頻率，從遺傳學角度分析MnSOD與AMD的關系。最早的報道來自于Kimura等[29]，他們指出MnSOD線粒體靶向序列Ala-9Val位點中纈氨酸與丙氨酸之間的轉換與MnSOD加工效率相關，其中纈氨酸型人群的MnSOD轉運至線粒體時更慢。在日本人群中的研究發現，AMD患者組該位點的丙氨酸基因頻率明顯高于對照組，從遺傳方面證明了MnSOD與AMD之間的聯系。隨后Kowalski等[30]對該位點進行研究，證實了Kimura的結論。然而后續針對該位點的研究中，在日本人種的研究及西班牙人種的研究均否定了之前的結論[31-33]。針對rs2842992位點與AMD的相關性在中國漢族人群中進行的研究[34]以及針對rs5474613位點在日本人群中進行研究[33]都沒有證據表明該位點的單核苷酸多態性與AMD發病相關。MnSOD與AMD在單核苷酸多態性方面的研究尚不全面，由于不同個體體內ROS的生成與其飲食，體育鍛煉以及其他環境因素關系密切。同時人種差異與篩選方法的不同，基因型分型方法不同，現有的幾項研究得出的結論差異較大，MnSOD單核苷酸多態性與AMD有無聯系仍不能確定。鑒于MnSOD在AMD發病過程中的重要性，仍然需要樣本更大的基因分型方法更準確的對照試驗來進一步確定MnSOD與AMD在單核苷酸多態性方面的聯系。

4展望

盡管AMD的發病機制尚未完全清楚，氧化應激作為AMD的可能發病機制之一備受關注。研究表明氧化應激條件下引起的脈絡膜、視網膜損傷，感光細胞死亡，與AMD患者相似均可能表明氧化應激與AMD發病相關[35-36]。因此，MnSOD可能作為AMD研究的一個新靶點，為AMD的發病機制研究及治療提供一個新思路。

參考文獻

1 Jonas JB.Global prevalence of age-related macular degeneration.LancetGlobHealth2014;2(2):e65-66

2 Blasiak J, Petrovski G, Vereb Z，etal.Oxidative stress, hypoxia, and autophagy in the neovascular processes of age-related macular degeneration.BioMedResInt2014;2014:768026

3 Behndig A, Svensson B, Marklund SL,etal. Superoxide dismutase isoenzymes in the human eye.InvestOphthalmolVisSci1998;39(3):471-475

4 Brose RD, Avramopoulos D, Smith KD. SOD2 as a potential modifier of X-linked adrenoleukodystrophy clinical phenotypes.Jneurol2012;259(7):1440-1447

5 Pourova J, Kottova M, Voprsalova M，etal. Reactive oxygen and nitrogen species in normal physiological processes.ActaPhysiol2010;198(1):15-35

6 Powers SK, Duarte J, Kavazis AN,etal. Reactive oxygen species are signalling molecules for skeletal muscle adaptation.ExperPhysiol2010;95(1):1-9

7 Zhang Z, Han S, Wang H,etal. Lutein extends the lifespan of Drosophila melanogaster.ArchGerontolGeriatr2014;58(1):153-159

8 Flynn JM, Melov S.SOD2 in mitochondrial dysfunction and neurodegeneration.FreeRadicBoilMed2013;62:4-12

9Finkel T.Signal transduction by reactive oxygen species.JCellBiol2011;194(1):7-15

10 Ray PD, Huang BW, Tsuji Y.Reactive oxygen species (ROS) homeostasis and redox regulation in cellular signaling.CellSignal2012;24(5):981-990

11 Da Costa LA, Badawi A, El-Sohemy A.Nutrigenetics and modulation of oxidative stress.AnnNutrMetab2012;60 Suppl 3:27-36

12 Tokarz P, Kaarniranta K, Blasiak J.Role of antioxidant enzymes and small molecular weight antioxidants in the pathogenesis of age-related macular degeneration (AMD).Biogerontology2013;14(5):461-482

13 Blasiak J, Glowacki S, Kauppinen A，etal. Mitochondrial and nuclear DNA damage and repair in age-related macular degeneration.IntJMolSci2013;14(2):2996-3010

14 Kaarniranta K，Sinha D，Blasiak J，etal. Autophagy and heterophagy dysregulation leads to retinal pigment epithelium dysfunction and development of age-related macular degeneration.Autophagy2013;9(7):973-984

15 Rabin DM, Rabin RL，Blenkinsop TA，etal.Chronic oxidative stress upregulates Drusen-related protein expression in adult human RPE stem cell-derived RPE cells:a novel culture model for dry AMD.Aging2013;5(1):51-66

16 Krohne TU，Stratmann NK，Kopitz J，etal. Effects of lipid peroxidation products on lipofuscinogenesis and autophagy in human retinal pigment epithelial cells.ExperEyeRes2010;90(3):465-471

17 Justilien V, Pang JJ, Renganathan K,etal.SOD2 knockdown mouse model of early AMD.InvestOphthalmolVisSci2007;48(10):4407-4420

18 Mitter SK, Song C, Qi X,etal. Dysregulated autophagy in the RPE is associated with increased susceptibility to oxidative stress and AMD.Autophagy2014;10(11):1989-2005

19 Seo SJ, Krebs MP, Mao H,etal. Pathological consequences of long-term mitochondrial oxidative stress in the mouse retinal pigment epithelium.ExperEyeRes2012;101:60-71

20 Mao H, Seo SJ, Biswal MR,etal. Mitochondrial oxidative stress in the retinal pigment epithelium leads to localized retinal degeneration.InvestOphthalmolVisSci2014;55(7):4613-4627

21 Yang D, Elner SG, Lin LR，etal.Association of superoxide anions with retinal pigment epithelial cell apoptosis induced by mononuclear phagocytes.InvestOphthalmolVisSci2009;50(10):4998-5005

22 Chang YC，Chang WC, Hung KH，etal.The generation of induced pluripotent stem cells for macular degeneration as a drug screening platform:identification of curcumin as a protective agent for retinal pigment epithelial cells against oxidative stress.FrontAgingNeurosci2014;6:191

23 Saadat KA, Murakami Y, Tan X,etal. Inhibition of autophagy induces retinal pigment epithelial cell damage by the lipofuscin fluorophore A2E.FEBSOpenBio2014;4:1007-1014

24 Ambati J, Fowler BJ. Mechanisms of age-related macular degeneration.Neuron2012;75(1):26-39

25 Yang J, Li Y, Chan L,etal. Validation of genome-wide association study (GWAS)-identified disease risk alleles with patient-specific stem cell lines.HumMolGenet2014;23(13):3445-3455

26 Zhu C, Wang S, Wang B,etal. 17beta-Estradiol up-regulates Nrf2 via PI3K/AKT and estrogen receptor signaling pathways to suppress light-induced degeneration in rat retina.Neuroscience2015;304:328-339

27 Holley AK, Dhar SK, Xu Y,etal. Manganese superoxide dismutase:beyond life and death.AminoAcids2012;42(1):139-158

28 Bresciani G, Cruz IB, de Paz JA，etal. The MnSOD Ala16Val SNP:relevance to human diseases and interaction with environmental factors.FreeRadicRes2013;47(10):781-792

29 Kimura K, Isashiki Y, Sonoda S,etal. Genetic association of manganese superoxide dismutase with exudative age-related macular degeneration.AmJOphthalmol2000;130(6):769-773

30 Kowalski M, Bielecka-Kowalska A, Oszajca K，etal. Manganese superoxide dismutase (MnSOD) gene (Ala-9Val, Ile58Thr) polymorphism in patients with age-related macular degeneration (AMD).MedSciMonit2010;16(4):CR190-196

31 Brion M, Sanchez-Salorio M, Corton M,etal. Genetic association study of age-related macular degeneration in the Spanish population.Actaophthalmologica2011;89(1):e12-22

32 Gotoh N, Yamada R, Matsuda F,etal. Manganese superoxide dismutase gene (SOD2) polymorphism and exudative age-related macular degeneration in the Japanese population.AmJOphthalmol2008;146(1):146-147

33 Kondo N, Bessho H, Honda S，etal. SOD2 gene polymorphisms in neovascular age-related macular degeneration and polypoidal choroidal vasculopathy.MolVis2009;15:1819-1826

34 Kan M, Liu F, Weng X,etal. Association study of newly identified age-related macular degeneration susceptible loci SOD2, MBP, and C8orf42 in Han Chinese population.DiagnPathol2014;9:73

35 Liang FQ, Godley BF.Oxidative stress-induced mitochondrial DNA damage in human retinal pigment epithelial cells:a possible mechanism for RPE aging and age-related macular degeneration.ExperEyeRes2003;76(4):397-403

36 Thampi P, Rao HV, Mitter SK,etal. The 5HT1a receptor agonist 8-Oh DPAT induces protection from lipofuscin accumulation and oxidative stress in the retinal pigment epithelium.PloSone2012;7(4):e34468

Cheng-Da Ren, Jing Yu

Foundation item:National Natural Science Foundation of China (No.81470648)

Department of Ophthalmology, Tenth People’s Hospital of Tongji University, Shanghai 200072, China

Correspondence to:Jing Yu.Department of Ophthalmology, Tenth People’s Hospital of Tongji University, Shanghai 200072, China. dryujing@aliyun.com

Received：2015-08-25Accepted：2015-12-09

Abstract
?Age-related macular degeneration (AMD) is one of the leading causes of senile irreversible blindness. The oxidative stress caused by reactive oxygen species (ROS), as a risk factor of AMD, plays a role in the pathogenesis of AMD. Manganese superoxide dismutase (MnSOD), as one of the first line antioxidant enzymes, could be expressed in retina cells.It has been demonstrated that MnSOD is correlated with AMD and has been confirmed in animals, cellular level, and patients. This article reviewed the recent literatures on the research and progress of the relation between MnSOD and AMD.

KEYWORDS:?age-related macular degeneration;manganese superoxide dismutase;oxidative stress

DOI:10.3980/j.issn.1672-5123.2016.1.15

收稿日期：2015-08-25 修回日期： 2015-12-09

通訊作者：于靖，博士，副主任醫師，同濟大學副教授，研究方向：玻璃體疾病、黃斑變性.dryujing@aliyun.com

作者簡介：任成達，畢業于同濟大學，碩士，研究方向：黃斑變性。

基金項目：國家自然科學基金面上項目(No.81470648)
作者單位：(200072)中國上海市，同濟大學附屬第十人民醫院眼科