色氨酸2，3-雙加氧酶在中樞神經系統疾病中的作用及其治療策略思考

傅曉鳳，洪璐威，王鈺婷，郭夢婷，劉文鳳

(南昌大學醫學院，南昌 330031)

抑郁癥的5-羥色胺酸假說中首次將色氨酸代謝與神經疾病聯系起來。隨后在抗抑郁藥作用機制的研究中，Lapin證實了色氨酸的代謝及其代謝產物犬尿氨酸可對大腦的功能產生一定的影響[1]。色氨酸的幾種代謝途徑是通過酶的調節，而色氨酸2，3-雙加氧酶(Tryptophan-2,3-dioxygenase，TDO)是體內色氨酸分解為犬尿氨酸的一個限速酶，TDO及其它代謝酶的異常可導致色氨酸及其各種代謝產物含量異常，從而造成神經元功能障礙，進而與中樞神經系統疾病發生發展密切相關。新的研究表明TDO參與大腦某些疾病的病理，以下就TDO與阿爾茨海默病、精神分裂癥和膠質瘤等神經疾病的關系做一總結。

1 色氨酸2，3-雙加氧酶的結構

Kotake等人首次在大鼠的肝臟發現TDO[2]。隨后研究人員發現TDO廣泛分布于許多物種，范圍從哺乳動物至無脊椎動物，并且細菌與人類TDO有明顯的序列同源性，表明編碼TDO的基因是一古老且保守的序列。

人類TDO具有特異L-色氨酸酶活性，由位于4號染色體上的tdo2基因編碼，含406個氨基酸，主要表達于肝、腦等組織。TDO的整體結構為一個同源四聚體，四個單體兩兩垂直，相鄰單體以N-末端殘基相互結合。單體的晶體結構僅有15個螺旋，包含N末端區域、大結構域及小結構域，其中活性部位在大結構域。人類TDO具有高度底物特異性，其底物是左旋色氨酸(L-Trp)及其相關衍生物。而吲哚胺2，3—雙加氧酶(Indoleamine 2，3-dioxygenase，IDO)是一種單體蛋白，其底物范圍廣泛，包括L-色氨酸、D-色氨酸、5-羥色胺、5-羥色氨酸和色胺等。TDO與IDO結構的不同解釋了這兩種酶催化功能的不同。對TDO晶體結構的深入研究將有助于設計新的TDO抑制劑。

2 色氨酸2，3-雙加氧酶與色氨酸代謝

色氨酸可經幾種路徑代謝(圖1)。色氨酸(TRP)可經色氨酸羥化酶(TPH)催化成為一種重要的神經遞質—5-羥色胺。而另一條作為色氨酸分解代謝的主要途徑，犬尿氨酸代謝途徑可形成具有神經活性的產物犬尿氨酸(KYN)。犬尿氨酸也有兩種代謝結果，一是在犬尿氨酸氨基轉移酶(KAT)作用下通過轉氨基作用催化犬尿氨酸為犬尿喹啉酸(KYNA)，KYNA是一種N-甲基-D-天冬氨酸受體(NMDAR)和α7煙堿型乙酰膽堿受體(α7nAChR)拮抗劑。二是犬尿氨酸通過犬尿氨酸-3-單加氧酶(KMO)發生羥化反應形成3-羥基犬尿氨酸(3-HK)，該產物能產生神經毒性自由基。在犬尿氨酸酶(KYNU)作用下，3-HK經歷C-C鍵的水解斷裂成為3-羥基-2-氨基苯甲酸(3-HAA)。3-HAA再通過3-HAA氧化酶(3-HAO)氧化成神經毒性代謝物喹啉酸。

圖1 色氨酸代謝途徑

3 色氨酸2，3-雙加氧酶的生物學功能

人類TDO主要表達于肝臟，但在其他器官、組織也有表達，如腦、附睪、睪丸、胎盤和妊娠子宮。TDO可將色氨酸轉化成犬尿氨酸，引起微環境中的色氨酸減少，從而抑制細胞增殖。同時，色氨酸通過犬尿氨酸代謝途徑所得產物犬尿氨酸是人芳香烴受體(AHR)的內源性促癌配體，能夠激活AHR造成免疫抑制。因此TDO在腫瘤進展中也起著重要的作用，這在腫瘤治療中意義重大。有趣的是，TDO經糖皮質激素、色氨酸、胰高血糖素、雌激素等誘導，這與IDO的調節機制大不相同。

TDO通過結合氧原子到色氨酸吲哚環催化L-色氨酸形成N-甲酰犬尿氨酸(NFK)，催化步驟具體分為三步：(1)與底物結合，(2)中間物過氧化氫的形成，(3)過氧化氫中間物的重排。其中底物結合過程包括TDO血紅素位點與L-色氨酸銨基、羧基結合以及與吲哚環之間的相互作用兩個過程。同時，銨基結合到血紅素的7-丙酸酯位點，色氨酸的吲哚環結合成疏水性的口袋，并與其他疏水殘基相互作用。色氨酸和氧氣與TDO鐵蛋白結合后，鐵蛋白和色氨酸形成三元復合物。然后三元絡合物激活氧原子，催化過氧化氫中間物形成，在這過程中三元結構失去質子生成吲哚。最后，過氧化氫中間物由鄰二醇裂解反應或二氧雜環丁烷中間物形成N-甲酰犬尿氨酸(NFK)。

4 色氨酸2，3-雙加氧酶在中樞神經系統疾病中的作用

4.1 色氨酸2，3-雙加氧酶在阿爾茲海默病中的作用

AD是一種神經退行性疾病，占癡呆癥的60%～70%。早期癥狀常為遺忘，并隨時間逐漸進展。由于大腦病變惡化，癥狀可發展為語言問題、定向障礙、情緒波動、積極性降低等。AD患者腦組織的解剖特點是存在淀粉樣蛋白斑塊、膠質細胞增生和神經原纖維結節形成。新的相關研究聚集在神經炎癥領域，Alsadany等[3]發現神經炎性斑塊周圍存在活化的小膠質細胞和星形膠質細胞，并且在AD患者腦組織中TNF-α、IL-2、IL-1、IL-6和IL-8水平增加。然而神經退行性病變中炎癥反應機制尚未闡明。

而近年來，越來越多的證據表明AD患者腦組織中犬尿氨酸途徑異常激活、喹啉酸含量升高。Bonda等[4]發現IDO1在AD患者的大腦中表達上調，并且由Aβ1-42刺激分泌的細胞因子也可誘導的小膠質細胞和單核細胞表達IDO1。這方面證據表明IDO1可能參與喹啉酸水平升高過程。然而Breda等[5]研究表明AD果蠅模型腦組織中TDO水平增加，而TDO在果蠅中是唯一催化犬尿氨酸途徑起始步驟的酶。Wu等[6]研究也表明AD患者海馬組織中TDO的水平提高，TDO水平顯著高于IDO1水平，并且TDO和喹啉酸存在于AD患者海馬的同一位置。喹啉酸是TDO和IDO催化犬尿氨酸途徑的代謝產物，Guillemin等[7]在AD患者的海馬神經元、大腦皮層小膠質細胞和星形膠質細胞中檢測到喹啉酸的免疫反應，并被證明其具有激活神經元表達的能力。隨后對喹啉酸的毒性進行了評估，發現喹啉酸可參與多種神經炎癥疾病的病理[8]。喹啉酸還導致tau蛋白過度磷酸化，這可能是神經原纖維結節形成的決定性因素。此外，Lanz等[9]通過腦組織免疫組化顯示在TDO-/-小鼠中淀粉樣前體蛋白陽性軸突的數量減少，進一步說明TDO參與了AD的病理，并且較IDO1起著更重要的作用。AD患者腦內微環境存在炎癥，而TDO正是由抗炎因子誘導的。另外AD大腦中催乳素和皮質醇增加，這可能解釋了TDO在AD患者腦組織中的表達。

4.2 色氨酸2，3-雙加氧酶在精神分裂癥中的作用

精神分裂癥是一種以社會行為異常和認知障礙為特征的精神障礙疾病，常見癥狀包括社會交往減少、思維情感混亂、幻聽、缺乏積極性等，全球發病率約為1%。該病病因不明，TDO可能通過參與NMDAR和α7nAChR功能低下、產前感染免疫反應等與該病相關。NMDAR和α7nAChR參與認知過程和興奮性神經網絡的形成，涉及到學習、記憶和突觸可塑性等生理過程，NMDAR和α7nAChR功能低下在精神分裂癥中的作用是舉足輕重的。NMDAR功能低下假說的潛在機制可能是NMDAR拮抗劑影響某些腦區如紋狀體、尾狀核及前額葉皮層的多巴胺能神經元活動的傳遞。

Linderholm等[10]研究已表明在精神分裂癥患者的前額葉皮層和腦脊液中犬尿喹啉酸水平升高。犬尿喹啉酸是機體內一種NMDAR和α7nAChR內源拮抗劑，可能參與精神分裂癥的發病機理。精神分裂癥患者犬尿喹啉酸濃度升高的機制尚未完全清楚，TDO和犬尿氨酸含量升高可能引起犬尿喹啉酸含量增加。楊修登等[11]分析55例精神分裂癥患者血清標本發現患者犬尿氨酸含量顯著高于對照組。并且Miller等[12-13]研究表明精神分裂癥患者后扣帶皮層腦皮質TDO水平上調，犬尿氨酸和色氨酸的比值上升，最重要的是TDO而不是IDO1選擇性地表達在精神分裂癥患者的額葉皮層。而Chiappelli[14]表明精神分裂癥患者呈中度應激水平，而應激激素誘導TDO產生，這解釋了精神分裂癥患者中TDO含量增加和色氨酸/犬尿氨酸比值下降的原因。此外，Réus等[15]表明在兔精神分裂癥模型中使用TDO抑制劑后癥狀有明顯改善。TDO導致的犬尿喹啉酸水平增加還將抑制尾狀核、紋狀體中的多巴胺、乙酰膽堿、γ-氨基丁酸、谷氨酸和去甲腎上腺素釋放，視覺空間記憶、情境學習和記憶、以及聽覺誘發電位等神經生理嚴重依賴于這些神經遞質的傳遞。

另外，TDO還通過產前感染途徑參與精神分裂癥的發病。流行病學數據顯示，35%～46%的精神分裂癥患者與產前感染有關聯，支持了精神分裂癥感染與免疫學說[16]。產前母體感染后通過促炎細胞因子和應激相關皮質醇，增加了杏仁核的樹突復雜性，同時提高了星形膠質細胞內TDO含量[17]。由TDO催化產生的犬尿喹啉酸水平增高，作用于腹側被蓋區抑制γ-氨基丁酸能神經元，并增加多巴胺釋放，繼而影響神經元活動和區域間細胞的溝通認知和運動障礙。綜上可得TDO參與精神分裂癥的發生，并可能較IDO1起更重要的作用，TDO可能作為未來精神分裂癥的治療靶點。

4.3 色氨酸2，3-雙加氧酶在神經膠質瘤中的作用

膠質瘤是一種起源于神經膠質細胞的腫瘤，好發于大腦或脊柱，占惡性腦腫瘤的80%。膠質母細胞瘤是膠質瘤的一種，患者在最大治療情況下(放療聯合替莫唑胺)中位生存時間約為14.6個月。因此對該疾病更有效的新療法的探索十分迫切且意義重大。Bosnyák等[18]表明膠質瘤患者的少突膠質細胞和膠質神經元能夠攝取色氨酸，且腦脊液喹啉酸水平增加，表明犬尿氨酸信號通路可能參與了膠質瘤的病理。隨后Uyttenhove[19]發現惡性膠質瘤組織中IDO活性增高。而Opitz[20]表明在膠質瘤中由底物色氨酸誘導TDO的表達水平也有所增加。然而Adams[21]研究發現膠質瘤細胞中的IDO1、IDO2不參與色氨酸的代謝，而是由TDO負責犬尿氨酸的產生和釋放。同時，TDO催化速率遠高于IDO，即TDO能更快速地影響犬尿氨酸濃度。所以TDO在膠質瘤的發展過程中可能發揮著比IDO更重要的作用。

腫瘤細胞中TDO催化色氨酸的分解代謝而抑制過度免疫應答，從而預防腫瘤排斥反應，然而這反過來又促進惡性腫瘤細胞的存活、生長、侵襲和轉移。Opitz[20]的研究還表明膠質瘤細胞中由TDO催化產生的犬尿氨酸與同種異體T細胞增殖指數呈負相關，膠質瘤中CD8+T細胞浸潤減少，白細胞共同抗原陽性細胞數也降低，而TDO被抑制之后可以恢復T細胞增殖。這是因為膠質瘤細胞中TDO催化色氨酸的分解代謝導致色氨酸減少，激活蛋白激酶GCN2，通過Fas配體介導導致G1細胞周期阻滯，并使其對凋亡刺激敏感[22]。另外，TDO在膠質瘤細胞中過度表達的代謝產物犬尿氨酸可激活AHR，AHR是多種重要性細胞周期調節和體內穩態信號轉導通路的關鍵轉錄因子。AHR激活刺激幼稚T細胞Foxp3的激活，導致Treg細胞的選擇性增殖以阻止Th17細胞的成熟，而Th17細胞的減少可促進腫瘤的生長[23-24]。此外，犬尿氨酸途徑的下游產物喹啉酸可通過增強煙酰胺腺嘌呤二核苷酸 (NAD)的生成從而促進腫瘤的化療耐藥，NAD是多聚腺苷二磷酸核糖聚合酶-1(PARP-1)的重要底物，促進活性氧誘導的DNA損傷修復，并使腫瘤細胞在化療后恢復DNA復制[25-26]。高水平的喹啉酸還能促進膠質母細胞瘤細胞的增殖，并與膠質母細胞瘤患者的腫瘤分級高低、預后不良相關。

TDO還存在于乳腺、膀胱、腎細胞、胰腺、結直腸、頭頸部的腫瘤中，并與腫瘤進展和預后不良相關。所以TDO與IDO都具有抑制抗腫瘤免疫活性，TDO可以作為膠質瘤等抗腫瘤治療的新靶點。

5 結論和展望

綜上，根據文獻的研究結果，筆者推測TDO參與阿爾茲海默病、精神分裂癥和膠質瘤等多種疾病。此外，越來越多的研究表明TDO可能參與其他大腦疾病的病理學，如亨廷頓病、多發性硬化癥、帕金森病和癲癇等。未來應該探索TDO是否參與其他神經疾病，并深入研究其發病機制，為疾病治療提供基礎。

在動物模型中減少犬尿氨酸作為一種神經疾病的治療策略已有研究。在亨廷頓病倉鼠模型中，抑制KMO可減少神經元和突觸損失并降低其癥狀的嚴重程度[27]。同時在秀麗隱桿線蟲中抑制TDO基因可以抑制α-突觸核蛋白(α-Syn)的毒性以及Aβ1-42和多聚谷氨酰胺蛋白的形成，而已知α-Syn是參與帕金森綜合征病理的重要分子[28]。這也表明TDO抑制劑在腦部疾病的治療潛力十分巨大。未來的發展方向可以通過構建TDO缺陷相關神經疾病動物模型從而研究抑制TDO是否減輕或逆轉模型動物疾病的進展及具體機制，為TDO抑制療法提供臨床基礎。

目前TDO抑制劑有709W92、68OC91和LM10等。但由于709W92抑制5-羥色胺的再攝取、68OC91溶解度和生物利用度差等原因，應用受到限制。LM10雖然具有良好的抑制TDO酶活性的能力、高的溶解度和生物利用度，也顯示出有效的抗腫瘤活性，但它的特異性還有待探索。未來應該深入研究人類TDO分子結構，并在此基礎上開發高效特異的TDO抑制劑，從而更好的治療相關神經疾病。