線粒體源性活性氧調控蛋白/酶在老年性耳聾中的研究進展

孫宗潤 孫一諾 陳海軍 許子淵 楊城龍 尹海燕

(濟寧醫學院基礎醫學院,山東 濟寧 272067)

老年性耳聾亦稱年齡相關性聾(ARHL),是指隨著年齡增長而逐漸出現雙耳對稱性、進行性的感音神經性聽力損失,患者常出現對高頻聲音不敏感,語言分辨率下降,多數還伴有耳鳴等問題。隨著人口老齡化的加劇,ARHL已成為一個嚴重的社會健康問題。資料預測,2025～2040年,中國老年人口將從2.84億增加到4億,其中約有11.04%會出現聽力障礙,而ARHL約占其中66.78%〔1〕。ARHL患者認知能力下降、癡呆風險增加,不僅影響了患者的生活質量,而且帶來巨大的社會經濟負擔。線粒體源性活性氧(ROS)積累與ARHL發病機制密切相關,成為國內外學者研究的焦點,調控線粒體ROS相關的酶和蛋白在ARHL的作用日益受到重視。本文通過論述調控線粒體ROS的酶和蛋白在ARHL的作用,為其預防和治療提供幫助。

1 線粒體ROS與衰老

線粒體通過氧化磷酸化生成ATP參與能量供給,在此過程中產生ROS,是細胞內ROS產生的主要場所。一般情況下,ROS在細胞內信號傳遞過程中起到氧化還原信使的作用,線粒體抗氧化酶,如超氧化物歧化酶(SOD)、谷胱甘肽過氧化物酶(GPX)、過氧化氫酶等,可以清除代謝過程中產生的多余ROS,維持線粒體穩態,保護細胞活性。過多的ROS影響線粒體穩態加速細胞凋亡,造成不可逆損傷,導致細胞死亡。隨著年齡增長,線粒體內膜損傷影響線粒體膜質子濃度梯度,使線粒體合成 ATP的功能受損,引起過量ROS產生,攻擊靶點蛋白,造成生物膜結構蛋白和脂質過氧化,損傷生物膜通透性,加速細胞凋亡〔2〕。ROS介導的氧化應激引起耳蝸組織細胞損傷是導致ARHL的病理關鍵之一〔3〕。耳蝸毛細胞及螺旋神經元屬不可再生的終末分化細胞,其損傷導致不可逆ARHL,研究證實調控耳蝸毛細胞和螺旋神經元線粒體ROS產生的蛋白和酶在ARHL發展中具有重要意義。

2 調控ROS的線粒體內膜蛋白(Mpv)與ARHL

2.1Mpv17 Mpv17是一種在人體中由Mpv17基因編碼的蛋白質。Mpv17蛋白作為線粒體抗氧化因子在活性氧代謝中發揮著重要作用。Mpv17通過與HtrA2絲氨酸蛋白酶結合,通過穩定線粒體內膜電位抑制線粒體ROS的產生〔4〕。Mpv17蛋白可以減輕年齡引起的螺旋神經節細胞退化,Mpv17基因缺失(Mpv17-/-)小鼠在7月齡時螺旋神經節細胞嚴重退化,體積變小〔5〕。另有研究證實Mpv17基因缺失小鼠在出生2個月后即表現出嚴重的聽力損傷,且伴有部分血管紋脫節,邊緣細胞缺失或完全不發育,柯氏器退化,毛細胞丟失〔6,7〕。Meyerzum等〔8〕通過觀察小鼠第18天到第9周的發育狀況,發現Mpv17-/-小鼠柯蒂器成熟后內耳毛細胞快速的細胞變性,伴隨著廣泛的細胞質空泡形成、線粒體改變和溶解。

2.2解耦聯蛋白(UCP)2 UCP2是線粒體內膜蛋白UCP家族的一員,通過穩定膜電位,消除線粒體內膜兩側的跨膜質子濃度差,減慢線粒體氧化磷酸化過程,減少ROS的生成。研究表明,UCP2間接參與細胞內ROS的生成從而對內耳的氧化損傷起到保護作用〔9〕。Sugiura等〔10〕研究發現在日本人群中UCP2基因外顯子的多態性與年齡相關性聽力損失顯著相關。D-半乳糖誘導大鼠衰老,其內耳UCP2 mRNA和UCP2蛋白顯著增加〔11〕。魏薇等〔12〕發現在老年鼠耳蝸中UCP2表達量明顯增高,推測UCP2通過降低線粒體ATP合成從而影響耳蝸帶狀突觸的正常功能。Gates等〔13〕證實衰老過程中線粒體突變引起UCP2減少,進而導致內耳耳蝸退化、聽力損失。

3 調控線粒體ROS的酶與ARHL

3.1異檸檬酸脫氫酶(IDH)2 IDH2參與三羧酸循環,產生谷胱甘肽還原酶(GSR)輔助因子還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADPH),通過維持線粒體氧化平衡左右細胞命運〔14,15〕。激活的IDH2通過增加線粒體中NADPH升高谷胱甘肽(GSH)/氧化谷胱甘肽(GSSG)比率,降低ROS水平,保護內耳細胞,預防哺乳動物年齡相關的聽力損失〔14〕。IDH2 缺失降低NADPH和GSH水平,導致ROS過度積累,引起毛細胞和螺旋神經節神經元死亡,導致聽力受損〔16〕。White等〔16〕發現24月齡的IDH2-/-雄性小鼠在8、32和48 kHz的聽性腦干反應(ABR)閾值比年齡匹配的WT小鼠增加了27～35 dB,老年IDH2-/-雄性小鼠在8和48 kHz時Ⅰ波振幅下降了40%～46%,表明IDH2缺失加速雄性小鼠ARHL。

3.2檸檬酸合成酶(CS) CS參與三羧酸循環,產生高能還原形式的煙酰胺腺嘌呤二核苷酸和黃素腺嘌呤二核苷酸2用于氧化磷酸化〔17〕。CS活性降低減緩氧化磷酸化的速度或降低糖酵解的速度,減少ATP的產生,增加細胞中ROS積累,促進耳蝸毛細胞的衰老〔18,19〕。Cai等〔20〕證明CS基因敲除導致過量的超氧化物歧化,線粒體中與ROS產生相關的調節因子UCP2表達水平降低,ROS生成增多,ATP合成減少,最終導致毛細胞凋亡。此外,Johnson等〔21〕證實A/J小鼠(一種表現出AHL的近交小鼠品系)體內CS合成減少,ROS增多,通過激活應激反應或信號轉導途徑導致細胞死亡。

3.3Sirtuins(Sirt)家族 Sirts是煙酰胺腺嘌呤二核苷酸依賴性蛋白脫乙酰酶家族,共有7個同源物(Sirt1～7)。Sirt1、Sirt6和Sirt7在細胞核中,Sirt2在細胞質中,Sirt3、Sirt4 和Sirt5在線粒體中,與線粒體氧化應激密切相關〔22〕。其中Sirt1、Sirt6在毛細胞或螺旋神經節中高表達,與ARHL關系也較為密切。降低Sirt1表達減少耳蝸外毛細胞和螺旋神經元與年齡相關的氧化損傷,延遲ARHL的早期發作〔23〕。增加Sirt1活性對ARHL中樞通路的恢復有重要作用〔24〕。Sirt6基因在衰老耳蝸外毛細胞和螺旋神經元表達上調〔25〕。Sirt3可以直接結合線粒體復合物Ⅰ和Ⅱ使其去乙酰化來調控ROS的生成,通過改變SOD2的乙酰化水平調節ROS的清除〔26～28〕。抑制 Sirt3 降低線粒體膜電位、升高 ROS 水平導致耳蝸基底膜毛細胞損傷和帶狀突觸丟失〔29〕。在衰老大鼠研究中發現,Sirt3存在于大鼠中樞聽覺皮質中,Sirt3表達降低,SOD2活性降低,ROS生成增加,導致線粒體超微結構退行性變化,最終導致ARHL〔30〕。

3.4葡萄糖-6-磷酸脫氫酶(G6PD) G6PD催化6-磷酸葡萄糖脫氫,產生NADPH。參與細胞抗氧化。Bermúdez-Muoz等〔31〕發現隨著年齡的增長,與正常小鼠相比,高表達G6PD轉基因小鼠NADPH水平升高,ROS生成減少,維持了耳蝸科蒂器、螺旋神經節和側壁器官的正常結構,保護外毛細胞免受氧化損傷。提示過多的G6PD是通過對抗與年齡相關的氧化還原失衡和氧化誘導的損傷起到延遲ARHL的作用。

3.5細胞色素C氧化酶(COX) COX復合體由13個亞基組成,其中,COX1、COX2和COX3參與線粒體膜上氧化呼吸鏈的組成及氧自由基的產生,COX復合物是氧自由基產生的一個重要場所〔32〕。隨著年齡增長,呼吸鏈中的COX會發生明顯變化,測序結果顯示老年人耳蝸神經元中大量的COX基因突變,編碼COX1、COX2和COX3的線粒體DNA分別減少了15%、43%和75%〔33〕。Markaryan等〔34〕檢測到老年性耳聾患者螺旋神經節細胞中COX3表達降低。在聽皮層中COX3 mRNA 表達隨著年齡的增加而逐漸降低〔35〕。綜上,COX在ARHL發生過程中的作用不容忽視。

3.6NADPH氧化酶(NOX) NOXs是產生ROS的主要部位之一,在哺乳動物,NOX家族由七種亞型(NOX1～5、DUOX1、2)組成,其中NOX3與ARHL關系最為密切。由于NOX3只在內耳表達,使其在減緩ROS產生和參與內耳細胞氧化損傷方面起重要作用。隨著年齡的增長,小鼠耳蝸內毛細胞和螺旋神經節中NOX3表達增加〔36〕。衰老大鼠外周聽覺系統中ROS的主要來源是NOX3,慢性注射D-Gal會加重外周聽覺系統中NOX3介導的氧化應激,導致線粒體損傷和細胞凋亡〔37,38〕。Rousset等〔39〕研究表明,NOX酶介導的興奮性毒性的增強是導致年齡相關性聽力損失的主要原因,為ARHL的發病機制和未來的治療靶點提供了新的見解。

綜上,線粒體源性ROS積累與ARHL發病機制密切相關,通過調控線粒體ROS相關的關鍵酶和蛋白影響內耳ROS水平,延緩ARHL的發病進程(圖1)。

圖1 線粒體源性ROS調控蛋白和酶