線粒體乙醛脫氫酶2的心臟保護作用機制及靶向治療的前景

張玄子，易春秀，趙雅靜

(昆明醫科大學第二附屬醫院心內科，昆明 650101)

心血管疾病是人類重要的死因，包括冠心病、高血壓性心臟病、糖尿病心臟病、酒精性心臟病等，而心力衰竭則是上述疾病的終末形式，發達國家中成年人心力衰竭患病率為1%～2%[1]，在中國成年人心力衰竭的患病率為0.9%，并且持續上升。對于不同的個體，即使病因相同也會表現出不同的發病率及預后，可能與遺傳變異相關[2]。乙醛脫氫酶2(aldehyde dehydrogenase 2,ALDH2)是一種分子量為56 000的線粒體蛋白，通過兩個ALDH2蛋白的Glu487和Arg475殘基之間的氫鍵相互作用形成同源二聚體，兩個ALDH2同源二聚體可以相互作用形成ALDH2四聚體。每個亞基具有3個主要結構域：輔酶結合結構域、催化結構域和寡聚化結構域[3]。ALDH2基因位于第12號染色體上，包含13個外顯子。在外顯子12中有一個單核苷酸多態性(rs671,G→A突變)，第504個谷氨酸轉化為賴氨酸，表現為野生型等位基因(ALDH2*1)和突變型等位基因(ALDH2*2)。與純合子編碼的野生型ALDH2(ALDH2*1/1)相比，雜合子編碼的ALDH2(ALDH2*1/2)僅維持30%～40%全酶活性，而突變型純合子編碼的ALDH2(ALDH2*2/2)活性可以被忽略[4]。這種多態性的突變頻率在西方人群中僅為5%，但東亞人群的突變頻率可以達到30%～50%[5-6]。這種多態性參與多種疾病的發生、發展，ALDH2在缺血再灌注(ischemia reperfusion,I/R)[7]、高負荷[8-9]、糖尿病[10-11]、心力衰竭[12-13]等疾病中的作用以及可能作用機制的報道越來越多。現就線粒體ALDH2的心臟保護作用機制及靶向治療的前景進行綜述。

1 ALDH2參與心臟保護的機制

雖然不同病因引起心肌損傷的病理過程不同，但ALDH2參與心肌保護的機制相似，以下回顧ALDH2 在各種心肌保護作用機制的最新發現和見解。

1.1毒性醛的解毒作用 氧化應激是心血管疾病發病的主要原因。活性氧類(reactive oxygen species,ROS)存在并參與I/R損傷[4]，高血壓[14]，糖尿病[15]和酒精誘導[16]心臟損傷的發生和發展。心肌梗死期間及之后，ROS-醛-線粒體損傷-ROS正反饋回路持續進行，進一步加重線粒體損傷[17]。升高的ROS還能調節缺氧誘導因子-1α/血管內皮生長因子依賴性損傷組織再生能力，導致血管生成障礙，從而影響慢性缺血致冠狀動脈側支循環建立[18]。

ROS過量產生可攻擊細胞膜上的多不飽和脂肪酸，導致脂質過氧化，醛類產物增加，特別是4-羥基-2-壬烯醛(4-hydroxy-2-nonenal,4-HNE)[19]，可與脂質、蛋白質和DNA形成加合物，進而導致細胞內信號因子失活[20-21]、線粒體損傷[22]、觸發下游信號轉導通路誘導凋亡[12]。有實驗證實4-HNE與ALDH2 本身形成加合物并減弱酶的活性，從而導致心臟肥大[20]。LKB1基因的乙酰化和脫乙酰化是由去乙酰化酶介導，可以影響AMP活化的蛋白激酶(AMP-activated protein kinase,AMPK)的活性[23]，Chen等[24]通過實驗得出結論：慢性疼痛導致的過量4-HNE誘導的去乙酰化酶羰基化可能與LKB1-AMPK相互作用相關，導致缺血性AMPK活化減少，最終增加細胞死亡率，通過病毒建立的基因轉移，特異性上調心臟ALDH2表達，降低4-HNE來阻止慢性疼痛誘導的心臟去乙酰化酶羰基化失活并防止I/R損傷。其他實驗同樣證實ALDH2通過醛的解毒作用來提供抗I/R損傷效應，其機制可能是通過對LKB1/PTEN基因介導的AMPK和蛋白激酶B(protein kinase B, PKB/Akt)的調節來實現的[25]。ALDH2 不僅可以去除脂質過氧化產物4-HNE、丙二醛等毒性醛，還可以去除乙醛，從而保護組織和細胞免受氧化損傷[3]。有研究表明，ALDH2轉基因過表達可能通過應激活化蛋白激酶依賴性機制有效緩解乙醛誘導的細胞損傷[26]。

Ebert等[27]通過細胞實驗發現突變型ALDH2*1/2心肌細胞中4-HNE、ROS和細胞凋亡水平顯著高于野生型心肌細胞，在缺血條件下尤為明顯。當給予ALDH2激活劑Alda-1時，4-HNE、ROS和細胞凋亡水平明顯降低。證實ALDH2心臟保護作用與4-HNE的解毒作用相關。

1.2自噬悖論 自噬是生理和病理生理條件下心肌細胞存活和死亡的基本調節因子[21]，AMPK的激活可能促進自噬，而Akt的激活可能抑制自噬[25]。Ge和Ren[28]的研究數據顯示慢性酒精攝入后可抑制Akt和AMPK的磷酸化，同時促進自噬以及心臟收縮功能障礙，結果表明ALDH2可能通過恢復蛋白激酶-哺乳動物雷帕霉素靶蛋白(the mammalian target of rapamycin,mTOR)-信號轉導與轉錄激活因子磷酸化和下游的Notch1信號來抑制自噬實現心臟保護。糖尿病動物模型中，自噬蛋白標志物LC3B和Atg7降低，p62上調，表明自噬流受損，這種抑制自噬的作用可被ALDH2緩解，進一步細胞實驗表明ALDH2可能通過AMPK-叉形頭轉錄因子的O亞型家族的FOXO3a-ULK1蛋白信號依賴性促進自噬來防止糖尿病誘導的心肌功能障礙[29]。

ALDH2在缺血過程中啟動AMPK抑制mTOR，從而促進自噬，但是AMPK在再灌注期間不再活躍，通過其他的上游信號因子來激活mTOR，導致Akt依賴性抑制自噬，AMPK-Akt-mTOR信號級聯介導ALDH2在I/R中的自噬調節并維持心肌細胞存活穩態[25]。研究表明，ALDH2低表達時可能通過抑制Beclin-1基因表達減弱自噬，加劇壓力超負荷引起的心功能障礙[15]。另有研究表明ALDH2可以通過調節AMPK-Akt-mTOR抑制自噬防止多柔比星造成的心臟損傷[30]。

1.3抑制內質網應激 正常情況下，約30%的蛋白質出現錯誤折疊，從而被內質網相關蛋白降解，但這一過程易受到干擾，稱為內質網應激[31]。數據顯示，長期酒精攝入情況下，兩種跨膜蛋白抑制物阻抗性酯酶1和真核起始因子2發生上調和(或)激活，同時伴隨內質網應激標志物葡萄糖調節蛋白78的上調。ALDH2可以減弱酒精引起的抑制物阻抗性酯酶1、真核起始因子2及葡萄糖調節蛋白78的變化，說明ALDH2參與內質網應激所致的酒精性心肌損傷[32]。通過流式細胞計數表明ALDH2能減弱內質網應激誘導的細胞凋亡來阻止動脈粥樣硬化的進展[10]。ALDH2過表達還能通過增強磷脂酰肌醇-3-激酶(phosphoinositide 3-kinases,PI3K)-Akt活性，抑制下游的p47phox煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶，對抗內質網應激誘導的細胞凋亡[13]。

1.4防止線粒體損傷 線粒體通透性轉換孔位于線粒體內外膜多蛋白復合物中，在維持線粒體膜電位和保護線粒體結構和功能方面起重要作用[33]。粒體內膜損傷導致細胞色素C釋放到細胞溶質中，這是觸發細胞凋亡的關鍵步驟[34]。高糖作用下線粒體膜電位顯著降低，高糖聯合ALDH2抑制劑大豆苷治療下線粒體膜電位進一步降低，表明高糖引起ALDH2抑制而加重的線粒體損傷可能是導致糖尿病大鼠心臟功能障礙的潛在機制[11]。在橫向主動脈縮窄手術后線粒體形態和結構顯著受損，而ALDH2 突變型模型術后線粒體的結構及形態的損傷進一步惡化[15]。ALDH2活性降低和4-HNE蛋白加合物形成增加還可導致線粒體儲備能力及線粒體呼吸降低并最終導致細胞死亡[22]。通過使用線粒體通透性轉換孔的特殊開放劑蒼術苷和PI3K抑制劑渥曼青霉素證實，低濃度乙醇上調ALDH2表達以保護心臟，其機制可能為通過降低Bax/Bcl-2基因表達比值，激活PI3K-Akt信號通路，抑制線粒體通透性轉換孔開放而發揮抗凋亡作用[35]。

1.5促進血管生成和心臟肥大 研究發現，冠狀動脈側支循環較少的患者比側支循環豐富的患者AA基因型頻率更高，與野生型相比，ALDH2突變型顯著降低了缺血模型心臟小動脈和毛細血管密度，而在體外，ALDH2低表達可以減少增殖、遷移以及缺氧引發內皮細胞內皮管的形成，以上作用通過ALDH2 轉染而恢復[18]。證實ALDH2能夠促進血管形成來防止心肌缺血性損傷，并且發現ALDH2可能是通過調節缺氧誘導因子-1α及其下游血管生成蛋白的積累實現心臟保護作用。通過小鼠主動脈縮窄手術模擬壓力超負荷發現ALDH2過表達并不能改善對壓力超負荷的反應，相反會使心臟肥大進一步惡化[8]。而ALDH2缺陷可能通過調節PI3K-同源性磷酸酶張力蛋白-Akt信號級聯減弱壓力超負荷早期下心臟代償性肥大，表明在壓力超負荷早期心臟肥大對于心功能的維持可能是有益的[9]。推測ALDH2表達下調可能是對某些形式的病理應激的適應性反應。

1.6緩解心肌纖維化 大量的心臟成纖維細胞生成是心肌纖維化的重要原因之一。用特異性激動劑Alda-1激活ALDH2可抑制高糖環境下心臟成纖維細胞的增殖，減少ROS和4-HNE蛋白表達和釋放，減少氧化應激超負荷以及膠原蛋白Ⅰ和膠原蛋白Ⅲ的表達，逆轉心肌纖維化[36]。Zhao等[7]通過實驗證實Alda-1能下調β聯蛋白、Wnt信號蛋白、Wnt誘導的分泌蛋白-1及腫瘤壞死因子-α水平，表明ALDH2可能至少部分通過Wnt/β聯蛋白信號級聯來緩解心臟纖維化。

1.7遺傳調控 微RNA(microRNA,miRNA)是小非編碼RNA，可以通過與相關信使位點配對來沉默mRNA，從而在轉錄后抑制蛋白質翻譯[37]。miR-34a、miR-28能作用于ALDH2 mRNA的3′非翻譯區，在上游抑制ALDH2的表達，導致心肌缺血缺氧損傷[38-39]。在心肌梗死條件下，ALDH2啟動子上游序列中CpG位點的DNA甲基化水平隨梗死時間的延長而顯著升高，ALDH2蛋白和mRNA表達顯著降低[40]。Liu等[41]首次證明在高血糖條件下ALDH2 O-乙酰氨基葡萄糖糖基化修飾增加，ALDH2 O-乙酰氨基葡萄糖糖基化修飾對ALDH2活性負性調節，促進4-HNE積累、蛋白質羰基形成和細胞凋亡，從而導致心肌I/R損傷。有研究發現心肌缺血本身通過減弱肝臟內胰島素作用引起高血糖，形成惡性循環導致預后不良[42]。還有報道顯示蛋白激酶Cε參與異氟醚誘導的ALDH2的磷酸化和心肌保護[43]。

2 靶向ALDH2治療的前景

ALDH2*2不僅是急性心肌梗死的危險因素，同時在急性心肌梗死后ALDH2*2攜帶者的心肌損傷也更加嚴重[47]，所以在急性心肌梗死的治療上除有效的血運重建，還需要針對ALDH2*2多態性的靶向治療。研究發現酒精充血綜合征是ALDH2*2敏感的臨床標志物[47]，因此，可以建議心肌梗死患者接受篩查，以便進一步針對性的ALDH2靶向治療。臨床數據表明，由于基因突變導致的ALDH2功能喪失可能是冠狀動脈慢性完全閉塞病變患者側支循環建立的不利因素[18]，所以進一步血運重建對于心臟功能恢復至關重要。

缺血預處理和遠端缺血預處理能顯著減少心肌損傷[48]，但是臨床中缺血事件發生的不可預知性使上述措施在臨床應用中受限。Yu等[49]通過實驗數據證實遠端缺血后處理是通過激活PI3K-Akt依賴的信號通路實現心肌保護和抗凋亡作用，ALDH2 參與其中并起介導作用，但遠端缺血后處理在臨床應用的可行性有待臨床進一步證實。異氟醚能誘導ALDH2磷酸化并表現出心肌保護作用，推測麻醉預處理可用于臨床[43]。ALDH2的特異性小分子激動劑Alda-1將突變體ALDH2*2的活性恢復至野生型水平[4]，Alda-1還能減少大鼠心肌梗死后心臟纖維化，為臨床應用Alda-1預防心肌梗死后心肌纖維化提供藥理學支持[11]。α-硫辛酸預處理可顯著上調心肌ALDH2活性，降低細胞凋亡、ROS的產生，同時能改善心功能，降低4-HNE和丙二醛[50]。通過激活ALDH2預防去乙酰化酶羰基化可能是慢性疼痛患者心肌缺血易感性的潛在治療靶點[24]，而對于緩解慢性疼痛的治療也能增加對心肌缺血的耐受性，但是非甾體抗炎藥等藥物用于疼痛治療的同時還伴隨著心血管疾病事件風險的增加[51]，所以疼痛控制方式的選擇需權衡利弊。有研究表明持續硝酸甘油治療能降低ALDH2活性，增加心肌梗死后梗死面積，證實硝酸甘油的獲益受限于持續使用后所產生的耐受性[52]。另一組實驗證實只有硝酸甘油可增加心肌梗死后心肌損傷，而其他有機硝酸鹽則無此作用[53]，所以應避免硝酸甘油的持續使用，或者通過其他有機硝酸鹽來替代。

黃芩苷是從中藥黃芩中分離得到的一種黃酮類化合物。研究發現黃芩苷在心血管疾病中具有多種生物學功能[54]，Jiang等[55]通過缺氧再復氧處理H9c2心肌細胞后，存活率降低，胱天蛋白酶3蛋白酶活性和凋亡率顯著升高，使用黃芩苷預處理可明顯逆轉這些變化的同時，還可緩解缺氧再復氧誘導細胞ALDH2 mRNA和蛋白水平下降及ALDH2活性降低，Alda-1同樣也能消除缺氧再復氧誘導的細胞毒性、細胞凋亡和氧化應激，進一步表明黃芩苷能增強ALDH2活性及表達。

3 小 結

在I/R過程中，ALDH2對自噬的調節存在悖論，即缺血期間促進自噬，而在再灌注期間抑制自噬。在不同病理情況下ALDH2對自噬調節存在相反的作用，多柔比星條件下，ALDH2抑制自噬來保護心臟功能，而在壓力高負荷下，ALDH2通過促進自噬防止心功能惡化，ALDH2過表達可以通過不同途徑保護多種病因引起的心功能障礙，促進新生血管形成來防止心肌缺血性損傷。而在壓力超負荷早期，通過抑制ALDH2來防止心臟代償性肥大，推測這是ALDH2對病理應激的適應性反應，說明ALDH2 的過表達或活性上調并不全產生有益的作用。ALDH2參與各種形式的心肌損傷及心功能障礙的保護，是心肌損傷及心功能障礙的重要保護靶點。