精氨酸酶II:一種 “不同尋常” 的酶

劉 暢,羅 蓉,杜吉佩,李 秀?

(1.成都醫學院,基礎醫學院,四川養老與老年健康協同創新中心老年心血管疾病研究所,成都 610500;2.成都醫學院,人體解剖與組織胚胎學教研室;發育與再生四川省重點實驗室,成都 610500)

1 精氨酸酶

精氨酸酶是一種可以將精氨酸轉化成鳥氨酸和尿素的錳金屬酶,在細菌、酵母、植物、無脊椎動物、脊椎動物中都有發現。 絕大多數的無脊椎動物、植物、細菌和酵母的精氨酸酶僅僅只有一種亞型,并且存在于線粒體中[1-2]。 在人類和哺乳動物體內,存在著兩種精氨酸酶同工酶:精氨酸酶I 和精氨酸酶II,由兩條染色體上兩個不同的基因編碼。

在人類體內,精氨酸酶I 定位于6q23 染色體上,編碼322 個氨基酸;而精氨酸酶II 定位于14q24染色體上,編碼354 個氨基酸。 雖然這兩種同工酶由不同基因編碼,但是結構相似,氨基酸殘基的同源性超過50%,在催化L-精氨酸代謝功能關鍵區域具有100%的同源性。 在亞細胞水平,精氨酸酶I 主要位于細胞質內,精氨酸酶II 主要位于線粒體內。盡管精氨酸酶I 和精氨酸酶II 都是水解L-精氨酸產生L-鳥氨酸和尿素,但是這兩種同工酶的功能卻取決于特定器官或細胞。 例如在內皮細胞中,精氨酸酶I 或者精氨酸酶II 的酶活性或者表達水平增加會減弱血管內皮一氧化氮合酶(eNOS)產生的血管保護性物質NO。 然而在巨噬細胞中,精氨酸酶I 和精氨酸酶II 似乎具有相反的功能作用。 因為精氨酸酶I 在肝中大量表達,所以精氨酸酶I 最主要的功能是參與肝尿素循環,去除氨基酸代謝產生的過量氮;精氨酸酶II 在肝細胞中不表達。 研究顯示,精氨酸酶I 基因敲除小鼠表現出嚴重的高氨血癥癥狀,并在出生后10 ～14 d 死亡[3],從而證實了肝精氨酸酶I 的重要作用。 基因突變所致精氨酸酶I缺乏癥患者表現為尿素循環紊亂、高精氨酸血癥,并伴有進行性神經功能損害、發育遲緩以及伴隨早期兒童肝硬化和肝癌的肝功能異常[4-5]。 精氨酸酶I 除了在肝中表達外,還發現在胃、胰腺、肺中有表達[6]。 精氨酸酶I 在這些器官中的功能尚不清楚。 與精氨酸酶I 不同的是,精氨酸酶II 主要存在于腎、大腦、前列腺、腸道和胰腺中[6-8],目前精氨酸酶II 在這些器官中的作用未知。 在臨床研究中,精氨酸酶的激活與心、肺、腎的缺血再灌注損傷、高血壓、勃起功能障礙、動脈粥樣硬化、糖尿病、心肌梗死等疾病的發生發展密切相關[9]。 其中,精氨酸酶II 在某些心血管疾病和巨噬細胞中的作用研究成為目前探討的熱點之一,本文就精氨酸酶II 在心血管疾病和巨噬細胞中所起的作用進行綜述。

2 精氨酸酶II 在心血管疾病中的作用

目前一氧化氮(NO) 被公認為是血管舒張因子之一。 已經證實血管內皮NO 生物利用度降低最能反映病理條件下的內皮細胞功能障礙[10]。 NO 的前體是L-精氨酸,L-精氨酸也是eNOS 的底物。 當精氨酸酶II 的活性增強時,它可以與eNOS 競爭其共同底物L-精氨酸。 一旦當L-精氨酸的供應量不足以產生NO 時,eNOS 就會產生較少的NO 并且會跟更多的分子氧形成超氧化物(這個過程叫做eNOS-解耦聯)[11-12]。 這些超氧化物會迅速地與可用的NO 反應形成過氧亞硝酸鹽,進一步降低NO 的產生并通過氧化輔助因子BH4 進一步解偶聯eNOS[13]。有證據表明,eNOS 解偶聯在一些內皮功能障礙疾病中起著重要的作用,包括高血壓、動脈粥樣硬化、心肌缺血/ 再灌注損傷、 糖尿病血管病變以及衰老[14]。

2.1 精氨酸酶II 與動脈粥樣硬化

炎癥、血管收縮和血栓形成參與了動脈粥樣硬化的發生發展過程。 血管內皮功能受損被認為是動脈粥樣硬化的早期和關鍵因素,導致動脈管壁異常和斑塊形成。 越來越多的證據表明氧化低密度脂蛋白(OxLDL) 參與動脈粥樣硬化[15-17]發生發展的機制。 動脈粥樣硬化模型中精氨酸酶II 的活性和表達增加,OxLDL 通過氧化型低密度脂蛋白受體-1(LOX-1)和激活Rho 激酶(ROCK)介導這種升高,LOX-1 激活精氨酸酶II 導致eNOS 解偶聯并減少NO 生成。 此外,藥物抑制LOX-1 和ROCK 可以減弱內皮細胞精氨酸酶II 的活性,并且發現動脈粥樣硬化載脂蛋白E / 精氨酸酶II 雙敲除小鼠(ApoE-/-Arg-/-)血管動脈粥樣硬化斑塊減少,氧化應激降低并且增加NO 產生。 OxLDL 通過線粒體加工肽酶(MPP)將精氨酸酶II 從線粒體遷移到胞漿,從而引起精氨酸酶II 的激活。 MPP 的敲除阻止OxLDL 誘導精氨酸酶II 移位,阻斷了eNOS 的解偶聯和改善了血管功能[18]。 Rafnsson 等[19]證 明 內 皮 素-1(endothelin-1,ET-1)與精氨酸酶II 在人動脈粥樣硬化斑塊壞死中心和內皮細胞中都有表達,而且ET-1刺激內皮細胞精氨酸酶II 的表達,使其活性增加以及引起巨噬細胞ROS 的形成。 Koo 等[20-21]發現精氨酸酶II 的敲除可以抑制由于nLDL 引起的人主動脈平滑肌細胞線粒體膜電位( mitochondrial membrane potential,MMP)喪失和p38MAPK 磷酸化的產生,并且證明精氨酸酶II 的活性通過Ca2+攝取調節MMP 的變化,Ca2+攝取對p38 MAPK 磷酸化和IL-8 的產生至關重要。 在人臍靜脈內皮細胞(human umbilical vein endothelial cells, HUVEC)中,精氨酸酶II 下調通過p32 增加Ca2+濃度, 激活CaMKII/ AMPK/ p38 MPAK/ Akt/ eNOS 信號通路。在這一信號轉導途徑中,由于精氨酸酶II 的下調,p38 MAPK 的抑制增加了NO 的產生,減少ROS 的生成,并增強了乙酰膽堿誘導的血管舒張[22]。 由此可見,精氨酸酶II 是參與動脈粥樣硬化發生發展的重要因子之一,在動脈粥樣硬化動物模型和短期臨床干預研究中,精氨酸酶II 的抑制可以很好地降低斑塊負荷,改善NO 生成,恢復內皮功能,因此靶向精氨酸酶II 可以為治療與動脈粥樣硬化相關的血管功能障礙和損傷提供有效方案[23-25]。

2.2 精氨酸酶II 與衰老/ 細胞老化

研究表明,由于衰老引起的細胞老化與胞內精氨酸酶II 活性/ 表達增加有關[26-28]。 Yepuri 等[26]發現,與幼齡小鼠相比,老齡小鼠精氨酸酶II 活性/表達更高,血管內皮NO 釋放含量更低,超氧化物生成水平更高。 精氨酸酶II 的敲除可防止老齡小鼠eNOS 解偶聯,減少超氧化物的產生。 Wu 等[28]證明,精氨酸酶II 通過p38MAPK、S6K1、eNOS 解偶聯三者交互作用促使內皮細胞分泌炎性因子而加速衰老。 有研究報道,血管內皮細胞衰老與補充L-精氨酸有關。 Scalera 等[29]證明,長期給予L-精氨酸還可加速內皮細胞的衰老和減少NO 的生成。Xiong 等[30]報道,長期給予L-精氨酸誘導的內皮細胞衰老與精氨酸酶II 表達上調有關。 精氨酸酶II誘導的細胞老化涉及不同機制,在血管內皮細胞中,精氨酸酶II 通過核糖體蛋白S6 激酶β - 1(S6K1)引起eNOS 解偶聯從而導致內皮細胞老化的發生,有趣的是,S6K1 也可以通過精氨酸酶II 引起細胞老化[26]。 在血管平滑肌細胞中,Xiong 等[31]的一項研究顯示,精氨酸酶II 可以通過激活p66Shc和p53 誘導血管平滑肌細胞的衰老。 由此可見,精氨酸酶II 活性/ 表達增加是細胞老化/ 衰老的機制之一。

2.3 精氨酸酶II 與高血壓

高血壓是心血管疾病的主要危險因素,會引起NO 水平降低,超氧化物產生增多,eNOS 底物L-精氨酸、輔因子BH4 的水平降低,精氨酸酶II 的活性和表達增高。 肺動脈高壓也與精氨酸酶II 活性增加有關,與全身性高血壓相比,精氨酸酶II 在肺動脈高壓中顯得更為重要[32-34]。 此外,精氨酸酶II 水平升高減弱了實驗性肺栓塞肺葉內皮依賴性血管舒張。 在全身和肺動脈高壓時,精氨酸酶的上調與血壓升高和內皮功能障礙有關系。 精氨酸酶抑制劑使L-精氨酸不被精氨酸酶II 過度消耗并且降低肺阻力從而緩解不同因素引起的肺動脈高壓[35-40]。其中缺氧是一個重要因素,缺氧通過AMPKα 1 誘導精氨酸酶II 增加肺平滑肌細胞的增殖和精氨酸酶II含量[41]。 另外,Pandey 等[42]證明缺氧可以引起肺內皮細胞內精氨酸酶II 的轉錄。 精氨酸酶II 在系統性高血壓和肺動脈高壓中的參與機制尚不清楚,需要進一步的研究證實。

2.4 精氨酸酶II 與糖尿病血管病變

糖尿病與心血管疾病密切相關,成為糖尿病患者高發病率和高死亡率的主要原因。 1 型和2 型糖尿病均伴有血管功能障礙和損傷的征象,包括內皮依賴性舒張功能受損,平滑肌細胞的病理重構和血管順應性降低。 研究發現,在糖尿病大鼠血管組織和糖尿病患者血漿中L-精氨酸含量降低[43-44]。 此外,在2 型糖尿病動物模型上的研究表明精氨酸酶抑制劑nor-NOHA 通過減少L-精氨酸利用和提高NO 生物利用度恢復冠狀動脈微血管功能[45],并已在臨床上得到驗證[46]。 Yu 等[47]研究發現,在肥胖引起的糖尿病小鼠中,精氨酸酶II 通過p38MAPK通路導致內皮細胞eNOS 解偶聯,從而進一步引起糖尿病血管病變。 精氨酸酶II 與糖尿病血管病變密切相關,因此靶向血管Arg-II 可能是治療與糖尿病相關的血管疾病的新方法。

3 精氨酸酶II 在巨噬細胞中的作用

巨噬細胞是人體內重要的前哨細胞,參與維持組織穩態、免疫應答和炎癥相關疾病。 巨噬細胞具有高度異質性,具有可塑性,在不同微環境刺激下表型可改變,其反應類型是促炎性M1 型( 殺傷細胞)和抗炎性M2 型(修復型細胞)。 M1 型巨噬細胞主要表達促炎和細胞毒性因子,例如誘導型一氧化氮合酶(iNOS)、IL-12、MHC II 類分子和趨化因子IL-8 和CCL2,參與殺死細胞內寄生蟲和腫瘤。 相反,M2 型巨噬細胞主要產生抗炎細胞因子和具有修復功能的物質,例如精氨酸酶/ 鳥氨酸、表皮生長因子(EGF)、血管內皮生長因子(VEGF)、TGF-β 和甘露糖受體,參與抗炎、組織修復、血管生成、過敏和腫瘤發展[48-49]。

精氨酸酶I 和精氨酸酶II 在巨噬細胞中都有表達,但是要依賴于外界刺激[50-51]。 大量研究表明,Arg-I 主要表達在M2 細胞中,并可通過限制細胞內L-精氨酸的利用減少iNOS 產生的NO,從而減弱炎癥組織損傷和清除細胞內病原體[52-56]。 跟精氨酸酶I 不同的是,精氨酸酶II 在巨噬細胞表型調節和炎癥反應中的作用和表達目前尚不清楚,甚至觀點相悖。 早期一項研究表明,精氨酸酶II 基因是肝X受體的直接靶點,對巨噬細胞炎癥基因的表達有抑制作用[57]。 而Ming 等[51]研究卻發現,精氨酸酶II通過線粒體活性氧簇(reactive oxygen species,ROS)促進巨噬細胞炎癥反應或表現M1 表型,并成為慢性炎癥性疾病發展的主要原因之一,如肥胖相關的胰島素抵抗、II 型糖尿病和動脈粥樣硬化。 其研究證明由LPS 激活的M1 型巨噬細胞僅上調小鼠和人巨噬細胞iNOS 和精氨酸酶II 的表達,但不上調精氨酸酶I 的表達。 在單核細胞/ 巨噬細胞系中沉默精氨酸酶II 基因降低了由LPS 或ox-LDL 刺激產生的促炎因子的水平,從而降低了與內皮細胞的粘附性。 此外,從精氨酸酶II 敲除小鼠(Arg-II-/-) 分離的巨噬細胞, 在LPS 的刺激下產生的促炎因子(MCP-1, TNF-α, IL-6, MMP14, 和iNOS) 比從野生型小鼠中分離的巨噬細胞產生的促炎因子水平顯著降低。 而且將精氨酸酶II 基因轉導到Arg-II-/-小鼠的巨噬細胞中后,在LPS 的刺激下產生的促炎因子比野生型小鼠巨噬細胞本身產生的要高。 重要的是,Arg-II-/-小鼠可以免于由于高脂飲食造成的肥胖所引起的全身性促炎巨噬細胞浸潤和促炎因子的產生。 高脂飼養下的Arg-II-/-小鼠與野生型小鼠相比,雖然兩組體重接近,但是Arg-II-/-小鼠顯示出較低的空腹血糖濃度,并且具有更高的葡萄糖耐受性和胰島素敏感性。 另外,Liu 等[58]證明,精氨酸酶II 通過促進肝巨噬細胞炎癥反應引起高脂食物誘導的肝脂肪變性,其機制是通過促進肝巨噬細胞炎癥反應和TNF-α、IL-6 的釋放,從而降低AMPK的活性,促進固醇調節元件結合蛋白-1c (SREBP-1c)的表達,進一步增強脂肪合成的有關酶的活性,最終增加肝脂肪的生成。 這些研究表明精氨酸酶II促進巨噬細胞分泌促炎因子從而導致不同疾病的發生,是M1 型巨噬細胞刺激因子之一。

但是最新的一項研究發現精氨酸酶II 敲除小鼠體內脊髓背角小膠質細胞比野生型小鼠的背角小膠質細胞分泌更多的促炎因子,產生更多的ROS和iNOS,說明精氨酸酶II 在脊髓背角小膠質細胞中呈抗炎作用,這跟之前的很多報道觀點相悖,可能是精氨酸酶II 所在的巨噬細胞分布組織的不同導致的。 所以目前氨酸酶II 在巨噬細胞中的作用并不清楚,需要進一步的研究[59]。

4 結語

精氨酸酶II 在心血管功能障礙和損傷中的機制已經在動物模型和人類疾病的研究中得到很好的證實并且其作為慢性炎癥性疾病(如衰老相關性血管功能障礙、動脈粥樣硬化、II 型糖尿病和并發癥)的治療靶點,已經在基因修飾小鼠模型中顯示出良好的療效,所以研制特異的精氨酸酶II 抑制劑勢在必行。 精氨酸酶II 在巨噬細胞中的作用已經有了初步的研究,但是巨噬細胞中精氨酸酶II 參與調節基因表達和酶活性的信號通路有待進一步研究,這些機制可以為特定靶向精氨酸酶II 提供可能性,從而間接治療炎性疾病。 精氨酸酶同工酶的功能分析及其在巨噬細胞極化中的作用也有助于了解其他疾病,特別是癌癥。 總之,對于精氨酸酶II及其下游靶點在其他疾病中如神經退行性疾病、視網膜疾病等的具體作用機制仍然還不清楚,需要我們進一步的研究。